Tipologie di package BGA per la progettazione e l'assemblaggio di PCB

Un BGA (Ball Grid Array) è un package a montaggio superficiale che si collega al circuito stampato tramite una griglia di sfere di saldatura posizionate sotto il componente, anziché tramite i terminali lungo il suo bordo. Questa configurazione consente di realizzare numerose connessioni in uno spazio ridotto, garantendo buone prestazioni elettriche e termiche, motivo per cui i BGA dominano i processori, le memorie e i circuiti integrati complessi moderni. Esistono diversi tipi di BGA: in plastica, in ceramica, su nastro, a passo fine, a livello di chip, flip-chip e altri ancora, ognuno con i propri compromessi. Questa guida illustra i principali tipi di BGA, le loro caratteristiche chiave e il loro significato per l'assemblaggio, l'ispezione e la progettazione del circuito stampato. Per l'assemblaggio di circuiti stampati micro-BGA , è necessario considerare il passo del package e la geometria delle sfere insieme al layout dei pad, alla progettazione dello stencil e all'ispezione dei giunti nascosti.

Che cos'è un pacchetto BGA?

Un BGA (Board Gain Assembly) posiziona i suoi collegamenti sotto forma di una serie di sfere di saldatura sul fondo del package. Quando il circuito stampato viene sottoposto a rifusione, queste sfere si fondono e si uniscono ai pad corrispondenti, formando la connessione elettrica e meccanica.

Perché esiste questo formato

I package con terminali a filo non hanno più spazio a sufficienza all'aumentare del numero di I/O, perché i terminali si adattano solo al perimetro. Una griglia di sfere utilizza l'intera superficie inferiore, quindi un BGA offre molte più connessioni nella stessa area, con percorsi più brevi che migliorano le prestazioni elettriche e un ampio contatto termico per la dissipazione del calore. Il compromesso è che le giunzioni sono nascoste, il che influenza ogni aspetto dell'assemblaggio e dell'ispezione.

Dove vengono utilizzati i BGA

Processori, memorie, FPGA e altri dispositivi ad alto numero di I/O sono quasi tutti BGA. Lavorare con sicurezza con questi componenti è parte integrante dell'assemblaggio moderno di PCB , soprattutto su schede dense e ad alte prestazioni.

Tipologie di package BGA (PBGA, CBGA, FBGA, FCBGA)

L'etichetta "BGA" si riferisce a una famiglia di package correlati che si differenziano principalmente per il materiale del substrato e per la modalità di fissaggio del chip.

Le principali differenze riguardano il substrato (plastica, ceramica o nastro adesivo), se il die è montato con tecnologia flip-chip (FCBGA, per le massime prestazioni) e se il componente ha o meno delle sfere di saldatura: un LGA ha dei pad e la saldatura viene effettuata con la pasta presente sulla scheda. PoP è una strategia di packaging che impila i dispositivi per risparmiare spazio sulla scheda. Il tipo più adatto è solitamente dettato dal chip che si deve utilizzare, non è una scelta libera.

Contenitori BGA vs. contenitori con terminali (QFP e QFN)

È utile capire dove si collocano i BGA rispetto ai package con terminali come QFP e QFN.

I package BGA offrono una maggiore densità di I/O e prestazioni elettriche e termiche superiori, motivo per cui vengono utilizzati in dispositivi ad alta velocità e con un elevato numero di pin . Gli svantaggi sono rappresentati dall'ispezione (raggi X anziché ispezione visiva), dalla rilavorazione (aria calda e reballing anziché saldatura a caldo) e, spesso, da una scheda più complessa. Per un numero inferiore di pin, un package con terminali a piombo può risultare più semplice; la scelta di solito dipende dal componente. In entrambi i casi, la pianificazione dell'ingombro e della stratificazione durante la fase di revisione del progetto garantisce la producibilità del package scelto.

Conteggio delle palle e dei lanci BGA

Il passo, ovvero la distanza tra i centri delle sfere, è l'attributo che influenza maggiormente la difficoltà di fabbricazione e assemblaggio di un BGA.

Con la riduzione del passo, non è più possibile instradare una traccia tra le sfere, quindi il circuito stampato necessita di più strati, vie più piccole e spesso di vie integrate nei pad. I BGA a passo fine spingono quindi la progettazione verso le tecniche HDI utilizzate nella produzione ad alta velocità e alta densità. Un numero maggiore di sfere aggrava ulteriormente questo problema, poiché ogni sfera necessita di un percorso di uscita. Per un componente identificato come uBGA, la revisione dell'assemblaggio specifica del package uBGA dovrebbe utilizzare il disegno effettivo del componente e la disposizione delle sfere, anziché dedurre un processo dal nome del package.

Composizione e sensibilità all'umidità delle sfere BGA

Due fattori fondamentali relativi ai BGA influenzano le modalità di manipolazione e saldatura.

• Lega a sfere. I moderni BGA utilizzano sfere senza piombo (stagno-argento-rame), che determinano la temperatura di picco del processo di rifusione; i componenti più datati potrebbero invece utilizzare sfere con piombo.
• Sensibilità all'umidità (MSL). I BGA sono sensibili all'umidità: l'umidità assorbita può trasformarsi in vapore durante il processo di rifusione e danneggiare il package ("effetto popcorn"), pertanto i componenti sono classificati in base al livello di umidità specifica (MSL) e, se esposti, vengono sottoposti a un trattamento termico prima dell'assemblaggio.

Rispettare le procedure di manipolazione MSL, mantenere i componenti asciutti e cuocerli in forno quando necessario, è un passaggio basilare ma fondamentale. Saltare questa fase può causare la rottura dei package durante la rifusione, indipendentemente dalla qualità del resto del processo; ecco perché è integrata in un flusso di assemblaggio controllato.

Come vengono assemblati i BGA

L'installazione di un BGA è una procedura di routine su una linea automatizzata, ma dipende dalla perfetta riuscita di alcuni passaggi.

• Stencil e pasta. Uno stencil progettato correttamente deposita il giusto volume di pasta su ogni tampone.
• Placement. Il componente è posizionato sopra i suoi supporti; non necessita di un allineamento perfetto grazie al punto successivo.
• Profilo di rifusione. Un profilo controllato fonde le sfere; la tensione superficiale poi allinea il pacchetto ("autocentrante").
• Equilibrio termico. Il profilo deve essere adatto alla massa della tavola in modo che tutte le palline raggiungano la temperatura contemporaneamente.

L'autocentratura è una delle caratteristiche più apprezzabili dei BGA: le sfere di metallo fuso spingono il package in posizione. Tuttavia, funziona solo con un buon deposito di pasta termica e un profilo adattato alla scheda, cosa più difficile su schede termicamente complesse come gli assemblaggi con nucleo metallico . Ottenere il profilo corretto fin da subito è ciò che rende affidabile l'assemblaggio BGA.

Come vengono ispezionate le saldature BGA (raggi X)

Poiché ogni giunzione è nascosta sotto l'involucro, non è possibile valutare un BGA a occhio nudo. I raggi X sono lo strumento di ispezione principale.

Deformazione e coplanarità sono cause comuni: se il package o il circuito stampato si incurvano durante la rifusione, le sfere agli angoli o al centro potrebbero non toccare i loro pad, causando interruzioni o difetti di tipo "head-in-pillow". I raggi X rivelano questi problemi nascosti e, sui circuiti stampati critici, rappresentano un passaggio obbligatorio, non un'opzione. L'ispezione visiva può confermare solo i bordi della fila esterna, non le giunzioni stesse.

Progettazione di un PCB per package BGA

L'affidabilità di un BGA è determinata in gran parte dalla progettazione del circuito stampato, prima ancora che venga installato un singolo componente.

Instradamento di fuga e vie

Ogni sfera necessita di un percorso di uscita. Con un passo maggiore, una breve traccia a "osso di cane" verso un via tra le sfere funziona. Con un passo fine non c'è spazio, quindi diventa necessario un via-in-pad, ovvero un via riempito e sigillato direttamente nel pad, il che a sua volta richiede la fabbricazione HDI.

Progettazione di tamponi e stencil

Il tipo di pad (definito dalla maschera di saldatura o non definito dalla maschera di saldatura) e l'apertura dello stencil influiscono sulla forma e sull'affidabilità del giunto e devono essere conformi alle linee guida di confezionamento e assemblaggio. Questi sono esattamente i dettagli che una revisione della progettazione per la produzione verifica prima della fabbricazione.

Impilamento e fabbricazione

I BGA a passo fine e ad alto numero di sfere determinano il numero di strati, le strutture dei microvia e le tolleranze di registro, tutti elementi decisi durante la produzione del PCB . Progettare la scheda e l'uscita BGA insieme evita la presenza di un componente che non può essere instradato o saldato in modo affidabile.

Rilavorazione e reballing BGA

I BGA possono essere rimossi e sostituiti, ma la procedura è specialistica.

• Rimozione. Una stazione di rilavorazione ad aria calda o a infrarossi rifonde le sfere nascoste in modo che il pacco possa essere sollevato verticalmente.
• Reballing. Per riutilizzare un BGA, si applicano nuove sfere con uno stencil e una preforma, ripristinando l'array.
• Verifica. Le giunzioni rielaborate vengono controllate tramite raggi X, poiché rimangono invisibili.

Il reballing è una pratica comune per i dispositivi costosi o obsoleti, ma richiede l'attrezzatura giusta e un profilo controllato. Per la maggior parte della produzione, ottenere un assemblaggio originale corretto, con una buona pasta saldante, un profilo e un design adeguati, è di gran lunga preferibile alla rilavorazione dei BGA, e questa uniformità è fondamentale soprattutto nell'assemblaggio ad alto volume.

Richiedi un preventivo per un assemblaggio BGA

I BGA sono disponibili in diverse tipologie: in plastica, in ceramica, a passo fine, a scala di chip, flip-chip, LGA e PoP, ma condividono giunzioni nascoste a base di sfere che richiedono una progettazione accurata, un profilo di rifusione controllato e un'ispezione a raggi X. Scegliete la tipologia più adatta al vostro chip, progettate il percorso di uscita in modo che corrisponda al passo e verificate il tutto con i raggi X. Potete trovare maggiori informazioni su Highleap Electronics e sulle nostre capacità di assemblaggio BGA.

Domande frequenti

Che cos'è un package BGA?

Un BGA (Ball Grid Array) è un package a montaggio superficiale che si collega al circuito stampato tramite una griglia di sfere di saldatura sulla sua superficie inferiore, anziché tramite terminali lungo il bordo. Questo permette di concentrare numerose connessioni in una piccola area, garantendo buone prestazioni elettriche e termiche, motivo per cui viene utilizzato in processori, memorie e circuiti integrati complessi.

Quali sono le principali tipologie di BGA?

Plastica (PBGA), ceramica (CBGA), nastro (TBGA), passo fine (FBGA), chip-scale (uBGA/CSP), flip-chip (FCBGA), land grid array (LGA, che ha pad invece di sfere) e package-on-package (PoP, che impila i dispositivi). Si differenziano principalmente per il materiale del substrato e per il modo in cui il die è fissato.

Qual è la differenza tra un BGA e un LGA?

Un BGA arriva con le sfere di saldatura già presenti sul package, mentre un LGA ha piazzole piatte e nessuna sfera, ottenendo la saldatura dalla pasta stampata sulla scheda durante l'assemblaggio. Per il resto, entrambi sono package grid-array, bottom-connected e condividono considerazioni simili in termini di instradamento e ispezione.

Perché i BGA richiedono l'ispezione a raggi X?

Poiché le saldature si trovano sotto il package e non sono visibili, i raggi X sono l'unico modo per confermarne la presenza. Permettono di individuare vuoti, ponti di saldatura, difetti di tipo "head-in-pillow" e saldature aperte, soprattutto quelle causate dalla deformazione del package o del circuito stampato. Sui circuiti stampati critici, i raggi X sono una fase di ispezione obbligatoria, non facoltativa.

Quale tonalità viene considerata "orecchio fine" e perché è importante?

I passi di circa 0.5 mm e inferiori sono definiti a passo fine. Sono importanti perché non è più possibile instradare una traccia tra le sfere, quindi il circuito stampato necessita di più strati, microvias e via-in-pad, spingendolo verso la fabbricazione HDI. I passi maggiori (da 1.0 a 1.27 mm) possono essere instradati con tecniche standard.

Che cos'è un via-in-pad e quando è necessario?

La tecnica Via-in-pad prevede l'inserimento di un via direttamente all'interno del pad BGA, riempiendolo e sigillandolo in modo da poterlo saldare. È necessaria per i circuiti a passo fine, dove non c'è spazio per una traccia di fuga a forma di osso verso un via adiacente alla sfera. Richiede la fabbricazione HDI e comporta un aumento dei costi, ma consente un instradamento più denso.

È possibile rimuovere e riutilizzare un BGA?

Sì, con rilavorazione ad aria calda o a infrarossi per rimuoverlo e reballing per applicare nuove sfere di saldatura prima del riutilizzo, seguito da verifica ai raggi X. È una procedura comune per componenti costosi o obsoleti, ma richiede attrezzature adeguate e un profilo controllato. Per la produzione, un assemblaggio corretto al primo tentativo è preferibile alla rilavorazione dei BGA.

Quando dovrei usare un BGA invece di un package con terminali?

Utilizzate un BGA quando il componente ha un elevato numero di I/O o necessita delle migliori prestazioni elettriche e termiche di una griglia inferiore completa, motivo per cui vengono utilizzati nei processori e negli FPGA. Per un numero inferiore di pin, un package con terminali come un QFP o un QFN può essere più semplice da assemblare, rilavorare manualmente e ispezionare. La scelta dipende spesso dal chip che dovete utilizzare.