BGA-pakkettypen voor PCB-ontwerp en -assemblage

Een ball grid array (BGA) is een SMD-component die via een raster van soldeerbolletjes onder de component met de printplaat is verbonden, in plaats van met contactpunten aan de rand. Deze constructie maakt veel verbindingen mogelijk op een kleine oppervlakte met goede elektrische en thermische prestaties. Daarom worden BGA's veelvuldig gebruikt in moderne processoren, geheugen en complexe geïntegreerde schakelingen (IC's). Er bestaan ​​verschillende typen, zoals plastic, keramisch, tape, fine-pitch, chip-scale, flip-chip en meer, elk met hun eigen voor- en nadelen. Deze handleiding beschrijft de belangrijkste BGA-typen, hun belangrijkste eigenschappen en wat deze betekenen voor assemblage, inspectie en printplaatontwerp.

Wat is een BGA-pakket?

Bij een BGA-printplaat worden de verbindingen gemaakt door middel van een reeks soldeerbolletjes aan de onderkant van de behuizing. Tijdens het reflow-proces smelten deze bolletjes en verbinden ze zich met de bijbehorende contactvlakken, waardoor de elektrische en mechanische verbinding tot stand komt.

Waarom dit formaat bestaat

Bij componenten met loodverbindingen is de ruimte beperkt naarmate het aantal I/O-pinnen toeneemt, omdat de aansluitingen alleen aan de buitenkant passen. Een raster van bolletjes benut de hele onderkant, waardoor een BGA veel meer verbindingen op hetzelfde oppervlak biedt, met kortere paden die de elektrische prestaties verbeteren en een groot thermisch contactoppervlak voor warmteafvoer. Het nadeel is dat de verbindingen verborgen zijn, wat de assemblage en inspectie aanzienlijk beïnvloedt.

Waar BGA's worden gebruikt

Processors, geheugen, FPGA's en andere componenten met veel I/O-pinnen zijn vrijwel allemaal BGA's. Het werken met deze componenten is een essentieel onderdeel van moderne printplaatassemblage , met name bij compacte, krachtige printplaten.

Soorten BGA-pakketten (PBGA, CBGA, FBGA, FCBGA)

De aanduiding "BGA" omvat een familie van verwante behuizingen die voornamelijk verschillen in het substraatmateriaal en de manier waarop de chip is bevestigd.

De belangrijkste verschillen zitten in het substraat (plastic, keramiek of tape), of de chip flip-chip gemonteerd is (FCBGA, voor de hoogste prestaties) en of het onderdeel überhaupt soldeerballen heeft; een LGA-chip heeft contactvlakken en krijgt zijn soldeer van de soldeerpasta van de printplaat. PoP (Platform on Print) is een verpakkingsstrategie waarbij componenten op elkaar gestapeld worden om ruimte op de printplaat te besparen. Het juiste type wordt meestal bepaald door de chip die je moet gebruiken, en is geen vrije keuze.

BGA versus loodhoudende pakketten (QFP en QFN)

Het is nuttig om te zien waar BGA's zich bevinden ten opzichte van componenten met aansluitdraden, zoals QFP en QFN.

BGA's scoren beter op het gebied van I/O-dichtheid en elektrische en thermische prestaties, waardoor ze worden gebruikt in apparaten met een hoog aantal pinnen en hoge snelheden . De nadelen zijn inspectie (röntgen in plaats van visuele inspectie), nabewerking (hete lucht en reballing in plaats van een soldeerbout) en vaak een complexere printplaat. Voor een lager aantal pinnen kan een behuizing met loodjes eenvoudiger zijn; de keuze hangt meestal af van het onderdeel. Hoe dan ook, het plannen van de footprint en de opbouw tijdens een ontwerpbeoordeling zorgt ervoor dat de gekozen behuizing produceerbaar blijft.

BGA Pitch and Ball Count

De pitch, oftewel de afstand tussen de middelpunten van de ballen, is de eigenschap die het meest bepaalt hoe moeilijk een BGA te fabriceren en te assembleren is.

Naarmate de pitch kleiner wordt, is het niet langer mogelijk om een ​​spoor tussen de ballen te leiden, waardoor de printplaat meer lagen, kleinere via's en vaak via-in-pad-ontwerpen nodig heeft. Fine-pitch BGA's dwingen een ontwerp daarom richting de HDI-technieken die worden gebruikt in snelle en hoogwaardige productieprocessen. Een hoger aantal ballen versterkt dit effect, omdat elke bal een uitweg nodig heeft.

Samenstelling en vochtgevoeligheid van BGA-ballen

Twee belangrijke eigenschappen van BGA's zijn van invloed op de manier waarop ze worden gehanteerd en gesoldeerd.

• Kogellegering. Moderne BGA's gebruiken loodvrije (tin-zilver-koper) ballen, die de piektemperatuur van het reflowproces bepalen; oudere componenten kunnen ballen met lood bevatten.
• Vochtgevoeligheid (MSL). BGA's zijn vochtgevoelig: geabsorbeerd vocht kan tijdens het reflowproces in stoom veranderen en de behuizing beschadigen ("popcorning"). Daarom worden onderdelen die aan vocht zijn blootgesteld, beoordeeld op basis van MSL en voor montage gebakken.

Het correct hanteren van MSL, het droog houden van onderdelen en het bakken ervan wanneer nodig, is een fundamentele maar cruciale stap. Het overslaan ervan kan leiden tot breuken in de componenten tijdens het reflow-proces, ongeacht hoe goed de rest van het proces is. Daarom is het een essentieel onderdeel van een gecontroleerd assemblageproces.

Hoe BGA's worden geassembleerd

Het plaatsen van een BGA is routine op een geautomatiseerde productielijn, maar het hangt ervan af of een aantal zaken goed gaan.

• Sjabloon en lijm. Een correct ontworpen sjabloon brengt de juiste hoeveelheid pasta aan op elk kussentje.
• Plaatsing. Het onderdeel wordt over de steunpunten geplaatst; perfecte uitlijning is niet nodig vanwege het volgende punt.
• Reflow-profiel. Een gecontroleerd profiel smelt de ballen; oppervlaktespanning trekt het geheel vervolgens in de juiste positie ("zelfcentrering").
• Thermisch evenwicht. Het profiel moet passen bij de massa van het bord, zodat alle ballen tegelijk op temperatuur komen.

Zelfcentrering is een van de prettige eigenschappen van BGA's; gesmolten bolletjes trekken het component in de juiste positie. Dit werkt echter alleen met een goede pastalaag en een profiel dat is afgestemd op de printplaat, wat lastiger is bij thermisch gevoelige printplaten zoals metalen kernassemblages . Het correct instellen van het profiel vanaf de eerste poging is essentieel voor een betrouwbare BGA-assemblage.

Hoe BGA-soldeerverbindingen worden geïnspecteerd (röntgenfoto)

Omdat elke verbinding onder de behuizing verborgen zit, kun je een BGA niet met het blote oog beoordelen. Röntgenstraling is het belangrijkste inspectiemiddel.

Kromming en coplanariteit zijn veelvoorkomende oorzaken: als de printplaat tijdens het reflowproces kromtrekt, kunnen de hoek- of middenkogels hun contactpunten niet raken, wat open plekken of defecten zoals een kop in een kussen kan veroorzaken. Röntgenonderzoek onthult deze verborgen problemen en is bij kritische printplaten een verplichte stap, geen optie. Visuele inspectie kan alleen de randen van de buitenste rij controleren, niet de verbindingen zelf.

Een printplaat ontwerpen voor BGA-componenten.

De betrouwbaarheid van een BGA wordt grotendeels bepaald door het ontwerp van de printplaat, nog voordat er ook maar één component wordt geplaatst.

Ontsnappingsroutes en via's

Elke bal heeft een uitweg nodig. Bij een grotere pitch werkt een kort "dogbone"-spoor naar een via tussen de ballen. Bij een fijne pitch is er geen ruimte, dus wordt een via-in-pad, een gevulde en afgedekte via direct in de pad, noodzakelijk, wat op zijn beurt HDI-fabricage vereist.

Pad- en sjabloonontwerp

Het type pad (met of zonder soldeermasker) en de opening van het stencil beïnvloeden de vorm en betrouwbaarheid van de verbinding en moeten voldoen aan de richtlijnen voor verpakking en assemblage. Dit zijn precies de details die tijdens een ontwerpbeoordeling voor productie worden gecontroleerd.

Stapelen en fabricage

Fijne pitch en een hoog aantal BGA's bepalen het aantal lagen, de microvia-structuren en de registratietoleranties, die allemaal tijdens de PCB-productie worden vastgesteld . Door de printplaat en de BGA-uitgang samen te ontwerpen, wordt voorkomen dat een onderdeel niet kan worden gerouteerd of betrouwbaar gesoldeerd.

BGA-reparatie en -herbaling

BGA's kunnen worden verwijderd en vervangen, maar dit is een specialistisch proces.

• Verwijdering. Een hetelucht- of infrarood-reworkstation smelt de verborgen bolletjes opnieuw, zodat het pakket recht omhoog kan worden getild.
• Opnieuw ballen vormen. Om een ​​BGA opnieuw te gebruiken, worden nieuwe ballen aangebracht met behulp van een stencil en een preform, waardoor de array wordt hersteld.
• Verificatie. De herstelde verbindingen worden gecontroleerd met röntgenstralen, aangezien ze onzichtbaar blijven.

Het opnieuw solderen van componenten is gebruikelijk voor dure of verouderde apparaten, maar vereist de juiste apparatuur en een gecontroleerd profiel. Voor de meeste productieprocessen is het veel beter om de oorspronkelijke assemblage, met goede soldeerpasta, profiel en ontwerp, correct uit te voeren dan om BGA's te herwerken. Die consistentie is vooral belangrijk bij assemblage in grote volumes.

Vraag een offerte aan voor een BGA-assemblage

BGA's zijn er in vele soorten: kunststof, keramisch, fine-pitch, chip-scale, flip-chip, LGA en PoP. Ze hebben allemaal verborgen, kogelgewrichten gemeen die een zorgvuldig ontwerp, een gecontroleerd reflow-profiel en röntgeninspectie vereisen. Kies het type dat uw chip vereist, ontwerp de uitstroomleidingen die overeenkomen met de pitch en controleer met röntgenstraling. Lees meer over Highleap Electronics en onze BGA-assemblagemogelijkheden.

Veelgestelde Vragen / FAQ

Wat is een BGA-pakket?

Een ball grid array (BGA) is een SMD-component die via een raster van soldeerbolletjes aan de onderkant met de printplaat is verbonden, in plaats van met aansluitdraden aan de rand. Hierdoor worden veel verbindingen op een klein oppervlak geconcentreerd met goede elektrische en thermische prestaties. Daarom wordt deze component gebruikt in processoren, geheugenmodules en complexe geïntegreerde schakelingen (IC's).

Wat zijn de belangrijkste typen BGA?

Plastic (PBGA), keramisch (CBGA), tape (TBGA), fine-pitch (FBGA), chip-scale (uBGA/CSP), flip-chip (FCBGA), land grid array (LGA, met pads in plaats van ballen) en package-on-package (PoP, waarbij componenten op elkaar gestapeld zijn). Ze verschillen voornamelijk in het substraatmateriaal en de manier waarop de chip is bevestigd.

Wat is het verschil tussen een BGA en een LGA?

Een BGA-chip wordt geleverd met soldeerbolletjes al op de behuizing, terwijl een LGA-chip vlakke contactvlakken heeft en geen bolletjes. De soldeer wordt aangebracht met de soldeerpasta die tijdens de assemblage op de printplaat is aangebracht. Verder zijn beide chips met een grid-array-structuur en verbindingen aan de onderkant, en gelden er vergelijkbare routing- en inspectie-eisen.

Waarom is röntgeninspectie van BGA's vereist?

Omdat de soldeerverbindingen zich onder de behuizing bevinden en niet zichtbaar zijn, is röntgenonderzoek de enige manier om ze te controleren. Het brengt holtes, overbruggingen, kop-in-kussen-verbindingen en open verbindingen aan het licht, met name die veroorzaakt door kromtrekking van de behuizing of printplaat. Bij kritische printplaten is röntgenonderzoek een verplichte inspectiestap in plaats van een optionele.

Welke toonhoogte wordt als 'fine-pitch' beschouwd, en waarom is dat belangrijk?

Pitches van ongeveer 0.5 mm en kleiner worden als fijne pitch beschouwd. Ze zijn belangrijk omdat het niet langer mogelijk is om een ​​spoor tussen de ballen te routeren, waardoor de printplaat meer lagen, microvias en via-in-pads nodig heeft. Dit maakt HDI-fabricage mogelijk. Grotere pitches (1.0 tot 1.27 mm) worden met standaardtechnieken gerouteerd.

Wat is via-in-pad en wanneer is het nodig?

Bij de via-in-pad-techniek wordt een via direct in de BGA-pad geplaatst. De via wordt opgevuld en afgedekt, zodat eroverheen gesoldeerd kan worden. Deze techniek is nodig bij een fijne pitch, waar geen ruimte is voor een dogbone-ontsnappingsspoor naar een via naast de bal. Het vereist HDI-fabricage en brengt extra kosten met zich mee, maar maakt een dichte routing mogelijk.

Kan een BGA worden verwijderd en hergebruikt?

Ja, met hetelucht- of infraroodrework om het te verwijderen en reballing om nieuwe soldeerballen aan te brengen vóór hergebruik, gevolgd door röntgencontrole. Dit is gebruikelijk voor dure of verouderde onderdelen, maar het vereist de juiste apparatuur en een gecontroleerd proces. Voor productie is een correcte eerste assemblage de voorkeur boven het herwerken van BGA's.

Wanneer moet ik een BGA-chip gebruiken in plaats van een chip met aansluitdraden?

Gebruik een BGA wanneer het onderdeel veel I/O-pinnen heeft of betere elektrische en thermische prestaties vereist dankzij een volledig BGA-raster aan de onderkant. Dit is de reden waarom processoren en FPGA's ze gebruiken. Voor een lager aantal pinnen is een behuizing met aansluitdraden, zoals een QFP of QFN, vaak eenvoudiger te assembleren, handmatig te herwerken en te inspecteren. De chip die je moet gebruiken, is vaak doorslaggevend.