Шариковая сетка ( BGA ) — это тип поверхностного монтажа корпуса ( носитель чипа ), используемый для интегральных схем . Корпуса BGA используются для постоянного монтажа устройств, таких как микропроцессоры . BGA может обеспечить больше соединительных выводов, чем может быть размещено на двухрядном или плоском корпусе . Может использоваться вся нижняя поверхность устройства, а не только периметр. Дорожки, соединяющие выводы корпуса с проводами или шариками, которые соединяют кристалл с корпусом, также в среднем короче, чем у корпуса только с периметром, что обеспечивает лучшую производительность на высоких скоростях. [ необходима цитата ]
Пайка BGA-устройств требует точного контроля и обычно выполняется с помощью автоматизированных процессов, например, в автоматических печах оплавления с компьютерным управлением .
BGA произошел от матрицы выводов (PGA), которая представляет собой корпус, одна поверхность которого покрыта (или частично покрыта) выводами в сетке , которые при работе проводят электрические сигналы между интегральной схемой и печатной платой (PCB), на которой он размещен. В BGA выводы заменены контактными площадками на нижней стороне корпуса, каждая из которых изначально имеет крошечный шарик припоя, прикрепленный к ней. Эти шарики припоя могут быть размещены вручную или с помощью автоматизированного оборудования и удерживаются на месте с помощью липкого флюса. [1] Устройство помещается на печатную плату с медными контактными площадками в соответствии с рисунком, который соответствует шарикам припоя. Затем сборка нагревается либо в печи для оплавления , либо с помощью инфракрасного нагревателя , расплавляя шарики. Поверхностное натяжение заставляет расплавленный припой удерживать корпус на одной линии с печатной платой на правильном расстоянии, в то время как припой остывает 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 многокристальных модулях со стекированием ( корпус на корпусе ) шарики припоя используются для соединения двух корпусов.
BGA — это решение проблемы производства миниатюрного корпуса для интегральной схемы с сотнями выводов. Корпуса с решеткой выводов и двухрядные корпуса для поверхностного монтажа ( SOIC ) производились со все большим количеством выводов и с уменьшающимся расстоянием между ними, но это вызывало трудности в процессе пайки. По мере того, как выводы корпуса становились ближе друг к другу, росла опасность случайного замыкания соседних выводов припоем.
Еще одним преимуществом корпусов BGA по сравнению с корпусами с дискретными выводами (т. е. корпусами с ножками) является меньшее тепловое сопротивление между корпусом и печатной платой. Это позволяет теплу, вырабатываемому интегральной схемой внутри корпуса, легче перетекать на печатную плату, предотвращая перегрев чипа.
Чем короче электрический проводник, тем ниже его нежелательная индуктивность , свойство, которое вызывает нежелательные искажения сигналов в высокоскоростных электронных схемах. BGA, с их очень коротким расстоянием между корпусом и печатной платой, имеют низкую индуктивность выводов, что обеспечивает им превосходные электрические характеристики по сравнению с устройствами с выводами.
Недостатком BGA является то, что шарики припоя не могут изгибаться так, как длинные выводы, поэтому они не являются механически совместимыми . Как и во всех устройствах 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 преодолеть, подгоняя механические и тепловые характеристики печатной платы к характеристикам корпуса. Обычно 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 « кратерообразования на контактных площадках », а также их пониженную надежность по сравнению с BGA на основе свинца в экстремальных условиях эксплуатации, таких как высокая температура, сильный тепловой удар и высокая гравитационная сила, отчасти из-за более низкой пластичности припоев, соответствующих требованиям RoHS. [3]
Проблемы с механическим напряжением можно преодолеть, прикрепив устройства к плате с помощью процесса, называемого «недолив», [4] , который впрыскивает эпоксидную смесь под устройство после его пайки к печатной плате, эффективно приклеивая устройство BGA к печатной плате. Существует несколько типов материалов для подливки с различными свойствами относительно обрабатываемости и теплопередачи. Дополнительным преимуществом подливки является то, что она ограничивает рост оловянных усов .
Другим решением для несовместимых соединений является размещение в корпусе «совместимого слоя», который позволяет шарикам физически перемещаться относительно корпуса. Эта технология стала стандартной для упаковки DRAM в корпусах BGA.
Другие методы повышения надежности корпусов на уровне платы включают использование печатных плат с низким коэффициентом расширения для керамических корпусов BGA (CBGA), интерпозеров между корпусом и печатной платой и повторную упаковку устройства. [4]
После того, как корпус припаян на место, трудно найти дефекты пайки. Для решения этой проблемы были разработаны рентгеновские аппараты, промышленные КТ-сканеры , [5] специальные микроскопы и эндоскопы для осмотра под спаянным корпусом. Если обнаружено, что BGA плохо припаян, его можно удалить на станции доработки , которая представляет собой зажимное приспособление, оснащенное инфракрасной лампой (или горячим воздухом), термопарой и вакуумным устройством для подъема корпуса. BGA можно заменить новым или его можно отремонтировать (или реболлинговать ) и повторно установить на печатную плату. Предварительно сконфигурированные шарики припоя, соответствующие шаблону массива, можно использовать для реболлинга BGA, когда нужно переделать только один или несколько. Для больших объемов и повторных лабораторных работ можно использовать трафаретную конфигурированную вакуумную головку для захвата и размещения свободных сфер.
Из-за стоимости визуального рентгеновского осмотра BGA вместо него очень часто используется электрическое тестирование. Очень распространено тестирование с помощью сканирования границ с использованием порта IEEE 1149.1 JTAG .
Более дешевый и простой метод проверки, хотя и разрушительный, становится все более популярным, поскольку он не требует специального оборудования. Обычно называемый «окрашивание и поддевание» , этот процесс включает погружение всей печатной платы или только прикрепленного модуля BGA в краситель , а после высыхания модуль поддевается и осматриваются сломанные соединения. Если место пайки содержит краситель, то это указывает на то, что соединение было несовершенным. [6]
Во время разработки непрактично припаивать BGA на место, и вместо этого используются гнезда, но они, как правило, ненадежны. Существует два распространенных типа гнезд: более надежный тип имеет пружинные штифты, которые выталкиваются под шарики, хотя он не позволяет использовать BGA с удаленными шариками, поскольку пружинные штифты могут быть слишком короткими.
Менее надежный тип — гнездо ZIF с пружинными зажимами, которые захватывают шарики. Это не работает хорошо, особенно если шарики маленькие. [ нужна цитата ]
Для надежной пайки корпусов BGA требуется дорогостоящее оборудование; ручная пайка корпусов BGA очень сложна и ненадежна, пригодна только для самых маленьких корпусов в самых малых количествах. [7] Однако, поскольку все больше ИС стали доступны только в безвыводном (например, корпус с четырьмя плоскими выводами ) или в корпусе BGA, были разработаны различные методы самостоятельной пайки с использованием недорогих источников тепла, таких как термофены , бытовые тостеры и электрические сковороды . [8]
.jpg/1280px-NVIDIA@220nm@Fixed-pipline@NV10@GeForce_256@T5A3202220008_S1_Taiwan_A_DSC01376_(29588383793).jpg)
По сути, методы переворота кристаллов для монтажа кристаллов чипов на носитель являются своего рода производной от дизайна BGA с функциональным эквивалентом шариков, называемых выпуклостями или микровыступами. Это реализуется на уровне уже микроскопических размеров.
Для упрощения использования устройств с решеткой шариковых выводов в большинстве корпусов BGA шарики находятся только во внешних кольцах корпуса, а внутренний квадрат остается пустым.
Intel использовала корпус BGA1 для своих Pentium II и ранних мобильных процессоров Celeron . BGA2 — это корпус Intel для своих Pentium III и некоторых более поздних мобильных процессоров Celeron. BGA2 также известен как FCBGA-479. Он заменил своего предшественника BGA1.
Например, «micro-FCBGA» (flip chip ball grid array) — это текущий [ когда? ] метод монтажа BGA от Intel для мобильных процессоров, использующих технологию привязки перевернутого кристалла . 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. Это тоньше, чем расположение гнезда с матрицей штырьков, но несъемное.
479 шариков корпуса Micro-FCBGA (корпус почти идентичен корпусу micro-FCPGA с 478 выводами ) расположены в виде 6 внешних колец квадратной сетки 26x26 с шагом 1,27 мм (20 шариков на дюйм), с внутренней областью 14x14, пустой. [11] [12]
Основными конечными пользователями BGA являются производители оригинального оборудования (OEM). Также существует рынок среди любителей электроники, которые делают все своими руками (DIY), например, набирающее популярность движение maker . [13] В то время как OEM-производители обычно закупают свои компоненты у производителя или дистрибьютора производителя, любители обычно приобретают BGA на вторичном рынке через брокеров или дистрибьюторов электронных компонентов .
