Cos'è la griglia a sfera (BGA)?Vantaggi, tipi, processo di assemblaggio
2024-09-09 2636

I pacchetti di array a sfera (BGA) sono diventati molto popolari in elettronica, in particolare per i circuiti integrati montati sulla superficie (SMD ICS) che richiedono molte connessioni in un piccolo spazio.A differenza dei progetti più vecchi, che posizionano connessioni attorno ai bordi del chip, BGA utilizza la parte inferiore del chip per le connessioni.Ciò semplifica la progettazione di circuiti stampati (PCB) riducendo il disordine e consentendo layout più compatti.Questo articolo esplora perché i pacchetti BGA sono preferiti, i vantaggi che offrono, gli ioni V ariat dei progetti BGA e le sfide affrontate durante l'assemblaggio e la rielaborazione.In elettronica di consumo o applicazioni industriali, la tecnologia BGA migliora la progettazione e la produzione dei circuiti.

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Figura 1: array di griglia a sfera (BGA)

Perché i pacchetti Ball Grid Array (BGA) sono preferiti?

Un array di griglia a sfera (BGA) è un tipo di imballaggio a montaggio superficiale utilizzato per i circuiti integrati (ICS).Presenta palline di saldatura sul lato inferiore del chip anziché sui perni tradizionali che lo rendono ideale per i dispositivi che richiedono un'elevata densità di connessione in un piccolo spazio.I pacchetti Ball Grid Array (BGA) rappresentano un grave miglioramento rispetto alla vecchia design quad Flat Pack (QFP) nella produzione di elettronica.I QFP, con i loro perni sottili e spaziati, sono vulnerabili alla flessione o alla rottura.Rende le riparazioni impegnative e costose, soprattutto per i circuiti con molti pin.

I pin strettamente confezionati su QFPS pongono anche problemi durante la progettazione di circuiti stampati (PCB).La spaziatura stretta può causare la congestione della binario, rendendo più difficile instradare le connessioni in modo efficiente.Questa congestione può danneggiare sia il layout che le prestazioni del circuito.Inoltre, la precisione richiesta per saldare i pin QFP aumenta il rischio di creare ponti indesiderati tra i pin, causando potenzialmente il malfunzionamento del circuito.

I pacchetti BGA risolvono molti di questi problemi.Invece di perni fragili, i BGA usano le sfere di saldatura posizionate sotto il chip che riduce la possibilità di danni fisici e consente un design PCB più spazioso e meno congestionato.Questo layout semplifica la produzione, migliorando al contempo l'affidabilità dei giunti di saldatura.Di conseguenza, i BGA sono diventati lo standard del settore.Utilizzando strumenti e tecniche specializzate, la tecnologia BGA non solo semplifica il processo di produzione, ma migliora anche la progettazione complessiva e le prestazioni dei componenti elettronici.

Vantaggi della tecnologia Ball Grid Array (BGA)

La tecnologia Ball Grid Array (BGA) ha trasformato il modo in cui i circuiti integrati (IC) sono confezionati.Ciò porta a miglioramenti sia nella funzionalità che nell'efficienza.Questi miglioramenti non solo semplificano il processo di produzione, ma vanno anche a beneficio delle prestazioni dei dispositivi utilizzando questi circuiti.

Figura 2: array di griglia a sfera (BGA)

Uno dei vantaggi della confezione BGA è il suo uso efficiente dello spazio sui circuiti stampati (PCB).I pacchetti tradizionali posizionano connessioni attorno ai bordi del chip, occupando più spazio.I pacchetti BGA, tuttavia, posizionano le palle di saldatura sotto il chip, che libera spazio prezioso sul tabellone.

I BGA offrono anche prestazioni termiche ed elettriche superiori.Il design consente i piani di potenza e terra, riducendo l'induttanza e garantendo segnali elettrici più puliti.Ciò porta a una migliore integrità del segnale, che è importante nelle applicazioni ad alta velocità.Inoltre, il layout dei pacchetti BGA facilita una migliore dissipazione del calore, impedendo il surriscaldamento in elettronica che produce molto calore durante il funzionamento, come i processori e le schede grafiche.

Anche il processo di assemblaggio per i pacchetti BGA è più semplice.Invece di aver bisogno di saldare piccoli spille lungo il bordo di un chip, le palle di saldatura sotto un pacchetto BGA forniscono una connessione più robusta e affidabile.Ciò si traduce in meno difetti durante la produzione e contribuisce a una maggiore efficienza di produzione, in particolare negli ambienti di produzione di massa.

Un altro vantaggio della tecnologia BGA è la sua capacità di supportare i progetti di dispositivi più sottili.I pacchetti BGA sono più sottili dei vecchi progetti di chip che consentono ai produttori di creare dispositivi più eleganti e più compatti senza sacrificare le prestazioni.Ciò è particolarmente importante per l'elettronica portatile come smartphone e laptop, dove dimensioni e peso sono fattori critici.

Oltre alla loro compattezza, i pacchetti BGA semplificano la manutenzione e le riparazioni.I cuscinetti di saldatura più grandi sotto il chip semplificano il processo di rielaborazione o aggiornamento della scheda, che può prolungare la durata del dispositivo.Ciò è vantaggioso per le apparecchiature ad alta tecnologia che richiedono affidabilità a lungo termine.

Nel complesso, la combinazione di design per risparmio spaziale, prestazioni migliorate, produzione semplificata e riparazioni più facili ha reso la tecnologia BGA la scelta preferita per l'elettronica moderna.Sia nei dispositivi di consumo o nelle applicazioni industriali, i BGA offrono una soluzione affidabile ed efficiente per le complesse esigenze elettroniche di oggi.

Comprensione del pacchetto Ball Grid Array (BGA)

A differenza del metodo QFP (Old Quad Flat Pack (QFP) che collega i pin lungo i bordi del chip, BGA utilizza la parte inferiore del chip per le connessioni.Questo layout libera lo spazio e consente un uso più efficiente della scheda, evitando i vincoli associati alla dimensione e alla spaziatura del pin.

In un pacchetto BGA, le connessioni sono disposte in una griglia sotto il chip.Invece dei perni tradizionali, vengono utilizzate piccole palline di saldatura per formare le connessioni.Queste sfere di saldatura corrispondono ai corrispondenti cuscinetti in rame sul circuito stampato (PCB), creando punti di contatto stabili e affidabili quando il chip è montato.Questa struttura non solo migliora la durata della connessione, ma semplifica anche il processo di assemblaggio, poiché l'allineamento e la saldatura dei componenti è più semplice.

Uno dei vantaggi dei pacchetti BGA è la loro capacità di gestire il calore in modo più efficace.Riducendo la resistenza termica tra il chip di silicio e il PCB, i BGA aiutano a dissipare il calore in modo più efficiente.Ciò è particolarmente importante nell'elettronica ad alte prestazioni, in cui la gestione del calore è importante per mantenere un funzionamento stabile e estendere la durata della durata dei componenti.

Un altro vantaggio sono i conduttori più brevi tra il chip e il tabellone, grazie al layout sulla parte inferiore del vettore di chip.Ciò riduce al minimo l'induttanza di piombo, migliorando l'integrità del segnale e le prestazioni complessive.Pertanto, rende i pacchetti BGA l'opzione preferita per i moderni dispositivi elettronici.

Diverse varianti di pacchetti di array di griglia a sfera (BGA)

Figura 3: pacchetto Ball Grid Array (BGA)

La tecnologia di imballaggio Ball Grid Array (BGA) si è evoluta per soddisfare le varie esigenze dell'elettronica moderna, da prestazioni e costi alle dimensioni e alla gestione del calore.Questi diversi requisiti hanno portato alla creazione di diverse varianti BGA.

Array a sfera per il processo a matrice (MAPBGA) è progettato per dispositivi che non richiedono prestazioni estreme ma richiedono ancora affidabilità e compattezza.Questa variante è conveniente, con bassa induttanza, che rende facile da montare in superficie.Le sue dimensioni e durata ridotte lo rendono una scelta pratica per una vasta gamma di elettronica a bassa a medio.

Per dispositivi più impegnativi, l'array di griglia a sfera di plastica (PBGA) offre funzionalità migliorate.Come MAPBGA, fornisce una bassa induttanza e un facile montaggio, ma con ulteriori strati di rame nel substrato per gestire requisiti di potenza più elevati.Ciò rende PBGA adatto ai dispositivi medio-alte che richiedono una dissipazione di potenza più efficiente mantenendo l'affidabilità affidabile.

Quando la gestione del calore è preoccupata, l'array di griglia a sfera di plastica (TEPBGA) a tempo migliorato.Utilizza piani di rame spessi all'interno del suo substrato per allontanare il calore in modo efficiente dal chip, garantendo che i componenti termicamente sensibili funzionino alle prestazioni di picco.Questa variante è ideale per applicazioni in cui un'efficace gestione termica è una priorità assoluta.

L'array di griglia a sfera (TBGA) è progettato per applicazioni ad alte prestazioni in cui è richiesta una gestione del calore superiore ma lo spazio è limitato.Le sue prestazioni termiche sono eccezionali senza la necessità di un dissipatore di calore esterno, rendendolo ideale per gli assiemi compatti in dispositivi di fascia alta.

In situazioni in cui lo spazio è particolarmente vincolato, Package on Package (POP) offre una soluzione innovativa.Consente di impilare più componenti, come il posizionamento di un modulo di memoria direttamente sopra un processore, massimizzando la funzionalità all'interno di un'impronta molto piccola.Ciò rende il pop molto utile nei dispositivi in ​​cui lo spazio è premium, come smartphone o tablet.

Per i dispositivi ultra-compatti, la variante microbga è disponibile in piazzole piccoli di 0,65, 0,75 e 0,8 mm.Le sue dimensioni minuscole gli consentono di adattarsi all'elettronica densamente imballata, rendendolo un'opzione preferita per dispositivi altamente integrati in cui ogni millimetro conta.

Ognuna di queste varianti BGA mostra l'adattabilità della tecnologia BGA, fornendo soluzioni su misura per soddisfare le esigenze in continua evoluzione del settore elettronico.Che si tratti di efficacia in termini di costi, gestione termica o ottimizzazione dello spazio, esiste un pacchetto BGA adatto praticamente a qualsiasi applicazione.

Processo di assemblaggio della griglia a sfera (BGA)

Quando furono introdotti i pacchetti per la griglia a sfera (BGA), c'erano preoccupazioni su come assemblarli in modo affidabile.I pacchetti tradizionali per la tecnologia del supporto superficiale (SMT) avevano cuscinetti accessibili per una facile saldatura, ma i BGA hanno presentato una sfida diversa grazie alle loro connessioni sotto il pacchetto.Ciò ha sollevato dubbi sul fatto che i BGA potessero essere saldati in modo affidabile durante la produzione.Tuttavia, queste preoccupazioni sono state rapidamente messe a riposo quando è stato scoperto che le tecniche di saldatura di riflusso standard erano altamente efficaci nell'assemblare i BGA, con conseguenti articolazioni costantemente affidabili.

Figura 4: Gruppo array di griglia a sfera

Il processo di saldatura BGA si basa sul controllo preciso della temperatura.Durante la saldatura di riflusso, l'intero gruppo viene riscaldato in modo uniforme, comprese le sfere di saldatura sotto il pacchetto BGA.Queste palline di saldatura sono pre-co-coate con la quantità esatta di saldatura richiesta per la connessione.Man mano che la temperatura aumenta, la saldatura si scioglie e forma la connessione.La tensione di superficie aiuta il pacchetto BGA autoallineare con i pad corrispondenti sul circuito.La tensione superficiale funge da guida, garantendo che le palle di saldatura rimangono in posizione durante la fase di riscaldamento.

Mentre la saldatura si raffredda, passa attraverso una breve fase in cui rimane parzialmente fuso.Questo è importante per consentire a ciascuna sfera di saldatura di stabilirsi nella sua posizione corretta senza fondersi con le palline vicine.La lega specifica utilizzata per la saldatura e il processo di raffreddamento controllato assicurano che i giunti di saldatura si formino correttamente e mantengano la separazione.Questo livello di controllo aiuta per il successo dell'assemblaggio BGA.

Nel corso degli anni, i metodi utilizzati per assemblare i pacchetti BGA sono stati perfezionati e standardizzati, rendendoli parte integrante della moderna produzione di elettronica.Oggi, questi processi di assemblaggio sono perfettamente incorporati nelle linee di produzione e le preoccupazioni iniziali sull'affidabilità dei BGA sono in gran parte scomparse.Di conseguenza, i pacchetti BGA sono ora considerati una scelta affidabile ed efficace per i progetti di prodotti elettronici, offrendo durabilità e precisione per circuiti complessi.

Sfide e soluzioni

Una delle principali sfide con i dispositivi BGA (Ball Grid Array) è che le connessioni saldate sono nascoste sotto il chip.Ciò li rende impossibili da ispezionare visivamente usando metodi ottici tradizionali.Ciò inizialmente ha sollevato preoccupazioni sull'affidabilità delle assemblee BGA.In risposta, i produttori hanno messo a punto i loro processi di saldatura, garantendo che il calore sia applicato uniformemente attraverso il gruppo.Questa distribuzione di calore uniforme è necessaria per sciogliere correttamente tutte le sfere di saldatura e proteggere i collegamenti solidi in ciascun punto all'interno della griglia BGA.

Mentre i test elettrici possono confermare se il dispositivo funziona, non è sufficiente garantire l'affidabilità a lungo termine.Una connessione potrebbe sembrare elettricamente valida durante i test iniziali, ma se l'articolazione della saldatura è debole o formata in modo improprio, potrebbe fallire nel tempo.Per risolvere questo problema, l'ispezione a raggi X è diventata il metodo di riferimento per verificare l'integrità dei giunti di saldatura BGA.I raggi X forniscono uno sguardo dettagliato alle connessioni saldate sotto il chip, consentendo ai tecnici di individuare eventuali potenziali problemi.Con le impostazioni di calore corrette e metodi di saldatura precisi, i BGA mostrano in genere articolazioni di alta qualità, migliorando l'affidabilità complessiva dell'assemblaggio.

Riewing di schede dotate di BGA

La rielaborazione di un circuito che utilizza BGA può essere un processo delicato e complesso, che richiede spesso strumenti e tecniche specializzate.Il primo passo nella rielaborazione prevede la rimozione del BGA difettoso.Questo viene fatto applicando il calore localizzato direttamente alla saldatura sotto il chip.Le stazioni di rielaborazione specializzate sono dotate di riscaldatori a infrarossi per riscaldare attentamente il BGA, le termocoppie per monitorare la temperatura e uno strumento a vuoto per sollevare il chip una volta che la saldatura si è sciolta.È importante controllare il riscaldamento in modo che solo il BGA sia colpito, impedendo danni ai componenti vicini.

Riparazione e ristampa di BGA

Dopo che un BGA è stato rimosso, può essere sostituito con un nuovo componente o, in alcuni casi, rinnovato.È un metodo di riparazione comune che prevede la sostituzione delle palline di saldatura su un BGA che è ancora funzionale.Questa è un'opzione economica per chip costosi, in quanto consente di riutilizzare il componente piuttosto che scartare.Molte aziende offrono servizi e attrezzature specializzate per la revoca della BGA, contribuendo a prolungare la vita di componenti preziosi.

Nonostante le prime preoccupazioni per la difficoltà di ispezionare i giunti di saldatura BGA, la tecnologia ha fatto passi da gigante.Innovazioni nella progettazione di circuiti stampati (PCB), tecniche di saldatura migliorate come il reflow a infrarossi e l'integrazione di metodi di ispezione a raggi X affidabili hanno contribuito a risolvere le sfide iniziali associate al BGA.Inoltre, i progressi nelle tecniche di rielaborazione e riparazione hanno assicurato che i BGA possano essere utilizzati in modo affidabile in una vasta gamma di applicazioni.Questi miglioramenti hanno aumentato la qualità e l'affidabilità dei prodotti che incorporano la tecnologia BGA.

Conclusione

L'adozione di pacchetti di array di griglia a sfera (BGA) nell'elettronica moderna è stata guidata dai loro numerosi benefici, tra cui una gestione termica superiore, una ridotta complessità dell'assemblaggio e un design per risparmiare spazio.Superando le sfide iniziali come le articolazioni di saldature nascoste e le difficoltà di rielaborazione, la tecnologia BGA è diventata la scelta preferita in diverse applicazioni.Dai dispositivi mobili compatti ai sistemi di elaborazione ad alte prestazioni, i pacchetti BGA forniscono una soluzione affidabile ed efficiente per l'elettronica complessa di oggi.