Bugün, PCB yerleşimi açısından keyifli ve biraz daha gelişmiş bir konu olan BGA paketine hızlı bir girişten bahsedeceğiz. Yeni bir tasarımcıysanız, BGA fikri size aşırı karmaşık gelebilir, ancak son derece işlevsel bileşenleri tek bir pakette birleştirmek için olmazsa olmazdır.
Birçok güçlü bileşen BGA olarak monte edildiğinden, PCB düzeninizde bunlarla nasıl çalışacağınızı bilmek çok önemlidir. Hadi başlayalım.
PCB Kartında BGA Nedir?
BGA ne anlama geliyor? Bilyalı ızgara dizisi genellikle kare şeklinde bir bileşendir, ancak düzenli bir düzende dizilmiş çeşitli bilyelerden oluşan dikdörtgen şeklinde de olabilir. Bunlar veya lehim bilyeleri elemanın alt kısmındadır. Montaj sırasında BGA'yı ayak izine yerleştirir, ısıtırsınız, lehim erir ve karta yapışır.
Aşırı basitleştirmekten kaçının; bu bileşenlerin ardındaki temel fikir budur. Bazen desende eksik bilyeler görebilirsiniz, bu yüzden unutmayın. BGA'lar PCB düzeninizde belirli ayak izlerine ihtiyaç duyar ve ayrıca izleri bunlara nasıl yönlendireceğinizi de belirlemeniz gerekir.
Bu, ped boyutuna ve bilyeler arasındaki eğime veya mesafeye bağlıdır. Kaba eğim BGA'ların eğimleri genellikle 1 mm ila 5 mm arasında değişirken, ince eğim BGA'ların eğimleri 0.5 mm'den azdır.
BGA Paketlerinin Türleri Nelerdir?
Küresel Izgara Dizisi (BGA) paketleri, entegre devreler (IC) için bir tür yüzey montaj teknolojisidir. Yanlardan pimleri çıkan geleneksel paketlerin aksine, BGA'ların alt kısımlarına doğrudan lehim bilyeleri takılır.
Bu, daha küçük bir ayak izi, daha fazla pin sayısı ve daha iyi elektriksel performans sağlar. Bununla birlikte, çeşitli gereksinimler için optimize edilmiş farklı BGA paketleri mevcuttur.
Plastik Bilyalı Izgara Dizisi (PBGA):
Alt tabaka: PBGA, genellikle bismaleimid triazin (BT) gibi bir reçineden oluşan ekonomik bir laminat malzeme kullanır.
Montaj: Alt tabaka, kalıbın (veya BGA çipinin) yüzü yukarı bakacak şekilde takıldığı yerdir. Kalıptan alt tabakaya bağlanan kablolarla elektriksel olarak bağlanır. Son olarak, plastik bir kalıp, tüm montajı korumak için dışarı püskürtülür.
Bant Topu Izgara Dizisi (TBGA):
Alt tabaka: TBGA'lar, sert laminatlar yerine alt tabaka olarak ince ve esnek bantlar kullanır. Bu bantlar genellikle aşındırılmış iletken metal bir tabakaya sahip poliimid filmden oluşur.
Montaj: PBGA kutusunda olduğu gibi, bu kalıp da yüzü aşağı bakacak şekilde bant altlığına takılır. Bağlantılar için iletken çıkıntılar veya lehimler kullanılır. Son olarak, lehim topları açıkta kalan alt pedlere yerleştirilir.
Seramik Küresel Izgara Dizisi (CBGA):
Alt tabaka: CBGA'lar, plastiklerden veya bantlardan daha üstün termal iletkenliğe sahip seramik alt tabaka kullanır - Bu seramikler genellikle alüminyum oksit (Al2O3) gibi alümina bazlı maddeler olabilir.
Montaj: Kalıp, yüzü yukarı bakacak şekilde seramik bir alt tabaka üzerine yerleştirilir. Bu işlem, PBGA'lara benzer şekilde çöken BGA çip bağlantısını (C4) içerir. Bu teknik, iletken sütunların basınçla oluşturulmasını kullanır. Bu teknik, kalıbı alt tabaka pedleriyle birbirine bağlamak için kullanılır. Son olarak, lehim bilyeleri alt kısımdaki açıkta kalan metal pedlere tutturulur.
Flip-Chip Top Izgara Dizisi (FCBGA):
Alt tabaka: FCBGA'lar, CBGA'lara benzer. Ancak, aralarında önemli bir fark vardır. Bunlar arasında, kalıbın ters çevrilmesi ve doğrudan alt tabaka üzerine, yani yüzü aşağı bakacak şekilde monte edilmesi yer alır. Bu durumda tel bağlama kullanılmamış, böylece elektrik yolu uzunluğu kısaltılmış ve sinyal bütünlüğü iyileştirilmiştir.
Montaj: Alt dolgu malzemesi, kalıbın alt tabakaya mekanik olarak desteklenmesi ve nemden korunması için kullanılır. Daha sonra lehim topları, kalıbın alt tarafındaki açıkta kalan metal pedlere tutturulur.
Mikro Top Izgara Dizisi (MBGA):
Alt tabaka: MBGA'lar, genellikle TBGA'lara benzer şekilde poliimid filmden yapılmış, önemli ölçüde küçültülmüş ve ince bir alt tabaka kullanır. Paket boyutu kalıpla aynıdır ve ultra minyatür bir taban alanına sahiptir.
Montaj: Kalıbı yüzü aşağı bakacak şekilde bant altlığına tutturmak için iletken bir çıkıntı veya lehim kullanılır. Sonuç olarak, montajlar sıkı bilye aralıklarına (lehim bilyesi aralığı) sahip olduğundan, hassas montaj teknikleri gerektirir.
Avantajları: MBGA'lar mümkün olan en küçük paket boyutudur ve bu nedenle cep telefonları ve giyilebilir cihazlar gibi oldukça minyatür cihazlarda uygulanabilir.
Dezavantajları: Minyatürleştirme ve toplar arasındaki sıkı aralıklar bu BGA'ların kullanımını veya montajını zorlaştırır.
İnce Adımlı Top Izgara Dizisi (FBGA)
Genellikle laminat veya seramik alt tabakalar olan PBGA'lar ve CBGA'lar ile aynı malzemeden üretilen FBGA'ların alt tabakası, lehim bilyesi aralığı bakımından farklılaştırıcı bir özelliğe sahiptir.
Montaj: FBGA montajı, diğer BGA türleri gibidir, ancak bu tiplerde bilyeler arasındaki boşluklar (lehim bilyesi aralıkları) çok daha küçüktür. Bu sayede sınırlı bir alana birçok pin yerleştirebilirsiniz.
Avantajları: FBGA'lar, küçük paket boyutları ve yüksek pin sayısı arasında denge kurmak isteyen tasarımcılar için mükemmel bir seçimdir. Sınırlı bir alanda çok sayıda bağlantı gerektiren uygulamalarda iyi çalışırlar.
Dezavantajları: Bu kadar ince bir adım elde etmek için, bu bileşenlerin üretim ve montaj yöntemlerinin kesin olması gerekir. Bu nedenle, normal BGA paketlerine göre daha yüksek bir maliyet söz konusudur ve bu da, dar aralıklar nedeniyle inceleme veya yeniden işlemeyi sorunlu hale getirir.
Termal Olarak Geliştirilmiş Küresel Izgara Dizisi (TEBGA):
Altlık: TEBGA'larda kullanılan malzemeler laminattan seramik karışımlı malzemelere kadar çeşitlilik gösterir. Dikkat çekici bir fark, ek ısı dağıtım yapılarının eklenmesidir.
Montaj: Üretim prosesleri TEBGA tipine göre farklılık gösterebilir; ancak çoğu tasarımda, daha iyi ısı yayılımı için alt tabakalarda daha kalın bakır katmanları kullanılması veya paketlerin üzerine ısı yayıcı plakaların yerleştirilmesi yer alır.
BGA'nın Avantajları ve Dezavantajları
BGA Paketlerinin Avantajları:
Daha Küçük Ayak İzi: BGA paketi, geleneksel kurşunlu paketlere kıyasla çıkıntılı pinlere olan ihtiyacı ortadan kaldırır. Akıllı telefonlar ve dizüstü bilgisayarlar gibi minyatür BGA elektronikleri için daha kompakt bir tasarıma olanak tanır.
Daha Yüksek Pin Sayısı: BGA'lardaki lehim topları, paketin tüm tabanına yayılmıştır; bu sayede çok daha fazla bağlantıya olanak tanırlar. Bu tür BGA yongalarına sahip olmak, birden fazla giriş ve çıkışa sahip oldukları ve bu nedenle çok sayıda giriş-çıkış bağlantısına ihtiyaç duydukları için gereklidir.
Geliştirilmiş Elektrik Performansı: Daha kısa bir elektrik yolu uzunluğu, daha iyi sinyal bütünlüğü ve daha yüksek çalışma hızları sağlar. Bu, doğrudan bağlanan lehim bilyeleri sayesinde kalıp (BGA yongası) ile PCB (baskılı devre kartı) arasında gerçekleşir. Bu, özellikle yüksek frekanslı uygulamalarda faydalıdır.
Gelişmiş Isı Dağıtımı: Türlerine bağlı olarak, bazı BGA'lar termal performansı iyileştirir. Örneğin, Seramik BGA'lar (CBGA'lar) ve Termal Olarak Geliştirilmiş BGA'lar (TEBGA'lar) bu tür malzemeler kullanır. Bu, kalıptan PCB'ye ısı transferini sağlayarak aşırı ısınmayı önler.
Düşük Endüktans: BGA lehim bilyesi düzeni, kurşunlu paketlere göre daha düşük bir genel endüktansa sahiptir. Bu, yüksek frekanslı devrelerde sinyal bozulmasını azaltarak sistem performansını iyileştirir.
BGA Paketlerinin Dezavantajları:
Üretim Karmaşıklığı: Geleneksel kurşunlu ambalajların aksine, BGA paketleme işlemi, özellikle ince aralıklı bilyeler veya karmaşık termal yönetim özellikleri söz konusu olduğunda, daha fazla kontrol gerektirir. Montaj sırasında gelişmiş ekipmanlara sahip olmanız faydalı olacaktır. Bu da üretim maliyetlerini artırır.
Muayene ve Yeniden İşleme Zorlukları: BGA paket lehim bağlantılarının görsel muayenesi, paketin altında yer aldığı için karmaşıktır. Arızalı BGA bileşenlerinin lehiminin sökülmesi, kurşunlu parçaların değiştirilmesinden daha karmaşık olduğundan, bu aynı zamanda yeniden işleme veya onarımı da gerektirir.
Strese Duyarlılık: Isıl genleşme ve titreşim, BGA'larda mekanik strese neden olur. Doğru tasarlanıp monte edilmezlerse, lehim bağlantılarında zamanla arızalanabilirler.
Sınırlı Yeniden Kullanılabilirlik: Genellikle, BGA'lar bir PCB'ye lehimlendikten sonra kolayca çıkarılıp tekrar kullanılmak üzere tasarlanmamıştır. Bu durum, örneğin prototipleme sürecinde sık sık bileşen değişimi gerekebileceği durumlarda bir dezavantajdır.
Çevresel Endişeler: Bazı BGA paketleri, özellikle eski tipler, lehim bilyelerinde kurşun içerir. Öte yandan, çevresel endişeler, daha yüksek erime sıcaklıkları ve lehim bağlantılarında kırılganlık potansiyeli gibi zorluklarla birlikte gelen kurşunsuz lehimlerin geliştirilmesine yol açmış ve bu durum, bu malzemelerin mekanik davranışları üzerinde olumsuz etkilere neden olmuştur.
PCBasic'in BGA Kalite Denetimi
PCBasic, BGA parçalarını da içeren eksiksiz bir PCB montaj hizmeti sunmaktadır. Doğru BGA lehim bağlantısı oluşumunu doğrulamak için kalite kontrol önlemlerinin bir parçası olarak X-ışını muayenesi de kullanılmaktadır.
X-ışını muayenesi, BGA bağlantılarındaki boşluklar, çatlaklar veya yetersiz lehim gibi kusurları ortaya çıkarır. Bu sayede, elektrik bağlantılarının bozulmasına ve nihai montajın çalışmamasına neden olabilecek bu tür sorunlar erkenden önlenebilir.
Küresel Izgara Dizisi (BGA) Paketlerini Kullanmak İçin PCB Tasarım İpuçları
Ayak İzi Tasarımı:
Doğruluk: PCB düzeninize BGA paketinin ayak izini doğru bir şekilde yerleştirdiğinizden emin olun. Üreticinin veri sayfasındaki teknik özelliklere uymalısınız. Bu, lehim bilyesi aralığını (bilyeler arasındaki mesafe), ped çapını ve şablon açıklığı boyutunu içerir.
Lehim Maskesi: Lehim bilyesi pedinden biraz daha küçük bir lehim maskesi açıklığı tanımlayın. Lehim, montaj sırasında lehimin taşmasını önler.
Şablon Tasarımı: PCB üreticinizle iş birliği yaparak uygun şablon kalınlığını belirleyin. Ardından, lehim pastasının doğru şekilde birikmesi için gereken açıklık boyutunu belirleyin.
Isıl Tahliye Kanalları: BGA pedlerinin etrafına ısıl tahliye kanalları kullanmayı düşünün. Bu, paketten ısı dağılımını artıracaktır.
Katman Yığını:
Sinyal Bütünlüğü: Sinyal bütünlüğünü korumak için yüksek hızlı sinyaller için yeterli sayıda sinyal katmanı ve kontrollü empedans profilleri içeren uygun bir katman yığını seçin. BGA'ları yönlendirirken, sinyal karışmalarını ve yansımalarını önlemek için genellikle dikkatli bir planlama gerekir.
Güç ve Toprak Düzlemleri: Özellikle yüksek güçlü BGA'larla çalışırken, kararlı güç dağıtımı ve gürültü azaltma için ayrı güç ve toprak düzlemleri sağlayın.
Via Yönetimi: BGA'nın altında tıkanıklık oluşmasını önlerken sinyal yolu uzunluğunu en aza indirmek için via'ları stratejik olarak yerleştirin. Via-in-pad teknolojisi, BGA'dan iç katmanlara verimli yönlendirme için makul bir seçenektir.
Yönlendirme Stratejileri:
Fanout Deseni: PCB'nin yüzey katmanındaki ince aralıklı BGA bilyelerinden daha geniş izlere geçiş yaparken kontrollü bir fanout deseni kullanılmalıdır. Örnek olarak, yaygın olarak kullanılan köpek kemiği veya damla şekilleri verilebilir.
Kaçış Yönlendirmesi: BGA paket sinyalleri için kaçış yönlendirme yollarını verimli bir şekilde planlayın. Bu, genellikle kritik sinyallerin önceliklendirilmesini ve yönlendirme kanallarının işlevlerine ve katman atamalarına göre tahsis edilmesini içerir.
Yüksek Hızlı Hususlar: Yüksek hızlı sinyaller için, yol boyunca sabit bir empedans sağlayarak, keskin virajları veya uzunluk uyumsuzluklarını en aza indirerek yönlendirme yolu içinde empedans kesintisi olmadığından emin olun; kritik diferansiyel çiftler için diferansiyel yönlendirme tekniklerini kullanmayı düşünün
Üretilebilirlik için Tasarım (DFM):
Bileşen Yerleşimi: Bileşenler, X-ışını muayenesini engellemeyecek ve BGA etrafında yeterli yönlendirme boşlukları sağlayacak şekilde stratejik olarak yerleştirilmelidir.
Şablon Tasarımı: PCB üreticinizin, tüm BGA pedleri için lehim macununun düzgün bir şekilde biriktirildiğinden emin olmak için şablon tasarımınızı kontrol ettiğinden emin olun.
Montaj: Otomatik montaj süreçleri için PCB tasarımında BGA paketinin boyutu ve aralığı dikkate alınmalıdır. Ayrıca, alma ve yerleştirme ekipmanları ve bileşenlerin doğru şekilde taşınması için yeterli alan olmalıdır.
Test Edilebilirlik için Tasarım (DFT):
Test Noktaları: Montajdan sonra elektriksel testler için BGA sinyallerine özel test noktaları eklenmelidir.
Sınır Tarama (JTAG): BGA'da mevcutsa, devre içi testlere ve hata tespitine olanak tanıyan Sınır Tarama (JTAG) yeteneklerini kullanın.
Sonuç
Bir BGA paketine yönlendirme yaparken, gereken sinyal katmanlarının sayısını saymak ve bunları kontrollü empedans için düz katmanlarla iç içe geçirmek çok önemlidir. Eğimler inceldikçe, ped ve via boyutları küçülmeli ve sonunda mikro via veya ped içi via teknikleri gerekli hale gelmelidir. Ped boyutları ve lehim maskesi açıklıkları hakkında öneriler için daima veri sayfalarına bakın ve üreticinize danışın.
