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Substrato BGA: la guida definitiva alle domande frequenti

La scelta di un substrato BGA adatto richiede una conoscenza approfondita.

In questa guida troverai tutte le informazioni che devi sapere sul substrato BGA.

Quindi, continua a leggere per saperne di più.

Che cos'è un substrato BGA?

Un substrato BGA è un vettore che utilizzerai con diverse versioni di pacchetti BGA.

Dispositivi complessi come i microprocessori richiedono che il substrato BGA offra diversi pin di interconnessione variabili.

Inoltre, il processo di progettazione dei pin e delle loro integrazioni nel pacchetto di substrati BGA può essere impegnativo.

substrato BGA
substrato BGA

Quale sostanza utilizzerai per realizzare un substrato BGA?

I pacchetti BGA utilizzano substrati organici e non telai di piombo nella loro costruzione.

Il materiale che costituisce il substrato BGA può essere:

  • poliimmide
poliimmide
poliimmide
  • bismaleimide
bismaleimide
bismaleimide

Perché è necessario progettare automaticamente un substrato BGA?

La maggior parte dei disegni su BGA substrati avvengono attraverso l'uso di un dispositivo automatico.

Ciò è dovuto ai seguenti motivi:

  • Il design prevede l'uso di numerosi perni
  • È semplice per i sistemi computerizzati determinare il percorso più breve per ciascun pin

Inoltre, il processo automatico avviene tramite il software di progettazione EDA.

Inoltre, c'è una qualche forma di interazione umana durante il processo di modifica dei progetti ad alta densità.

Tuttavia, i moderni progetti di substrati BGA avvengono principalmente attraverso l'uso di software e sistemi informatici.

Cosa dovresti considerare quando progetti un progetto di substrato BGA?

Alcune considerazioni quando si tratta di progettare substrati BGA comportano quanto segue:

  • Utilizzo di lead più brevi
  • Integralità del segnale
  • Aerei a motore
  • prestazioni RF

Che cos'è il passo della palla in un substrato BGA?

Il campo della palla è la distanza che si trova tra le parti centrali di una singola palla BGA all'altra.

Ad esempio, lo spazio può essere minimo di 0.2 mm.

campo di palla
campo di palla

Quali sono alcune caratteristiche di un substrato BGA?

Alcune delle funzionalità che potresti trovare comportano quanto segue:

  • Occupa meno spazio sulle schede
  • Bassa induttanza
  • Nessuna presenza di piombi da piegare
  • L'elevata quantità di lead count
  • Si autocentra durante i processi di rifusione, quindi riduce al minimo i problemi relativi al posizionamento durante la saldatura a montaggio superficiale
  • Una bassa inibizione termica tra i circuiti stampati e i pacchetti BGA migliora il processo di raffreddamento e previene il surriscaldamento

Quali sfide incontrerai durante la conduzione del percorso del substrato BGA?

L'instradamento dei substrati BGA presenta sfide complesse che vale la pena considerare quando si progettano i circuiti stampati.

Alcune di queste sfide comportano quanto segue:

Produttività

Alcune limitazioni e regole specifiche dipendono dal modo in cui instradate la connessione del substrato BGA tra loro ed esternamente.

Alcune limitazioni a seconda della capacità dei produttori includono:

  1. Numero di strati
  2. Dimensione dei via
  3. Angolo di inclinazione
  4. Tipo di foro di perforazione, ecc.

Integrità del segnale

Uno dei problemi principali sull'integrità del segnale è il controllo dell'impedenza.

Questo tende a influenzare i riflessi e la trasmissione.

Alcuni processi che puoi utilizzare per controllare l'impedenza includono quanto segue:

  1. Impiegando il giusto spessore dei dielettrici
  2. Corrispondenza delle tracce di larghezza tra le linee di ritorno e le linee di andata
  3. Installazione di riferimenti piani tra gli strati di segnale

Inoltre, è possibile ridurre efficacemente la diafonia quando si installano piani di terra o di riferimento tra tracce di segnale adiacenti l'una all'altra.

È importante mantenere lo spazio tra le tracce quando i segnali provengono da strati simili.

Affidabilità

L'affidabilità del tuo circuito dipende dalla sua qualità di costruzione e dal modo in cui sincronizzi il tuo progetto con la capacità del produttore.

Se non riesci a sincronizzare la scheda, puoi avere una scheda con funzionalità limitate come da progetto.

Inoltre, la scheda potrebbe non funzionare correttamente una volta che inizi a utilizzarla.

Esempi di problemi materiali che potrebbero causarne il guasto durante il funzionamento includono:

  1. Peso del rame
  2. Struttura del grano di rame
  3. Lo spessore della maschera di saldatura
  4. Contaminazione ionica
  5. Traccia il percorso
  6. Tipo di via

Quali sono alcuni tipi di substrati che puoi utilizzare per creare pacchetti BGA?

I pacchetti BGA sono di vari sottotipi e ciò si basa sui materiali e su altri substrati in essi contenuti.

Inoltre, tutti questi tipi utilizzeranno giunti di saldatura che collegano i substrati del pacchetto BGA al circuito stampato.

Questi pacchetti possono essere trovati nelle seguenti categorie:

  • Ceramica BGA
Nastro BGA
Nastro BGA
  • Laminato plastico BGA
laminato plastico BGA
laminato plastico BGA

La composizione dei soldati è importante durante il reballing dei vari tipi di substrati BGA.

Per garantire livelli di conduttività adeguati, dovresti assicurarti di bilanciare i metalli all'interno della saldatura.

Inoltre, una struttura di saldatura adeguata assicura che il lavoro di reballing sia duraturo.

Ceramica BGA

Questo pacchetto BGA utilizzerà un materiale di substrato ceramico.

Diverse varietà all'interno della ceramica BGA comportano LGA e CCGA.

Ogni pin in ceramica BGA costa di più rispetto a quelli delle confezioni BGA in plastica.

Tuttavia, alcune applicazioni richiedono il BGA ceramico.

Ad esempio, i dispositivi che necessitano di più pin sui design flip-chip utilizzeranno questo stile di pacchetto.

Inoltre, la plastica BGA non è in grado di raggiungere la densità dei pin per queste applicazioni.

Inoltre, il BGA ceramico funziona favorevolmente con i design flip-chip.

Le sfere di saldatura contengono il 10% di stagno e il 90% di piombo.

Ciò migliora l'affidabilità della ceramica BGA.

Aiuterà anche a superare il coefficiente di differenze di espansione termica che si verificano tra il circuito stampato e il substrato BGA.

Inoltre, puoi anche individuare l'array della griglia della colonna in ceramica [CCGA].

Questo pacchetto BGA impiega il doppio dei punti di contatto disponibili rispetto al BGA di base.

Inoltre, i giunti di saldatura CGA durano quasi tre volte rispetto a BGA.

Laminato plastico BGA

Questo tipo di BGA utilizza la plastica come materiale di supporto.

Le sfere saldanti in laminato plastico BGA occupano il 63% di stagno e il piombo eutettico il 37%.

Il substrato BGA in laminato plastico può resistere a intervalli di temperatura fino a 150 °C.

La scelta del materiale per il substrato BGA in laminato plastico include quanto segue:

  1. La poliimmide è una forma di plastica laminata
  2. Dry-clad che è un laminato a base epossidica, di proprietà di IBM
  3. Vetro epossidico triazinico bismaleimmide noto anche come vetro epossidico BT

Inoltre, puoi includere design flip-chip con laminato plastico BGA per migliorare la connettività tra i circuiti stampati e il pacchetto

Nastro BGA

Questo BGA impiega interconnessioni flessibili che formano linee sottili all'interno delle sfere di saldatura.

Inoltre, il nastro BGA si comporta meglio in materia termica.

Un altro BGA relativo al nastro BGA è il metallo BGA.

Questa versione del pacchetto BGA prevede l'uso di un design di forma semplice composto da un substrato di alluminio.

Il design del BGA in metallo offre lo stesso risultato anche se manca di strati flessibili di nastri utilizzati dai BGA a nastro.

Per collegare la base in alluminio alla maschera di saldatura, il metallo BGA utilizza film sottili e tecnologie di moduli di microchip.

Inoltre, le prestazioni termiche e le prestazioni elettriche del nastro BGA e del metallo BGA sono eccezionali.

Pacchetto tipo LGA

Questo tipo di pacchetto sta per land grid array.

Inoltre, LGA ha portato all'introduzione del pacchetto di substrati BGA negli anni '90.

Questo perché utilizza sfere di saldatura che collegano il circuito stampato e il pacchetto.

Gli LGA che utilizzano prese hanno pin che collegheranno il circuito stampato alla presa.

Alcuni LGA contengono connessioni dirette al circuito stampato tramite l'uso di saldature e non di una presa.

Simile al pacchetto del substrato BGA, il pacchetto del substrato LGA non contiene sfere, ma contiene contatti di saldatura piatti.

Pacchetto tipo PoP

Il PoP rappresenta un pacchetto su pacchetto e rappresenta progetti a doppio stack.

Inoltre, il chip superiore contiene la memoria ad accesso casuale [RAM] mentre il chip inferiore contiene la CPU.

Il design del pacchetto di tipo PoP consente di adattare diversi pacchetti in piccole configurazioni sul PCB.

Flip-chip

Il posizionamento del design di questa versione sarà rivolto verso il basso.

Inoltre, qualsiasi superficie del flip-chip può contenere connessioni attraverso i giunti della pallina di saldatura.

Il vantaggio di questo design è la breve distanza e l'abbassamento dell'induttanza.

Il tipo di pacchetto QFN rientra nella categoria di QFP privo di piombo.

Questo perché QFN rappresenta un quad flat pack senza pin di cavi.

Pacchetto tipo QFN

Questo sta per un pacchetto piatto quad.

È una versione di un chip a montaggio superficiale che utilizzerà tutti e quattro i lati per trasmettere il vantaggio.

Inoltre, poiché utilizza tutti e quattro i lati, dà a questo pacchetto BGA il suo nome quad.

Sono costituiti da materiali di supporto ceramici e plastici.

Il QFP in ceramica manca di cavi ad ala di gabbiano mentre il QFP in plastica li contiene.

Quali precauzioni dovresti seguire per assicurarti di eseguire un buon processo di saldatura su un substrato BGA?

Questi includono:

  • L'uso di un ampio calore assicura che tutte le sfere all'interno della griglia si fondano a sufficienza per formare legami forti su tutti i giunti di saldatura BGA
  • La tensione superficiale assicura che le sfere rimangano in posizione fino a quando la saldatura non si raffredda e si solidifica.

Garantire la corretta temperatura durante la saldatura BGA per garantire un solido giunto di saldatura e ridurre al minimo il cortocircuito

  • Assicurarsi che la composizione della lega di saldatura e la temperatura siano corrette in modo che la saldatura rimanga semisolida e non si sciolga.

Ciò consente alle palline nella griglia di rimanere in aree separate.

Quale metodo utilizzerai per ispezionare i giunti di saldatura all'interno di un substrato BGA?

È impossibile utilizzare metodi ottici per ispezionare i substrati BGA poiché i giunti di saldatura sono nascosti sotto le parti BGA.

Inoltre, non è possibile utilizzare test elettrici poiché sono meno affidabili poiché mostrano istantaneamente la conduttività elettrica dei substrati BGA.

Il test non indica quanto durerà la saldatura in quanto potrebbe fallire in un determinato momento.

Pertanto, il metodo adatto per ispezionare queste articolazioni è l'utilizzo di test a raggi X.

Questo perché i raggi X penetrano nei componenti e consentono di visualizzare le articolazioni che si nascondono sotto.

Per questo motivo, l'ispezione a raggi X automatica è il metodo più utilizzato per ispezionare i substrati BGA.

Puoi rielaborare un substrato BGA difettoso?

Sì, puoi riparare un substrato BGA difettoso quando scopri che i componenti sono difettosi.

Per eseguire questo compito, inizi applicando calore al giunto di saldatura per farlo sciogliere.

Questo processo avviene riscaldando localmente la parte difettosa del substrato BGA, provocando la fusione della saldatura.

Durante il processo di rilavorazione, riscalderai il componente in speciali unità di rilavorazione.

Questa unità ha i seguenti componenti:

  • Riscaldatori a infrarossi
  • Termocoppia che monitorerà il livello di temperatura
  • Sistema sottovuoto che solleva le confezioni BGA

Inoltre, assicurarsi di riscaldare accuratamente l'unico componente difettoso senza causare danni alle altre parti circostanti sul circuito.

Quali sono i vantaggi dell'utilizzo di un substrato BGA?

Ci sono numerose ragioni per cui i substrati BGA sono popolari in diverse applicazioni moderne.

Questi comportano quanto segue:

Pin ad alta densità

Per migliorare il prezzo, le prestazioni o le caratteristiche dei pacchetti, i produttori aumenteranno i pin.

Allo stesso tempo, abbasserebbero la qualità del pacchetto poiché i pin sono vicini tra loro e porterebbero a giunti di saldatura deboli.

Tuttavia, i substrati BGA contengono più pin che mantengono l'integrità dei giunti di saldatura e l'affidabilità del pacchetto.

Bassa induttanza

I conduttori di collegamento nei substrati BGA sono corti, abbassando così l'induttanza del segnale,

Questo a sua volta migliora le prestazioni elettriche riducendo al minimo l'induttanza.

Conduzione del calore adatta

La breve distanza e la minore induttanza tra il circuito stampato e il substrato BGA sono utili.

Conducono a una bassa resistenza termica tra due parti consentendo così un ampio flusso di calore attraverso il circuito stampato.

Inoltre, hanno un coperchio che migliora la dissipazione del calore riducendo così il surriscaldamento dei chip e le possibilità di degrado termico.

Funziona meglio alle alte velocità

Diversi vantaggi dei substrati BGA ne aumentano le prestazioni elettriche rispetto ad altri tipi di package IC.

Poiché i substrati BGA hanno connessioni nella parte inferiore del chip, significa che sono corti.

In tal modo, il substrato BGA funzionerà a velocità elevate elevate e prestazioni eccezionali.

Alta affidabilità

I pin presenti nelle confezioni quad flat sono sottili e fragili.

Ciò significa che è probabile che si verifichino danni in queste configurazioni e quando si verificano, è quasi impossibile ripararli.

Tuttavia, i pad di saldatura di connessione nei substrati BGA sono robusti, consentendo di ottenere connessioni affidabili.

Quali sono i limiti di un substrato BGA?

Alcuni di questi inconvenienti includono quanto segue:

costoso

I pacchetti di substrati BGA costano di più rispetto ai pacchetti IC standard.

Alcuni degli elementi che si aggiungono al costo includono il supporto e la tecnica del bumping.

Difficile da ispezionare

Il processo di saldatura migliora le prestazioni dei substrati BGA e dell'intero circuito.

Tuttavia, presenta alcuni inconvenienti come non essere in grado di ispezionare il pacchetto dopo la saldatura sul circuito stampato.

Ciò significa che ha il compito di verificare potenziali problemi che richiedono una riparazione immediata.

Pertanto, è necessario utilizzare l'ispezione a raggi X per controllare le parti interne del substrato BGA.

Tuttavia, questo processo è costoso.

Come si confrontano un substrato LGA e BGA?

LGA sta per griglia di terra mentre BGA sta per ball grid array.

Inoltre, salderai i substrati BGA sul circuito, il che significa che non puoi scollegarli o sostituirli.

substrato LGA
substrato LGA

Tuttavia, puoi collegare e scollegare LGA e persino sostituirlo dalla scheda madre.

I substrati BGA contengono contatti rotondi che salderai sul circuito.

LGA ha superfici piatte che entrano in contatto con lo zoccolo del circuito contenente molti pin.

È possibile eseguire la saldatura a rifusione su un substrato BGA?

Sì, la saldatura a rifusione viene utilizzata durante la saldatura di substrati BGA poiché aiuta l'intero sistema a raggiungere una temperatura standard.

Questa temperatura scioglie le sfere di saldatura sotto i componenti del substrato BGA.

substrato BGA
 substrato BGA

Quando si salda il substrato BGA, le sfere di saldatura hanno una quantità di saldatura specifica.

Dopo aver posizionato, nel forno di rifusione, la scheda con le sfere di saldatura sul substrato BGA si scioglie a causa del calore.

La tensione superficiale farà sì che la saldatura fusa mantenga il substrato BGA nel posto giusto sul circuito stampato.

Inoltre, assicurati che la saldatura abbia la giusta composizione che gli permetta di mantenere uno stato semi-solido.

Qual è il futuro del substrato BGA?

Il substrato BGA sta guadagnando popolarità e continuerà ad essere utilizzato anche negli anni futuri.

Inoltre, con i nuovi progressi tecnologici, ci sono nuove varianti dei substrati BGA.

Inoltre, questi pacchetti BGA sono convenienti e offrono standard di prestazioni elettriche impressionanti.

I principali tipi che influenzeranno il futuro del substrato BGA includono quanto segue:

eWBL

Questo sta per embedded wafer level BGA e contiene un interposer all'interno di un bumped die.

Offre numerosi vantaggi come capacità di trasporto di corrente elevata, migliori prestazioni elettriche, convenienza, configurazione ridotta, ecc.

WLCSP

Questo sta per un pacchetto di scala di chip a livello di wafer che è una versione di un dado urtato.

Inoltre, questo pacchetto è piccolo e ha ottime caratteristiche termiche ed elettriche.

Inoltre, offre un'eccellente connettività che aiuta a mantenere bassa induttanza e resistenza.

Sono comuni nei gadget di tutti i giorni come gli smartphone che subiscono frequenti vibrazioni, stress e cadute.

Quali sono le applicazioni di un substrato BGA?

I substrati BGA stanno guadagnando popolarità con il tempo poiché offrono numerosi vantaggi.

Alcune delle aree che utilizzano substrati BGA includono:

  • Processori grafici
  • ASIC per router e server
  • MPU che trovano il loro utilizzo in console di gioco altamente sintonizzate
  • L'industria automobilistica richiede un'elevata affidabilità
  • Sensori di immagine
  • chipset

Cosa dovresti considerare quando si posizionano i componenti su un substrato BGA?

Se si lavora con componenti complessi, è necessario pianificare come instradare correttamente ogni parte.

I BGA con un numero elevato di pin richiedono una pianificazione meticolosa durante il processo di progettazione poiché è necessario progettare modelli di vie di fuga per ciascuna rete.

Ciò richiede di pianificare come posizionare le parti prima di iniziare a instradare le tracce.

Inizia la planimetria del posizionamento con parti fisse come IO, switch, connettori, ecc.

Assicurati di prendere in considerazione la gestione termica della scheda per garantire che i BGA ricevano un flusso d'aria costante per rimanere freschi.

Posizionare i chip di memoria e i processori vicino alle rispettive connessioni esterne.

Ciò significa che eviterai di utilizzare tracce lunghe lungo l'intera tavola.

Inoltre, assicurati che tutti i componenti si adattino perfettamente con tracce non lontane dalla portata.

Quando si avvia il processo di posizionamento, assicurarsi che le parti BGA dispongano di spazio sufficiente per l'instradamento.

Assicurati che contengano ampi condensatori di bypass accanto ai pin associati.

Inoltre, posizionare in sequenza i componenti del percorso del segnale tra il carico del segnale e la sorgente.

Questo processo può essere impegnativo, quindi preparati a essere interattivo durante la finalizzazione del posizionamento dei componenti.

Un altro fattore da considerare è che è necessario realizzare il progetto con un'adeguata integrità dell'alimentazione oltre a una buona integrità del segnale.

Ciò comporta il posizionamento di alimentatori vicino alle aree che stanno alimentando senza mescolare i circuiti con parti sensibili del BGA.

Dopo aver posizionato i componenti in modo ottimale, è possibile iniziare il percorso delle reti di substrati BGA.

Quali suggerimenti sono importanti durante l'instradamento di tracce che collegano substrati BGA?

Inizia eseguendo una panoramica del percorso di fuga dalle parti a passo fine a montaggio superficiale, come i componenti del substrato BGA.

Assicurati di pianificare la via di fuga considerando quanto segue:

  • Impila i livelli
  • Densità di instradamento
  • Requisiti di integrità del segnale
  • Posizionamento dei componenti

Inoltre, sono necessarie schede di interconnessione e layer ad alta densità per substrati BGA con un numero elevato di pin.

Tuttavia, conferma con il nostro produttore di PCB il costo e la capacità di costruire la scheda HDI.

Quando si instradano via e tracce di fuga dal substrato BGA, iniziare con le righe estreme.

Quindi continuare a operare verso l'interno attraverso le file di perni.

Alcuni via con cui puoi operare durante questo processo includono quanto segue:

  • Vie cieche e interrate che penetrano in una porzione del substrato
  • Passanti a foro che crei usando trapani meccanici e fori attraverso la tavola
  • Micro vie che forerai usando un laser poiché sono piccole

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