Введение BGA

BGA — это сокращение от «Структура шариковой сетки».Это один из наиболее распространенных способов соединения интегральных схем (ИС) и печатных плат с использованием метода упаковки органических несущих плат.

Технология упаковки BGA улучшена от массива штыревой сетки, представляет собой поверхность к сетке, покрытой (или частично покрытой) штифтами метода упаковки, при работе электронные сигналы от ИС могут передаваться на печатную плату монтажная плата, на которой она расположена (печатная плата, далее – печатная плата).

Корпуса BGA предлагают больше контактов, чем другие корпуса, такие как корпуса с двумя рядными выводами или плоские корпуса с четырьмя боковыми выводами.Всю нижнюю поверхность устройства можно использовать в качестве контактов, а не только периферию, и он имеет более короткую среднюю длину провода, чем периферийные ограниченные типы корпусов, для лучшей производительности на высоких скоростях.Пайка корпусов BGA требует точного контроля и обычно выполняется на заводском оборудовании с автоматизированными процессами;Корпуса BGA не подходят для установки в слот.

Классификация BGA

Корпусы BGA бывают самых разных форм, образуя семейство корпусов, которые различаются не только размером и количеством входов/выходов, но также физической структурой и материалами корпуса.Конкретная форма BGA может иметь разные размеры, но должна использовать одну и ту же физическую конструкцию и одни и те же материалы.Далее основное внимание будет уделено анализу трех конкретных корпусов BGA, каждый из которых имеет разную форму конструкции.

1, пластиковый BGA: пластиковый корпус с шариковой решеткой (PBGA) является наиболее распространенной формой корпуса BGA, производимой сегодня.Его привлекательными преимуществами являются:

* Подложка из стекловолокна и смолы BT толщиной около 0,4 мм.

*Чипы припаяны непосредственно к подложке.

*Чип соединен с подложкой проводами.

*Пластиковая формовка закрывает большую часть чипа, проводных соединений и поверхности подложки.

Шарики припоя (обычно эвтектический материал) припаиваются к нижней площадке подложки.Однако одним параметром, который не является универсальным, является площадь покрытия формованного изделия по отношению к общей площади подложки.У некоторых пластизолей формованный пластик почти полностью покрывает всю подложку, а у некоторых строго ограничивается небольшим участком в центре.Это также повлияет на нагрев паяных соединений.

2, керамический BGA (CBGA). Для любого керамического корпуса ИС самым основным материалом в керамическом BGA является многослойная подложка из межсоединения из драгоценного металла.Этот тип герметизации упаковки имеет наибольшее значение для теплопроводности через упаковку.«Крышка» упаковки может быть изготовлена ​​из самых разных материалов, и под «крышкой» обычно имеется незаполненное пространство.Этот зазор будет препятствовать нагреву нижних паяных соединений корпуса корпуса.

3. «Улучшенный» BGA: «Улучшенный» BGA — относительно новый термин, еще не получивший точного определения.Обычно слово «улучшение» означает добавление в конструкцию материала для улучшения ее характеристик.В большинстве случаев добавляемый материал является металлическим и служит для улучшения отвода тепла от ИС во время нормальной работы.Это важно, поскольку одним из преимуществ BGA является то, что они обеспечивают большое количество операций ввода-вывода для ИС, а поскольку этот тип чипа обычно генерирует значительное количество тепла на очень маленькой площади, корпус должен быть спроектирован так, чтобы рассеивать его. жара.Специальный усовершенствованный корпус, называемый в этой статье «Super BGA» (SBGA), имеет перевернутую медную полость в верхней части корпуса для улучшения отвода тепла в окружающую среду.К нижней поверхности медного чипа припаяна тонкая гибкая подложка в качестве площадки для крепления нескольких рядов шариков припоя по периферии (т.е. в центре нет распределения шариков припоя, см. JEDEC).Внутренние провода соединяют подложку с чипом, а чип отливается снизу.В таблице 1 приведены физические параметры корпуса BGA.PLCC84 включен в таблицу в качестве справочного материала по характеристикам и производительности.Интересно отметить, что за исключением метрики IO, все остальные метрики для PLCC являются промежуточными значениями.

Преимущества и недостатки BGA.

1, преимущества BGA

Высокая плотность

Технология упаковки BGA — это решение проблемы уменьшения размера корпуса при производстве интегральных схем с сотнями контактов.Производство корпусов для поверхностного монтажа (интегральных схем малого контура; SOIC) в виде решетчатых матриц с выводами и корпусов с двойным расположением линий привело к трудностям в процессе пайки, поскольку необходимо добавлять все больше и больше выводов, а зазор между ними должен быть уменьшен. уменьшенный.Это приводит к трудностям в процессе пайки.По мере приближения выводов корпуса друг к другу увеличивается риск случайного замыкания соседних выводов во время пайки, что не является проблемой для технологии упаковки BGA при пайке, выполняемой на заводе.

Теплопроводность

Еще одним преимуществом технологии упаковки BGA по сравнению с другими технологиями упаковки с отдельными выводами (например, технологией упаковки с выводами) является низкий тепловой импеданс между корпусом и печатной платой.Это позволяет легче передавать тепло, выделяемое микросхемами внутри корпуса, на печатную плату, предотвращая перегрев чипа.

Выводы с низкой индуктивностью

Более короткие проводники также означают меньшую нежелательную индуктивность, характеристику, которая может привести к нежелательному искажению сигнала в высокоскоростных электронных схемах. Технология корпусов BGA с очень коротким расстоянием между корпусом и печатной платой имеет контакты с низкой индуктивностью, которые обеспечивают превосходные электронные характеристики. по сравнению с контактными устройствами.

Недостатки BGA

Нерасширяемый контакт

Одним из недостатков корпусов BGA является то, что шарики припоя не способны растягиваться, как длинные штифты, поэтому в их физических свойствах отсутствует жесткость материала.Все устройства поверхностного монтажа могут сломать паяные соединения из-за изгиба (термическое напряжение) или растяжения и вибрации (механическое напряжение) из-за разницы в коэффициенте теплового расширения между подложкой печатной платы и корпусом BGA.

Проблему теплового расширения можно решить, сопоставив одинаковые тепловые характеристики печатной платы и корпуса, и обычно пластифицированные устройства BGA могут более точно соответствовать тепловым характеристикам печатной платы, чем керамические устройства BGA.

Широкое внедрение на производственных линиях бессвинцовых припоев, соответствующих требованиям RoHS, еще раз демонстрирует проблемы, с которыми приходится сталкиваться корпусам BGA, такие как проблемы «голова в подушке» и «кратеры на контактных площадках» во время оплавления. процесс, по сравнению с проблемами образования кратеров на площадках, с которыми сталкиваются корпуса BGA.По сравнению с корпусами BGA со свинцовым припоем некоторые корпуса BGA менее надежны в экстремальных условиях, таких как высокие температуры, сильный термический удар и высокая перегрузка, из-за низкой пластичности припоев, соответствующих требованиям RoHS.

Проблемы с механическим напряжением можно решить, прикрепив устройство к плате с помощью процесса, называемого «Недозаливка», при котором эпоксидная смесь впрыскивается под устройство после его припайки к печатной плате, эффективно прикрепляя устройство BGA к печатной плате.Доступно несколько материалов для заливки, обеспечивающих различные свойства для разных применений и требований к теплопередаче.Еще одним преимуществом недолива является то, что он ограничивает рост оловянных усов.

Другим решением проблемы непластичных соединений является размещение внутри корпуса «пластичного покрытия», которое позволяет шарикам припоя внизу перемещаться в их фактическое положение относительно корпуса.Этот метод стал одним из стандартов для DRAM в корпусе BGA.

Другие методы, используемые для повышения надежности корпуса на уровне печатной платы, включают печатные платы с низкой пластичностью для керамических BGA (CBGA), промежуточные платы (переходники), вводимые между корпусом и печатной платой, или устройства переупаковки.

Сложность проверки

Когда корпус припаян на место, становится сложно обнаружить дефекты пайки.Чтобы обнаружить дно паяной упаковки, промышленность разработала рентгеновские аппараты, промышленные компьютерные томографы, специальные микроскопы, эндоскопы и другое оборудование для решения этой проблемы.Если обнаружен кусок корпуса BGA, предназначенный для устранения неисправности пайки, его можно удалить на «ремонтной станции» (широко известной как ремонтная станция), которая оснащена приспособлениями для инфракрасных ламп (или вентиляторов горячего воздуха), как а также наличие термопар и вакуумных устройств для отсасывания пакетов.«очистка» (или реболлинг) и повторная установка на плату.

Из-за дороговизны визуального рентгеновского контроля BGA вместо этого часто используются методы проверки цепей.Обычный метод тестирования периферийного сканирования можно выполнить через соединение интерфейса IEEE 1149.1 JTAG.

Трудности при разработке схем

На этапе разработки непрактично припаивать устройство BGA к фиксированной точке.Вместо этого обычно сначала используется слот, хотя это более нестабильно.Существует два распространенных типа разъемов: более надежный тип имеет подпружиненные контакты, которые подходят под шарики припоя, но не допускается использовать устройство BGA, из которого шарики припоя были удалены, поскольку подпружиненные контакты могут быть недостаточно длинными. достаточно.

Ненадежный тип — это тип, называемый «слотом ZIF» (нулевая сила вставки), который имеет подпружиненный зажим для удержания шарика припоя.Но добиться этого непросто, особенно если шарики слишком маленькие.

Стоимость оборудования

Для надежной пайки BGA-устройств необходимо дорогостоящее оборудование.Ручная пайка устройств BGA очень сложна и ненадежна и обычно используется только для небольшого количества небольших устройств.Однако, поскольку все больше и больше микросхем доступны только в корпусах, не содержащих свинец (например, корпус с четырьмя плоскими выводами) или в корпусах BGA, были разработаны различные методы «сделай сам» (сверхмощные), которые можно использовать с недорогими источниками нагрева, такими как тепловые батареи. пистолеты, бытовые печи и плиты с плоским дном.

Разборка BGA

1, хорошо поработайте над защитой компонентов

2. В микросхеме, которую нужно разобрать, нанесите необходимое количество флюса, попробуйте продуть нижнюю часть микросхемы, что поможет чипу под паяными соединениями равномерно плавиться.

3. Отрегулируйте температуру ветровой пушки и ветер, не продувайте середину микросхемы, время нагрева не может быть слишком длинным.

4. Обнаружение чипа bga, контактные площадки и платы с излишками олова должны иметь достаточное количество паяльной пасты, чтобы удалить его.