Einführung von BGA

BGA ist die Abkürzung für Ball Grid Array Structure.Es handelt sich um eine der gebräuchlichsten Methoden zur Verbindung integrierter Schaltkreise (ICs) und Leiterplatten mithilfe einer organischen Trägerplattenverpackungsmethode.

Die BGA-Gehäusetechnologie ist eine Weiterentwicklung des Pin-Grid-Arrays. Dabei handelt es sich um eine Oberfläche, die mit Stiften des Verpackungsverfahrens bedeckt (oder teilweise bedeckt) ist und bei der elektronische Signale vom IC auf das gedruckte Gerät übertragen werden können Leiterplatte dort, wo sie sich befindet (Leiterplatte, im Folgenden PCB genannt).

BGA-Gehäuse bieten mehr Pins als andere Gehäuse wie Dual-Inline-Gehäuse oder flache Gehäuse mit vier seitlichen Pins.Die gesamte Unterseite des Geräts kann anstelle nur der Peripherie als Pins verwendet werden und verfügt über eine kürzere durchschnittliche Drahtlänge als die Gehäusetypen mit begrenzter Peripherie, um eine bessere Hochgeschwindigkeitsleistung zu erzielen.Das Löten von BGA-Gehäusen erfordert eine präzise Steuerung und wird normalerweise von Fabrikanlagen mit automatisierten Prozessen durchgeführt;BGA-Gehäuse sind nicht für die Steckplatzmontage geeignet.

BGA-Klassifizierung

BGA-Pakete gibt es in verschiedenen Formen und bilden eine Paketfamilie, die sich nicht nur in der Größe und Anzahl der IOs, sondern auch in der physischen Struktur und den Paketmaterialien unterscheidet.Eine bestimmte Form von BGA kann verschiedene Größen haben, sollte jedoch den gleichen physikalischen Aufbau und die gleichen Materialien verwenden.Im Folgenden konzentrieren wir uns auf die Analyse dreier spezifischer BGA-Pakete mit jeweils unterschiedlicher Bauform.

1, Kunststoff-BGA: Plastic Ball Grid Array Package (PBGA) ist die heute in der Produktion am häufigsten verwendete Form von BGA-Gehäusen.Seine attraktiven Vorteile sind:

* Glasfaser- und BT-Harzsubstrat, ca. 0,4 mm dick

*Chips werden direkt auf das Substrat gelötet

*Der Chip ist über Drähte mit dem Substrat verbunden.

*Kunststoffformung umschließt den größten Teil des Chips, der Drahtverbindung und der Substratoberfläche.

Lotkugeln (normalerweise eutektisches Material) werden auf die Unterseite des Substrats gelötet.Ein Parameter, der jedoch nicht universell ist, ist die Flächenabdeckung des Formteils im Verhältnis zur Gesamtfläche des Substrats.Bei einigen Plastisolen bedeckt der geformte Kunststoff fast vollständig das gesamte Substrat, bei anderen hingegen ist er streng auf einen kleinen Bereich in der Mitte beschränkt.Dies wirkt sich auch auf die Wärmeeinwirkung auf die Lötstellen aus.

2, Keramik-BGA (CBGA): Für jedes Keramik-IC-Gehäuse ist das grundlegendste Material im Keramik-BGA ein mehrschichtiges Substrat aus Edelmetall-Verbindungsschaltungen.Diese Art der Verpackungsversiegelung zur Wärmeleitung durch die Verpackung hat den größten Einfluss.Der „Deckel“ der Verpackung kann aus verschiedenen Materialien bestehen, und unter dem „Deckel“ befindet sich normalerweise ein unbefüllter Raum.Dieser Spalt verhindert, dass sich die unteren Lötstellen des Gehäuses erhitzen.

3, „Enhanced“ BGA: „Enhanced“ BGA ist ein relativ neuer Begriff, der noch nicht genau definiert wurde.Normalerweise bedeutet das Wort „Verbesserung“ die Hinzufügung eines Materials zur Struktur, um deren Leistung zu verbessern.In den meisten Fällen ist das hinzugefügte Material metallisch und dient dazu, die Wärmeableitung des ICs im Normalbetrieb zu verbessern.Dies ist wichtig, da einer der Vorteile von BGAs darin besteht, dass sie eine große Anzahl von E/As für den IC bereitstellen. Da diese Art von Chip normalerweise auf sehr kleinem Raum eine erhebliche Wärmemenge erzeugt, muss das Gehäuse so konzipiert sein, dass es abgeführt wird die Hitze.Ein spezielles verbessertes Gehäuse, in diesem Dokument als „Super BGA“ (SBGA) bezeichnet, ist mit einem umgekehrten Kupferhohlraum an der Oberseite des Gehäuses ausgestattet, um die Wärmeableitung an die Umgebung zu verbessern.Ein dünnes, flexibles Substrat wird als Pad auf die Unterseite des Kupferchips gelötet, um mehrere Reihen von Lotkugeln entlang der Peripherie anzubringen (dh es gibt keine Verteilung der Lotkugeln in der Mitte, siehe JEDEC).Interne Drähte verbinden das Substrat mit dem Chip, und der Chip wird von unten geformt.Tabelle 1 listet die physikalischen Parameter des BGA-Gehäuses auf.PLCC84 ist in der Tabelle als Referenz für Eigenschaften und Leistung enthalten.Es ist interessant festzustellen, dass mit Ausnahme der IO-Metrik alle anderen Metriken für PLCC Zwischenwerte sind.

Vor- und Nachteile von BGA.

1,BGA-Vorteile

Hohe Dichte

Die BGA-Gehäusetechnologie ist eine Lösung für die Herausforderung, die Gehäusegröße bei der Herstellung integrierter Schaltkreise mit Hunderten von Pins reduzieren zu müssen.Die Herstellung von oberflächenmontierbaren (Small-Outline Integrated Circuit, SOIC)-Gehäusen in Pin-Grid-Arrays und Dual-Inline-Gehäusen hat zu Schwierigkeiten beim Lötprozess geführt, da immer mehr Pins hinzugefügt werden müssen und der Abstand zwischen ihnen vergrößert werden muss reduziert.Dies führt zu Schwierigkeiten beim Lötprozess.Je näher die Gehäusestifte einander kommen, desto größer ist das Risiko einer versehentlichen Brückenbildung zu benachbarten Stiften beim Löten, was bei der BGA-Gehäusetechnologie beim werkseitig implementierten Löten kein Problem darstellt.

Wärmeleitfähigkeit

Ein weiterer Vorteil der BGA-Gehäusetechnologie gegenüber anderen Gehäusetechnologien mit separaten Pins (z. B. Pin-Containing-Gehäusetechnologie) ist die niedrige thermische Impedanz zwischen dem Gehäuse und der Leiterplatte.Dadurch kann die von den ICs im Inneren des Gehäuses erzeugte Wärme leichter auf die Leiterplatte übertragen werden, wodurch eine Überhitzung des Chips verhindert wird.

Pins mit niedriger Induktivität

Kürzere Leiter bedeuten auch weniger unerwünschte Induktivität, eine Eigenschaft, die in elektronischen Hochgeschwindigkeitsschaltungen zu unerwünschten Signalverzerrungen führen kann. Die BGA-Gehäusetechnologie mit einem sehr kurzen Abstand zwischen dem Gehäuse und der Leiterplatte verfügt über Pins mit niedriger Induktivität, die hervorragende elektronische Eigenschaften bieten im Vergleich zu Pin-Geräten.

BGA-Nachteile

Nicht erweiterbarer Kontakt

Einer der Nachteile von BGA-Gehäusen besteht darin, dass sich die Lotkugeln nicht wie lange Stifte dehnen lassen und daher keine Materialsteifigkeit in ihren physikalischen Eigenschaften aufweisen.Bei allen oberflächenmontierten Geräten können Lötverbindungen aufgrund von Biegung (thermische Belastung) oder Dehnung und Vibration (mechanische Belastung) aufgrund des Unterschieds im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem PCB-Substrat und dem BGA-Gehäuse brechen.

Das Problem der Wärmeausdehnung kann gelöst werden, indem die thermischen Eigenschaften der Leiterplatte und des Gehäuses aneinander angepasst werden. In der Regel können BGA-Geräte aus Kunststoff mit den thermischen Eigenschaften der Leiterplatte besser übereinstimmen als BGA-Geräte aus Keramik.

Die weitverbreitete Einführung von RoHS-konformen bleifreien Lotlegierungen in Produktionslinien verdeutlicht zusätzlich die Herausforderungen, denen sich BGA-Gehäuse stellen müssen, wie z. B. die Probleme „Head-in-Pillow“ und „Pad-Kraterbildung“ beim Reflow im Vergleich zu den Problemen der „Pad-Kraterbildung“, mit denen BGA-Gehäuse konfrontiert sind.Im Vergleich zu BGA-Gehäusen mit bleihaltigem Lot sind einige BGA-Gehäuse aufgrund der geringen Duktilität RoHS-konformer Lote in extremen Umgebungen wie hohen Temperaturen, hohem Thermoschock und hohen G-Kräften weniger zuverlässig.

Probleme mit mechanischer Belastung können behoben werden, indem das Gerät durch einen Prozess namens „Underfilling“ mit der Platine verbunden wird, bei dem eine Epoxidmischung unter das Gerät gespritzt wird, nachdem es mit der Leiterplatte verlötet wurde, wodurch das BGA-Gerät effektiv mit der Leiterplatte verbunden wird.Es stehen mehrere Unterfüllungsmaterialien zur Verfügung, die unterschiedliche Eigenschaften für unterschiedliche Anwendungen und Wärmeübertragungsanforderungen bieten.Ein weiterer Vorteil der Unterfüllung besteht darin, dass sie das Wachstum von Zinnwhiskern begrenzt.

Eine andere Lösung zur Beseitigung nicht duktiler Verbindungen besteht darin, eine „duktile Beschichtung“ im Inneren des Gehäuses anzubringen, die es den Lotkugeln auf der Unterseite ermöglicht, sich in ihre tatsächliche Position relativ zum Gehäuse zu bewegen.Diese Technik ist zu einem der Standards für DRAMs im BGA-Gehäuse geworden.

Weitere Techniken zur Erhöhung der Gehäusezuverlässigkeit auf Leiterplattenebene umfassen Leiterplatten mit geringer Duktilität für Keramik-BGAs (CBGAs), Zwischenplatinen (Interposer), die zwischen Gehäuse und Leiterplatte eingeführt werden, oder Umverpackungsgeräte.

Inspektionsschwierigkeit

Wenn das Gehäuse festgelötet ist, ist es schwierig, Lötfehler zu finden.Um den Boden des gelöteten Gehäuses zu erkennen, hat die Industrie Röntgengeräte, industrielle Computertomographiescanner, Spezialmikroskope sowie Endoskope und andere Geräte entwickelt, um dieses Problem zu lösen.Wenn festgestellt wird, dass ein Teil des BGA-Gehäuses den Lötfehler verursacht, kann es in der „Rework-Station“ (allgemein als Rework-Station bezeichnet) entfernt werden, die mit Infrarotlampen (oder Heißluftgebläsen) ausgestattet ist sowie die Verfügbarkeit von Thermoelementen und Vakuumgeräten zum Ansaugen von Paketen.'Entzinnung' (oder Reballing) und erneut auf der Platine installiert.

Aufgrund der Kosten der visuellen BGA-Röntgenprüfung werden stattdessen häufig Schaltungstestmethoden verwendet.Eine gängige Boundary-Scan-Testmethode kann über die IEEE 1149.1 JTAG-Schnittstellenverbindung durchgeführt werden.

Schwierigkeiten bei der Entwicklung von Schaltkreisen

Es ist unpraktisch, das BGA-Gerät während der Entwicklungsphase an einen festen Punkt zu löten.Stattdessen wird meist zuerst ein Slot genutzt, dieser ist allerdings instabiler.Es gibt zwei gängige Arten von Steckplätzen: Der zuverlässigere Typ verfügt über federbelastete Stifte, die unter die Lötkugeln passen. Es ist jedoch nicht zulässig, ein BGA-Gerät zu verwenden, bei dem die Lötkugeln entfernt wurden, da die federbelasteten Stifte möglicherweise nicht lang sind genug.

Der unzuverlässige Typ ist ein Typ namens „ZIF-Schlitz“ (Zero Insertion Force), der über eine federbelastete Klemme zum Halten der Lötkugel verfügt.Doch das gelingt nicht so einfach, insbesondere wenn die Kugeln zu klein sind.

Ausrüstungskosten

Um BGA-Geräte zuverlässig zu löten, ist teure Ausrüstung erforderlich.Das manuelle Löten von BGA-Geräten ist sehr schwierig und unzuverlässig und wird normalerweise nur für eine kleine Anzahl kleiner Geräte verwendet.Da jedoch immer mehr ICs nur in bleifreien (z. B. Quad-Flat No-Leads-Gehäuse) oder BGA-Gehäusen erhältlich sind, wurden verschiedene DIY-Methoden (Hochleistungsbauweise) entwickelt, die mit kostengünstigen Heizquellen, wie z. B. Wärme, verwendet werden können Pistolen, Haushaltsöfen und Kochplatten mit flachem Boden.

BGA-Demontage

1. Machen Sie einen guten Job beim Komponentenschutz

2. Versuchen Sie, in den zu zerlegenden IC eine entsprechende Flussmittelmenge einzublasen und in den Boden des ICs zu blasen, damit der Chip unter den Lötstellen gleichmäßig schmilzt

3, stellen Sie die Temperatur und den Wind der Windpistole ein, blasen Sie nicht in die Mitte des IC, die Heizzeit darf nicht zu lang sein

4, BGA-Chip-De-Encounter, Chip-Pads und Platinen haben einen Überschuss an Zinn. Es sollte genügend Lotpaste vorhanden sein, um es zu entfernen.