Rutulinio tinklelio masyvas (BGA) yra kompaktiškas lustų paketas, kuriame naudojami litavimo rutuliai, kad būtų sukurtos tvirtos, patikimos jungtys plokštėje. Jis palaiko didelį kaiščių tankį, greitą signalo srautą ir geresnį šiuolaikinių elektroninių prietaisų šilumos valdymą. Šiame straipsnyje išsamiai paaiškinama, kaip veikia BGA konstrukcijos, jų tipai, surinkimo etapai, defektai, tikrinimas, remontas ir pritaikymas.
Kamuoliukų tinklelio masyvo apžvalga
Rutulinio tinklelio masyvas (BGA) yra lustų pakuotės tipas, naudojamas plokštėse, kur maži litavimo rutuliukai, išdėstyti tinklelyje, sujungia lustą su plokšte. Skirtingai nuo senesnių pakuočių su plonomis metalinėmis kojelėmis, BGA naudoja šiuos mažus litavimo rutuliukus, kad užmegztų tvirtesnes ir patikimesnes jungtis. Pakuotės viduje sluoksniuotas substratas perduoda signalus iš lusto į kiekvieną litavimo rutulį. Kai litavimo metu plokštė kaitinama, rutuliai ištirpsta ir tvirtai pritvirtinami prie PCB trinkelių, sukurdami tvirtus elektrinius ir mechaninius ryšius. BGA šiandien yra populiarūs, nes mažoje erdvėje gali tilpti daugiau ryšio taškų, leisti signalams keliauti trumpesniais keliais ir gerai veikti įrenginiuose, kuriuos reikia greitai apdoroti. Jie taip pat padeda padaryti elektroninius gaminius mažesnius ir lengvesnius, neprarandant našumo.
Rutulinio tinklelio masyvo anatomija
• Kapsuliavimo mišinys sudaro išorinį apsauginį sluoksnį, apsaugantį vidines dalis nuo pažeidimų ir aplinkos poveikio.
• Po juo yra silicio štampas, kuriame yra lusto funkcinės grandinės ir atlieka visas apdorojimo užduotis.
• Štampas pritvirtintas prie pagrindo su vario pėdsakais, kurie veikia kaip elektriniai keliai, jungiantys lustą su plokšte.
• Apačioje yra litavimo rutulių masyvas, litavimo rutulių tinklelis, jungiantis BGA paketą su PCB montavimo metu.
BGA reflow ir jungčių formavimo procesas
• Litavimo rutuliai jau pritvirtinti prie BGA pakuotės apačios, sudarydami įrenginio prijungimo taškus.
• PCB paruošiama ant trinkelių, kuriose bus dedamas BGA, užtepant litavimo pastą.
• Reflow litavimo metu mazgas yra kaitinamas, todėl litavimo rutuliai ištirpsta ir natūraliai susilygina su trinkelėmis dėl paviršiaus įtempimo.
• Kai lydmetalis atvėsta ir sukietėja, jis suformuoja tvirtas, vienodas jungtis, užtikrinančias stabilias elektrines ir mechanines jungtis tarp komponento ir PCB.
BGA PoP krovimas ant PCB
Paketas ant paketo (PoP) yra BGA pagrįstas krovimo metodas, kai du integrinių grandynų paketai dedami vertikaliai, kad būtų sutaupyta vietos plokštėje. Apatiniame pakete yra pagrindinis procesorius, o viršutiniame pakete dažnai yra atmintis. Abiejuose paketuose naudojamos BGA litavimo jungtys, leidžiančios jas išlyginti ir sujungti to paties srauto proceso metu. Ši konstrukcija leidžia sukurti kompaktiškus mazgus nedidinant PCB dydžio.
PoP krovimo privalumai
• Padeda sumažinti PCB plotą, todėl galima pasiekti kompaktiškus ir plonus įrenginių išdėstymus
• Sutrumpina signalo kelius tarp logikos ir atminties, pagerina greitį ir efektyvumą
• Leidžia atskirai surinkti atmintį ir apdorojimo įrenginius prieš sukraunant
• Leidžia lanksčiai konfigūruoti, palaikant skirtingus atminties dydžius ar našumo lygius, priklausomai nuo gaminio reikalavimų
BGA paketų tipai
| BGA tipas | Pagrindo medžiaga | Aikštelė | Stipriosios pusės |
|---|---|---|---|
| PBGA (plastikinis BGA) | Organinis laminatas | 1,0–1,27 mm | Maža kaina, naudota |
| FCBGA (Flip-Chip BGA) | Standus daugiasluoksnis | ≤1,0 mm | Didžiausias greitis, mažiausias induktyvumas |
| CBGA (Keramikos BGA) | Keramika | ≥1,0 mm | Puikus patikimumas ir atsparumas karščiui |
| CDPBGA (ertmė žemyn) | Suformuotas korpusas su ertme | Skiriasi | Apsaugo štampą; Šiluminė kontrolė |
| TBGA (juosta BGA) | Lankstus pagrindas | Skiriasi | Plonas, lankstus, lengvas |
| H-PBGA (didelis šiluminis PBGA) | Patobulintas laminatas | Skiriasi | Puikus šilumos išsklaidymas |
Rutulinio tinklelio masyvo privalumai
Didesnis kaiščio tankis
BGA paketuose gali būti daug prijungimo taškų ribotoje erdvėje, nes litavimo rutuliai yra išdėstyti tinklelyje. Ši konstrukcija leidžia pritaikyti daugiau signalų kelių, nedidinant lusto.
Geresnis elektros našumas
Kadangi litavimo rutuliai sukuria trumpus ir tiesioginius kelius, signalai gali judėti greičiau ir su mažesniu pasipriešinimu. Tai padeda lustui efektyviau veikti grandinėse, kurioms reikalingas greitas ryšys.
Geresnis šilumos išsklaidymas
BGA tolygiau paskirsto šilumą, nes litavimo rutuliai užtikrina geresnį šilumos srautą. Tai sumažina perkaitimo riziką ir padeda lustui ilgiau tarnauti nuolat naudojant.
Stipresnis mechaninis ryšys
Po litavimo rutulio ir trinkelės struktūra sudaro tvirtas jungtis. Dėl to jungtis tampa patvaresnė ir mažesnė tikimybė, kad ji nutrūks veikiant vibracijai ar judėjimui.
Mažesni ir lengvesni dizainai
BGA pakuotės palengvina kompaktiškų gaminių gamybą, nes užima mažiau vietos, palyginti su senesnėmis pakuotėmis.
Žingsnis po žingsnio BGA surinkimo procesas
• Litavimo pastos spausdinimas
Metalinis trafaretas ant PCB trinkelių nusėda išmatuotą kiekį litavimo pastos. Pastovus pastos tūris užtikrina tolygų siūlės aukštį ir tinkamą drėkinimą perpildymo metu.
• Komponentų išdėstymas
Pick-and-place sistema nustato BGA paketą ant litavimo įklijuotų trinkelių. Trinkelės ir litavimo rutuliai išsilygina tiek dėl mašinos tikslumo, tiek dėl natūralaus paviršiaus įtempimo reflow metu.
• Reflow litavimas
Plokštė juda per reguliuojamos temperatūros reflow krosnį, kur litavimo rutuliai ištirpsta ir susijungia su trinkelėmis. Aiškiai apibrėžtas šiluminis profilis apsaugo nuo perkaitimo ir skatina tolygų jungčių formavimąsi.
• Aušinimo fazė
Surinkimas palaipsniui atvėsinamas, kad lydmetalis sukietėtų. Kontroliuojamas aušinimas sumažina vidinį įtempimą, apsaugo nuo įtrūkimų ir sumažina tuštumų susidarymo tikimybę.
• Patikrinimas po srauto
Gatavi mazgai tikrinami atliekant automatinį rentgeno vaizdavimą, ribų nuskaitymo bandymus arba elektrinį patikrinimą. Šie patikrinimai patvirtina tinkamą išlyginimą, visišką jungčių susidarymą ir ryšio kokybę.
Dažni rutulio tinklelio masyvo defektai
Netinkamas sutapimas - BGA paketas pasislenka iš teisingos padėties, todėl litavimo rutuliai sėdi ne centre ant trinkelių. Per didelis poslinkis gali sukelti silpnas jungtis arba tiltus perpildymo metu.
Atviros grandinės - Litavimo jungtis nesusidaro, todėl rutulys atjungtas nuo trinkelės. Tai dažnai įvyksta dėl nepakankamo lydmetalio, netinkamo pastos nusėdimo ar trinkelių užteršimo.
Šortai / tiltai - Kaimyniniai rutuliai netyčia sujungiami dėl lydmetalio pertekliaus. Šis defektas paprastai atsiranda dėl per didelio litavimo pastos, nesutapimo ar netinkamo kaitinimo.
Tuštumos - litavimo jungties viduje įstrigusios oro kišenės silpnina jos struktūrą ir sumažina šilumos išsiskyrimą. Didelės tuštumos gali sukelti protarpinius gedimus esant temperatūros pokyčiams ar elektros apkrovai.
Šaltos jungtys - Lydmetalis, kuris netinkamai ištirpdo ar sudrėkina trinkelę, sudaro nuobodžias, silpnas jungtis. Šią problemą gali sukelti netolygi temperatūra, maža šiluma arba prastas srauto aktyvavimas.
Trūkstami arba numesti rutuliai - Vienas ar keli litavimo rutuliai atsiskiria nuo pakuotės, dažnai dėl tvarkymo surinkimo ar pakartotinio rutulio metu arba dėl atsitiktinio mechaninio smūgio.
Įtrūkusios jungtys - litavimo jungtys laikui bėgant lūžta dėl terminio ciklo, vibracijos ar plokštės lankstymo. Šie įtrūkimai susilpnina elektros jungtį ir gali sukelti ilgalaikį gedimą.
BGA tikrinimo metodai
| Tikrinimo metodas | Aptinka |
|---|---|
| Elektros bandymai (IRT/FP) | Atidarymai, klipai ir pagrindiniai tęstinumo klausimai |
| Ribų nuskaitymas (JTAG) | Smeigtuko lygio gedimai ir skaitmeninio ryšio problemos |
| AXI (automatinis rentgeno patikrinimas) | Tuštumos, tiltai, nesutapimas ir vidiniai litavimo defektai |
| AOI (automatinė optinė patikra) | Matomos paviršiaus lygio problemos prieš arba po įdėjimo |
| Funkcinis testavimas | Sistemos lygio gedimai ir bendras plokštės veikimas |
BGA perdirbimas ir remontas
• Įkaitinkite plokštę, kad sumažintumėte šiluminį smūgį ir temperatūros skirtumą tarp PCB ir šildymo šaltinio. Tai padeda išvengti deformacijos ar delaminacijos.
• Naudokite lokalizuotą šilumą naudodami infraraudonųjų spindulių arba karšto oro perdirbimo sistemą. Kontroliuojamas šildymas suminkština litavimo rutulius, neperkaitindamas šalia esančių komponentų.
• Pašalinkite sugedusį BGA vakuuminiu paėmimo įrankiu, kai lydmetalis pasiekia lydymosi temperatūrą. Tai apsaugo nuo trinkelių pakėlimo ir apsaugo PCB paviršių.
• Nuvalykite atviras trinkeles litavimo dagtimi arba mikroabrazyviniais valymo įrankiais, kad pašalintumėte seną lydmetalį ir likučius. Švarus, plokščias pagalvėlės paviršius užtikrina tinkamą drėkinimą surinkimo metu.
• Užtepkite šviežią litavimo pastą arba pakartokite komponentą, kad atkurtumėte vienodą litavimo rutulio aukštį ir tarpus. Abi parinktys paruošia pakuotę teisingam išlyginimui kito srauto metu.
• Iš naujo įdiekite BGA ir atlikite perpildymą, leisdami lydmetaliui ištirpti ir susilyginti su trinkelėmis per paviršiaus įtempimą.
• Atlikite rentgeno patikrinimą po perdirbimo, kad patvirtintumėte tinkamą sąnarių susidarymą, išlyginimą ir tuštumų ar tiltų nebuvimą.
BGA taikymas elektronikoje
Mobilieji įrenginiai
BGA naudojami išmaniuosiuose telefonuose ir planšetiniuose kompiuteriuose procesoriams, atminčiai, energijos valdymo moduliams ir ryšio mikroschemų rinkiniams. Kompaktiškas dydis ir didelis įvesties / išvesties tankis palaiko ploną dizainą ir greitą duomenų apdorojimą.
Kompiuteriai ir nešiojamieji kompiuteriai
Centriniai procesoriai, grafikos blokai, mikroschemų rinkiniai ir didelės spartos atminties moduliai dažniausiai naudoja BGA paketus. Maža šiluminė varža ir stiprios elektrinės savybės padeda susidoroti su dideliais darbo krūviais.
Tinklo ir ryšių įranga
Maršrutizatoriai, jungikliai, bazinės stotys ir optiniai moduliai priklauso nuo BGA didelės spartos IC. Stabilūs ryšiai leidžia efektyviai valdyti signalus ir patikimai perduoti duomenis.
Buitinė elektronika
Žaidimų konsolėse, išmaniuosiuose televizoriuose, nešiojamuosiuose įrenginiuose, fotoaparatuose ir namų įrenginiuose dažnai yra BGA montuojamų apdorojimo ir atminties komponentų. Paketas palaiko kompaktiškus išdėstymus ir ilgalaikį patikimumą.
Automobilių elektronika
Valdymo blokai, radarų moduliai, informacijos ir pramogų sistemos ir saugos elektronika naudoja BGA, nes tinkamai surinkti jie atlaiko vibraciją ir terminį ciklą.
Pramonės ir automatikos sistemos
Judesio valdikliai, PLC, robotikos aparatinė įranga ir stebėjimo moduliai naudoja BGA pagrindu veikiančius procesorius ir atmintį, kad palaikytų tikslų veikimą ir ilgus darbo ciklus.
Medicininė elektronika
Diagnostikos prietaisai, vaizdo gavimo sistemos ir nešiojamieji medicinos įrankiai integruoja BGA, kad būtų pasiektas stabilus veikimas, kompaktiškas surinkimas ir geresnis šilumos valdymas.
BGA, QFP ir CSP palyginimas
| Funkcija | BGA | QFP | CSP |
|---|---|---|---|
| Smeigtukų skaičius | Labai didelis | Vidutinis | Žemas–vidutinis |
| Pakuotės dydis | Kompaktiškas | Didesnis plotas | Labai kompaktiškas |
| Inspekcija | Sunku | Lengva | Vidutinis |
| Šiluminės savybės | Puiku | Vidutinis | Geras |
| Perdirbimo sunkumai | Aukštas | Žemas | Vidutinis |
| Kaina | Tinka didelio tankio išdėstymui | Žemas | Vidutinis |
| Geriausiai tinka | Didelės spartos, didelės įvesties / išvesties IC | Paprasti IC | Itin maži komponentai |
Išvada
BGA technologija užtikrina tvirtas jungtis, greitą signalo veikimą ir efektyvų šilumos valdymą kompaktiškose elektroninėse konstrukcijose. Taikydami tinkamus surinkimo, tikrinimo ir remonto metodus, BGA išlaiko ilgalaikį patikimumą daugelyje pažangių programų. Dėl jų struktūros, proceso, stipriųjų pusių ir iššūkių jie yra pagrindinis sprendimas įrenginiams, kuriems reikalingas stabilus veikimas ribotoje erdvėje.
Dažnai užduodami klausimai [DUK]
Iš ko gaminami BGA litavimo rutuliai?
Paprastai jie gaminami iš alavo lydinių, tokių kaip SAC (alavo-sidabro-vario) arba SnPb. Lydinys turi įtakos lydymosi temperatūrai, jungčių stiprumui ir ilgaamžiškumui.
Kodėl BGA deformacija įvyksta perpildymo metu?
Deformacija atsiranda, kai BGA paketas ir PCB plečiasi skirtingu greičiu, kai jie įkaista. Dėl netolygaus išsiplėtimo pakuotė gali sulenkti ir pakelti litavimo rutulius nuo trinkelių.
Kas riboja minimalų BGA žingsnį, kurį gali palaikyti PCB?
Minimalus žingsnis priklauso nuo PCB gamintojo pėdsakų pločio, tarpų ribų, dydžio ir krūvos. Labai mažiems žingsniams reikalingas mikrovijų ir HDI PCB dizainas.
Kaip tikrinamas BGA patikimumas po surinkimo?
Tokie bandymai kaip temperatūros ciklas, vibracijos bandymai ir kritimo bandymai naudojami silpnoms jungtims, įtrūkimams ar metalo nuovargiui nustatyti.
Kokios PCB projektavimo taisyklės reikalingos frezuojant pagal BGA?
Maršrutizavimui reikalingi kontroliuojami varžos pėdsakai, tinkami išsiveržimo modeliai, prireikus "via-in-pad" ir kruopštus greitaeigių signalų tvarkymas.
Kaip atliekamas BGA perbalavimo procesas?
Reballing pašalina seną lydmetalį, išvalo trinkeles, uždeda trafaretą, prideda naujų litavimo rutuliukų, užtepa srautą ir pašildo pakuotę, kad kamuoliukai būtų tolygiai pritvirtinti.