BGA-Gehäusetypen für Leiterplattendesign und -bestückung

Ein Ball Grid Array (BGA) ist ein oberflächenmontierbares Gehäuse, das über ein Raster aus Lötperlen unterhalb des Bauteils mit der Leiterplatte verbunden wird, anstatt über Anschlüsse am Rand. Diese Anordnung ermöglicht viele Verbindungen auf kleinem Raum bei gleichzeitig guter elektrischer und thermischer Leistung. Daher dominieren BGAs moderne Prozessoren, Speicher und komplexe integrierte Schaltungen. Es gibt verschiedene Typen wie Kunststoff-, Keramik-, Band-, Feinraster-, Chip-Scale- und Flip-Chip-Gehäuse, die jeweils ihre spezifischen Vor- und Nachteile aufweisen. Dieser Leitfaden erläutert die wichtigsten BGA-Typen, ihre wichtigsten Eigenschaften und deren Bedeutung für Montage, Inspektion und Leiterplattendesign. Bei der Bestückung von Mikro-BGA-Leiterplatten müssen neben dem Kontaktflächenmuster, dem Stencil-Design und der Inspektion verdeckter Lötstellen auch der Gehäuseabstand und die Kugelgeometrie berücksichtigt werden.

Was ist ein BGA-Paket?

Bei einem BGA-Gehäuse befinden sich die Anschlüsse in Form einer Anordnung von Lötperlen auf der Unterseite. Beim Reflow-Löten der Platine schmelzen diese Lötperlen und verbinden sich mit den entsprechenden Lötpads, wodurch die elektrische und mechanische Verbindung hergestellt wird.

Warum dieses Format existiert

Bei bedrahteten Gehäusen stößt man mit steigender Anzahl an Anschlüssen an die Grenzen, da die Anschlüsse nur am Rand Platz finden. Ein BGA-Gehäuse hingegen nutzt die gesamte Unterseite und bietet somit deutlich mehr Verbindungen auf derselben Fläche. Kürzere Leitungswege verbessern die elektrische Leistung, und ein großer thermischer Kontakt sorgt für optimale Wärmeableitung. Der Nachteil: Die Lötstellen sind verdeckt, was Montage und Inspektion maßgeblich beeinflusst.

Wo BGAs verwendet werden

Prozessoren, Speicher, FPGAs und andere High-I/O-Bausteine ​​sind fast alle BGAs. Der sichere Umgang mit ihnen gehört zur modernen Leiterplattenbestückung , insbesondere bei dicht bestückten, leistungsstarken Platinen.

Arten von BGA-Gehäusen (PBGA, CBGA, FBGA, FCBGA)

Die Bezeichnung „BGA“ umfasst eine Familie verwandter Gehäuse, die sich hauptsächlich im Substratmaterial und der Art der Chipbefestigung unterscheiden.

Die wichtigsten Unterschiede liegen im Substrat (Kunststoff, Keramik oder Klebeband), der Art der Chipmontage (Flip-Chip-Montage, z. B. FCBGA für höchste Leistung) und dem Vorhandensein von Lötperlen (LGA-Sockel haben Lötpads und werden über die Lötpaste der Platine verlötet). PoP (PoP = Po ...

BGA vs. bedrahtete Gehäuse (QFP und QFN)

Es ist hilfreich zu sehen, wo BGAs im Verhältnis zu bedrahteten Gehäusen wie QFP und QFN positioniert sind.

BGAs punkten mit hoher I/O-Dichte sowie verbesserter elektrischer und thermischer Leistung. Daher werden sie in Geräten mit hoher Pin-Anzahl und hohen Geschwindigkeiten eingesetzt. Zu den Nachteilen zählen die aufwändige Inspektion (Röntgenprüfung statt Sichtprüfung), der höhere Aufwand für Nacharbeiten (Heißluft und Reballing statt Lötkolben) und oft komplexere Leiterplatten. Bei geringerer Pin-Anzahl kann ein bedrahtetes Gehäuse einfacher sein; die Wahl richtet sich in der Regel nach dem Bauteil. In jedem Fall gewährleistet die Planung von Footprint und Stackup im Rahmen einer Designprüfung die Herstellbarkeit des gewählten Gehäuses.

BGA Pitch und Ball Count

Der Pitch, also der Mittenabstand der Kugeln, ist die Eigenschaft, die am meisten Einfluss darauf hat, wie schwierig die Herstellung und Montage eines BGA ist.

Mit abnehmender Rasterteilung ist es nicht mehr möglich, Leiterbahnen zwischen den Kontakten zu führen. Daher benötigt die Leiterplatte mehr Lagen, kleinere Durchkontaktierungen und häufig Via-in-Pad-Lösungen. Feinraster-BGAs treiben das Design daher in Richtung der in der Hochgeschwindigkeits- und Hochdichtefertigung eingesetzten HDI-Techniken. Eine höhere Anzahl von Kontakten verstärkt diesen Effekt, da jeder Kontakt eine separate Leiterbahnführung benötigt. Bei einem als uBGA gekennzeichneten Bauteil sollte die gehäusespezifische Montageprüfung anhand der tatsächlichen Bauteilzeichnung und der Kontaktanordnung erfolgen, anstatt den Prozess aus der Gehäusebezeichnung abzuleiten.

Zusammensetzung und Feuchtigkeitsempfindlichkeit von BGA-Kugeln

Zwei wesentliche Eigenschaften von BGAs beeinflussen deren Handhabung und Lötung.

• Kugellegierung. Moderne BGAs verwenden bleifreie (Zinn-Silber-Kupfer-)Kugeln, die die Reflow-Spitzentemperatur festlegen; ältere Bauteile verwenden möglicherweise bleihaltige Kugeln.
• Feuchtigkeitsempfindlichkeit (MSL). BGAs sind feuchtigkeitsempfindlich: Aufgenommene Feuchtigkeit kann beim Reflow-Löten schlagartig verdampfen und das Gehäuse beschädigen („Popcorning“). Daher werden die Bauteile nach MSL klassifiziert und vor der Montage getrocknet, wenn sie Feuchtigkeit ausgesetzt sind.

Die Einhaltung der MSL-Handhabung, das Trockenhalten der Teile und das gegebenenfalls erforderliche Ausheizen sind grundlegende, aber entscheidende Schritte. Wird dieser Schritt ausgelassen, können die Bauteile beim Reflow-Löten brechen, unabhängig davon, wie gut der restliche Prozess ist. Deshalb ist er fester Bestandteil eines kontrollierten Montageablaufs.

Wie BGAs montiert werden

Das Platzieren eines BGA ist auf einer automatisierten Linie Routine, hängt aber davon ab, dass einige Dinge gut laufen.

• Schablone und Kleber. Eine korrekt gestaltete Schablone trägt die richtige Pastenmenge auf jedes Pad auf.
• Platzierung. Das Teil wird über seinen Auflageflächen positioniert; eine perfekte Ausrichtung ist aufgrund des nächsten Punktes nicht erforderlich.
• Reflow-Profil. Durch ein kontrolliertes Profil werden die Kugeln geschmolzen; die Oberflächenspannung zieht das Paket dann in die richtige Position („Selbstzentrierung“).
• Thermisches Gleichgewicht. Das Profil muss zur Masse des Boards passen, damit alle Kugeln gleichzeitig die gewünschte Temperatur erreichen.

Die Selbstzentrierung ist eine der vorteilhaften Eigenschaften der BGA-Technologie: Geschmolzene Kugeln ziehen das Gehäuse in Position. Dies funktioniert jedoch nur mit einer guten Pastenauftragung und einem auf die Leiterplatte abgestimmten Profil, was bei thermisch stark beanspruchten Leiterplatten wie Metallkernbaugruppen schwieriger ist . Die korrekte Profilierung beim ersten Mal ist entscheidend für die Zuverlässigkeit der BGA-Bestückung.

Wie BGA-Lötstellen geprüft werden (Röntgenprüfung)

Da jede Verbindungsstelle unter dem Gehäuse verborgen ist, kann man eine BGA nicht mit bloßem Auge beurteilen. Röntgen ist das primäre Prüfverfahren.

Verzug und mangelnde Planarität sind häufige Ursachen: Verzieht sich das Gehäuse oder die Leiterplatte beim Reflow-Löten, berühren die Eck- oder Mittelkontakte möglicherweise nicht ihre Pads, was zu Unterbrechungen oder Kontaktstellenfehlern führen kann. Röntgenaufnahmen machen diese verborgenen Probleme sichtbar und sind bei kritischen Leiterplatten ein obligatorischer Schritt. Eine Sichtprüfung kann lediglich die Kanten der äußeren Reihe, nicht aber die Lötstellen selbst, bestätigen.

Entwurf einer Leiterplatte für BGA-Gehäuse

Die Zuverlässigkeit einer BGA-Schaltung wird größtenteils im Platinendesign festgelegt, bevor auch nur ein einziges Bauteil platziert wird.

Escape-Routing und Vias

Jeder Ball benötigt eine Leiterbahn nach außen. Bei größerem Rastermaß genügt eine kurze, bogenförmige Leiterbahn zu einer Durchkontaktierung zwischen den Bällen. Bei feinem Rastermaß ist dafür kein Platz, daher ist eine Durchkontaktierung direkt im Pad erforderlich, die mit einer Füllung und Kappe versehen ist. Dies wiederum erfordert die Fertigung von HDI-Leiterplatten.

Pad- und Schablonendesign

Die Art des Lötpads (mit oder ohne Lötstopplack) und die Schablonenöffnung beeinflussen die Lötstellenform und -zuverlässigkeit und müssen den Richtlinien für Gehäuse und Montage entsprechen. Genau diese Details werden im Rahmen einer fertigungsgerechten Designprüfung vor der Fertigung überprüft.

Stapelbau und Fertigung

Feinraster-BGAs mit hoher Anzahl an Kontakten bestimmen die Lagenanzahl, die Mikrovia-Strukturen und die Passertoleranzen – allesamt Vorgaben während der Leiterplattenfertigung . Durch die gemeinsame Entwicklung der Leiterplatte und der BGA-Anschlüsse lassen sich Bauteile vermeiden, die nicht geroutet oder zuverlässig verlötet werden können.

BGA-Nacharbeit und Reballing

BGAs können entfernt und ersetzt werden, aber das Verfahren ist spezialisiert.

• Entfernung. Eine Heißluft- oder Infrarot-Rework-Station verflüssigt die verborgenen Kugeln, sodass das Gehäuse senkrecht nach oben angehoben werden kann.
• Reballing. Um ein BGA wiederzuverwenden, werden mithilfe einer Schablone und eines Vorformlings neue Kugeln aufgebracht, wodurch das Array wiederhergestellt wird.
• Nachprüfung. Die nachbearbeiteten Verbindungen werden mittels Röntgenprüfung überprüft, da sie unsichtbar bleiben.

Das Reballing ist bei teuren oder veralteten Bauteilen üblich, erfordert aber die richtige Ausrüstung und ein kontrolliertes Profil. Für die meisten Serienfertigungen ist eine korrekte Erstbestückung mit hochwertiger Lötpaste, optimalem Profil und durchdachtem Design der Nachbearbeitung von BGAs deutlich vorzuziehen. Diese Konsistenz ist insbesondere bei der Serienfertigung entscheidend.

Angebot für BGA-Baugruppe anfordern

BGAs gibt es in vielen Ausführungen: Kunststoff, Keramik, Fine-Pitch, Chip-Scale, Flip-Chip, LGA und PoP. Sie alle verfügen über verdeckte Kugelkontakte, die eine sorgfältige Konstruktion, ein kontrolliertes Reflow-Profil und eine Röntgenprüfung erfordern. Wählen Sie den für Ihren Chip passenden Typ, entwerfen Sie die Leiterbahnführung entsprechend der Rasterteilung und überprüfen Sie die Korrektheit per Röntgenprüfung. Weitere Informationen zu Highleap Electronics und unserer BGA-Bestückungskompetenz finden Sie hier.

Häufig gestellte Fragen

Was ist ein BGA-Gehäuse?

Ein Ball Grid Array (BGA) ist ein oberflächenmontierbares Gehäuse, das über ein Raster aus Lötperlen auf der Unterseite anstelle von Anschlüssen am Rand mit der Leiterplatte verbunden wird. Dadurch lassen sich viele Verbindungen auf kleinem Raum mit guter elektrischer und thermischer Leistung realisieren. Aus diesem Grund wird es in Prozessoren, Speichern und komplexen integrierten Schaltungen eingesetzt.

Was sind die wichtigsten BGA-Typen?

Es gibt verschiedene Chiptechnologien: PBGA (Plastic), CBGA (Ceran), TBGA (Trap), FBGA (Fine-Pitch), µBGA/CSP (Chip-Scale), FCBGA (Flip-Chip), LGA (Land Grid Array, mit Pads statt Kugeln) und PoP (Package-on-Package, bei dem Bauelemente gestapelt werden). Sie unterscheiden sich hauptsächlich im Substratmaterial und der Art der Chipbefestigung.

Worin besteht der Unterschied zwischen einem BGA und einem LGA?

Ein BGA-Gehäuse wird mit bereits aufgebrachten Lötperlen geliefert, während ein LGA-Gehäuse flache Lötflächen ohne Lötperlen aufweist und die Lötpaste während der Bestückung auf die Platine aufbringt. Ansonsten handelt es sich bei beiden um gitterförmige, von unten verbundene Gehäuse, die ähnliche Anforderungen an die Leiterplattenverdrahtung und -prüfung stellen.

Warum ist bei BGAs eine Röntgenprüfung erforderlich?

Da die Lötstellen unter dem Gehäuse liegen und nicht sichtbar sind, ist Röntgenprüfung die einzige Möglichkeit, sie zu überprüfen. Sie deckt Lufteinschlüsse, Brücken, Lötstellen, die durch Verformung des Gehäuses oder der Leiterplatte entstehen, sowie offene Lötstellen auf. Bei kritischen Leiterplatten ist die Röntgenprüfung ein obligatorischer und kein optionaler Prüfschritt.

Welche Tonhöhe gilt als Feintonhöhe und warum ist das wichtig?

Rastermaße von etwa 0.5 mm und darunter gelten als Feinraster. Sie sind wichtig, da keine Leiterbahnen mehr zwischen den Kontakten geführt werden können. Daher benötigt die Leiterplatte mehr Lagen, Mikro-Vias und Via-in-Pads, was die Fertigung in Richtung HDI (High-Digital Interface) vorantreibt. Größere Rastermaße (1.0 bis 1.27 mm) werden mit Standardtechniken realisiert.

Was ist Via-in-Pad und wann wird es benötigt?

Bei der Via-in-Pad-Technik wird eine Durchkontaktierung direkt in das BGA-Pad integriert. Diese Durchkontaktierung wird gefüllt und verschlossen, sodass sie überlötet werden kann. Sie ist bei feinen Rasterteilungen erforderlich, da dort kein Platz für eine Leiterbahn zu einer Durchkontaktierung neben der Kugel vorhanden ist. Die Technik erfordert eine HDI-Fertigung und verursacht zusätzliche Kosten, ermöglicht aber eine dichte Leiterbahnführung.

Kann ein BGA ausgebaut und wiederverwendet werden?

Ja, mit Heißluft- oder Infrarot-Nachbearbeitung zum Entfernen der Lötstellen und anschließendem Reballing zum Aufbringen neuer Lötperlen vor der Wiederverwendung, gefolgt von einer Röntgenprüfung. Dies ist üblich bei teuren oder veralteten Bauteilen, erfordert jedoch geeignete Ausrüstung und ein kontrolliertes Vorgehen. Für die Serienfertigung ist eine korrekte Erstbestückung der Nachbearbeitung von BGAs vorzuziehen.

Wann sollte ich ein BGA-Gehäuse anstelle eines Gehäuses mit Anschlussdrähten verwenden?

Verwenden Sie ein BGA-Gehäuse, wenn das Bauteil eine hohe Anzahl an I/Os aufweist oder die bessere elektrische und thermische Leistung eines vollflächigen Unterseitengitters benötigt. Aus diesem Grund werden BGAs in Prozessoren und FPGAs eingesetzt. Bei geringerer Pin-Anzahl sind bedrahtete Gehäuse wie QFP oder QFN oft einfacher zu montieren, nachzubearbeiten und zu prüfen. Die Wahl des Gehäuses hängt häufig vom verwendeten Chip ab.