Introducción de BGA

BGA es la abreviatura de Ball Grid Array Structure.Es una de las formas más comunes de interconectar circuitos integrados (CI) y placas impresas utilizando un método de empaquetado de placas portadoras orgánicas.

La tecnología del paquete BGA se ha mejorado a partir de la matriz de rejilla de pines, es una superficie a una disposición de rejilla cubierta (o parcialmente cubierta) con pines del método de empaquetado, en el funcionamiento de las señales electrónicas del IC se pueden transmitir a la impresora. placa de circuito donde se encuentra (placa de circuito impreso, en adelante denominada PCB).

Los paquetes BGA ofrecen más pines que otros paquetes, como paquetes duales en línea o paquetes planos de cuatro pines laterales.Toda la superficie inferior del dispositivo se puede utilizar como clavijas en lugar de solo la periferia, y tiene una longitud de cable promedio más corta que los tipos de paquetes periféricos limitados para un mejor rendimiento a alta velocidad.La soldadura de paquetes BGA requiere un control preciso y generalmente se realiza mediante equipos de fábrica con procesos automatizados;Los paquetes BGA no son adecuados para montaje en ranura.

Clasificación BGA

Los paquetes BGA vienen en una variedad de formas, formando una familia de paquetes que difieren no solo en el tamaño y la cantidad de IO, sino también en la estructura física y los materiales del paquete.Una forma específica de BGA puede tener una variedad de tamaños, pero debe utilizar la misma construcción física y los mismos materiales.Lo siguiente se centrará en analizar tres paquetes BGA específicos, cada uno con una forma diferente de construcción.

1, BGA de plástico: El paquete de matriz de rejilla de bolas de plástico (PBGA) es la forma más común de paquete BGA en producción actual.Sus atractivas ventajas son:

* sustrato de fibra de vidrio y resina BT, de aproximadamente 0,4 mm de espesor

*Los chips se sueldan directamente al sustrato.

*El chip está conectado al sustrato mediante cables.

*La moldura de plástico encapsula la mayor parte del chip, la conexión de cables y la superficie del sustrato.

Las bolas de soldadura (generalmente material eutéctico) se sueldan en la almohadilla inferior del sustrato.Sin embargo, un parámetro que no es universal es la cobertura del área de la moldura con respecto al área total del sustrato.En algunos plastisoles, el plástico moldeado cubre casi por completo todo el sustrato, mientras que en otros se limita estrictamente a una pequeña zona en el centro.Esto también tendrá un impacto en el calor aplicado a las uniones de soldadura.

2, BGA cerámico (CBGA): para cualquier paquete de circuitos integrados cerámicos, el material más básico del BGA cerámico es un sustrato multicapa de circuito de interconexión de metales preciosos.Este tipo de sellado del paquete para la conducción de calor a través del paquete tiene el mayor impacto.La 'tapa' del paquete puede estar hecha de una variedad de materiales y generalmente hay un espacio vacío debajo de la 'tapa'.Este espacio dificultará el calor de las uniones de soldadura inferiores del cuerpo del paquete.

3, BGA 'mejorado': BGA 'mejorado' es un término relativamente nuevo que aún no se ha definido con precisión.Generalmente la palabra 'mejora' significa la adición de un material a la estructura para mejorar su rendimiento.En la mayoría de los casos, el material añadido es metálico y sirve para mejorar la disipación de calor del CI durante el funcionamiento normal.Esto es importante porque una de las ventajas de los BGA es que proporcionan una gran cantidad de IO para el IC y, dado que este tipo de chip generalmente genera una cantidad significativa de calor en un área muy pequeña, el paquete debe diseñarse para disipar el calor.Un paquete especial mejorado, denominado en este documento 'Super BGA' (SBGA), está construido con una cavidad de cobre invertida en la parte superior del paquete para mejorar la disipación de calor al entorno circundante.Se suelda un sustrato delgado y flexible a la superficie inferior del chip de cobre como almohadilla para unir varias filas de bolas de soldadura a lo largo de la periferia (es decir, no hay distribución de bolas de soldadura en el centro, consulte JEDEC).Los cables internos conectan el sustrato al chip y el chip se moldea desde la parte inferior.La Tabla 1 enumera los parámetros físicos del paquete BGA.PLCC84 se incluye en la tabla como referencia de características y rendimiento.Es interesante observar que, excepto la métrica IO, todas las demás métricas de PLCC son valores intermedios.

Ventajas y desventajas de BGA.

1, ventajas de BGA

Alta densidad

La tecnología de empaquetado BGA es una solución al desafío de tener que reducir el tamaño del paquete al producir circuitos integrados con cientos de pines.La producción de paquetes de montaje en superficie (circuito integrado de contorno pequeño; SOIC) en conjuntos de rejilla con pines y paquetes duales en línea ha generado dificultades en el proceso de soldadura ya que se deben agregar más y más pines y el espacio entre ellos debe ser reducido. reducido.Esto provoca dificultades en el proceso de soldadura.A medida que los pines del paquete se acercan entre sí, aumenta el riesgo de puentes accidentales con pines vecinos durante la soldadura, lo cual no es un problema con la tecnología de empaquetado BGA en la soldadura implementada en fábrica.

Conductividad térmica

Otra ventaja de la tecnología de embalaje BGA sobre otras tecnologías de embalaje con pines separados (por ejemplo, tecnología de embalaje que contiene pines) es la baja impedancia térmica entre el paquete y la PCB.Esto permite que el calor generado por los circuitos integrados dentro del paquete se transfiera más fácilmente a la PCB, evitando que el chip se sobrecaliente.

Pines de baja inductancia

Los conductores más cortos también significan menos inductancia no deseada, una característica que puede provocar una distorsión de señal no deseada en circuitos electrónicos de alta velocidad. La tecnología de paquete BGA, con una distancia muy corta entre el paquete y la PCB, tiene pines de baja inductancia, que proporcionan características electrónicas superiores. en comparación con los dispositivos pin.

Desventajas de BGA

Contacto no extensible

Una de las desventajas de los paquetes BGA es que las bolas de soldadura no pueden estirarse como pasadores largos, por lo que no tienen rigidez material en sus propiedades físicas.Todos los dispositivos montados en superficie pueden romper las uniones de soldadura debido a la flexión (estrés térmico) o al estiramiento y vibración (estrés mecánico) debido a la diferencia en el coeficiente de expansión térmica entre el sustrato de PCB y el paquete BGA.

El problema de la expansión térmica se puede resolver haciendo coincidir las características térmicas similares de la PCB y el paquete, y generalmente los dispositivos BGA plastificados pueden igualar más las características térmicas de la PCB que los dispositivos BGA cerámicos.

La adopción generalizada de aleaciones de soldadura sin plomo que cumplen con RoHS en las líneas de producción demuestra aún más los desafíos que los paquetes BGA deben enfrentar, como los problemas de 'cabeza dentro de la almohada' y 'formación de cráteres en la almohadilla' durante el reflujo. proceso, en comparación con los problemas de 'pad-cratering' que enfrentan los paquetes BGA.En comparación con los paquetes BGA con soldadura con plomo, algunos paquetes BGA son menos confiables en ambientes extremos como altas temperaturas, alto choque térmico y alta fuerza G debido a la baja ductilidad de las soldaduras que cumplen con RoHS.

Los problemas de tensión mecánica se pueden abordar uniendo el dispositivo a la placa mediante un proceso llamado 'Underfilling', donde se inyecta una mezcla de epoxi debajo del dispositivo después de haberlo soldado a la PCB, uniendo efectivamente el dispositivo BGA a la PCB.Hay varios materiales de relleno disponibles para proporcionar diferentes propiedades para diferentes aplicaciones y requisitos de transferencia térmica.Otro beneficio del relleno insuficiente es que limita el crecimiento de los bigotes de estaño.

Otra solución para abordar las uniones no dúctiles es colocar un 'recubrimiento dúctil' dentro del paquete que permita que las bolas de soldadura en la parte inferior se muevan a su posición real con respecto al paquete.Esta técnica se ha convertido en uno de los estándares para las DRAM empaquetadas BGA.

Otras técnicas utilizadas para aumentar la confiabilidad del paquete a nivel de PCB incluyen PCB de baja ductilidad para BGA cerámicos (CBGA), placas intermedias (intercaladores) introducidas entre el paquete y la PCB, o dispositivos de reenvasado.

Dificultad de inspección

Cuando el paquete se suelda en su posición, resulta difícil encontrar defectos en la soldadura.Para detectar el fondo del paquete soldado, la industria ha desarrollado máquinas de rayos X, escáneres de tomografía computarizada industriales, microscopios especiales y endoscopios y otros equipos para superar este problema.Si se descubre que una pieza del paquete BGA soluciona el problema de la soldadura, puede retirarlo en la 'estación de retrabajo' (comúnmente conocida como estación de retrabajo), que está equipada con accesorios de lámparas infrarrojas (o sopladores de aire caliente), como así como la disponibilidad de termopares y dispositivos de vacío para la succión de envases.'desestañado' (o reballing) y reinstalado en el tablero.

Debido al coste de la inspección visual BGA con rayos X, a menudo se utilizan métodos de prueba de circuitos.Se puede realizar un método de prueba de escaneo de límites común a través de la conexión de interfaz IEEE 1149.1 JTAG.

Dificultades en el desarrollo de circuitos

No es práctico soldar el dispositivo BGA a un punto fijo durante la fase de desarrollo.En su lugar, se suele utilizar primero una ranura, aunque ésta es más inestable.Hay dos tipos comunes de ranuras: el tipo más confiable tiene pines con resorte que encajan debajo de las bolas de soldadura, pero no está permitido usar un dispositivo BGA donde se han quitado las bolas de soldadura, ya que los pines con resorte pueden no ser largos. suficiente.

El tipo poco confiable es un tipo llamado 'ranura ZIF' (fuerza de inserción cero), que tiene una abrazadera con resorte para sujetar la bola de soldadura.Pero no es fácil conseguirlo, especialmente si las bolas son demasiado pequeñas.

Costos de equipo

Para soldar de forma fiable dispositivos BGA, se requieren equipos costosos.La soldadura manual de dispositivos BGA es muy difícil y poco confiable y, por lo general, solo se usa para una pequeña cantidad de dispositivos pequeños.Sin embargo, como cada vez hay más circuitos integrados disponibles únicamente en paquetes sin plomo (por ejemplo, paquete cuádruple plano sin cables) o BGA, se han desarrollado varios métodos de bricolaje (de alta resistencia) que pueden usarse con fuentes de calefacción económicas, como calor pistolas, hornos domésticos y hornillos de fondo plano.

Desmontaje BGA

1, haga un buen trabajo de protección de componentes

2, en el IC que se va a desmontar por encima de la cantidad adecuada de fundente, intente soplar en la parte inferior del IC, lo que ayudará a que el chip debajo de las juntas de soldadura se derrita uniformemente.

3, ajuste la temperatura de la pistola de viento y el viento, no sople el centro del IC, el tiempo de calentamiento no puede ser demasiado largo

4, el chip bga se encuentra, las almohadillas y placas de chip tienen un excedente de estaño, debe haber una cantidad suficiente de pasta de soldadura para eliminarlo.