Современная электроника становится всё компактнее, быстрее и производительнее, что создаёт серьёзную проблему корпусирования микросхем. Как разместить сотни или даже тысячи электрических соединений на кристалле размером чуть больше ногтя? Для большинства современных высокопроизводительных микросхем решением стал BGA — корпус для поверхностного монтажа с матрицей шариковых выводов.
Однако BGA — это не один конкретный корпус, а целое семейство технологий корпусирования. Разные типы BGA разрабатываются с учётом различных требований: стоимости, надёжности, отвода тепла, толщины корпуса или устойчивости к внешним воздействиям. Ошибка при выборе может привести к тому, что устройство, рассчитанное на десять лет работы, выйдет из строя уже через несколько месяцев. В других случаях конструкция может оказаться настолько дорогой, что проект не удастся перевести из стадии разработки в серийное производство.
В этой статье мы рассмотрим устройство корпусов BGA, основные типы корпусов BGA и различия между ними. Это поможет понять, какой вариант лучше соответствует требованиям конкретного электронного устройства.
Базовая конструкция корпуса BGA
BGA представляет собой корпус микросхемы с высокой плотностью соединений. Электрический контакт с печатной платой обеспечивается массивом шариковых выводов, расположенных на нижней стороне корпуса, а не металлическими выводами по его краям, как в более старых корпусах, например QFP.
Использование всей нижней поверхности позволяет разместить сотни линий ввода-вывода в компактном корпусе и одновременно улучшить электрические характеристики соединений.
Типичный корпус BGA состоит из четырёх основных элементов:
- Кремниевый кристалл — непосредственно микросхема, внутри которой расположены транзисторы и электрические цепи.
- Подложка — многослойная органическая или керамическая плата, которая соединяет миниатюрные контакты кристалла с более крупным массивом шариковых выводов.
- Шариковые выводы — расположены на нижней стороне подложки и обеспечивают механическое и электрическое соединение корпуса с печатной платой.
- Подзаливочный компаунд — эпоксидный материал, применяемый в корпусах с перевёрнутым кристаллом. Он заполняет пространство между кристаллом и подложкой, повышает механическую прочность и защищает соединения от механических и температурных напряжений.
Все рассматриваемые далее виды BGA основаны на этих четырёх элементах. Различия заключаются в материале подложки, способе соединения кристалла с подложкой и конструкции внешних выводов. Изменяя эти параметры, производители получают разные сочетания стоимости, электрических характеристик, тепловых свойств и надёжности.
Основные типы корпусов BGA
A. PBGA — пластиковый корпус BGA
PBGA является самым распространённым и широко используемым типом BGA.
В таком корпусе применяется органическая ламинированная подложка, обычно изготовленная на основе бисмалеимид-триазиновой смолы. Кристалл чаще всего соединяется с подложкой методом проволочного монтажа, хотя существуют и варианты с перевёрнутым кристаллом. Вся конструкция защищается пластиковым формовочным компаундом.
Типичный шаг шариковых выводов составляет 1,0 или 1,27 мм.
- Преимущества: низкая стоимость, хорошие электрические характеристики и относительно простое крупносерийное производство делают PBGA стандартным выбором для большинства устройств.
- Недостатки: тепловые характеристики и долговременная надёжность находятся на среднем уровне и уступают керамическим корпусам.
- Область применения: бытовая электроника, сетевые микросхемы, видеокарты и микросхемы общего назначения. PBGA подходит для устройств, в которых стоимость важнее устойчивости к экстремальным условиям эксплуатации.
B. CBGA — керамический корпус BGA
Когда надёжность является обязательным требованием, вместо пластикового корпуса может использоваться CBGA. Это один из наиболее надёжных типов корпусов BGA.
Вместо органического ламината в нём применяется керамическая подложка, обычно изготовленная из оксида алюминия или другого материала, устойчивого к высоким температурам. Соединение кристалла с подложкой выполняется методом проволочного монтажа или по технологии перевёрнутого кристалла.
Нередко используется герметичное или близкое к герметичному исполнение, защищающее внутренние элементы от влаги и загрязнений. Шаг шариковых выводов обычно составляет от 1,0 до 1,27 мм, как и у PBGA.
- Преимущества: высокая теплопроводность, превосходные электрические характеристики и высокая надёжность при многократных температурных циклах и эксплуатации в неблагоприятных условиях.
- Недостатки: керамические корпуса значительно дороже и тяжелее пластиковых вариантов.
- Область применения: аэрокосмическая техника, военное оборудование, высокопроизводительные серверы, медицинская аппаратура и другие устройства, в которых нельзя допускать снижения долговременной надёжности.
C. TBGA — ленточный корпус BGA
Если PBGA является универсальным вариантом, а CBGA предназначен для повышенной надёжности, то TBGA выбирают прежде всего ради минимальной толщины и небольшого веса.
В качестве подложки используется тонкая полиимидная лента, то есть гибкий материал вместо жёсткой платы. Соединение кристалла обычно выполняется методом проволочного монтажа или автоматизированного монтажа на ленту.
- Преимущества: малая высота корпуса, небольшой вес, гибкость и более низкая стоимость по сравнению с керамическими корпусами.
- Недостатки: менее эффективный отвод тепла и более низкая механическая прочность по сравнению с другими типами BGA.
- Область применения: тонкие мобильные устройства, портативная электроника и другие изделия, в которых важна каждая доля миллиметра общей толщины.
D. FBGA — корпус BGA с малым шагом выводов
FBGA представляет собой не отдельный способ изготовления, а вариант существующих типов BGA, оптимизированный для более высокой плотности соединений.
Его главным отличием является уменьшенный шаг шариковых выводов: 0,8, 0,65 или даже 0,5 мм вместо стандартных 1,0–1,27 мм.
- Преимущества: большее количество выводов можно разместить в корпусе такого же или даже меньшего размера. Это делает FBGA подходящим для микросхем с большим количеством линий ввода-вывода.
- Недостатки: уменьшенный шаг заметно усложняет разводку печатной платы и требует более строгих производственных и монтажных допусков.
- Область применения: микросхемы памяти высокой плотности, современные системы на кристалле и компактные устройства, в которых важен каждый квадратный миллиметр площади печатной платы.
E. Micro BGA — микрокорпус BGA
Дальнейшее уменьшение размеров привело к появлению Micro BGA — корпуса, разработанного специально для компактной портативной электроники.
Его главная особенность заключается в очень небольших габаритах в сочетании с малым шагом шариковых выводов, который часто составляет 0,5 мм или меньше. Соединение кристалла с подложкой обычно выполняется по технологии перевёрнутого кристалла или с помощью усовершенствованного проволочного монтажа.
- Преимущества: чрезвычайно компактный и лёгкий корпус, хорошо подходящий для устройств с жёсткими ограничениями по доступному пространству.
- Недостатки: малые размеры усложняют установку компонента, контроль качества и ремонт. Это необходимо учитывать как при производстве, так и при последующем обслуживании устройства.
- Область применения: смартфоны, носимая электроника, планшеты, слуховые аппараты и другие миниатюрные устройства, в которых доступное пространство крайне ограничено.
F. FCBGA — корпус BGA с перевёрнутым кристаллом
FCBGA применяется там, где от корпуса требуются особенно высокие электрические и тепловые характеристики. Этот тип BGA часто используется для современных высокопроизводительных процессоров.
Главное отличие заключается в способе соединения кристалла с подложкой. Вместо длинных проволочных соединений кристалл переворачивается активной стороной вниз и соединяется непосредственно с подложкой с помощью микровыводов припоя.
Такая конструкция полностью устраняет длинные проводные соединения.
- Преимущества: короткие пути прохождения сигнала обеспечивают одни из лучших электрических характеристик среди корпусов BGA, включая высокое быстродействие, низкую паразитную индуктивность и эффективный отвод тепла.
- Недостатки: высокая производительность достигается за счёт более сложного и дорогого производственного процесса.
- Область применения: центральные процессоры, графические процессоры, высокопроизводительные серверные микросхемы и другие высокочастотные устройства, в которых производительность важнее стоимости.
G. EBGA и TEPBGA — пластиковые корпуса BGA с улучшенным отводом тепла
Некоторые микросхемы выделяют значительное количество тепла, но при этом не требуют дорогостоящего керамического корпуса. Для таких случаев используются EBGA и TEPBGA — разновидности пластикового BGA с улучшенными тепловыми характеристиками.
Главной особенностью является встроенный металлический теплораспределитель или крышка, установленная в верхней части корпуса.
- Преимущества: значительно более эффективный отвод тепла по сравнению со стандартным PBGA при сохранении относительно невысокой стоимости.
- Область применения: микросхемы с высоким энергопотреблением и значительным тепловыделением, включая графические процессоры и микросхемы сетевых коммутаторов.
H. CCGA — керамический корпус с матрицей столбчатых выводов
Для наиболее тяжёлых условий эксплуатации используется CCGA — дальнейшее развитие конструкции керамического BGA.
Главное отличие отражено в самом названии. Вместо сферических шариков припоя в CCGA используются высокие цилиндрические припойные столбики.
- Преимущества: столбики легче деформируются при тепловом расширении и сжатии материалов. Благодаря этому CCGA обладает большей механической податливостью и лучше выдерживает интенсивные многократные температурные циклы.
- Недостатки: увеличенная высота выводов и керамическая конструкция делают корпус более крупным и дорогим по сравнению с другими вариантами.
- Область применения: аэрокосмическая техника, военное оборудование и автомобильная электроника, которая должна выдерживать серьёзные и многократные перепады температуры.
Требования к проектированию печатных плат под BGA
Проектирование посадочного места BGA
Правильная геометрия контактных площадок является основой надёжного монтажа BGA:
- Диаметр контактной площадки обычно должен быть немного меньше диаметра шарикового вывода и составлять приблизительно 80–90% его размера.
- Для большинства пластиковых корпусов BGA рекомендуется использовать контактные площадки, не ограниченные паяльной маской. Такая конструкция обычно обеспечивает более высокую надёжность паяного соединения.
- Для керамических корпусов BGA могут применяться контактные площадки, ограниченные паяльной маской, если требуется более прочное механическое соединение.
- Размеры и геометрию посадочного места следует выбирать по рекомендациям производителя, указанным в технической документации на компонент, а не определять самостоятельно.
Варианты размещения переходных отверстий
Расположение переходных отверстий под контактными площадками BGA или рядом с ними является одним из ключевых решений при проектировании печатной платы. Обычно применяются три основных подхода.
Вынесенное переходное отверстие
При такой схеме переходное отверстие располагается немного в стороне от контактной площадки и соединяется с ней коротким проводником.
- Преимущества: относительно простое производство; хорошо подходит для корпусов с шагом выводов 1,0 и 0,8 мм.
- Недостатки: требует больше пространства для трассировки по сравнению с другими решениями.
Переходное отверстие в контактной площадке
В этом случае переходное отверстие выполняется непосредственно внутри контактной площадки BGA, после чего заполняется и металлизируется.
- Преимущества: значительно экономит пространство для разводки. Такой подход особенно важен для корпусов с шагом выводов 0,65 мм и меньше.
- Недостатки: увеличивает стоимость производства из-за необходимости заполнения переходных отверстий. Если отверстие не заполнено или не закрыто должным образом, припой может затекать внутрь во время монтажа.
Микропереходы в HDI-платах
Это очень маленькие переходные отверстия, выполненные лазерным сверлением непосредственно под контактными площадками. Обычно они применяются в многослойных печатных платах высокой плотности.
Вывод трасс из-под корпуса BGA
Вывод трасс из-под BGA — это процесс подключения скрытых шариковых выводов к остальным участкам печатной платы. Когда сотни выводов расположены в небольшой матрице, такая разводка становится сложной инженерной задачей.
Обычно применяются следующие стратегии:
- Внешние ряды разводятся на верхнем слое с использованием вынесенных переходных отверстий.
- Внутренние ряды через переходные отверстия выводятся на внутренние слои. Для наиболее плотных корпусов BGA часто применяются переходные отверстия в контактных площадках.
- Веерная разводка представляет собой радиальную схему, при которой проводники расходятся наружу от центра корпуса.
В заключение
По мере увеличения плотности и специализации микросхем существующие типы корпусов BGA будут продолжать развиваться, дополнять друг друга и частично пересекаться по своим возможностям. Могут появиться новые виды BGA, но основные вопросы останутся прежними: можно ли правильно развести корпус на печатной плате, можно ли обеспечить стабильный монтаж и можно ли проверить скрытые паяные соединения после сборки?
YPCB выполняет производство печатных плат под BGA и монтаж компонентов в корпусах BGA. До запуска производства мы можем проверить структуру и разводку платы, а после сборки провести рентгеновский контроль, чтобы выявить дефекты соединений, которые невозможно обнаружить при обычном визуальном осмотре.
Часто задаваемые вопросы
Нет. Он нужен в основном там, где плата будет испытывать удары, вибрацию или частые перепады температуры.
Не всегда. Даже при одинаковом количестве выводов могут отличаться шаг, размеры корпуса, расположение контактов и требования к пайке.
Да, но для этого нужна специализированная ремонтная станция. После снятия микросхемы нередко приходится заново формировать шариковые выводы.
Не для каждой платы. Но при первом запуске, малом шаге выводов и высоких требованиях к надёжности рентгеновский контроль крайне желателен.
Да, если компонент долго хранился вне герметичной упаковки.
Обычным паяльником — нет. Для единичного ремонта используют станцию с нижним подогревом и точным контролем температуры.
Обычно из-за неравномерного нагрева или слишком высокой температуры. Это может привести к неполному контакту шариков с площадками.