Массива мяч сетки ( BGA ) представляет собой тип поверхностного монтажа упаковки (а несущий чип ) , используемую для интегральных схем . Корпуса BGA используются для постоянного монтажа таких устройств, как микропроцессоры . BGA может иметь больше соединительных контактов, чем может быть размещено на двухрядном или плоском корпусе . Можно использовать всю нижнюю поверхность устройства, а не только периметр. Следы, соединяющие выводы корпуса с проводами или шариками, которые соединяют матрицу с корпусом, также в среднем короче, чем при использовании только по периметру, что обеспечивает лучшую производительность на высоких скоростях. [ необходима цитата ]
Пайка устройств BGA требует точного контроля и обычно выполняется с помощью автоматизированных процессов, таких как автоматические печи оплавления с компьютерным управлением .
Описание
BGA является производным от матрицы сеток выводов (PGA), которая представляет собой корпус, одна сторона которого покрыта (или частично покрыта) выводами в виде сетки, которые во время работы проводят электрические сигналы между интегральной схемой и печатной платой ( PCB), на котором он размещен. В BGA контакты заменены контактными площадками в нижней части корпуса, к каждой из которых изначально прикреплен крошечный шарик припоя . Эти сферы припоя можно размещать вручную или с помощью автоматического оборудования и удерживать на месте с помощью липкого флюса. [1] устройство помещается на печатной плате с медными колодками в шаблоне , который соответствует шарики припоя. Затем сборка нагревается либо в печи оплавления, либо с помощью инфракрасного обогревателя , плавя шарики. Поверхностное натяжение заставляет расплавленный припой удерживать корпус вровень с печатной платой на правильном расстоянии разделения, в то время как припой охлаждается и затвердевает, образуя паяные соединения между устройством и печатной платой.
В более продвинутых технологиях шарики припоя могут использоваться как на печатной плате, так и на корпусе. Кроме того, в составных многочиповых модулях ( упаковка на корпусе ) шарики припоя используются для соединения двух корпусов.
Преимущества
Высокая плотность
BGA - это решение проблемы создания миниатюрного корпуса для интегральной схемы со многими сотнями контактов. Матрицы сетки выводов и корпуса для поверхностного монтажа с двойным расположением выводов ( SOIC ) производились с все большим количеством выводов и с уменьшающимся расстоянием между выводами, но это создавало трудности для процесса пайки. По мере того, как контакты корпуса становились ближе друг к другу, возрастала опасность случайного соединения соседних контактов припоем.
Теплопроводность
Еще одно преимущество корпусов BGA перед корпусами с дискретными выводами (то есть корпусами с ножками) заключается в более низком тепловом сопротивлении между корпусом и печатной платой. Это позволяет теплу, выделяемому интегральной схемой внутри корпуса, легче течь к печатной плате, предотвращая перегрев микросхемы.
Провода с низкой индуктивностью
Чем короче электрический проводник, тем ниже его нежелательная индуктивность , свойство, которое вызывает нежелательное искажение сигналов в высокоскоростных электронных схемах. BGA с очень малым расстоянием между корпусом и печатной платой имеют низкую индуктивность выводов, что обеспечивает им превосходные электрические характеристики по сравнению с устройствами с выводами.
Недостатки
Несоблюдение
Недостатком BGA является то, что шарики припоя не могут изгибаться так, как это могут быть более длинные выводы, поэтому они не соответствуют механическим требованиям . Как и в случае со всеми устройствами для поверхностного монтажа, изгиб из-за разницы в коэффициенте теплового расширения между подложкой печатной платы и BGA (термическое напряжение) или изгиб и вибрация (механическое напряжение) могут вызвать разрушение паяных соединений.
Проблемы теплового расширения могут быть решены путем согласования механических и тепловых характеристик печатной платы с характеристиками корпуса. Как правило, пластиковые устройства BGA более точно соответствуют тепловым характеристикам печатной платы, чем керамические устройства.
Преобладающее использование сборок из бессвинцовых припоев, соответствующих требованиям RoHS, создало некоторые дополнительные проблемы для BGA, включая явление пайки « голова в подушке » [2] , проблемы с образованием кратеров на контактных площадках, а также их пониженную надежность по сравнению с BGA на основе свинца в экстремальных условиях. условия эксплуатации, такие как высокая температура, сильный тепловой удар и среда с высокой гравитационной силой, отчасти из-за более низкой пластичности припоев, соответствующих требованиям RoHS. [3]
Проблемы с механическими напряжениями могут быть преодолены путем приклеивания устройств к плате посредством процесса, называемого «недозаполнение» [4], при котором эпоксидная смесь вводится под устройство после того, как оно припаяно к печатной плате, эффективно приклеивая устройство BGA к печатной плате. Существует несколько типов материалов для заливки, которые различаются по свойствам обрабатываемости и теплопередачи. Дополнительным преимуществом недостаточного заполнения является то, что он ограничивает рост усов олова .
Другое решение проблемы несовместимых соединений - это поместить в упаковку «соответствующий слой», который позволяет шарикам физически перемещаться по отношению к упаковке. Этот метод стал стандартом для упаковки DRAM в пакеты BGA.
Другие методы повышения надежности корпусов на уровне платы включают использование печатных плат с низким коэффициентом расширения для корпусов керамических BGA (CBGA), переходников между корпусом и печатной платой и повторную упаковку устройства. [4]
Сложность осмотра
После того, как корпус припаян на место, трудно найти дефекты пайки. Для решения этой проблемы были разработаны рентгеновские аппараты, промышленные компьютерные томографы , [5] специальные микроскопы и эндоскопы, позволяющие смотреть под припаянный корпус. Если будет обнаружено, что BGA плохо припаян, его можно удалить на ремонтной станции , которая представляет собой приспособление, оснащенное инфракрасной лампой (или горячим воздухом), термопарой и вакуумным устройством для подъема упаковки. BGA можно заменить новым или отремонтировать (или перебалансировать ) и повторно установить на печатную плату. Предварительно сконфигурированные шарики припоя, соответствующие шаблону массива, можно использовать для реболлинга BGA, когда требуется переработка только одного или нескольких. Для больших объемов и повторяющихся лабораторных работ можно использовать вакуумную головку с трафаретной конфигурацией и размещение незакрепленных сфер.
Из-за стоимости визуального рентгеновского контроля BGA вместо него очень часто используется электрическое тестирование. Очень распространено тестирование граничного сканирования с использованием порта JTAG IEEE 1149.1 .
Более дешевый и простой метод контроля, хотя и разрушительный, становится все более популярным, поскольку не требует специального оборудования. Этот процесс, обычно называемый красителем и поддевкой , включает погружение всей печатной платы или только присоединенного к BGA модуля в краситель , а после высыхания модуль снимается и проверяются поврежденные соединения. Если место пайки содержит краситель, это означает, что соединение было несовершенным. [6]
Трудности при разработке схемы
Во время разработки нецелесообразно паять BGA на место, вместо этого используются разъемы, но они, как правило, ненадежны. Существует два распространенных типа розеток: более надежный тип имеет пружинные штифты, которые выдвигаются под шарики, хотя он не позволяет использовать BGA с удаленными шариками, поскольку пружинные штифты могут быть слишком короткими.
Менее надежный тип - это гнездо ZIF с пружинными зажимами, которые захватывают шарики. Это плохо работает, особенно если шарики маленькие. [ необходима цитата ]
Стоимость оборудования
Для надежной пайки корпусов BGA требуется дорогостоящее оборудование; пайка корпусов BGA вручную очень сложна и ненадежна, ее можно использовать только для самых маленьких корпусов в самых маленьких количествах. [ необходима цитата ] Однако, поскольку все больше микросхем стали доступны только в безвыводных (например, четырехплоскостной корпус без выводов ) или корпусах BGA, были разработаны различные методы оплавления самодельным оплавлением с использованием недорогих источников тепла, таких как тепловые пушки , бытовые тостеры и электрические сковороды. [7]
Варианты
- CABGA : массив микросхем с шариковой сеткой
- CBGA и PBGA обозначают гр eramic или р Lastic материала подложки , к которому прикреплен массив.
- CTBGA : массив тонких чипов с шариковой сеткой
- CVBGA : очень тонкий массив шариковой решетки
- DSBGA : матрица шариков размером с кристалл
- FBGA : решетка с мелкими шариками, основанная на технологии массива шариков . Он имеет более тонкие контакты и в основном используется в конструкциях « система на кристалле» ;
также известный как сетка с мелкими шариками ( стандарт JEDEC [8] ) или
BGA с мелкими линиями от Altera . Не путать с усиленным BGA. [9] - FCmBGA : матрица с шарнирно- формованной сеткой с перевернутым чипом
- LBGA : низкопрофильная сетка для мячей
- LFBGA : сетка из низкопрофильных мячей с мелким шагом
- MBGA : сетка из микрошариков
- MCM-PBGA : пластиковая сетка с шариками, состоящая из нескольких микросхем
- PBGA : пластиковая сетка из шариков
- SuperBGA (SBGA) : матрица супер шариков
- TABGA : ленточный массив BGA
- TBGA : тонкий BGA
- TEPBGA : термостойкая пластиковая сетка с шариками
- TFBGA или массив тонких и мелких шариков
- UFBGA и UBGA и ультратонкая сетка для мячей, основанная на сетке для питч-мячей.
- VFBGA : сетка для мячей с очень мелким шагом
- WFBGA : сетка шариков с очень тонким профилем и мелким шагом
Чтобы упростить использование устройств с решеткой из шариков, в большинстве корпусов BGA шарики находятся только во внешних кольцах корпуса, а самый внутренний квадрат остается пустым.
Intel использовала пакет под названием BGA1 для своих процессоров Pentium II и ранних мобильных процессоров Celeron . BGA2 - это пакет Intel для своих мобильных процессоров Pentium III и некоторых более поздних мобильных процессоров Celeron. BGA2 также известен как FCBGA-479. Он заменил своего предшественника BGA1.
Например, "micro-FCBGA" (сетка с перевернутыми фишками) является текущим [ когда? ] Способ монтажа BGA для мобильных процессоров, в котором используется технология фиксации флип-чипа . Он был представлен в Coppermine Mobile Celeron. [ необходима цитата ] Micro-FCBGA имеет 479 шариков диаметром 0,78 мм. Процессор крепится к материнской плате путем припаивания шариков к материнской плате. Он тоньше, чем гнездо с решетчатой решеткой, но не снимается.
479 шариков корпуса Micro-FCBGA (корпус, почти идентичный 478-контактному корпусу micro-FCPGA с разъемом ) расположены в виде 6 внешних колец с шагом 1,27 мм (шаг 20 шариков на дюйм) квадратной сетки 26x26, с внутренняя область 14x14 пуста. [10] [11]
Закупка
Основными конечными пользователями BGA являются производители оригинального оборудования (OEM). Среди любителей электроники также существует рынок « сделай сам» (сделай сам), такой как набирающее популярность движение производителей . [12] В то время как OEM-производители обычно получают свои компоненты от производителя или дистрибьютора производителя, любитель обычно приобретает BGA на вторичном рынке через брокеров или дистрибьюторов электронных компонентов .
Смотрите также
- Двухрядный корпус (DIP)
- Матрица сетки выводов (PGA)
- Земельный массив (LGA)
- Тонкий плоский пакет для квадрокоптеров (TQFP)
- Мелкоконтрастная интегральная схема (SOIC)
- Держатель чипа: упаковка чипа и список типов упаковки
- Встроенная сетка для шариков на уровне пластины
Рекомендации
- ^ «Пайка 101 - Базовый обзор» . Архивировано из оригинала на 2012-03-03 . Проверено 29 декабря 2010 .
- ^ Альфа (2010-03-15) [сентябрь 2009]. «Уменьшение дефектов головы в подушке - дефекты головы в подушке: причины и возможные решения» . 3. Архивировано 03 декабря 2013 года . Проверено 18 июня 2018 .
- ^ "TEERM - Активный проект TEERM - Бессвинцовая электроника NASA-DOD (Проект 2)" . Teerm.nasa.gov. Архивировано из оригинала на 2014-10-08 . Проверено 21 марта 2014 .
- ^ a b Твердотельная технология: заполнители BGA - Повышение надежности паяных соединений на уровне платы, 01.12.2001
- ^ «Услуги КТ - Обзор». Джесси Гарант и партнеры. 17 августа 2010 г. «Архивная копия» . Архивировано из оригинала на 2010-09-23 . Проверено 24 ноября 2010 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
- ^ «Краска и фиксация паяных соединений BGA» (PDF) . cascade-eng.com. 2013-11-22. Архивировано из оригинального (PDF) 16.10.2011 . Проверено 22 марта 2014 .
- ^ SparkFun учебники: оплавления сковороду, июль 2006
- ^ Требования к дизайну - Пакет решеток с мелким шагом (FBGA) DR-4.27D , jedec.org, март 2017 г.
- ^ Райан Дж. Ленг. «Секреты памяти ПК: Часть 2» . 2007 г.
- ^ Intel. «Мобильный процессор Intel Celeron (0,13 мкм) в корпусах Micro-FCBGA и Micro-FCPGA». Лист данных . 2002 г.
- ^ FCBGA-479 (Micro-FCBGA)
- ^ «Больше, чем просто цифровое лоскутное шитье: движение« производителей »может изменить способ преподавания науки и стимулировать инновации. Оно может даже возвестить новую промышленную революцию» . Экономист . 3 декабря 2011 г.
Внешние ссылки
- Информация о пакете PBGA от Amkor Technology
- Информация о пакете PBGA от J-Devices Corporation