Кіріспе
Бетiне орнатылатын, тiркiлiк шарлардың массивін пайдаланатын қаптама. Балдық тор массиві (BGA) – интегралдық схемалар үшін қолданылатын бетiне орнатылатын қаптаманың (чип тасымалдаушы) бір түрі. BGA қаптамалары микропроцессорлар сияқты құрылғыларды тұрақты орнату үшін қолданылады. BGA, екі қатарлы немесе жалпақ қаптамаға қарағанда көбірек қосылымдарды қамтамасыз ете алады. Құрылғының төменгі жағының барлық бетін, тек периметрін ғана емес, пайдалануға болады. Қаптаманың қосылымдарын сымдарға немесе шарларға жалғайтын іздер де, әдетте, тек периметрлік типке қарағанда қысқа болады, бұл жоғары жылдамдықтарда жақсы өнімділікке әкеледі. BGA 1990-шы жылдары енгізілді және 2001 жылға қарай кең таралды. BGA құрылғыларын дәнекерлеуге нақты басқару қажет, және әдетте компьютерлік бақылаудағы автоматты қайта ағын пештері сияқты автоматтандырылған процестер арқылы жасалады.
A ball grid array (BGA) is a type of surface mount packaging (a chip carrier) used for integrated circuits. BGA packages are used to permanently mount devices such as microprocessors. A BGA can provide more interconnection pins than can be put on a dual in line or flat package. The whole bottom surface of the device can be used, instead of just the perimeter. The traces connecting the package's leads to the wires or balls which connect the die to package are also on average shorter than with a perimeter only type, leading to better performance at high speeds. BGAs were introduced in the 1990s and became popular by 2001. Soldering of BGA devices requires precise control and is usually done by automated processes such as in computer controlled automatic reflow ovens.
Сипаттама
BGA түйіршік желілік массивтен (PGA) шыққан, ол бір жағы торлы үлгідегі түйіршіктермен (немесе жартылай жабық) жабылған, ал жұмыс істеген кезде интегралдық схема мен оны орналастырған баспа тізбегі (PCB) арасында электр сигналдарын өткізеді. BGA-да түйіршіктер пакеттің төменгі жағындағы контактілік жастықшалармен алмастырылады, олардың әрқайсысына бастапқыда кішкентай лемдеу шарлары жабыстырылған. Бұл лемдеу шарларын қолмен немесе автоматтандырылған жабдық арқылы орналастыруға болады және олар жабысқақ қоспамен бекітіледі. Құрылғы PCB-ге, лемдеу шарларына сәйкес келетін мыс жастықшалары бар үлгімен орналастырылады. Содан кейін жиналымды қайта лемдеу пешінде немесе инфрақызыл қыздырғышта қыздырады, бұл шарларды ерітеді. Беттік кернеу еріген лемдеудің құрылғы мен тізбек тақтасы арасында дұрыс арақашықтықта пакетті ұстап тұруын қамтамасыз етеді, ал лемдеу салқындап, қатып, құрылғы мен PCB арасында лемделген қосылыстарды жасайды. Күрделірек технологияларда лемдеу шарлары PCB-де де, пакетте де қолданылуы мүмкін. Сонымен қатар, үйілген көп чипті модульдерде (пакет үстінде пакет) екі пакетті қосу үшін лемдеу шарлары пайдаланылады.
Жоғары тығыздық
BGA – интегралдық схемадағы жүздеген түйіспелерге арналған миниатюралық корпус жасау мәселесін шешетін шешім. Түйіспелік тор массивтері және екі қатарлы бетке орнатылатын (SOIC) корпустар көбірек түйіспелермен және түйіспелер арасындағы аралықты азайту арқылы өндірілді, бірақ бұл пайдандыру процесінде қиындықтар туғызды. Корпустың түйіспелері жақындаған сайын, жақын орналасқан түйіспелерді кездейсоқ түрде паймен біріктіріп алу қаупі арта түсті.
Жылу өткізгіш
БГА пакеттерінің дискретті қосымшалары бар (яғни аяқтары бар) пакеттерге қарағанда тағы бір артықшылығы – пакет пен басылған тізбек тақтасы (БТТ) арасындағы жылулық кедергінің төмендеуі. Бұл пакет ішіндегі интегралды схемадан пайда болатын жылудың БТТ-ға оңайрақ өтуіне мүмкіндік береді, соның нәтижесінде чиптің қызып кетуіне жол бермейді.
Төмен индуктивті өткізгіштер
Электр өткізгіш неғұрлым қысқа болса, оның қажетсіз индуктивтілігі де соғұрлым төмен болады. Бұл қасиет жоғары жылдамдықты электрондық тізбектердегі сигналдардың қажетсіз бұрмалануына себеп болады. BGA-лар пакеті мен басылған тізбек тақтасы (PCB) арасындағы өте қысқа қашықтығының арқасында төмен индуктивтілікке ие, бұл оларды тігілген құрылғылардан (pinned devices) жоғары электрлік көрсеткіштерге ие етеді.
Қаулыны орындамау
BGА-ның бір кемшілігі — дәнекерлеу шарлары ұзын қосымша сымдар сияқты иілгіштікке ие болмайды, сондықтан олар механикалық жағынан икемді емес. Барлық беттік монтаждау құрылғыларындағы сияқты, ПХБ (басылған плата) субстраты мен BGА арасындағы жылулық кеңею коэффициентінің (термиялық кернеу) айырмашылығынан немесе иілу мен дірілденуден (механикалық кернеу) дәнекерлеу тігістерінің сынуына себеп болуы мүмкін. Жылулық кеңею мәселелерін ПХБ-ның механикалық және жылулық сипаттамаларын пакеттің сипаттамаларымен сәйкестендіру арқылы шешуге болады. Әдетте, пластикалық BGА құрылғылары керамикалық құрылғыларға қарағанда ПХБ-ның жылулық сипаттамаларына жақын болады. RoHS стандартына сәйкес келетін қорғасынсыз дәнекерлеу қорытпаларын кеңінен қолдану BGА үшін бірнеше жаңа қиындықтар тудырды, оларға «жастықшаға батқан бас» құбылысы, «жастықшадағы шұңқырлар» және экстремалды жағдайларда (жоғары температура, жоғары жылулық соққы және жоғары гравитациялық күш) қорғасынды дәнекерлеуге қарағанда сенімділіктің төмендеуі кіреді, бұл RoHS дәнекерлеулерінің төмен икемділігіне байланысты. Механикалық кернеу мәселелерін құрылғыны «астыңғы толтыру» процесі арқылы тақтаға бекіту арқылы шешуге болады. Бұл процесте құрылғы ПХБ-ға дәнекерленгеннен кейін оның астына эпоксид қоспасы құйылады, бұл BGА құрылғысын ПХБ-ға жақсырақ жабыстырады. Астыңғы толтыру материалдарының жұмыс істеуге қолайлылығы мен жылуды өткізу қабілетіне қарай әртүрлі түрлері бар. Астыңғы толтырудың тағы бір артықшылығы — қалайының жіңішке талшықтарының өсуін шектеуі. Қосылымдардың сәйкес келмеуіне қатысты мәселені шешудің тағы бір жолы — пакетке «икемді қабат» қою, ол шарлардың пакетке қатысты физикалық қозғалуына мүмкіндік береді. Бұл әдіс DRAM-ды BGА пакеттеріне орналастыру үшін стандартты тәсілге айналды. Пакеттердің плата деңгейіндегі сенімділігін арттырудың басқа тәсілдеріне керамикалық BGА (CBGA) пакеттері үшін төмен кеңею коэффициенті бар ПХБ-ны пайдалану, пакет пен ПХБ арасына интерпозерлер орнату және құрылғыны қайта қаптау кіреді. Бұл мәселені шешу үшін дәнекерленген пакеттің астын қарауға арналған арнайы микроскоптар мен эндоскоптар жасалды. Егер BGА дұрыс дәнекерленбегені анықталса, оны инфрақызыл шаммен (немесе ыстық ауамен), термопарамен және пакетті көтеруге арналған вакуумдық құрылғысы бар қайта өңдеу станциясында алып тастауға болады. BGА жаңасымен ауыстырылуы мүмкін, немесе оны жаңартып (немесе қайта дәнекерлеп) схемалық тақтаға қайта орнатуға болады. Тек бірнеше шарды қайта дәнекерлеу қажет болған жағдайда, қайта дәнекерлеу үшін матрицалық үлгіге сәйкес келетін алдын ала дайындалған дәнекерлеу шарларын пайдалануға болады. Көлемді және қайталанатын зертханалық жұмыстар үшін бос шарларды алу және орналастыру үшін штембельді вакуумдық басты пайдалануға болады. Визуальды рентгендік тексерудің жоғары құнына байланысты, көбінесе электрлік тестілеу қолданылады. IEEE 1149.1 JTAG портын пайдаланатын шекаралық сканерлеу тестілеуі кеңінен таралған. Арзан әрі оңай тексеру әдісі, бірақ бұзушы, оның артықшылығы — арнайы жабдық қажет болмайды. «Бояу және сығу» деп аталатын бұл процесте бүкіл ПХБ немесе тек BGА орнатылған модуль бояуға батырылады, содан кейін кептірілгеннен кейін модуль сығылып алынып, сынған тігістер тексеріледі. Егер дәнекерлеу орнында бояу болса, онда бұл қосылымның нашар болғанын көрсетеді.
Сұлбаларды әзірлеу кезіндегі қиындықтар
Даму кезінде BGA-ны тікелей дәнекерлеу ыңғайсыз, сондықтан оның орнына ұялар (сокеттер) қолданылады, бірақ олар көбінесе сенімсіз болады. Ұялардың екі негізгі түрі бар: біріншісі, шарлардың астынан итермелейтін серіппелі тіректерге ие, бұл түрі сенімдірек, алайда серіппелі тіректер тым қысқа болғандықтан, шарлары алынып тасталған BGA-ны қолдануға болмайды. Екінші түрі – ZIF ұясы, ол шарларды қысып ұстайтын серіппелі қысқыштармен жабдықталған. Бұл әсіресе шарлар кішкентай болғанда тиімді жұмыс істемейді.
Жабдықтың құны
BGA пакеттерін сенімді түрде дәнекерлеу үшін қымбат жабдық талап етіледі; BGA пакеттерін қолмен дәнекерлеу өте қиын және сенімсіз, тек ең кішкентай пакеттерді ең аз мөлшерде пайдалануға ғана болады. Дегенмен, интегралдық схемалардың көбі қорғасынсыз (мысалы, төрт қабатты, қорғасынсыз пакет) немесе BGA пакеттері түрінде ғана қолжетімді болғандықтан, арзан жылу көздерін – жылу тапаншаларын, үй тостер пештерін және электрлік табаларды пайдаланып, түрлі өздігінен қайта ағыту (DIY reflow) әдістері жасалды.
Сатып алу
BGA-ның негізгі соңғы пайдаланушылары – түпкілікті жабдық өндірушілер (OEM). Сонымен қатар, электрондық хоббистер, өздігінен жасау (DIY) қатысты, соның ішінде күшейіп келе жатқан өндірушілер қозғалысы сияқты нарық та бар. Әдетте, OEM-дер өз компоненттерін өндірушіден немесе өндірушінің дистрибьюторынан алады, ал хоббистер BGA-ны электрондық компоненттер брокерлері немесе дистрибьюторлары арқылы қосымша нарықтан сатып алады.