Массив шариковой сетки
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( сентябрь 2010 г. ) |
Массив шариковых решеток ( BGA ) — это тип корпуса для поверхностного монтажа ( носителя микросхем ), используемый для интегральных схем . Корпуса BGA используются для постоянного монтажа таких устройств, как микропроцессоры . BGA может обеспечить больше соединительных контактов, чем можно разместить в двухрядном или плоском корпусе . Можно использовать всю нижнюю поверхность устройства, а не только периметр. Дорожки, соединяющие выводы корпуса с проводами или шариками, которые соединяют матрицу с корпусом, также в среднем короче, чем у типа, предназначенного только для периметра, что приводит к повышению производительности на высоких скоростях. [ нужна ссылка ]
Пайка устройств BGA требует точного контроля и обычно выполняется автоматическими процессами, например, в автоматических печах оплавления с компьютерным управлением .
Описание
[ редактировать ]
BGA произошел от массива контактов (PGA), который представляет собой корпус, одна поверхность которого покрыта (или частично покрыта) выводами в виде сетки , которые в процессе работы проводят электрические сигналы между интегральной схемой и печатной платой ( PCB), на которой он размещен. В BGA контакты заменены контактными площадками в нижней части корпуса, к каждой из которых изначально приклеен крошечный шарик припоя. Эти сферы припоя можно размещать вручную или с помощью автоматизированного оборудования и удерживать на месте липким флюсом. [1] Устройство размещено на печатной плате с медными контактами, расположенными по схеме, соответствующей шарикам припоя. Затем сборку нагревают либо в печи оплавления , либо с помощью инфракрасного нагревателя , расплавляя шарики. Поверхностное натяжение заставляет расплавленный припой удерживать корпус на одном уровне с печатной платой на правильном расстоянии друг от друга, в то время как припой охлаждается и затвердевает, образуя паяные соединения между устройством и печатной платой.
В более продвинутых технологиях шарики припоя можно использовать как на печатной плате, так и на корпусе. Кроме того, в составных многочиповых модулях ( пакет на корпусе ) шарики припоя используются для соединения двух корпусов.
Преимущества
[ редактировать ]Высокая плотность
[ редактировать ]BGA — это решение проблемы создания миниатюрного корпуса интегральной схемы со многими сотнями выводов. Матрицы с сеткой выводов и корпуса для поверхностного монтажа с двумя рядами ( SOIC ) производились со все большим и большим количеством выводов и с уменьшением расстояния между выводами, но это создавало трудности для процесса пайки. По мере сближения выводов корпуса возрастала опасность случайного соединения соседних выводов припоем.
Теплопроводность
[ редактировать ]Еще одним преимуществом корпусов BGA перед корпусами с отдельными выводами (т.е. корпусами с ножками) является более низкое тепловое сопротивление между корпусом и печатной платой. Это позволяет теплу, выделяемому интегральной схемой внутри корпуса, легче перетекать к печатной плате, предотвращая перегрев чипа.
Провода с низкой индуктивностью
[ редактировать ]Чем короче электрический проводник, тем ниже его нежелательная индуктивность — свойство, вызывающее нежелательное искажение сигналов в высокоскоростных электронных схемах. BGA с очень коротким расстоянием между корпусом и печатной платой имеют низкую индуктивность выводов, что обеспечивает им превосходные электрические характеристики по сравнению с устройствами с выводами.
Недостатки
[ редактировать ]
Отсутствие соответствия
[ редактировать ]Недостатком BGA является то, что шарики припоя не могут сгибаться так, как более длинные выводы, поэтому они не являются механически совместимыми . Как и в случае со всеми устройствами для поверхностного монтажа, изгиб из-за разницы коэффициентов теплового расширения между подложкой печатной платы и BGA (тепловое напряжение) или изгиб и вибрация (механическое напряжение) могут привести к разрушению паяных соединений.
Проблемы теплового расширения можно решить, согласовав механические и тепловые характеристики печатной платы с характеристиками корпуса. Обычно пластиковые BGA-устройства более точно соответствуют термическим характеристикам печатной платы, чем керамические устройства.
Преобладающее использование соответствующих требованиям RoHS, сборок из бессвинцового припоя, создало некоторые дополнительные проблемы для BGA, в том числе « голова в подушке ». [2] явление пайки, проблемы с образованием кратеров на контактных площадках , а также снижение их надежности по сравнению с BGA-припоями на основе свинца в экстремальных условиях эксплуатации, таких как высокая температура, сильный термический удар и среда с высокими гравитационными силами, отчасти из-за более низкой пластичности припоев, соответствующих требованиям RoHS. [3]
Проблемы механического напряжения можно решить, прикрепив устройства к плате с помощью процесса, называемого «недозаполнением». [4] который впрыскивает эпоксидную смесь под устройство после его пайки на печатную плату, эффективно приклеивая устройство BGA к печатной плате. Существует несколько типов материалов для подсыпки с разными свойствами в отношении обрабатываемости и теплопередачи. Дополнительным преимуществом недолива является то, что он ограничивает рост «усов» олова .
Другим решением проблемы несоответствующих соединений является размещение в упаковке «совместимого слоя», который позволяет шарикам физически перемещаться относительно упаковки. Этот метод стал стандартом для упаковки DRAM в корпуса BGA.
Другие методы повышения надежности корпусов на уровне платы включают использование печатных плат с низким коэффициентом расширения для керамических корпусов BGA (CBGA), промежуточных устройств между корпусом и печатной платой и повторную упаковку устройства. [4]
Сложность проверки
[ редактировать ]После того, как корпус припаян на место, найти дефекты пайки сложно. Рентгеновские аппараты, промышленные компьютерные томографы , [5] Для решения этой проблемы были разработаны специальные микроскопы и эндоскопы, позволяющие заглянуть под паяную упаковку. Если обнаружено, что BGA плохо припаян, его можно удалить на паяльной станции , которая представляет собой приспособление, оснащенное инфракрасной лампой (или горячим воздухом), термопарой и вакуумным устройством для подъема корпуса. BGA можно заменить на новый или отремонтировать (или переоборудовать ) и повторно установить на печатную плату. Предварительно настроенные шарики припоя, соответствующие рисунку массива, можно использовать для замены шариков BGA, когда необходимо переработать только один или несколько. Для больших объемов и повторяющихся лабораторных работ можно использовать вакуумный захват с трафаретной конфигурацией и размещение свободных сфер.
Из-за стоимости визуального рентгеновского контроля BGA вместо него очень часто используются электрические испытания. Очень распространенным является тестирование пограничного сканирования IEEE 1149.1 с использованием порта JTAG .
Более дешевый и простой метод контроля, хотя и разрушительный, становится все более популярным, поскольку не требует специального оборудования. Этот процесс, обычно называемый «покраска и поднятие» , включает в себя погружение всей печатной платы или только модуля, прикрепленного к BGA, в краситель , а после высыхания модуль отрывается и проверяются сломанные соединения. Если в месте пайки присутствует краситель, это свидетельствует о несовершенстве соединения. [6]
Трудности при разработке схемы
[ редактировать ]Во время разработки непрактично припаивать BGA на место, вместо них используются розетки, но они, как правило, ненадежны. Существует два распространенных типа разъемов: более надежный тип имеет пружинные штифты, которые поджимаются под шарики, но не позволяет использовать BGA со снятыми шариками, поскольку пружинные штифты могут быть слишком короткими.
Менее надежный тип — головка ЗИФ , с пружинными зажимами, захватывающими шарики. Это не очень хорошо работает, особенно если шарики маленькие. [ нужна ссылка ]
Стоимость оборудования
[ редактировать ]Для надежной пайки корпусов BGA требуется дорогостоящее оборудование; ручная пайка корпусов BGA очень сложна и ненадежна, ее можно использовать только для самых маленьких корпусов в наименьших количествах. [7] Однако, поскольку все больше микросхем стало доступно только в корпусах без выводов (например, четырехплоский корпус без выводов ) или в корпусах BGA, оплавления были разработаны различные методы своими руками с использованием недорогих источников тепла, таких как тепловые пушки , бытовые тостеры и электрические сковороды . [8]
Варианты
[ редактировать ]
- CABGA : массив шариков с решеткой из чипов
- CBGA и PBGA обозначают керамический или пластиковый материал подложки, к которому прикреплен массив.
- CTBGA : массив шариков с тонкой решеткой чипов
- CVBGA : очень тонкая решетчатая матрица из шариков.
- DSBGA : массив шариковых сеток размером с кристалл.
- FBGA : массив мелкой шариковой сетки, основанный на массива шариковых сеток технологии . Он имеет более тонкие контакты и в основном используется в «система на кристалле» ; конструкциях
также известный как решетка шариков с мелким шагом ( JEDEC -Standard [9] ) или
тонкая линия BGA от Altera . Не путать с усиленным BGA. [10] - FCmBGA : решетка из формованных шариков с перевернутой микросхемой
- LBGA : низкопрофильная решётка из шариков.
- LFBGA : низкопрофильная решетка из шариков с мелким шагом
- MBGA : сетка из микрошариков
- MCM-PBGA : многочиповый модуль с решеткой из пластиковых шариков
- nFBGA : новый массив мелкой шариковой сетки
- PBGA : решётка из пластиковых шариков.
- SuperBGA (SBGA) : сетка супершаров
- TABGA : ленточный массив BGA.
- TBGA : тонкий BGA
- TEPBGA : решетка из термически усиленных пластиковых шариков.
- TFBGA или массив тонких и мелких шариков
- UFBGA и UBGA, а также массив сверхтонких шариковых сеток на основе массива шаговых шариковых сеток.
- VFBGA : массив шариков с очень мелким шагом
- WFBGA : очень тонкий профиль шариковой решетки с мелким шагом
По сути, методы перевернутой микросхемы для установки кристаллов микросхем на держатель являются своего рода производной от конструкции BGA, где функциональный эквивалент шариков называется выступами или микровыступами. Это реализуется уже на микроскопическом уровне.
Чтобы упростить использование устройств с шариковой решеткой, в большинстве корпусов BGA шарики имеются только во внешних кольцах корпуса. оставляя самый внутренний квадрат пустым.
Intel использовала пакет, обозначенный как BGA1, для своих Pentium II и ранних мобильных процессоров Celeron . BGA2 — это пакет Intel для мобильных процессоров Pentium III и некоторых более поздних моделей Celeron. BGA2 также известен как FCBGA-479. Он заменил своего предшественника BGA1.
Например, «micro-FCBGA» (матрица с переворачивающимися шариками) — это текущая разработка Intel. [ когда? ] Метод монтажа BGA для мобильных процессоров, использующих технологию перевернутого крепления чипа . Он был представлен вместе с Coppermine Mobile Celeron. [ нужна ссылка ] Micro-FCBGA имеет 479 шариков диаметром 0,78 мм. Процессор крепится к материнской плате путем припаивания шариков к материнской плате. Он тоньше, чем гнездо с решеткой контактов, но несъемный.
479 шариков корпуса Micro-FCBGA (корпус практически идентичен корпусу micro-FCPGA с 478-контактными разъемами ) расположены в виде 6 внешних колец с шагом 1,27 мм (шаг 20 шариков на дюйм) и квадратной сеткой 26x26 с внутренняя область 14x14 пуста. [11] [12]
Приобретение
[ редактировать ]Основными конечными пользователями BGA являются производители оригинального оборудования (OEM). Среди любителей электроники также существует рынок «сделай сам» (DIY), например, набирающее популярность движение производителей . [13] В то время как OEM-производители обычно получают свои компоненты от производителя или дистрибьютора производителя, любители обычно приобретают BGA на вторичном рынке через брокеров или дистрибьюторов электронных компонентов .
См. также
[ редактировать ]- Двойной рядный пакет (DIP)
- Массив контактов (PGA)
- Земельный массив (LGA)
- Тонкая четырехъядерная плоская упаковка (TQFP)
- Малогабаритная интегральная схема (SOIC)
- Носитель чипов : упаковка чипов и список типов упаковки
- Встроенный массив шариков на уровне пластины
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Пайка 101 — базовый обзор» . Архивировано из оригинала 3 марта 2012 г. Проверено 29 декабря 2010 г.
- ^ Альфа (15 марта 2010 г.) [сентябрь 2009 г.]. «Уменьшение дефектов головы в подушке - Дефекты головы в подушке: причины и возможные решения» . 3. Архивировано из оригинала 3 декабря 2013 г. Проверено 18 июня 2018 г.
- ^ «TEERM - Активный проект TEERM - Бессвинцовая электроника NASA-DOD (Проект 2)» . Teerm.nasa.gov. Архивировано из оригинала 8 октября 2014 г. Проверено 21 марта 2014 г.
- ^ Jump up to: а б Технология полупроводников: заполнение BGA - повышение надежности паяных соединений на уровне платы, 01.12.2001
- ^ «Услуги CT — Обзор». Джесси Гарант и партнеры. 17 августа 2010 г. «Услуги промышленного компьютерного томографического сканирования – JG&A» . Архивировано из оригинала 23 сентября 2010 г. Проверено 24 ноября 2010 г.
- ^ «Покраска и очистка паяных соединений BGA» (PDF) . cascade-eng.com. 22 ноября 2013 г. Архивировано из оригинала (PDF) 16 октября 2011 г. Проверено 22 марта 2014 г.
- ^ Дас, Сантош (22 августа 2019 г.). «Пайка и ремонт BGA / Как припаять решетчатую решетку шариков» . Электроника и вы . Проверено 7 сентября 2021 г.
- ^ Учебные пособия по Sparkfun: сковорода Reflow, июль 2006 г.
- ^ Требования к проектированию — пакет шариковой решетки с мелким шагом (FBGA) DR-4.27D , jedec.org, МАРТ 2017 г.
- ^ Райан Дж. Ленг. «Секреты памяти ПК: Часть 2» . 2007.
- ^ Интел. «Мобильный процессор Intel Celeron (0,13 мкм) в корпусах Micro-FCBGA и Micro-FCPGA». Техническое описание заархивировано 18 марта 2014 г. на Wayback Machine . 2002.
- ^ «FCBGA-479 (Микро-FCBGA)» . Архивировано из оригинала 28 февраля 2021 г. Проверено 20 декабря 2011 г.
- ^ «Больше, чем просто цифровое выстегивание: движение «создателей» может изменить способ преподавания науки и стимулировать инновации. Оно может даже предвещать новую промышленную революцию» . Экономист . 3 декабря 2011 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Информация о пакете PBGA от Amkor Technology
- Информация о пакете PBGA, заархивированная 2 января 2019 г. на Wayback Machine от J-Devices Corporation.