बॉल ग्रिड ऐरे (BGA) पैकेज क्या है?

आज, हम PCB लेआउट के मामले में कुछ मज़ेदार और थोड़ा ज़्यादा उन्नत विषय पर बात करेंगे: BGA पैकेज का एक संक्षिप्त परिचय। यदि आप एक नए डिज़ाइनर हैं, तो BGA का विचार अत्यधिक जटिल लग सकता है, लेकिन यह एक ही पैकेज में अत्यधिक कार्यात्मक घटकों को माउंट करने के लिए आवश्यक है।

कई शक्तिशाली घटक BGA के रूप में माउंट किए जाते हैं, इसलिए यह जानना आवश्यक है कि आपके PCB लेआउट में उनके साथ कैसे काम किया जाए। आइये इस पर चर्चा करते हैं।

पीसीबी बोर्ड पर BGA क्या है?

BGA का क्या अर्थ है? तो, एक बॉल ग्रिड ऐरे आम तौर पर एक चौकोर आकार का घटक होता है, हालांकि यह आयताकार भी हो सकता है, जिसमें विभिन्न बॉल एक नियमित पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं। ये या सोल्डर बॉल तत्व के तल पर होते हैं। असेंबली के दौरान, आप BGA को फ़ुटप्रिंट पर रखते हैं, इसे गर्म करते हैं, सोल्डर पिघलता है, और यह बोर्ड से चिपक जाता है।

इसे अधिक सरल बनाने से बचें; यही इन घटकों के पीछे मूल विचार है। कभी-कभी, आपको पैटर्न में गायब गेंदें दिखाई देंगी, इसलिए याद रखें। BGA को आपके PCB लेआउट में विशिष्ट पदचिह्नों की आवश्यकता होती है, और आपको यह भी निर्धारित करना होगा कि उनमें ट्रेस को कैसे रूट किया जाए।

यह पैड के आकार और गेंदों के बीच की पिच या दूरी पर निर्भर करता है। मोटे पिच वाले BGA में बड़ी पिच होती है, आमतौर पर लगभग 1 मिमी से 5 मिमी, जबकि बारीक पिच वाले BGA में 0.5 मिमी से कम पिच होती है।

बीजीए पैकेज के प्रकार क्या हैं?

बॉल ग्रिड ऐरे (BGA) पैकेज एकीकृत सर्किट (IC) के लिए सरफेस माउंट तकनीक का एक प्रकार है। किनारों से बाहर निकलने वाले पिन वाले पारंपरिक पैकेजों के विपरीत, BGA में सीधे उनके निचले हिस्से से जुड़ी सोल्डर बॉल होती हैं।

इससे छोटे पदचिह्न, अधिक पिन संख्या और बेहतर विद्युत प्रदर्शन संभव होता है। फिर भी, विभिन्न आवश्यकताओं के लिए अनुकूलित BGA पैकेज के विभिन्न प्रकार हैं।

प्लास्टिक बॉल ग्रिड ऐरे (PBGA):

सब्सट्रेट: पीबीजीए एक किफायती लेमिनेट सामग्री का उपयोग करता है, जिसमें आमतौर पर बिस्मेलेइमाइड ट्राइएज़ीन (बीटी) जैसे रेजिन शामिल होते हैं।

असेंबली: सब्सट्रेट वह जगह है जहाँ डाई (या बीजीए चिप) को ऊपर की ओर लगाया जाता है। यह डाई से सब्सट्रेट तक जुड़े तारों के माध्यम से विद्युत रूप से जुड़ा होता है। अंत में, एक प्लास्टिक मोल्ड इसे बचाने के लिए पूरी असेंबली को बाहर निकालता है।

टेप बॉल ग्रिड ऐरे (टीबीजीए):

सब्सट्रेट: कठोर लेमिनेट के बजाय, TBGAs सब्सट्रेट के रूप में पतले, लचीले टेप का उपयोग करते हैं। इस टेप में अक्सर एक नक्काशीदार प्रवाहकीय धातु परत के साथ पॉलीइमाइड फिल्म होती है।

असेंबली: PBGA केस की तरह, यह डाई टेप सब्सट्रेट से नीचे की ओर मुंह करके जुड़ी होती है। कनेक्शन के लिए, वे कंडक्टिव बंप या सोल्डर का इस्तेमाल करते हैं। अंत में, सोल्डर बॉल्स खुले हुए निचले पैड पर भर जाती हैं।

सिरेमिक बॉल ग्रिड ऐरे (सीबीजीए):

सब्सट्रेट: सीबीजीए में सिरेमिक सब्सट्रेट का उपयोग किया जाता है, जिसमें प्लास्टिक या टेप की तुलना में बेहतर तापीय चालकता होती है - ये सिरेमिक आमतौर पर एल्युमिना-आधारित पदार्थ जैसे एल्युमिनियम ऑक्साइड (Al2O3) हो सकते हैं।

असेंबली: डाई को सिरेमिक सब्सट्रेट पर ऊपर की ओर रखा जाता है। इस प्रक्रिया में PBGAs के समान BGA चिप कनेक्शन (C4) को ढहाना शामिल है। इस तकनीक में दबाव-प्रेरित प्रवाहकीय स्तंभों का निर्माण किया जाता है। इस तकनीक को डाई को सब्सट्रेट पैड से जोड़ने के लिए शामिल किया गया है। अंत में, सोल्डर बॉल्स को नीचे की ओर उजागर धातु पैड से जोड़ा जाता है।

फ्लिप-चिप बॉल ग्रिड ऐरे (FCBGA):

सब्सट्रेट: FCBGAs CBGAs के समान हैं। हालाँकि, उनमें एक प्रमुख अंतर है। इसमें डाई को पलटना और सीधे सब्सट्रेट पर माउंट करना शामिल है, यानी, फेस-डाउन अटैचमेंट। इस मामले में वायर बॉन्डिंग का उपयोग नहीं किया गया था, जिससे विद्युत पथ की लंबाई कम हो गई और सिग्नल अखंडता में सुधार हुआ।

असेंबली: अंडरफिल सामग्री का उपयोग सब्सट्रेट पर डाई के यांत्रिक समर्थन और नमी संरक्षण दोनों के लिए किया जाता है। फिर सोल्डर बॉल्स को डाई के निचले हिस्से में उजागर धातु पैड से जोड़ा जाता है।

माइक्रो बॉल ग्रिड ऐरे (एमबीजीए):

सब्सट्रेट: एमबीजीए में काफी छोटा और छोटा सब्सट्रेट इस्तेमाल किया जाता है, जो आमतौर पर टीबीजीए के समान पॉलीइमाइड फिल्म से बना होता है। पैकेज का आकार डाई के समान ही होता है, जिसमें अल्ट्रा-मिनिएचर फुटप्रिंट होता है।

असेंबली: डाई को टेप सब्सट्रेट पर नीचे की ओर लगाने के लिए एक कंडक्टिव बम्प या सोल्डर का उपयोग किया जाता है। परिणामस्वरूप, असेंबली में बॉल पिच (सोल्डर बॉल स्पेसिंग) टाइट होती है, जिसके लिए सटीक असेंबली तकनीक की आवश्यकता होती है।

लाभ: एमबीजीए सबसे छोटे पैकेज आकार के होते हैं, इसलिए इन्हें मोबाइल फोन और पहनने योग्य गैजेट जैसे अत्यंत छोटे उपकरणों में लगाया जा सकता है।

कमियां: गेंदों के बीच छोटा आकार और तंग पिच इन BGAs को संभालना या संयोजन करना चुनौतीपूर्ण बनाते हैं।

फाइन-पिच बॉल ग्रिड ऐरे (FBGA)

एफबीजीए का सब्सट्रेट, जो आमतौर पर पीबीजीए और सीबीजीए के समान सामग्री से बना होता है, जो लेमिनेट या सिरेमिक सब्सट्रेट होते हैं, उनके सोल्डर बॉल पिच में एक विभेदक कारक होता है।

असेंबली: FBGA असेंबली अन्य BGA प्रकारों की तरह ही होती है, लेकिन इनमें बॉल्स के बीच बहुत कम स्पेस होता है, यानी सोल्डर बॉल पिच। इसलिए आप सीमित क्षेत्र में कई पिन रख सकते हैं।

लाभ: FBGAs छोटे पैकेज आकार और उच्च पिन गिनती को संतुलित करने वाले डिजाइनरों के लिए एक उत्कृष्ट विकल्प हैं। वे सीमित स्थान के भीतर कई कनेक्शन की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों में अच्छी तरह से काम करते हैं।

नुकसान: ऐसी बेहतरीन पिच प्राप्त करने के लिए, इन घटकों के निर्माण और संयोजन के तरीके सटीक होने चाहिए। इस प्रकार, नियमित BGA पैकेजों की तुलना में लागत बढ़ जाती है, जिससे इसमें शामिल तंग स्पेस के कारण निरीक्षण या पुनः कार्य करना समस्याग्रस्त हो जाता है।

थर्मली एन्हांस्ड बॉल ग्रिड ऐरे (TEBGA):

सब्सट्रेट: TEBGA में इस्तेमाल की जाने वाली सामग्री लैमिनेट से लेकर सिरेमिक मिश्रित तक होती है। एक उल्लेखनीय अंतर अतिरिक्त गर्मी अपव्यय संरचनाओं का समावेश है।

संयोजन: TEBGA के प्रकार के आधार पर विनिर्माण प्रक्रियाएं भिन्न हो सकती हैं; हालांकि, अधिकांश डिजाइनों में बेहतर ताप प्रसार के लिए सब्सट्रेट पर मोटी तांबे की परतों का उपयोग करना या पैकेजों के ऊपर ताप प्रसारक प्लेट लगाना शामिल होता है।

बीजीए के लाभ और नुकसान

बीजीए पैकेज के लाभ:

छोटा पदचिह्न: BGA पैकेज पारंपरिक लीडेड पैकेज की तुलना में उभरे हुए पिन की आवश्यकता को समाप्त करता है। यह स्मार्टफ़ोन और लैपटॉप जैसे छोटे आकार के BGA इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए अधिक कॉम्पैक्ट डिज़ाइन की अनुमति देता है।

उच्च पिन गणना: BGA में सोल्डर बॉल पैकेज के पूरे निचले हिस्से में फैले होते हैं; इसलिए, वे कई और कनेक्शनों को समायोजित कर सकते हैं। ऐसे BGA चिप्स का होना ज़रूरी है क्योंकि उनमें कई इनपुट और आउटपुट होते हैं, इसलिए कई इनपुट-आउटपुट कनेक्शन की ज़रूरत होती है।

बेहतर विद्युत प्रदर्शन: बेहतर सिग्नल अखंडता और उच्च परिचालन गति कम विद्युत पथ लंबाई के परिणामस्वरूप होती है। यह डाई (BGA चिप) और PCB (प्रिंटेड सर्किट बोर्ड) के बीच सीधे जुड़ने वाले सोल्डर बॉल के कारण होता है। यह विशेष रूप से उच्च आवृत्ति अनुप्रयोगों में उपयोगी है।

उन्नत ताप अपव्यय: उनके प्रकार के आधार पर, कुछ BGAs ने थर्मल प्रदर्शन में सुधार किया है। उदाहरण के लिए, सिरेमिक BGAs (CBGAs) और थर्मली एन्हांस्ड BGAs (TEBGAs) द्वारा सामग्री का उपयोग किया जाता है। यह डाई से PCB तक गर्मी हस्तांतरण की अनुमति देता है, जिसके परिणामस्वरूप ओवरहीटिंग को रोका जा सकता है।

निम्न प्रेरण: BGA सोल्डर बॉल लेआउट में लीडेड पैकेज की तुलना में कम समग्र इंडक्टेंस होता है। उच्च आवृत्ति सर्किट के लिए, यह सिग्नल विरूपण को कम करता है, जिससे सिस्टम प्रदर्शन में सुधार होता है।

बीजीए पैकेज के नुकसान:

विनिर्माण जटिलता: पारंपरिक लीडेड पैकेजों के विपरीत, BGA पैकेजिंग प्रक्रिया, खासकर जब फाइन-पिच बॉल या जटिल थर्मल प्रबंधन सुविधाएँ शामिल होती हैं, तो अधिक नियंत्रण की आवश्यकता होती है। असेंबली के दौरान आपके पास परिष्कृत उपकरण होना मददगार होगा। इससे विनिर्माण लागत भी बढ़ जाती है।

निरीक्षण एवं पुनः कार्य संबंधी चुनौतियाँ: BGA पैकेज सोल्डर जोड़ों का दृश्य निरीक्षण जटिल है क्योंकि वे पैकेज के नीचे हैं। इसमें पुनः कार्य या मरम्मत भी शामिल है, यह देखते हुए कि दोषपूर्ण BGA घटकों को हटाना लीडेड भागों को बदलने से अधिक जटिल है।

तनाव के प्रति संवेदनशीलता: थर्मल विस्तार और कंपन के कारण BGA पर यांत्रिक तनाव उत्पन्न होता है। यदि इसे ठीक से डिज़ाइन और असेंबल नहीं किया गया है, तो यह अंततः सोल्डर जोड़ों में विफल हो सकता है।  

सीमित पुन: प्रयोज्यता: आम तौर पर, एक बार जब BGA को PCB पर सोल्डर कर दिया जाता है, तो उन्हें आसानी से हटाया और दोबारा इस्तेमाल नहीं किया जा सकता। यह एक नुकसान है जब बार-बार घटक प्रतिस्थापन की आवश्यकता हो सकती है, उदाहरण के लिए, प्रोटोटाइपिंग प्रक्रिया के दौरान।

पर्यावरणीय चिंता: कुछ BGA पैकेज, खास तौर पर पुराने प्रकार के, सोल्डर बॉल में सीसा रखते हैं। दूसरी ओर, पर्यावरण संबंधी चिंताओं ने सीसा रहित सोल्डर के विकास को जन्म दिया है, जो उच्च पिघलने वाले तापमान और सोल्डर जोड़ भंगुरता की संभावना जैसी चुनौतियों के साथ आता है, जिससे इन सामग्रियों के यांत्रिक व्यवहार के संदर्भ में निहितार्थ सामने आते हैं।

पीसीबेसिक द्वारा BGA का गुणवत्ता निरीक्षण

PCBasic एक पूर्ण PCB असेंबली सेवा प्रदान करता है जिसमें BGA भाग शामिल हैं। सही BGA सोल्डर संयुक्त गठन को सत्यापित करने के लिए उनके QC उपायों के भाग के रूप में एक्स-रे निरीक्षण का भी उपयोग किया जाता है।

एक्स-रे निरीक्षण से BGA इंटरकनेक्शन में दोष, जैसे कि रिक्त स्थान, दरारें या अपर्याप्त सोल्डर का पता चलता है। ऐसा करने से, इन जैसी समस्याओं से पहले ही बचा जा सकता है, जिससे विद्युत कनेक्शन विफल हो सकते हैं और अंतिम असेंबली का संचालन नहीं हो सकता है।

बॉल ग्रिड ऐरे (BGA) पैकेज का उपयोग करने के लिए PCB डिज़ाइन युक्तियाँ

पदचिह्न डिजाइन:

सटीकता: अपने PCB लेआउट पर BGA पैकेज फ़ुटप्रिंट को सही ढंग से ठीक करना सुनिश्चित करें। आपको निर्माता की डेटाशीट विनिर्देशों का पालन करना होगा। इसमें सोल्डर बॉल पिच (बॉल के बीच की दूरी), पैड व्यास और स्टेंसिल एपर्चर का आकार शामिल होगा।

सोल्डर मास्क: सोल्डर बॉल पैड से थोड़ा छोटा सोल्डर मास्क खोलें। सोल्डर मास्क असेंबली के दौरान सोल्डर के ओवरफ्लो को रोकता है।

स्टेंसिल डिज़ाइन: अपने PCB निर्माता के साथ मिलकर उचित स्टेंसिल मोटाई निर्धारित करें। इसके बाद, सोल्डर पेस्ट के सही जमाव के लिए एपर्चर का आकार निर्धारित करें।

थर्मल रिलीफ वियास: BGA पैड के चारों ओर थर्मल रिलीफ वियास का उपयोग करने पर विचार करें। इससे पैकेज से गर्मी का अपव्यय बढ़ जाएगा।

परत स्टैकअप:

सिग्नल अखंडता: सिग्नल अखंडता बनाए रखने के लिए उच्च गति वाले सिग्नल के लिए पर्याप्त सिग्नल परतों और नियंत्रित प्रतिबाधा प्रोफाइल के साथ एक उपयुक्त लेयर स्टैक-अप चुनें। BGAs को रूट करते समय, सिग्नल क्रॉसटॉक और रिफ्लेक्शन से बचने के लिए अक्सर सावधानीपूर्वक योजना बनाना आवश्यक होता है।

पावर और ग्राउंड प्लेन: स्थिर पावर वितरण और शोर में कमी के लिए अलग-अलग पावर और ग्राउंड प्लेन प्रदान करें, विशेष रूप से उच्च-शक्ति BGAs के साथ काम करते समय।

वाया प्रबंधन: BGA के नीचे भीड़भाड़ से बचने के लिए सिग्नल पथ की लंबाई को कम करने के लिए वाया को रणनीतिक रूप से रखें। BGA से आंतरिक परतों तक कुशल रूटिंग के लिए वाया-इन-पैड तकनीक एक उचित विचार है।

रूटिंग रणनीतियाँ:

फैनआउट पैटर्न: पीसीबी की सतह परत पर फाइन-पिच बीजीए बॉल से व्यापक ट्रेस पर संक्रमण करते समय एक नियंत्रित फैनआउट पैटर्न का उपयोग किया जाना चाहिए। उदाहरणों में आमतौर पर इस्तेमाल किए जाने वाले डॉग-बोन या टियरड्रॉप आकार शामिल हैं।

एस्केप रूटिंग: BGA पैकेज सिग्नल के लिए एस्केप रूटिंग पथों की कुशलतापूर्वक योजना बनाएं। इसमें आम तौर पर महत्वपूर्ण सिग्नलों को प्राथमिकता देना और उनके कार्य और लेयर असाइनमेंट के आधार पर रूटिंग चैनल आवंटित करना शामिल है।

उच्च गति संबंधी विचार: उच्च गति संकेतों के लिए, सुनिश्चित करें कि रूटिंग पथ में कोई प्रतिबाधा असंतुलन न हो, इसके लिए इसके आर-पार एक स्थिर प्रतिबाधा बनाए रखें, तीक्ष्ण मोड़ या लंबाई में विसंगति को कम करें; महत्वपूर्ण अंतर युग्मों के लिए अंतर रूटिंग तकनीकों का उपयोग करने पर विचार करें

विनिर्माण क्षमता के लिए डिज़ाइन (डीएफएम):

घटकों का स्थान: घटकों को रणनीतिक रूप से बोर्ड पर रखा जाना चाहिए ताकि एक्स-रे निरीक्षण में बाधा न आए और बीजीए के चारों ओर पर्याप्त रूटिंग क्लीयरेंस की अनुमति मिल सके।

स्टेंसिल डिजाइन: सुनिश्चित करें कि आपका पीसीबी निर्माता आपके स्टेंसिल डिजाइन की जांच करता है ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि यह सभी BGA पैडों के लिए सोल्डर पेस्ट को ठीक से जमा करता है।

असेंबली: स्वचालित असेंबली प्रक्रियाओं के लिए PCB डिज़ाइन करते समय BGA पैकेज का आकार और पिच एक कारक होना चाहिए। पिक-एंड-प्लेस उपकरण और घटकों की उचित हैंडलिंग के लिए भी पर्याप्त जगह होनी चाहिए।

परीक्षण योग्यता हेतु डिजाइन (DFT):

परीक्षण बिंदु: संयोजन के बाद विद्युत परीक्षण हेतु BGA संकेतों के लिए समर्पित परीक्षण बिंदु शामिल किए जाने चाहिए।

सीमा स्कैन (JTAG): यदि BGA में उपलब्ध हो, तो सीमा स्कैन (JTAG) क्षमताओं का उपयोग करें, जिससे सर्किट में परीक्षण और दोष का पता लगाने की सुविधा मिलती है।

निष्कर्ष

BGA पैकेज में रूटिंग करते समय, आवश्यक सिग्नल परतों की संख्या की गणना करना और नियंत्रित प्रतिबाधा के लिए उन्हें समतल परतों के साथ जोड़ना आवश्यक है। जैसे-जैसे पिचें महीन होती जाती हैं, पैड और वाया के आकार को छोटा करने की आवश्यकता होती है, और अंततः, माइक्रो वाया या वाया-इन-पैड तकनीक की आवश्यकता होती है। पैड के आकार और सोल्डर मास्क ओपनिंग पर सिफारिशों के लिए हमेशा डेटा शीट देखें और अपने फैब्रिकेटर से सलाह लें।