Introdução do BGA

BGA é a abreviatura de Ball Grid Array Structure.É uma das maneiras mais comuns de interconectar circuitos integrados (ICs) e placas impressas usando um método de embalagem de placa transportadora orgânica.

A tecnologia de pacote BGA é aprimorada a partir da matriz de grade de pinos, é uma superfície para um arranjo de grade do caminho coberto (ou parcialmente coberto) com pinos do método de embalagem, na operação dos sinais eletrônicos do IC podem ser transmitidos para o impresso placa de circuito onde está localizada (placa de circuito impresso, doravante denominada PCB).

Os pacotes BGA oferecem mais pinos do que outros pacotes, como pacotes duplos em linha ou pacotes planos de quatro pinos laterais.Toda a superfície inferior do dispositivo pode ser usada como pinos em vez de apenas a periferia, e tem um comprimento médio de fio mais curto do que os tipos de pacotes periféricos limitados para melhor desempenho em alta velocidade.A soldagem de pacotes BGA requer controle preciso e geralmente é feita por equipamentos de fábrica com processos automatizados;Os pacotes BGA não são adequados para montagem em slot.

Classificação BGA

Os pacotes BGA vêm em vários formatos, formando uma família de pacotes que diferem não apenas no tamanho e no número de IOs, mas também na estrutura física e nos materiais do pacote.Uma forma específica de BGA pode ter vários tamanhos, mas deve usar a mesma construção física e os mesmos materiais.A seguir focaremos na análise de três pacotes BGA específicos, cada um com uma forma de construção diferente.

1, plástico BGA: O pacote plástico Ball Grid Array (PBGA) é a forma mais comum de pacote BGA em produção atualmente.Suas vantagens atraentes são:

* fibra de vidro e substrato de resina BT, com cerca de 0,4 mm de espessura

*Os chips são soldados diretamente ao substrato

*O chip está conectado ao substrato por fios.

*A moldagem de plástico encapsula a maior parte do chip, da conexão do fio e da superfície do substrato.

Esferas de solda (geralmente material eutético) são soldadas na base inferior do substrato.Porém, um parâmetro que não é universal é a área de cobertura da moldagem em relação à área total do substrato.Para alguns plastisóis, o plástico moldado cobre quase completamente todo o substrato, em contraste, alguns são estritamente limitados a uma pequena área no centro.Isto também terá um impacto no calor aplicado às juntas de solda.

2, BGA cerâmico (CBGA): Para qualquer pacote IC cerâmico, o material mais básico no BGA cerâmico é um substrato multicamadas de circuito de interconexão de metal precioso.Este tipo de vedação da embalagem para condução de calor através da embalagem tem o maior impacto.A “tampa” da embalagem pode ser feita de uma variedade de materiais e geralmente há um espaço vazio embaixo da “tampa”.Esta lacuna impedirá o aquecimento das juntas de solda inferiores do corpo da embalagem.

3, 'Aprimorado' BGA: 'Aprimorado' BGA é um termo relativamente novo que ainda não foi definido com precisão.Normalmente a palavra “aprimoramento” significa a adição de um material na estrutura para melhorar seu desempenho.Na maioria dos casos, o material adicionado é metálico e serve para melhorar a dissipação de calor do CI durante a operação normal.Isto é importante porque uma das vantagens dos BGAs é que eles fornecem um grande número de IOs para o CI, e como esse tipo de chip geralmente gera uma quantidade significativa de calor em uma área muito pequena, o pacote precisa ser projetado para dissipar o calor.Uma embalagem especial aprimorada, referida neste artigo como 'Super BGA' (SBGA), é construída com uma cavidade de cobre invertida na parte superior da embalagem para aumentar a dissipação de calor para o ambiente circundante.Um substrato fino e flexível é soldado à superfície inferior do chip de cobre como uma almofada para fixar diversas fileiras de esferas de solda ao longo da periferia (ou seja, não há distribuição de esferas de solda no centro, consulte JEDEC).Fios internos conectam o substrato ao chip, e o chip é moldado por baixo.A Tabela 1 lista os parâmetros físicos do pacote BGA.PLCC84 está incluído na tabela como referência de características e desempenho.É interessante notar que, exceto a métrica IO, todas as outras métricas do PLCC são valores intermediários.

Vantagens e desvantagens do BGA.

1, vantagens BGA

Alta densidade

A tecnologia de empacotamento BGA é uma solução para o desafio de reduzir o tamanho do pacote ao produzir circuitos integrados com centenas de pinos.A produção de pacotes de montagem em superfície (circuito integrado de contorno pequeno; SOIC) em matrizes de grade fixadas e pacotes duplos em linha levou a dificuldades no processo de soldagem, pois mais e mais pinos precisam ser adicionados e a lacuna entre eles precisa ser reduzido.Isto leva a dificuldades no processo de soldagem.À medida que os pinos do pacote se aproximam, o risco de pontes acidentais com pinos vizinhos durante a soldagem aumenta, o que não é um problema com a tecnologia de empacotamento BGA na soldagem implementada de fábrica.

Condutividade térmica

Outra vantagem da tecnologia de empacotamento BGA sobre outras tecnologias de empacotamento com pinos separados (por exemplo, tecnologia de empacotamento contendo pinos) é a baixa impedância térmica entre o pacote e o PCB.Isso permite que o calor gerado pelos ICs dentro da embalagem seja transferido mais facilmente para a PCB, evitando o superaquecimento do chip.

Pinos de baixa indutância

Condutores mais curtos também significam menos indutância indesejada, uma característica que pode levar à distorção indesejada do sinal em circuitos eletrônicos de alta velocidade. A tecnologia de pacote BGA, com uma distância muito curta entre o pacote e o PCB, possui pinos de baixa indutância, que fornecem características eletrônicas superiores em comparação com dispositivos de pinos.

Desvantagens do BGA

Contato não extensível

Uma das desvantagens dos pacotes BGA é que as esferas de solda não são capazes de esticar como pinos longos, portanto não apresentam rigidez do material em suas propriedades físicas.Todos os dispositivos montados em superfície podem quebrar as juntas de solda devido à flexão (tensão térmica) ou alongamento e vibração (tensão mecânica) devido à diferença no coeficiente de expansão térmica entre o substrato PCB e o pacote BGA.

O problema da expansão térmica pode ser resolvido combinando as características térmicas semelhantes do PCB e do pacote, e normalmente os dispositivos BGA plastificados podem corresponder mais às características térmicas do PCB do que os dispositivos BGA de cerâmica.

A ampla adoção de ligas de solda sem chumbo em conformidade com RoHS em linhas de produção demonstra ainda mais os desafios que as embalagens BGA precisam enfrentar, como os problemas de 'cabeça no travesseiro' e 'cratera de almofada' durante o refluxo. processo, em comparação com os problemas de 'crateras' que os pacotes BGA enfrentam.Comparados aos pacotes BGA com solda com chumbo, alguns pacotes BGA são menos confiáveis ​​em ambientes extremos, como altas temperaturas, alto choque térmico e alta força G devido à baixa ductilidade das soldas compatíveis com RoHS.

Problemas de estresse mecânico podem ser resolvidos ligando o dispositivo à placa por meio de um processo chamado 'Subenchimento', onde uma mistura de epóxi é injetada sob o dispositivo após ele ter sido soldado à placa de circuito impresso, unindo efetivamente o dispositivo BGA à placa de circuito impresso.Vários materiais de enchimento estão disponíveis para fornecer propriedades diferentes para diferentes aplicações e requisitos de transferência térmica.Outro benefício do preenchimento insuficiente é que ele limita o crescimento dos bigodes de estanho.

Outra solução para tratar juntas não dúcteis é colocar um “revestimento dúctil” dentro da embalagem que permite que as esferas de solda na parte inferior se movam para sua posição real em relação à embalagem.Esta técnica se tornou um dos padrões para DRAMs empacotados em BGA.

Outras técnicas usadas para aumentar a confiabilidade da embalagem no nível do PCB incluem PCBs de baixa ductilidade para BGAs cerâmicos (CBGAs), placas intermediárias (interposers) introduzidas entre a embalagem e o PCB ou dispositivos de reembalagem.

Dificuldade de inspeção

Quando a embalagem é soldada na posição, fica difícil encontrar defeitos na soldagem.Para detectar o fundo da embalagem soldada, a indústria desenvolveu máquinas de raios X, tomógrafos industriais, microscópios especiais, endoscópios e outros equipamentos para superar esse problema.Se um pedaço da embalagem BGA for encontrado para colar a falha de soldagem, pode-se ir para a 'estação de retrabalho' (comumente conhecida como estação de retrabalho) para removê-lo, que é equipado com lâmpadas infravermelhas (ou sopradores de ar quente), como bem como a disponibilidade de termopares e dispositivos de vácuo para sucção de embalagens.'de-estanhar' (ou reballing) e reinstalado na placa.

Devido ao custo da inspeção visual BGA por raios X, métodos de teste de circuito são frequentemente usados.Um método comum de teste de varredura de limite pode ser executado por meio da conexão de interface IEEE 1149.1 JTAG.

Dificuldades no desenvolvimento de circuitos

É impraticável soldar o dispositivo BGA a um ponto fixo durante a fase de desenvolvimento.Em vez disso, um slot geralmente é usado primeiro, embora seja mais instável.Existem dois tipos comuns de slots: o tipo mais confiável tem pinos com mola que cabem embaixo das esferas de solda, mas não é permitido usar um dispositivo BGA onde as esferas de solda foram removidas, pois os pinos com mola podem não ser longos suficiente.

O tipo não confiável é um tipo chamado 'slot ZIF' (Zero Insertion Force), que possui uma braçadeira com mola para segurar a esfera de solda.Mas não é fácil conseguir isso, principalmente se as bolas forem muito pequenas.

Custos de equipamento

Para soldar dispositivos BGA de maneira confiável, é necessário equipamento caro.A soldagem manual de dispositivos BGA é muito difícil e pouco confiável e geralmente é usada apenas para um pequeno número de dispositivos pequenos.No entanto, como cada vez mais CIs estão disponíveis apenas em pacotes sem chumbo (por exemplo, pacote quad-flat sem fios) ou BGA, vários métodos DIY (serviço pesado) foram desenvolvidos que podem ser usados ​​com fontes de aquecimento baratas, como calor armas, fornos domésticos e placas de fundo plano.

Desmontagem BGA

1, faça um bom trabalho de proteção de componentes

2, no IC a ser desmontado acima da quantidade apropriada de fluxo, tente soprar na parte inferior do IC, o que ajudará o chip sob as juntas de solda a derreter uniformemente

3, ajuste a temperatura e o vento da pistola de vento, não sopre no meio do IC, o tempo de aquecimento não pode ser muito longo

4, desencontro de chip bga, almofadas de chip e placas com excesso de estanho deve haver quantidade suficiente de pasta de solda para removê-lo.