Una matriz de rejilla de bolas ( BGA ) es un tipo de embalaje de montaje en superficie (un portador de chip ) que se utiliza para circuitos integrados . Los paquetes BGA se utilizan para montar de forma permanente dispositivos como microprocesadores . Un BGA puede proporcionar más pines de interconexión de los que se pueden colocar en un paquete doble en línea o plano . Se puede utilizar toda la superficie inferior del dispositivo, en lugar de solo el perímetro. Los trazos que conectan los cables del paquete a los cables o bolas que conectan el troquel al paquete también son en promedio más cortos que con un tipo de perímetro únicamente, lo que conduce a un mejor rendimiento a altas velocidades. [ cita requerida ]
La soldadura de dispositivos BGA requiere un control preciso y generalmente se realiza mediante procesos automatizados, como los hornos de reflujo automáticos controlados por computadora .
Descripción
El BGA desciende de la matriz de cuadrícula de pines (PGA), que es un paquete con una cara cubierta (o parcialmente cubierta) con pines en un patrón de cuadrícula que, en funcionamiento, conduce señales eléctricas entre el circuito integrado y la placa de circuito impreso ( PCB) en el que se coloca. En un BGA, los pines se reemplazan por almohadillas en la parte inferior del paquete, cada una inicialmente con una pequeña bola de soldadura pegada a ella. Estas esferas de soldadura se pueden colocar manualmente o con un equipo automatizado y se mantienen en su lugar con un fundente pegajoso. [1] El dispositivo se coloca en un PCB con almohadillas de cobre en un patrón que coincide con las bolas de soldadura. A continuación, el conjunto se calienta, ya sea en un horno de reflujo o mediante un calentador de infrarrojos , derritiendo las bolas. La tensión superficial hace que la soldadura fundida mantenga el paquete alineado con la placa de circuito, a la distancia de separación correcta, mientras que la soldadura se enfría y solidifica, formando conexiones soldadas entre el dispositivo y la PCB.
En tecnologías más avanzadas, las bolas de soldadura se pueden usar tanto en la PCB como en el paquete. Además, en los módulos apilados de varios chips , se utilizan bolas de soldadura ( paquete sobre paquete ) para conectar dos paquetes.
Ventajas
Alta densidad
El BGA es una solución al problema de producir un paquete en miniatura para un circuito integrado con muchos cientos de pines. Los arreglos de rejilla de pines y los paquetes de montaje en superficie dual en línea ( SOIC ) se estaban produciendo con más y más pines, y con un espacio cada vez menor entre los pines, pero esto estaba causando dificultades para el proceso de soldadura. A medida que los pines del paquete se acercaban, aumentaba el peligro de unir accidentalmente pines adyacentes con soldadura.
Conduccion de calor
Una ventaja adicional de los paquetes BGA sobre los paquetes con cables discretos (es decir, paquetes con patas) es la menor resistencia térmica entre el paquete y la PCB. Esto permite que el calor generado por el circuito integrado dentro del paquete fluya más fácilmente hacia la PCB, evitando que el chip se sobrecaliente.
Cables de baja inductancia
Cuanto más corto es un conductor eléctrico, menor es su inductancia no deseada , una propiedad que provoca una distorsión no deseada de las señales en los circuitos electrónicos de alta velocidad. Los BGA, con su distancia muy corta entre el paquete y la PCB, tienen inductancias de plomo bajas, lo que les proporciona un rendimiento eléctrico superior a los dispositivos con clavijas.
Desventajas
Falta de cumplimiento
Una desventaja de los BGA es que las bolas de soldadura no pueden flexionarse de la forma en que lo hacen los cables más largos, por lo que no cumplen mecánicamente . Al igual que con todos los dispositivos de montaje en superficie, la flexión debido a una diferencia en el coeficiente de expansión térmica entre el sustrato de PCB y BGA (tensión térmica) o la flexión y vibración (tensión mecánica) puede hacer que las juntas de soldadura se fracturen.
Los problemas de expansión térmica pueden superarse haciendo coincidir las características mecánicas y térmicas de la PCB con las del paquete. Normalmente, los dispositivos BGA de plástico se ajustan más a las características térmicas de la PCB que los dispositivos cerámicos.
El uso predominante de ensamblajes de aleación de soldadura sin plomo que cumplen con RoHS ha presentado algunos desafíos adicionales para los BGA, incluido el fenómeno de soldadura " cabeza en almohada " [2] , problemas de " formación de almohadillas ", así como su menor confiabilidad en comparación con los BGA de soldadura a base de plomo en extremo condiciones de funcionamiento tales como entornos de alta temperatura, alto choque térmico y alta fuerza gravitacional, en parte debido a la menor ductilidad de las soldaduras que cumplen con RoHS. [3]
Los problemas de estrés mecánico pueden superarse uniendo los dispositivos a la placa mediante un proceso llamado "llenado insuficiente", [4] que inyecta una mezcla de epoxi debajo del dispositivo después de que se suelda a la PCB, pegando efectivamente el dispositivo BGA a la PCB. Se utilizan varios tipos de materiales de relleno inferior con diferentes propiedades en relación con la trabajabilidad y la transferencia térmica. Una ventaja adicional del relleno insuficiente es que limita el crecimiento de los bigotes de estaño .
Otra solución para las conexiones no compatibles es colocar una "capa compatible" en el paquete que permita que las bolas se muevan físicamente en relación con el paquete. Esta técnica se ha convertido en estándar para empaquetar DRAM en paquetes BGA.
Otras técnicas para aumentar la confiabilidad de los paquetes a nivel de placa incluyen el uso de PCB de baja expansión para paquetes de cerámica BGA (CBGA), intercaladores entre el paquete y el PCB y volver a empaquetar un dispositivo. [4]
Dificultad de inspección
Una vez que el paquete está soldado en su lugar, es difícil encontrar fallas de soldadura. Se han desarrollado máquinas de rayos X , máquinas de exploración por TC industriales , [5] microscopios especiales y endoscopios para mirar debajo del paquete soldado para superar este problema. Si se encuentra que un BGA está mal soldado, se puede quitar en una estación de retrabajo , que es una plantilla equipada con lámpara de infrarrojos (o aire caliente), un termopar y un dispositivo de vacío para levantar el paquete. El BGA se puede reemplazar por uno nuevo, o se puede restaurar (o cambiar de nombre ) y reinstalar en la placa de circuito. Las bolas de soldadura preconfiguradas que coinciden con el patrón de la matriz se pueden usar para volver a formar BGA cuando solo es necesario volver a trabajar una o unas pocas. Para un mayor volumen y trabajo de laboratorio repetido, se puede utilizar un cabezal de aspiración configurado con plantilla para recoger y colocar esferas sueltas.
Debido al costo de la inspección visual de rayos X BGA, las pruebas eléctricas se utilizan con mucha frecuencia en su lugar. Muy común es la prueba de escaneo de límites usando un puerto IEEE 1149.1 JTAG .
Un método de inspección más barato y sencillo, aunque destructivo, se está volviendo cada vez más popular porque no requiere equipo especial. Comúnmente conocido como tinte y palanca , el proceso incluye sumergir todo el PCB o solo el módulo adjunto BGA en un tinte , y después del secado, se extrae el módulo y se inspeccionan las uniones rotas. Si una ubicación de soldadura contiene el tinte, indica que la conexión fue imperfecta. [6]
Dificultades durante el desarrollo del circuito
Durante el desarrollo, no es práctico soldar BGA en su lugar, y en su lugar se utilizan enchufes, pero tienden a ser poco fiables. Hay dos tipos comunes de casquillo: el tipo más confiable tiene pasadores de resorte que empujan hacia arriba debajo de las bolas, aunque no permite el uso de BGA sin las bolas, ya que los pasadores de resorte pueden ser demasiado cortos.
El tipo menos confiable es un zócalo ZIF , con pinzas de resorte que agarran las bolas. Esto no funciona bien, especialmente si las bolas son pequeñas. [ cita requerida ]
Costo del equipo
Se requiere un equipo costoso para soldar de manera confiable los paquetes BGA; Soldar a mano paquetes BGA es muy difícil y poco confiable, solo se puede usar para los paquetes más pequeños en las cantidades más pequeñas. [ cita requerida ] Sin embargo, como más circuitos integrados están disponibles solo en paquetes sin cables (por ejemplo, paquete quad-flat sin cables ) o paquetes BGA, se han desarrollado varios métodos de reflujo de bricolaje utilizando fuentes de calor económicas como pistolas de calor y hornos tostadores domésticos y sartenes eléctricos. [7]
Variantes
- CABGA : matriz de rejilla de bolas de matriz de chips
- CBGA y PBGA denotan la c eramic o p material de sustrato lastic al que se une la matriz.
- CTBGA : matriz de rejilla de bola de matriz de chip delgado
- CVBGA : matriz de rejilla de bola de matriz de chip muy delgada
- DSBGA : matriz de cuadrícula de bolas del tamaño de una matriz
- FBGA : matriz de rejilla de bola fina basada en la tecnología de matriz de rejilla de bola . Tiene contactos más delgados y se utiliza principalmente en diseños de sistema en un chip ;
también conocido como matriz de rejilla de bola de paso fino ( JEDEC -Estándar [8] ) o
BGA línea fina por Altera . No confundir con BGA fortificado. [9] - FCmBGA : matriz de rejilla de bola moldeada con chip abatible
- LBGA : matriz de rejilla de bolas de perfil bajo
- LFBGA : matriz de rejilla de bola de paso fino de perfil bajo
- MBGA : matriz de rejilla de micro bolas
- MCM-PBGA : matriz de rejilla de bolas de plástico con módulo de varios chips
- PBGA : matriz de rejilla de bolas de plástico
- SuperBGA (SBGA) : matriz de cuadrícula de súper bolas
- TABGA : matriz de cintas BGA
- TBGA : BGA delgado
- TEPBGA : matriz de rejilla de bolas de plástico mejorada térmicamente
- TFBGA o matriz de rejilla de bola delgada y fina
- UFBGA y UBGA y matriz de cuadrícula de bola ultrafina basada en una matriz de cuadrícula de bola de lanzamiento.
- VFBGA : matriz de rejilla de bola de paso muy fino
- WFBGA : matriz de rejilla de bola de paso fino de perfil muy muy fino
Para facilitar el uso de dispositivos de matriz de rejilla de bolas, la mayoría de los paquetes BGA solo tienen bolas en los anillos exteriores del paquete, dejando el cuadrado más interno vacío.
Intel usó un paquete designado BGA1 para sus procesadores móviles Pentium II y Celeron . BGA2 es el paquete de Intel para su Pentium III y algunos procesadores móviles Celeron posteriores. BGA2 también se conoce como FCBGA-479. Reemplazó a su predecesor, BGA1.
Por ejemplo, el "micro-FCBGA" (matriz de rejilla de bola con chip invertido) es el actual de Intel [ ¿cuándo? ] Método de montaje BGA para procesadores móviles que utilizan una tecnología de unión de chip flip . Se introdujo con el Coppermine Mobile Celeron. [ cita requerida ] Micro-FCBGA tiene 479 bolas que tienen 0,78 mm de diámetro. El procesador se fija a la placa base soldando las bolas a la placa base. Es más delgado que una disposición de zócalos de matriz de rejilla de pines, pero no es extraíble.
Los 479 bolas del paquete Micro-FCBGA (un paquete casi idéntica a la Para enchufe de 478 pines micro-FCPGA paquete) están dispuestos como los 6 anillos exteriores de un campo de 1,27 mm (20 bolas por paso pulgada) 26x26 rejilla cuadrada, con el región interior 14x14 vacía. [10] [11]
Obtención
Los usuarios finales principales de los BGA son los fabricantes de equipos originales (OEM). También hay un mercado entre los aficionados a la electrónica hágalo usted mismo (bricolaje) , como el cada vez más popular movimiento maker . [12] Si bien los OEM generalmente obtienen sus componentes del fabricante o del distribuidor del fabricante, el aficionado generalmente obtendrá BGA en el mercado de accesorios a través de intermediarios o distribuidores de componentes electrónicos .
Ver también
- Paquete doble en línea (DIP)
- Matriz de cuadrícula de pines (PGA)
- Matriz de rejilla terrestre (LGA)
- Paquete plano cuádruple delgado (TQFP)
- Circuito integrado de contorno pequeño (SOIC)
- Portador de chips: embalaje de chips y lista de tipos de paquetes
- Matriz de rejilla de bola de nivel de oblea integrada
Referencias
- ^ "Soldadura 101 - Una descripción básica" . Archivado desde el original el 3 de marzo de 2012 . Consultado el 29 de diciembre de 2010 .
- ^ Alpha (15 de marzo de 2010) [septiembre de 2009]. "Reducción de los defectos de la cabeza en la almohada - Defectos de la cabeza en la almohada: causas y posibles soluciones" . 3. Archivado desde el original el 3 de diciembre de 2013 . Consultado el 18 de junio de 2018 .
- ^ "TEERM - Proyecto activo TEERM - Electrónica sin plomo NASA-DOD (Proyecto 2)" . Teerm.nasa.gov. Archivado desde el original el 8 de octubre de 2014 . Consultado el 21 de marzo de 2014 .
- ^ a b Tecnología de estado sólido: rellenos inferiores de BGA: aumento de la fiabilidad de las juntas de soldadura a nivel de placa, 01/12/2001
- ^ "Servicios de CT - Descripción general". Jesse Garant & Associates. 17 de agosto de 2010. "Copia archivada" . Archivado desde el original el 23 de septiembre de 2010 . Consultado el 24 de noviembre de 2010 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
- ^ "Tinte y palanca de juntas de soldadura BGA" (PDF) . cascade-eng.com. 2013-11-22. Archivado desde el original (PDF) el 16 de octubre de 2011 . Consultado el 22 de marzo de 2014 .
- ^ Tutoriales de Sparkfun: Sartén de reflujo, julio de 2006
- ^ Requisitos de diseño: paquete de matriz de cuadrícula de bolas de tono fino (FBGA) DR-4.27D , jedec.org, MAR 2017
- ^ Ryan J. Leng. "Los secretos de la memoria de la PC: parte 2" . 2007.
- ^ Intel. "Procesador Intel Celeron móvil (0.13 μ) en paquetes Micro-FCBGA y Micro-FCPGA". Ficha técnica . 2002.
- ^ FCBGA-479 (Micro-FCBGA)
- ^ "Más que un simple acolchado digital: el movimiento" maker "podría cambiar la forma en que se enseña la ciencia e impulsar la innovación. Puede incluso presagiar una nueva revolución industrial" . The Economist . 3 de diciembre de 2011.
enlaces externos
- Información del paquete PBGA de Amkor Technology
- Información del paquete PBGA de J-Devices Corporation