Tipos de encapsulamento BGA para projeto e montagem de PCBs

Um BGA (Ball Grid Array) é um encapsulamento de montagem em superfície que se conecta à placa por meio de uma grade de esferas de solda sob o componente, em vez de terminais ao redor de sua borda. Essa configuração permite muitas conexões em uma área reduzida, com bom desempenho elétrico e térmico, razão pela qual os BGAs dominam os processadores modernos, memórias e circuitos integrados complexos. Existem vários tipos: plástico, cerâmica, fita, passo fino, escala de chip, flip-chip e outros, cada um com suas próprias vantagens e desvantagens. Este guia explica os principais tipos de BGA, seus atributos-chave e o que eles significam para montagem, inspeção e projeto de placas. Para a montagem de placas de circuito impresso com micro-BGA , o espaçamento entre as esferas e a geometria das esferas devem ser considerados juntamente com o padrão de contato, o projeto do estêncil e a inspeção de juntas ocultas.

O que é um pacote BGA?

Um BGA (Broadcast Gear Accounting) posiciona suas conexões como uma matriz de esferas de solda na parte inferior do encapsulamento. Quando a placa é submetida ao processo de refluxo, essas esferas derretem e se unem a pads correspondentes, formando a conexão elétrica e mecânica.

Por que existe esse formato?

Os encapsulamentos com terminais ficam sem espaço à medida que o número de entradas/saídas aumenta, pois os terminais só cabem ao redor do perímetro. Uma grade de esferas utiliza toda a parte inferior, portanto, um BGA oferece muito mais conexões na mesma área, com caminhos mais curtos que melhoram o desempenho elétrico e um grande contato térmico para dissipação de calor. A desvantagem é que as junções ficam ocultas, o que impacta significativamente a montagem e a inspeção.

Onde os BGAs são usados

Processadores, memórias, FPGAs e outros dispositivos com alta densidade de E/S são quase todos BGAs. Trabalhar com eles com segurança faz parte da montagem moderna de PCBs , especialmente em placas densas e de alto desempenho.

Tipos de encapsulamento BGA (PBGA, CBGA, FBGA, FCBGA)

A sigla “BGA” abrange uma família de encapsulamentos relacionados que diferem principalmente no material do substrato e na forma como o chip é fixado.

As principais distinções são o substrato (plástico, cerâmica ou fita), se o chip é montado por flip-chip (FCBGA, para o melhor desempenho) e se o componente possui esferas de solda; um LGA possui terminais e recebe a solda da pasta da placa. PoP é uma estratégia de encapsulamento que empilha os componentes para economizar espaço na placa. O tipo correto geralmente é ditado pelo chip que você precisa usar, não sendo uma escolha livre.

Pacotes BGA vs. Pacotes com terminais (QFP e QFN)

É útil ver onde os BGAs se posicionam em relação a encapsulamentos com terminais, como QFP e QFN.

Os BGAs se destacam em densidade de E/S e em desempenho elétrico e térmico, razão pela qual são utilizados em dispositivos com alta contagem de pinos e alta velocidade . As desvantagens são a inspeção (raio-X em vez de inspeção visual), o retrabalho (ar quente e reesferas em vez de ferro de solda) e, frequentemente, uma placa mais complexa. Para menor contagem de pinos, um encapsulamento com terminais pode ser mais simples; a escolha geralmente acompanha o componente. De qualquer forma, o planejamento da área de contato e da estrutura de camadas durante a revisão do projeto garante a viabilidade de fabricação do encapsulamento escolhido.

Contagem de arremessos e bolas da BGA

O espaçamento, ou seja, a distância entre os centros das esferas, é o atributo que mais afeta a dificuldade de fabricação e montagem de um BGA (gabinete de eletrodo em bloco).

À medida que o espaçamento entre os eletrodos diminui, torna-se impossível rotear uma trilha entre as esferas, exigindo, portanto, mais camadas, vias menores e, frequentemente, vias em pads. Assim, os BGAs de passo fino direcionam o projeto para as técnicas HDI (High-Dependent Interaction) utilizadas na fabricação de alta velocidade e alta densidade. Um número maior de esferas agrava essa situação, visto que cada esfera requer uma rota de saída. Para um componente identificado como uBGA, a análise de montagem específica para o encapsulamento uBGA deve utilizar o desenho técnico do componente e o arranjo das esferas, em vez de inferir um processo a partir do nome do encapsulamento.

Composição das esferas BGA e sensibilidade à umidade

Dois aspectos importantes sobre os BGAs afetam a forma como são manuseados e soldados.

• Liga esférica. Os BGAs modernos usam esferas sem chumbo (estanho-prata-cobre), que definem a temperatura máxima de refluxo; componentes mais antigos podem usar esferas com chumbo.
• Sensibilidade à umidade (SUM). Os BGAs são sensíveis à umidade: a umidade absorvida pode se transformar em vapor durante o refluxo e danificar o encapsulamento ("efeito pipoca"), portanto, as peças são classificadas pela MSL e submetidas a tratamento térmico antes da montagem, caso tenham sido expostas à umidade.

Respeitar o manuseio do MSL (Micro-Stone Linear), manter as peças secas e realizar o aquecimento quando necessário é uma etapa básica, porém crucial. Ignorá-la pode causar danos aos componentes durante o refluxo, independentemente da qualidade do restante do processo; por isso, ela é incorporada a um fluxo de montagem controlado.

Como os BGAs são montados

A instalação de um BGA é um procedimento de rotina em uma linha automatizada, mas depende de alguns fatores.

• Estêncil e cola. Um estêncil corretamente projetado deposita o volume correto de pasta em cada almofada.
• Posicionamento. A peça é posicionada sobre suas almofadas; não precisa de alinhamento perfeito devido ao próximo ponto.
• Perfil de refluxo. Um perfil controlado derrete as esferas; a tensão superficial então puxa o pacote para o alinhamento ("autocentragem").
• Equilíbrio térmico. O perfil deve ser adequado à massa da prancha para que todas as bolas atinjam a temperatura ideal ao mesmo tempo.

Uma das melhores características do BGA é o autocentragem, já que as esferas de pasta de solda puxam o componente para a posição correta. No entanto, isso só funciona com uma boa aplicação de pasta térmica e um perfil compatível com a placa, o que é mais difícil em placas com alta dissipação térmica, como as com núcleo metálico . Acertar o perfil na primeira tentativa é o que torna a montagem do BGA confiável.

Como as juntas de solda BGA são inspecionadas (raio-X)

Como cada junta fica escondida sob a embalagem, não é possível avaliar um BGA visualmente. O raio-X é a principal ferramenta de inspeção.

Empenamento e falta de coplanaridade são causas comuns de problemas: se o encapsulamento ou a placa sofrerem curvatura durante a refusão, as esferas de contato nos cantos ou no centro podem não tocar seus pads, causando falhas ou defeitos do tipo "cabeça no travesseiro". A radiografia revela esses problemas ocultos e, em placas críticas, é uma etapa obrigatória, não opcional. A inspeção visual só pode confirmar as bordas da fileira externa, não as próprias junções.

Projeto de uma placa de circuito impresso para encapsulamento BGA

A confiabilidade de um BGA é definida em grande parte pelo projeto da placa, antes mesmo da colocação de um único componente.

Roteamento de escape e vias

Cada esfera precisa de um caminho de saída. Em espaçamentos maiores, uma trilha curta em forma de "osso de cachorro" até um furo metalizado entre as esferas funciona. Em espaçamentos menores, não há espaço, então a técnica de "via-in-pad", com um furo metalizado preenchido diretamente no pad, torna-se necessária, o que, por sua vez, requer fabricação HDI.

Design de almofada e estêncil

O tipo de pad (definido pela máscara de solda ou não definido pela máscara de solda) e a abertura do estêncil afetam o formato e a confiabilidade da junta, e devem seguir as diretrizes de encapsulamento e montagem. Esses são exatamente os detalhes que uma revisão de projeto para manufatura verifica antes da fabricação.

Empilhamento e fabricação

Os BGAs de passo fino e alta contagem de esferas determinam a quantidade de camadas, as estruturas de microvias e as tolerâncias de registro, tudo definido durante a fabricação da placa de circuito impresso (PCB) . Projetar a placa e o escape do BGA em conjunto evita componentes que não podem ser roteados ou soldados de forma confiável.

Retrabalho e reesferização de esferas BGA

Os BGAs podem ser removidos e substituídos, mas o processo é especializado.

• Remoção. Uma estação de retrabalho de ar quente ou infravermelho refaz o fluxo das esferas escondidas para que a embalagem possa ser levantada na vertical.
• Recondicionamento. Para reutilizar um BGA, novas esferas são aplicadas com um estêncil e uma pré-forma, restaurando a matriz.
• Verificação. As juntas retrabalhadas são verificadas por raio-X, uma vez que permanecem invisíveis.

O reballing é comum para dispositivos caros ou obsoletos, mas requer o equipamento certo e um perfil controlado. Para a maioria das produções, obter a montagem original correta, com boa pasta de solda, perfil e projeto, é muito preferível ao retrabalho de BGAs, e essa consistência é crucial em montagens de alto volume.

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Os BGAs vêm em diversos tipos: plástico, cerâmica, passo fino, escala de chip, flip-chip, LGA e PoP, mas todos compartilham juntas esféricas ocultas que exigem um projeto cuidadoso, um perfil de refluxo controlado e inspeção por raios X. Escolha o tipo que seu chip exige, projete o roteamento de escape para corresponder ao passo e verifique com raios X. Você pode ler mais sobre a Highleap Electronics e nossa capacidade de montagem de BGAs.

Perguntas frequentes

O que é um encapsulamento BGA?

Um BGA (Ball Grid Array) é um encapsulamento de montagem em superfície que se conecta à placa por meio de uma grade de esferas de solda na sua parte inferior, em vez de terminais ao redor da borda. Isso permite concentrar muitas conexões em uma área pequena, com bom desempenho elétrico e térmico, razão pela qual processadores, memórias e circuitos integrados complexos o utilizam.

Quais são os principais tipos de BGA?

Plástico (PBGA), cerâmica (CBGA), fita (TBGA), passo fino (FBGA), escala de chip (uBGA/CSP), flip-chip (FCBGA), matriz de grade de contatos (LGA, que possui pads em vez de esferas) e pacote sobre pacote (PoP, que empilha dispositivos). Eles diferem principalmente no material do substrato e na forma como o chip é fixado.

Qual a diferença entre um BGA e um LGA?

Um BGA chega com esferas de solda já aplicadas na embalagem, enquanto um LGA possui áreas planas e sem esferas, recebendo a solda da pasta impressa na placa durante a montagem. Fora isso, ambos são encapsulamentos do tipo Grid Array, com conexões pela parte inferior, e compartilham considerações semelhantes de roteamento e inspeção.

Por que os BGAs (dispositivos de análise biomecânica) requerem inspeção por raios X?

Como as juntas de solda ficam sob o encapsulamento e não podem ser vistas, o raio-X é a única maneira de confirmá-las. Ele revela falhas, pontes de solda, deformações e juntas abertas, especialmente aquelas causadas por empenamento do encapsulamento ou da placa. Em placas críticas, o raio-X é uma etapa de inspeção obrigatória, e não opcional.

Que tipo de tom é considerado um tom preciso e por que isso importa?

Passos de aproximadamente 0.5 mm ou menos são considerados passos finos. Eles são importantes porque não é mais possível rotear uma trilha entre as esferas, então a placa precisa de mais camadas, microvias e vias em pads, o que a aproxima da fabricação HDI. Passos maiores (de 1.0 a 1.27 mm) são roteados com técnicas padrão.

O que é um via-in-pad e quando ele é necessário?

A técnica de via-in-pad coloca um furo metalizado diretamente dentro do pad do BGA, com o furo preenchido e selado para que possa ser soldado posteriormente. É necessária em espaçamentos finos, onde não há espaço para uma trilha de escape em formato de osso para um furo metalizado próximo à esfera. Requer fabricação HDI e aumenta o custo, mas possibilita roteamento denso.

É possível remover e reutilizar um BGA?

Sim, com retrabalho por ar quente ou infravermelho para remover o material danificado e reesferização para aplicar novas esferas de solda antes da reutilização, seguido de verificação por raio-X. É comum para componentes caros ou obsoletos, mas requer equipamentos adequados e um perfil de solda controlado. Para a produção, uma montagem correta na primeira tentativa é preferível ao retrabalho de BGAs.

Quando devo usar um encapsulamento BGA em vez de um encapsulamento com terminais?

Use um BGA quando o componente tiver uma alta contagem de E/S ou precisar do melhor desempenho elétrico e térmico de uma grade inferior completa, que é o motivo pelo qual processadores e FPGAs os utilizam. Para contagens de pinos menores, um encapsulamento com terminais, como um QFP ou QFN, pode ser mais simples de montar, retrabalhar manualmente e inspecionar. O chip que você precisa usar geralmente determina a escolha.