Un guide complet sur les substrats BGA

             

Les substrats BGA (Ball Grid Array) sont devenus une technologie d'emballage très répandue pour les circuits intégrés (CI), les ASIC, les GPU et d'autres composants complexes. Avec la capacité de prendre en charge une haute densité de contacts dans un faible encombrement, le BGA permet la miniaturisation et l'amélioration des performances d'un large éventail d'électronique. Cependant, la conception et la fabrication de substrats BGA nécessitent une expertise approfondie. Ce guide complet couvre tout ce qui est nécessaire pour tirer parti des avantages de BGA tout en évitant les pièges.

Qu'est-ce qu'un substrat BGA ?

Un substrat BGA sert de base au boîtier BGA, fournissant un support mécanique ainsi que les interconnexions électriques. Le substrat est constitué d'un matériau isolant avec des traces conductrices sur ou à l'intérieur qui acheminent les signaux et l'alimentation entre la puce en silicium attachée et la carte de circuit imprimé (PCB) sur laquelle le boîtier BGA est monté.

La caractéristique distinctive de tous les boîtiers BGA réside dans les petites billes de soudure disposées au bas du boîtier selon un motif en grille. Ces billes de soudure relient les traces du substrat aux plots d'atterrissage correspondants sur la surface du PCB lorsque le composant BGA est soudé à la carte lors de l'assemblage. Cette grille à billes permet des interconnexions haute densité puisque les billes peuvent être rapprochées.

Les substrats BGA doivent être conçus spécifiquement pour correspondre à la puce en silicium et au circuit imprimé tout en répondant également aux exigences électriques, thermiques et mécaniques. Des stratifiés, des céramiques, du silicium, du verre et d'autres matériaux sont utilisés pour fabriquer des substrats BGA. La conception du substrat dépend de facteurs tels que le nombre de contacts requis, les vitesses des signaux, les besoins en énergie, les attentes en matière de fiabilité et le coût.

Pourquoi les substrats BGA permettent la miniaturisation

Les principaux avantages du BGA proviennent de la possibilité d'installer davantage d'interconnexions dans un espace plus petit par rapport aux anciennes approches de conditionnement de circuits intégrés. Par exemple:

• Les boîtiers de câbles périphériques tels que les boîtiers quad flat packs (QFP) comportent des câbles uniquement sur les bords, ce qui limite la densité de contact.
• Les réseaux de grilles de broches (PGA) utilisent un réseau de broches s'étendant à partir du bas du boîtier, mais l'espacement minimum des broches est plus grand que celui des billes de soudure.
• Les supports de puces sans fil ont des contacts sur les bords ou en bas, mais ne peuvent pas correspondre à la densité BGA.

En revanche, le BGA peut atteindre des densités très élevées avec des billes au pas de 0.5 mm, voire 0.4 mm et moins. Cela permet plus de fonctions dans des packages plus petits. La forme sphérique idéale des billes de soudure permet également un espacement plus étroit par rapport aux broches.

Un nombre de contacts plus élevé permet l'intégration de fonctions supplémentaires telles que plusieurs processeurs, mémoire, capteurs, sans fil, gestion de l'alimentation et accélérateurs spécialisés au sein de packages BGA destinés à des applications telles que la 5G, l'IA, l'ADAS, l'IoT, etc. La miniaturisation correspond également aux préférences des consommateurs pour une électronique toujours plus compacte.

Matériaux utilisés pour les substrats BGA

Alors que les premiers boîtiers BGA utilisaient des substrats en céramique, les nouveaux substrats organiques prédominent désormais en raison de leur moindre coût ainsi que de leurs avantages en termes de résistance aux chocs thermiques, de déformation réduite et de flexibilité. Les matériaux courants comprennent :

Substrat BT – Bismaléimide triazine, une résine thermodurcissable, généralement renforcée de fibre de verre et d'une feuille de cuivre. Offre un équilibre rentable entre performances et fabricabilité. Largement utilisé dans les applications grand public, de télécommunications, industrielles et automobiles. Résiste aux processus de soudure sans plomb.

Substrat polyimide – Offre une stabilité thermique supérieure mais à un coût plus élevé que BT. Utilisé lorsque des substrats très fins sont requis. Courant dans les applications mobiles et à haute fiabilité.

Substrat CE – Résine époxy composite renforcée de fibre de verre. Faibles propriétés d'absorption de l'humidité. Souvent utilisé dans des environnements très humides.

Substrat souple – Les films polyimide peuvent produire des substrats très fins et flexibles pour une meilleure résistance aux chocs et aux vibrations. Permet des conceptions fines et compactes.

Les substrats céramiques en oxyde d'aluminium ou en nitrure d'aluminium excellent toujours pour certaines applications extrêmement hautes performances comme l'aérospatiale où leur conductivité thermique supérieure justifie le coût plus élevé. Des interposeurs en silicium ou en verre font également leur apparition pour les boîtiers 2.5D/3D à très haute densité.

Pourquoi la conception automatisée de substrats BGA est essentielle

La complexité du routage des modèles d'échappement complexes et des traces de centaines ou de milliers de contacts de puce dicte une conception automatisée assistée par ordinateur. La disposition manuelle du substrat BGA n’est pas réalisable.

Les défis critiques comprennent :

L'intégrité du signal – Il est obligatoire de faire correspondre les géométries de trace pour obtenir une impédance contrôlée et cohérente pour chaque réseau, ainsi que des plans de référence appropriés pour la réduction du bruit. Cela nécessite une optimisation automatisée.

Intégrité de l'alimentation – Co-conception minutieuse des plans d’alimentation et de masse pour une distribution efficace de l’énergie vers la puce en silicium sans bruit excessif. Les condensateurs de découplage doivent également être correctement placés.

Densité – Le routage d'évacuation à partir du réseau de plots BGA nécessite un modèle échelonné de vias et de traces ainsi que des affectations de couches optimisées pour éviter la congestion et la longueur.

Thermique – Le substrat doit permettre une conduction thermique suffisante de la puce vers le PCB et l'environnement. Les vias thermiques aident.

Fiabilité – Les règles de conception concernant la largeur/l'espacement des traces, la structure, les formes des plots et les matériaux doivent équilibrer le coût par rapport à la robustesse à long terme sous les cycles de température, les vibrations, etc.

Seuls les outils EDA avancés combinant des algorithmes de routage complexes, des gestionnaires de contraintes, des vérifications de règles de conception et des simulations peuvent permettre d'obtenir une conception de substrat optimale qui répond aux défis techniques ainsi qu'aux exigences de fabricabilité.

Considérations clés sur la conception des substrats BGA

Voici quelques-uns des facteurs les plus importants que les concepteurs doivent prendre en compte lors du développement d'un substrat BGA :

• L'intégrité du signal – Des traces d'impédance contrôlée, un référencement et une isolation appropriés, une atténuation du bruit et un évitement de la diaphonie sont essentiels pour des signaux propres, en particulier à des vitesses élevées. Ceci est possible grâce au routage à angle droit, aux plans de référence, aux sélections diélectriques, aux géométries de trace, à la simulation et à la correspondance de longueur.
• Intégrité de l'alimentation – Une conception minutieuse du plan de puissance, des condensateurs de découplage et des optimisations du réseau de puissance sont nécessaires pour fournir une puissance stable et à faible bruit à la puce en silicium. Une analyse de chute de tension doit être effectuée.
• La gestion thermique – La conception du substrat doit permettre un refroidissement efficace par conduction et par convection de la puce à travers le PCB. Des vias thermiques sous la filière sont indispensables. Les matériaux à haute conductivité aident.
• Fiabilité – Les matériaux de substrat et de trace, les règles de conception, la modélisation, les tests d'inspection et la simulation contribuent à garantir la robustesse aux cycles de température, aux vibrations, aux chocs, à l'humidité et aux contraintes de fatigue tout au long de la durée de vie du produit.
• S'échapper – Les modèles de routage d'évacuation depuis le réseau dense de billes jusqu'au périmètre nécessitent des rangées décalées de vias/traces optimisées pour la densité de routage, la correspondance de longueur et la simplicité. L’IDH est souvent nécessaire.
• Fabrication – Les pratiques DFM tout au long du processus de conception garantissent que le substrat peut être fabriqué, assemblé, inspecté et testé de manière fiable au meilleur coût.
• Densité – Les boîtiers BGA à plus haute densité nécessitent des diélectriques plus fins, des lignes et des espaces plus fins, des vias plus petits, plus de couches et des matériaux avancés pour s'adapter au nombre d'interconnexions.

Pas de balle dans les packages BGA

Le pas des billes est la distance entre les centres des billes de soudure adjacentes dans la grille. Le pitch a régulièrement diminué pour permettre des packages BGA de plus haute densité. Certains lancers de balle actuels incluent :

• 0.8 mm – Pas largement utilisé pour de nombreux boîtiers BGA de densité moyenne sensibles aux coûts
• 0.65 mm – Un pas haute densité courant pour les circuits intégrés complexes jusqu'à environ 35 x 35 mm.
• 0.5 mm – Considéré comme un pas ultra fin réalisable grâce à une fabrication avancée de PCB
• 0.4 mm – Un pas extrêmement serré repoussant les limites des capacités de fabrication

La tendance vers un pas de balle plus petit permet soit des tailles de boîtier plus petites pour un nombre d'interconnexions donné, soit des densités plus élevées dans des tailles de boîtier plus grandes. Cependant, le retrait pose des défis en termes de contrôle du processus d'assemblage, de fiabilité des joints de soudure, de difficultés de reprise et de sensibilité au gauchissement des PCB. Un pas très fin exige des tolérances serrées.

Caractéristiques clés des substrats BGA

                         

Certaines des caractéristiques distinctives des substrats BGA qui expliquent leurs avantages par rapport aux anciens styles de boîtiers incluent :

• Haute densité d’interconnexion – La capacité de concentrer des centaines à des milliers de contacts dans un faible encombrement permet l'intégration de davantage de fonctionnalités et d'E/S dans un format compact.
• Faible inductance – Les longueurs minimales de câble entre la puce en silicium et le PCB offrent des performances électriques supérieures, en particulier pour les signaux haute fréquence.
• Connexions courtes et directes – Les connexions verticales directes éliminent les liaisons filaires fragiles et les câbles susceptibles de se rompre. La fiabilité est plus élevée.
• Compatibilité de processus – Les boîtiers BGA peuvent être montés en surface comme les autres composants SMT au stade de l'assemblage du PCB, réduisant ainsi les coûts.
• Conduction thermique – Le contact direct de la puce et les connexions courtes facilitent la propagation de la chaleur dans le PCB et l'environnement environnant, atténuant ainsi les points chauds.
• Auto-alignement – La tension superficielle de la soudure liquide aligne les billes avec les plots correspondants lors de l'assemblage par refusion. Moins de sensibilité à la précision du placement.
• Testabilité – Les packages BGA permettent des tests de pré-assemblage complets de la puce encapsulée avant le montage sur la carte.

Défis de routage des substrats BGA

Le routage des traces dans ou sur les couches d'un substrat BGA pose des défis de conception complexes, notamment :

L'intégrité du signal – Le contrôle de l'impédance de trace, de la diaphonie et de la qualité du signal exige des géométries adaptées, un référencement approprié, un contrôle des stubs, une adaptation de phase et une simulation.

Intégrité de l'alimentation – La fourniture d’énergie propre repose sur des chemins à faible inductance, un découplage adéquat, une isolation plane appropriée, une gestion thermique et une analyse.

Densité de routage – Les modèles d'échappement décalés doivent permettre d'acheminer les canaux entre les rangées rapprochées de vias/traces sortant du réseau matriciel dense.

Secteur Industriel & Fabrication – Les règles de conception concernant la largeur des traces, l'espacement, les formes, les vias et les matériaux doivent s'aligner sur les capacités de fabrication tout en optimisant les coûts et la fiabilité.

Gestion thermique – Le substrat doit diffuser efficacement la chaleur dans le PCB et dans l'environnement environnant pour éviter les points chauds sous la puce dense.

Fiabilité – Les matériaux, les règles de conception, les contrôles de fabrication, la modélisation et les tests contribuent à garantir que le substrat résistera aux contraintes tout au long de la durée de vie du produit.

Des outils EDA avancés et des ingénieurs expérimentés sont essentiels pour relever ces défis interdépendants tout en évitant une conception excessive qui ajoute des coûts inutiles. Le développement du substrat est hautement interactif avec une optimisation continue.

Présentation des matériaux de substrat BGA

Comme indiqué précédemment, les matériaux les plus couramment utilisés pour fabriquer des substrats BGA comprennent :

Substrats organiques

• BT (bismaléimide triazine) – Largement utilisé en raison de l’équilibre coût/performance
• Polyimide – Excellente stabilité thermique mais coût plus élevé
• FR-4 – Matériau PCB époxy traditionnel renforcé de verre, performances/coût inférieurs
• CE (époxy composite) – Utilisé dans des environnements très humides
• Substrats flexibles – Les films polyimide ou LCP permettent des substrats minces et flexibles

Substrats en céramique

• Oxyde d'aluminium (alumine) – Céramique la plus courante et relativement peu coûteuse
• Nitrure d'aluminium – Haute conductivité thermique pour les applications très exigeantes
• Béryllia – La toxicité limite l’utilisation de la céramique d’oxyde de béryllium

Autres substrats avancés

• Interposeurs en silicium – Permettent l'empilement de puces 2.5D/3D avec les TSV
• Interposeurs de verre – Propriétés isolantes adaptées aux interconnexions haute densité

Le matériau optimal dépend des exigences de l'application telles que la fréquence, les niveaux de puissance, les besoins de fiabilité, les propriétés diélectriques, les coûts de fabrication et les cycles de vie des produits.

Problèmes liés au processus d’assemblage BGA

Pour obtenir des joints de soudure fiables lors de l'assemblage SMT de boîtiers BGA sur des PCB, certaines précautions de processus sont recommandées :

• Appliquez une chaleur adéquate pour refusionner toutes les billes de soudure de manière fiable sans surchauffer les composants sensibles
• Assurer un chauffage uniforme sur toute l’empreinte BGA pour éviter les décalages de refusion qui peuvent déformer le boîtier
• Utilisez une pâte à souder sans nettoyage conçue pour l'assemblage BGA sans plomb afin d'éviter le piégeage de résidus
• Contrôlez avec précision les profils thermiques, notamment les rampes, le trempage et le refroidissement
• Élimine les effets de désactivation grâce à des dépôts de pâte appropriés, au centrage des composants et au profilage
• Prévenez les vides en appliquant des volumes de pâte appropriés adaptés aux volumes de billes, aux conceptions d'ouverture et à la force de placement
• Inspectez minutieusement les indicateurs de mauvais mouillage, de défauts de la tête dans l'oreiller, de non-uniformité et d'autres défauts.
• Valider les processus grâce à des plans d'expériences (DOE) et à des tests tels que l'analyse de la force de cisaillement sur des échantillons de joints

Avec les BGA à pas fin, l'assemblage exige des tolérances plus strictes, des techniques d'inspection avancées et des contrôles de processus très cohérents pour atteindre des rendements et une fiabilité élevés.

Inspection des joints de soudure BGA

Contrairement aux joints à base de plomb plus visibles, les connexions soudées sous les BGA ne peuvent pas être inspectées visuellement. Au lieu de cela, l’imagerie aux rayons X constitue la solution optimale pour examiner la qualité des joints de soudure internes après l’assemblage du BGA.

Les systèmes automatisés d’inspection par rayons X (AXI) génèrent des images haute résolution révélant :

• Alignement des billes de soudure, hauteur d'espacement et compression
• Présence de vides, fissures, mouillage insuffisant ou autres défauts
• Déformation de la bille de soudure à partir de la forme idéale
• Non-uniformité entre les joints
• Corps étrangers, contaminants ou résidus

AXI offre une couverture d'inspection complète pour identifier les défauts d'assemblage avant l'expédition des produits ainsi que les risques potentiels de fiabilité à long terme. Les capacités 3D fournissent des informations supplémentaires sur la structure commune. Si des défauts sont détectés, le processus peut être ajusté pour éliminer la cause première.

Reprise et réparation BGA

Si les inspections post-assemblage ou les tests ultérieurs révèlent des défauts dans les joints de soudure, le placement des composants ou les interconnexions au niveau de la carte associées au montage BGA, une reprise sera nécessaire. Voici quelques bonnes pratiques :

• Utilisez des systèmes de retouche BGA spécialisés avec préchauffeurs, thermocouples, capteur sous vide et alignement optique
• Appliquez sélectivement une chaleur concentrée uniquement sur le composant défectueux sans surchauffer les matériaux à proximité
• Contrôlez soigneusement la montée en puissance thermique, les taux de trempage et de refroidissement tout au long du processus de refusion
• Utilisez une pâte à souder ou un flux conçu pour la reprise des BGA pour mouiller les plaquettes de la carte de manière fiable et éviter les pontages.
• Utilisez des volumes minimum de pâte à souder adaptés aux volumes de pastilles/billes pour éviter un excès de soudure.
• Inspectez visuellement le bon alignement avant de redistribuer ; utiliser ensuite AXI pour confirmer l’intégrité des articulations
• Retirez tout flux résiduel après retouche à l'aide de nettoyants formulés pour de faibles résidus.

Avec les BGA à pas fin, des outils, des matériaux et des processus spécialisés sont essentiels pour une reprise réussie. La prévention est préférable grâce à une conception et un contrôle robustes des processus.

Avantages des BGA

Voici quelques-uns des principaux avantages qui ont rendu l’emballage BGA omniprésent dans l’électronique :

Haute densité – La possibilité de concentrer davantage de connexions d'E/S dans un encombrement réduit permet l'intégration de fonctionnalités et de caractéristiques supplémentaires.

Intégrité du signal à grande vitesse – Les traces courtes entre la puce et la carte offrent des avantages en termes de performances électriques, en particulier pour les signaux numériques rapides.

Fiabilité – Les interconnexions verticales directes évitent les liaisons filaires fragiles et les câbles sujets à la rupture du fait de contraintes thermiques ou mécaniques.

Performance thermique – Le contact direct de la puce et les connexions courtes favorisent la conduction thermique du silicium dense et chaud vers le PCB et l'air ambiant environnant.

Flexibilité de conception – Une large gamme de matériaux de substrat présentant diverses propriétés diélectriques peut être sélectionnée pour répondre aux exigences techniques et financières.

Testabilité – Les puces connues peuvent être entièrement testées encapsulées dans des boîtiers BGA avant l'assemblage de la carte pour des rendements améliorés.

Compatibilité des processus – Les boîtiers BGA peuvent être montés en surface comme les autres composants CMS, tirant parti des volumes élevés Assemblage de PCB.

Limites des packages BGA

Malgré des avantages significatifs, les BGA présentent également certaines limites et compromis :

Inspectabilité – L’incapacité d’examiner visuellement les joints de soudure internes signifie qu’une inspection aux rayons X est nécessaire pour vérifier l’intégrité de l’assemblage.

Difficulté de retravailler – Le retrait et le remplacement des BGA sans endommager les cartes ou les composants adjacents nécessitent des outils et des compétences avancés.

Sensibilité au gauchissement de la carte – Les contraintes thermiques peuvent déformer suffisamment les cartes pour rompre les connexions avec des billes de soudure facilement déformées sous les gros BGA.

Prix – La fabrication d’interconnexions haute densité et les matériaux de substrat avancés entraînent des coûts supérieurs aux anciens modèles de boîtiers avec un nombre de contacts inférieur.

Encombrement du routage des signaux – Les BGA à nombre d'E/S très élevé nécessitent plusieurs couches de routage denses et des modèles d'échappement complexes qui augmentent les coûts de fabrication des PCB.

Interconnexion de deuxième niveau – Une étape d'assemblage distincte est nécessaire pour fixer la puce sur le substrat BGA avant le montage de la carte.

Stress thermique – Les inadéquations CTE entre le silicium, le substrat, la carte et les soudures doivent être prises en compte pour éviter les défaillances du cycle de température.

Substrats BGA vs LGA

Les packages Land Grid Array (LGA) offrent une alternative au BGA avec certains compromis distincts :

Amovibilité – Les LGA utilisent des plots de contact plutôt que des billes de soudure, permettant l'insertion/le retrait des connecteurs femelles sur les PCB. Les BGA sont soudés en permanence.

Fiabilité – Les LGA évitent les modes de défaillance par fatigue de soudure, mais les nombreuses interconnexions de socket sont moins fiables que les joints de soudure soumis à des cycles thermiques.

Retravailler – Les LGA défectueux peuvent être détachés et remplacés sans dessoudage ni chauffage de la carte. Les BGA nécessitent une redistribution.

Effacer les contacts – Les tampons LGA frottent sur les broches du connecteur lors de l'insertion, éliminant l'oxydation et les débris pour une faible résistance de contact. Les BGA reposent uniquement sur la soudure.

Routage – Les LGA exigent des densités élevées de trous traversants et de vias plaqués pour les broches du support, tandis que les BGA nécessitent un routage d'évacuation pour les traces.

Profils – LGA est plus grand que BGA d’au moins la hauteur du socket. BGA offre un profil plus bas.

Prix – Pour une production en grand volume, le BGA est généralement moins coûteux. Le LGA peut être privilégié pour des volumes modérés.

Le choix optimal dépend des objectifs de coûts, des attentes en matière de cycle de vie, des besoins de maintenance sur le terrain et des exigences de performances.

Applications BGA dans tous les secteurs

Les hautes performances, la petite taille et la fiabilité des packages BGA ont été adoptés dans un large éventail d'applications :

Electronique

• Smartphones, tablettes, ordinateurs portables
• Consoles de jeux, décodeurs
• Appareils photo numériques, wearables

Automobile

• Calculateurs moteur, infodivertissement
• Modules ADAS, LiDAR
• Contrôleurs de corps

Aéronautique et militaire

• Cartes informatiques pour l'avionique
• Systèmes radar et d'imagerie
• Systèmes de guidage de missiles

Télécom et Réseaux

• Switchs, routeurs, stations de base
• Serveurs
• Modules fibre optique

Médical

• Systèmes d'imagerie comme les scanners IRM, CT et TEP
• Moniteurs et diagnostics patients
• Implantables comme les stimulateurs cardiaques

Conclusion

Comme ce guide l'illustre, les substrats BGA nécessitent une ingénierie réfléchie dans de nombreuses disciplines : électrique, thermique, mécanique, science des matériaux, physique, fabrication, etc.

Lorsqu'ils sont conçus correctement, les substrats BGA offrent une méthode d'interconnexion de haute fiabilité permettant des progrès technologiques continus. Mais ils nécessitent une modélisation et une analyse minutieuses, le respect de bonnes pratiques de conception et des contrôles stricts des processus pour atteindre les objectifs de qualité et de fiabilité des produits.