BGA-kapslingstyper för kretskortsdesign och montering

En ball grid array (BGA) är ett ytmonterat kapsling som ansluts till kortet via ett rutnät av lödkulor under komponenten istället för ledare runt kanten. Det arrangemanget möjliggör många anslutningar på liten yta med god elektrisk och termisk prestanda, vilket är anledningen till att BGA dominerar moderna processorer, minnen och komplexa integrerade kretsar. Det finns flera typer, plast, keramik, tejp, fine-pitch, chip-scale, flip-chip med flera, var och en med sina egna avvägningar. Den här guiden förklarar de viktigaste BGA-typerna, deras viktigaste egenskaper och vad de betyder för montering, inspektion och kortdesign.

Vad är ett BGA-paket?

En BGA placerar sina anslutningar som en uppsättning lödkulor på undersidan av paketet. När kortet omformas smälter dessa kulor och sammanfogas med matchande plattor, vilket bildar den elektriska och mekaniska anslutningen.

Varför formatet finns

Blyförsedda kapslar får ont om plats när I/O-antalet ökar, eftersom kablarna bara får plats runt omkretsen. Ett rutnät av kulor använder hela undersidan, så en BGA erbjuder betydligt fler anslutningar i samma område, med kortare vägar som förbättrar den elektriska prestandan och en stor termisk kontakt för värmeavledning. Avvägningen är att skarvarna är dolda, vilket formar allt kring montering och inspektion.

Var BGA används

Processorer, minne, FPGA:er och andra högpresterande I/O-enheter är nästan alla BGA:er. Att arbeta med dem på ett säkert sätt är en del av modern kretskortsmontering , särskilt på täta, högpresterande kort.

Typer av BGA-paket (PBGA, CBGA, FBGA, FCBGA)

Etiketten "BGA" täcker en familj av relaterade kapslar som skiljer sig huvudsakligen åt i substratmaterial och hur chipen är fäst.

De stora skillnaderna är substratet (plast, keramik eller tejp), om chipet är flip-chip-monterat (FCBGA, för högsta prestanda), och om delen ens har kulor, en LGA har kontakter och får sitt lödtenn från kortet. PoP är en paketeringsstrategi som staplar enheter för att spara kortyta. Rätt typ dikteras vanligtvis av vilket chip du måste använda, inte ett fritt val.

BGA kontra ledningsförsedda kapslar (QFP och QFN)

Det hjälper att se var BGA:er ligger i förhållande till leadförsedda kapslar som QFP och QFN.

BGA:er vinner på I/O-densitet och på elektrisk och termisk prestanda, vilket är anledningen till att enheter med många pinnar och hög hastighet använder dem. Avvägningarna är inspektion (röntgen istället för visuell), omarbetning (varmluft och ombollning istället för ett strykjärn) och ofta ett mer komplext kort. För lägre pinnantal kan ett ledareat paket vara enklare; valet följer vanligtvis delen. Hur som helst, planerar man fotavtrycket och staplingen under en designgranskning för att det valda paketet ska vara tillverkningsbart.

BGA-pitch- och bollantal

Pitch, avståndet mellan kulornas centrum, är det attribut som mest påverkar hur svår en BGA är att tillverka och montera.

När tonhöjden krymper kan man inte längre leda ett spår mellan kulorna, så kortet behöver fler lager, mindre vias och ofta via-in-pad. Finpitch BGA:er driver därför en design mot HDI-tekniker som används vid höghastighets- och högdensitetstillverkning. Högre antal kulor förvärrar detta, eftersom varje kula behöver en väg ut.

BGA-kulans sammansättning och fuktkänslighet

Två väsentliga fakta om BGA:er påverkar hur de hanteras och löds.

• Kullegering. Moderna BGA-enheter använder blyfria (tenn-silver-koppar) kulor, som ställer in återflödestopptemperaturen; äldre delar kan använda blyhaltiga kulor.
• Fuktkänslighet (MSL). BGA-elektroner är fuktkänsliga: absorberad fukt kan bli till ånga under omsmältning och skada förpackningen ("popcorning"), så delar klassificeras av MSL och bakas före montering om de exponeras.

Att respektera MSL-hanteringen, hålla delarna torra och baka vid behov är ett grundläggande men kritiskt steg. Att hoppa över det kan orsaka skador på förpackningar under omsmältningen oavsett hur bra resten av processen är, vilket är anledningen till att det är inbyggt i ett kontrollerat monteringsflöde.

Hur BGA:er monteras

Att placera en BGA är rutinmässigt på en automatiserad linje, men det beror på att några saker går rätt till.

• Schablon och klistra. En korrekt utformad stencil avsätter rätt pastavolym på varje dyna.
• Placering. Delen är placerad över sina dynor; den behöver inte perfekt uppriktning på grund av nästa punkt.
• Omflödningsprofil. En kontrollerad profil smälter kulorna; ytspänning drar sedan paketet till rätt position ("självcentrering").
• Termisk balans. Profilen måste passa brädans massa så att varje boll når temperaturen tillsammans.

Självcentrering är en av BGA:s finare egenskaper, smälta kulor drar paketet på plats. Men det fungerar bara med en bra pastabeläggning och en profil som matchar kortet, vilket är svårare på termiskt tunga kort som metallkärnaggregat . Att få profilen rätt första gången är det som gör BGA-monteringen tillförlitlig.

Hur BGA-lödfogar inspekteras (röntgen)

Eftersom varje skarv är dold under förpackningen kan man inte bedöma en BGA med ögat. Röntgen är det primära inspektionsverktyget.

Skevhet och koplanaritet är vanliga bovar: om paketet eller brädan böjer sig vid omsmältning, kanske hörn- eller mittkulorna inte nuddar sina dynor, vilket orsakar öppningar eller defekter mellan skarvarna. Röntgen avslöjar dessa dolda problem, och på kritiska brädor är det ett obligatoriskt steg, inte ett alternativ. Visuell inspektion kan endast bekräfta den yttre radens kanter, inte själva skarvarna.

Designa ett kretskort för BGA-kapslingar

En BGA:s tillförlitlighet bestäms till stor del av kortdesignen, innan en enda del placeras.

Utrymningsvägar och vias

Varje boll behöver en väg ut. Vid större stigning fungerar en kort "dog-bone"-spårning till en via mellan bollarna. Vid fin stigning finns det inget utrymme, så via-in-pad, en fylld och kapslad via direkt i padden, blir nödvändig, vilket i sin tur kräver HDI-tillverkning.

Design av dyna och stencil

Typ av dyna (lödmaskdefinierad kontra icke-lödmaskdefinierad) och schablonöppning påverkar fogform och tillförlitlighet, och de bör följa förpackningens och monteringsriktlinjerna. Det här är exakt de detaljer som en design-för-tillverkningsgranskning kontrollerar före tillverkning.

Stapling och tillverkning

Finpitchiga BGA-enheter med högt kultal driver lagerantal, mikroviastrukturer och registreringstoleranser, allt bestämt under kretskortstillverkningen . Genom att designa kortet och BGA-utloppet tillsammans undviks en del som inte kan dras eller lödas tillförlitligt.

BGA-omarbetning och ombollning

BGA:er kan tas bort och ersättas, men processen är specialiserad.

• Borttagning. En varmlufts- eller infraröd omarbetningsstation återflödar de dolda kulorna så att paketet kan lyftas rakt upp.
• Ombollning. För att återanvända en BGA appliceras nya kulor med en stencil och förform, vilket återställer matrisen.
• Verifiering. De omarbetade fogarna kontrolleras med röntgen, eftersom de förblir osynliga.

Omarbetning av BGA-element är vanligt för dyra eller föråldrade enheter, men det kräver rätt utrustning och en kontrollerad profil. För de flesta produktioner är det mycket bättre att få originalmonteringen rätt, med bra pasta, profil och design, än att omarbeta BGA-element, och den konsekvensen är viktigast vid montering av stora volymer.

Få en offert för BGA-montering

BGA finns i många typer, plast, keramik, fine-pitch, chip-scale, flip-chip, LGA och PoP, men de delar dolda, kulbaserade fogar som kräver noggrann design, en kontrollerad reflow-profil och röntgeninspektion. Välj den typ som ditt chip kräver, designa utrymningsvägen så att den matchar stigningen och verifiera med röntgen. Du kan läsa mer om Highleap Electronics och vår BGA-monteringskapacitet.

Vanliga frågor om partihandel med mat och dryck

Vad är ett BGA-paket?

En ball grid array är ett ytmonterat paket som ansluts till kortet via ett rutnät av lödkulor på undersidan istället för ledare runt kanten. Detta packar många anslutningar på ett litet område med god elektrisk och termisk prestanda, vilket är anledningen till att processorer, minne och komplexa integrerade kretsar använder det.

Vilka är de viktigaste typerna av BGA?

Plast (PBGA), keramik (CBGA), tejp (TBGA), fine-pitch (FBGA), chip-scale (uBGA/CSP), flip-chip (FCBGA), land grid array (LGA, som har pads inte kulor) och package-on-package (PoP, som staplar enheter). De skiljer sig huvudsakligen åt i substratmaterial och hur chipen är fäst.

Vad är skillnaden mellan en BGA och en LGA?

En BGA levereras med lödkulor redan på paketet, medan en LGA har plana ytor och inga kulor, och får sitt lödtenn från pastan som trycks på kortet under monteringen. Annars är båda grid-array, bottenanslutna kapslar och delar liknande routing- och inspektionsöverväganden.

Varför kräver BGA-enheter röntgeninspektion?

Eftersom lödfogarna sitter under kapslingen och inte kan ses är röntgen det enda sättet att bekräfta dem. Det avslöjar hålrum, bryggor, head-in-pillow-skarvar och öppna skarvar, särskilt de som orsakas av att kapslingen eller kortet är skevt. På kritiska kort är röntgen ett obligatoriskt inspektionssteg snarare än valfritt.

Vilken tonhöjd räknas som finhöjd, och varför spelar det roll?

Stigningar på ungefär 0.5 mm och mindre är finsteg. De är viktiga eftersom man inte längre kan dirigera en spårning mellan kulorna, så brädan behöver fler lager, mikrovias och via-in-pad, vilket driver den mot HDI-tillverkning. Större stigningar (1.0 till 1.27 mm) dirigeras med standardtekniker.

Vad är en via-in-pad och när behövs den?

Via-in-pad placerar en via direkt inuti BGA-plattan, med viaen fylld och kapslad så att den kan lödas över. Den behövs vid fin stigning, där det inte finns utrymme för ett "dogbone escape"-spår till en via bredvid kulan. Den kräver HDI-tillverkning och ökar kostnaden men möjliggör tät routing.

Kan en BGA tas bort och återanvändas?

Ja, med varmlufts- eller infraröd omarbetning för att ta bort den och omlödning för att applicera nya lödkulor innan återanvändning, följt av röntgenverifiering. Det är vanligt för dyra eller föråldrade delar, men det kräver rätt utrustning och en kontrollerad profil. För produktion är en korrekt första-pass-montering att föredra framför omarbetning av BGA:er.

När ska jag använda en BGA istället för ett ledningsförsett paket?

Använd en BGA när delen har ett högt antal I/O eller behöver den bättre elektriska och termiska prestandan hos ett komplett undersidesnät, vilket är anledningen till att processorer och FPGA:er använder dem. För lägre antal pinnar kan ett ledningsförsett kapsling som en QFP eller QFN vara enklare att montera, handbearbeta och inspektera. Det är ofta vilket chip du måste använda som avgör det.