Čo je pole Ball Grid (BGA)?Výhody, typy, proces montáže
2024-09-09 2598

Balíky Ball Grid Array (BGA) sa stali veľmi populárnymi v elektronike, najmä pre integrované obvody namontované na povrchu (SMD ICS), ktoré si vyžadujú veľa spojení v malom priestore.Na rozdiel od starších vzorov, ktoré kladú spojenia okolo okrajov čipu, BGA používa spodnú stranu čipu na pripojenie.To uľahčuje navrhovanie dosiek s tlačenými obvodmi (PCB) znížením neporiadku a umožnením kompaktnejšieho rozloženia.Tento článok skúma, prečo sú uprednostňované balíčky BGA, výhody, ktoré ponúkajú, ióny BGA Designs a výzvy, ktorým čelia počas montáže a prepracovania.Či už v spotrebnej elektronike alebo priemyselných aplikáciách, technológia BGA zlepšuje návrh a výrobu obvodu.

Katalóg

Obrázok 1: Poľa s mriežkou guľky (BGA)

Prečo sú uprednostňované balíčky Ball Grid Array (BGA)?

Pole guľovej mriežky (BGA) je typ obalu s povrchovou strechou používané pre integrované obvody (ICS).Vyznačuje sa spájkovacími guľami na spodnej strane čipu namiesto tradičných kolíkov, vďaka ktorým je ideálny pre zariadenia, ktoré potrebujú vysokú hustotu pripojenia v malom priestore.Balíky Ball Grid Array (BGA) predstavujú hlavné zlepšenie oproti staršiemu dizajnu Quad Flat Pack (QFP) vo výrobe elektroniky.QFP, s tenkými a pevne rozmiestnenými kolíkmi, sú náchylné na ohýbanie alebo lámanie.Opravy sú náročné a drahé, najmä pre obvody s mnohými kolíkmi.

Prísne zabalené kolíky na QFP tiež predstavujú problémy počas návrhu dosiek s tlačenými obvodmi (PCB).Úzke rozstupy môže spôsobiť preťaženie trate, čo sťažuje efektívne smerovanie spojení.Toto preťaženie môže ublížiť usporiadaniu aj výkonu okruhu.Okrem toho presnosť potrebná na spájkovanie kolíkov QFP zvyšuje riziko vytvorenia nežiaducich mostov medzi kolíkmi, čo potenciálne spôsobuje poruchu obvodu.

Balíny BGA vyriešia mnoho z týchto problémov.Namiesto krehkých kolíkov BGAS používajú spájkové gule umiestnené pod čipom, ktorý znižuje pravdepodobnosť fyzického poškodenia a umožňuje priestrannejší a menej preťažený dizajn PCB.Toto usporiadanie uľahčuje výrobu a zároveň zlepšuje spoľahlivosť spájkovacích kĺbov.V dôsledku toho sa BGA stali priemyselným štandardom.Pomocou špecializovaných nástrojov a techník BGA technológia nielen zjednodušuje výrobný proces, ale tiež zvyšuje celkový návrh a výkon elektronických komponentov.

Výhody technológie Ball Grid Array (BGA)

Technológia Ball Grid Array (BGA) transformovala spôsob, akým sú zabalené integrované obvody (ICS).To vedie k zlepšeniu funkčnosti a efektívnosti.Tieto vylepšenia nielen zefektívňujú výrobný proces, ale tiež majú úžitok z výkonu zariadení pomocou týchto obvodov.

Obrázok 2: Poľa s mriežkou guľky (BGA)

Jednou z výhod balenia BGA je jeho efektívne využitie priestoru na doskách s obvodmi (PCB).Tradičné balíčky kladú spojenia okolo okrajov čipu a zaberajú viac priestoru.Balíky BGA však umiestnia spájkové gule pod čip, ktorý na doske uvoľní cenný priestor.

BGAS tiež ponúka vynikajúci tepelný a elektrický výkon.Dizajn umožňuje energiu a pozemné lietadlá, znižuje indukčnosť a zabezpečenie čistejších elektrických signálov.To vedie k zlepšenej integrite signálu, ktorá je dôležitá v vysokorýchlostných aplikáciách.Navyše, usporiadanie balíkov BGA uľahčuje lepší rozptyl tepla, čím sa bráni prehriatiu v elektronike, ktoré počas prevádzky vytvárajú veľa tepla, ako sú procesory a grafické karty.

Proces montáže pre balíčky BGA je tiež jednoduchší.Namiesto toho, aby ste museli spájkovať malé špendlíky pozdĺž okraja čipu, spájkovacie gule pod balíkom BGA poskytujú robustnejšie a spoľahlivejšie pripojenie.To má za následok menej defektov počas výroby a prispieva k vyššej účinnosti výroby, najmä v prostrediach hromadnej výroby.

Ďalšou výhodou technológie BGA je jej schopnosť podporovať návrhy štíhlejších zariadení.Balíky BGA sú tenšie ako staršie vzory čipov, ktoré umožňujú výrobcom vytvárať elegantnejšie a kompaktnejšie zariadenia bez obetovania výkonu.Toto je obzvlášť dôležité pre prenosnú elektroniku, ako sú smartfóny a notebooky, kde veľkosť a hmotnosť sú kritickými faktormi.

Okrem ich kompaktnosti uľahčujú balíky BGA údržbu a opravy.Väčšie podložky spájkovania pod čipom zjednodušujú proces prepracovania alebo aktualizácie dosky, ktorý môže predĺžiť životnosť zariadenia.To je prospešné pre high-tech vybavenie, ktoré si vyžaduje dlhodobú spoľahlivosť.

Celkovo sa kombinácia dizajnu úspory, vylepšený výkon, zjednodušená výroba a ľahšie opravy urobili z technológie BGA preferovanú voľbu pre modernú elektroniku.Či už v spotrebiteľských zariadeniach alebo priemyselných aplikáciách, BGA ponúka spoľahlivé a efektívne riešenie pre dnešné zložité elektronické požiadavky.

Pochopenie balíka Ball Grid Grid Array (BGA)

Na rozdiel od staršej metódy Quad Flat Pack (QFP), ktorá spája kolíky pozdĺž okrajov čipu, BGA používa spodnú stranu čipu na pripojenie.Toto usporiadanie uvoľňuje priestor a umožňuje efektívnejšie využívanie dosky, čím sa zabráni obmedzeniam spojeným s veľkosťou a rozstupom kolíka.

V balíku BGA sú pripojenia usporiadané v mriežke pod čipom.Namiesto tradičných špendlíkov sa na vytváranie spojení používajú malé spájkovacie gule.Tieto spájkovacie gule sa zhodujú s zodpovedajúcimi medenými podložkami na doske s tlačenými obvodmi (PCB), čím sa pri namontovaní čipu vytvárajú stabilné a spoľahlivé kontaktné body.Táto štruktúra nielen zlepšuje trvanlivosť pripojenia, ale tiež zjednodušuje proces montáže, pretože zarovnanie a spájkovanie komponentov je jednoduchšie.

Jednou z výhod balíkov BGA je ich schopnosť efektívnejšie zvládnuť teplo.Znížením tepelného odporu medzi kremíkovým čipom a PCB pomáha BGA efektívnejšie rozptyľovať teplo.Toto je obzvlášť dôležité vo vysokovýkonnej elektronike, kde je dôležité teplo na udržiavanie stabilnej prevádzky a predĺženie životnosti komponentov.

Ďalšou výhodou je, že kratšia vedie medzi čipom a doskou, a to vďaka rozloženiu na spodnej strane nosiča čipu.To minimalizuje indukčnosť olova, zlepšenie integrity signálu a celkový výkon.Preto robí balíčky BGA preferovanou možnosťou pre moderné elektronické zariadenia.

Rôzne varianty balíkov Ball Grid Array (BGA)

Obrázok 3: Balenie Balcu Grid Array (BGA)

Technológia obalov Ball Grid Array (BGA) sa vyvinula tak, aby riešila rôzne potreby modernej elektroniky, od výkonu a nákladov po veľkosť a správu tepla.Tieto rôzne požiadavky viedli k vytvoreniu niekoľkých variantov BGA.

Formované pole guľôčkovej mriežky procesu (MAPBGA) je navrhnuté pre zariadenia, ktoré nevyžadujú extrémny výkon, ale stále potrebujú spoľahlivosť a kompaktnosť.Tento variant je nákladovo efektívny, s nízkou indukčnosťou, čo uľahčuje namontovanie povrchu.Jeho malá veľkosť a trvanlivosť z neho robia praktickú voľbu pre širokú škálu elektroniky s nízkym a stredným výkonom.

V prípade náročnejších zariadení ponúka plastové guľové mriežkové pole (PBGA) vylepšené vlastnosti.Rovnako ako MAPBGA, poskytuje nízku indukčnú a ľahkú montáž, ale s pridanými medenými vrstvami v substráte na spracovanie vyšších požiadaviek na energiu.Vďaka tomu je PBGA vhodný pre stredné až vysokové výkony, ktoré si vyžadujú efektívnejší rozptyl energie pri zachovaní spoľahlivej spoľahlivosti.

Pri riadení tepla sa týka, vylepšuje tepelne vylepšená plastová mriežková mriežka (TEPBGA).Používa hrubé medené roviny v rámci svojho substrátu na efektívne odtiahnutie tepla od čipu, čím sa zabezpečí, že tepelne citlivé komponenty fungujú pri maximálnom výkone.Tento variant je ideálny pre aplikácie, kde je efektívna tepelná správa najvyššou prioritou.

Poľa mriežky pásky (TBGA) je navrhnutá pre vysokovýkonné aplikácie, kde je potrebný vynikajúci správca tepla, ale priestor je obmedzený.Jeho tepelný výkon je výnimočný bez potreby vonkajšieho chladiča, vďaka čomu je ideálny pre kompaktné zostavy v špičkových zariadeniach.

V situáciách, keď je priestor obzvlášť obmedzený, ponúka technológia balíka (pop) inovatívne riešenie.Umožňuje stohovanie viacerých komponentov, ako je napríklad umiestnenie pamäťového modulu priamo na vrchol procesora, čo maximalizuje funkčnosť vo veľmi malej stope.Vďaka tomu je Pop veľmi užitočný v zariadeniach, kde je priestor na prémiu, ako sú smartfóny alebo tablety.

V prípade ultra kompaktných zariadení je variant mikrobga k dispozícii v rozstupoch až 0,65, 0,75 a 0,8 mm.Jeho malá veľkosť umožňuje zapadnúť do husto zabalenej elektroniky, vďaka čomu je preferovanou možnosťou pre vysoko integrované zariadenia, v ktorých sa počíta každý milimeter.

Každý z týchto variantov BGA predstavuje prispôsobivosť technológie BGA a poskytuje prispôsobené riešenia na splnenie neustále sa meniacich požiadaviek elektronického priemyslu.Či už ide o nákladovú efektívnosť, tepelné riadenie alebo optimalizáciu priestoru, balík BGA je vhodný pre prakticky akúkoľvek aplikáciu.

Proces montáže lopty s mriežkou (BGA)

Keď sa prvýkrát zaviedli balíčky Ball Grid Array (BGA), existovali obavy z toho, ako ich spoľahlivo zostaviť.Tradičné balíčky technológie povrchových držiakov (SMT) mali prístupné vankúšiky pre ľahké spájkovanie, ale BGAS predstavovala inú výzvu kvôli tomu, že ich spojenia boli pod balením.To vyvolalo pochybnosti o tom, či by sa BGA mohli počas výroby spoľahlivo spájať.Tieto obavy sa však rýchlo usplávali, keď sa zistilo, že štandardné techniky spájkovania prerážky boli pri zostavovaní BGA vysoko účinné, čo viedlo k dôsledne spoľahlivých kĺbov.

Obrázok 4: Zostava poľa mriežky s mriežkou

Proces spájkovania BGA sa spolieha na presnú reguláciu teploty.Počas pripájania sa celá zostava rovnomerne zahrieva, vrátane spájkovacích guličiek pod balením BGA.Tieto spájkovacie gule sú vopred potiahnuté presným množstvom spájkovania potrebného pre pripojenie.Keď teplota stúpa, spájka topí a tvorí spojenie.Povrchové napätie pomáha baleniu BGA s vlastným vyrovnaním so zodpovedajúcimi podložkami na doske obvodu.Povrchové napätie pôsobí ako vodca a zabezpečuje, aby spájkovacie gule zostali na mieste počas fázy vykurovania.

Keď sa spájka ochladzuje, prechádza krátkou fázou, kde zostáva čiastočne roztavená.Je to dôležité pre to, aby sa každej loptičke spájkovania usadil v správnej polohe bez zlúčenia so susednými guľami.Špecifická zliatina použitá pre spájku a proces kontrolovaného chladenia zabezpečuje, aby sa spájkovacie kĺby vytvorili správne a udržiavali oddelenie.Táto úroveň kontroly pomáha úspechu zostavy BGA.

V priebehu rokov boli metódy použité na zostavenie balíkov BGA vylepšené a štandardizované, čo z nich robí neoddeliteľnou súčasťou výroby modernej elektroniky.Dnes sú tieto procesy montáže plynule začlenené do výrobných liniek a počiatočné obavy týkajúce sa spoľahlivosti BGA do značnej miery zmizli.Výsledkom je, že balíčky BGA sa teraz považujú za spoľahlivú a efektívnu voľbu pre dizajn elektronických výrobkov, ktoré ponúkajú trvanlivosť a presnosť pre zložité obvody.

Výzvy a riešenia

Jednou z hlavných výziev zariadení Ball Grid Array (BGA) je to, že spájkované spojenia sú skryté pod čipom.To ich znemožňuje vizuálne kontrolovať pomocou tradičných optických metód.To spočiatku vyvolalo obavy týkajúce sa spoľahlivosti zhromaždení BGA.V reakcii na to výrobcovia doladili svoje spájkovacie procesy a zabezpečili rovnomerné aplikovanie tepla cez montáž.Táto rovnomerná distribúcia tepla je potrebná na správne roztavenie všetkých spájkovacích guličiek a zabezpečenie pevných pripojení v každom bode v mriežke BGA.

Aj keď elektrické testovanie môže potvrdiť, či zariadenie funguje, nestačí na zaručenie dlhodobej spoľahlivosti.Počas počiatočných testov sa môže javiť elektricky zvukové spojenie, ale ak je spájkový kĺb slabý alebo nesprávne vytvorený, mohlo by to časom zlyhať.Aby sa to vyriešilo, röntgenová inšpekcia sa stala metódou na overenie integrity spájkovacích kĺbov BGA.Röntgenové lúče poskytujú podrobný pohľad na spájkované spojenia pod čipom, čo technikom umožňuje zistiť akékoľvek potenciálne problémy.Pri správnych nastaveniach tepla a metódami presnej spájkovania BGA zvyčajne vykazujú kvalitné kĺby, čím sa zvyšuje celková spoľahlivosť montáže.

Prepracovanie dosiek vybavených BGA

Prepracovanie dosky s obvodmi, ktorá používa BGA, môže byť jemným a komplexným procesom, ktorý si často vyžaduje špecializované nástroje a techniky.Prvým krokom v prepracovaní zahŕňa odstránenie chybného BGA.To sa dosahuje nanášaním lokalizovaného tepla priamo na spájku pod čipom.Špecializované prepracované stanice sú vybavené infračervenými ohrievačmi, aby sa starostlivo zahreli BGA, termočlánky na monitorovanie teploty a vákuový nástroj na zdvihnutie čipu po tom, čo sa spájka roztopí.Je dôležité kontrolovať zahrievanie tak, aby bolo ovplyvnené iba BGA, čo bráni poškodeniu komponentov v okolí.

Opravy a opätovné vymáhanie BGA

Po odstránení BGA sa dá buď nahradiť novým komponentom, alebo v niektorých prípadoch zrekonštruovaný.Bežnou metódou opravy je opätovné raste, ktorá zahŕňa výmenu spájkovacích guličiek na BGA, ktorá je stále funkčná.Toto je nákladovo efektívna možnosť pre drahé čipy, pretože umožňuje opätovné použitie komponentu, než aby sa vyradil.Mnoho spoločností ponúka špecializované služby a vybavenie na reball BGA, čo pomáha predĺžiť životnosť cenných komponentov.

Napriek skorým obavám z obtiažnosti pri kontrole spájkovacích kĺbov BGA táto technológia urobila významné pokroky.Inovácie v dizajne tlačených obvodov (PCB), vylepšené spájkovacie techniky, ako je infračervený reflow a integrácia spoľahlivých metód röntgenovej kontroly, všetky prispeli k vyriešeniu počiatočných problémov spojených s BGA.Okrem toho pokroky v technikách prepracovania a opravy zaistili, že BGA sa dajú spoľahlivo používať v širokej škále aplikácií.Tieto vylepšenia zvýšili kvalitu a spoľahlivosť výrobkov, ktoré zahŕňajú technológiu BGA.

Záver

Prijatie balíkov Ball Grid Array (BGA) v modernej elektronike bolo poháňané ich mnohými výhodami vrátane vynikajúceho tepelného riadenia, zníženej zložitosti montáže a dizajnu úspory vesmíru.Prekonanie počiatočných výziev, ako sú skryté spájkovacie kĺby a prepracované ťažkosti, sa technológia BGA stala preferovanou voľbou v rôznych aplikáciách.Od kompaktných mobilných zariadení až po vysoko výkonné výpočtové systémy poskytujú balíčky BGA spoľahlivé a efektívne riešenie pre dnešnú komplexnú elektroniku.