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Ball Grid Array, BGA

Ball Grid Array, BGA

Das Ball Grid Array ist für SMD-ICs, die Verbindungen mit hoher Dichte erfordern, immer beliebter geworden. Durch die Verwendung der Unterseite des IC-Gehäuses anstelle von Verbindungen am Rand kann die Verbindungsdichte reduziert werden, wodurch das Leiterplattenlayout vereinfacht wird.

Das Hauptproblem bei der Verwendung von SMD-BGA-IC-Gehäusen besteht darin, dass durch die Verwendung der Unterseite des Chips kein direkter Zugriff auf die Anschlüsse möglich ist, was das Löten, Entlöten und Prüfen erschwert. Mit Hauptproduktionsanlagen für Leiterplatten sind diese Probleme jedoch leicht zu überwinden und die allgemeine Zuverlässigkeit und Leistung kann verbessert werden.

Begründung für die Verwendung von BGA

Es gibt Gründe für die Einführung und Verwendung des Ball-Grid-Arrays. BGA ist recht unkompliziert, da es Probleme mit anderen Technologien gab. Die herkömmlichen Quad-Flat-Pack-Pakete hatten sehr dünne und sehr eng beieinander liegende Stifte. Diese Konfiguration führt zu einer Reihe von Schwierigkeiten.

  • Schaden: Die Stifte an QFPs sind von Natur aus sehr dünn und aufgrund ihres Abstands muss ihre Position sehr genau kontrolliert werden. Jeder Missbrauch kann dazu führen, dass sie vertrieben werden, und wenn dies geschieht, können sie kaum wiederhergestellt werden. ICs mit hoher Pinanzahl sind in der Regel sehr teuer, daher kann dies zu einem Hauptproblem werden.
  • Stiftdichte: Aus gestalterischer Sicht war die Stiftdichte so, dass sich das Entfernen der Spuren vom IC ebenfalls als problematisch erwies, da es in einigen Bereichen zu einer Überlastung kommen könnte.
  • Lötprozess In Anbetracht des sehr engen Abstands der QFP-Stifte ist eine sehr sorgfältige Steuerung des Lötprozesses erforderlich, da sonst Kontakte leicht überbrückt werden können.

Das BGA-Paket wurde entwickelt, um diese Probleme zu überwinden und die Zuverlässigkeit der Lötstellen zu verbessern. Infolgedessen ist die BGA weit verbreitet, und es wurden Verfahren und Geräte entwickelt, um die Probleme bei ihrer Verwendung zu überwinden.

Ball Grid Array BGA Ziele

Das Ball Grid Array wurde entwickelt, um IC- und Geräteherstellern eine Reihe von Vorteilen zu bieten und um den späteren Benutzern von Geräten Vorteile zu bieten. Einige der BGA-Vorteile gegenüber anderen Technologien umfassen:

  • Effiziente Nutzung des Platzes für Leiterplatten, sodass Verbindungen unter dem SMD-Gehäuse und nicht nur an dessen Peripherie hergestellt werden können
  • Verbesserung der thermischen und elektrischen Leistung. BGA-Pakete bieten Strom- und Masseebenen für niedrige Induktivitäten und Spuren mit gesteuerter Impedanz für Signale sowie die Möglichkeit, Wärme über die Pads usw. abzuleiten.
  • Verbesserung der Fertigungsausbeuten durch verbessertes Löten. BGAs ermöglichen einen großen Abstand zwischen den Anschlüssen sowie eine bessere Lötbarkeit.
  • Reduzierte Packungsdicke, was ein großer Vorteil ist, wenn viele Baugruppen viel dünner gemacht werden müssen, z. Mobiltelefone usw.
  • Verbesserte Nachbearbeitbarkeit aufgrund größerer Pad-Größen usw.

Diese Vorteile haben dazu geführt, dass das Paket trotz anfänglicher Skepsis unter vielen Umständen einige nützliche Verbesserungen bietet.

Was ist ein BGA-Paket?

Das Ball Grid Array (BGA) verwendet einen anderen Ansatz für die Verbindungen als herkömmliche oberflächenmontierte Verbindungen. Andere Pakete wie das Quad-Flat-Pack QFP verwendeten die Seiten des Pakets für die Verbindungen. Dies bedeutete, dass nur begrenzter Platz für die Stifte vorhanden war, die sehr eng beieinander angeordnet und viel kleiner gemacht werden mussten, um das erforderliche Maß an Konnektivität bereitzustellen. Das Ball Grid Array (BGA) verwendet die Unterseite des Gehäuses, wo ein beträchtlicher Bereich für die Verbindungen vorhanden ist.

Die Stifte befinden sich in einem Gittermuster (daher der Name Ball Grid Array) auf der Unterseite des Chipträgers. Anstatt Stifte für die Konnektivität zu haben, werden auch Pads mit Lötkugeln als Verbindungsmethode verwendet. Auf der Leiterplatte, auf der das BGA-Gerät angebracht werden soll, befindet sich ein passender Satz Kupferpads, um die erforderliche Konnektivität bereitzustellen.

Neben der Verbesserung der Konnektivität bieten BGAs weitere Vorteile. Sie bieten einen geringeren Wärmewiderstand zwischen dem Siliziumchip selbst als Quad-Flat-Pack-Geräte. Dadurch kann die von der integrierten Schaltung im Gehäuse erzeugte Wärme schneller und effektiver aus dem Gerät auf die Leiterplatte geleitet werden. Auf diese Weise können BGA-Geräte ohne besondere Kühlmaßnahmen mehr Wärme erzeugen.

Darüber hinaus bedeutet die Tatsache, dass sich die Leiter an der Unterseite des Chipträgers befinden, dass die Leitungen innerhalb des Chips kürzer sind. Dementsprechend sind unerwünschte Leitungsinduktivitätspegel niedriger, und auf diese Weise können Ball Grid Array-Geräte ein höheres Leistungsniveau bieten als ihre QFP-Gegenstücke.

BGA-Pakettypen

Um den vielfältigen Anforderungen für verschiedene Montage- und Gerätetypen gerecht zu werden, wurde eine Reihe von BGA-Varianten entwickelt.

  • MAPBGA - Molded Array Process Ball Grid Array: Dieses BGA-Paket richtet sich an Geräte mit geringer bis mittlerer Leistung, die eine Verpackung mit geringer Induktivität und einfacher Oberflächenmontage erfordern. Es bietet eine kostengünstige Option mit geringem Platzbedarf und hoher Zuverlässigkeit.
  • PBGA - Plastic Ball Grid Array: Dieses BGA-Paket ist für Geräte mit mittlerer bis hoher Leistung gedacht, die eine niedrige Induktivität, eine einfache Oberflächenmontage, relativ niedrige Kosten und gleichzeitig ein hohes Maß an Zuverlässigkeit erfordern. Es hat einige zusätzliche Kupferschichten im Substrat, die es ermöglichen, mit erhöhten Verlustleistungen umzugehen.
  • TEPBGA - Thermisch verbessertes Kunststoffkugelgitter-Array: Dieses Paket sorgt für eine viel höhere Wärmeableitung. Es verwendet dicke Kupferebenen im Substrat, um Wärme von der Matrize auf die Kundenplatine zu leiten.
  • TBGA - Tape Ball Grid Array: Dieses BGA-Paket ist eine Mid- bis High-End-Lösung für Anwendungen, die eine hohe Wärmeleistung ohne externen Kühlkörper benötigen.
  • PoP - Paket auf Paket: Dieses Paket kann in Anwendungen verwendet werden, in denen der Platz knapp ist. Es ermöglicht das Stapeln eines Speicherpakets auf einem Basisgerät.
  • MicroBGA: Wie der Name schon sagt, ist dieser BGA-Pakettyp kleiner als das Standard-BGA-Paket. In der Branche sind drei Teilungen vorherrschend: 0,65, 0,75 und 0,8 mm.

BGA-Baugruppe

Bei der Einführung von BGAs war die BGA-Montage eines der Hauptanliegen. Wenn die Pads nicht auf normale Weise zugänglich wären, würde die BGA-Baugruppe die Standards erreichen, die mit herkömmlicheren SMT-Paketen erreicht werden könnten. Obwohl das Löten für ein BGA-Gerät (Ball Grid Array) ein Problem zu sein schien, wurde festgestellt, dass Standard-Reflow-Verfahren für diese Geräte sehr gut geeignet waren und die Zuverlässigkeit der Verbindung sehr gut war. Seitdem haben sich die BGA-Montagemethoden verbessert, und es wird allgemein festgestellt, dass das BGA-Löten besonders zuverlässig ist.

Beim Löten wird dann die Gesamtanordnung erwärmt. Die Lötkugeln haben eine sehr sorgfältig kontrollierte Lötmenge, und beim Erhitzen während des Lötprozesses schmilzt das Lötmittel. Die Oberflächenspannung bewirkt, dass das geschmolzene Lot das Gehäuse in der richtigen Ausrichtung zur Leiterplatte hält, während das Lot abkühlt und sich verfestigt. Die Zusammensetzung der Lötlegierung und die Löttemperatur werden sorgfältig so gewählt, dass das Lötmittel nicht vollständig schmilzt, sondern halbflüssig bleibt, sodass jede Kugel von ihren Nachbarn getrennt bleibt.

Da viele Produkte jetzt standardmäßig BGA-Pakete verwenden, sind die BGA-Montagemethoden mittlerweile gut etabliert und können von den meisten Herstellern problemlos eingesetzt werden. Dementsprechend sollten keine Bedenken hinsichtlich der Verwendung von BGA-Geräten in einem Design bestehen.

Ball Grid Array, BGA, Inspektion

Eines der Probleme bei BGA-Geräten besteht darin, dass es nicht möglich ist, die Lötverbindungen mit optischen Methoden anzuzeigen. Infolgedessen gab es bei der Einführung der Technologie einen gewissen Verdacht, und viele Hersteller führten Tests durch, um sicherzustellen, dass sie die Geräte zufriedenstellend löten konnten. Das Hauptproblem beim Löten von Ball Grid Array-Geräten besteht darin, dass ausreichend Wärme angewendet werden muss, um sicherzustellen, dass alle Kugeln im Gitter ausreichend schmelzen, damit jede Verbindung zufriedenstellend hergestellt werden kann.

Die Gelenke können nicht vollständig durch Überprüfen der elektrischen Leistung getestet werden. Es ist möglich, dass die Verbindung nicht ausreichend hergestellt wird und im Laufe der Zeit versagt. Das einzig zufriedenstellende Inspektionsmittel ist die Verwendung der Röntgeninspektion, da dieses Inspektionsmittel durch das Gerät auf die darunter liegende Lötstelle blicken kann. Sobald das Wärmeprofil für die Lötmaschine korrekt eingerichtet ist, wird der BGA festgestellt Geräte löten sehr gut und es treten nur wenige Probleme auf, wodurch die BGA-Montage für die meisten Anwendungen möglich wird.

Ball Grid Array, BGA Nacharbeit

Wie zu erwarten ist, ist es nicht einfach, Karten mit BGAs zu überarbeiten, wenn nicht die richtige Ausrüstung verfügbar ist. Wenn der Verdacht besteht, dass ein BGA fehlerhaft ist, kann das Gerät entfernt werden. Dies wird durch lokales Erhitzen der Vorrichtung erreicht, um das darunter liegende Lot zu schmelzen.

Beim BGA-Nacharbeitsprozess wird die Erwärmung häufig in einer speziellen Nacharbeitsstation entfernt. Dies umfasst eine Vorrichtung mit Infrarotheizung, ein Thermoelement zur Überwachung der Temperatur und eine Vakuumvorrichtung zum Anheben der Verpackung. Es ist große Sorgfalt erforderlich, um sicherzustellen, dass nur der BGA erwärmt und entfernt wird. Andere Geräte in der Nähe müssen so wenig wie möglich betroffen sein, da sie sonst beschädigt werden können.

BGA-Reparatur / BGA-Reballing

Nach dem Entfernen kann der BGA durch einen neuen ersetzt werden. Gelegentlich kann es möglich sein, einen entfernten BGA zu überholen oder zu reparieren. Diese BGA-Reparatur kann ein attraktiver Vorschlag sein, wenn der Chip teuer ist und bekanntermaßen nach dem Entfernen ein funktionierendes Gerät ist. Führen Sie eine BGA-Reparatur durch, bei der die Lötkugeln in einem als Reballing bezeichneten Prozess ausgetauscht werden müssen. Diese BGA-Reparatur kann mit einigen der kleinen vorgefertigten Lötkugeln durchgeführt werden, die für diesen Zweck hergestellt und verkauft werden.

Es gibt viele Organisationen, die mit Spezialausrüstung gegründet wurden, um dieses BGA-Reballing durchzuführen.

Die BGA-Ball-Grid-Array-Technologie hat sich gut etabliert. Obwohl es den Anschein haben könnte, dass es Probleme mit dem fehlenden Zugang zu den Kontakten geben würde, wurden geeignete Methoden zur Überwindung dieser gefunden. Das PCB-Layout und die Zuverlässigkeit der Platine wurden verbessert, da die Spur- und Stiftdichte abgenommen hat. Darüber hinaus wurde das Löten zuverlässiger und die Infrarot-Reflow-Techniken wurden verfeinert, um ein zuverlässiges Löten zu ermöglichen. In ähnlicher Weise kann die Inspektion von Platinen mit BGAs die Röntgeninspektion AXI verwenden, und zusätzlich wurden Nacharbeitstechniken entwickelt. Infolgedessen hat der Einsatz der BGA-Technologie zu einer allgemeinen Verbesserung der Qualität und Zuverlässigkeit geführt.

Schau das Video: Reball BGA, способ накатать шары с первого раза, не повредив чип. (Oktober 2020).