Полное руководство по подложкам BGA

             

Подложки BGA (шариковая решетка) стали широко распространенной технологией упаковки для интегральных схем (ИС), ASIC, графических процессоров и других сложных компонентов. Благодаря способности разместить высокую плотность контактов на небольшой площади, BGA обеспечивает миниатюризацию и повышение производительности широкого спектра электроники. Однако проектирование и производство подложек BGA требует глубоких знаний. В этом подробном руководстве описано все необходимое, чтобы воспользоваться преимуществами BGA и избежать ошибок.

Что такое подложка BGA?

Подложка BGA выступает в качестве основы корпуса BGA, обеспечивая механическую поддержку, а также электрические соединения. Подложка состоит из изоляционного материала с проводящими дорожками на нем или внутри него, которые направляют сигналы и мощность между прикрепленным кремниевым кристаллом и печатной платой (PCB), на которой установлен корпус BGA.

Отличительной особенностью всех корпусов BGA являются маленькие шарики припоя, расположенные в нижней части корпуса в виде сетки. Эти шарики припоя соединяют дорожки подложки с соответствующими посадочными площадками на поверхности печатной платы, когда компонент BGA припаивается к плате во время сборки. Эта сетка шариков обеспечивает высокую плотность соединений, поскольку шарики могут быть расположены близко друг к другу.

Подложки BGA должны быть разработаны специально для соответствия кремниевому кристаллу и печатной плате, а также соответствовать электрическим, термическим и механическим требованиям. Для изготовления подложек BGA используются ламинаты, керамика, кремний, стекло и другие материалы. Конструкция подложки зависит от таких факторов, как количество необходимых контактов, скорости сигнала, потребности в подаче питания, ожидания по надежности и стоимость.

Почему подложки BGA обеспечивают миниатюризацию

Основные преимущества BGA заключаются в возможности разместить больше межсоединений в меньшем пространстве по сравнению с более старыми подходами к упаковке микросхем. Например:

• Корпуса с периферийными выводами, такие как четырехъядерные плоские корпуса (QFP), имеют выводы только по краям, что ограничивает плотность контактов.
• В массивах с сеткой выводов (PGA) используется массив выводов, выходящих из нижней части корпуса, но минимальное расстояние между выводами больше, чем у шариков припоя.
• Безвыводные держатели чипов имеют контакты по краям или снизу, но не могут соответствовать плотности BGA.

Напротив, BGA может достичь очень высокой плотности с шариками с шагом 0.5 мм или даже 0.4 мм и ниже. Это позволяет использовать больше функций в меньших пакетах. Идеальная сферическая форма шариков припоя также позволяет уменьшить расстояние между контактами.

Большее количество контактов позволяет интегрировать дополнительные функции, такие как несколько процессоров, память, датчики, беспроводную связь, управление питанием и специализированные ускорители, в пакеты BGA, предназначенные для таких приложений, как 5G, AI, ADAS, IoT и других. Миниатюризация также соответствует предпочтениям потребителей в отношении все более компактной электроники.

Материалы, используемые для подложек BGA

В то время как в ранних корпусах BGA использовались керамические подложки, сейчас преобладают новые органические подложки из-за их более низкой стоимости, а также преимуществ в устойчивости к тепловому удару, уменьшении коробления и гибкости. Общие материалы включают в себя:

BT Substrate – бисмалеимидтриазин, термореактивная смола, обычно армированная стекловолокном и медной фольгой. Обеспечивает экономичное сочетание производительности и технологичности производства. Широко используется в потребительской электронике, телекоммуникациях, промышленности и автомобилестроении. Выдерживает бессвинцовую пайку.

Полиимидная подложка – обеспечивает превосходную термическую стабильность, но стоит дороже, чем BT. Используется, когда требуются очень тонкие подложки. Широко применяется в мобильных устройствах и системах с высокой надежностью.

CE-подложка – композитная эпоксидная смола, армированная стекловолокном. Обладает низким влагопоглощением. Часто используется в условиях высокой влажности.

Гибкая подложка – Полиимидные пленки позволяют создавать очень тонкие и гибкие подложки, повышающие устойчивость к ударам и вибрации. Это обеспечивает возможность изготовления тонких и компактных конструкций.

Керамические подложки из оксида или нитрида алюминия по-прежнему превосходны для некоторых чрезвычайно высокопроизводительных приложений, таких как аэрокосмическая промышленность, где их превосходная теплопроводность оправдывает надбавку к стоимости. Также появляются кремниевые или стеклянные прокладки для корпусов 2.5D/3D очень высокой плотности.

Почему важно автоматизированное проектирование подложек BGA

Сложность маршрутизации сложных шаблонов выхода и следов от сотен или тысяч контактов кристалла диктует необходимость автоматизированного компьютерного проектирования. Разметка подложки BGA вручную невозможна.

К критическим проблемам относятся:

Целостность сигнала – для обеспечения контролируемого и стабильного импеданса каждой цепи необходимо правильно подобрать геометрию трасс, а также использовать соответствующие опорные плоскости для снижения шума. Это требует автоматической оптимизации.

Целостность питания – Тщательное совместное проектирование силовых и заземляющих плоскостей для эффективного распределения питания по кремниевому кристаллу без чрезмерного шума. Развязывающие конденсаторы также должны быть правильно размещены.

Плотность размещения – для разводки выводов из массива контактных площадок BGA требуется шахматное расположение переходных отверстий и дорожек, а также оптимизированное назначение слоев во избежание перегрузки и увеличения длины.

Теплоотвод – Подложка должна обеспечивать достаточную теплопроводность от кристалла к печатной плате и окружающей среде. Теплоотводящие переходные отверстия помогают в этом.

Надежность – Правила проектирования ширины/расстояния между дорожками, структуры переходных отверстий, формы контактных площадок и материалов должны обеспечивать баланс между стоимостью и долговременной надежностью при температурных циклах, вибрации и т. д.

Только передовые инструменты EDA, сочетающие сложные алгоритмы маршрутизации, менеджеры ограничений, проверки правил проектирования и моделирование, могут обеспечить оптимальную конструкцию подложки, отвечающую техническим задачам, а также требованиям технологичности.

Ключевые соображения по проектированию подложки BGA

Вот некоторые из наиболее важных факторов, которые дизайнеры должны учитывать при разработке подложки BGA:

• Целостность сигнала – Трассы контролируемого импеданса, правильная опора и изоляция, подавление шума и предотвращение перекрестных помех имеют решающее значение для чистоты сигналов, особенно на высоких скоростях. Это становится возможным благодаря трассировке под прямым углом, опорным плоскостям, выбору диэлектриков, геометрии трасс, моделированию и согласованию длин.
• Целостность власти – Для подачи стабильного и малошумящего питания на кремниевый кристалл необходимы тщательная конструкция силовой панели, развязывающие конденсаторы и оптимизация массива регуляторов мощности. Необходимо провести анализ падения напряжения.
• Управление температурным режимом – Конструкция подложки должна обеспечивать эффективное кондуктивное и конвективное охлаждение кристалла через печатную плату. Тепловые переходы под кристаллом имеют важное значение. В этом помогают материалы с высокой проводимостью.
• Надежность – Подложка и следовые материалы, правила проектирования, моделирование, контрольные испытания и симуляция помогают обеспечить надежность при циклическом изменении температуры, вибрации, ударах, влажности и усталостных нагрузках на протяжении всего срока службы продукта.
• Спасаясь – Схемы отводящих трасс от плотного массива шариков к периметру требуют расположения рядов переходных отверстий/трасс в шахматном порядке, оптимизированных для плотности трассировки, соответствия длины и простоты. ИЧР часто необходим.
• Технологичность – Практика DFM на протяжении всего процесса проектирования гарантирует, что подложка может быть изготовлена, собрана, проверена и испытана надежно при оптимальных затратах.
• Плотность – Корпуса BGA с более высокой плотностью требуют более тонких диэлектриков, более тонких линий и пространств, меньших переходных отверстий, большего количества слоев и современных материалов для размещения количества межсоединений.

Шаг мяча в корпусах BGA

Шаг шариков — это расстояние между центрами соседних шариков припоя в сетке. Шаг постоянно уменьшался, чтобы обеспечить возможность использования корпусов BGA с более высокой плотностью. Некоторые текущие поля для мяча включают:

• 0.8 мм – широко используемый шаг для многих недорогих корпусов BGA средней плотности.
• 0.65 мм — обычный шаг высокой плотности для сложных микросхем размером примерно до 35x35 мм.
• 0.5 мм – считается сверхмалым шагом, достижимым при усовершенствованном производстве печатных плат.
• 0.4 мм – чрезвычайно малый шаг, расширяющий границы производственных возможностей.

Тенденция к меньшему шагу шарика позволяет либо уменьшить размер корпуса для заданного количества межсоединений, либо увеличить плотность размещения в корпусе большего размера. Однако усадка создает проблемы с контролем процесса сборки, надежностью паяных соединений, трудностями при доработке и чувствительностью к короблению печатной платы. Очень мелкий шаг требует жестких допусков.

Ключевые характеристики подложек BGA

                         

Некоторые из отличительных особенностей подложек BGA, которые объясняют их преимущества по сравнению с более старыми стилями корпусов, включают:

• Высокая плотность соединений – Возможность сконцентрировать от сотен до тысяч контактов на небольшой площади позволяет интегрировать больше функций и ввода-вывода в компактном форм-факторе.
• Низкая индуктивность – Минимальная длина проводов между кремниевым кристаллом и печатной платой обеспечивает превосходные электрические характеристики, особенно для высокочастотных сигналов.
• Короткие прямые соединения – Прямые вертикальные соединения исключают хрупкие соединения проводов и выводы, которые могут сломаться. Надежность выше.
• Совместимость процессов – Корпуса BGA можно монтировать на поверхность, как и другие компоненты SMT, на этапе сборки печатной платы, что снижает затраты.
• Теплопроводность – Прямой контакт с кристаллом и короткие соединения способствуют распространению тепла на печатную плату и окружающую среду, уменьшая количество горячих точек.
• Самовыравнивание – Поверхностное натяжение жидкого припоя выравнивает шарики с соответствующими контактными площадками во время сборки оплавлением. Меньшая чувствительность к точности размещения.
• способность быть свидетелем в суде – Пакеты BGA позволяют провести полное предварительное тестирование инкапсулированного кристалла перед монтажом на плату.

Проблемы маршрутизации подложки BGA

Трассировка дорожек внутри или на слоях подложки BGA создает сложные проблемы проектирования, в том числе:

Целостность сигнала – контроль импеданса трасс, перекрестных помех и качества сигнала требует согласования геометрии, правильной привязки, контроля шлейфов, фазового согласования и моделирования.

Целостность электропитания – Чистая подача электроэнергии зависит от низкоиндуктивных проводников, адекватной развязки, надлежащей плоскостной изоляции, теплового регулирования и анализа.

Плотность трассировки – Смещенные схемы выхода должны обеспечивать прокладку каналов между близко расположенными рядами переходных отверстий/дорожек, выходящих из плотной матричной структуры.

Производство – Правила проектирования, касающиеся ширины дорожек, расстояния между ними, формы, переходных отверстий и материалов, должны соответствовать производственным возможностям, одновременно оптимизируя стоимость и надежность.

Управление тепловым режимом – Подложка должна эффективно распределять тепло по печатной плате и окружающей среде, чтобы избежать образования зон перегрева под плотно расположенными кристаллами.

Надежность – Материалы, правила проектирования, контроль производства, моделирование и испытания помогают гарантировать, что подложка будет выдерживать нагрузки в течение всего срока службы изделия.

Передовые инструменты EDA и опытные инженеры необходимы для решения этих взаимозависимых проблем, избегая при этом чрезмерного проектирования, которое приводит к ненужным затратам. Разработка подложек осуществляется в интерактивном режиме с постоянной оптимизацией.

Обзор материалов подложек BGA

Как говорилось ранее, наиболее распространенные материалы, используемые для изготовления подложек BGA, включают:

Органические субстраты

• BT (бисмалеимид триазин) – широко используется благодаря балансу цены/производительности.
• Полиимид – отличная термическая стабильность, но более высокая стоимость.
• FR-4 – Традиционный эпоксидный материал для печатных плат, армированный стекловолокном, более низкая производительность/стоимость.
• CE (композитная эпоксидная смола) – используется в условиях повышенной влажности.
• Гибкие подложки. Полиимидные или LCP-пленки позволяют создавать тонкие гибкие подложки.

Керамические подложки

• Оксид алюминия (оксид алюминия) – наиболее распространенная и относительно недорогая керамика.
• Нитрид алюминия – высокая теплопроводность для очень требовательных применений.
• Бериллий – токсичность ограничивает использование керамики из оксида бериллия.

Другие усовершенствованные субстраты

• Кремниевые промежуточные устройства — возможность стекирования 2.5D/3D микросхем с помощью TSV
• Стеклянные переходники – изоляционные свойства подходят для межсоединений высокой плотности.

Выбор оптимального материала зависит от требований применения, таких как частота, уровни мощности, требования к надежности, диэлектрические свойства, затраты на изготовление и жизненный цикл продукта.

Проблемы процесса сборки BGA

Для достижения надежных паяных соединений при поверхностной сборке корпусов BGA на печатные платы рекомендуется соблюдать определенные технологические меры предосторожности:

• Примените достаточное количество тепла, чтобы надежно оплавить все шарики припоя, не перегревая чувствительные компоненты.
• Обеспечьте равномерный нагрев по всей площади BGA, чтобы избежать смещений при оплавлении, которые могут деформировать корпус.
• Используйте не требующую очистки паяльную пасту, предназначенную для сборки бессвинцовых BGA, чтобы избежать захвата остатков.
• Точно контролируйте температурные профили, включая линейное изменение, выдержку и охлаждение.
• Устранение надгробий за счет нанесения соответствующей пасты, центрирования компонентов и профилирования.
• Предотвратите образование пустот, нанося пасту в соответствующем объеме, соответствующем объему шара, конструкции отверстий и усилию размещения.
• Тщательно проверьте, нет ли признаков плохого смачивания, дефектов «голова в подушке», неоднородности и других дефектов.
• Проверка процессов посредством планирования экспериментов (DOE) и испытаний, таких как анализ сдвигающей силы на соединениях образцов.

При использовании BGA с мелким шагом сборка требует более жестких допусков, передовых методов контроля и очень последовательного управления процессом для достижения высокой производительности и надежности.

Проверка паяных соединений BGA

В отличие от более заметных соединений на основе свинца, паяные соединения под BGA не могут быть проверены визуально. Вместо этого рентгеновская визуализация является оптимальным решением для проверки качества внутренних паяных соединений после сборки BGA.

Системы автоматизированного рентгеновского контроля (AXI) генерируют изображения с высоким разрешением, показывающие:

• Выравнивание шарика припоя, высота зазора и сжатие
• Наличие пустот, трещин, недостаточного смачивания или других дефектов.
• Деформация шарика припоя от идеальной формы
• Неравномерность между суставами
• Посторонние предметы, загрязнения или остатки

AXI обеспечивает полный охват проверок для выявления дефектов сборки перед отправкой продукции, а также потенциальных долгосрочных рисков надежности. Возможности 3D дают дополнительную информацию о структуре сустава. При обнаружении каких-либо дефектов процесс можно скорректировать для устранения основной причины.

Доработка и ремонт BGA

Если осмотры после сборки или последующее тестирование выявят дефекты паяных соединений, размещения компонентов или межсоединений на уровне платы, связанные с монтажом BGA, потребуется доработка. Вот некоторые из лучших практик:

• Используйте специализированные системы ремонта BGA с предварительным нагревателем, термопарами, вакуумным датчиком и оптическим выравниванием.
• Выборочно направляйте тепло только на дефектный компонент, не перегревая близлежащие материалы.
• Тщательно контролируйте повышение температуры, скорость выдержки и охлаждения на протяжении всего процесса оплавления.
• Используйте паяльную пасту или флюс, предназначенные для ремонта BGA, чтобы надежно смачивать контактные площадки платы и избегать образования мостов.
• Используйте минимальные объемы паяльной пасты, соответствующие объемам контактных площадок/шариков, чтобы избежать избытка припоя.
• Визуально проверьте правильность выравнивания перед повторной оплавкой; после этого используйте AXI, чтобы подтвердить целостность сустава
• Удалите все остатки флюса после доработки с помощью чистящих средств, разработанных с низким содержанием остатков.

Для успешной доработки BGA с мелким шагом необходимы специальные инструменты, материалы и процессы. Профилактика предпочтительна за счет надежного проектирования процессов и контроля.

Преимущества BGA

Вот некоторые из ключевых преимуществ, которые сделали упаковку BGA широко распространенной в электронике:

Высокая плотность размещения – возможность сконцентрировать больше входных/выходных соединений на небольшой площади позволяет интегрировать дополнительные функции и возможности.

Высокоскоростная передача сигналов с сохранением целостности — короткие дорожки между кристаллом и платой обеспечивают преимущества в электрических характеристиках, особенно для быстрых цифровых сигналов.

Надежность – Прямые вертикальные межсоединения позволяют избежать хрупких проволочных соединений и выводов, подверженных поломкам из-за термических или механических напряжений.

Тепловые характеристики – прямой контакт кристалла и короткие замыкания способствуют отводу тепла от плотного, горячего кремния в печатную плату и окружающий воздух.

Гибкость проектирования – можно выбрать широкий спектр материалов подложки с различными диэлектрическими свойствами для удовлетворения технических и экономических требований.

Тестируемость – Заведомо исправные кристаллы можно полностью протестировать в корпусе BGA перед сборкой платы, что повышает выход годных изделий.

Совместимость с технологическими процессами – корпуса BGA могут устанавливаться на поверхность, как и другие компоненты SMT, что позволяет использовать возможности крупномасштабной сборки печатных плат.

Ограничения пакетов BGA

Несмотря на значительные преимущества, BGA также имеют некоторые ограничения и компромиссы:

Возможность визуального осмотра – невозможность визуального осмотра внутренних паяных соединений означает, что для проверки целостности сборки необходим рентгеновский контроль.

Сложность ремонта – удаление и замена BGA-компонентов без повреждения плат или соседних компонентов требует использования современных инструментов и навыков.

Чувствительность к деформации печатных плат – термические напряжения могут деформировать платы настолько, что нарушаются соединения с легко деформирующимися шариками припоя под большими BGA-чипами.

Стоимость – Использование высокоплотных технологий изготовления межсоединений и современных материалов подложек обуславливает более высокую стоимость по сравнению со старыми типами корпусов с меньшим количеством контактов.

Перегрузка трассировки сигналов – BGA-компоненты с очень большим количеством входов/выходов требуют множества плотных слоев трассировки и сложных схем выхода, что увеличивает затраты на изготовление печатной платы.

Межсоединений второго уровня — для крепления кристалла к подложке BGA перед монтажом платы требуется отдельный этап сборки.

Тепловые напряжения – для предотвращения отказов, вызванных температурными циклами, необходимо учитывать несоответствие коэффициентов теплового расширения между кремнием, подложкой, платой и припоем.

Подложки BGA против LGA

Пакеты наземных сетевых массивов (LGA) предлагают альтернативу BGA с некоторыми явными компромиссами:

Возможность снятия – в LGA-компонентах используются контактные площадки вместо шариков припоя, что позволяет устанавливать/извлекать их из разъемов на печатных платах. BGA-компоненты припаиваются намертво.

Надежность – разъемы LGA предотвращают отказы из-за усталости припоя, но многочисленные межсоединения разъемов менее надежны, чем паяные соединения, при термических циклах.

Ремонт – Неисправные LGA-компоненты можно отсоединить и заменить без выпаивания или нагрева платы. Для BGA-компонентов требуется повторная пайка оплавлением.

Контактная протирка – контактные площадки LGA трутся о контакты разъема во время установки, удаляя окисление и загрязнения, что обеспечивает низкое контактное сопротивление. В случае BGA используется только пайка.

Трассировка – для LGA-чипов требуется высокая плотность металлизированных сквозных отверстий и переходных отверстий для выводов разъема, тогда как для BGA-чипов необходима разводка дорожек.

Профиль разъема – LGA как минимум на высоту сокета выше, чем BGA. BGA имеет более низкий профиль.

Стоимость – При крупносерийном производстве BGA-чипы, как правило, обходятся дешевле. LGA-чипы могут быть предпочтительнее для средних объемов.

Оптимальный выбор зависит от целевых затрат, ожидаемого жизненного цикла, потребностей в обслуживании на местах и ​​требований к производительности.

Применение BGA в различных отраслях

Высокая производительность, небольшой размер и надежность корпусов BGA нашли применение в широком спектре приложений:

Потребительская электроника:

• Смартфоны, планшеты, ноутбуки
• Игровые консоли, приставки
• Цифровые фотоаппараты, носимые устройства

Автомобильная

• Блоки управления двигателем, информационно-развлекательная система
• Модули ADAS, LiDAR
• Контроллеры кузова

Аэрокосмическая и военная промышленность

• Компьютерные платы авионики
• Радарные системы и системы визуализации
• Системы наведения ракет

Телекоммуникации и сети

• Коммутаторы, роутеры, базовые станции
• Серверы
• Оптоволоконные модули

Мед

• Системы визуализации, такие как МРТ, КТ, ПЭТ-сканеры.
• Мониторинг пациента и диагностика
• Имплантируемые устройства, такие как кардиостимуляторы

Заключение

Как показано в этом руководстве, подложки BGA требуют тщательного проектирования во многих дисциплинах — электротехнике, теплотехнике, механике, материаловедении, физике, производстве и многих других.

При правильном проектировании подложки BGA обеспечивают высоконадежный метод соединения, позволяющий продолжать технологический прогресс. Но они требуют тщательного моделирования, анализа, соблюдения правильных методов проектирования и жесткого контроля процессов для достижения целей качества и надежности продукции.