Tipuri de pachete BGA pentru proiectarea și asamblarea PCB-urilor

O matrice de bile cu grilă (BGA) este un pachet de montare la suprafață care se conectează la placă printr-o grilă de bile de lipit sub componentă, în loc de cabluri în jurul marginii acesteia. Această configurație permite numeroase conexiuni într-o amprentă mică, cu performanțe electrice și termice bune, motiv pentru care BGA-urile domină procesoarele moderne, memoria și circuitele integrate complexe. Există mai multe tipuri, din plastic, ceramică, bandă, cu pas fin, la scară de cip, flip-chip și multe altele, fiecare cu propriile compromisuri. Acest ghid explică principalele tipuri de BGA, atributele lor cheie și ce înseamnă acestea pentru asamblare, inspecție și proiectarea plăcii. Pentru asamblarea plăcilor de circuit micro-BGA , pasul pachetului și geometria bilei trebuie luate în considerare împreună cu modelul de linie, designul șablonului și inspecția îmbinărilor ascunse.

Ce este un pachet BGA?

Un BGA își plasează conexiunile sub forma unei matrici de bile de lipit pe partea inferioară a capsulai. Când placa este refolosită, aceste bile se topesc și se unesc cu pad-uri corespunzătoare, formând conexiunea electrică și mecanică.

De ce există formatul

Pachetele cu cabluri rămân fără spațiu pe măsură ce numărul de intrări/ieșiri crește, deoarece cablurile se potrivesc doar în jurul perimetrului. O grilă de bile folosește întreaga parte inferioară, astfel încât un BGA oferă mult mai multe conexiuni în aceeași zonă, cu căi mai scurte care ajută la performanța electrică și un contact termic mare pentru eliminarea căldurii. Compromisul este că îmbinările sunt ascunse, ceea ce influențează tot ce ține de asamblare și inspecție.

Unde se utilizează BGA-urile

Procesoarele, memoria, FPGA-urile și alte dispozitive cu I/O ridicat sunt aproape toate BGA-uri. Lucrul cu ele cu încredere face parte din asamblarea modernă a PCB-urilor , în special pe plăci dense și de înaltă performanță.

Tipuri de pachete BGA (PBGA, CBGA, FBGA, FCBGA)

Eticheta „BGA” acoperă o familie de pachete înrudite care diferă în principal prin materialul substratului și modul în care este atașată matrița.

Marile diferențe sunt substratul (plastic, ceramic sau bandă), dacă matrița este montată pe flip-chip (FCBGA, pentru cea mai înaltă performanță) și dacă piesa are chiar și bile, un LGA are landuri și își obține lipirea din pasta plăcii. PoP este o strategie de împachetare care stivuiește dispozitivele pentru a economisi spațiu pe placă. Tipul corect este de obicei dictat de cipul pe care trebuie să îl utilizați, nu o alegere liberă.

Pachete BGA vs. pachete cu plumb (QFP și QFN)

Este util să vedem unde se situează BGA-urile în raport cu pachetele cu plumb, cum ar fi QFP și QFN.

BGA-urile sunt avantajoase în ceea ce privește densitatea I/O și performanța electrică și termică, motiv pentru care dispozitivele cu număr mare de pini și viteză mare le utilizează. Compromisurile sunt inspecția (cu raze X în loc de vizuală), refacerea (aer cald și reballing în loc de fier) ​​și adesea o placă mai complexă. Pentru un număr mai mic de pini, o carcasă cu conectori poate fi mai simplă; alegerea urmează de obicei piesa. În orice caz, planificarea amprentei și a stivuirii în timpul unei revizuiri a proiectului menține carcasa aleasă fabricabilă.

BGA Pitch și număr de bile

Pasul, distanța dintre centrele bilelor, este atributul care afectează cel mai mult cât de dificil este de fabricat și asamblat un BGA.

Pe măsură ce pasul (pitch) se micșorează, nu mai puteți ruta o urmă între bile, așa că placa are nevoie de mai multe straturi, via-uri mai mici și adesea via-in-pad. Prin urmare, BGA-urile cu pas fin împing un design către tehnicile HDI utilizate în fabricația de mare viteză și densitate mare. Numărul mai mare de bile agravează acest lucru, deoarece fiecare bilă are nevoie de o rută de ieșire. Pentru o piesă identificată ca uBGA, revizuirea asamblării specifice pachetului uBGA ar trebui să utilizeze desenul real al componentei și aranjamentul bilelor, mai degrabă decât să deducă un proces din numele pachetului.

Compoziția bilelor BGA și sensibilitatea la umiditate

Două aspecte importante despre BGA-urile afectează modul în care acestea sunt manipulate și lipite.

• Aliaj cu bile. BGA-urile moderne folosesc bile fără plumb (staniu-argint-cupru), care stabilesc temperatura de vârf de reflow; piesele vechi pot folosi bile cu plumb.
• Sensibilitate la umiditate (MSL). BGA-urile sunt sensibile la umiditate: umiditatea absorbită se poate transforma în abur în timpul reflow-ului și poate deteriora ambalajul („popcorning”), așa că piesele sunt evaluate conform MSL și coapte înainte de asamblare dacă sunt expuse.

Respectarea manipulării MSL, menținerea pieselor uscate și coacerea atunci când este necesar, este un pas de bază, dar esențial. Omiterea acestui pas poate crăpa ambalajele în timpul reflow-ului, indiferent de cât de bun este restul procesului, motiv pentru care este integrat într-un flux de asamblare controlat.

Cum sunt asamblate BGA-urile

Plasarea unui BGA este o rutină pe o linie automată, dar depinde de câteva lucruri care merg corect.

• Șablon și pastă. Un șablon proiectat corect depune volumul potrivit de pastă pe fiecare tampon.
• Plasament. Piesa este poziționată peste plăcuțele sale; nu necesită o aliniere perfectă din cauza următorului punct.
• Profil de reflow. Un profil controlat topește bilele; tensiunea superficială trage apoi pachetul în aliniere („autocentrare”).
• Echilibrul termic. Profilul trebuie să se potrivească masei plăcii, astfel încât fiecare bilă să atingă temperatura împreună.

Autocentrarea este una dintre cele mai bune caracteristici ale BGA, bilele topite trag pachetul în poziție. Dar funcționează doar cu un depozit de pastă bun și un profil potrivit pentru placă, ceea ce este mai dur pe plăcile grele termic, cum ar fi ansamblurile cu miez metalic . Obținerea corectă a profilului de la prima încercare este ceea ce face ca asamblarea BGA să fie fiabilă.

Cum sunt inspectate îmbinările de lipire BGA (cu raze X)

Deoarece fiecare îmbinare este ascunsă sub ambalaj, nu poți evalua un BGA cu ochiul liber. Radiografia este principalul instrument de inspecție.

Deformarea și coplanaritatea sunt cauze frecvente: dacă pachetul sau placa se curbează la reflow, bilele de colț sau centrale pot să nu atingă plăcuțele lor, provocând deschideri sau defecte de tip „cap în pernă”. Radiografia dezvăluie aceste probleme ascunse, iar în cazul plăcilor critice este un pas obligatoriu, nu o opțiune. Inspecția vizuală poate confirma doar marginile rândului exterior, nu și îmbinările în sine.

Proiectarea unui PCB pentru pachete BGA

Fiabilitatea unui BGA este determinată în mare măsură de designul plăcii, înainte de plasarea unei singure componente.

Rutare de evacuare și via-uri

Fiecare bilă are nevoie de o cale de ieșire. La un pas mai mare, o urmă scurtă de tip „dog-bone” către o via între bile funcționează. La un pas fin nu există spațiu, așa că devine necesar un via-in-pad, o via umplută și acoperită direct în pad, ceea ce, la rândul său, necesită fabricarea HDI.

Design cu tampon și șablon

Tipul de pad (definit prin mască de lipire vs. definit prin mască nedefinită prin mască de lipire) și deschiderea șablonului afectează forma și fiabilitatea îmbinării, iar acestea ar trebui să respecte instrucțiunile de ambalare și asamblare. Acestea sunt exact detaliile pe care le verifică o revizuire a designului pentru fabricație înainte de fabricație.

Stivuire și fabricare

BGA-urile cu pas fin și număr mare de bile determină numărul de straturi, structurile microvia și toleranțele de înregistrare, toate decise în timpul fabricației PCB-ului . Proiectarea împreună a plăcii și a ieșirii BGA evită o piesă care nu poate fi rutată sau lipită în mod fiabil.

Refacere și Reballare BGA

BGA-urile pot fi îndepărtate și înlocuite, dar procesul este specializat.

• Îndepărtarea. O stație de prelucrare cu aer cald sau infraroșu refluxează bilele ascunse, astfel încât pachetul să poată fi ridicat drept în sus.
• Rebalare. Pentru a reutiliza un BGA, se aplică bile proaspete cu un șablon și o preformă, restabilind matricea.
• Verificare. Îmbinările relucrate sunt verificate cu raze X, deoarece rămân invizibile.

Reballarea este o metodă obișnuită pentru dispozitivele scumpe sau învechite, dar necesită echipamentul potrivit și un profil controlat. Pentru majoritatea producției, obținerea corectă a asamblării originale, cu o pastă, un profil și un design buni, este mult preferabilă reprocesării BGA-urilor, iar această consecvență contează cel mai mult în asamblarea de volum mare.

Obțineți o ofertă de asamblare BGA

BGA-urile sunt disponibile în multe tipuri, din plastic, ceramică, cu pas fin, la scară de cip, cu cip inversat, LGA și PoP, dar au îmbinări sferice ascunse, care necesită o proiectare atentă, un profil de reflow controlat și inspecție cu raze X. Alegeți tipul pe care îl dictează cipul dvs., proiectați ruta de evacuare pentru a se potrivi cu pasul și verificați cu raze X. Puteți citi mai multe despre Highleap Electronics și capacitatea noastră de asamblare BGA.

Întrebări frecvente

Ce este un pachet BGA?

O matrice cu grilă cu bile este un pachet de montare pe suprafață care se conectează la placă printr-o grilă de bile de lipit pe partea inferioară, în loc de fire în jurul marginii. Aceasta combină multe conexiuni într-o zonă mică, având performanțe electrice și termice bune, motiv pentru care procesoarele, memoria și circuitele integrate complexe îl utilizează.

Care sunt principalele tipuri de BGA?

Plastic (PBGA), ceramică (CBGA), bandă (TBGA), pas fin (FBGA), cip-scale (uBGA/CSP), flip-chip (FCBGA), land grid array (LGA, care are pad-uri nu bile) și package-on-package (PoP, care stivuiește dispozitivele). Acestea diferă în principal prin materialul substratului și modul în care este atașată matrița.

Care este diferența dintre un BGA și un LGA?

Un BGA sosește deja cu bile de lipire pe pachet, în timp ce un LGA are zone plane și fără bile, lipirea fiind obținută din pasta imprimată pe placă în timpul asamblării. În rest, ambele sunt pachete de tip grid-array, conectate la bază, și au în comun considerații similare de rutare și inspecție.

De ce necesită BGA-uri inspecție cu raze X?

Deoarece îmbinările de lipire se află sub ambalaj și nu pot fi văzute, radiografia este singura modalitate de a le confirma. Aceasta dezvăluie goluri, punți, deformații și îmbinări deschise, în special cele cauzate de deformarea ambalajului sau a plăcii. La plăcile critice, radiografia este o etapă de inspecție obligatorie, nu opțională.

Ce ton se consideră fin și de ce contează?

Pasurile de aproximativ 0.5 mm și mai mici sunt de tip pas fin. Acestea contează deoarece nu mai poți trasa o urmă între bile, așa că placa are nevoie de mai multe straturi, microviauri și via-in-pad, ceea ce o împinge spre fabricarea HDI. Pasurile mai mari (1.0 până la 1.27 mm) se frezează cu tehnici standard.

Ce este via-in-pad și când este necesar?

Via-in-pad plasează o cale de acces direct în interiorul pad-ului BGA, cu aceasta umplută și acoperită, astfel încât să poată fi lipită peste ea. Este necesară la pas fin, unde nu există loc pentru o urmă de ieșire în formă de dog-bone către o cale de acces de lângă bilă. Necesită fabricație HDI și adaugă costuri, dar permite o rutare densă.

Poate fi îndepărtat și reutilizat un BGA?

Da, cu prelucrare cu aer cald sau infraroșu pentru a-l îndepărta și refacere cu bile de lipire pentru a aplica bile noi înainte de reutilizare, urmată de verificare cu raze X. Este o metodă obișnuită pentru piesele costisitoare sau învechite, dar necesită echipamente adecvate și un profil controlat. Pentru producție, o asamblare corectă la prima trecere este preferabilă refacerii BGA-urilor.

Când ar trebui să utilizez un BGA în loc de un pachet cu plumb?

Folosește un BGA atunci când piesa are un număr mare de intrări/ieșiri sau necesită performanța electrică și termică mai bună a unei grile inferioare complete, motiv pentru care procesoarele și FPGA-urile le folosesc. Pentru un număr mai mic de pini, o capsulă cu pini, cum ar fi un QFP sau QFN, poate fi mai simplu de asamblat, prelucrat manual și inspectat. Cipul pe care trebuie să îl utilizezi decide adesea acest lucru.