Типи корпусів BGA для проектування та складання друкованих плат

Кулькова сітка (BGA) – це корпус для поверхневого монтажу, який підключається до плати через сітку з кульок припою під компонентом, а не через виводи по його краю. Таке розташування дозволяє створювати багато з'єднань на невеликій площі з хорошими електричними та тепловими характеристиками, саме тому BGA домінують у сучасних процесорах, пам'яті та складних інтегральних схемах. Існує кілька типів: пластикові, керамічні, стрічкові, з дрібним кроком, масштабовані на кристалах, фліп-чіп та інші, кожен з яких має свої недоліки. У цьому посібнику пояснюються основні типи BGA, їхні ключові характеристики та їх значення для складання, перевірки та проектування плат. Для складання друкованих плат мікро-BGA крок корпусу та геометрію кульок необхідно враховувати разом із схемою розташування контактів, конструкцією трафарету та перевіркою прихованих з'єднань.

Що таке BGA-корпус?

BGA розміщує свої контакти у вигляді масиву кульок припою на дні корпусу. Коли плата оплавляється, ці кульки плавляться та з'єднуються з відповідними контактними площадками, утворюючи електричне та механічне з'єднання.

Чому існує цей формат

У корпусах з виводами закінчується місце зі зростанням кількості вводів/виводів, оскільки виводи розміщуються лише по периметру. Сітка з кульок використовує всю нижню сторону, тому BGA пропонує набагато більше з'єднань в одній області, з коротшими шляхами, що покращує електричні характеристики, та великим тепловим контактом для відведення тепла. Компроміс полягає в тому, що з'єднання приховані, що впливає на все, що стосується складання та перевірки.

Де використовуються BGA

Процесори, пам'ять, FPGA та інші пристрої з високим обсягом вводу/виводу майже всі є BGA. Впевнена робота з ними є частиною сучасного складання друкованих плат , особливо на щільних, високопродуктивних платах.

Типи корпусів BGA (PBGA, CBGA, FBGA, FCBGA)

Маркування «BGA» охоплює сімейство пов'язаних корпусів, які відрізняються головним чином матеріалом підкладки та способом кріплення кристала.

Основні відмінності полягають у підкладці (пластик, кераміка чи стрічка), чи монтується кристал методом фліп-чіп (FCBGA для найвищої продуктивності), і чи має деталь взагалі кульки. LGA має контакти та отримує припій з пасти плати. PoP — це стратегія упаковки, яка передбачає розміщення пристроїв один на одному для економії місця на платі. Правильний тип зазвичай визначається типом чіпа, який ви маєте використовувати, а не вільним вибором.

Корпуси BGA проти вивідних корпусів (QFP та QFN)

Це допомагає побачити, яке розташування BGA займають порівняно з корпусами з виводами, такими як QFP та QFN.

BGA виграють за щільністю вводу/виводу, а також за електричними та тепловими характеристиками, саме тому їх використовують пристрої з великою кількістю виводів та високою швидкістю . Компромісами є перевірка (рентгенівський замість візуального), повторна обробка (гаряче повітря та реболлінг замість заліза) та часто складніша плата. Для меншої кількості виводів корпус з виводами може бути простішим; вибір зазвичай слідує за деталлю. У будь-якому випадку, планування розміру та розміщення елементів під час перевірки проекту забезпечує технологічність вибраного корпусу.

Крок BGA та кількість кульок

Крок, відстань між центрами кульок, є атрибутом, який найбільше впливає на складність виготовлення та складання BGA.

Зі зменшенням кроку ви більше не можете прокладати доріжку між кульками, тому плата потребує більше шарів, менших перехідних отворів і часто встановлення перехідних отворів у контактні площадки. Таким чином, BGA з дрібним кроком підштовхують конструкцію до методів HDI, що використовуються у високошвидкісному та високощільному виробництві. Більша кількість кульок посилює цю проблему, оскільки кожна кулька потребує виходу. Для деталі, ідентифікованої як uBGA, при розгляді складання, специфічного для корпусу uBGA, слід використовувати фактичне креслення компонента та розташування кульок, а не робити висновків про процес на основі назви корпусу.

Склад BGA-кульок та чутливість до вологи

Два суттєві факти про BGA впливають на те, як з ними поводяться та як їх паяють.

• Кульковий сплав. Сучасні BGA використовують безсвинцеві (олово-срібло-мідь) кульки, які встановлюють пікову температуру оплавлення; у застарілих деталях можуть використовуватися свинцеві кульки.
• Чутливість до вологи (ЧВВ). BGA чутливі до вологи: поглинена волога може спалахнути, перетворюючись на пару під час оплавлення та пошкодити корпус («попкорнінг»), тому деталі оцінюються за стандартом MSL та випікаються перед складанням, якщо вони піддаються впливу вологи.

Дотримання правил поводження з MSL, підтримка деталей сухими та випалювання за потреби – це базовий, але критично важливий крок. Його пропуск може призвести до розтріскування упаковок під час оплавлення, незалежно від того, наскільки якісним є решта процесу, тому він вбудований у контрольований процес складання.

Як збираються BGA

Розміщення BGA-чіпсету є рутинною процедурою на автоматизованій лінії, але вона залежить від кількох правильних дій.

• Трафарет і клей. Правильно розроблений трафарет наносить потрібний об'єм пасти на кожну подушечку.
• Розміщення. Деталь розташовується над своїми контактними площадками; їй не потрібне ідеальне вирівнювання через наступну точку.
• Профіль переплавлення. Контрольований профіль плавить кульки; поверхневий натяг потім вирівнює упаковку («самоцентрування»).
• Тепловий баланс. Профіль повинен відповідати масі дошки, щоб кожна кулька одночасно досягала температури.

Самоцентрування – одна з найкращих рис BGA, розплавлені кульки міцно притягують корпус до потрібного положення. Але це працює лише з якісним нанесенням пасти та профілем, що відповідає профілю плати, що складніше зробити на термічно важких платах, таких як збірки з металевим сердечником . Правильний вибір профілю з першого разу робить збірку BGA надійною.

Як перевіряються паяні з'єднання BGA (рентгенівський знімок)

Оскільки кожне з'єднання приховано під корпусом, ви не можете оцінити BGA на око. Рентген є основним інструментом перевірки.

Деформація та компланарність є поширеними винуватцями: якщо корпус або плата вигинається під час оплавлення, кутові або центральні кульки можуть не торкатися своїх контактних площадок, що призводить до розривів або дефектів «головка в подушці». Рентгенівський знімок виявляє ці приховані проблеми, і на критичних платах це обов'язковий крок, а не варіант. Візуальний огляд може підтвердити лише краї зовнішнього ряду, а не самі стики.

Проектування друкованої плати для корпусів BGA

Надійність BGA значною мірою визначається конструкцією плати, ще до встановлення окремої деталі.

Евакуаційні маршрути та переходні отвори

Кожній кульці потрібен вихідний шлях. При більшому кроці підходить короткий шлях у формі «собачої кістки» до переходного отвору між кульками. При дрібному кроці місця немає, тому стає необхідним перехідний отвір у майданчику, заповнений та закритий перехідний отвір безпосередньо в майданчику, що, у свою чергу, вимагає виготовлення HDI.

Дизайн подушечки та трафарету

Тип контактної площадки (визначена паяльною маскою чи невизначена паяльною маскою) та отвір трафарету впливають на форму та надійність з'єднання, і вони повинні відповідати інструкціям з упаковки та складання. Саме ці деталі перевіряються під час перевірки конструкції для виробництва перед виготовленням.

Складання та виготовлення

Кількість шарів керування BGA з великим числом кульок, структури мікровідверстий та допуски реєстрації визначаються під час виробництва друкованої плати . Спільне проектування плати та виходу BGA дозволяє уникнути деталі, яку неможливо прокласти або надійно припаяти.

Переробка та реболлінг BGA

BGA можна знімати та замінювати, але цей процес є специфічним.

• Видалення. Станція паяння гарячим повітрям або інфрачервоним випромінюванням паяє приховані кульки, щоб упаковку можна було підняти прямо вгору.
• Реболінг. Для повторного використання BGA на свіжі кульки наносяться трафаретом і преформою, відновлюючи масив.
• Перевірка. Перероблені суглоби перевіряються рентгеном, оскільки вони залишаються невидимими.

Реболінг є поширеним явищем для дорогих або застарілих пристроїв, але він вимагає правильного обладнання та контрольованого профілю. Для більшості виробництв правильне виготовлення оригінальної збірки з гарною пастою, профілем та дизайном набагато краще, ніж переробка BGA, і ця узгодженість має найбільше значення при великосерійному складанні.

Отримайте цінову пропозицію на складання BGA

BGA бувають різних типів: пластикові, керамічні, з дрібним кроком, масштабні, фліп-чіп, LGA та PoP, але всі вони мають приховані кулькові з'єднання, які вимагають ретельного проектування, контрольованого профілю оплавлення та рентгенівського контролю. Виберіть тип, який диктує ваш чіп, спроектуйте маршрутизацію відповідно до кроку та перевірте за допомогою рентгенівського дослідження. Ви можете дізнатися більше про Highleap Electronics та наші можливості складання BGA.

Поширені запитання

Що таке BGA-корпус?

Кулькова сітка — це корпус для поверхневого монтажу, який підключається до плати через сітку з кульок припою на нижній стороні, а не через виводи по краю. Це дозволяє об'єднати багато з'єднань на невеликій площі з хорошими електричними та тепловими характеристиками, саме тому його використовують у процесорах, пам'яті та складних мікросхемах.

Які основні типи BGA?

Пластикові (PBGA), керамічні (CBGA), стрічкові (TBGA), дрібнокрокові (FBGA), мікросхеми масштабування (uBGA/CSP), фліп-чіп (FCBGA), плоскі сітки (LGA, яка має контактні площадки, а не кульки) та корпус-на-корпусі (PoP, який об'єднує пристрої в стек). Вони відрізняються головним чином матеріалом підкладки та способом кріплення кристала.

Яка різниця між BGA та LGA?

BGA постачається з уже наявними кульками припою на корпусі, тоді як LGA має плоскі контакти та не має кульок, отримуючи припій з пасти, нанесеної на плату під час складання. В іншому випадку обидва корпуси є сітчасто-матричними, з нижнім підключенням та мають схожі особливості трасування та перевірки.

Чому BGA потребують рентгенівського контролю?

Оскільки паяні з'єднання розташовані під корпусом і їх не видно, єдиний спосіб їх підтвердити – це рентген. Він виявляє порожнини, перемички, «головки в подушці» та відкриті з'єднання, особливо ті, що спричинені деформацією корпусу або плати. На критичних платах рентгенівське дослідження є обов'язковим кроком перевірки, а не додатковим.

Який тон вважається дрібним і чому це важливо?

Крок приблизно 0.5 мм і менше називається дрібним кроком. Він важливий, оскільки більше не можна прокладати доріжку між кульками, тому плата потребує більше шарів, мікровідверстий та відверстий у контактній площадкі, що наближає її до виготовлення HDI. Більший крок (від 1.0 до 1.27 мм) прокладається стандартними методами.

Що таке via-in-pad і коли він потрібен?

При використанні технології «перехід у контактній площадкі» перехідний отвір розміщується безпосередньо всередині контактної площадки BGA, при цьому перехідний отвір заповнюється та закривається кришкою для можливості припаювання. Це необхідно для місць з дрібним кроком, де немає місця для виходу у формі «догонячої кістки» до контактного отвору поруч із кулькою. Це вимагає виготовлення HDI та збільшує вартість, але дозволяє щільну трасування.

Чи можна зняти та використати BGA повторно?

Так, за допомогою гарячого повітряного або інфрачервоного відновлення для його видалення та реболлінгу для нанесення свіжих кульок припою перед повторним використанням, з подальшою рентгенівською перевіркою. Це поширена практика для дорогих або застарілих деталей, але для цього потрібне належне обладнання та контрольований профіль. Для виробництва правильне складання першого проходу краще, ніж переробка BGA.

Коли слід використовувати BGA замість корпусу з виводами?

Використовуйте BGA, коли деталь має велику кількість вводів/виводів або потребує кращих електричних та теплових характеристик повнорозмірної нижньої сітки, саме тому процесори та FPGA використовують їх. Для меншої кількості контактів корпус з виводами, такий як QFP або QFN, може бути простішим у збірці, ручній обробці та перевірці. Часто це вирішує тип чіпа, який ви повинні використовувати.