Поскольку технологии в электронной промышленности продолжают развиваться, упаковка остается одним из ключевых факторов успеха, определяющих эффективность и надежность. Одним из примеров такой технологии, которая привлекла значительное внимание в последние несколько лет, является Ball Grid Array (BGA). Действительно, это нововведение в упаковке значительно изменило взаимосвязь компонентов на этих печатных платах, чтобы обеспечить высокую плотность и высокую производительность. Здесь, в этом руководстве, мы рассмотрим краткий обзор технологии BGA, включая ее преимущества и недостатки, различные типы корпусов BGA, пайку BGA и методы проверки Ball Grid Array. Давайте сразу же погрузимся в это.
Что такое BGA (Ball Grid Array) на печатной плате?
Матрица шариковых выводов на самом деле является типом корпуса для поверхностного монтажа, используемого при производстве интегральные схемы. В отличие от других корпусов, которые используют выводы, выходящие из периферии корпуса, BGA использует сетку шариков припоя на нижней стороне корпуса. Эти шарики припоя используются в качестве точек контакта между чипом и печатной платой.
6 наиболее часто используемых типов корпусов BGA
На рынке существуют различные типы корпусов BGA, используемые для различных приложений и требований. Здесь мы обсудим шесть наиболее часто используемых типов корпусов BGA:
PBGA (пластиковая шариковая сетка)
В PBGA подложка представляет собой ламинат из смолы BT/стекла, а упаковочный материал — пластик. Особенностью этого типа BGA-корпуса является то, что он не требует дополнительного припоя для соединения шариков припоя в нужный корпус. Это доступное решение для ряда приложений.
Керамический корпус BGA (CBGA)
CBGA — это разновидность традиционного типа корпуса с шариковой решеткой, в котором в качестве базового материала используется многослойная керамическая подложка. Затем металлическая крышка припаивается к подложке с помощью упаковочного припоя для защиты чипа, выводов, а также шариков припоя. Шарик припоя в нем изготовлен из эвтектического припоя, что обеспечивает надежное соединение между подложкой и компонентами.
Микро BGA (uBGA)
Micro BGA (µBGA) — это усовершенствованная технология упаковки Ball Grid Array, которая занимает очень мало места. Она предлагает гораздо меньшие чипы; улучшенное управление температурой и повышенную плотность данных. Как следует из названия, µBGA в основном используется в компактных электронных устройствах и обеспечивает столь необходимую улучшенную производительность в областях ограничений по размеру.
Лента BGA (ТБГА)
Tape Ball Grid Array (TBGA) — это тип технологии упаковки BGA, которая использует гибкую ленту вместо жесткого ламината. Это может обеспечить легкую и тонкую упаковку с высокой плотностью межсоединений, а также лучшими тепловыми/электрическими характеристиками.
Массив шариковых выводов Flip Chip (FC-BGA)
В FC-BGA интегральная схема перевернута так, что ее можно припаять к печатной плате. Этот тип корпуса BGA обеспечивает улучшенные тепловые и электрические характеристики, поскольку его шарики припоя соединяются с площадки для печатных плат непосредственно.
Пакет в пакете (PoP)
В этом типе корпуса BGA множество интегральных схем сложены вместе. Каждая ИС имеет собственную решетку шариков, что позволяет интегрировать компоненты вертикально. Он широко используется в приложениях с ограниченным пространством, например, в мобильных устройствах.
| Тип | Материал | Тип припоя | Главные преимущества | общие приложения |
| ПБГА | pLastic | Свинцовый или бессвинцовый | Для соединения шариков с корпусом не требуется дополнительная пайка | Потребительская электроника, приложения низкого и среднего уровня |
| CBGA | керамический | эвтектика | Долговечный тип, защитная крышка | Высоконадежные приложения, аэрокосмическая промышленность, военная промышленность |
| убГА | пластик | Не определен | Меньший размер, лучшее рассеивание тепла | Высокочастотные операции, компактные электронные устройства |
| ТБГА | пластик | Не определен | Более тонкие, легкие и высокоплотные соединения | Портативная электроника, смартфоны, планшеты |
| ФК-БГА | Различный | Прямо на печатную плату | Улучшенные тепловые и электрические характеристики | Высокопроизводительные процессоры, графические процессоры, сетевые процессоры |
| PoP | Различный | Несколько BGA | Вертикальная интеграция, экономия места | Мобильные устройства, где пространство имеет первостепенное значение, стеки памяти и процессора |
Преимущества и недостатки технологии BGA
Преимущества
- Более высокая плотность: по сравнению с традиционными корпусами, BGA позволяет подключать больше компонентов даже в небольшом пространстве, что имеет решающее значение для современных электронных устройств.
- Улучшенные тепловые характеристики: шарики припоя расположены в определенном порядке, что позволяет им равномерно распределять тепло, тем самым снижая риск перегрева в некоторых областях.
- Сниженная индуктивность: в BGA более короткие пути соединения могут минимизировать индуктивность, тем самым повышая целостность сигнала, что особенно полезно на высоких частотах.
- Повышенная надежность: по сравнению с выводными корпусами, BGA обеспечивает большую надежность, поскольку в процессе термоциклирования ему приходится выдерживать меньшие механические нагрузки.
Недостатки
- Проблемы проверки: сложнее проверить качество паяных соединений BGA, поскольку они расположены на нижней стороне корпуса. Некоторые проблемы с пайкой трудно обнаружить невооруженным глазом. Нам приходится использовать специализированные методы, такие как Рентгеновское обследование.
- Сложность ремонта: одним из недостатков техники BGA является сложность ремонта. Это трудоемкий и дорогостоящий процесс, требующий профессиональных инструментов, таких как станция для ремонта BGA.
- Особо осторожная сборка: в процессе пайки BGA операторы должны быть очень осторожны и правильно монтировать компоненты, поскольку любая ошибка может повлиять на производительность и даже привести к плохому соединению.
Как припаять сетку шариковых выводов к печатным платам?
Для обеспечения высокой надежности и минимизации количества дефектов крайне важно строго контролировать процесс пайки BGA-компонентов. Ниже представлен четкий, ключевой рабочий процесс и важные технические аспекты сборки BGA-компонентов.
Подготовка к пайке
На этом этапе важно контролировать влажность, особенно для PBGA (Plastic Ball Grid Array), которая чувствительна к влажности. Если внутри скапливается влага, быстрый нагрев во время оплавления может вызвать «эффект попкорна», повредить микросхему или привести к разбрызгиванию припоя.
Если чувствительные к влаге PBGA-чипы остаются незапечатанными более 8 часов, их необходимо подвергнуть термической обработке. Условия термической обработки: 120°C ± 5°C в течение 24 часов или 80°C ± 5°C в течение 48 часов.
Печать паяльной пастой
Процесс нанесения паяльной пасты существенно влияет на качество пайки BGA-чипов. Согласно обширным статистическим данным, среди различных процессов пайки BGA на нанесение паяльной пасты приходится 64% всех дефектов пайки. На компоненты приходится 6%, а на установку компонентов и пайку оплавлением — по 15% каждый.
При избытке паяльной пасты образуется перемычка. И наоборот, при недостаточном количестве паяльной пасты могут возникнуть такие дефекты, как холодные соединения.
BGA Pick and Place
Точное выравнивание имеет решающее значение, поскольку после установки BGA-компоненты визуально проверить их состояние невозможно. Как правило, современные машины для установки компонентов используют системы машинного зрения для выравнивания центра припоя с центром контактных площадок печатной платы. После установки BGA-компоненты нельзя перемещать или корректировать вручную, так как это часто приводит к образованию перемычек или недостаточному количеству припоя.
Пайка оплавлением
После полной установки BGA-компонентов на плату, печатная плата отправляется в печь для оплавления припоя. При контролируемом нагреве паяльная паста плавится, охлаждается и образует металлургическое соединение. Профиль оплавления должен строго контролироваться, чтобы избежать таких проблем, как пустоты, недостаточное смачивание или чрезмерное термическое напряжение компонентов.
Контроль качества после пайки
Поскольку контакты в схеме Ball Grid Array скрыты под корпусом, традиционного визуального осмотра недостаточно. Для проверки целостности паяных соединений обычно необходимы рентгеновский контроль, визуальный осмотр, электрические испытания или другие разрушающие методы. Об этом мы поговорим в следующем разделе.
8 самых распространенных дефектов BGA, о которых вам следует знать.
Ниже перечислены распространенные дефекты пайки, встречающиеся в процессе сборки массивов шариковых выводов:
Холодные паяные соединения: Обычно они выглядят тусклыми и шероховатыми, с неровной поверхностью. А нерасплавленные частицы припоя можно наблюдать под микроскопом.
Припой Преодоление: Два или более соседних припоя непреднамеренно соединены электрическим током.
Недостаточное смачивание: Паяльная паста не обеспечивает надлежащего смачивания контактной площадки и образования прочного соединения. В результате шарики припоя BGA не обеспечивают надлежащего электрического контакта с контактными площадками.
Отсутствуют припойные шарики: После оплавления один или несколько припойных шариков могут полностью отсутствовать, что приводит к обрывам соединений.
Микротрещины: Это может произойти в месте стыка паяного соединения или между BGA-чипом и шариком припоя.
разрегулированность: Шарики припоя неправильно выровнены относительно контактных площадок печатной платы, что приводит к смещению положения. Это может ухудшить механическую целостность паяных соединений.
Аннулирование: Пузырьки воздуха, застрявшие внутри шариков припоя, могут вызывать образование внутренних пустот.
Дефекты положения головы в подушке (HiP): Шарики припоя и паяльная паста не полностью или лишь частично сплавились, в результате чего паяные соединения приобретают форму подушки. Этот дефект трудно обнаружить, и паяные соединения склонны к растрескиванию при последующем использовании.
Методы проверки решетчатых шариков
Как правило, в массивах шариковых выводов содержатся сотни шариков припоя, и в их паяных соединениях одновременно могут наблюдаться различные типы дефектов пайки. Ниже мы рассмотрим 5 методов контроля, которые обычно делятся на неразрушающий и разрушающий контроль.
Неразрушающее тестирование
Визуальный осмотр
Как правило, первым шагом является осмотр внешнего ряда паяных соединений BGA-компонентов невооруженным глазом, с помощью увеличительных стекол или микроскопов. Однако визуальный осмотр — трудоемкий процесс, не позволяющий получить точные количественные оценки. В результате этот метод обычно непригоден для высококачественной и надежной продукции, а также для крупномасштабных проверок.
Рентгеновское обследование
«Золотым стандартом» неразрушающего контроля корпусов BGA (Ball Grid Array) является рентгеновский контроль. Этот метод использует различия в плотности для визуализации внутренней структуры припоя.
При двухмерном рентгеновском контроле следует использовать пятиточечный метод, сосредоточив внимание на четырех сторонах и пяти центральных точках устройства. Одновременно необходимо провести экспресс-контроль других областей. Сначала следует осмотреть устройство BGA в целом, проверяя наличие дефектов, таких как отсутствующие шарики, смещенные шарики или перемычки из припоя. Затем следует провести локальный контроль, проверяя наличие пустот в паяных шариках или других аномалий паяных шариков.
Инспекторы используют результаты 2D-рентгенографии (например, размер, форма и значения оттенков серого паяных соединений), чтобы определить, требуется ли 3D-томография. Критерии оценки следующие: паяные соединения BGA имеют нормальную форму (круглую) и не имеют аномалий по размеру или оттенкам серого. Хотя 3D-томография может предоставить дополнительную информацию о паяных соединениях, этот процесс может быть дорогостоящим.
Электрические испытания
При проведении электротехнических испытаний необходимо использовать специализированное оборудование, такое как мультиметр и тестер с летающим щупом, для определения параметров, включая сопротивление и целостность цепи внутри компонентов BGA. Это позволяет выявлять проблемы в качестве соединений и проверять правильность работы паяных соединений.
Деструктивное тестирование
Тест на окрашивание и вскрытие
Это экономически эффективный разрушающий метод, предоставляющий исчерпывающую информацию о границе раздела паяного соединения. На BGA-компонент наносится высокопроникающий краситель. Затем паяное соединение разрывается, чтобы наблюдать степень и распределение внутренних трещин. Любая область, окрашенная красителем, указывает на наличие ранее существовавшей трещины или расслоения.
Металлографический анализ поперечного сечения
Это наиболее точный метод, позволяющий однозначно подтвердить большинство дефектов. Информация, полученная с помощью поперечных сечений, может указать, связаны ли дефекты с технологическим процессом или с материалом. Это помогает определить, на каком этапе необходимо провести коррекцию. Однако металлографический контроль также имеет определенные ограничения. Процесс тестирования трудоемок и требует относительно дорогостоящего оборудования.
Возможности BGA в TestPcbas
TestPcbas гордится своими сложными методами сборки и проверки BGA. Мы используем передовые мощности и современные технологии, которые позволяют нам гарантировать как точность, так и качество на каждом этапе сборки, что позволяет нам обрабатывать практически все пакеты BGA. Наш набор услуг BGA включает в себя индивидуальную сборку BGA, передовые методы проверки, инженерную поддержку и быстрое прототипирование. Если вам требуются комплексные услуги по сборке печатных плат BGA, не стесняйтесь обращаться к нам.
Часто задаваемые вопросы о пакетах BGA
- В чём заключаются основные различия между BGA и LGA пакеты?
Они различаются по ряду параметров, включая способы подключения, плотность контактов, тепловые характеристики и т.д.
Характеристики BGA:
Использует шарики припоя для прямого соединения с печатной платой.
Поддерживает высокую плотность контактов
Проверка и доработка представляют собой относительно сложную задачу.
Хорошее рассеивание тепла через печатную плату.
Характеристики LGA:
Использует плоские контактные площадки для соединения или розетки.
Облегчает замену и модернизацию.
Упрощает проверку и доработку.
Высокая механическая надежность, особенно благодаря конструкции разъема.
- Какой тип корпуса микросхемы — BGA, QFP или QFN — представляет наибольшие сложности для проектирования печатных плат и почему?
Корпус BGA представляет собой более сложную задачу, за ним следуют QFN и QFP. Корпус Ball Grid Array (BGA) создает наибольшие трудности с точки зрения проектирования и производства. Затем идет QFN, который имеет меньший размер по сравнению с QFP. Это означает, что трассировка в нем сложнее.
- Что такое реболлинг в сборке BGA?
Это означает удаление старых, поврежденных или дефектных шариков припоя с BGA-корпуса и замену их новыми. Для этого процесса обычно требуется специализированное оборудование и материалы, включая трафареты, шарики припоя и печь для оплавления или термофен.
- Что представляют собой методы разводки контактов типа «собачья кость» и установки переходных отверстий на контактных площадках в разводке печатных плат BGA?
Техника разводки "собачья кость" — распространенный и экономически эффективный вариант. Это метод трассировки, при котором короткая дорожка идет от контактной площадки BGA к расположенному рядом переходному отверстию (образуя форму "собачьей кости"). Техника "переходное отверстие в контактной площадке" — это усовершенствованный метод, при котором переходное отверстие размещается непосредственно на контактной площадке BGA.
