Τύποι πακέτων BGA για σχεδιασμό και συναρμολόγηση PCB

A διάταξη πλέγματος σφαιρών (BGA) είναι ένα πακέτο επιφανειακής τοποθέτησης που συνδέεται στην πλακέτα μέσω ενός πλέγματος από μπάλες συγκόλλησης κάτω από το εξάρτημα αντί για καλώδια γύρω από την άκρη της. Αυτή η διάταξη επιτρέπει πολλές συνδέσεις σε ένα μικρό μέγεθος με καλή ηλεκτρική και θερμική απόδοση, γι' αυτό και τα BGA κυριαρχούν στους σύγχρονους επεξεργαστές, τις μνήμες και τα σύνθετα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Υπάρχουν διάφοροι τύποι, πλαστικοί, κεραμικοί, ταινίας, λεπτού βήματος, κλίμακας τσιπ, flip-chip και άλλοι, ο καθένας με τα δικά του πλεονεκτήματα. Αυτός ο οδηγός εξηγεί τους κύριους τύπους BGA, τα βασικά τους χαρακτηριστικά και τι σημαίνουν για τη συναρμολόγηση, την επιθεώρηση και τον σχεδιασμό της πλακέτας.

Τι είναι ένα πακέτο BGA;

Ένα BGA τοποθετεί τις συνδέσεις του ως μια σειρά από μπάλες συγκόλλησης στο κάτω μέρος της συσκευασίας. Όταν η πλακέτα ξαναγεμίζεται, αυτές οι μπάλες λιώνουν και ενώνονται με τα αντίστοιχα μαξιλαράκια, σχηματίζοντας την ηλεκτρική και μηχανική σύνδεση.

Γιατί υπάρχει η μορφή

Τα πακέτα με μόλυβδο εξαντλούνται καθώς ο αριθμός των εισόδων/εξόδων αυξάνεται, επειδή οι αγωγοί χωράνε μόνο περιμετρικά. Ένα πλέγμα από μπάλες χρησιμοποιεί ολόκληρη την κάτω πλευρά, επομένως ένα BGA προσφέρει πολύ περισσότερες συνδέσεις στην ίδια περιοχή, με μικρότερες διαδρομές που βοηθούν στην ηλεκτρική απόδοση και μια μεγάλη θερμική επαφή για την απομάκρυνση θερμότητας. Το μειονέκτημα είναι ότι οι συνδέσεις είναι κρυφές, γεγονός που διαμορφώνει τα πάντα σχετικά με τη συναρμολόγηση και την επιθεώρηση.

Πού χρησιμοποιούνται οι BGAs

Οι επεξεργαστές, η μνήμη, τα FPGA και άλλες συσκευές υψηλής I/O είναι σχεδόν όλες BGA. Η αξιόπιστη συνεργασία με αυτά αποτελεί μέρος της σύγχρονης Συναρμολόγηση PCB, ειδικά σε πυκνές, υψηλής απόδοσης πλακέτες.

Τύποι πακέτων BGA (PBGA, CBGA, FBGA, FCBGA)

Η ετικέτα «BGA» καλύπτει μια οικογένεια σχετικών συσκευασιών που διαφέρουν κυρίως ως προς το υλικό υποστρώματος και τον τρόπο σύνδεσης της μήτρας.

Οι μεγάλες διακρίσεις είναι το υπόστρωμα (πλαστικό, κεραμικό ή ταινία), το αν η μήτρα είναι τοποθετημένη σε flip-chip (FCBGA, για την υψηλότερη απόδοση) και το αν το εξάρτημα έχει έστω και μπάλες. Μια LGA έχει προσγειωθεί και παίρνει την κόλλα της από την πάστα της πλακέτας. Το PoP είναι μια στρατηγική συσκευασίας που στοιβάζει συσκευές για να εξοικονομήσει χώρο στην πλακέτα. Ο σωστός τύπος συνήθως υπαγορεύεται από το τσιπ που πρέπει να χρησιμοποιήσετε, όχι από μια ελεύθερη επιλογή.

BGA έναντι πακέτων με μόλυβδο (QFP και QFN)

Βοηθάει να δούμε πού βρίσκονται τα BGA σε σχέση με τα πακέτα με μόλυβδο όπως το QFP και το QFN.

Τα BGAs κερδίζουν στην πυκνότητα εισόδου/εξόδου και στην ηλεκτρική και θερμική απόδοση, γι' αυτό και ο υψηλός αριθμός ακίδων και συσκευές υψηλής ταχύτητας χρησιμοποιήστε τα. Οι συμβιβασμοί είναι η επιθεώρηση (ακτινογραφία αντί για οπτική), η επανεπεξεργασία (θερμός αέρας και επανασφράγιση αντί για σίδερο) και συχνά μια πιο σύνθετη σανίδα. Για χαμηλότερο αριθμό καρφιτσών, ένα πακέτο με μόλυβδο μπορεί να είναι απλούστερο. Η επιλογή συνήθως ακολουθεί το εξάρτημα. Σε κάθε περίπτωση, ο σχεδιασμός του αποτυπώματος και της στοίβαξης κατά τη διάρκεια ενός κριτική σχεδίου διατηρεί την επιλεγμένη συσκευασία κατασκευάσιμη.

BGA Pitch και καταμέτρηση μπάλων

Το βήμα, η απόσταση μεταξύ των κέντρων των μπαλών, είναι το χαρακτηριστικό που επηρεάζει περισσότερο τη δυσκολία κατασκευής και συναρμολόγησης μιας BGA.

Καθώς το βήμα συρρικνώνεται, δεν μπορείτε πλέον να χαράξετε ένα ίχνος μεταξύ των μπαλών, επομένως η σανίδα χρειάζεται περισσότερα στρώματα, μικρότερες διόδους και συχνά ένα pad εισόδου διόδων. Επομένως, οι BGA με λεπτό βήμα ωθούν ένα σχέδιο προς τις τεχνικές HDI που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή υψηλής ταχύτητας και υψηλής πυκνότητας. Ο υψηλότερος αριθμός μπαλών επιδεινώνει αυτό, καθώς κάθε μπάλα χρειάζεται μια διαδρομή προς τα έξω.

Σύνθεση μπάλας BGA και ευαισθησία στην υγρασία

Δύο ουσιώδη στοιχεία σχετικά με τις BGA επηρεάζουν τον τρόπο χειρισμού και συγκόλλησης τους.

• Κράμα μπάλας. Τα σύγχρονα BGA χρησιμοποιούν μπάλες χωρίς μόλυβδο (κασσίτερος-άργυρος-χαλκός), οι οποίες ρυθμίζουν τη μέγιστη θερμοκρασία επαναροής. Τα παλαιότερα εξαρτήματα μπορεί να χρησιμοποιούν μπάλες με μόλυβδο.
• Ευαισθησία στην υγρασία (MSL). Τα BGA είναι ευαίσθητα στην υγρασία: η απορροφημένη υγρασία μπορεί να μετατραπεί σε ατμό κατά την επανακυκλοφορία και να προκαλέσει ζημιά στη συσκευασία ("popcorning"), επομένως τα εξαρτήματα αξιολογούνται με MSL και ψήνονται πριν από τη συναρμολόγηση εάν είναι εκτεθειμένα.

Ο σεβασμός του χειρισμού του MSL, η διατήρηση της στεγνότητας των εξαρτημάτων και το ψήσιμο όταν απαιτείται, είναι ένα βασικό αλλά κρίσιμο βήμα. Η παράλειψή του μπορεί να προκαλέσει ρωγμές στις συσκευασίες κατά την επανακυκλοφορία, ανεξάρτητα από το πόσο καλή είναι η υπόλοιπη διαδικασία, γι' αυτό και είναι ενσωματωμένο σε μια ελεγχόμενη ροή συναρμολόγησης.

Πώς συναρμολογούνται τα BGA

Η τοποθέτηση ενός BGA σε μια αυτοματοποιημένη γραμμή είναι ρουτίνα, αλλά εξαρτάται από μερικά πράγματα που θα πάνε σωστά.

• Στένσιλ και κόλλα. Ένα σωστά σχεδιασμένο στένσιλ εναποθέτει τη σωστή ποσότητα πάστας σε κάθε ταμπόν.
• Τοποθέτηση. Το εξάρτημα τοποθετείται πάνω από τα τακάκια του. Δεν χρειάζεται τέλεια ευθυγράμμιση λόγω του επόμενου σημείου.
• Προφίλ αναδιαμόρφωσης. Ένα ελεγχόμενο προφίλ λιώνει τις σφαίρες. Η επιφανειακή τάση στη συνέχεια τραβάει τη συσκευασία σε ευθυγράμμιση («αυτοκεντράρισμα»).
• Θερμική ισορροπία. Το προφίλ πρέπει να ταιριάζει με τη μάζα της σανίδας, έτσι ώστε κάθε μπάλα να φτάσει στην ίδια θερμοκρασία μαζί.

Το αυτοκεντράρισμα είναι ένα από τα καλύτερα χαρακτηριστικά του BGA, καθώς οι λιωμένες μπάλες τραβούν τη συσκευασία στη θέση της. Αλλά λειτουργεί μόνο με μια καλή εναπόθεση πάστας και ένα προφίλ που ταιριάζει με την σανίδα, κάτι που είναι πιο δύσκολο σε θερμικά βαριές σανίδες όπως συγκροτήματα μεταλλικού πυρήναΗ σωστή διαμόρφωση του προφίλ από την πρώτη φορά είναι αυτό που καθιστά αξιόπιστη τη συναρμολόγηση BGA.

Πώς επιθεωρούνται οι συνδέσεις συγκόλλησης BGA (ακτίνες Χ)

Επειδή κάθε άρθρωση είναι κρυμμένη κάτω από τη συσκευασία, δεν μπορείτε να κρίνετε μια BGA με το μάτι. Η ακτινογραφία είναι το κύριο εργαλείο επιθεώρησης.

Η στρέβλωση και η ομοεπιπεδότητα είναι συνηθισμένες αιτίες: εάν η συσκευασία ή η σανίδα λυγίσει κατά την επαναφορά, οι γωνιακές ή οι κεντρικές μπάλες ενδέχεται να μην αγγίζουν τα μαξιλαράκια τους, προκαλώντας ανοίγματα ή ελαττώματα κεφαλής-στο-μαξιλάρι. Η ακτινογραφία αποκαλύπτει αυτά τα κρυμμένα προβλήματα και σε κρίσιμες σανίδες είναι ένα υποχρεωτικό βήμα, όχι μια επιλογή. Η οπτική επιθεώρηση μπορεί να επιβεβαιώσει μόνο τις άκρες της εξωτερικής σειράς, όχι τις ίδιες τις αρθρώσεις.

Σχεδιασμός πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος (PCB) για πακέτα BGA

Η αξιοπιστία μιας BGA καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από το σχεδιασμό της πλακέτας, πριν από την τοποθέτηση ενός μεμονωμένου εξαρτήματος.

Διαδρομές διαφυγής και διαβάσεις

Κάθε μπάλα χρειάζεται μια διαδρομή προς τα έξω. Σε μεγαλύτερο βήμα, λειτουργεί ένα σύντομο ίχνος "dog-bone" προς μια διέλευση μεταξύ των μπαλών. Σε λεπτό βήμα δεν υπάρχει χώρος, επομένως καθίσταται απαραίτητο το via-in pad, μια γεμισμένη και καλυμμένη διέλευση απευθείας στο pad, κάτι που με τη σειρά του απαιτεί κατασκευή HDI.

Σχεδιασμός μαξιλαριού και στένσιλ

Ο τύπος του πέλματος (καθορισμένος από τη μάσκα συγκόλλησης έναντι μη καθορισμένου από τη μάσκα συγκόλλησης) και το άνοιγμα του στένσιλ επηρεάζουν το σχήμα και την αξιοπιστία της σύνδεσης και θα πρέπει να ακολουθούν τις οδηγίες συσκευασίας και συναρμολόγησης. Αυτές ακριβώς είναι οι λεπτομέρειες που ελέγχει μια αξιολόγηση σχεδιασμού για κατασκευή πριν από την κατασκευή.

Στοίβαξη και κατασκευή

Ο αριθμός στρώσεων οδήγησης BGA με λεπτό βήμα και υψηλό αριθμό σφαιρών, οι δομές μικροβίων και οι ανοχές καταχώρησης, όλα αποφασίστηκαν κατά τη διάρκεια Παραγωγή PCBΟ σχεδιασμός της πλακέτας και της διαφυγής BGA μαζί αποτρέπει την εγκατάσταση εξαρτημάτων που δεν μπορούν να φρεζαριστούν ή να συγκολληθούν αξιόπιστα.

Επανακατασκευή BGA και Επαναμπάλα

Τα BGA μπορούν να αφαιρεθούν και να αντικατασταθούν, αλλά η διαδικασία είναι εξειδικευμένη.

• Μετακίνηση. Ένας σταθμός επεξεργασίας θερμού αέρα ή υπέρυθρης ακτινοβολίας αναδιαμορφώνει τις κρυμμένες μπάλες έτσι ώστε η συσκευασία να μπορεί να ανυψωθεί ευθεία προς τα πάνω.
• Επαναπήδηση μπάλας. Για την επαναχρησιμοποίηση ενός BGA, εφαρμόζονται φρέσκες μπάλες με ένα στένσιλ και προδιαμορφώνονται, αποκαθιστώντας τη διάταξη.
• Επαλήθευση. Οι ανακατασκευασμένες αρθρώσεις ελέγχονται με ακτίνες Χ, καθώς παραμένουν αόρατες.

Η επανασφαίριση είναι συνηθισμένη για ακριβές ή απαρχαιωμένες συσκευές, αλλά απαιτεί τον κατάλληλο εξοπλισμό και ένα ελεγχόμενο προφίλ. Για το μεγαλύτερο μέρος της παραγωγής, η σωστή συναρμολόγηση της αρχικής σύνθεσης, με καλή κόλλα, προφίλ και σχεδιασμό, είναι πολύ προτιμότερη από την επανακατεργασία των BGA, και αυτή η συνέπεια έχει τη μεγαλύτερη σημασία. συναρμολόγηση μεγάλου όγκου.

Λάβετε μια προσφορά συναρμολόγησης BGA

Τα BGA διατίθενται σε πολλούς τύπους, πλαστικά, κεραμικά, λεπτού βήματος, τσιπ-κλίμακας, flip-chip, LGA και PoP, αλλά μοιράζονται κρυφές, σφαιρικές αρθρώσεις που απαιτούν προσεκτικό σχεδιασμό, ελεγχόμενο προφίλ αναδιαμόρφωσης και έλεγχο με ακτίνες Χ. Επιλέξτε τον τύπο που υπαγορεύει το τσιπ σας, σχεδιάστε τη διαδρομή διαφυγής ώστε να ταιριάζει με το βήμα και επαληθεύστε με ακτίνες Χ. Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα Σχετικά με την Highleap Electronics και την ικανότητά μας να συναρμολογούμε BGA.

Συχνές ερωτήσεις

Τι είναι ένα πακέτο BGA;

Μια συστοιχία πλέγματος σφαιρών είναι ένα πακέτο επιφανειακής τοποθέτησης που συνδέεται στην πλακέτα μέσω ενός πλέγματος από μπάλες συγκόλλησης στην κάτω πλευρά της αντί για καλώδια γύρω από την άκρη της. Αυτό συγκεντρώνει πολλές συνδέσεις σε μια μικρή περιοχή με καλή ηλεκτρική και θερμική απόδοση, γι' αυτό και τη χρησιμοποιούν επεξεργαστές, μνήμες και σύνθετα ολοκληρωμένα κυκλώματα.

Ποιοι είναι οι κύριοι τύποι BGA;

Πλαστικό (PBGA), κεραμικό (CBGA), ταινία (TBGA), λεπτό βήμα (FBGA), κλίμακα τσιπ (uBGA/CSP), flip-chip (FCBGA), διάταξη πλέγματος εδάφους (LGA, η οποία έχει μαξιλαράκια όχι μπάλες) και συσκευασία σε συσκευασία (PoP, η οποία στοιβάζει συσκευές). Διαφέρουν κυρίως στο υλικό υποστρώματος και στον τρόπο σύνδεσης της μήτρας.

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ ενός BGA και ενός LGA;

Ένα BGA παραδίδεται με μπάλες συγκόλλησης ήδη στη συσκευασία, ενώ ένα LGA έχει επίπεδες επιφάνειες και καθόλου μπάλες, λαμβάνοντας την συγκόλληση από την πάστα που είναι τυπωμένη στην πλακέτα κατά τη συναρμολόγηση. Κατά τα άλλα, και τα δύο είναι συσκευασίες πλέγματος, συνδεδεμένες στο κάτω μέρος και μοιράζονται παρόμοιες παραμέτρους δρομολόγησης και επιθεώρησης.

Γιατί οι BGA απαιτούν ακτινογραφική εξέταση;

Επειδή οι συγκολλήσεις βρίσκονται κάτω από τη συσκευασία και δεν είναι ορατές, η ακτινογραφία είναι ο μόνος τρόπος για να τις επιβεβαιώσετε. Αποκαλύπτει κενά, γεφυρώσεις, κενά κεφαλής-σε-μαξιλάρι και ανοιχτές ενώσεις, ειδικά εκείνες που προκαλούνται από στρέβλωση της συσκευασίας ή της πλακέτας. Σε κρίσιμες πλακέτες, η ακτινογραφία είναι ένα υποχρεωτικό βήμα επιθεώρησης και όχι προαιρετικό.

Ποια τονικότητα μετράει ως λεπτή και γιατί έχει σημασία;

Τα βήματα περίπου 0.5 mm και κάτω είναι λεπτά. Έχουν σημασία επειδή δεν μπορείτε πλέον να χαράξετε ένα ίχνος μεταξύ των μπαλών, επομένως η σανίδα χρειάζεται περισσότερα στρώματα, μικροδιόδους και pad εισόδου, ωθώντας την προς την κατασκευή HDI. Μεγαλύτερα βήματα (1.0 έως 1.27 mm) χαράσσονται με τυπικές τεχνικές.

Τι είναι το via-in-pad και πότε χρειάζεται;

Το Via-in pad τοποθετεί μια via απευθείας μέσα στο BGA pad, με τη via να γεμίζει και να καλύπτεται έτσι ώστε να μπορεί να συγκολληθεί. Χρειάζεται σε λεπτά βήματα, όπου δεν υπάρχει χώρος για ίχνος διαφυγής dog-bone προς μια via δίπλα στην μπάλα. Απαιτεί κατασκευή HDI και προσθέτει κόστος, αλλά επιτρέπει πυκνή δρομολόγηση.

Μπορεί ένα BGA να αφαιρεθεί και να επαναχρησιμοποιηθεί;

Ναι, με επανεπεξεργασία με θερμό αέρα ή υπέρυθρες για την αφαίρεσή του και επανεπεξεργασία με σφαιρίδια για την εφαρμογή νέων σφαιριδίων συγκόλλησης πριν από την επαναχρησιμοποίηση, ακολουθούμενη από επαλήθευση με ακτίνες Χ. Είναι σύνηθες για ακριβά ή απαρχαιωμένα εξαρτήματα, αλλά χρειάζεται κατάλληλος εξοπλισμός και ελεγχόμενο προφίλ. Για την παραγωγή, μια σωστή συναρμολόγηση πρώτου σταδίου είναι προτιμότερη από την επανεπεξεργασία BGA.

Πότε πρέπει να χρησιμοποιώ BGA αντί για πακέτο με μόλυβδο;

Χρησιμοποιήστε ένα BGA όταν το εξάρτημα έχει υψηλό αριθμό εισόδων/εξόδων ή χρειάζεται την καλύτερη ηλεκτρική και θερμική απόδοση ενός πλήρους κάτω πλέγματος, γι' αυτό και οι επεξεργαστές και τα FPGA τα χρησιμοποιούν. Για χαμηλότερο αριθμό ακίδων, ένα εξάρτημα με μόλυβδο, όπως ένα QFP ή ένα QFN, μπορεί να είναι πιο εύκολο στη συναρμολόγηση, την χειροκίνητη επεξεργασία και τον έλεγχο. Το τσιπ που πρέπει να χρησιμοποιήσετε συχνά το αποφασίζει.