Массив сетки мячей - Ball grid array

Решетка из шариков припоя на печатной плате после удаления интегральной микросхемы.

А массив сетки мячей (BGA) является разновидностью поверхностный монтаж упаковка (а чип-носитель ) используется для интегральные схемы. Корпуса BGA используются для постоянного монтажа таких устройств, как микропроцессоры. BGA может обеспечить больше соединительных контактов, чем может быть поставлено на двойной рядный или же плоский пакет. 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.[нужна цитата ]

Пайка устройств BGA требует точного контроля и обычно выполняется автоматизированными процессами.

Описание

BGA ИС собран на баран палка

BGA произошел от матрица сетки выводов (PGA), который представляет собой корпус, одна сторона которого покрыта (или частично покрыта) контактами в сетка которые во время работы проводят электрические сигналы между интегральной схемой и печатная плата (PCB), на которой он размещен. В BGA контакты заменены контактными площадками в нижней части корпуса, каждая из которых изначально имеет крошечный шарик припоя придерживался этого. Эти сферы припоя можно размещать вручную или с помощью автоматизированного оборудования и удерживать на месте с помощью липкого флюса.[1] В устройство размещено на печатной плате с медными контактными площадками в соответствии с рисунком шариков припоя. Затем сборка нагревается либо в печь оплавления или инфракрасный обогреватель, плавя шары. Поверхностное натяжение заставляет расплавленный припой удерживать корпус на одном уровне 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. Также в штабелях многокристальные модули, шарики припоя используются для соединения двух корпусов.

Преимущества

Высокая плотность

BGA - это решение проблемы создания миниатюрного корпуса для интегральной схемы с несколькими сотнями контактов. Решетчатые массивы контактов и двухрядный поверхностный монтаж (SOIC ) выпускались корпуса с все большим и большим количеством контактов и с уменьшающимся расстоянием между контактами, но это создавало трудности для процесса пайки. По мере того, как контакты упаковки сближаются, опасность случайного мосты соседние штыри с припоем выросли.

Теплопроводность

Еще одно преимущество корпусов BGA перед корпусами с дискретными выводами (т. Е. Корпусами с ножками) заключается в более низком термическое сопротивление между корпусом и 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 меньше нежелательные индуктивность, свойство, которое вызывает нежелательное искажение сигналов в высокоскоростных электронных схемах. BGA с очень коротким расстоянием между корпусом и печатной платой имеют низкую индуктивность выводов, что дает им превосходные электрические характеристики по сравнению с устройствами с выводами.

Недостатки

рентгеновский снимок BGA

Несоблюдение

Недостатком BGA является то, что шарики припоя не могут изгибаться так, как это могут быть более длинные выводы, поэтому они не механически послушный. Как и все устройства для поверхностного монтажа, изгиб из-за разницы в коэффициент температурного расширения между подложкой печатной платы и BGA (термическое напряжение) или изгиб и вибрация (механическое напряжение) могут вызвать разрушение паяных соединений.

Проблемы с тепловым расширением 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.

Преимущественное использование Соответствует RoHS Сборки из бессвинцовых припоев представляют некоторые дополнительные проблемы для BGA, в том числе:голова в подушке "[2] явление пайки "кратер на подушке «проблемы, а также их пониженная надежность по сравнению с паяными 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 решить, прикрепив устройства к плате с помощью процесса, называемого «недозаполнение»,[4] который вводит эпоксидную смесь под устройство после того, как оно припаяно к печатной плате, эффективно приклеивая BGA-устройство 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 оловянный ус рост.

Другое решение проблемы несоответствующих 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 плат включают использование печатных плат с низким коэффициентом расширения для керамических корпусов BGA (CBGA), посредники между корпусом и печатной платой и переупаковывать устройство.[4]

Сложность осмотра

После того, как корпус припаян на место, трудно найти дефекты пайки. рентгеновский снимок машины, промышленное компьютерное сканирование машины,[5] Для решения этой проблемы были разработаны специальные микроскопы и эндоскопы, позволяющие заглядывать под припаянный корпус. Если будет обнаружено, что BGA плохо припаян, его можно удалить в паяльная станция, который представляет собой приспособление с инфракрасной лампой (или горячим воздухом), термопара и вакуумное устройство для подъема упаковки. BGA можно заменить на новый или отремонтировать (или перебалансирован) и повторно установлен на печатной плате. 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 часто бывает граничное сканирование тестирование с использованием IEEE 1149.1 JTAG порт.

Более дешевый и простой метод контроля, хотя и разрушительный, становится все более популярным, поскольку не требует специального оборудования. Обычно упоминается как красить и любить, процесс включает погружение всей печатной платы или только присоединенного модуля BGA в краситель, а после высыхания модуль снимается и проверяются сломанные 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 гнезда, но они, как правило, ненадежны. Есть 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 Розетка ZIF, с пружинными зажимами, которые захватывают шары. Это плохо работает, особенно если шарики маленькие.[нужна 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.[нужна цитата ] Однако по мере того, как все больше ИС стали доступны только в безвыводных (например, четырехплоскостной пакет без проводов ) или BGA, различные DIY оплавление были разработаны методы с использованием недорогих источников тепла, таких как тепловые пушки, а также бытовые тостеры и электрические сковороды.[7]

Варианты

Intel Мобильный Celeron в флип-чип Корпус BGA2 (FCBGA-479); в умереть кажется темно-синим
Внутри проволочная связь Корпус BGA; в этом пакете есть Nvidia GeForce 256 GPU
  • CABGA: Chip Array Ball Grid Array
  • CBGA и PBGA обозначить Cкерамический или ппоследний материал подложки, к которой прикреплен массив.
  • CTBGA: Матрица из тонкой стружки Шаровая сетка
  • CVBGA: Очень тонкий массив шариковых решеток
  • DSBGA: Матрица с шариковой решеткой
  • FBGA: Массив мелкой шариковой сетки на основе массив сетки мячей технологии. Он имеет более тонкие контакты и в основном используется в система на кристалле конструкции;
    также известен как Решетка для мячей с мелким шагом (JEDEC -Стандарт[8]) или же
    Fine Line BGA к Альтера. Не путать с Укрепленный BGA.[9]
  • FCmBGA: Отформованная шариковая сетка с перевернутой стружкой
  • LBGA: Низкопрофильная шариковая сетка
  • LFBGA: Низкопрофильная решетка для шариков с мелким шагом
  • MBGA: Решетка Micro Ball
  • MCM-PBGA: Многочиповый модуль Пластиковая шариковая сетка
  • PBGA: Пластиковая сетка для шариков
  • SuperBGA (SBGA): Матрица Super Ball Grid
  • ТАБГА: Ленточный массив BGA
  • TBGA: Тонкий BGA
  • ТЕПБГА: Термоусиленная пластиковая сетка с шариками
  • TFBGA или массив тонких и тонких шариков
  • УФБГА и UBGA и Ultra Fine Ball Grid Array, основанный на сетке с питч-мячом.
  • VFBGA: Очень мелкая сетка для мячей
  • WFBGA: Очень Очень тонкий профиль Решетка с мелким шагом шариков

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, обозначенный BGA1 для своих Pentium II и рано Celeron мобильные процессоры. BGA2 - это пакет Intel для своих Pentium III и некоторые более поздние мобильные процессоры Celeron. BGA2 также известен как FCBGA-479. Он заменил своего предшественника BGA1.

Например, "Micro-FCBGA" (Flip Chip Ball Grid Array) является текущим[когда? ] Способ монтажа BGA для мобильных процессоров, использующих перевернуть чип переплетная технология. Он был введен с Медная шахта Мобильный Celeron.[нужна цитата ] Micro-FCBGA содержит 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 шаров из пакета Micro-FCBGA (корпус почти идентичен 478-контактному Socketable Микро-FCPGA Package) расположены в виде 6 внешних колец с шагом 1,27 мм (20 мячей на дюйм) квадратной сетки 26x26, при этом внутренняя область 14x14 пуста.[10][11]

Приобретение

Основными конечными пользователями BGA являются: производители оригинального оборудования (OEM). Также существует рынок для любителей электроники. сделай сам (сделай сам) такие как все более популярный движение производителя.[12] В то время как OEM-производители обычно получают свои компоненты от производителя или его дистрибьютора, любитель обычно приобретает BGA на вторичном рынке через брокеров электронных компонентов или дистрибьюторы.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Пайка 101 - Общий обзор». Архивировано из оригинал на 2012-03-03. Получено 2010-12-29.
  2. ^ Альфа (2010-03-15) [сентябрь 2009]. «Уменьшение дефектов головы в подушке - дефекты головы в подушке: причины и возможные решения». 3. В архиве из оригинала от 03.12.2013. Получено 2018-06-18.
  3. ^ "TEERM - Активный проект TEERM - Бессвинцовая электроника NASA-DOD (Проект 2)". Teerm.nasa.gov. Архивировано из оригинал на 2014-10-08. Получено 2014-03-21.
  4. ^ а б Твердотельная технология: заполнители BGA - Повышение надежности паяных соединений на уровне платы, 01.12.2001
  5. ^ «Услуги КТ - Обзор». Джесси Гарант и партнеры. 17 августа 2010 г. «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2010-09-23. Получено 2010-11-24.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  6. ^ "Краска и фиксация паяных соединений BGA" (PDF). cascade-eng.com. 2013-11-22. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-10-16. Получено 2014-03-22.
  7. ^ Учебники Sparkfun: Skillet Reflow, июль 2006 г.
  8. ^ Требования к конструкции - корпус с шариковой решеткой с мелким шагом (FBGA) DR-4.27D, jedec.org, МАРТ 2017 г.
  9. ^ Райан Дж. Ленг. «Секреты памяти ПК: Часть 2». 2007.
  10. ^ Intel. «Мобильный процессор Intel Celeron (0,13 мкм) в пакетах Micro-FCBGA и Micro-FCPGA».Техническая спецификация.2002.
  11. ^ FCBGA-479 (Micro-FCBGA)
  12. ^ «Больше, чем просто цифровое квилтинг: движение« производителей »может изменить способ преподавания науки и стимулировать инновации. Оно может даже возвестить о новой промышленной революции». Экономист. 3 декабря 2011 г.

внешняя ссылка