Hoy hablaremos de algo entretenido y un poco más avanzado en cuanto a diseño de PCB: una breve introducción al encapsulado BGA. Si eres un diseñador novel, la idea de un BGA puede parecer demasiado compleja, pero es esencial para montar componentes altamente funcionales en un solo encapsulado.
Muchos componentes potentes se montan como BGA, por lo que es fundamental saber cómo trabajar con ellos en el diseño de la PCB. ¡Comencemos!
¿Qué es BGA en una placa PCB?
¿Qué significa BGA? Una matriz de bolas es generalmente un componente cuadrado, aunque puede ser rectangular, con varias bolas dispuestas en un patrón regular. Estas, o bolas de soldadura, se encuentran en la parte inferior del elemento. Durante el ensamblaje, se coloca el BGA sobre la huella, se calienta, la soldadura se funde y se adhiere a la placa.
No lo simplifiques demasiado; esa es la idea básica de estos componentes. A veces, verás bolas faltantes en el patrón, así que recuerda. Los BGA requieren huellas específicas en el diseño de tu PCB, y también debes determinar cómo enrutar las pistas en ellos.
Esto depende del tamaño de la almohadilla y del paso o distancia entre las bolas. Las BGA de paso grueso tienen pasos mayores, generalmente entre 1 mm y 5 mm, mientras que las BGA de paso fino tienen pasos inferiores a 0.5 mm.
¿Cuáles son los tipos de paquetes BGA?
Los encapsulados de matriz de rejilla de bolas (BGA) son una variedad de tecnología de montaje superficial para circuitos integrados (CI). A diferencia de los encapsulados tradicionales con pines que sobresalen por los lados, los BGA tienen bolas de soldadura directamente fijadas a su base.
Esto permite un tamaño más compacto, un mayor número de pines y un mejor rendimiento eléctrico. No obstante, existen diferentes tipos de encapsulados BGA optimizados para diversos requisitos.
Matriz de rejilla de bolas de plástico (PBGA):
Sustrato: PBGA utiliza un material laminado económico, que generalmente consiste en una resina como la bismaleimida triazina (BT).
Ensamblaje: El sustrato es donde se fija el chip (o chip BGA) boca arriba. Se conecta eléctricamente mediante cables que van del chip al sustrato. Finalmente, un molde de plástico expulsa el conjunto completo para protegerlo.
Matriz de rejilla de bolas de cinta (TBGA):
Sustrato: En lugar de laminados rígidos, los TBGA utilizan cintas delgadas y flexibles como sustrato. Esta cinta suele consistir en una película de poliimida con una capa metálica conductora grabada.
Ensamblaje: Al igual que en la caja PBGA, este chip se fija al sustrato de cinta con la cara hacia abajo. Para las conexiones, se utilizan protuberancias conductoras o soldaduras. Finalmente, las bolas de soldadura se colocan en los pads inferiores expuestos.
Matriz de bolas de cerámica en rejilla (CBGA):
Sustrato: Los CBGA emplean un sustrato cerámico, que tiene una conductividad térmica superior a la de los plásticos o las cintas. – Estas cerámicas generalmente podrían ser sustancias a base de alúmina como óxido de aluminio (Al2O3).
Ensamblaje: El chip se coloca boca arriba sobre un sustrato cerámico. Este proceso incluye una conexión de chip BGA por colapso (C4), similar a la de los PBGA. La técnica emplea la formación de pilares conductores inducida por presión. Esta técnica se incorpora para interconectar el chip con los pads del sustrato. Finalmente, se fijan bolas de soldadura a los pads metálicos expuestos en la parte inferior.
Matriz de rejilla de bolas con chip invertido (FCBGA):
Sustrato: Los FCBGA son similares a los CBGA. Sin embargo, presentan una diferencia importante: se invierte el chip y se monta directamente sobre el sustrato, es decir, con fijación boca abajo. En este caso, no se utilizó la unión por cable, lo que reduce la longitud del camino eléctrico y mejora la integridad de la señal.
Montaje: El material de relleno se utiliza tanto para el soporte mecánico de la matriz sobre el sustrato como para la protección contra la humedad. Las bolas de soldadura se fijan a las almohadillas metálicas expuestas en la parte inferior de la matriz.
Matriz de rejilla de microbolas (MBGA):
Sustrato: Los MBGA emplean un sustrato significativamente reducido y diminuto, generalmente hecho de película de poliimida, similar a los TBGA. El tamaño del encapsulado es el mismo que el de la matriz, con una huella ultraminiatura.
Ensamblaje: Se utiliza una protuberancia o soldadura conductora para fijar el chip boca abajo sobre el sustrato de la cinta. Como resultado, los ensambles tienen pasos de bola estrechos (espaciado entre bolas de soldadura), lo que requiere técnicas de ensamblaje precisas.
Beneficios: Los MBGA tienen el tamaño de paquete más pequeño posible y, por lo tanto, se pueden aplicar en dispositivos muy miniatura, como teléfonos móviles y dispositivos portátiles.
Desventajas: La miniaturización y los espacios reducidos entre las bolas hacen que sea difícil manipular o ensamblar estos BGA.
Matriz de rejilla de bolas de paso fino (FBGA)
El sustrato de los FBGA, que normalmente están hechos del mismo material que los PBGA y CBGA, que son sustratos laminados o cerámicos, tiene un factor diferenciador en su paso de bola de soldadura.
Ensamblaje: El ensamblaje de FBGA es similar al de otros tipos de BGA, pero estos tienen una separación mucho menor entre las bolas (es decir, los pasos de las bolas de soldadura). Esto permite colocar muchos pines en un área limitada.
Ventajas: Los FBGA son una excelente opción para diseñadores que buscan un equilibrio entre encapsulados pequeños y un alto número de pines. Funcionan bien en aplicaciones que requieren muchas conexiones en un espacio limitado.
Desventajas: Para lograr un paso tan fino, los métodos de fabricación y ensamblaje de estos componentes deben ser precisos. Por lo tanto, el coste es mayor que el de los encapsulados BGA convencionales, lo que dificulta la inspección o la reelaboración debido al reducido espacio entre ellos.
Matriz de rejilla de bolas mejorada térmicamente (TEBGA):
Sustrato: Los materiales empleados en los TEBGA varían desde laminados hasta mezclas cerámicas. Una diferencia notable es la inclusión de estructuras adicionales de disipación térmica.
Ensamblaje: Los procesos de fabricación pueden variar según el tipo de TEBGA; sin embargo, la mayoría de los diseños implican el uso de capas de cobre más gruesas sobre los sustratos para una mejor distribución del calor o la colocación de placas disipadoras de calor sobre los paquetes.
Ventajas y desventajas de BGA
Ventajas de los paquetes BGA:
Huella más pequeña: El encapsulado BGA elimina la necesidad de pines salientes en comparación con los encapsulados tradicionales con terminales. Permite un diseño más compacto para dispositivos electrónicos BGA miniaturizados, como teléfonos inteligentes y portátiles.
Mayor número de pines: Las bolas de soldadura en los BGA se distribuyen por toda la base del encapsulado, lo que permite un mayor número de conexiones. Estos chips BGA son necesarios porque tienen múltiples entradas y salidas, por lo que requieren numerosas conexiones de entrada y salida.
Rendimiento eléctrico mejorado: Una mejor integridad de la señal y mayores velocidades de operación se obtienen gracias a una longitud de trayectoria eléctrica más corta. Esto ocurre entre el chip BGA y la placa de circuito impreso (PCB) gracias a la conexión directa de las bolas de soldadura. Esto es especialmente útil en aplicaciones de alta frecuencia.
Disipación de calor mejorada: Dependiendo de su tipo, algunos BGA ofrecen un rendimiento térmico mejorado. Por ejemplo, los materiales utilizados en los BGA cerámicos (CBGA) y los BGA térmicamente mejorados (TEBGA) permiten la transferencia de calor del chip a la PCB, lo que previene el sobrecalentamiento.
Inductancia más baja: El diseño de bola de soldadura BGA presenta una inductancia general menor que los encapsulados con plomo. En circuitos de alta frecuencia, esto reduce la distorsión de la señal, mejorando así el rendimiento del sistema.
Desventajas de los paquetes BGA:
Complejidad de fabricación: A diferencia de los encapsulados tradicionales, el proceso de encapsulado BGA, especialmente cuando se utilizan bolas de paso fino o funciones complejas de gestión térmica, requiere mayor control. Sería útil contar con equipos sofisticados durante el ensamblaje. Esto también incrementa los costos de fabricación.
Desafíos de la inspección y la reelaboración: La inspección visual de las juntas de soldadura del encapsulado BGA es compleja, ya que se encuentran debajo del encapsulado. Esto también implica retrabajo o reparación, ya que desoldar componentes BGA defectuosos es más complicado que cambiar piezas con plomo.
Susceptibilidad al estrés: La expansión térmica y la vibración generan tensión mecánica en los BGA. Si no se diseñan y ensamblan correctamente, podrían fallar las uniones soldadas.
Reutilizabilidad limitada: Generalmente, una vez soldadas las BGA a una PCB, no se pueden retirar ni reutilizar fácilmente. Esto supone una desventaja cuando se requiere el reemplazo frecuente de componentes, por ejemplo, durante el proceso de prototipado.
Preocupaciones ambientales: Algunos encapsulados BGA, en particular los más antiguos, contienen plomo en las bolas de soldadura. Por otro lado, las preocupaciones ambientales han impulsado el desarrollo de soldaduras sin plomo, que presentan desafíos como temperaturas de fusión más altas y la posibilidad de fragilidad en las uniones soldadas, lo que tiene implicaciones en el comportamiento mecánico de estos materiales.
Inspección de calidad de BGA de PCBasic
PCBasic ofrece un servicio completo de ensamblaje de PCB que incluye piezas BGA. Es probable que la inspección por rayos X también se utilice como parte de sus medidas de control de calidad para verificar la correcta formación de las juntas de soldadura BGA.
La inspección por rayos X revela defectos en las interconexiones BGA, como huecos, grietas o soldadura insuficiente. De esta manera, se pueden evitar tempranamente problemas como estos, que podrían provocar fallos en las conexiones eléctricas y el no funcionamiento del ensamblaje final.
Consejos de diseño de PCB para el uso de encapsulados de matriz de rejilla de bolas (BGA)
Diseño de huella:
Precisión: Asegúrese de fijar correctamente la huella del encapsulado BGA en el diseño de su PCB. Debe seguir las especificaciones de la hoja de datos del fabricante. Esto incluye la distancia entre las bolas de soldadura, el diámetro del pad y el tamaño de la abertura de la plantilla.
Máscara de soldadura: Define una abertura de máscara de soldadura ligeramente más pequeña que la almohadilla de la bola de soldadura. Las máscaras de soldadura evitan el derrame de soldadura durante el ensamblaje.
Diseño de la plantilla: Colabore con el fabricante de su PCB para determinar el grosor adecuado de la plantilla. Posteriormente, determine el tamaño de la abertura para una correcta deposición de la pasta de soldadura.
Vías de alivio térmico: Considere usar vías de alivio térmico alrededor de los pads BGA. Esto mejorará la disipación de calor del encapsulado.
Apilamiento de capas:
Integridad de la señal: Seleccione una configuración de capas adecuada con suficientes capas de señal y perfiles de impedancia controlados para señales de alta velocidad a fin de mantener la integridad de la señal. Al enrutar los BGA, suele ser necesaria una planificación cuidadosa para evitar diafonías y reflexiones de la señal.
Planos de tierra y alimentación: proporciona planos de tierra y alimentación separados para un suministro de energía estable y reducción de ruido, especialmente cuando se trabaja con BGA de alta potencia.
Gestión de vías: Coloque las vías estratégicamente para minimizar la longitud del recorrido de la señal y evitar la congestión debajo del BGA. La tecnología de vías en almohadilla es una opción razonable para un enrutamiento eficiente desde el BGA a las capas internas.
Estrategias de enrutamiento:
Patrón de abanico de salida: Se debe utilizar un patrón de abanico de salida controlado al pasar de esferas BGA de paso fino a pistas más anchas en la capa superficial de la PCB. Algunos ejemplos son las formas de hueso de perro o lágrima, que son comunes.
Enrutamiento de escape: Planifique eficientemente las rutas de enrutamiento de escape para las señales del paquete BGA. Generalmente, implica priorizar las señales críticas y asignar canales de enrutamiento según su función y asignación de capas.
Consideraciones de alta velocidad: para señales de alta velocidad, asegúrese de que no haya discontinuidad de impedancia dentro de la ruta de enrutamiento manteniendo una impedancia constante en ella, minimizando las curvas cerradas o los desajustes de longitud; considere usar técnicas de enrutamiento diferencial para pares diferenciales críticos.
Diseño para la Manufacturabilidad (DFM):
Ubicación de los componentes: los componentes deben ubicarse estratégicamente en la placa para evitar obstruir la inspección por rayos X y permitir espacios de enrutamiento suficientes alrededor del BGA.
Diseño de plantilla: asegúrese de que el fabricante de su PCB verifique el diseño de su plantilla para garantizar que deposite la pasta de soldadura correctamente para todas las almohadillas BGA.
Ensamblaje: El tamaño y el paso del encapsulado BGA deben tenerse en cuenta al diseñar la PCB para procesos de ensamblaje automatizados. También debe haber suficiente espacio para el equipo de recogida y colocación y la correcta manipulación de los componentes.
Diseño para la capacidad de prueba (DFT):
Puntos de prueba: Se deben incluir puntos de prueba dedicados para las señales BGA para pruebas eléctricas después del ensamblaje.
Escaneo de límites (JTAG): si está disponible en el BGA, utilice las capacidades de escaneo de límites (JTAG), lo que permite realizar pruebas en circuito y detección de fallas.
Conclusión
Al enrutar en un encapsulado BGA, es fundamental contar las capas de señal necesarias e intercalarlas con capas planas para controlar la impedancia. A medida que los pasos se reducen, el tamaño de los pads y las vías debe reducirse, y eventualmente se requieren microvías o técnicas de vía en pad. Consulte siempre las hojas de datos y consulte con su fabricante para obtener recomendaciones sobre el tamaño de los pads y las aberturas de la máscara de soldadura.
