مع استمرار تطور التكنولوجيا في صناعة الإلكترونيات، يظل التغليف أحد عوامل النجاح الرئيسية التي تحدد الكفاءة والموثوقية. ومن الأمثلة على هذه التكنولوجيا التي حظيت باهتمام كبير في السنوات القليلة الماضية تقنية مصفوفة الشبكة الكروية (BGA). في الواقع، أحدث هذا الابتكار في التغليف تغييرًا جذريًا في ربط المكونات بلوحات الدوائر المطبوعة، مما مكّن من تحقيق كثافة عالية وأداء عالٍ. في هذا الدليل، سنتناول لمحة عامة موجزة عن تقنية BGA، تتضمن مزاياها وعيوبها، وأنواعًا مختلفة من عبوات BGA، ولحام BGA، وتقنيات فحص مصفوفة الشبكة الكروية. لنبدأ.
ما هو BGA (مجموعة الشبكة الكروية) على PCB؟
تعتبر مجموعة الشبكة الكروية في الواقع نوعًا من التغليف المثبت على السطح المستخدم في تصنيع دوائر متكاملةبخلاف العبوات الأخرى التي تستخدم أسلاكًا تمتد من محيط العبوة، تستخدم BGA نمطًا شبكيًا من كرات اللحام أسفل العبوة. تُستخدم كرات اللحام هذه كنقاط اتصال بين الشريحة ولوحة الدائرة المطبوعة.
6 أنواع شائعة الاستخدام من حزم BGA
تتوفر في السوق أنواع مختلفة من حزم BGA، تُستخدم لتطبيقات ومتطلبات متنوعة. سنناقش هنا ستة أنواع شائعة من حزم BGA:
PBGA (مجموعة شبكة الكرات البلاستيكية)
في رقاقات PBGA، تكون الطبقة الأساسية عبارة عن راتنج BT/صفائح زجاجية، بينما تكون مادة التغليف بلاستيكية. يتميز هذا النوع من رقاقات BGA بعدم الحاجة إلى لحام إضافي لتوصيل كرات اللحام بالرقاقة المطلوبة. وهو حل اقتصادي للعديد من التطبيقات.
السيراميك BGA (CBGA)
CBGA هو نوع تقليدي من تغليف مصفوفات الكرات الشبكية، يستخدم ركيزة سيراميكية متعددة الطبقات كمادة أساسية. يُلحم الغطاء المعدني بالركيزة باستخدام لحام التغليف لحماية الشريحة والأسلاك وكرات اللحام. تُصنع كرة اللحام من مادة لحام إيوتكتيكية، مما يوفر توصيلات موثوقة بين الركيزة والمكونات.
مايكرو BGA (uBGA)
مايكرو بي جي إيه (µBGA) هي تقنية تغليف متطورة بتقنية كرات الشبكة، تشغل مساحة صغيرة جدًا. توفر هذه التقنية شرائح أصغر بكثير، وإدارة حرارية مُحسّنة، وكثافة بيانات أعلى. وكما يوحي اسمها، تُستخدم µBGA بشكل أساسي في الأجهزة الإلكترونية المدمجة، وتوفر الأداء المُحسّن المطلوب في المجالات ذات الحجم المحدود.
شريط بغا (TBGA)
شبكة كرات الشريط (TBGA) هي تقنية تغليف BGA، تستخدم شريطًا مرنًا بدلًا من الصفائح الصلبة. يوفر هذا تغليفًا خفيف الوزن ورقيقًا مع وصلات عالية الكثافة، بالإضافة إلى خصائص حرارية/كهربائية أفضل.
مصفوفة شبكة كرات رقاقة التقليب (FC-BGA)
في تقنية FC-BGA، تُقلب الدائرة المتكاملة بحيث يُمكن لحامها على لوحة الدائرة. يُوفر هذا النوع من عبوات BGA أداءً حراريًا وكهربائيًا مُحسّنًا بفضل اتصال كرات اللحام الخاصة به بـ منصات ثنائي الفينيل متعدد الكلور مباشرة.
حزمة على حزمة (PoP)
في هذا النوع من علب BGA، تُركّب العديد من الدوائر المتكاملة معًا. لكل دائرة متكاملة شبكة كروية خاصة بها لتمكين تكامل المكونات رأسيًا. تُستخدم هذه العلب على نطاق واسع في التطبيقات ذات المساحة المحدودة، مثل الأجهزة المحمولة.
| النوع | الخامة | نوع اللحيم | الميزات الرئيسية | تطبيقات مشتركة |
| ببجا | plastic | مرصص أو خالي من الرصاص | لا حاجة إلى لحام إضافي لربط الكرة بالحزمة | الإلكترونيات الاستهلاكية، التطبيقات المنخفضة والمتوسطة المدى |
| CBGA | سيراميك | يوتكتيك | نوع طويل الأمد، غطاء واقٍ | تطبيقات عالية الموثوقية، والفضاء الجوي، والعسكري |
| uBGA | البلاستيك | لم يتم تحديد | حجم أصغر، تبديد أفضل للحرارة | العمليات عالية التردد، والأجهزة الإلكترونية المدمجة |
| TBGA | البلاستيك | لم يتم تحديد | توصيلات أنحف وأخف وزناً وأكثر كثافة | الأجهزة الإلكترونية المحمولة والهواتف الذكية والأجهزة اللوحية |
| إف سي-بي جي أيه | متنوع | مباشرة إلى PCB | تحسين الأداء الحراري والكهربائي | المعالجات عالية الأداء، ووحدات معالجة الرسومات، ومعالجات الشبكة |
| الملوثات العضوية الثابتة | متنوع | BGAs متعددة | التكامل الرأسي، توفير المساحة | الأجهزة المحمولة، حيث المساحة هي الأهم، ومجموعات الذاكرة والمعالج |
مزايا وعيوب تقنية BGA
المزايا
- كثافة أعلى: بالمقارنة مع الحزم التقليدية، تسمح BGAs بتوصيل المزيد من المكونات حتى في مساحة صغيرة، وهو أمر بالغ الأهمية للأجهزة الإلكترونية الحديثة.
- تحسين الأداء الحراري: يتم ترتيب كرات اللحام في نمط معين، مما يجعلها تتقاسم الحرارة بشكل موحد، وبالتالي تقليل خطر ارتفاع درجة الحرارة في بعض المناطق
- المحاثة المخفضة: في BGA، يمكن لمسارات الاتصال الأقصر تقليل المحاثة، وذلك لتعزيز سلامة الإشارة، وهو أمر مفيد بشكل خاص في الترددات العالية.
- موثوقية أفضل: عند المقارنة مع الحزمة الرصاصية، توفر BGA موثوقية أكبر حيث يجب أن تتحمل ضغوطًا ميكانيكية أقل أثناء عملية الدورة الحرارية.
عيوب
- تحديات الفحص: يصعب فحص جودة وصلات لحام BGA نظرًا لوجودها أسفل العبوة. يصعب فحص بعض مشاكل اللحام بالعين المجردة فقط. لذا، علينا استخدام تقنيات متخصصة مثل فحص الأشعة السينية.
- تعقيد الإصلاح: من عيوب تقنية BGA تعقيد الإصلاح. فهي عملية تستغرق وقتًا طويلاً ومكلفة وتتطلب أدوات احترافية مثل محطة إعادة تشكيل BGA.
- تجميع حذر للغاية: أثناء عملية لحام BGA، يجب على المشغلين أن يكونوا حذرين للغاية في تركيب المكونات بشكل صحيح، حيث يمكن لأي خطأ أن يؤثر على الأداء وحتى يؤدي إلى ضعف الاتصال.
كيفية لحام مجموعة الشبكة الكروية بلوحات الدوائر؟
لضمان موثوقية عالية وتقليل معدلات العيوب إلى أدنى حد، من الضروري التحكم بدقة في عملية لحام BGA. إليكم مخطط سير عمل واضح وأساسي، بالإضافة إلى اعتبارات فنية هامة لتجميع BGA.
التحضير قبل اللحام
في هذه الخطوة، من المهم مراعاة التحكم في الرطوبة، خاصةً بالنسبة لرقاقة مصفوفة الكرات البلاستيكية (PBGA)، فهي حساسة للرطوبة. إذا انحصرت الرطوبة داخلها، فإن التسخين السريع أثناء عملية إعادة اللحام قد يتسبب في "تأثير الفشار"، مما يؤدي إلى تلف الرقاقة أو تناثر اللحام.
عند ترك أغشية PBGA الحساسة للرطوبة مفتوحة لأكثر من 8 ساعات، يجب خبزها. وتكون ظروف الخبز عند درجة حرارة 120 درجة مئوية ± 5 درجات مئوية لمدة 24 ساعة، أو عند درجة حرارة 80 درجة مئوية ± 5 درجات مئوية لمدة 48 ساعة.
طباعة لصق اللحيم
تؤثر عملية طباعة معجون اللحام بشكل كبير على جودة لحام مصفوفة الكرات الشبكية (BGA). ووفقًا لبيانات إحصائية شاملة، تُشكل طباعة معجون اللحام 64% من عيوب اللحام بين مختلف عمليات لحام BGA. بينما تُشكل المكونات 6%، ويُساهم كل من وضع المكونات ولحام إعادة التدفق بنسبة 15%.
يؤدي استخدام كمية زائدة من معجون اللحام إلى حدوث وصلات لحام غير مكتملة. وعلى العكس، إذا كانت كمية معجون اللحام غير كافية، فقد ينتج عن ذلك عيوب مثل اللحامات الباردة.
BGA Pick and Place
يُعدّ المحاذاة الدقيقة أمرًا بالغ الأهمية، إذ لا يمكن فحص وصلات BGA بصريًا بعد تركيبها. تستخدم آلات التجميع الحديثة عادةً أنظمة رؤية لمحاذاة مركز كرات اللحام مع مركز نقاط التوصيل على لوحة الدوائر المطبوعة. بعد التركيب، يجب عدم تحريك وصلة BGA أو تعديلها يدويًا، لأن ذلك غالبًا ما يتسبب في حدوث وصلات غير متطابقة أو عدم كفاية اللحام.
إنحسر لحام
بعد تثبيت رقائق BGA بالكامل على اللوحة، تُرسل لوحة الدوائر المطبوعة إلى فرن إعادة التدفق. تحت تأثير حرارة مضبوطة، تذوب عجينة اللحام وتبرد، مُكَوِّنةً رابطةً معدنيةً. يجب التحكم بدقة في عملية إعادة التدفق لتجنب مشاكل مثل الفراغات، أو عدم كفاية التبلل، أو الإجهاد الحراري الزائد على المكونات.
فحص ما بعد اللحام
بما أن وصلات مصفوفة الشبكة الكروية مخفية تحت الغلاف، فإن الفحص البصري التقليدي غير كافٍ. عادةً ما يلزم إجراء فحص بالأشعة السينية، أو فحص بصري، أو اختبار كهربائي، أو طرق أخرى مدمرة للتحقق من سلامة وصلات اللحام. سنتناول هذا الموضوع في القسم التالي.
أهم 8 عيوب في رقائق BGA يجب أن تعرفها
فيما يلي عيوب اللحام الشائعة التي يتم مواجهتها أثناء عملية تجميع مصفوفة الشبكة الكروية:
وصلات اللحام الباردة: عادةً ما تبدو باهتة وخشنة، ذات سطح غير مستوٍ. ويمكن ملاحظة جزيئات اللحام غير المنصهرة تحت المجهر.
لحام سد: تتصل كرتان أو أكثر من كرات اللحام المتجاورة كهربائياً عن غير قصد.
ترطيب غير كافي: لا تتبلل عجينة اللحام بشكل كافٍ على سطح التوصيل ولا تُشكّل رابطةً معدنيةً. ونتيجةً لذلك، لا تُؤمّن كرات اللحام في مصفوفة BGA اتصالاً كهربائياً سليماً مع أسطح التوصيل.
كرات اللحام المفقودة: بعد عملية إعادة التدفق، قد تختفي كرة لحام واحدة أو أكثر تمامًا، مما يؤدي إلى انقطاع في التوصيلات.
الشقوق الصغيرة: قد يحدث ذلك عند واجهة وصلة اللحام أو بين شريحة BGA وكرة اللحام.
المحاذاة غير الصحيحة: لا تتم محاذاة كرات اللحام بشكل صحيح مع نقاط التوصيل على لوحة الدوائر المطبوعة، مما يتسبب في انحراف موضعي. وهذا بدوره قد يؤدي إلى تدهور السلامة الميكانيكية لوصلات اللحام.
يفرغ: يمكن أن تتسبب الفقاعات المحصورة داخل كرات اللحام في تكوين فراغات داخلية.
عيوب الرأس في الوسادة (HiP): لم تندمج كرات اللحام ومعجون اللحام بشكل كامل أو اندمجت جزئياً فقط، مما أدى إلى ظهور وصلات لحام على شكل وسادة. يصعب فحص هذا العيب، وتكون وصلات اللحام عرضة للكسر أثناء الاستخدام اللاحق.
تقنيات فحص مصفوفة الشبكة الكروية
تحتوي مصفوفات شبكة الكرات عادةً على مئات من كرات اللحام، وقد تُظهر وصلات اللحام فيها أنواعًا متعددة من عيوب اللحام في آنٍ واحد. فيما يلي، سنستعرض خمس تقنيات اختبار، تُقسم عمومًا إلى اختبارات غير مُتلفة واختبارات مُتلفة.
الاختبارات غير المتلفة
الفحص البصري
عادةً ما تكون هذه هي الخطوة الأولى، باستخدام العين المجردة أو العدسات المكبرة أو المجاهر لفحص الصف الخارجي من وصلات لحام BGA. مع ذلك، يُعد الفحص البصري مهمة شاقة ولا يُمكنه توفير تقييمات كمية دقيقة. ونتيجةً لذلك، فإن هذه الطريقة غير مناسبة عمومًا للمنتجات عالية الجودة والموثوقية، أو لسيناريوهات الفحص واسعة النطاق.
الأشعة السينية التفتيش
يُعتبر فحص مصفوفة الكرات الشبكية (BGA) بالأشعة السينية المعيار الذهبي لفحصها غير المتلف. تستخدم هذه الطريقة اختلافات الكثافة لتصوير البنية الداخلية لكرات اللحام.
يجب أن يستخدم فحص الأشعة السينية ثنائي الأبعاد طريقة فحص من خمس نقاط، مع التركيز على الجوانب الأربعة والنقاط الخمس المركزية للجهاز. في الوقت نفسه، قم بإجراء فحص سريع للمناطق الأخرى. أولاً، افحص المنظر العام لجهاز BGA، وتحقق من وجود عيوب مثل الكرات المفقودة أو الكرات غير المتراصفة أو وصلات اللحام غير المتجانسة. ثم، قم بإجراء فحص موضعي، وتحقق من وجود فراغات في كرات اللحام أو أي تشوهات أخرى فيها.
يستخدم المفتشون نتائج الأشعة السينية ثنائية الأبعاد (مثل حجم وصلات اللحام وشكلها وقيم تدرج الرمادي) لتحديد ما إذا كانت هناك حاجة إلى التصوير المقطعي ثلاثي الأبعاد. وتتلخص معايير التقييم فيما يلي: أن تكون وصلات لحام BGA طبيعية الشكل (دائرية) ولا تُظهر أي شذوذ في الحجم أو تدرج الرمادي. على الرغم من أن التصوير المقطعي ثلاثي الأبعاد يوفر معلومات إضافية حول وصلات اللحام، إلا أن هذه العملية قد تكون مكلفة.
اختبار كهربائي
في مجال الاختبارات الكهربائية، نحتاج إلى استخدام معدات متخصصة مثل جهاز القياس المتعدد وجهاز اختبار المجس الطائر لتحديد المعايير، بما في ذلك المقاومة والاستمرارية داخل مكونات BGA. يكشف هذا الجهاز عن مشاكل في أداء التوصيلات ويتحقق من سلامة وصلات اللحام.
اختبار المدمرة
اختبار الصبغ والفك
هذه طريقة فعّالة من حيث التكلفة لتحليل الوصلات، وتوفر معلومات شاملة حول سطح التماس بين نقاط اللحام. يتم وضع صبغة عالية النفاذية على شريحة BGA، ثم تُفصل وصلة اللحام لملاحظة مدى انتشار التشققات الداخلية وتوزيعها. أي منطقة ملطخة بالصبغة تشير إلى وجود تشقق أو انفصال سابق.
تحليل المقطع العرضي المعدني
هذه هي الطريقة الأكثر دقة التي يمكنها تأكيد معظم العيوب بشكل قاطع. يمكن للمعلومات المستقاة من المقاطع العرضية أن تشير إلى ما إذا كانت العيوب متعلقة بالعملية أو بالمادة. ومن ثم، تساعد هذه المعلومات في تحديد المرحلة التي يجب فيها معالجة المشكلة. مع ذلك، فإن للاختبارات المعدنية بعض القيود. فعملية الاختبار تتطلب جهدًا بشريًا كبيرًا ومعدات باهظة الثمن نسبيًا.
قدرات BGA في شركة TestPcbas
تفخر شركة موكو تكنولوجي بتقنياتها المتطورة لتجميع وفحص لوحات BGA. نستخدم مرافق متطورة وتقنيات حديثة، مما يضمن لنا الدقة والجودة في كل مرحلة تجميع، مما يُمكّننا من التعامل مع جميع حزم BGA تقريبًا. تشمل خدماتنا تجميع لوحات BGA حسب الطلب، وتقنيات فحص متطورة للغاية، ودعمًا هندسيًا، ونماذج أولية سريعة. إذا كنتم بحاجة إلى خدمات تجميع لوحات BGA PCB في مكان واحد، فلا تترددوا في التواصل معنا.
الأسئلة الشائعة حول حزمة BGA
- ما هي الاختلافات الرئيسية بين BGA و LGA الحزم؟
تختلف هذه المنتجات في جوانب مختلفة، بما في ذلك طرق التوصيل، وكثافة الدبابيس، والأداء الحراري، وما إلى ذلك.
خصائص BGA:
يستخدم كرات اللحام للتوصيل المباشر بلوحة الدوائر المطبوعة
يدعم كثافة عالية للدبابيس
يُعد الفحص وإعادة العمل أمراً صعباً نسبياً.
تبديد جيد للحرارة عبر لوحة الدوائر المطبوعة
خصائص منطقة الحكم المحلي:
يستخدم وسادات مسطحة للتلامس أو المقبس
يُسهّل الاستبدال والترقية
يُسهّل الفحص وإعادة العمل
موثوقية ميكانيكية جيدة، خاصة مع تصميم المقبس
- أي نوع من أنواع حزم الدوائر المتكاملة - BGA أو QFP أو QFN - يمثل أكبر التحديات لتصميم لوحات الدوائر المطبوعة، ولماذا؟
تُعدّ تقنية BGA أكثر تعقيدًا، تليها تقنيتا QFN وQFP. تُشكّل حزمة BGA (مصفوفة الشبكة الكروية) أكبر التحديات، نظرًا لما تُوفّره من عقبات كبيرة في التصميم والإنتاج. ثم تأتي تقنية QFN، التي تتميّز بصغر حجمها مقارنةً بتقنية QFP، مما يجعل عملية التوصيل أكثر صعوبة.
- ما هي عملية إعادة تركيب الكرات المعدنية في تجميع BGA؟
يعني ذلك إزالة كرات اللحام القديمة أو التالفة أو المعيبة من رقاقة BGA واستبدالها بكرات جديدة. تتطلب هذه العملية عادةً معدات ومواد متخصصة، بما في ذلك قوالب الاستنسل وكرات اللحام وفرن إعادة التدفق أو مسدس الهواء الساخن.
- ما هي تقنيات تفرع الأسلاك على شكل عظم الكلب وتقنيات التوصيل الداخلي في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة بتقنية BGA؟
تُعدّ تقنية تفرع الأسلاك على شكل عظمة الكلب خيارًا شائعًا واقتصاديًا. وهي طريقة توجيه يتم فيها تمديد مسار قصير من وسادة BGA إلى وصلة قريبة (مشكلاً شكل "عظمة الكلب"). أما تقنية الوصلة داخل الوسادة فهي تقنية متقدمة، حيث يتم وضع الوصلة مباشرةً على وسادة لحام BGA.
