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Ball Grid Array, BGA

Ball Grid Array, BGA

Le Ball Grid Array est devenu de plus en plus populaire pour les circuits intégrés SMD qui nécessitent des connexions haute densité. En utilisant le dessous du boîtier IC plutôt que les connexions autour du bord, cela permet de réduire la densité de connexion, ce qui simplifie la disposition du PCB.

Le principal problème lié à l'utilisation de boîtiers SMD BGA IC est que l'utilisation de la face inférieure de la puce signifie qu'un accès direct aux connexions n'est pas possible, ce qui rend le soudage, le dessoudage et l'inspection plus difficiles. Cependant, avec l'équipement de production de circuits imprimés de grande ligne, ces problèmes sont faciles à surmonter et la fiabilité et les performances globales peuvent être améliorées.

Justification de l'utilisation de BGA

Il y a une justification à l'introduction et à l'utilisation du réseau de grille à billes, BGA est assez simple car il y avait eu des problèmes avec d'autres technologies. Les emballages conventionnels de style quad flat pack avaient des broches très fines et très rapprochées. Cette configuration pose un certain nombre de difficultés.

  • Dommage: Les broches des QFP sont naturellement très minces et leur espacement signifie que leur position doit être contrôlée de très près. Toute mauvaise manipulation peut entraîner leur déplacement et lorsque cela se produit, il est presque impossible de les restaurer. Les circuits intégrés utilisant un nombre élevé de broches ont tendance à être très coûteux, ce qui peut devenir un problème majeur.
  • Densité des broches: Du point de vue de la conception, la densité des broches était telle que l'éloignement des voies du CI s'est également avéré problématique car il pouvait y avoir de la congestion dans certaines zones.
  • Processus de soudure Compte tenu de l'espacement très étroit des broches QFP, un contrôle très minutieux du processus de soudage est nécessaire, sinon les contacts peuvent être facilement pontés.

Le boîtier BGA a été développé pour surmonter ces problèmes et améliorer la fiabilité des joints soudés. En conséquence, le BGA est largement utilisé et des procédés et des équipements ont été développés pour surmonter les problèmes liés à leur utilisation.

Objectifs de Ball Grid Array BGA

Le Ball Grid Array a été développé pour offrir un certain nombre d'avantages aux fabricants de circuits intégrés et d'équipement, ainsi qu'aux éventuels utilisateurs d'équipement. Certains des avantages du BGA par rapport aux autres technologies comprennent:

  • Utilisation efficace de l'espace de la carte de circuit imprimé, permettant d'effectuer des connexions sous le boîtier SMD et pas seulement autour de sa périphérie
  • Améliorations des performances thermiques et électriques. Les boîtiers BGA peuvent offrir des plans de puissance et de masse pour les faibles inductances et des traces d'impédance contrôlée pour les signaux, ainsi que la possibilité d'acheminer la chaleur via les plots, etc.
  • Améliorations des rendements de fabrication grâce à l'amélioration du brasage. Les BGA permettent un large espacement entre les connexions ainsi qu'un meilleur niveau de soudabilité.
  • Épaisseur de l'emballage réduite, ce qui est un grand avantage lorsque de nombreux assemblages doivent être rendus beaucoup plus minces, par ex. téléphones portables, etc.
  • Meilleure réusinage grâce à des tailles de coussin plus grandes, etc.

Ces avantages signifient qu'en dépit du scepticisme initial à propos du paquet, il apporte des améliorations utiles dans de nombreuses circonstances.

Qu'est-ce qu'un package BGA?

Le Ball Grid Array, BGA, utilise une approche différente des connexions à celle utilisée pour les connexions de montage en surface plus conventionnelles. D'autres packages tels que le pack plat quad, QFP, utilisaient les côtés de l'emballage pour les connexions. Cela signifiait qu'il y avait un espace limité pour les broches qui devaient être espacées très étroitement et rendues beaucoup plus petites pour fournir le niveau de connectivité requis. Le Ball Grid Array, BGA, utilise la face inférieure du boîtier, où il y a une zone considérable pour les connexions.

Les broches sont placées dans un motif de grille (d'où le nom Ball Grid Array) sur la sous-surface du support de puce. De plus, plutôt que d'avoir des broches pour assurer la connectivité, des plots avec des billes de soudure sont utilisés comme méthode de connexion. Sur la carte de circuit imprimé, PCB, sur laquelle le dispositif BGA doit être installé, il y a un jeu de pastilles de cuivre correspondant pour fournir la connectivité requise.

Outre l'amélioration de la connectivité, les BGA présentent d'autres avantages. Ils offrent une résistance thermique plus faible entre la puce de silicium elle-même que les appareils à quatre blocs plats. Cela permet à la chaleur générée par le circuit intégré à l'intérieur du boîtier d'être conduite hors du dispositif vers le PCB plus rapidement et plus efficacement. De cette manière, il est possible pour les appareils BGA de générer plus de chaleur sans avoir besoin de mesures de refroidissement spéciales.

En plus de cela, le fait que les conducteurs sont sur la face inférieure du support de puce signifie que les conducteurs à l'intérieur de la puce sont plus courts. En conséquence, les niveaux d'inductance des fils indésirables sont plus faibles, et de cette manière, les dispositifs Ball Grid Array sont en mesure d'offrir un niveau de performance plus élevé que leurs homologues QFP.

Types de colis BGA

Afin de répondre aux diverses exigences des différents types d'assemblage et d'équipement, un certain nombre de variantes BGA ont été développées.

  • MAPBGA - Réseau de grille à billes de processus à matrice moulée: Ce package BGA est destiné aux appareils de faible performance à moyenne performance qui nécessitent un emballage à faible inductance, une facilité de montage en surface. Il offre une option à faible coût avec un faible encombrement et un haut niveau de fiabilité.
  • PBGA - Réseau de grille à billes en plastique: Ce boîtier BGA est destiné aux appareils de moyenne à haute performance qui nécessitent une faible inductance, une facilité de montage en surface, un coût relativement faible, tout en conservant des niveaux élevés de fiabilité. Il comporte des couches de cuivre supplémentaires dans le substrat qui permettent de gérer des niveaux de dissipation de puissance accrus.
  • TEPBGA - Réseau de grille à billes en plastique thermiquement amélioré: Cet ensemble fournit des niveaux de dissipation thermique beaucoup plus élevés. Il utilise des plans de cuivre épais dans le substrat pour attirer la chaleur de la matrice vers la carte client.
  • TBGA - Réseau de grille à billes à bande: Ce package BGA est une solution de milieu à haut de gamme pour les applications nécessitant des performances thermiques élevées sans dissipateur thermique externe.
  • PoP - Package sur package: Ce package peut être utilisé dans des applications où l'espace est à une réelle prime. Il permet d'empiler un paquet de mémoire sur un appareil de base.
  • MicroBGA: Comme son nom l'indique, ce type de package BGA est plus petit que le package BGA standard. Il y a trois pas qui sont répandus dans l'industrie: 0,65, 0,75 et 0,8 mm.

Assemblage BGA

Lorsque les BGA ont été introduits pour la première fois, l'assemblage des BGA était l'une des principales préoccupations. Avec les tampons non accessibles de la manière normale, l'assemblage du BGA atteindrait les normes qui pourraient être atteintes par des boîtiers SMT plus traditionnels. En fait, bien que la soudure puisse avoir semblé être un problème pour un appareil Ball Grid Array, BGA, il a été constaté que les méthodes de refusion standard étaient très appropriées pour ces appareils et que la fiabilité des joints était très bonne. Depuis lors, les méthodes d'assemblage BGA se sont améliorées et on constate généralement que le soudage BGA est particulièrement fiable.

Dans le processus de soudage, l'ensemble global est ensuite chauffé. Les billes de soudure ont une quantité de soudure très soigneusement contrôlée et, lorsqu'elles sont chauffées pendant le processus de soudure, la soudure fond. La tension superficielle fait que la soudure fondue maintient le boîtier dans l'alignement correct avec la carte de circuit imprimé, tandis que la soudure refroidit et se solidifie. La composition de l'alliage de brasage et la température de brasage sont soigneusement choisies pour que la brasure ne fond pas complètement, mais reste semi-liquide, permettant à chaque boule de rester séparée de ses voisines.

Comme de nombreux produits utilisent désormais des boîtiers BGA en standard, les méthodes d'assemblage BGA sont désormais bien établies et peuvent être facilement adaptées par la plupart des fabricants. En conséquence, il ne devrait y avoir aucune inquiétude concernant l'utilisation de périphériques BGA dans une conception.

Ball Grid Array, BGA, inspection

L'un des problèmes avec les appareils BGA est qu'il n'est pas possible de visualiser les connexions soudées à l'aide de méthodes optiques. En conséquence, la technologie était suspecte lors de son introduction et de nombreux fabricants ont entrepris des tests pour s'assurer qu'ils étaient capables de souder les appareils de manière satisfaisante. Le principal problème avec les dispositifs de brasage Ball Grid Array est qu'une chaleur suffisante doit être appliquée pour garantir que toutes les billes de la grille fondent suffisamment pour que chaque joint soit réalisé de manière satisfaisante.

Les joints ne peuvent pas être testés complètement en vérifiant les performances électriques. Il est possible que le joint ne soit pas fabriqué de manière adéquate et qu'il échoue avec le temps. Le seul moyen d'inspection satisfaisant est d'utiliser l'inspection par rayons X car ce moyen d'inspection est capable de regarder à travers l'appareil au joint soudé en dessous.Il s'avère qu'une fois le profil thermique de la machine à souder correctement configuré, le BGA les appareils se soudent très bien et peu de problèmes sont rencontrés, rendant ainsi l'assemblage BGA possible pour la plupart des applications.

Ball Grid Array, retouche BGA

Comme on pouvait s'y attendre, il n'est pas facile de retravailler les cartes contenant des BGA à moins que l'équipement approprié ne soit disponible. Si un BGA est suspecté d'être défectueux, il est possible de retirer l'appareil. Ceci est réalisé en chauffant localement l'appareil pour faire fondre la soudure en dessous.

Dans le processus de reprise BGA, le chauffage est souvent retiré dans une station de reprise spécialisée. Celui-ci comprend un gabarit équipé d'un chauffage infrarouge, un thermocouple pour surveiller la température et un dispositif à vide pour soulever l'emballage. Il faut faire très attention pour s'assurer que seul le BGA est chauffé et retiré. Les autres appareils à proximité doivent être affectés le moins possible, sinon ils pourraient être endommagés.

Réparation BGA / Reballage BGA

Une fois retiré, le BGA peut être remplacé par un nouveau. Parfois, il peut être possible de remettre à neuf ou de réparer un BGA qui a été retiré. Cette réparation BGA peut être une proposition intéressante si la puce est chère et qu'elle est connue pour être un appareil fonctionnel une fois retirée. Effectuez une réparation BGA dont il a besoin pour remplacer les billes de soudure dans un processus connu sous le nom de reballing. Cette réparation BGA peut être effectuée en utilisant certaines des petites billes de soudure prêtes à l'emploi qui sont fabriquées et vendues à cet effet.

Il existe de nombreuses organisations qui ont été mises en place avec des équipements spécialisés pour entreprendre ce reballing BGA.

La technologie BGA, ball grid array, est devenue bien établie. Bien qu'il puisse sembler qu'il y aurait des problèmes de manque d'accès aux contacts, des méthodes appropriées pour les surmonter ont été trouvées. La disposition des circuits imprimés et la fiabilité des cartes ont été améliorées à mesure que la densité des pistes et des broches a diminué, et en plus de cette soudure, elle est devenue plus fiable et les techniques de refusion infrarouge ont été affinées pour permettre un soudage fiable. De même, l'inspection des cartes à l'aide de BGA peut utiliser l'inspection aux rayons X, AXI, et en plus de ces techniques de retouche ont été développées. En conséquence, l'utilisation de la technologie BGA a conduit à une amélioration globale de la qualité et de la fiabilité.

Voir la vidéo: Lead-Free BGA reflow IR550A (Octobre 2020).