Введение
Пакет для поверхностного монтажа, использующий массив припоя в виде шаров.
Массив шаровых контактов (BGA) – это тип корпуса для поверхностного монтажа (носитель чипа), применяемый для интегральных схем. Корпуса BGA используются для постоянного монтажа устройств, таких как микропроцессоры. BGA может обеспечить большее количество контактов, чем возможно разместить в DIP- или плоском корпусе. Вся нижняя поверхность устройства может быть использована для контактов, а не только периметр. Трассы, соединяющие выводы корпуса с проводниками или шарами, которые соединяют кристалл с корпусом, в среднем короче, чем в корпусах с контактами только по периметру, что обеспечивает лучшую производительность на высоких частотах. BGA были разработаны в 1990-х годах и получили широкое распространение к 2001 году. Пайка устройств BGA требует прецизионного контроля и обычно выполняется автоматизированными процессами, например, в автоматических печах оплавления с компьютерным управлением.
Описание
BGA произошел от корпусов с контактной решеткой (PGA), представляющих собой корпуса с одной стороной, покрытой (или частично покрытой) выводами в виде сетки, которые в процессе работы проводят электрические сигналы между интегральной схемой и печатной платой (PCB), на которую он устанавливается. В BGA выводы заменены контактными площадками на нижней стороне корпуса, к каждой из которых изначально прикреплен крошечный шарик припоя. Эти шарики припоя могут быть установлены вручную или автоматическим оборудованием и удерживаются на месте липким флюсом. Устройство устанавливается на PCB с медными площадками, расположенными в соответствии с шариками припоя. Затем сборка нагревается в печи оплавления или инфракрасным нагревателем, что приводит к расплавлению шариков. Поверхностное натяжение заставляет расплавленный припой удерживать корпус в выровненном положении относительно платы, на правильном расстоянии, пока припой остывает и затвердевает, формируя паяные соединения между устройством и PCB. В более продвинутых технологиях шарики припоя могут использоваться как на PCB, так и на корпусе. Кроме того, в многокристальных модулях, реализованных по технологии «корпус на корпусе», шарики припоя используются для соединения двух корпусов.
Высокая плотность
BGA – это решение проблемы создания миниатюрной упаковки для интегральной схемы с сотнями выводов. Массивы выводов (Pin Grid Arrays) и корпуса с двойным встроенным поверхностным монтажом (SOIC) выпускались с все большим числом выводов и уменьшающимся расстоянием между ними, но это создавало трудности при пайке. По мере уменьшения расстояния между выводами упаковки возрастала опасность случайного замыкания соседних выводов при пайке.
Теплопроводность
Еще одним преимуществом корпусов BGA по сравнению с корпусами с выводными контактами (т.е. корпусами с ножками) является более низкое тепловое сопротивление между корпусом и печатной платой. Это обеспечивает более эффективный отвод тепла, выделяемого интегральной схемой внутри корпуса, на печатную плату, предотвращая перегрев чипа.
Провода с низкой индуктивностью
Чем короче электрический проводник, тем ниже его паразитная индуктивность, свойство, вызывающее нежелательные искажения сигналов в высокоскоростных электронных схемах. Корпуса BGA, благодаря очень короткому расстоянию между корпусом и печатной платой (PCB), обладают низкой индуктивностью выводов, что обеспечивает им более высокие электрические характеристики по сравнению с устройствами с выводами.
Несоблюдение
Недостатком BGA является то, что паяльные шарики не могут изгибаться так, как более длинные выводы, поэтому они не обладают механической гибкостью. Как и для всех компонентов 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 привести к разрушению паяных соединений. Проблемы, связанные с тепловым расширением, можно решить путем согласования механических и термических характеристик печатной платы с характеристиками корпуса. Обычно пластиковые BGA-корпуса лучше соответствуют термическим характеристикам печатной платы, чем керамические. Широкое распространение сборок из бессвинцового припоя, соответствующего требованиям RoHS, создало дополнительные проблемы для BGA, включая феномен "головы в подушке", проблемы "кратерирования площадок", а также снижение их надежности по сравнению с BGA на основе свинцового припоя в экстремальных условиях эксплуатации, таких как высокая температура, резкие перепады температуры и высокие гравитационные нагрузки, отчасти из-за более низкой пластичности припоя, соответствующего требованиям RoHS. Проблемы с механическими напряжениями можно решить путем фиксации компонентов на плате с помощью процесса, называемого "подливом", который заключается в введении эпоксидной смолы под компонент после его припайки к печатной плате, эффективно приклеивая BGA-корпус к печатной плате. Существует несколько типов материалов для подлива с различными свойствами, влияющими на технологичность и теплопередачу. Дополнительным преимуществом подлива является ограничение роста оловянных усов. Другое решение для ненадежных соединений – размещение "комплаентного слоя" в корпусе, позволяющего шарикам физически перемещаться относительно корпуса. Эта технология стала стандартом для корпусирования DRAM в BGA-корпусах. Другие методы повышения надежности на уровне платы включают использование печатных плат с низким коэффициентом теплового расширения для керамических BGA (CBGA)-корпусов, интерпозеры между корпусом и печатной платой, а также переупаковку компонентов. Для решения этой проблемы были разработаны специальные микроскопы и эндоскопы для визуального контроля под припаянным корпусом. Если BGA-корпус обнаружен с дефектами припайки, его можно удалить на станции переработки, представляющей собой приспособление, оснащенное инфракрасной лампой (или горячим воздухом), термопарой и вакуумным устройством для подъема корпуса. BGA-корпус можно заменить новым, отремонтировать (или перешарить) и повторно установить на печатную плату. Предварительно сконфигурированные паяльные шарики, соответствующие схеме расположения, могут использоваться для перешаривания BGA-корпусов, когда требуется переработка только одного или нескольких компонентов. Для больших объемов и повторных лабораторных работ можно использовать вакуумную головку со штампом для захвата и установки отдельных шариков. Из-за высокой стоимости визуальной рентгеновской инспекции BGA часто используется электрическое тестирование. Широко распространено тестирование граничного сканирования с использованием порта IEEE 1149.1 JTAG. Более дешевый и простой, хотя и деструктивный, метод проверки становится все более популярным, поскольку не требует специального оборудования. Обычно называемый "окрашивание и отрыв", этот процесс включает погружение всей печатной платы или только прикрепленного модуля BGA в краску, а после высыхания модуль отрывается, и проверяются места разрушения соединений. Если в месте пайки обнаружена краска, это указывает на то, что соединение было некачественным.
Трудности при разработке цепи
Во время разработки пайка BGA-микросхем непосредственно на плату непрактична, поэтому вместо этого используются сокеты, однако они часто оказываются ненадежными. Существует два распространенных типа сокетов: более надежный тип оснащен пружинными контактами, которые прижимаются к шарикам снизу, хотя он не позволяет использовать BGA-микросхемы без шариков, так как пружинные контакты могут быть недостаточно длинными. Менее надежный тип – это ZIF-сокет с пружинными зажимами, которые захватывают шарики. Он работает плохо, особенно если шарики имеют малый размер.
Стоимость оборудования
Для надежной пайки корпусов BGA требуется дорогостоящее оборудование; ручная пайка корпусов BGA очень сложна и ненадежна, пригодна лишь для самых маленьких корпусов в небольших количествах. Однако, поскольку все больше интегральных схем (ИС) стали доступны только в безвыводных (например, корпусах QFN) или BGA корпусах, были разработаны различные самодельные методы оплавления припоя с использованием недорогих источников тепла, таких как термофены, а также бытовые тостеры и электрические сковороды.
Закупки
Основными конечными пользователями BGA являются производители оригинального оборудования (OEM). Существует также рынок среди радиолюбителей и энтузиастов, занимающихся самостоятельной сборкой (DIY), таких как набирающее популярность движение maker. В то время как OEM обычно закупают компоненты непосредственно у производителя или его дистрибьютора, любители, как правило, приобретают BGA на вторичном рынке через брокеров или дистрибьюторов электронных компонентов.