Корпуса BGA для проектирования и сборки печатных плат

Корпус с шариковыми выводами (BGA) — это корпус для поверхностного монтажа, который подключается к плате через сетку из шариков припоя под компонентом, а не через выводы по его краю. Такая компоновка позволяет создавать множество соединений на небольшой площади с хорошими электрическими и тепловыми характеристиками, поэтому BGA-корпусы доминируют в современных процессорах, памяти и сложных интегральных схемах. Существует несколько типов: пластиковые, керамические, ленточные, с малым шагом выводов, чип-масштабные, флип-чип и другие, каждый со своими преимуществами. В этом руководстве объясняются основные типы BGA, их ключевые характеристики и то, что они означают для сборки, контроля качества и проектирования печатных плат.

Что такое BGA-пакет?

В корпусе BGA контакты располагаются в виде массива шариков припоя на нижней стороне корпуса. При пайке оплавлением эти шарики расплавляются и соединяются с соответствующими контактными площадками, образуя электрическое и механическое соединение.

Зачем существует этот формат

В корпусах с выводами места становится недостаточно по мере увеличения количества выводов, поскольку выводы располагаются только по периметру. В корпусах BGA вся нижняя сторона занята сеткой из шариков, поэтому BGA-микросхемы предлагают гораздо больше соединений на той же площади, с более короткими путями, что улучшает электрические характеристики, и большим тепловым контактом для отвода тепла. Компромисс заключается в том, что соединения скрыты, что влияет на все аспекты сборки и контроля качества.

Где используются BGA-чипы

Процессоры, память, ПЛИС и другие устройства с большим количеством операций ввода-вывода почти все имеют корпус BGA. Уверенная работа с ними является неотъемлемой частью современной сборки печатных плат , особенно на плотных высокопроизводительных платах.

Типы корпусов BGA (PBGA, CBGA, FBGA, FCBGA)

Маркировка «BGA» обозначает семейство родственных корпусов, которые различаются главным образом материалом подложки и способом крепления кристалла.

Основные различия заключаются в типе подложки (пластик, керамика или лента), способе монтажа кристалла (FCBGA, для максимальной производительности) и наличии контактных площадок (у LGA есть площадки, и припой поступает с пасты платы). PoP — это стратегия упаковки, при которой устройства располагаются друг над другом для экономии площади платы. Выбор подходящего типа обычно зависит от используемого чипа, а не является произвольным решением.

Корпуса BGA и свинцовосодержащие корпуса (QFP и QFN)

Это помогает понять, какое место занимают BGA-чипы относительно корпусов с выводами, таких как QFP и QFN.

Корпуса BGA выигрывают по плотности ввода/вывода, а также по электрическим и тепловым характеристикам, поэтому их используют в устройствах с большим количеством выводов и высокой скоростью передачи данных . Компромиссы заключаются в контроле качества (рентгеновский контроль вместо визуального), доработке (горячий воздух и реболлинг вместо паяльника) и часто в более сложной конструкции платы. Для меньшего количества выводов корпус с выводами может быть проще; выбор обычно зависит от типа компонента. В любом случае, планирование посадочного места и структуры на этапе анализа проекта позволяет сделать выбранный корпус технологичным для производства.

Подсчет мячей и площадок BGA

Шаг (расстояние между центрами шариков) — это параметр, который в наибольшей степени влияет на сложность изготовления и сборки BGA-чипа.

По мере уменьшения шага выводов становится невозможно прокладывать дорожки между шариками, поэтому плата требует больше слоев, меньших по размеру переходных отверстий и часто переходных отверстий в контактных площадках. Таким образом, BGA-чипы с малым шагом выводов приближают проектирование к технологиям HDI, используемым в высокоскоростном и высокоплотном производстве. Увеличение количества шариков усугубляет ситуацию, поскольку для каждого шарика требуется прокладка дорожки.

Состав шариков BGA и их чувствительность к влаге

Два существенных факта, касающихся BGA-компонентов, влияют на то, как с ними обращаются и как их паяют.

• Шариковый сплав. В современных BGA-компонентах используются бессвинцовые (оловянно-серебряно-медные) шарики, которые определяют пиковую температуру оплавления; в устаревших компонентах могут использоваться свинцовые шарики.
• Чувствительность к влаге (MSL). BGA-компоненты чувствительны к влаге: поглощенная влага может мгновенно превратиться в пар во время оплавления и повредить корпус («эффект попкорна»), поэтому компоненты оцениваются по уровню MSL и подвергаются термической обработке перед сборкой, если они подвергаются воздействию влаги.

Соблюдение правил обращения с MSL, поддержание деталей в сухом состоянии и их термообработка при необходимости — это базовый, но критически важный шаг. Его игнорирование может привести к растрескиванию корпусов во время оплавления, независимо от качества остальной части процесса, поэтому он включен в контролируемый технологический процесс сборки.

Как собираются BGA-чипы

Установка BGA-чипа — стандартная процедура на автоматизированной линии, но она зависит от нескольких факторов, которые должны сработать правильно.

• Трафарет и клей. Правильно сконструированный трафарет обеспечивает нанесение необходимого объема пасты на каждую подушечку.
• Размещение. Деталь располагается над своими контактными площадками; идеальное выравнивание не требуется из-за следующего момента.
• Профиль оплавления. Контролируемый профиль расплавляет шарики; затем поверхностное натяжение выравнивает упаковку («самоцентрирование»).
• Тепловой баланс. Профиль должен соответствовать массе доски, чтобы каждый шарик одновременно достигал нужной температуры.

Самоцентрирование — одно из лучших свойств BGA-корпусов: расплавленные шарики притягивают корпус в нужное положение. Но это работает только при качественном нанесении термопасты и профиле, соответствующем плате, что сложнее на платах с высоким тепловыделением, таких как платы с металлическим сердечником . Правильный подбор профиля с первого раза — залог надежности сборки BGA-корпусов.

Как осуществляется рентгеновский контроль паяных соединений BGA-компонентов

Поскольку каждый контакт скрыт под корпусом, оценить качество BGA-компонентов визуально невозможно. Рентгеновский контроль является основным методом проверки.

Деформация и соосность — распространённые причины: если корпус или плата выгибаются при оплавлении припоя, шарики в углах или центре могут не касаться своих контактных площадок, вызывая обрывы или дефекты типа «головка в подушке». Рентгеновский контроль выявляет эти скрытые проблемы, и на ответственных платах это обязательный этап, а не опция. Визуальный осмотр может подтвердить только края внешнего ряда, а не сами соединения.

Разработка печатной платы для корпусов BGA

Надежность BGA-корпуса во многом определяется конструкцией платы еще до установки первого компонента.

Маршрутизация выходов и переходные отверстия

Каждому шарику необходим выход. При большем шаге дорожка в виде «собачьей кости» ведет к переходному отверстию между шариками. При малом шаге места нет, поэтому становится необходимым использование переходных отверстий в контактной площадке — заполненных и закрытых отверстий непосредственно в контактной площадке, что, в свою очередь, требует изготовления с использованием технологии HDI (High-Designated Intendance).

Дизайн блокнота и трафарета

Тип контактной площадки (определяемый паяльной маской или не определяемый ею) и размер отверстия трафарета влияют на форму и надежность соединения, и они должны соответствовать рекомендациям по корпусированию и сборке. Именно эти детали проверяются в рамках проверки конструкции с учетом технологичности производства перед изготовлением.

Сборка и изготовление

Использование BGA-компонентов с малым шагом выводов и большим количеством шариков определяет количество слоев, структуру микропереходов и допуски на совмещение, которые определяются на этапе производства печатных плат . Совместное проектирование платы и BGA-компонентов позволяет избежать создания детали, которую невозможно трассировать или надежно припаять.

Перепайка и реболлинг BGA

BGA-чипы можно снимать и заменять, но эта процедура требует специальных навыков.

• Удаление. Станция для пайки горячим воздухом или инфракрасным излучением позволяет повторно припаять скрытые шарики, благодаря чему корпус можно поднять вертикально.
• Реболлинг. Для повторного использования BGA-чипов новые шарики наносятся с помощью трафарета и заготовки, восстанавливая структуру микросхемы.
• Проверка. Переделанные соединения проверяются рентгеновским излучением, поскольку они остаются невидимыми.

Реболлинг — распространенная процедура для дорогостоящих или устаревших устройств, но она требует соответствующего оборудования и контролируемого профиля. Для большинства производственных процессов правильная сборка с использованием качественной пасты, профиля и конструкции гораздо предпочтительнее, чем переделка BGA-чипов, и эта стабильность имеет первостепенное значение при крупносерийной сборке.

Получите коммерческое предложение на сборку BGA-компонентов

BGA-чипы бывают разных типов: пластиковые, керамические, с малым шагом выводов, чип-масштабные, флип-чип, LGA и PoP, но у них есть общие скрытые шариковые соединения, требующие тщательного проектирования, контролируемого профиля оплавления и рентгеновского контроля. Выберите тип, который диктует ваш чип, спроектируйте трассировку выводов в соответствии с шагом выводов и проверьте с помощью рентгеновского контроля. Вы можете узнать больше о компании Highleap Electronics и наших возможностях по сборке BGA-чипов.

Часто задаваемые вопросы

Что такое корпус BGA?

Корпус с шариковой матрицей (BPL) — это корпус для поверхностного монтажа, который подключается к плате через сетку из шариков припоя на своей нижней стороне, а не через выводы по краю. Это позволяет разместить множество соединений на небольшой площади с хорошими электрическими и тепловыми характеристиками, поэтому его используют в процессорах, памяти и сложных интегральных схемах.

Какие основные типы BGA существуют?

Пластиковые (PBGA), керамические (CBGA), ленточные (TBGA), с малым шагом выводов (FBGA), микрочиповые (uBGA/CSP), флип-чип (FCBGA), LGA (с контактными площадками вместо шариков) и многослойные (PoP) устройства. Они различаются главным образом материалом подложки и способом крепления кристалла.

В чём разница между BGA и LGA?

Корпус BGA поставляется с уже нанесенными на него шариками припоя, в то время как корпус LGA имеет плоские контакты и не имеет шариков, получая припой из пасты, нанесенной на плату во время сборки. В остальном оба корпуса имеют матричную структуру с нижним подключением и схожие требования к трассировке и контролю качества.

Почему для БГА требуется рентгеновский контроль?

Поскольку паяные соединения находятся под корпусом и не видны невооруженным глазом, рентгеновский контроль — единственный способ их подтвердить. Он выявляет пустоты, перемычки, «головку в подушке» и открытые соединения, особенно те, которые вызваны деформацией корпуса или платы. На критически важных платах рентгеновский контроль является обязательным этапом проверки, а не необязательным.

Какой тон считается тонким, и почему это важно?

Шаг выводов примерно 0.5 мм и меньше считается малым. Он важен, потому что теперь невозможно проложить дорожку между контактами, поэтому плата требует больше слоев, микропереходов и переходных отверстий в контактных площадках, что приближает ее к технологии изготовления с использованием полупроводниковых выводов (HDI). Больший шаг выводов (от 1.0 до 1.27 мм) обрабатывается стандартными методами.

Что такое переходное отверстие в контактной площадке и когда оно необходимо?

Технология Via-in-pad предполагает размещение переходного отверстия непосредственно внутри контактной площадки BGA, при этом отверстие заполняется и заглушается, чтобы его можно было припаять. Она необходима при малом шаге выводов, где нет места для кольцевой дорожки, ведущей к переходному отверстию рядом с шариком. Для этого требуется технология HDI-изготовления, что увеличивает стоимость, но позволяет создавать плотную трассировку.

Можно ли извлечь и использовать повторно BGA-чип?

Да, с использованием горячего воздуха или инфракрасного излучения для удаления припоя и реболлинга для нанесения новых шариков припоя перед повторным использованием, с последующей рентгеновской проверкой. Это распространенная процедура для дорогостоящих или устаревших компонентов, но она требует соответствующего оборудования и контролируемого профиля. Для производства предпочтительнее правильная сборка с первого раза, чем переделка BGA-компонентов.

В каких случаях следует использовать BGA-корпус вместо корпуса с выводами?

Корпус BGA следует использовать, когда у микросхемы большое количество выводов или ей необходимы лучшие электрические и тепловые характеристики благодаря полной нижней защитной сетке, поэтому их используют в процессорах и FPGA. Для меньшего количества выводов можно использовать корпус с выводами, например, QFP или QFN, который проще в сборке, доработке и проверке. Часто это зависит от используемой микросхемы.