BGA-pakketyper til printkortdesign og -montering

En ball grid array (BGA) er et overflademonteret kabinet, der forbindes til printkortet via et gitter af loddekugler under komponenten i stedet for ledninger rundt om kanten. Dette arrangement muliggør mange forbindelser i et lille format med god elektrisk og termisk ydeevne, hvilket er grunden til, at BGA'er dominerer moderne processorer, hukommelse og komplekse IC'er. Der findes flere typer, plastik, keramik, tape, fine-pitch, chip-scale, flip-chip og mere, hver med sine egne afvejninger. Denne vejledning forklarer de vigtigste BGA-typer, deres vigtigste egenskaber og hvad de betyder for samling, inspektion og printkortdesign.

Hvad er en BGA-pakke?

En BGA placerer sine forbindelser som en række loddekugler i bunden af ​​pakken. Når kortet reflowes, smelter disse kugler og forbindes med matchende puder, hvilket danner den elektriske og mekaniske forbindelse.

Hvorfor formatet findes

Blypakker løber tør for plads, når I/O-antallet stiger, fordi ledningerne kun passer rundt om perimeteren. Et gitter af kugler bruger hele undersiden, så en BGA tilbyder langt flere forbindelser i det samme område, med kortere stier, der forbedrer den elektriske ydeevne, og en stor termisk kontakt til varmeafledning. Afvejningen er, at samlingerne er skjulte, hvilket former alt ved montering og inspektion.

Hvor BGA'er bruges

Processorer, hukommelse, FPGA'er og andre high-I/O-enheder er næsten alle BGA'er. At arbejde med dem på en sikker måde er en del af moderne printkortsamling , især på tætte, højtydende printkort.

Typer af BGA-pakker (PBGA, CBGA, FBGA, FCBGA)

"BGA"-mærkatet dækker en familie af relaterede pakker, der primært adskiller sig i substratmateriale og hvordan chipen er fastgjort.

De store forskelle er substrat (plastik, keramik eller tape), om chipen er flip-chip-monteret (FCBGA, for den højeste ydeevne), og om delen overhovedet har kugler, en LGA har lande og får sit loddetin fra printpladens pasta. PoP er en pakningsstrategi, der stabler enheder for at spare printpladeplads. Den rigtige type dikteres normalt af den chip, du skal bruge, ikke et frit valg.

BGA vs. ledningspakker (QFP og QFN)

Det hjælper at se, hvor BGA'er ligger i forhold til lead-pakker som QFP og QFN.

BGA'er vinder på I/O-tæthed og på elektrisk og termisk ydeevne, hvilket er grunden til, at enheder med et højt antal pins og højhastighedsudstyr bruger dem. Afvejningerne er inspektion (røntgen i stedet for visuel), omarbejdning (varmluft og reballing i stedet for et strygejern) og ofte et mere komplekst printkort. For lavere antal pins kan en ledningspakke være enklere; valget følger normalt delen. Uanset hvad sikrer planlægning af fodaftryk og stackup under en designgennemgang, at den valgte pakke kan fremstilles.

BGA-tal og kugletælling

Pitch, afstanden mellem kuglerne fra center til center, er den egenskab, der mest påvirker, hvor svært det er at fremstille og samle en BGA.

Efterhånden som pitchen krymper, kan man ikke længere rute et spor mellem kuglerne, så printpladen har brug for flere lag, mindre vias og ofte via-in pads. Fine-pitch BGA'er skubber derfor et design i retning af HDI-teknikker, der bruges i højhastigheds- og højdensitetsproduktion. Højere kugleantal forværrer dette, da hver kugle har brug for en rute ud.

BGA-kuglesammensætning og fugtfølsomhed

To væsentlige fakta om BGA'er påvirker, hvordan de håndteres og loddes.

• Kuglelegering. Moderne BGA'er bruger blyfri (tin-sølv-kobber) kugler, som indstiller reflow-peaktemperaturen; ældre dele kan bruge blyholdige kugler.
• Fugtfølsomhed (MSL). BGA'er er fugtfølsomme: Absorberet fugt kan blive til damp under reflow og beskadige emballagen ("popcorning"), så dele vurderes af MSL og bages før samling, hvis de udsættes for stråling.

Respekt for MSL-håndtering, at holde delene tørre og bage efter behov er et grundlæggende, men kritisk trin. Hvis det springes over, kan pakkerne revne under reflow, uanset hvor god resten af ​​processen er, og derfor er det indbygget i et kontrolleret monteringsflow.

Hvordan BGA'er samles

Placering af en BGA er rutinemæssig på en automatiseret linje, men det afhænger af, at et par ting går korrekt.

• Stencil og lim. En korrekt designet stencil afsætter den rette pastamængde på hver pude.
• Placering. Delen er placeret over sine puder; den behøver ikke perfekt justering på grund af det næste punkt.
• Reflow-profil. En kontrolleret profil smelter kuglerne; overfladespænding trækker derefter pakken i justering ("selvcentrerende").
• Termisk balance. Profilen skal passe til brættets masse, så alle kugler når temperaturen sammen.

Selvcentrering er en af ​​BGA'ens pænere egenskaber, smeltede kugler trækker pakken på plads. Men det virker kun med en god pastaaflejring og en profil, der matcher printpladen, hvilket er sværere på termisk tunge printplader såsom metalkernesamlinger . At få profilen rigtigt første gang er det, der gør BGA-samlingen pålidelig.

Sådan inspiceres BGA-loddeforbindelser (røntgen)

Fordi hver samling er skjult under emballagen, kan man ikke bedømme en BGA med det blotte øje. Røntgen er det primære inspektionsværktøj.

Vridning og koplanaritet er almindelige syndere: Hvis pakken eller pladen bøjer ved reflow, kan hjørne- eller midterkuglerne muligvis ikke røre deres puder, hvilket forårsager åbninger eller defekter mellem hoved og pude. Røntgen afslører disse skjulte problemer, og på kritiske plader er det et påkrævet trin, ikke en mulighed. Visuel inspektion kan kun bekræfte den ydre rækkes kanter, ikke selve samlingerne.

Design af et printkort til BGA-pakker

En BGA's pålidelighed bestemmes i høj grad af printkortets design, før en enkelt del placeres.

Flugtveje og vias

Hver kugle har brug for en vej ud. Ved større pitch fungerer en kort "dog-bone"-trace til en via mellem kuglerne. Ved fin pitch er der ikke plads, så via-in-pad, en fyldt og lukket via direkte i pad'en, bliver nødvendig, hvilket igen kræver HDI-fremstilling.

Design af pude og stencil

Pudetype (loddemaskedefineret vs. ikke-loddemaskedefineret) og stencilåbning påvirker samlingens form og pålidelighed, og de skal følge emballage- og samlingsretningslinjerne. Det er præcis disse detaljer, som en design-for-manufacturing-gennemgang kontrollerer før fremstilling.

Opstabling og fabrikation

Finpitch-BGA'er med højt kugletal styrer antal lag, mikrovia-strukturer og registreringstolerancer – alt sammen bestemt under printpladeproduktionen . Ved at designe printkortet og BGA-udløbet sammen undgår man en del, der ikke kan fræses eller loddes pålideligt.

BGA-omarbejdning og omballing

BGA'er kan fjernes og udskiftes, men processen er specialiseret.

• Fjernelse. En varmluft- eller infrarød efterbearbejdningsstation genopfylder de skjulte kugler, så pakken kan løftes lige op.
• Omballing. For at genbruge en BGA påføres friske kugler med en stencil og præform, hvilket gendanner arrayet.
• Verifikation. De omarbejdede samlinger kontrolleres med røntgen, da de forbliver usynlige.

Reballing er almindeligt for dyre eller forældede enheder, men det kræver det rigtige udstyr og en kontrolleret profil. For det meste produktion er det langt at foretrække at få den originale samling korrekt, med god pasta, profil og design, frem for at omarbejde BGA'er, og den konsistens er vigtigst ved samling af store mængder.

Få et tilbud på BGA-montering

BGA'er findes i mange typer: plastik, keramik, fine-pitch, chip-scale, flip-chip, LGA og PoP, men de deler skjulte, kuglebaserede samlinger, der kræver omhyggeligt design, en kontrolleret reflow-profil og røntgeninspektion. Vælg den type, din chip dikterer, design flugtvejen, så den matcher pitchen, og verificer med røntgen. Du kan læse mere om Highleap Electronics og vores BGA-samlingskapacitet.

Ofte stillede spørgsmål

Hvad er en BGA-pakke?

Et kuglegittersystem er et overflademonteret kabinet, der forbindes til kortet via et gitter af loddekugler på undersiden i stedet for ledninger rundt om kanten. Dette pakker mange forbindelser ind i et lille område med god elektrisk og termisk ydeevne, hvilket er grunden til, at processorer, hukommelse og komplekse IC'er bruger det.

Hvad er de vigtigste typer af BGA?

Plast (PBGA), keramik (CBGA), tape (TBGA), fine-pitch (FBGA), chip-scale (uBGA/CSP), flip-chip (FCBGA), land grid array (LGA, som har pads, ikke kugler) og package-on-package (PoP, som stabler enheder). De adskiller sig primært i substratmateriale og hvordan chipen er fastgjort.

Hvad er forskellen på en BGA og en LGA?

En BGA leveres med loddekugler allerede på pakken, mens en LGA har flade områder og ingen kugler, da loddetinten kommer fra den pasta, der er trykt på printkortet under samlingen. Ellers er begge grid-array, bundforbundne pakker og deler lignende routing- og inspektionsovervejelser.

Hvorfor kræver BGA'er røntgeninspektion?

Fordi loddesamlingerne sidder under pakken og ikke kan ses, er røntgen den eneste måde at bekræfte dem på. Det afslører hulrum, brodannelser, head-in-pillow-fuger og åbne samlinger, især dem, der er forårsaget af pakkens eller printpladens vridning. På kritiske printplader er røntgen et obligatorisk inspektionstrin snarere end valgfrit.

Hvilken tonehøjde tæller som finhøjde, og hvorfor er det vigtigt?

Stigninger på cirka 0.5 mm og derunder er fine-pitch. De er vigtige, fordi man ikke længere kan føre en trace mellem kugler, så boardet har brug for flere lag, microvias og via-in-pad, hvilket skubber det mod HDI-fremstilling. Større stigninger (1.0 til 1.27 mm) føres med standardteknikker.

Hvad er en via-in-pad, og hvornår er det nødvendigt?

Via-in-pad placerer en via direkte inde i BGA-pad'en, hvor via'en er fyldt og dækket, så den kan loddes over. Det er nødvendigt ved fin pitch, hvor der ikke er plads til et dogbone-undslipspor til en via ved siden af ​​kuglen. Det kræver HDI-fabrikation og øger omkostningerne, men muliggør tæt routing.

Kan en BGA fjernes og genbruges?

Ja, med varmluft- eller infrarød efterbehandling for at fjerne det og genbearbejdning af loddekugler for at påføre friske loddekugler før genbrug, efterfulgt af røntgenverifikation. Det er almindeligt for dyre eller forældede dele, men det kræver korrekt udstyr og en kontrolleret profil. Til produktion er en korrekt førstegangsmontering at foretrække frem for genbearbejdning af BGA'er.

Hvornår skal jeg bruge en BGA i stedet for en blyholdig pakke?

Brug en BGA, når delen har et højt I/O-antal eller har brug for den bedre elektriske og termiske ydeevne fra et fuldt undersidegitter, hvilket er grunden til, at processorer og FPGA'er bruger dem. Til lavere pin-antal kan et lead-pakke som en QFP eller QFN være enklere at samle, manuelt omarbejde og inspicere. Den chip, du skal bruge, afgør ofte det.