Массив шариковых решеток ( BGA ) — это тип корпуса для поверхностного монтажа ( носителя микросхем ), используемый для интегральных схем . Корпуса BGA используются для постоянного монтажа таких устройств, как микропроцессоры . BGA может обеспечить больше соединительных контактов, чем можно разместить в двухрядном или плоском корпусе . Можно использовать всю нижнюю поверхность устройства, а не только периметр. Дорожки, соединяющие выводы корпуса с проводами или шариками, которые соединяют матрицу с корпусом, также в среднем короче, чем у типа с периметром, что приводит к повышению производительности на высоких скоростях. [ нужна цитата ]
BGA были представлены в 1990-х годах и стали популярными к 2001 году. [1]
Пайка устройств BGA требует точного контроля и обычно выполняется автоматическими процессами, например, в автоматических печах оплавления с компьютерным управлением .
BGA произошел от массива контактов (PGA), который представляет собой корпус, одна сторона которого покрыта (или частично покрыта) выводами в виде сетки , которые в процессе работы проводят электрические сигналы между интегральной схемой и печатной платой ( PCB), на которой он размещен. В BGA контакты заменены контактными площадками в нижней части корпуса, к каждой из которых изначально приклеен крошечный шарик припоя . Эти сферы припоя можно размещать вручную или с помощью автоматизированного оборудования и удерживать на месте липким флюсом. [2] Устройство размещается на печатной плате с медными контактами, расположенными по схеме, соответствующей шарикам припоя. Затем сборку нагревают либо в печи оплавления , либо с помощью инфракрасного нагревателя , расплавляя шарики. Поверхностное натяжение заставляет расплавленный припой удерживать корпус на одном уровне с печатной платой на правильном расстоянии, в то время как припой охлаждается и затвердевает, образуя паяные соединения между устройством и печатной платой.
В более продвинутых технологиях шарики припоя можно использовать как на печатной плате, так и на корпусе. Кроме того, в составных многочиповых модулях ( пакет на корпусе ) шарики припоя используются для соединения двух корпусов.
BGA — это решение проблемы создания миниатюрного корпуса интегральной схемы со многими сотнями выводов. Матрицы с сеткой выводов и корпуса для поверхностного монтажа с двойной линией ( SOIC ) производились со все большим и большим количеством выводов и с уменьшением расстояния между выводами, но это создавало трудности для процесса пайки. По мере сближения выводов корпуса возрастала опасность случайного соединения соседних выводов припоем.
Еще одним преимуществом корпусов BGA по сравнению с корпусами с отдельными выводами (т.е. корпусами с ножками) является более низкое тепловое сопротивление между корпусом и печатной платой. Это позволяет теплу, выделяемому интегральной схемой внутри корпуса, легче перетекать к печатной плате, предотвращая перегрев чипа.
Чем короче электрический проводник, тем ниже его нежелательная индуктивность — свойство, вызывающее нежелательное искажение сигналов в высокоскоростных электронных схемах. BGA с очень коротким расстоянием между корпусом и печатной платой имеют низкую индуктивность выводов, что обеспечивает им превосходные электрические характеристики по сравнению с устройствами с штыревыми выводами.
Недостатком BGA является то, что шарики припоя не могут сгибаться так, как более длинные выводы, поэтому они не являются механически совместимыми . Как и в случае со всеми устройствами для поверхностного монтажа, изгиб из-за разницы в коэффициенте теплового расширения между подложкой печатной платы и BGA (тепловое напряжение) или изгиб и вибрация (механическое напряжение) могут привести к разрушению паяных соединений.
Проблемы теплового расширения можно решить, согласовав механические и тепловые характеристики печатной платы с характеристиками корпуса. Обычно пластиковые BGA-устройства более точно соответствуют термическим характеристикам печатной платы, чем керамические устройства.
Преобладающее использование сборок из бессвинцового припоя, соответствующих требованиям RoHS , создало некоторые дополнительные проблемы для BGA, включая феномен пайки « голова в подушке » [3] , проблемы « кратеров на контактных площадках », а также их пониженную надежность по сравнению с BGA с припоем на основе свинца в крайних случаях. такие условия эксплуатации, как высокая температура, сильный термический удар и среда с высокой гравитацией, отчасти из-за более низкой пластичности припоев, соответствующих требованиям RoHS. [4]
Проблемы с механическим напряжением можно решить, прикрепив устройства к плате с помощью процесса, называемого «недозаливкой» [5] , при котором эпоксидная смесь впрыскивается под устройство после его пайки на печатную плату, эффективно приклеивая устройство BGA к печатной плате. Существует несколько типов материалов для подсыпки с разными свойствами в отношении обрабатываемости и теплопередачи. Дополнительным преимуществом недолива является то, что он ограничивает рост «усов» олова .
Другим решением проблемы несоответствующих соединений является размещение в упаковке «совместимого слоя», который позволяет шарикам физически перемещаться относительно упаковки. Этот метод стал стандартом для упаковки DRAM в корпуса BGA.
Другие методы повышения надежности корпусов на уровне платы включают использование печатных плат с низким коэффициентом расширения для керамических корпусов BGA (CBGA), промежуточных устройств между корпусом и печатной платой и повторную упаковку устройства. [5]
После того, как корпус припаян на место, найти дефекты пайки сложно. Для решения этой проблемы были разработаны рентгеновские аппараты, промышленные компьютерные томографы , [6] специальные микроскопы и эндоскопы, позволяющие заглянуть под паяную упаковку. Если обнаружено, что BGA плохо припаян, его можно удалить на паяльной станции , которая представляет собой приспособление, оснащенное инфракрасной лампой (или горячим воздухом), термопарой и вакуумным устройством для подъема корпуса. BGA можно заменить на новый или отремонтировать (или переоборудовать ) и повторно установить на печатную плату. Предварительно настроенные шарики припоя, соответствующие рисунку массива, можно использовать для замены шариков BGA, когда необходимо переработать только один или несколько. Для больших объемов и повторяющихся лабораторных работ можно использовать вакуумную головку с трафаретной конфигурацией и размещение свободных сфер.
Из-за стоимости визуального рентгеновского контроля BGA вместо него очень часто используются электрические испытания. Очень распространенным является тестирование пограничного 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 «покраска и поднятие» , включает в себя погружение всей печатной платы или только модуля, прикрепленного к BGA, в краситель , а после высыхания модуль отрывается и проверяются сломанные соединения. Если в месте пайки присутствует краситель, это свидетельствует о несовершенстве соединения. [7]
Во время разработки непрактично припаивать BGA на место, вместо них используются розетки, но они, как правило, ненадежны. Существует два распространенных типа разъемов: более надежный тип имеет пружинные штифты, которые поджимаются под шарики, хотя он не позволяет использовать BGA со снятыми шариками, поскольку пружинные штифты могут быть слишком короткими.
Менее надежный тип — головка ЗИФ , с пружинными зажимами, захватывающими шарики. Это не очень хорошо работает, особенно если шарики маленькие. [ нужна цитата ]
Для надежной пайки корпусов BGA требуется дорогостоящее оборудование; ручная пайка корпусов BGA очень сложна и ненадежна, ее можно использовать только для самых маленьких корпусов в наименьших количествах. [8] Однако, поскольку все больше микросхем стали доступны только в корпусах без выводов (например, четырехплоский корпус без выводов ) или в корпусах BGA, были разработаны различные методы оплавления своими руками с использованием недорогих источников тепла, таких как тепловые пушки , бытовые тостеры и электрические печи. сковороды . [9]
.jpg/1280px-NVIDIA@220nm@Fixed-pipline@NV10@GeForce_256@T5A3202220008_S1_Taiwan_A_DSC01376_(29588383793).jpg)
По сути, методы перевернутой микросхемы для установки кристаллов микросхем на держатель являются своего рода производной от конструкции BGA, где функциональный эквивалент шариков называется выступами или микровыступами. Это реализуется уже на микроскопическом уровне.
Чтобы упростить использование устройств с шариковой решеткой, в большинстве корпусов BGA шарики находятся только во внешних кольцах корпуса, а самый внутренний квадрат остается пустым.
Intel использовала пакет, обозначенный как BGA1, для своих Pentium II и ранних мобильных процессоров Celeron . BGA2 — это пакет Intel для мобильных процессоров Pentium III и некоторых более поздних моделей Celeron. BGA2 также известен как FCBGA-479. Он заменил своего предшественника BGA1.
Например, «micro-FCBGA» (матрица с переворачивающимися шариками) является текущим продуктом Intel [ когда? ] Способ монтажа BGA для мобильных процессоров, использующих технологию крепления флип-чипа . Он был представлен вместе с Coppermine Mobile Celeron. [ нужна цитация ] 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 решеткой контактов, но несъемный.
479 шариков корпуса Micro-FCBGA (корпус, практически идентичный корпусу micro-FCPGA с 478-контактными гнездами) расположены в виде 6 внешних колец с шагом 1,27 мм (шаг 20 шариков на дюйм) и квадратной сеткой 26x26 с внутренняя область 14x14 пуста. [12] [13]
Основными конечными пользователями BGA являются производители оригинального оборудования (OEM). Среди любителей электроники также существует рынок «сделай сам» (DIY), например, набирающее популярность движение производителей . [14] В то время как OEM-производители обычно получают свои компоненты от производителя или дистрибьютора производителя, любители обычно приобретают BGA на вторичном рынке через брокеров или дистрибьюторов электронных компонентов .
