BGA-kotelotyypit piirilevyjen suunnitteluun ja kokoonpanoon

Palloliitosmatriisi (BGA) on pinta-asennettava kotelo, joka kytketään piirilevyyn komponentin alla olevan juotospallojen verkon kautta reunojen ympärillä olevien johtojen sijaan. Tämä järjestely mahdollistaa useita liitäntöjä pienessä tilassa ja hyvät sähköiset ja lämpöominaisuudet, minkä vuoksi BGA:t ovat vallitsevia nykyaikaisissa prosessoreissa, muisteissa ja monimutkaisissa integroiduissa piireissä. Niitä on useita tyyppejä: muovi-, keraaminen-, teippi-, hienojako-, sirumittakaava- ja flip-chip-piirilevyjä, joilla kaikilla on omat kompromissinsa. Tässä oppaassa selitetään tärkeimmät BGA-tyypit, niiden keskeiset ominaisuudet ja mitä ne tarkoittavat kokoonpanossa, tarkastuksessa ja piirilevysuunnittelussa. Mikro-BGA-piirilevyn kokoonpanossa kotelojako ja kuulageometria on otettava huomioon yhdessä juotoskuvion, sapluunan suunnittelun ja piiloliitostarkastuksen kanssa.

Mikä on BGA-paketti?

BGA-piiri asettaa liitännät juotospallojen muodossa kotelon pohjalle. Kun piirilevy juotetaan uudelleen, nämä pallot sulavat ja liittyvät yhteensopiviin pisteisiin muodostaen sähköisen ja mekaanisen liitoksen.

Miksi muoto on olemassa

Lyijyllisillä komponenteilla varustetut kotelot menettävät tilaa I/O-määrien kasvaessa, koska johdot mahtuvat vain ulkokehän ympärille. Palloruudukko käyttää koko alapintaa, joten BGA tarjoaa paljon enemmän liitäntöjä samalla alueella lyhyemmillä poluilla, jotka parantavat sähköistä suorituskykyä, ja suurella lämpökontaktilla lämmönpoistoa varten. Kompromissina on se, että liitokset ovat piilossa, mikä vaikuttaa kaikkeen kokoonpanoon ja tarkastukseen.

Missä BGA-laitteita käytetään

Suorittimet, muistit, FPGA:t ja muut paljon I/O:ta tarjoavat laitteet ovat lähes kaikki BGA:ita. Niiden kanssa työskentely on osa nykyaikaista piirilevyjen kokoonpanoa , erityisesti tiheillä ja tehokkailla levyillä.

BGA-pakettien tyypit (PBGA, CBGA, FBGA, FCBGA)

”BGA”-merkintä kattaa joukon toisiinsa liittyviä pakkauksia, jotka eroavat toisistaan ​​pääasiassa alustamateriaalin ja sirun kiinnitystavan suhteen.

Suurimmat erot ovat alusta (muovi, keraaminen vai teippi), onko piirilevy flip-chip-asennettu (FCBGA, parhaan suorituskyvyn saavuttamiseksi), ja onko osassa edes kuulia. LGA:ssa on land-pisteitä ja se saa juotoksensa piirilevyn tahnasta. PoP on pakkausstrategia, jossa laitteet pinotaan piirilevyn tilan säästämiseksi. Oikean tyypin sanelee yleensä käytettävä piiri, ei vapaa valinta.

BGA vs. lyijylliset paketit (QFP ja QFN)

Se auttaa näkemään, missä BGA:t sijoittuvat suhteessa lyijypohjaisiin paketteihin, kuten QFP ja QFN.

BGA-piirit ovat tehokkaita I/O-tiheyden sekä sähköisen ja lämpöominaisuuksien suhteen, minkä vuoksi niitä käytetään paljon nastaa sisältävissä ja suurnopeuslaitteissa . Kompromisseja ovat tarkastus (röntgen visuaalisen sijaan), uudelleenkäsittely (kuuma ilma ja uudelleenpuristus raudan sijaan) ja usein monimutkaisempi piirilevy. Pienemmän nastamäärän omaavilla laitteilla lyijytetty kotelo voi olla yksinkertaisempi; valinta seuraa yleensä osaa. Joka tapauksessa jalanjäljen ja pinoamisen suunnittelu suunnittelukatselmuksen aikana pitää valitun kotelon valmistettavana.

BGA-syöttöjen ja pallojen määrä

Pallojen keskipisteiden välinen etäisyys eli piki on ominaisuus, joka eniten vaikuttaa BGA:n valmistuksen ja kokoamisen vaikeuteen.

Kun jako pienenee, kuulien välistä johdinta ei voida enää reitittää, joten levy tarvitsee enemmän kerroksia, pienempiä reikiä ja usein myös läpivientialustoja. Hienojakoiset BGA-piirit vievät siksi suunnittelua kohti HDI-tekniikoita, joita käytetään suurnopeus- ja tiheysvalmistuksessa. Suurempi kuulamäärä pahentaa tätä, koska jokainen kuula tarvitsee reitin ulos. uBGA-komponentiksi tunnistetun osan osalta uBGA-pakettikohtaisessa kokoonpanotarkastelussa tulisi käyttää todellista komponentin piirustusta ja kuulajärjestelyä sen sijaan, että prosessi pääteltäisiin paketin nimestä.

BGA-pallon koostumus ja kosteusherkkyys

Kaksi BGA-piirien olennaista seikkaa vaikuttaa niiden käsittelyyn ja juottamiseen.

• Pallometalliseos. Nykyaikaiset BGA-suodattimet käyttävät lyijyttömiä (tina-hopea-kupari) palloja, jotka asettavat uudelleensulatuksen huippulämpötilan; vanhemmissa osissa voidaan käyttää lyijyllisiä palloja.
• Kosteusherkkyys (MSL). BGA-kalvot ovat herkkiä kosteudelle: imeytynyt kosteus voi höyrystyä uudelleensulatuksen aikana ja vahingoittaa pakkausta ("popcornointia"), joten osat luokitellaan MSL:n avulla ja paistetaan ennen kokoonpanoa, jos ne altistuvat.

MSL:n käsittelyn kunnioittaminen, osien kuivina pitäminen ja tarvittaessa paistaminen on perus-mutta kriittinen vaihe. Sen ohittaminen voi rikkoa paketteja uudelleensulatuksen aikana riippumatta siitä, kuinka hyvä muu prosessi on, minkä vuoksi se on sisäänrakennettu hallittuun kokoonpanovirtaan.

Miten BGA:t kootaan

BGA:n sijoittaminen on rutiinia automatisoidulla linjalla, mutta se riippuu muutamista asioista, jotka menevät oikein.

• Sapluuna ja liima. Oikein suunniteltu sapluuna levittää oikean määrän pastaa jokaiselle tyynylle.
• Sijoittelu. Osa on sijoitettu tyynyjensä päälle; se ei tarvitse täydellistä kohdistusta seuraavan pisteen vuoksi.
• Uudelleenjuoksutusprofiili. Hallittu profiili sulattaa pallot; pintajännitys vetää sitten pakkauksen oikeaan linjaan ("itsekeskittyvä").
• Lämpötilan tasapaino. Profiilin on sovittava laudan massaan, jotta jokainen pallo saavuttaa lämpötilan yhdessä.

Itsekeskittyvyys on yksi BGA:n paremmista ominaisuuksista, sulat kuulat vetävät pakkauksen paikoilleen. Mutta se toimii vain hyvän pastakerrostuman ja levyyn sopivan profiilin kanssa, mikä on vaikeampaa lämpöä kestävillä levyillä, kuten metallisydämisillä kokoonpanoilla . Profiilin saaminen oikein ensimmäisellä kerralla tekee BGA-kokoonpanosta luotettavan.

BGA-juotosliitosten tarkastus (röntgen)

Koska jokainen liitos on piilossa pakkauksen alla, et voi arvioida BGA:ta silmämääräisesti. Röntgen on ensisijainen tarkastustyökalu.

Vääristyminen ja samantasoisuus ovat yleisiä syitä: jos pakkaus tai levy taipuu uudelleensulatuksessa, kulma- tai keskipallot eivät välttämättä kosketa tyynyjään, mikä aiheuttaa aukkoja tai "pää tyynyssä" -virheitä. Röntgenkuvaus paljastaa nämä piilevät ongelmat, ja kriittisillä levyillä se on pakollinen vaihe, ei vaihtoehto. Visuaalinen tarkastus voi vahvistaa vain ulomman rivin reunat, ei itse liitoksia.

BGA-koteloiden piirilevyn suunnittelu

BGA:n luotettavuus määräytyy pitkälti piirilevyn suunnittelun mukaan, ennen kuin yksikään osa on asetettu siihen.

Pakoreititys ja läpiviennit

Jokainen pallo tarvitsee ulosmenoreitin. Suuremmalla jakovälillä lyhyt "koiranluun" muotoinen jälki pallojen väliseen läpivientiin toimii. Pienellä jakovälillä tilaa ei ole, joten tarvitaan läpivienti padissa eli täytetty ja peitetty läpivienti suoraan padissa, mikä puolestaan ​​vaatii HDI-valmistusta.

Pad- ja sapluunasuunnittelu

Liitoskohdan tyyppi (juotosmaskin mukaan määritelty vs. ei-juotosmaskin mukaan määritelty) ja sapluunan aukko vaikuttavat liitoksen muotoon ja luotettavuuteen, ja niiden tulisi noudattaa pakkaus- ja kokoonpano-ohjeita. Juuri nämä yksityiskohdat tarkistetaan valmistusta varten tehtävässä suunnittelutarkastuksessa ennen valmistusta.

Pinoaminen ja valmistus

Hienojakoiset, suuren kuulalukumäärän BGA-piirilevyjen ohjauskerrosten lukumäärä, mikrovia-rakenteet ja rekisteröintitoleranssit päätetään kaikki piirilevyn valmistuksen aikana . Levyn ja BGA-poiston suunnittelu yhdessä estää osan reitittämisen tai luotettavan juottamisen.

BGA-uudelleentyöstö ja uudelleenpallotus

BGA-levyt voidaan poistaa ja vaihtaa, mutta prosessi on erikoistunut.

• Poistaminen. Kuumailma- tai infrapunatyöstöasema sulattaa piilotetut pallot uudelleen, jotta pakkaus voidaan nostaa suoraan ylös.
• Uudelleenpalloilu. BGA:n uudelleenkäyttöä varten siihen levitetään uusia palloja sapluunalla ja esimuotilla, jolloin matriisi palautuu.
• Varmistus. Uudelleen työstetyt nivelet tarkistetaan röntgenillä, koska ne pysyvät näkymättöminä.

Uudelleenpallottaminen on yleistä kalliissa tai vanhentuneissa laitteissa, mutta se vaatii oikeat laitteet ja hallitun profiilin. Useimmissa tuotannoissa alkuperäisen kokoonpanon saaminen oikein, hyvällä tahnalla, profiililla ja suunnittelulla, on paljon parempi kuin BGA-liittimien uudelleentyöstö, ja tämä yhdenmukaisuus on tärkeintä suurten volyymien kokoonpanossa.

Pyydä tarjous BGA-kokoonpanosta

BGA-liitoksia on saatavilla monenlaisina: muovisia, keraamisia, hienojakoisia, sirupohjaisia, flip-chip-, LGA- ja PoP-liitoksia, mutta niillä on piilotetut, kuulapohjaiset liitokset, jotka vaativat huolellista suunnittelua, hallittua uudelleensulatusta ja röntgentarkastusta. Valitse sirusi sanelema tyyppi, suunnittele pakoreitti jaon mukaan ja tarkista röntgenillä. Voit lukea lisää Highleap Electronicsista ja BGA-kokoonpanokyvykkyydestämme.

Usein Kysytyt Kysymykset

Mikä on BGA-paketti?

Palloliitin on pinta-asennuskotelo, joka kytketään piirilevyyn pohjassa olevan juotospallojen ruudukon kautta reunoilla olevien johtojen sijaan. Tämä pakkaa useita liitäntöjä pienelle alueelle ja tarjoaa hyvän sähköisen ja lämpöteknisen suorituskyvyn, minkä vuoksi prosessorit, muistit ja monimutkaiset integroidut piirit käyttävät sitä.

Mitkä ovat BGA:n päätyypit?

Muovi (PBGA), keraaminen (CBGA), teippi (TBGA), hienojakoinen (FBGA), sirumittakaavainen (uBGA/CSP), flip-chip (FCBGA), land grid array (LGA, jossa on liitäntäpisteitä, ei palloja) ja paketti pakkauksessa (PoP, jossa laitteita pinotaan). Ne eroavat toisistaan ​​pääasiassa alustamateriaalin ja sirun kiinnitystavan suhteen.

Mitä eroa on BGA:lla ja LGA:lla?

BGA-piirilevy toimitetaan juotospallojen kanssa valmiiksi pakkauksessa, kun taas LGA-piirilevyssä on tasaiset kosketuspinnat ilman juotospalloja, ja sen juote saadaan kokoonpanon aikana piirilevylle painetusta tahnasta. Muuten molemmat ovat grid-matriisirakenteisia, pohjasta kytkettyjä koteloita ja niillä on samanlaiset reititys- ja tarkastusnäkökohdat.

Miksi BGA-laitteet vaativat röntgentarkastuksen?

Koska juotosliitokset sijaitsevat kotelon alla eivätkä ole näkyvissä, röntgenkuvaus on ainoa tapa varmistaa ne. Se paljastaa tyhjät liitokset, sillat, pää-tyynyssä-liitokset ja avoimet liitokset, erityisesti kotelon tai piirilevyn vääntymisen aiheuttamat. Kriittisillä piirilevyillä röntgenkuvaus on pakollinen tarkastusvaihe eikä valinnainen.

Mikä sävelkorkeus lasketaan hienoksi sävelkorkeudeksi ja miksi sillä on merkitystä?

Noin 0.5 mm:n ja sitä pienemmät jakovälit ovat hienojakoisia. Niillä on merkitystä, koska kuulaväliin ei voi enää jyrsiä jälkiä, joten levy tarvitsee lisää kerroksia, mikroreikiä ja reikiä padissa, mikä vie sitä kohti HDI-valmistusta. Suuremmat jakovälit (1.0–1.27 mm) jyrsitään standarditekniikoilla.

Mikä on via-in-pad ja milloin sitä tarvitaan?

Via-in-pad -menetelmä sijoittaa läpiviennin suoraan BGA-padin sisään, ja läpivienti on täytetty ja peitetty juottamalla se päälle. Sitä tarvitaan tiheällä jakovälillä, jossa ei ole tilaa luunmuotoiselle poistumisjäljelle pallon vieressä olevaan läpivientiin. Se vaatii HDI-valmistusta ja lisää kustannuksia, mutta mahdollistaa tiheän reitityksen.

Voiko BGA:n irrottaa ja käyttää uudelleen?

Kyllä, se voidaan poistaa kuumailmalla tai infrapunalla ja juottaa juotospalloilla uudelleen ennen uudelleenkäyttöä, minkä jälkeen suoritetaan röntgentarkastus. Tämä on yleistä kalliiden tai vanhentuneiden osien kanssa, mutta se vaatii asianmukaiset laitteet ja kontrolloidun profiilin. Tuotannossa oikeaoppinen ensivaiheen kokoonpano on parempi kuin BGA-levyjen uudelleentyöstö.

Milloin minun pitäisi käyttää BGA:ta lyijyllisen paketin sijaan?

Käytä BGA:ta, kun osassa on paljon I/O-liitäntöjä tai se tarvitsee paremman sähköisen ja lämpöominaisuuksien, joita kokonainen alapintaverkko tarjoaa. Siksi prosessorit ja FPGA:t käyttävät niitä. Pienemmän nastojen määrän tapauksessa lyijytetty kotelo, kuten QFP tai QFN, voi olla yksinkertaisempi koota, työstää käsin ja tarkastaa. Käytettävä siru ratkaisee usein tämän.