Typy obudów BGA do projektowania i montażu PCB

BGA (ang. Ball Grid Array) to obudowa do montażu powierzchniowego, która łączy się z płytką drukowaną za pomocą siatki kulek lutowniczych pod elementem, a nie za pomocą wyprowadzeń na jego krawędzi. Takie rozwiązanie pozwala na uzyskanie wielu połączeń na niewielkiej powierzchni, zapewniając jednocześnie dobre parametry elektryczne i termiczne. Właśnie dlatego BGA dominują we współczesnych procesorach, pamięciach i złożonych układach scalonych. Istnieje kilka rodzajów obudów: plastikowe, ceramiczne, taśmowe, o drobnym rozstawie, chip-scale, flip-chip i inne, z których każdy ma swoje wady i zalety. W tym przewodniku omówiono główne typy BGA, ich kluczowe cechy oraz ich znaczenie dla montażu, kontroli i projektowania płytek drukowanych.

Co to jest pakiet BGA?

Układ BGA umieszcza swoje połączenia w postaci szeregu kulek lutowniczych na spodzie obudowy. Podczas lutowania rozpływowego, kulki te topią się i łączą z pasującymi padami, tworząc połączenie elektryczne i mechaniczne.

Dlaczego ten format istnieje

W obudowach z wyprowadzeniami brakuje miejsca wraz ze wzrostem liczby wejść/wyjść, ponieważ wyprowadzenia pasują tylko do obwodu. Siatka kulek zajmuje całą dolną część, dzięki czemu układ BGA oferuje znacznie więcej połączeń na tym samym obszarze, z krótszymi ścieżkami, które poprawiają parametry elektryczne, i dużym stykiem termicznym do odprowadzania ciepła. Wadą jest to, że złącza są ukryte, co utrudnia montaż i inspekcję.

Gdzie stosuje się BGA

Procesory, pamięci, układy FPGA i inne urządzenia o dużej liczbie wejść/wyjść to niemal wszystkie układy BGA. Praca z nimi jest częścią nowoczesnego montażu PCB , szczególnie w przypadku gęstych, wydajnych płytek.

Rodzaje obudów BGA (PBGA, CBGA, FBGA, FCBGA)

Termin „BGA” odnosi się do rodziny powiązanych ze sobą pakietów, które różnią się przede wszystkim materiałem podłoża i sposobem mocowania układu scalonego.

Główne różnice to podłoże (plastik, ceramika lub taśma), to, czy układ scalony jest montowany metodą flip-chip (FCBGA, dla uzyskania najwyższej wydajności), a także to, czy element ma kulki, LGA ma pola lutownicze i pobiera lut z pasty na płytce. PoP to strategia pakowania, która polega na układaniu elementów w stosy w celu zaoszczędzenia miejsca na płytce. Właściwy typ zazwyczaj zależy od użytego układu scalonego, a nie jest kwestią wyboru.

BGA a obudowy z wyprowadzeniami (QFP i QFN)

Pomaga to zorientować się, gdzie znajdują się obudowy BGA w stosunku do obudów z wyprowadzeniami, takich jak QFP i QFN.

Układy BGA wygrywają pod względem gęstości wejść/wyjść oraz wydajności elektrycznej i termicznej, dlatego są stosowane w urządzeniach o dużej liczbie pinów i dużej szybkości . Kompromisem są inspekcja (rentgenowska zamiast wizualnej), poprawki (gorące powietrze i reballing zamiast lutownicy) oraz często bardziej złożona płytka drukowana. W przypadku mniejszej liczby pinów obudowa z wyprowadzeniami może być prostsza; wybór zazwyczaj zależy od elementu. W każdym przypadku, zaplanowanie footprintu i ułożenia elementów podczas przeglądu projektu pozwala na produkcję wybranej obudowy.

Liczba skoków i kulek BGA

Skok, czyli odległość między środkami kulek, to cecha, która ma największy wpływ na trudność wytworzenia i montażu układu BGA.

Wraz ze zmniejszaniem się odstępu między kulkami, nie można już poprowadzić ścieżki między nimi, przez co płytka wymaga większej liczby warstw, mniejszych przelotek i często przelotek w padzie. Układy BGA o drobnym odstępie między kulkami (FPI) wymuszają zatem projektowanie w kierunku technik HDI stosowanych w produkcji z dużą prędkością i gęstością. Większa liczba kulek dodatkowo to utrudnia, ponieważ każda kulka wymaga wyprowadzenia.

Skład kulek BGA i wrażliwość na wilgoć

Dwa istotne fakty dotyczące układów BGA mają wpływ na sposób ich obróbki i lutowania.

• Stop kulowy. W nowoczesnych układach BGA stosuje się kulki bezołowiowe (cyna-srebro-miedź), które ustalają maksymalną temperaturę lutowania rozpływowego; w starszych częściach można stosować kulki ołowiane.
• Wrażliwość na wilgoć (MSL). Układy BGA są wrażliwe na wilgoć: wchłonięta wilgoć może podczas lutowania rozpływowego zamienić się w parę i uszkodzić obudowę („popcorning”), dlatego części są oceniane przez MSL i wypiekane przed montażem, jeśli są narażone na działanie wilgoci.

Przestrzeganie zasad bezpiecznego obchodzenia się z elementami MSL, utrzymywanie ich w suchości i wygrzewanie w razie potrzeby to podstawowy, ale kluczowy krok. Pominięcie tego kroku może spowodować pęknięcie opakowań podczas reflow, niezależnie od tego, jak dobrze przebiega reszta procesu, dlatego jest on integralną częścią kontrolowanego procesu montażu.

Jak montuje się układy BGA

Montaż układu BGA jest rutynową czynnością na linii automatycznej, ale zależy od kilku rzeczy, które idą dobrze.

• Szablon i wklej. Prawidłowo zaprojektowany szablon nanosi odpowiednią ilość pasty na każdą podkładkę.
• Umieszczenie. Część jest umieszczana na swoich podkładkach; nie jest wymagane jej idealne wyrównanie ze względu na kolejny punkt.
• Profil reflow. Kontrolowany profil powoduje stopienie kulek; następnie napięcie powierzchniowe powoduje wyrównanie pakietu („samocentrowanie”).
• Bilans cieplny. Profil musi być dobrany do masy deski, aby każda piłka osiągnęła odpowiednią temperaturę jednocześnie.

Samocentrowanie to jedna z zalet układów BGA – stopione kulki wciągają obudowę na miejsce. Działa to jednak tylko przy dobrej aplikacji pasty i profilu dopasowanym do płytki, co jest trudniejsze w przypadku płytek o dużej wytrzymałości termicznej, takich jak układy z rdzeniem metalowym . Prawidłowe ustawienie profilu za pierwszym razem sprawia, że ​​montaż BGA jest niezawodny.

Jak bada się połączenia lutowane BGA (promieniowanie rentgenowskie)

Ponieważ każde złącze jest ukryte pod obudową, nie da się ocenić układu BGA gołym okiem. Podstawowym narzędziem inspekcji jest promieniowanie rentgenowskie.

Częstymi winowajcami są wypaczenia i współpłaszczyznowość: jeśli opakowanie lub płyta wygina się podczas lutowania, kulki narożne lub środkowe mogą nie dotykać swoich padów, powodując pęknięcia lub wady typu „głowa w poduszce”. Prześwietlenie rentgenowskie ujawnia te ukryte problemy, a w przypadku płyt o krytycznym znaczeniu jest to krok wymagany, a nie opcjonalny. Kontrola wizualna pozwala potwierdzić jedynie krawędzie zewnętrznego rzędu, a nie same połączenia.

Projektowanie PCB dla obudów BGA

Niezawodność układu BGA w dużym stopniu zależy od projektu płytki, jeszcze przed umieszczeniem na niej jakiegokolwiek podzespołu.

Trasy ewakuacyjne i przelotki

Każda kula potrzebuje ścieżki wyjściowej. Przy większym skoku wystarczy krótka ścieżka typu „dog-bone” do przelotki między kulami. Przy małym skoku nie ma miejsca, więc konieczna staje się przelotka w padzie, czyli wypełniona i zaślepiona przelotka bezpośrednio w padzie, co z kolei wymaga wykonania HDI.

Projekt podkładki i szablonu

Rodzaj padu (z maską lutowniczą lub bez) oraz otwór szablonu wpływają na kształt i niezawodność połączenia, dlatego powinny być zgodne z wytycznymi dotyczącymi obudowy i montażu. To właśnie te szczegóły weryfikuje się w procesie projektowania pod kątem produkcji przed rozpoczęciem produkcji.

Układanie i produkcja

Układy BGA o drobnym skoku i dużej liczbie kulek sterują liczbą warstw, strukturami mikroprzelotek i tolerancjami pasowania, wszystko to ustalane jest na etapie produkcji PCB . Projektowanie płytki i układu BGA razem pozwala uniknąć elementu, którego nie da się wyprowadzić na prostą lub niezawodnie przylutować.

Rework i reballing BGA

Moduły BGA można demontować i wymieniać, ale jest to proces specjalistyczny.

• Usuwanie. Stacja lutownicza wykorzystująca gorące powietrze lub podczerwień przetapia ukryte kulki, dzięki czemu można podnieść pakiet bezpośrednio do góry.
• Reballing. Aby ponownie wykorzystać układ BGA, nakłada się nowe kulki za pomocą szablonu i formuje, odtwarzając układ.
• Weryfikacja. Poprawione połączenia sprawdzane są za pomocą promieni rentgenowskich, ponieważ pozostają niewidoczne.

Reballing jest powszechny w przypadku drogich lub przestarzałych urządzeń, ale wymaga odpowiedniego sprzętu i kontrolowanego profilu. W większości przypadków uzyskanie oryginalnego, poprawnego montażu, z dobrą pastą, profilem i projektem, jest o wiele lepsze niż przeróbka układów BGA, a ta spójność ma największe znaczenie w przypadku montażu wielkoseryjnego.

Uzyskaj wycenę montażu BGA

Układy BGA występują w wielu typach: plastikowe, ceramiczne, o drobnym skoku, chip-scale, flip-chip, LGA i PoP, ale mają ukryte połączenia kulowe, które wymagają starannego projektowania, kontrolowanego profilu reflow i kontroli rentgenowskiej. Wybierz typ wymagany przez układ, zaprojektuj wyprowadzenie ewakuacyjne zgodnie z skokiem i zweryfikuj je za pomocą promieniowania rentgenowskiego. Możesz dowiedzieć się więcej o Highleap Electronics i naszych możliwościach montażu układów BGA.

Najczęściej zadawane pytania

Czym jest obudowa BGA?

Obudowa z kulkami (ball grid array) to obudowa do montażu powierzchniowego, która łączy się z płytką za pomocą siatki kulek lutowniczych na spodzie, a nie za pomocą wyprowadzeń na krawędzi. Pozwala to na umieszczenie wielu połączeń na małej powierzchni, zapewniając jednocześnie dobre parametry elektryczne i termiczne, dlatego jest stosowana w procesorach, pamięciach i złożonych układach scalonych.

Jakie są główne typy BGA?

Plastik (PBGA), ceramika (CBGA), taśma (TBGA), układ o drobnym skoku (FBGA), układ skalowalny (uBGA/CSP), układ typu flip-chip (FCBGA), układ LGA (Land Grid Array, który ma pady zamiast kulek) oraz układ w obudowie (PoP, który układa układy w stosy). Różnią się one głównie materiałem podłoża i sposobem mocowania układu scalonego.

Jaka jest różnica pomiędzy BGA i LGA?

BGA jest dostarczany z kulkami lutowniczymi już na obudowie, natomiast LGA ma płaskie pola lutownicze i nie posiada kulek, a lut jest pobierany z pasty nanoszonej na płytkę podczas montażu. Poza tym oba modele są obudowami typu grid-array, z połączeniami od dołu i charakteryzują się podobnymi wymaganiami dotyczącymi trasowania i kontroli.

Dlaczego układy BGA wymagają kontroli rentgenowskiej?

Ponieważ połączenia lutownicze znajdują się pod obudową i nie są widoczne, prześwietlenie rentgenowskie jest jedynym sposobem ich potwierdzenia. Ujawnia ono puste przestrzenie, mostki, połączenia typu head-in-pillow i otwarte połączenia, zwłaszcza te spowodowane przez odkształcenie obudowy lub płytki. W przypadku płytek o krytycznym znaczeniu, prześwietlenie rentgenowskie jest wymaganym, a nie opcjonalnym krokiem kontroli.

Jaki dźwięk uznaje się za delikatny i dlaczego to ma znaczenie?

Rastery o wielkości około 0.5 mm i mniejsze to rastry drobnozwojowe. Mają one znaczenie, ponieważ nie można już poprowadzić ścieżki między kulkami, więc płytka wymaga więcej warstw, mikroprzelotek i przelotek w padzie, co skłania ją do produkcji metodą HDI. Większe rastry (od 1.0 do 1.27 mm) można poprowadzić standardowymi technikami.

Czym jest via-in-pad i kiedy jest potrzebna?

Technika „via-in-pad” umieszcza przelotkę bezpośrednio w polu BGA, wypełnioną i zaślepioną, co umożliwia jej lutowanie. Jest to konieczne w przypadku drobnego rozstawu, gdzie nie ma miejsca na ścieżkę ucieczki do przelotki obok kulki. Wymaga to produkcji metodą HDI i zwiększa koszty, ale umożliwia gęste trasowanie.

Czy można wyjąć układ BGA i ponownie go wykorzystać?

Tak, z możliwością usunięcia lutu metodą hot-air lub podczerwieni oraz reballingiem w celu nałożenia nowych kulek lutowniczych przed ponownym użyciem, a następnie weryfikacją rentgenowską. Jest to powszechne w przypadku drogich lub przestarzałych części, ale wymaga odpowiedniego sprzętu i kontrolowanego profilu. W produkcji, prawidłowy montaż w pierwszym podejściu jest lepszy niż przeróbka układów BGA.

Kiedy powinienem zastosować obudowę BGA zamiast obudowy z wyprowadzeniami?

Użyj BGA, gdy element ma dużą liczbę wejść/wyjść lub wymaga lepszej wydajności elektrycznej i termicznej pełnej siatki od spodu – dlatego właśnie procesory i układy FPGA je stosują. W przypadku mniejszej liczby wyprowadzeń, obudowa z wyprowadzeniami, taka jak QFP lub QFN, może być prostsza w montażu, ręcznej obróbce i kontroli. Często decyduje o tym zastosowany układ scalony.