Сегодня мы поговорим о чем-то приятном и немного более продвинутом в плане разводки печатных плат: краткое введение в корпус BGA. Если вы новичок в проектировании, идея BGA может показаться вам слишком сложной, но она необходима для монтажа высокофункциональных компонентов в одном корпусе.
Многие мощные компоненты монтируются как BGA, поэтому важно знать, как работать с ними в вашей печатной плате. Давайте разберемся.
Что такое BGA на печатной плате?
Что означает bga? Итак, решетка шариков обычно представляет собой компонент квадратной формы, хотя она может быть прямоугольной, с различными шариками, расположенными в регулярном порядке. Эти шарики или шарики припоя находятся на нижней части элемента. Во время сборки вы помещаете BGA на посадочное место, нагреваете его, припой плавится, и он прилипает к плате.
Воздержитесь от чрезмерного упрощения; это основная идея, лежащая в основе этих компонентов. Иногда вы увидите отсутствующие шарики в шаблоне, поэтому запомните это. BGA-компонентам нужны определенные посадочные места в вашей схеме печатной платы, и вам также нужно определить, как проложить в них дорожки.
Это зависит от размера площадки и шага или расстояния между шариками. BGA с крупным шагом имеют больший шаг, обычно около 1 мм - 5 мм, в то время как BGA с мелким шагом имеют шаг менее 0.5 мм.
Какие существуют типы корпусов BGA?
Корпуса Ball Grid Array (BGA) являются одним из видов технологии поверхностного монтажа для интегральных схем (ИС). В отличие от традиционных корпусов с выступающими по бокам штырьками, у BGA шарики припоя непосредственно прикреплены к их нижней части.
Это позволяет уменьшить площадь основания, увеличить количество выводов и улучшить электрические характеристики. Тем не менее, существуют различные виды корпусов BGA, оптимизированные для различных требований.
Матрица с пластиковыми шариками (PBGA):
Подложка: PBGA использует экономичный слоистый материал, обычно состоящий из смолы, такой как бисмалеимидтриазин (BT).
Сборка: Подложка — это место, где кристалл (или чип BGA) крепится лицевой стороной вверх. Он электрически соединен с проводами, идущими от кристалла к подложке. Наконец, пластиковая форма выбрасывает всю сборку, чтобы защитить ее.
Массив ленточных шариков (TBGA):
Подложка: Вместо жестких ламинатов TBGA используют тонкие гибкие ленты в качестве подложек. Эта лента часто состоит из полиимидной пленки с протравленным проводящим металлическим слоем.
Сборка: Как и в случае PBGA, этот кристалл крепится к ленточному субстрату лицевой стороной вниз. Для соединений используются токопроводящие выступы или припои. Наконец, шарики припоя заполняют открытые нижние площадки.
Керамическая шариковая решетка (CBGA):
Подложка: в CBGA используется керамическая подложка, которая имеет более высокую теплопроводность, чем пластик или ленты. – Такая керамика обычно может быть изготовлена на основе оксида алюминия, например, оксида алюминия (Al2O3).
Сборка: кристалл помещается лицевой стороной вверх на керамическую подложку. Этот процесс включает в себя соединение кристалла bga (C4), похожее на PBGA. Метод использует формирование проводящих столбиков под давлением. Этот метод используется для соединения кристалла с площадками подложки. Наконец, шарики припоя прикрепляются к открытым металлическим площадкам на дне.
Матрица шариковых выводов с перевернутым кристаллом (FCBGA):
Подложка: FCBGA похожи на CBGA. Однако у них есть одно заметное отличие. К ним относятся переворачивание кристалла и его установка непосредственно на подложку, т. е. крепление лицевой стороной вниз. В этом случае не использовалось соединение проводов, что сокращает длину электрического пути и улучшает целостность сигнала.
Сборка: Материал подложки используется как для механической поддержки кристалла на подложке, так и для защиты от влаги. Затем шарики припоя прикрепляются к открытым металлическим площадкам на нижней стороне кристалла.
Микро-шаровая решетка (МБГА):
Подложка: MBGA используют значительно уменьшенную и крошечную подложку, которая обычно изготавливается из полиимидной пленки, аналогичной TBGA. Размер корпуса такой же, как у кристалла, с ультраминиатюрным посадочным местом.
Сборка: Для крепления кристалла лицевой стороной вниз к подложке ленты используется проводящий выступ или припой. В результате сборки имеют плотный шаг шариков (расстояние между шариками припоя), что требует точных методов сборки.
Преимущества: MBGA имеют наименьший возможный размер корпуса и поэтому могут применяться в сверхминиатюрных устройствах, таких как мобильные телефоны и носимые гаджеты.
Недостатки: Миниатюрность и малые расстояния между шариками делают эти BGA-компоненты сложными в обращении и сборке.
Матрица с мелкошаговой шариковой решеткой (FBGA)
Подложка FBGA, которая обычно изготавливается из того же материала, что и PBGA и CBGA, представляющие собой ламинированные или керамические подложки, имеет отличительный фактор в шаге шариков припоя.
Сборка: Сборка FBGA такая же, как и у других типов BGA, но у них гораздо меньшее расстояние между шариками, т. е. шаг шариков припоя. Поэтому вы можете разместить много штифтов в ограниченной области.
Преимущества: FBGA — отличный выбор для разработчиков, которые ищут баланс между малыми размерами корпуса и большим количеством выводов. Они хорошо работают в приложениях, требующих большого количества соединений в ограниченном пространстве.
Недостатки: Для достижения такого мелкого шага методы производства и сборки этих компонентов должны быть точными. Таким образом, стоимость увеличивается по сравнению с обычными корпусами BGA, что делает проверку или переделку проблематичной из-за тесного пространства.
Термически улучшенная шариковая решетка (TEBGA):
Подложка: Материалы, используемые в TEBGA, варьируются от ламината до смешанной керамики. Одним из заметных отличий является включение дополнительных структур рассеивания тепла.
Сборка: Производственные процессы могут различаться в зависимости от типа TEBGA; однако большинство конструкций предполагают использование более толстых слоев меди на подложках для лучшего распределения тепла или размещение пластин теплоотвода над корпусами.
Преимущества и недостатки BGA
Преимущества корпусов BGA:
Меньше занимаемой площади: Корпус BGA устраняет необходимость в выступающих штырях по сравнению с традиционными корпусами с выводами. Он позволяет создавать более компактную конструкцию для миниатюрной электроники BGA, такой как смартфоны и ноутбуки.
Большее количество пинов: Шарики припоя в BGA распределены по всему дну корпуса; следовательно, они могут вместить гораздо больше соединений. Наличие таких чипов BGA необходимо, поскольку они имеют несколько входов и выходов, поэтому им требуется много входных-выходных соединений.
Улучшенные электрические характеристики: Лучшая целостность сигнала и более высокие скорости работы являются результатом более короткой длины электрического пути. Это происходит между кристаллом (чипом BGA) и печатной платой (PCB) из-за прямого соединения шариков припоя. Это особенно полезно в высокочастотных приложениях.
Улучшенное рассеивание тепла: В зависимости от типа некоторые BGA обладают улучшенными тепловыми характеристиками. Например, материалы используются в керамических BGA (CBGA) и термически улучшенных BGA (TEBGA). Это позволяет передавать тепло от кристалла к печатной плате, что предотвращает перегрев.
Низкая индуктивность: Компоновка шариков припоя BGA имеет более низкую общую индуктивность, чем корпуса с выводами. Для высокочастотных схем это снижает искажение сигнала, тем самым улучшая производительность системы.
Недостатки корпусов BGA:
Сложность производства: В отличие от традиционных свинцовых корпусов, процесс упаковки BGA, особенно когда задействованы шарики с малым шагом или сложные функции терморегулирования, требует большего контроля. Это помогло бы, если бы у вас было сложное оборудование во время сборки. Это также увеличивает производственные затраты.
Проблемы инспекции и доработки: Визуальный осмотр паяных соединений BGA-корпуса сложен, поскольку они находятся под корпусом. Это также подразумевает переделку или ремонт, учитывая, что отпайка неисправных BGA-компонентов сложнее, чем замена выводных деталей.
Восприимчивость к стрессу: Тепловое расширение и вибрация приводят к механическому напряжению в BGA. Если они не спроектированы и не собраны должным образом, это может в конечном итоге привести к выходу из строя паяных соединений.
Ограниченное повторное использование: Как правило, после пайки BGA на печатную плату их нелегко снять и использовать повторно. Это является недостатком, когда может потребоваться частая замена компонентов, например, в процессе прототипирования.
Проблемы окружающей среды: Некоторые корпуса BGA, особенно старые типы, содержат свинец в шариках припоя. С другой стороны, экологические проблемы привели к разработке бессвинцовых припоев, которые сопряжены с такими проблемами, как более высокие температуры плавления и потенциальная хрупкость паяных соединений, что приводит к последствиям с точки зрения механического поведения этих материалов.
Проверка качества BGA компанией PCBasic
PCBasic предлагает полный спектр услуг по сборке печатных плат, включая детали BGA. Рентгеновский контроль, вероятно, также используется в качестве части мер контроля качества для проверки правильности формирования паяного соединения BGA.
Рентгеновский контроль выявляет дефекты в соединениях BGA, такие как пустоты, трещины или недостаточная пайка. Благодаря этому можно избежать подобных проблем на ранней стадии, которые могут привести к выходу из строя электрических соединений и неработоспособности окончательной сборки.
Советы по проектированию печатных плат с использованием корпусов BGA (Ball Grid Array)
Дизайн следа:
Точность: Убедитесь, что правильно зафиксировали посадочное место BGA-корпуса на вашей печатной плате. Вы должны следовать спецификациям изготовителя. Это будет включать шаг шариков припоя (расстояние между шариками), диаметр контактной площадки и размер апертуры трафарета.
Паяльная маска: Определите отверстие в паяльной маске, немного меньшее, чем площадка шарика припоя. Припой предотвращает перетекание припоя во время сборки.
Проектирование трафарета: Сотрудничайте с производителем печатных плат, чтобы определить подходящую толщину трафарета. Затем, размер апертуры для правильного нанесения паяльной пасты.
Тепловые переходные отверстия: Рассмотрите возможность использования тепловых переходных отверстий вокруг контактных площадок BGA. Это улучшит отвод тепла от корпуса.
Стек слоев:
Целостность сигнала: выберите подходящий стек слоев с достаточным количеством сигнальных слоев и контролируемыми профилями импеданса для высокоскоростных сигналов, чтобы сохранить целостность сигнала. При трассировке BGA часто требуется тщательное планирование, чтобы избежать перекрестных помех и отражений сигнала.
Слои питания и заземления: обеспечивают отдельные слои питания и заземления для стабильной подачи питания и снижения шума, особенно при работе с высокомощными BGA.
Управление переходами: стратегически размещайте переходы, чтобы минимизировать длину пути сигнала, избегая при этом перегрузки под BGA. Технология переходов в контактной площадке является разумным решением для эффективной маршрутизации от BGA к внутренним слоям.
Стратегии маршрутизации:
Fanout Pattern: Контролируемый fanout pattern следует использовать при переходе от шариков BGA с мелким шагом к более широким дорожкам на поверхностном слое печатной платы. Примерами часто используемых форм являются собачья кость или капля.
Маршрутизация эвакуации: эффективное планирование путей эвакуационной маршрутизации для сигналов корпуса BGA. Обычно это включает в себя приоритизацию критических сигналов и распределение каналов маршрутизации на основе их функции и назначения слоев.
Соображения относительно высокоскоростных сигналов: для высокоскоростных сигналов убедитесь, что на пути маршрутизации нет разрывов импеданса, поддерживая постоянный импеданс по всему маршруту, сводя к минимуму резкие изгибы или несоответствия длины; рассмотрите возможность использования методов дифференциальной маршрутизации для критических дифференциальных пар.
Дизайн для технологичности (DFM):
Размещение компонентов: компоненты следует размещать на плате стратегически, чтобы не мешать рентгеновскому контролю и обеспечивать достаточные зазоры для трассировки вокруг BGA.
Разработка трафарета: убедитесь, что производитель вашей печатной платы проверил разработку трафарета, чтобы убедиться, что паяльная паста правильно наносится на все контактные площадки BGA.
Сборка: Размер и шаг корпуса BGA должны быть фактором при проектировании печатной платы для автоматизированных процессов сборки. Также должно быть достаточно места для оборудования для захвата и размещения и надлежащего обращения с компонентами.
Проектирование для тестируемости (DFT):
Контрольные точки: для электрических испытаний сигналов BGA после сборки следует предусмотреть специальные контрольные точки.
Граничное сканирование (JTAG): если оно доступно в BGA, используйте возможности граничного сканирования (JTAG), позволяющие проводить внутрисхемные испытания и обнаруживать неисправности.
Заключение
При трассировке в корпус BGA важно подсчитать количество необходимых сигнальных слоев и чередовать их с плоскими слоями для контролируемого импеданса. По мере того, как шаги становятся тоньше, размеры контактных площадок и переходных отверстий должны уменьшаться, и в конечном итоге потребуются методы микропереходных отверстий или переходных отверстий в контактных площадках. Всегда сверяйтесь с техническими паспортами и консультируйтесь с вашим производителем для получения рекомендаций по размерам контактных площадок и отверстий паяльной маски.
