En omfattende guide til BGA-substrater

             

BGA-substrater (ball grid array) er blevet en meget udbredt pakketeknologi til integrerede kredsløb (IC'er), ASIC'er, GPU'er og andre komplekse komponenter. Med evnen til at rumme en høj tæthed af kontakter i et lille fodaftryk, muliggør BGA miniaturisering og ydeevneforbedringer for en bred vifte af elektronik. Men at designe med og fremstille BGA-substrater kræver dybdegående ekspertise. Denne omfattende guide dækker alt det nødvendige for at udnytte fordelene ved BGA og samtidig undgå faldgruberne.

Hvad er et BGA-substrat?

Et BGA-substrat fungerer som grundlaget for BGA-emballage og giver mekanisk støtte såvel som de elektriske forbindelser. Substratet består af et isolerende materiale med ledende spor på eller inden i det, der leder signaler og strøm mellem den vedhæftede siliciummatrice og det printede kredsløbskort (PCB), som BGA-pakken er monteret på.

Det karakteristiske kendetegn ved alle BGA-pakker er de små loddekugler, der er anbragt på bunden af ​​pakken i et gittermønster. Disse loddekugler forbinder substratsporene med matchende landingspuder på overfladen af ​​printkortet, når BGA-komponenten loddes til kortet under montering. Dette kuglegitter muliggør sammenkoblinger med høj tæthed, da kuglerne kan placeres tæt.

BGA-substrater skal designes specifikt til at matche siliciummatricen og printpladen, samtidig med at de opfylder de elektriske, termiske og mekaniske krav. Laminater, keramik, silicium, glas og andre materialer bruges til at fremstille BGA-substrater. Substratdesignet afhænger af faktorer såsom antallet af nødvendige kontakter, signalhastigheder, strømforsyningsbehov, pålidelighedsforventninger og omkostninger.

Hvorfor BGA-substrater aktiverer miniaturisering

De vigtigste fordele ved BGA stammer fra evnen til at passe flere sammenkoblinger på et mindre rum i forhold til ældre IC-pakningsmetoder. For eksempel:

• Perifere ledningspakker som quad flat packs (QFP) har kun ledninger rundt om kanterne, hvilket begrænser kontakttætheden.
• Pin grid arrays (PGA) bruger en række stifter, der strækker sig fra bunden af ​​pakken, men den minimale stiftafstand er større end loddekugler.
• Blyløse chipbærere har kontakter på kanterne eller bunden, men kan ikke matche BGA-densiteten.

Derimod kan BGA opnå meget høje tætheder med bolde på en 0.5 mm pitch eller endda 0.4 mm og derunder. Dette muliggør flere funktioner i mindre pakker. Den ideelle sfæriske form af loddekuglerne tillader også tættere afstand i forhold til stifter.

Højere kontaktantal muliggør integration af yderligere funktioner som flere processorer, hukommelse, sensorer, trådløs, strømstyring og specialiserede acceleratorer i BGA-pakker målrettet mod applikationer som 5G, AI, ADAS, IoT og mere. Miniaturiseringen stemmer også overens med forbrugernes præferencer for stadig mere kompakt elektronik.

Materialer, der bruges til BGA-underlag

Mens tidlige BGA-pakker brugte keramiske substrater, dominerer nyere organiske substrater nu på grund af deres lavere omkostninger sammen med fordele i termisk stødmodstand, reduceret vridning og fleksibilitet. Fælles materialer omfatter:

BT-substrat – Bismaleimidtriazin, en termohærdende harpiks, typisk forstærket med glasfiber og kobberfolie. Giver en omkostningseffektiv balance mellem ydeevne og fremstillingsevne. Anvendes i vid udstrækning i forbruger-, telekommunikations-, industri- og bilindustrien. Tåler blyfri loddeprocesser.

Polyimidsubstrat – Giver overlegen termisk stabilitet, men til en højere pris end BT. Bruges, når der kræves meget tynde substrater. Almindeligt i mobile og højpålidelige applikationer.

CE-substrat – Komposit epoxyharpiks forstærket med glasfiber. Lav fugtabsorptionsevne. Anvendes ofte i miljøer med høj luftfugtighed.

Fleksibelt substrat – Polyimidfilm kan producere meget tynde, fleksible substrater for forbedret stød-/vibrationsmodstand. Muliggør tynde, kompakte designs.

Keramiske substrater af aluminiumoxid eller aluminiumnitrid udmærker sig stadig til nogle ekstremt højtydende applikationer som rumfart, hvor deres overlegne varmeledningsevne retfærdiggør omkostningspræmien. Silicium eller glas interposers dukker også op til 2.5D/3D-pakker med meget høj densitet.

Hvorfor automatiseret BGA-substratdesign er essentielt

Kompleksiteten i at dirigere indviklede flugtmønstre og spor fra hundreder eller tusinder af matricekontakter dikterer automatiseret computerstøttet design. Manuelt BGA-substratlayout er ikke muligt.

Kritiske udfordringer omfatter:

Signalintegritet – Det er obligatorisk at matche sporgeometrier for at opnå kontrolleret, ensartet impedans for hvert net, sammen med korrekte referenceplaner til støjreduktion. Dette kræver automatiseret optimering.

Effektintegritet – Omhyggeligt samdesign af effekt- og jordplaner for effektiv effektfordeling til siliciumchip'en uden overdreven støj. Afkoblingskondensatorer skal også placeres korrekt.

Tæthed – Undgå routing fra BGA pad-arrayet kræver et forskudt mønster af vias og spor sammen med lagtildelinger, der er optimeret for at undgå overbelastning og længde.

Termisk – Substratet skal tillade tilstrækkelig varmeledning fra chipen til printkortet og omgivelserne. Termiske vias hjælper.

Pålidelighed – Designregler for sporbredde/-afstand, viastruktur, pudeformer og materialer skal afbalancere omkostninger kontra langsigtet robusthed under temperaturcyklusser, vibrationer osv.

Kun avancerede EDA-værktøjer, der kombinerer indviklede routingalgoritmer, constraint managers, designregeltjek og simulering, kan opnå et optimalt substratdesign, der opfylder de tekniske udfordringer såvel som krav til fremstillingsevne.

Nøgle BGA-substratdesignovervejelser

Her er nogle af de vigtigste faktorer, designere skal overveje, når de udvikler et BGA-substrat:

• Signalintegritet – Kontrollerede impedansspor, korrekt reference og isolering, støjdæmpning og undgåelse af krydstale er afgørende for rene signaler, især ved høje hastigheder. Dette er aktiveret gennem retvinklet routing, referenceplaner, dielektriske valg, sporgeometrier, simulering og længdetilpasning.
• Magtintegritet – Omhyggeligt powerplandesign, afkoblingskondensatorer og power bump array-optimeringer er nødvendige for at levere stabil, støjsvag strøm til siliciummatricen. Spændingsfaldsanalyse bør udføres.
• Termisk styring – Substratdesignet skal muliggøre effektiv ledende og konvektiv køling af matricen gennem printkortet. Termiske gennemføringer under matricen er afgørende. Materialer med høj ledningsevne hjælper.
• Pålidelighed – Underlag og spormaterialer, designregler, modellering, inspektionstest og simulering hjælper med at sikre robusthed under temperaturcyklus, vibrationer, stød, fugt og træthedsbelastninger i løbet af produktets levetid.
• Undslipper – Flugtrutemønstrene fra det tætte kuglearray til perimeteren kræver forskudte rækker af vias/spor, der er optimeret til rutetæthed, længdetilpasning og enkelhed. HDI er ofte nødvendig.
• Producerbarhed – DFM-praksis gennem hele designprocessen sikrer, at substratet kan fremstilles, samles, inspiceres og testes pålideligt til den bedste pris.
• Density – BGA-pakker med højere tæthed kræver tyndere dielektrikum, finere linjer og mellemrum, mindre vias, flere lag og avancerede materialer for at imødekomme antallet af sammenkoblinger.

Boldbane i BGA-pakker

Kuglestigning er afstanden mellem centrene af tilstødende loddekugler i gitterets array. Pitch er støt faldet for at muliggøre BGA-pakker med højere tæthed. Nogle nuværende boldbaner inkluderer:

• 0.8 mm – Udbredt pitch til mange omkostningsfølsomme BGA-pakker med medium densitet
• 0.65 mm – En almindelig tonehøjde med høj tæthed til komplekse IC'er op til omkring 35x35 mm størrelse
• 0.5 mm – Betragtes som en ultrafin pitch, der kan opnås med avanceret PCB-fremstilling
• 0.4 mm – En ekstremt snæver stigning, der skubber grænserne for fremstillingsmuligheder

Tendensen mod mindre boldbane tillader enten mindre pakkestørrelser for et givet sammenkoblingsantal eller højere tætheder i større pakkestørrelser. Krympning medfører imidlertid udfordringer i forbindelse med monteringsprocesstyring, loddeforbindelsespålidelighed, genbearbejdningsvanskeligheder og følsomhed over for PCB-forvridning. Meget fin tonehøjde kræver snævre tolerancer.

Nøglekarakteristika for BGA-substrater

                         

Nogle af de karakteristiske træk ved BGA-substrater, der forklarer deres fordele i forhold til ældre pakketyper, omfatter:

• Høj sammenkoblingstæthed – Evnen til at koncentrere 100- til 1000-vis af kontakter i et lille fodaftryk muliggør integration af mere funktionalitet og I/O i en kompakt formfaktor.
• Lav induktans – Minimale ledningslængder mellem siliciummatricen og PCB giver overlegen elektrisk ydeevne, især for højfrekvente signaler.
• Korte, direkte forbindelser – De direkte lodrette forbindelser eliminerer skrøbelige trådforbindelser og ledninger, der kan gå i stykker. Pålidelighed er højere.
• Proces kompatibilitet – BGA-pakker kan overflademonteres som andre SMT-komponenter på printmonteringsstadiet, hvilket reducerer omkostningerne.
• Termisk ledning – Den direkte matricekontakt og korte forbindelser letter varmespredning til printkortet og det omgivende miljø, hvilket mindsker hot spots.
• Selvjustering – Overfladespændingen af ​​flydende loddemiddel justerer kuglerne med matchende puder under reflow-samling. Mindre følsomhed over for placeringsnøjagtighed.
• Testbarhed – BGA-pakker tillader fuld formonteringstestning af den indkapslede matrice før kortmontering.

BGA Substrat Routing Udfordringer

Routing af spor inden for eller på lagene af et BGA-substrat udgør komplekse designudfordringer, herunder:

Signalintegritet – Kontrol af sporimpedans, krydstale og signalkvalitet kræver matchende geometrier, korrekt referencering, stubs-kontrol, fasematchning og simulering.

Strømintegritet – Ren strømforsyning er afhængig af lavinduktansstier, tilstrækkelig afkobling, korrekt planisolering, termisk styring og analyse.

Routingtæthed – De forskudte escape-mønstre skal tillade routing-kanaler mellem de tætliggende rækker af vias/spor, der forlader den tætte matrixarray.

Fremstilling – Designregler for sporbredde, afstand, former, vias og materialer skal være i overensstemmelse med fremstillingsmulighederne, samtidig med at omkostninger og pålidelighed optimeres.

Termisk styring – Substratet skal sprede varme effektivt ind i printkortet og det omgivende miljø for at undgå varme punkter under den tætte chip.

Pålidelighed – Materialer, designregler, produktionskontroller, modellering og testning er med til at sikre, at underlaget kan modstå belastninger i hele produktets levetid.

Avancerede EDA-værktøjer og erfarne ingeniører er afgørende for at løse disse indbyrdes afhængige udfordringer, samtidig med at man undgår overdesign, der tilføjer unødvendige omkostninger. Underlagsudviklingen er yderst interaktiv med løbende optimering.

Oversigt over BGA-substratmaterialer

Som introduceret tidligere omfatter de mest almindelige materialer, der bruges til at fremstille BGA-substrater:

Organiske underlag

• BT (bismaleimidtriazin) – Udbredt på grund af balance mellem omkostninger og ydeevne
• Polyimid - Fremragende termisk stabilitet men højere omkostninger
• FR-4 – Traditionelt glasforstærket epoxy PCB-materiale, lavere ydeevne/omkostninger
• CE (komposit epoxy) – Anvendes i miljøer med høj luftfugtighed
• Fleksible substrater – Polyimid- eller LCP-film muliggør tynde, bøjelige substrater

Keramiske underlag

• Aluminiumoxid (aluminiumoxid) - Mest almindeligt, relativt billigt keramik
• Aluminiumnitrid – Høj varmeledningsevne til meget krævende applikationer
• Beryllia – Toksicitet begrænser brugen af ​​berylliumoxidkeramik

Andre avancerede substrater

• Silicium interposers – Aktiver 2.5D/3D chipstabling med TSV'er
• Glas-interposers – Isolerende egenskaber velegnet til højdensitetsforbindelse

Det optimale materiale afhænger af applikationskrav som frekvens, effektniveauer, pålidelighedsbehov, dielektriske egenskaber, fremstillingsomkostninger og produktlivscyklusser.

Bekymringer om BGA monteringsproces

For at opnå pålidelige loddesamlinger under SMT-samling af BGA-pakker på PCB'er anbefales visse procesforholdsregler:

• Påfør tilstrækkelig varme for at genstrømme alle loddekugler pålideligt uden at overophede følsomme komponenter
• Sørg for jævn opvarmning på tværs af hele BGA-fodaftrykket for at undgå forskydninger i reflow, der kan fordreje pakken
• Brug ikke-ren loddepasta designet til blyfri BGA-samling for at undgå indeslutning af rester
• Styr præcist termiske profiler inklusive ramper, iblødsætning og afkøling
• Eliminer gravsten gennem passende pastaaflejringer, komponentcentrering og profilering
• Forebyg tomrum ved at anvende passende pastavolumener, der er tilpasset kuglevolumener, blændedesign og placeringskraft
• Undersøg grundigt for indikatorer på dårlig befugtning, hoved-i-pude-defekter, uensartethed og andre fejl
• Validere processer gennem design af eksperimenter (DOE) og test, såsom forskydningskraftanalyse på prøvesamlinger

Med fine pitch BGA'er kræver montering snævrere tolerancer, avancerede inspektionsteknikker og meget konsekvente processtyringer for at opnå høje udbytter og pålidelighed.

Inspicering af BGA loddesamlinger

I modsætning til mere synlige blybaserede samlinger kan loddeforbindelserne under BGA'er ikke inspiceres visuelt. I stedet er røntgenbilleddannelse den optimale løsning til undersøgelse af intern loddeforbindelseskvalitet efter BGA-samling.

Automatiserede røntgeninspektionssystemer (AXI) genererer billeder i høj opløsning, der afslører:

• Loddekuglejustering, afstandshøjde og kompression
• Tilstedeværelse af hulrum, revner, utilstrækkelig befugtning eller andre fejl
• Loddekugledeformation fra ideel form
• Uensartethed mellem leddene
• Fremmede genstande, forurenende stoffer eller rester

AXI giver fuld inspektionsdækning for at identificere monteringsfejl, før produkter sendes, samt potentielle langsigtede pålidelighedsrisici. 3D-kapaciteter giver yderligere indsigt i den fælles struktur. Hvis der opdages defekter, kan processen justeres for at eliminere årsagen.

BGA omarbejde og reparation

Hvis inspektioner efter montering eller efterfølgende test afslører defekter i loddesamlinger, komponentplacering eller sammenkoblinger på kortniveau i forbindelse med BGA-montering, vil det være nødvendigt at efterarbejde. Nogle bedste fremgangsmåder omfatter:

• Brug specialiserede BGA-omarbejdningssystemer med forvarmere, termoelementer, vakuumopsamling og optisk justering
• Påfør kun fokuseret varme selektivt på den defekte komponent uden at overophede nærliggende materialer
• Kontroller omhyggeligt den termiske rampe-op-, iblødsætnings- og afkølingshastigheder under re-reflow-processen
• Anvend loddepasta eller flusmiddel designet til BGA-omarbejdning til at fugte bordpuder pålideligt og undgå brodannelse
• Brug minimumsvolumener loddepasta, der er tilpasset til pude/kuglevolumen for at undgå overskydende loddemetal
• Inspicer visuelt for korrekt justering, før reflow; ansætte AXI bagefter for at bekræfte fælles integritet
• Fjern al resterende flux efter efterbearbejdning med rengøringsmidler, der er formuleret til lav restkoncentration

Med fine-pitch BGA'er er specialiserede værktøjer, materialer og processer afgørende for vellykket omarbejdning. Forebyggelse er at foretrække gennem robust procesdesign og kontrol.

Fordele ved BGA'er

Her er nogle af de vigtigste fordele, der har gjort BGA-emballage til udbredt på tværs af elektronik:

Høj tæthed – Muligheden for at koncentrere flere I/O-forbindelser på et lille område muliggør integration af ekstra funktionalitet og funktioner.

Højhastighedssignalintegritet – De korte spor mellem chip og printplade giver fordele ved elektrisk ydeevne, især for hurtige digitale signaler.

Pålidelighed – Direkte vertikale forbindelser undgår skrøbelige ledningsbindinger og ledninger, der er tilbøjelige til at knække på grund af termisk eller mekanisk belastning.

Termisk ydeevne – Direkte kontakt mellem chips og korte forbindelser fremmer varmeledning væk fra det tætte, varme silicium ind i printkortet og den omgivende luft.

Designfleksibilitet – En bred vifte af substratmaterialer med forskellige dielektriske egenskaber kan vælges for at opfylde tekniske og omkostningsmæssige krav.

Testbarhed – Kendt fungerende chips kan testes fuldt ud indkapslet i BGA-pakker inden boardmontering for forbedret udbytte.

Proceskompatibilitet – BGA-pakker kan overflademonteres ligesom andre SMT-komponenter, hvilket udnytter printkortsamling i store mængder.

Begrænsninger for BGA-pakker

På trods af betydelige fordele kommer BGA'er også med nogle begrænsninger og afvejninger:

Inspektionsmulighed – Manglende mulighed for visuelt at undersøge interne loddesamlinger betyder, at røntgeninspektion er nødvendig for at verificere samlingens integritet.

Vanskeligheder med omarbejdning – Fjernelse og udskiftning af BGA'er uden at beskadige boards eller tilstødende komponenter kræver avancerede værktøjer og færdigheder.

Følsomhed over for vridning af pladerne – Termiske belastninger kan vride pladerne nok til at bryde forbindelser til let vridne loddekugler under store BGA'er.

Omkostninger – Fremstilling af forbindelser med høj tæthed og avancerede substratmaterialer driver omkostningerne op over ældre pakketyper med lavere kontaktantal.

Signalrouting-overbelastning – BGA'er med et meget højt antal I/O kræver flere, tætte routinglag og komplekse escape-mønstre, der øger omkostningerne ved printkortfabrikation.

Andet niveau sammenkobling – En separat monteringsfase er nødvendig for at fastgøre chipen på BGA-substratet inden montering af kortet.

Termisk stress – CTE-uoverensstemmelser mellem silicium, substrat, printplade og loddemetal skal tages i betragtning for at undgå temperaturcyklusfejl.

BGA-substrater vs. LGA

Land grid array (LGA)-pakker tilbyder et alternativ til BGA med nogle distinkte afvejninger:

Aftagelighed – LGA'er bruger jordpunkter i stedet for loddekugler, hvilket muliggør isætning/fjernelse fra sokkelstik på printkort. BGA'er er permanent loddet.

Pålidelighed – LGA'er undgår loddetræthedsfejltilstande, men de mange sokkelforbindelser er mindre pålidelige end loddesamlinger under termisk cykling.

Genbearbejdning – Defekte LGA'er kan afmonteres og udskiftes uden aflodning eller opvarmning af kortet. BGA'er kræver genbearbejdning.

Kontaktaftørring – LGA-puder gnider mod stikbenene under isætning, hvilket fjerner oxidation og snavs for lav kontaktmodstand. BGA'er er udelukkende afhængige af lodning.

Routing – LGA'er kræver høj tæthed af belagte gennemgående huller og vias til sokkelbenene, mens BGA'er kræver flugtrouting til spor.

Profiler – LGA er mindst lige så høj som soklen, som BGA er. BGA har en lavere profil.

Omkostninger – Til produktion i store mængder er BGA generelt billigere. LGA kan foretrækkes til moderate mængder.

Det optimale valg afhænger af omkostningsmål, livscyklusforventninger, feltservicebehov og ydeevnekrav.

BGA-applikationer på tværs af brancher

BGA-pakkernes høje ydeevne, lille størrelse og pålidelighed er blevet taget i brug på tværs af en lang række applikationer:

Elektronik

• Smartphones, tablets, bærbare computere
• Spillekonsoller, set-top-bokse
• Digitale kameraer, wearables

Automotive

• Motorstyringsenheder, infotainment
• ADAS-moduler, LiDAR
• Kropskontrollere

Luftfart og militær

• Avionics computertavler
• Radar og billedbehandlingssystemer
• Missilstyringssystemer

Telekom og netværk

• Switche, routere, basestationer
• Servere
• Fiberoptiske moduler

Medicin

• Billedbehandlingssystemer som MRI, CT, PET-scannere
• Patientmonitorer og diagnostik
• Implanterbare som pacemakere

Konklusion

Som denne vejledning har illustreret, kræver BGA-substrater gennemtænkt konstruktion på tværs af adskillige discipliner - elektrisk, termisk, mekanisk, materialevidenskab, fysik, fremstilling og mere.

Når de er designet korrekt, giver BGA-substrater en høj pålidelig sammenkoblingsmetode, der muliggør fortsatte teknologiske fremskridt. Men de kræver omhyggelig modellering, analyse, overholdelse af sund designpraksis og stram proceskontrol for at opnå produktkvalitet og pålidelighedsmål.