Was sind Ball Grid Array (BGA)-Pakete?

Heute sprechen wir über etwas Interessantes und Fortgeschritteneres im PCB-Layout: eine kurze Einführung in das BGA-Gehäuse. Für unerfahrene Designer mag das Konzept eines BGAs etwas komplex erscheinen, doch es ist unerlässlich für die Montage hochfunktionaler Komponenten in einem einzigen Gehäuse.

Viele leistungsstarke Komponenten werden als BGAs montiert. Daher ist es wichtig zu wissen, wie man sie im PCB-Layout einsetzt. Lassen Sie uns genauer hinschauen.

Was ist BGA auf einer Leiterplatte?

Was bedeutet BGA? Ein Ball Grid Array ist in der Regel ein quadratisches, aber auch rechteckiges Bauteil mit regelmäßig angeordneten Kugeln. Diese oder Lötkugeln befinden sich auf der Unterseite des Elements. Bei der Montage wird das BGA auf den Footprint gelegt, erhitzt, das Lot schmilzt und das Bauteil haftet an der Platine.

Vereinfachen Sie es nicht zu sehr; das ist die Grundidee dieser Komponenten. Manchmal fehlen Kugeln im Muster, also denken Sie daran. BGAs benötigen spezifische Footprints in Ihrem PCB-Layout, und Sie müssen auch festlegen, wie die Leiterbahnen dorthin verlegt werden.

Dies hängt von der Padgröße und dem Abstand bzw. der Distanz zwischen den Kugeln ab. BGAs mit grobem Pitch haben größere Abstände, typischerweise etwa 1 mm bis 5 mm, während BGAs mit feinem Pitch Abstände von weniger als 0.5 mm haben.

Welche Arten von BGA-Paketen gibt es?

Ball Grid Array (BGA)-Gehäuse sind eine Variante der Oberflächenmontagetechnologie für integrierte Schaltkreise (IC). Im Gegensatz zu herkömmlichen Gehäusen mit seitlich hervorstehenden Pins sind bei BGAs die Lötkugeln direkt an der Unterseite befestigt.

Dies ermöglicht einen geringeren Platzbedarf, eine höhere Pin-Anzahl und eine bessere elektrische Leistung. Dennoch gibt es verschiedene Arten von BGA-Paketen, die für unterschiedliche Anforderungen optimiert sind.

Kunststoff-Ball-Grid-Array (PBGA):

Substrat: PBGA verwendet ein kostengünstiges Laminatmaterial, das typischerweise aus einem Harz wie Bismaleimidtriazin (BT) besteht.

Montage: Auf dem Substrat wird der Chip (oder BGA-Chip) mit der Vorderseite nach oben befestigt. Die elektrische Verbindung erfolgt über Drähte, die den Chip mit dem Substrat verbinden. Abschließend wird die gesamte Baugruppe durch eine Kunststoffform geschützt.

Tape Ball Grid Array (TBGA):

Substrat: Anstelle starrer Laminate verwenden TBGAs dünne, flexible Bänder als Substrate. Dieses Band besteht häufig aus Polyimidfolie mit einer geätzten leitfähigen Metallschicht.

Montage: Wie beim PBGA wird dieser Chip mit der Vorderseite nach unten auf dem Bandsubstrat befestigt. Für die Verbindungen werden leitfähige Bumps oder Lote verwendet. Die freiliegenden unteren Pads werden schließlich mit Lotkugeln bestückt.

Keramik-Kugelgitteranordnung (CBGA):

Substrat: CBGAs verwenden ein Keramiksubstrat, das eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweist als Kunststoffe oder Bänder - Bei diesen Keramiken handelt es sich üblicherweise um aluminiumoxidbasierte Substanzen wie Aluminiumoxid (Al2O3).

Montage: Der Chip wird mit der Vorderseite nach oben auf ein Keramiksubstrat gelegt. Dieser Prozess beinhaltet eine Collapse-BGA-Chip-Verbindung (C4), ähnlich wie bei PBGAs. Die Technik nutzt die druckinduzierte Bildung leitfähiger Säulen. Diese Technik dient der Verbindung des Chips mit Substratpads. Abschließend werden Lötkugeln an den freiliegenden Metallpads an der Unterseite angebracht.

Flip-Chip Ball Grid Array (FCBGA):

Substrat: FCBGAs ähneln CBGAs. Sie weisen jedoch einen wesentlichen Unterschied auf. Der Chip wird umgedreht und direkt auf dem Substrat montiert, d. h. mit der Vorderseite nach unten. Drahtbonden wurde in diesem Fall nicht verwendet, wodurch die elektrische Pfadlänge verkürzt und die Signalintegrität verbessert wurde.

Montage: Das Unterfüllmaterial dient sowohl der mechanischen Unterstützung des Chips auf dem Substrat als auch dem Feuchtigkeitsschutz. Lötkugeln werden dann an den freiliegenden Metallpads auf der Unterseite des Chips befestigt.

Mikro-Ball-Grid-Array (MBGA):

Substrat: MBGAs verwenden ein deutlich verkleinertes und winziges Substrat, das üblicherweise aus Polyimidfolie besteht, ähnlich wie bei TBGAs. Die Gehäusegröße entspricht der des Chips, mit ultrakleiner Grundfläche.

Montage: Der Chip wird mit einem leitfähigen Bump oder Lot mit der Vorderseite nach unten auf dem Bandsubstrat befestigt. Dadurch weisen die Baugruppen enge Lötkugelabstände auf, was präzise Montagetechniken erfordert.

Vorteile: MBGAs haben die kleinstmögliche Paketgröße und können daher in sehr kleinen Geräten wie Mobiltelefonen und tragbaren Gadgets eingesetzt werden.

Nachteile: Aufgrund der Miniaturisierung und der engen Abstände zwischen den Kugeln sind diese BGAs schwierig zu handhaben oder zu montieren.

Ball Grid Array (FBGA) mit feinem Rastermaß

Das Substrat von FBGAs, das normalerweise aus dem gleichen Material wie PBGAs und CBGAs besteht, bei denen es sich um Laminat- oder Keramiksubstrate handelt, weist einen Unterscheidungsfaktor im Lötkugelabstand auf.

Montage: Die FBGA-Montage ist wie bei anderen BGA-Typen, hat aber einen viel kleineren Abstand zwischen den Lötkugeln, d. h. Lötkugelabstände. So können Sie viele Pins auf einer begrenzten Fläche platzieren.

Vorteile: FBGAs sind eine ausgezeichnete Wahl für Entwickler, die kleine Gehäusegrößen und eine hohe Pin-Anzahl miteinander vereinbaren müssen. Sie eignen sich gut für Anwendungen, die viele Anschlüsse auf begrenztem Raum erfordern.

Nachteile: Um einen so feinen Abstand zu erreichen, müssen die Herstellungs- und Montagemethoden dieser Komponenten präzise sein. Dadurch entstehen im Vergleich zu herkömmlichen BGA-Gehäusen höhere Kosten, was die Inspektion oder Nacharbeit aufgrund der geringen Abstände erschwert.

Thermisch verbessertes Ball Grid Array (TEBGA):

Substrat: Die in TEBGAs verwendeten Materialien reichen von Laminaten bis hin zu Keramikmischungen. Ein bemerkenswerter Unterschied ist die Integration zusätzlicher Wärmeableitungsstrukturen.

Montage: Die Herstellungsverfahren können je nach TEBGA-Typ unterschiedlich sein. Die meisten Designs beinhalten jedoch die Verwendung dickerer Kupferschichten auf Substraten zur besseren Wärmeverteilung oder die Platzierung von Wärmeverteilerplatten über den Paketen.

Vor- und Nachteile von BGA

Vorteile von BGA-Paketen:

Geringerer Platzbedarf: Das BGA-Gehäuse macht im Vergleich zu herkömmlichen bedrahteten Gehäusen hervorstehende Pins überflüssig. Es ermöglicht ein kompakteres Design für miniaturisierte BGA-Elektronik wie Smartphones und Laptops.

Höhere Pin-Anzahl: Die Lötkugeln in BGAs sind über die gesamte Gehäuseunterseite verteilt und bieten daher Platz für deutlich mehr Anschlüsse. Solche BGA-Chips sind notwendig, da sie über mehrere Ein- und Ausgänge verfügen und daher viele Ein- und Ausgangsverbindungen benötigen.

Verbesserte elektrische Leistung: Eine kürzere elektrische Pfadlänge ermöglicht eine bessere Signalintegrität und höhere Betriebsgeschwindigkeiten. Diese entsteht zwischen Chip (BGA-Chip) und Leiterplatte (PCB) durch die direkt verbundenen Lötkugeln. Dies ist besonders bei Hochfrequenzanwendungen nützlich.

Verbesserte Wärmeableitung: Je nach Typ verfügen einige BGAs über eine verbesserte Wärmeleistung. Beispielsweise werden Materialien von keramischen BGAs (CBGAs) und thermisch verbesserten BGAs (TEBGAs) verwendet. Dies ermöglicht die Wärmeübertragung vom Chip zur Leiterplatte und verhindert so eine Überhitzung.

Niedrigere Induktivität: Das BGA-Lötkugel-Layout weist eine geringere Gesamtinduktivität auf als bedrahtete Gehäuse. Bei Hochfrequenzschaltungen verringert dies die Signalverzerrung und verbessert somit die Systemleistung.

Nachteile von BGA-Paketen:

Komplexität der Herstellung: Im Gegensatz zu herkömmlichen bedrahteten Gehäusen erfordert der BGA-Verpackungsprozess, insbesondere bei Fine-Pitch-Bällen oder komplexen Wärmemanagementfunktionen, mehr Kontrolle. Anspruchsvolle Geräte für die Montage sind daher von Vorteil. Dies erhöht jedoch auch die Herstellungskosten.

Herausforderungen bei Inspektion und Nacharbeit: Die visuelle Prüfung der Lötstellen von BGA-Gehäusen ist aufwendig, da sie sich unter dem Gehäuse befinden. Dies erfordert Nacharbeit oder Reparatur, da das Auslöten fehlerhafter BGA-Komponenten aufwändiger ist als der Austausch bedrahteter Bauteile.

Stressanfälligkeit: Wärmeausdehnung und Vibration führen zu mechanischer Belastung der BGAs. Bei unsachgemäßer Konstruktion und Montage kann es zu Schäden an den Lötstellen kommen.  

Begrenzte Wiederverwendbarkeit: Sobald BGAs auf eine Leiterplatte gelötet sind, lassen sie sich in der Regel nicht einfach entfernen und wiederverwenden. Dies ist ein Nachteil, wenn beispielsweise während des Prototyping-Prozesses ein häufiger Komponentenaustausch erforderlich sein kann.

Umweltsorgen: Einige BGA-Gehäuse, insbesondere ältere Typen, enthalten Blei in den Lötkugeln. Andererseits haben Umweltbedenken zur Entwicklung bleifreier Lote geführt, die jedoch mit Herausforderungen wie höheren Schmelztemperaturen und der Möglichkeit einer Versprödung der Lötstellen einhergehen, was wiederum Auswirkungen auf das mechanische Verhalten dieser Materialien hat.

PCBasics Qualitätsprüfung von BGA

PCBasic bietet einen kompletten PCB-Montageservice, einschließlich BGA-Bauteilen. Röntgeninspektionen werden häufig auch als Teil der Qualitätssicherung eingesetzt, um die korrekte Bildung der BGA-Lötstellen zu überprüfen.

Die Röntgeninspektion deckt Defekte in den BGA-Verbindungen auf, wie beispielsweise Hohlräume, Risse oder unzureichende Lötstellen. Dadurch können derartige Probleme frühzeitig vermieden werden, die zu Fehlern in den elektrischen Verbindungen und zum Ausfall der Endmontage führen können.

PCB-Designtipps für die Verwendung von Ball Grid Array (BGA)-Paketen

Fußabdruck-Design:

Genauigkeit: Achten Sie darauf, den BGA-Gehäuse-Footprint auf Ihrem PCB-Layout korrekt zu fixieren. Beachten Sie die Angaben im Datenblatt des Herstellers. Dazu gehören Lötkugelabstand (Abstand zwischen den Kugeln), Paddurchmesser und Schablonenöffnungsgröße.

Lötmaske: Definieren Sie eine Lötmaskenöffnung, die etwas kleiner als das Lötkugelpad ist. Lötmasken verhindern das Überlaufen von Lot während der Montage.

Schablonendesign: Bestimmen Sie gemeinsam mit Ihrem Leiterplattenhersteller die geeignete Schablonendicke und anschließend die Öffnungsgröße für die korrekte Auftragung der Lötpaste.

Wärmeableitungslöcher: Erwägen Sie die Verwendung von Wärmeableitungslöchern um BGA-Pads. Dies verbessert die Wärmeableitung vom Gehäuse.

Ebenenstapel:

Signalintegrität: Wählen Sie einen geeigneten Lagenaufbau mit ausreichend Signalschichten und kontrollierten Impedanzprofilen für Hochgeschwindigkeitssignale, um die Signalintegrität zu gewährleisten. Beim Routing von BGAs ist oft eine sorgfältige Planung erforderlich, um Signalübersprechen und -reflexionen zu vermeiden.

Strom- und Masseflächen: Sorgen Sie für separate Strom- und Masseflächen für eine stabile Stromversorgung und Rauschunterdrückung, insbesondere beim Umgang mit Hochleistungs-BGAs.

Via-Management: Platzieren Sie Vias strategisch, um die Signalweglänge zu minimieren und gleichzeitig Staus unter dem BGA zu vermeiden. Die Via-in-Pad-Technologie ist eine sinnvolle Überlegung für ein effizientes Routing vom BGA zu den inneren Lagen.

Routing-Strategien:

Fanout-Muster: Beim Übergang von BGA-Kugeln mit feinem Pitch zu breiteren Leiterbahnen auf der Oberflächenschicht der Leiterplatte sollte ein kontrolliertes Fanout-Muster verwendet werden. Beispiele hierfür sind häufig verwendete Hundeknochen- oder Tropfenformen.

Fluchtweg-Routing: Planen Sie Fluchtweg-Routingpfade für BGA-Gehäusesignale effizient. Dabei werden kritische Signale priorisiert und Routing-Kanäle entsprechend ihrer Funktion und Lagenzuordnung zugewiesen.

Überlegungen zu Hochgeschwindigkeit: Stellen Sie bei Hochgeschwindigkeitssignalen sicher, dass es innerhalb des Routing-Pfades keine Impedanzdiskontinuität gibt, indem Sie eine konstante Impedanz über den gesamten Pfad aufrechterhalten und scharfe Biegungen oder Längenunterschiede minimieren. Erwägen Sie den Einsatz von differenziellen Routing-Techniken für kritische Differenzialpaare.

Design for Manufacturability (DFM):

Platzierung der Komponenten: Die Komponenten sollten strategisch auf der Platine platziert werden, um eine Behinderung der Röntgenprüfung zu vermeiden und um ausreichend Platz für die Verlegung um das BGA herum zu gewährleisten.

Schablonendesign: Stellen Sie sicher, dass Ihr Leiterplattenhersteller Ihr Schablonendesign überprüft, um sicherzustellen, dass die Lötpaste für alle BGA-Pads ordnungsgemäß aufgetragen wird.

Bestückung: Größe und Rastermaß des BGA-Gehäuses müssen bei der Entwicklung der Leiterplatte für automatisierte Bestückungsprozesse berücksichtigt werden. Außerdem sollte ausreichend Platz für Pick-and-Place-Geräte und die ordnungsgemäße Handhabung der Komponenten vorhanden sein.

Design für Testbarkeit (DFT):

Testpunkte: Für elektrische Tests nach der Montage sollten dedizierte Testpunkte für BGA-Signale vorhanden sein.

Boundary Scan (JTAG): Verwenden Sie, sofern im BGA verfügbar, die Boundary Scan (JTAG)-Funktionen, die In-Circuit-Tests und Fehlererkennung ermöglichen.

Fazit

Beim Routing in ein BGA-Gehäuse ist es wichtig, die Anzahl der benötigten Signallagen zu ermitteln und diese mit Planlagen zu verschachteln, um die Impedanz zu kontrollieren. Mit zunehmender Rasterweite müssen die Pad- und Via-Größen kleiner werden, und schließlich sind Mikrovias oder Via-in-Pad-Techniken erforderlich. Beachten Sie stets die Datenblätter und wenden Sie sich an Ihren Hersteller, um Empfehlungen zu Pad-Größen und Lötstoppmaskenöffnungen zu erhalten.