Idag ska vi prata om något roligt och lite mer avancerat när det gäller PCB-layout: en snabb introduktion till BGA-kapslingen. Om du är en ny konstruktör kan idén om en BGA verka alltför komplex, men den är avgörande för att montera högfunktionella komponenter i en enda kapsling.
Många kraftfulla komponenter monteras som BGA:er, så det är viktigt att veta hur man arbetar med dem i din kretskortslayout. Låt oss gå in på det.
Vad är BGA på ett kretskort?
Vad betyder BGA? Så, en bollrutnätsmatris är i allmänhet en fyrkantig komponent, även om den kan vara rektangulär, med olika bollar arrangerade i ett regelbundet mönster. Dessa, eller lödbollar, sitter på undersidan av elementet. Under monteringen placerar du BGA:n på fotavtrycket, värmer upp den, lödningen smälter och den fäster på kortet.
Undvik att förenkla det alltför mycket; det är grundtanken bakom dessa komponenter. Ibland ser du saknade kulor i mönstret, så kom ihåg det. BGA:er behöver specifika fotavtryck i din kretskortslayout, och du måste också bestämma hur du ska dirigera spår till dem.
Detta beror på plattans storlek och avståndet mellan kulorna. Grovpitch-BGA:er har större pitches, vanligtvis runt 1 mm till 5 mm, medan finpitch-BGA:er har pitches mindre än 0.5 mm.
Vilka typer av BGA-paket finns det?
Ball Grid Array (BGA)-kapslar är en variant av ytmonteringsteknik för integrerade kretsar (IC). Till skillnad från traditionella kapslar med stift som sticker ut på sidorna har BGA-kapslar lödkulor direkt fästa på undersidan.
Detta möjliggör en mindre konstruktionsstorlek, ett högre antal pinnar och bättre elektrisk prestanda. Det finns dock olika typer av BGA-kapslar som är optimerade för olika krav.
Plastbollsrutnät (PBGA):
Substrat: PBGA använder ett ekonomiskt laminatmaterial, vanligtvis bestående av ett harts såsom bismaleimidtriazin (BT).
Montering: Substratet är där chipet (eller BGA-chipet) fästs med framsidan uppåt. Det är elektriskt anslutet med ledningar som är anslutna från chipet till substratet. Slutligen sprutar en plastform ut hela enheten för att skydda den.
Tape Ball Grid Array (TBGA):
Substrat: Istället för styva laminat använder TBGA tunna, flexibla tejper som substrat. Dessa tejper består ofta av polyimidfilm med ett etsat ledande metalllager.
Montering: Precis som i PBGA-fallet fästs denna chipa på bandsubstratet med framsidan nedåt. För anslutningar används ledande stötar eller lödtenn. Slutligen täcks de exponerade bottenplattorna av lödkulor.
Keramisk kulnätsmatris (CBGA):
Substrat: CBGA:er använder keramiskt substrat, vilket har bättre värmeledningsförmåga än plast eller tejp. - Dessa keramikmaterial kan vanligtvis vara aluminiumoxidbaserade ämnen som aluminiumoxid (Al2O3).
Montering: Chipen placeras med framsidan uppåt på ett keramiskt substrat. Denna process inkluderar kollapsande BGA-chipanslutning (C4) liknande PBGA:er. Tekniken använder tryckinducerad bildning av ledande pelare. Denna teknik används för att sammankoppla chipen med substratplattor. Slutligen fästs lödkulor på de exponerade metallplattorna på undersidan.
Flip-Chip Ball Grid Array (FCBGA):
Substrat: FCBGA:er liknar CBGA:er. De har dock en framträdande skillnad. Dessa inkluderar att chipset vänds och monteras direkt på substratet, dvs. fästs med framsidan nedåt. Trådbindning användes inte i detta fall, vilket förkortar den elektriska väglängden och förbättrar signalintegriteten.
Montering: Underfyllningsmaterialet används både för mekaniskt stöd av chip på substratet och för fuktskydd. Lödkulor fästs sedan på de exponerade metallplattorna på undersidan av chip.
Mikrobollrutnätsuppsättning (MBGA):
Substrat: MBGA:er använder ett betydligt reducerat och litet substrat, som vanligtvis är tillverkat av polyimidfilm liknande TBGA:er. Kapselstorleken är densamma som chipen, med ett ultraminiatyrformat fotavtryck.
Montering: En ledande bula eller lödtenn används för att fästa brickan med framsidan nedåt på bandsubstratet. Som ett resultat har enheterna snäva kulsteg (lödkulavstånd), vilket kräver exakta monteringstekniker.
Fördelar: MBGA:er har den minsta möjliga förpackningsstorleken och kan därför användas i mycket miniatyriserade enheter som mobiltelefoner och bärbara prylar.
Nackdelar: Miniatyrisering och snäva avstånd mellan kulorna gör dessa BGA:er svåra att hantera eller montera.
Finpitch-kulnätsmatris (FBGA)
Substratet för FBGA, som vanligtvis är tillverkat av samma material som PBGA och CBGA, som är laminat- eller keramiska substrat, har en differentierande faktor i deras lödkulstigning.
Montering: FBGA-montering är precis som andra BGA-typer, men dessa har ett mycket mindre avstånd mellan kulorna, dvs. lödkulornas delning. Så du kan placera många stift på ett begränsat område.
Fördelar: FBGA:er är ett utmärkt val för konstruktörer som vill balansera små kapslingsstorlekar och ett högt antal stift. De fungerar bra i applikationer som kräver många anslutningar inom ett begränsat utrymme.
Nackdelar: För att uppnå en så fin stigning måste tillverknings- och monteringsmetoderna för dessa komponenter vara exakta. Därför ökar kostnaden jämfört med vanliga BGA-kapslar, vilket gör inspektion eller omarbetning problematisk på grund av det snäva avståndet.
Termiskt förbättrad kulnätsmatris (TEBGA):
Substrat: Materialen som används i TEBGA:er varierar från laminat till blandade keramiker. En anmärkningsvärd skillnad är införandet av ytterligare värmeavledningsstrukturer.
Montering: Tillverkningsprocesserna kan variera beroende på TEBGA-typ; de flesta konstruktioner innebär dock att man använder tjockare kopparlager på substrat för bättre värmespridning eller placerar värmespridningsplattor ovanför kapslarna.
Fördelar och nackdelar med BGA
Fördelar med BGA-paket:
Mindre fotavtryck: BGA-kapslingen eliminerar behovet av utskjutande stift jämfört med traditionella ledningsförsedda kapslar. Den möjliggör en mer kompakt design för miniatyriserad BGA-elektronik som smartphones och bärbara datorer.
Högre antal pinnar: Lödkulorna i BGA-chip är utspridda över hela botten av paketet; därför kan de hantera många fler anslutningar. Att ha sådana BGA-chip är nödvändigt eftersom de har flera ingångar och utgångar, och därför behöver många ingångs- och utgångsanslutningar.
Förbättrad elektrisk prestanda: Bättre signalintegritet och högre driftshastigheter är resultatet av en kortare elektrisk väglängd. Detta uppstår mellan chipet (BGA-chipet) och kretskortet (PCB) på grund av de direkt anslutna lödkulorna. Detta är särskilt användbart i högfrekventa applikationer.
Förbättrad värmeavledning: Beroende på typ har vissa BGA:er förbättrad termisk prestanda. Till exempel används material av keramiska BGA:er (CBGA:er) och termiskt förstärkta BGA:er (TEBGA:er). Detta möjliggör värmeöverföring från chipen till kretskortet, vilket resulterar i att överhettning förhindras.
Lägre induktans: BGA-lödkulornas layout har en lägre total induktans än de ledningsförsedda kapslarna. För högfrekventa kretsar minskar detta signalförvrängningen, vilket förbättrar systemets prestanda.
Nackdelar med BGA-paket:
Tillverkningskomplexitet: Till skillnad från traditionella blyförsedda kapslar kräver BGA-kapslingsprocessen mer kontroll, särskilt när det gäller finhöjda kulor eller komplexa temperaturhanteringsfunktioner. Det skulle vara bra om man hade sofistikerad utrustning under monteringen. Detta ökar också tillverkningskostnaderna.
Utmaningar vid inspektion och omarbetning: Visuell inspektion av BGA-kapslingens lödfogar är komplex eftersom de sitter under kapslingen. Detta innebär också omarbete eller reparation, eftersom det är mer komplicerat att avlöda felaktiga BGA-komponenter än att byta ut ledare.
Känslighet för stress: Termisk expansion och vibrationer leder till mekanisk belastning på BGA:er. Om de inte är korrekt konstruerade och monterade kan de så småningom gå sönder i lödfogar.
Begränsad återanvändbarhet: Generellt sett är BGA:er, när de väl är fastlödda på ett kretskort, inte avsedda att lätt kunna tas bort och återanvändas. Detta är en nackdel när det kan krävas frekventa komponenter som byts ut, till exempel under prototyptillverkningsprocessen.
Miljöproblem: Vissa BGA-kapslar, särskilt äldre typer, innehåller bly i lödkulorna. Å andra sidan har miljöhänsyn lett till utvecklingen av blyfria lödtenn, vilka medför utmaningar som högre smälttemperaturer och risk för lödfogssprödhet, vilket leder till konsekvenser vad gäller det mekaniska beteendet hos dessa material.
PCBasics kvalitetsinspektion av BGA
PCBasic erbjuder en komplett kretskortsmonteringstjänst som inkluderar BGA-delar. Röntgeninspektion används sannolikt också som en del av deras kvalitetskontrollåtgärder för att verifiera korrekt BGA-lödfogbildning.
Röntgeninspektion avslöjar defekter i BGA-kopplingarna, såsom hålrum, sprickor eller otillräcklig lödning. Genom att göra detta kan problem som dessa undvikas tidigt, vilket kan leda till att elektriska anslutningar slutar fungera och att slutmonteringen slutligen slutar fungera.
PCB-designtips för användning av Ball Grid Array (BGA)-paket
Fotavtrycksdesign:
Noggrannhet: Se till att BGA-kapslingens avtryck är korrekt fixerat på din kretskortslayout. Du måste följa tillverkarens databladsspecifikationer. Detta inkluderar lödkulans stigning (avstånd mellan kulorna), plattans diameter och stencilens öppningsstorlek.
Lödmask: Definiera en lödmasköppning något mindre än lödkulans platta. Lödet förhindrar överflöde av lödtenn under montering.
Schablondesign: Samarbeta med din kretskortstillverkare för att bestämma lämplig schablontjocklek. Därefter, öppningsstorlek för korrekt applicering av lödpasta.
Termiska avlastningsvior: Överväg att använda termiska avlastningsvior runt BGA-plattor. Detta förbättrar värmeavledningen från kapslingen.
Layer Stackup:
Signalintegritet: Välj en lämplig lageruppsättning med tillräckligt många signallager och kontrollerade impedansprofiler för höghastighetssignaler för att bibehålla signalintegriteten. Vid routing av BGA:er är noggrann planering ofta nödvändig för att undvika signalöverhörningar och reflektioner.
Kraft- och jordplan: Separata kraft- och jordplan för stabil strömförsörjning och brusreducering, särskilt vid hantering av högeffekts-BGA-enheter.
Viahantering: Placera vias strategiskt för att minimera signalvägslängden samtidigt som man undviker överbelastning under BGA. Via-in-pad-teknik är en rimlig faktor för effektiv routing från BGA till inre lager.
Routingstrategier:
Fanout-mönster: Ett kontrollerat fanout-mönster bör användas vid övergång från finhöjda BGA-kulor till bredare spår på kretskortets ytskikt. Exempel inkluderar vanliga hundbens- eller droppformade former.
Utrymningsvägar: Planera utrymningsvägar effektivt för BGA-paketsignaler. Det innebär vanligtvis att prioritera kritiska signaler och allokera routingkanaler baserat på deras funktion och lagertilldelning.
Att tänka på vid hög hastighet: För höghastighetssignaler, se till att det inte finns någon impedansdiskontinuitet i routingvägen genom att bibehålla en konstant impedans över den, vilket minimerar skarpa böjar eller längdavvikelser; överväg att använda differentiella routingtekniker för kritiska differentialpar.
Design för tillverkningsbarhet (DFM):
Komponentplacering: Komponenterna bör placeras strategiskt på kortet för att undvika att hindra röntgeninspektion och för att ge tillräckligt utrymme för kabeldragning runt BGA:n.
Schablondesign: Se till att din kretskortstillverkare kontrollerar din schablondesign för att säkerställa att den avsätter lödpasta korrekt för alla BGA-plattor.
Montering: Storleken och pitchen på BGA-kapslingen måste vara en faktor vid utformning av kretskortet för automatiserade monteringsprocesser. Det bör också finnas tillräckligt med utrymme för pick-and-place-utrustning och korrekt hantering av komponenter.
Design för testbarhet (DFT):
Testpunkter: Dedikerade testpunkter bör inkluderas för BGA-signaler för elektrisk testning efter montering.
Boundary Scan (JTAG): Om det finns tillgängligt i BGA, använd Boundary Scan (JTAG)-funktioner, vilket möjliggör tester och feldetektering i kretsen.
Slutsats
Vid routing i ett BGA-kapsel är det viktigt att räkna antalet signallager som behövs och sammanfoga dem med plana lager för kontrollerad impedans. Allt eftersom tonhöjden blir finare måste storleken på plattorna och via-trådarna krympa, och så småningom krävs mikrovia-tekniker eller via-i-plattan-tekniker. Se alltid datablad och rådfråga din tillverkare för rekommendationer om plattstorlekar och lödmasköppningar.
