Con il continuo progresso tecnologico nel settore dell'elettronica, il packaging rimane uno dei fattori chiave di successo che determinano efficienza e affidabilità. Un esempio di questa tecnologia che ha ricevuto notevole attenzione negli ultimi anni è il Ball Grid Array (BGA). Questa innovazione nel packaging ha infatti modificato significativamente l'interconnessione dei componenti sui circuiti stampati, consentendo elevata densità e prestazioni elevate. In questa guida, forniremo una breve panoramica della tecnologia BGA, includendone vantaggi e svantaggi, diversi tipi di package BGA, la saldatura BGA e le tecniche di ispezione del Ball Grid Array. Approfondiamo subito.
Cos'è il BGA (Ball Grid Array) su un PCB?
Un Ball Grid Array è in realtà un tipo di imballaggio a montaggio superficiale utilizzato nella produzione di circuiti integratiA differenza di altri package che utilizzano terminali che si estendono dalla periferia del package, il BGA utilizza una griglia di sfere di saldatura sul lato inferiore del package. Queste sfere di saldatura fungono da punti di contatto tra il chip e il circuito stampato.
6 tipi di pacchetti BGA comunemente utilizzati
Sul mercato sono disponibili vari tipi di package BGA, utilizzati per diverse applicazioni ed esigenze. Qui analizzeremo sei tipi di package BGA comunemente utilizzati:
PBGA (Plastic Ball Grid Array)
Nel PBGA, il substrato è un laminato di resina BT/vetro, mentre il materiale di confezionamento è la plastica. La caratteristica di questo tipo di package BGA è che non richiede saldatura aggiuntiva per collegare le sfere di saldatura al package desiderato. Rappresenta una soluzione conveniente per diverse applicazioni.
Ceramica BGA (CBGA)
Il CBGA è un tipo di packaging tradizionale a griglia a sfere (BGA), che utilizza un substrato ceramico multistrato come materiale di base. Il coperchio metallico viene poi saldato al substrato utilizzando una lega per packaging per schermare il chip, i terminali e le sfere di saldatura. La sfera di saldatura è realizzata in materiale eutettico, garantendo connessioni affidabili tra il substrato e i componenti.
MicroBGA (uBGA)
Micro BGA (µBGA) è una tecnologia di packaging avanzata Ball Grid Array che occupa pochissimo spazio. Offre chip molto più piccoli, una migliore gestione termica e una maggiore densità di dati. Come suggerisce il nome, µBGA è utilizzato principalmente in dispositivi elettronici compatti e offre le prestazioni migliorate tanto necessarie in aree con limitazioni di dimensioni.
Nastro BGA (TBGA)
Tape Ball Grid Array (TBGA) è una tecnica di packaging BGA che utilizza il nastro flessibile al posto del laminato rigido. Questo consente di ottenere un packaging leggero e sottile con interconnessioni ad alta densità e migliori caratteristiche termiche ed elettriche.
Array di griglie a sfera flip chip (FC-BGA)
Nel FC-BGA, il circuito integrato viene capovolto in modo da poter essere saldato sulla scheda. Questo tipo di package BGA offre prestazioni termiche ed elettriche migliorate poiché le sue sfere di saldatura si collegano al Piazzole per PCB direttamente.
Pacchetto su pacchetto (PoP)
In questo tipo di package BGA, molti circuiti integrati sono impilati insieme. Ogni circuito integrato ha il proprio ball grid array per consentire l'integrazione verticale dei componenti. È ampiamente utilizzato per applicazioni in cui lo spazio è limitato, come i dispositivi mobili.
| Tipo | Materiale | Tipo di saldatura | Funzionalità principali | Applicazioni comuni |
| PBGA | plastic | Con piombo o senza piombo | Nessuna saldatura aggiuntiva necessaria per la sfera sul pacchetto | Elettronica di consumo, applicazioni di fascia bassa e media |
| CBGA | ceramica | Eutettico | Tipo di lunga durata, coperchio protettivo | Applicazioni ad alta affidabilità, aerospaziale, militare |
| uBGA | plastica | Non specificato | Dimensioni ridotte, migliore dissipazione del calore | Operazioni ad alta frequenza, dispositivi elettronici compatti |
| TBGA | plastica | Non specificato | Interconnessioni più sottili, leggere e ad alta densità | Elettronica portatile, smartphone, tablet |
| FC-BGA | Various | Direttamente su PCB | Prestazioni termiche ed elettriche migliorate | Processori ad alte prestazioni, GPU, processori di rete |
| Pop | Various | BGA multipli | Integrazione verticale, risparmio di spazio | Dispositivi mobili, dove lo spazio è prezioso, stack di memoria + processore |
Vantaggi e svantaggi della tecnologia BGA
Vantaggi
- Maggiore densità: rispetto ai pacchetti tradizionali, i BGA consentono di collegare più componenti anche in spazi ridotti, il che è fondamentale per i dispositivi elettronici moderni.
- Prestazioni termiche migliorate: le sfere di saldatura sono disposte secondo uno schema particolare, che consente loro di condividere uniformemente il calore, riducendo così il rischio di surriscaldamento in alcune aree
- Induttanza ridotta: nel BGA, i percorsi di connessione più brevi possono ridurre al minimo l'induttanza, migliorando così l'integrità del segnale, il che è particolarmente utile alle alte frequenze.
- Maggiore affidabilità: rispetto al package con piombo, il BGA offre una maggiore affidabilità poiché subisce meno sollecitazioni meccaniche durante il processo di ciclaggio termico.
Svantaggi
- Sfide di ispezione: è più difficile ispezionare la qualità delle saldature BGA poiché si trovano sul lato inferiore del package. Alcuni problemi di saldatura sono difficili da verificare solo a occhio nudo. Dobbiamo utilizzare tecniche specializzate come Ispezione a raggi X..
- Complessità di riparazione: uno degli svantaggi della tecnica BGA è la complessità di riparazione. Si tratta di un processo lungo e costoso che richiede strumenti professionali come una stazione di rilavorazione BGA.
- Assemblaggio estremamente cauto: durante il processo di saldatura BGA, gli operatori devono prestare molta attenzione al corretto montaggio dei componenti, qualsiasi errore può compromettere le prestazioni e persino causare una connessione scadente.
Come saldare i Ball Grid Array sui circuiti stampati?
Per garantire un'elevata affidabilità e ridurre al minimo i tassi di difettosità, è fondamentale controllare rigorosamente il processo di saldatura BGA. Di seguito, un flusso di lavoro chiaro e con importanti considerazioni tecniche per l'assemblaggio BGA.
Preparazione pre-saldatura
In questa fase, è importante prestare attenzione al controllo dell'umidità, soprattutto per i chip PBGA (Plastic Ball Grid Array), che sono sensibili all'umidità. Se l'umidità rimane intrappolata all'interno, il rapido riscaldamento durante la rifusione può causare l'"effetto popcorn", danneggiando il chip o provocando schizzi di saldatura.
Quando i PBGA sensibili all'umidità vengono aperti per più di 8 ore, devono essere sottoposti a cottura. Le condizioni di cottura sono 120 °C ± 5 °C per 24 ore oppure 80 °C ± 5 °C per 48 ore.
Stampa con pasta saldante
Il processo di stampa della pasta saldante influisce significativamente sulla qualità della saldatura dei BGA (Ball Grid Array). Secondo ampi dati statistici, tra i vari processi di saldatura BGA, la stampa della pasta saldante è responsabile del 64% dei difetti di saldatura. I componenti contribuiscono per il 6%, mentre il posizionamento dei componenti e la saldatura a rifusione contribuiscono ciascuno per il 15%.
Con una quantità eccessiva di pasta saldante, si verificheranno ponti di saldatura. Al contrario, se la pasta saldante è insufficiente, potrebbero verificarsi difetti come saldature fredde.
BGA Pick and Place
Un allineamento preciso è fondamentale, poiché le saldature BGA non possono essere ispezionate visivamente dopo il posizionamento. In genere, le moderne macchine pick-and-place utilizzano sistemi di visione per allineare il centro delle sfere di saldatura con il centro dei pad del PCB. Una volta posizionato, il BGA non deve essere spostato o regolato manualmente, poiché ciò causa frequentemente cortocircuiti o una saldatura insufficiente.
Saldatura a riflusso
Una volta che i BGA sono completamente posizionati sulla scheda, il PCB viene inviato al forno di rifusione. Sotto riscaldamento controllato, la pasta saldante si fonde, si raffredda e crea un legame metallurgico. Il profilo di rifusione deve essere rigorosamente controllato per evitare problemi come vuoti, bagnatura insufficiente o stress termico eccessivo sui componenti.
Ispezione post-saldatura
Poiché le saldature dei chip BGA (Ball Grid Array) sono nascoste sotto il package, la tradizionale ispezione visiva non è sufficiente. Per verificare l'integrità delle saldature sono generalmente necessari controlli a raggi X, ispezioni visive, test elettrici o altri metodi distruttivi. Approfondiremo questo argomento nella sezione successiva.
Gli 8 difetti più comuni dei BGA che dovresti conoscere
Di seguito sono elencati i difetti di saldatura più comuni riscontrati durante il processo di assemblaggio del Ball Grid Array:
Giunti di saldatura a freddo: In genere appaiono opachi e ruvidi, con una superficie irregolare. Al microscopio è possibile osservare particelle di saldatura non fuse.
Saldare colmare: Due o più sfere di saldatura adiacenti risultano collegate elettricamente involontariamente.
Bagnatura insufficiente: La pasta saldante non riesce a bagnare adeguatamente il pad e a formare un legame di lega. Di conseguenza, le sfere di saldatura BGA non stabiliscono una connessione elettrica adeguata con i pad.
Sfere di saldatura mancanti: Dopo la rifusione, una o più sfere di saldatura potrebbero essere completamente assenti, causando interruzioni nella connessione.
Microfessure: Può verificarsi all'interfaccia del giunto di saldatura o tra il chip BGA e la sfera di saldatura.
Disallineamento: Le sfere di saldatura non sono allineate correttamente con i pad del PCB, causando uno spostamento di posizione. Ciò può compromettere l'integrità meccanica delle saldature.
Annullamento: Le bolle intrappolate all'interno delle sfere di saldatura possono causare la formazione di vuoti interni.
Difetti della testa nel cuscino (HiP): Le sfere di saldatura e la pasta saldante non si sono fuse completamente o solo parzialmente, dando luogo a giunzioni di saldatura a forma di cuscino. Questo difetto è difficile da individuare e le giunzioni di saldatura sono soggette a rottura durante l'utilizzo successivo.
Tecniche di ispezione Ball Grid Array
In genere, i BGA (Ball Grid Array) contengono centinaia di sfere di saldatura e le loro giunzioni possono presentare simultaneamente diversi tipi di difetti di saldatura. Di seguito, presenteremo 5 tecniche di test, generalmente suddivise in test non distruttivi e test distruttivi.
Prove non distruttive
Ispezione visuale
In genere, il primo passo consiste nell'ispezionare a occhio nudo, con lenti d'ingrandimento o al microscopio la fila più esterna di giunzioni di saldatura BGA. Tuttavia, l'ispezione visiva è un'operazione laboriosa e non consente valutazioni quantitative precise. Di conseguenza, questo metodo è generalmente inadatto per prodotti di alta qualità e affidabilità, nonché per scenari di ispezione su larga scala.
Ispezione a raggi X.
Il metodo di riferimento per l'ispezione non distruttiva dei componenti Ball Grid Array (BGA) è l'ispezione a raggi X. Questo metodo utilizza le differenze di densità per visualizzare la struttura interna delle sfere di saldatura.
L'ispezione a raggi X 2D dovrebbe impiegare un metodo di ispezione a 5 punti, concentrandosi sui quattro lati e sui cinque punti centrali del dispositivo. Allo stesso tempo, eseguire un'ispezione rapida di altre aree. Innanzitutto, ispezionare la vista generale del dispositivo BGA, verificando la presenza di difetti come sfere mancanti, sfere disallineate o ponti di saldatura. Quindi, eseguire un'ispezione localizzata, verificando la presenza di vuoti o altre anomalie delle sfere di saldatura.
Gli ispettori utilizzano i risultati delle radiografie 2D (come dimensioni, forma e valori di grigio delle saldature) per determinare se è necessaria la tomografia 3D. I criteri di valutazione sono i seguenti: le saldature BGA hanno una forma normale (circolare) e non presentano anomalie in termini di dimensioni o valori di grigio. Sebbene la tomografia 3D possa fornire ulteriori informazioni sulle saldature, il processo può essere costoso.
Test elettrici
Nei test elettrici, è necessario utilizzare apparecchiature specializzate come un multimetro e un tester a sonde volanti per accertare parametri quali resistenza e continuità all'interno dei componenti BGA. Ciò consente di individuare problemi nelle prestazioni di connessione e di verificare se le saldature funzionano correttamente.
Test distruttivi
Test di tintura e leva
Si tratta di un metodo distruttivo economico che fornisce informazioni complete sull'interfaccia della giunzione di saldatura. Un colorante ad alta penetrazione viene applicato al BGA. Successivamente, la giunzione di saldatura viene separata per osservare l'estensione e la distribuzione delle cricche interne. Qualsiasi area colorata con il colorante indica una cricca o una separazione preesistente.
Analisi metallografica della sezione trasversale
Questo è il metodo più preciso in grado di confermare in modo definitivo la maggior parte dei difetti. Le informazioni ottenute tramite sezioni trasversali possono indicare se i difetti sono legati al processo o al materiale. Ciò aiuta a determinare in quale fase è necessario intervenire per la correzione. Tuttavia, anche le analisi metallografiche presentano alcune limitazioni. Il processo di analisi è laborioso e richiede attrezzature relativamente costose.
Capacità BGA presso TestPcbas
TestPcbas è orgogliosa delle sue sofisticate tecniche di assemblaggio e ispezione BGA. Utilizziamo strutture all'avanguardia e tecnologie moderne, che ci consentono di garantire precisione e qualità in ogni fase di assemblaggio, consentendoci di gestire quasi tutti i package BGA. La nostra gamma di servizi BGA include l'assemblaggio BGA personalizzato, tecniche di ispezione altamente avanzate, supporto ingegneristico e prototipazione rapida. Se avete bisogno di servizi di assemblaggio PCB BGA completi, non esitate a contattarci.
Domande frequenti sui pacchetti BGA
- Quali sono le principali differenze tra BGA e LGA Pacchetti?
Differiscono per vari aspetti, tra cui i metodi di connessione, la densità dei pin, le prestazioni termiche, ecc.
Caratteristiche del BGA:
Utilizza sfere di saldatura per collegarsi direttamente al PCB
Supporta un'elevata densità di pin
L'ispezione e la rilavorazione sono relativamente difficili
Buona dissipazione del calore attraverso il PCB
Caratteristiche dell'LGA:
Utilizza cuscinetti piatti per il contatto o l'alloggiamento
Consente una sostituzione e un aggiornamento più semplici
Semplifica l'ispezione e la rilavorazione
Buona affidabilità meccanica, soprattutto grazie al design dell'attacco.
- Quale tipo di package per circuiti integrati (BGA, QFP o QFN) presenta le maggiori difficoltà per la progettazione del layout del PCB e perché?
Il package BGA è più impegnativo, seguito da QFN e QFP. Il package Ball Grid Array (BGA) presenta le maggiori difficoltà in termini di progettazione e produzione. Segue il QFN, che ha dimensioni più ridotte rispetto al QFP, il che significa che il routing è più complesso.
- Che cos'è il reballing nell'assemblaggio BGA?
Consiste nel rimuovere le sfere di saldatura vecchie, danneggiate o difettose da un BGA e sostituirle con nuove. Questo processo richiede in genere attrezzature e materiali specializzati, tra cui stencil, sfere di saldatura e un forno a rifusione o una pistola ad aria calda.
- Che cosa sono le tecniche "dog-bone fan-out" e "via-in-pad" nella progettazione di PCB BGA?
La tecnica di instradamento a ventaglio a forma di osso di cane è un'opzione comune ed economica. Si tratta di un metodo di instradamento in cui una breve traccia si estende da un pad BGA a una via vicina (formando una forma a "osso di cane"). La tecnica via-in-pad è una tecnica avanzata che prevede il posizionamento della via direttamente sul pad di saldatura BGA.
