Корпус bga что это
Что такое BGA-микросхемы?
Можно заметить, что разработчики практически всех электронных устройств идут по пути миниатюризации. Ноутбуки, планшеты или смартфоны становятся все легче и тоньше, но это совершенно не сказывается на их функциональности. Как такое возможно? Ответ прост: благодаря применению микросхем BGA.
BGA – что это такое?
Это аббревиатура. Полное название микросхем: Ball grid array, что в переводе означает «массив шариков». Главное их отличие – в типе корпуса: на контактных площадках с обратной стороны чипов расположены шарики из припоя. При нагревании они плавятся, облегчая центровку, а после застывания обеспечивают прочное крепление корпуса к плате.
Так выглядит чип BGA
Применение таких чипов сделало возможным более плотное расположение компонентов в электронных устройствах. Это и есть причина того, почему они становятся все меньше в размерах. С применением таких микросхем сейчас изготавливают видеорегистраторы, телефоны, телевизоры и другие электронные устройства.
Как выполняют пайку BGA
Для фиксации чипов на плате ее разогревают с помощью специальной паяльной станции. Шарики припоя начинают плавиться, но при этом не деформируются полностью (это обеспечивается технологией пайки). В результате формируется надежный контакт.
Для фиксации BGA нужна паяльная станция
Какие есть виды BGA-микросхем
Такие чипы можно классифицировать по нескольким параметрам:
Плюсы и минусы BGA-микросхем
Из плюсов микросхем можно выделить:
Из минусов нужно отметить чувствительность таких чипов к ударам. Это объясняется малой длиной, а поэтому высокой жесткостью выводов. Кроме того, выводы чипов не гнутся, а значит плата, на которую их устанавливают, должна быть идеально ровной. К покрытию тоже предъявляются жесткие требования: для этого подходят олово, серебро или иммерсионное золото.
Заключение
Сейчас компактность считается одной из основных характеристик электронного устройства. Чипы BGA позволили сделать серьезный шаг на пути уменьшения размеров привычных нам гаджетов. Альтернативы им пока нет, но все может измениться в ближайшем будущем.
Оставьте свою электронную почту и получайте самые свежие статьи из нашего блога. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить
Что такое BGA? Расшифровка аббревиатуры фирмы Motorola
Главная страница » Что такое BGA? Расшифровка аббревиатуры фирмы Motorola
Что такое BGA в электронике? Это специализированная форма корпуса чипов, дополненная Ball Grid Array (шариковый сеточный массив), изобретённая специалистами фирмы «Motorola». На текущий момент позиционируется как основная упаковочная технология в области производства печатных электронных плат. Визуально такого рода исполнение можно рассматривать в виде тонкой подложки материала печатной платы, куда устанавливается микросхема. Ниже подложки сосредоточен массив шариков припоя, образующих выводы чипа. Под воздействием температуры шарики расплавляются, образуя контактные площадки микросхемы.
Что такое BGA с точки зрения применения?
Почему для современной электроники актуальной видится именно BGA технология? Этот способ, как показывает практика, считается наиболее оптимальным, когда дело касается монтажа устройств, наделённых большим числом выводов. Размещение всех контактных выводов непосредственно под корпусом, но не по краям, как на QFP (Quad Flat Package) корпусах микросхем, выглядит экономнее. Появляется возможность изготавливать изделия меньшие по размерам.
Использование двумерной сетки даёт расстояние между шариками большее по сравнению с шагом выводов тех же QFP микросхем. Соответственно, меньше проблем с пайкой и получением коротких замыканий. BGA микросхемы легче паять при отсутствии ножек, которые легко повредить. Этот тип микросхем обеспечивает самоцентрирование по причине эффекта высокого поверхностного натяжения припоя на массиве шариков.
Схема внутренней установки компонентов BGA, отлитых в полость (вверху) и по схеме формованной карты (внизу): 1 – состав формы; 2 – крепление кристалла; 3 – кристалл; 4 – проволочная связь; 5 – шарик припоя; 6 – подложка; 7 – проводник; 8 – паяльная маска
Напротив, микросхемы QFP с большим количеством выводов приходится делать большими по размерам, чтобы обеспечить такое же число выводов по кромке. Либо ножки микросхемы QFP должны быть очень тонкими, сопровождается лёгким повреждением. Поэтому микросхемы BGA более просты в обращении и обеспечивают очень высокую производительность сборки. Это и стало причиной вытеснения других вариантов упаковки в пользу BGA при массовом производстве чипов.
Что такое BGA для машинного и ручного монтажа?
Производственный монтаж BGA микросхем, конечно же, выполняется посредством машинной установки с использованием систем технического зрения. Такие машины обеспечивают точное выравнивание устройства по сетке контактных площадок на печатной плате.
Между тем, учитывая сильный эффект самоцентрирования по причине поверхностного натяжения всех шариков припоя – такой монтаж вполне терпим по отношению к ошибкам размещения. Даже половина шага несовпадения обычно не вызывает проблем с установкой. Однако большинство машинных систем делают монтаж более чем точно.
Ручной монтаж, как выясняется, вполне возможен, несмотря на некоторые технические сложности для условий производства работ в бытовых условиях. Есть множество примеров применения ручного монтажа BGA радиолюбителями-электронщиками. И этот вариант всё чаще становится неотъемлемой частью практики мастеров «домашней» электроники.
Как определить корректность выполнения пайки?
После завершения пайки микросхем BGA невозможно визуально осмотреть соединение. Единственный метод — применить рентгеновский аппарат или, к примеру, волоконно-оптический эндоскоп. Такими способами, пожалуй, можно узнать, правильно ли припаяна микросхема. Другой вопрос – почему требуется проверять? Ответ очевиден — требуется уверенность в качестве пайки.
Схематично сравнение шариковой подушки SMD (слева) и шариковой подушки NSMD (справа) на компоненте BGA: 1 – субстрат; 2 – медная подушка; 3, 5 – паяное соединение; 4 – шарик припоя; 6 – паяльная маска
На практике часто используются конвекционные печи, но, несмотря на все заявления производителей такого оборудования, горячий воздух полностью не проникает под корпус BGA. Монтажная пластина, между тем, находится в миллиметре или двух от поверхности печатной платы и требует одинакового нагрева каждого отдельного шарика припоя.
При конвекционном способе пайки центральные шарики получают меньшую температуру, чем внешние. Чтобы полностью прогреть центральную часть, пластину зачастую перегревают по внешнему краю, чтобы за счёт теплопроводности обеспечить правильную температуру в центре. Поэтому лучшим решением считается применение других способов пайки, например – инфракрасный нагрев.
Что такое BGA пайкой газовой фазой?
Также одним из лучших способов выступает пайка газовой фазой. Таким способом гарантируется равномерность нагрева и полное исключение риска перегрева от заданной температуры. Объясняется это работой в условиях бескислородной, полностью инертной среды. Этот метод специалисты также называют — «конденсационное оплавление».
Процессом используется специальный химикат (фторуглерод), который кипит при температуре около 215 градусов. Паяемые платы помещаются в рабочую камеру, в нижней части которой находится отстойник для нагреваемой жидкости. По мере нагрева производится пар, который конденсируется на любой поверхности, более прохладной.
Постепенно более холодная печатная плата нагревается с плавлением припоя до точки температуры кипения фторуглерода. В этой точке эффект конденсации пропадает, а специальный тепловой зонд подаёт сигнал на отключение источника тепла. Процесс завершается.
Паровая оболочка полностью инертна и тяжелее воздуха, поэтому весь кислород вытесняется из стыков, флюс воздействует непосредственно на стык, а не на процессы окисления. Допустимо использовать менее активные флюсы. Здесь пар проникает везде, окружает все объекты, промежутки между объектами и, что особенно важно — проникает под кристалл BGA. Вся плата и детали нагреваются равномерно со всех сторон.
Видео по теме: Чтение электронных схем функционально
Видеороликом ниже демонстрируется пример чтения электронной схемы с функциональной точки зрения. В частности, рассматривается принцип действия схематично так называемого симметричного мультивибратора. Такого рода модули часто применяются в электронике:
КРАТКИЙ БРИФИНГ
SamsPcbGuide, часть 11: Технологии — корпуса BGA-типа, пластик и космос
В обсуждениях к предыдущей статье proton17 написал, что в космос обычные BGA не летают, дав ссылки на корпуса CCGA-типа как образец надёжности. Я решил разобраться в этом вопросе и нашёл много интересной информации (во многом благодаря вот этому ↓ человеку).
Несмотря на свои преимущества (максимальное количество выводов по отношению к габаритам при заданном шаге, низкая индуктивность выводов, самовыравнивание при пайке) корпуса BGA-типа имеют серьезный для надёжных применений недостаток – невозможность достоверного визуального контроля качества паяных соединений.
Вопрос применимости BGA-компонентов в надёжных приложения не является новым, ещё в 1995 году JPL проводила исследования их надёжности в различных условиях. Результаты работ были последовательно представлены в многочисленных публикациях настоящего гуру этой темы, Р. Джафэриана 2. Сначала керамические и «обычные» пластиковые корпуса исследовались на плоскостность поверхности с помощью лазерного сканирования. За меру плоскостности была выбрана разница между самым низким и самым высоким шариком. Чем меньше эта разница, тем меньше вероятность дефектов при пайке. Керамические корпуса обладали большей плоскостностью, она также улучшалась с уменьшением количества выводов. Этот параметр тем более критичен, чем более высокотемпературный припой используется при пайке. Второй этап – монтаж на печатные платы (FR-4 и полиимид) и термоциклирование. Электрические соединения на плате и внутри тестового BGA-корпуса были организованы таким образом, чтобы образовать несколько групп последовательных соединений (англ. daisy chain). В каждой из этих групп контролировалось наличие нарушения соединений по критерию превышения сопротивления в 1 кОм на более чем 1 мкс. Данный критерий определён в IPC-SM-785, однако он не является достаточным, так как даже полностью треснувшее соединение может не выходить за указанное пороговое значение из-за поджима контакта за счёт соседних выводов [4].
Из-за большой разницы КТР керамики и FR-4/полиимида CBGA-корпуса давали сбой раньше, чем пластиковые. Также более ранние сбои показывали пластиковые корпуса с полным заполнением массива выводов, в отличие от корпусов с периферическим заполнением, так как под кристаллом возникает локальный рост несоответствия КТР корпуса и платы и именно там возникали первые сбои в соединениях.
Среди результатов отмечается влияние температуры стеклования материала печатной платы на надёжность для расширенного температурного диапазона. FR-4 показывал в среднем более слабые результаты, чем полиамид. Подтверждение данного результата есть и в статье [6]: использование печатной платы FR-5 (с Tg
13 ∙ 10 −6 K −1 ) обеспечивает четырёхкратное увеличение надёжности по сравнению обычным FR-4 для корпуса SON-типа.
В статье [7] экспериментально показано увеличение количества выдерживаемых термоциклов с уменьшением толщины керамического основания корпуса. Ознакомиться с предшествующей статьей одного из авторов с описанием модели процесса мне не удалось, но общие соображения такие: чем тоньше корпус, тем меньше он сопротивляется растягивающей силе, тем меньше нагрузка на выводы.
Скорость смены температуры влияет на преимущественное место возникновения дефектов в соединений – при быстром (когда возникают локальные напряжения) это со стороны корпуса, при медленном (когда система успевает прийти в тепловое равновесие) – со стороны печатной платы. Для расширенного температурного диапазона наибольшее количество отказов керамических корпусов CBGA было в соединении корпуса (63Sn37Pb) и шарика (90Pb10Sn).
Итак, основные очевидные закономерности, экспериментально подтверждённые ещё в 1995 году, для надёжности BGA-компонентов определяются тепловым расширением и заключаются в следующем:
Лирическое отступление. Использование печатных плат на основе LTCС-керамики сняло бы проблему несоответствия КТР. Возможно, это одно из направлений развития РЭА для космоса, которое приведёт к снижению стоимости таких печатных плат.
Зачем использовать керамические корпуса? Этого вопроса касался BarsMonster в одной из статей. Про то, что в пластике перемычки поддерживаются по всей длине компаундом, с одной стороны, логично, но с другой несоответствие КТР материалов пластикового корпуса (компаунд, кремний, текстолит, металлическая перемычка) создаёт большое количество проблем в расширенном диапазоне температур. Дополнительными аргументами в сторону использования керамических корпусов являются близкое к кремнию значение КТР, высокая теплопроводность, широкой температурный диапазон (что важно и для процесса сборки), более высокая гидрофобность, более простой в освоении техпроцесс герметизации.
На Spirit и Opportunity использовались именно керамические корпуса, но не CBGA-типа, а CCGA-типа (рис. 1): в них шарики заменены на столбики (иногда армированные медной спиралью), которые способны выдерживать большие нагрузки (вот здесь приводятся данные, что увеличение высоты в 2 раза снижает механическое напряжение и деформации на 30%). Несмотря на то, что эти миссии с успехом выполнили и даже перевыполнили свои задачи, стоит отметить, что производительные процессоры в CCGA-корпусах находились в блоке с контролируемой температурой. В статьях [8, 9] представлено сравнение CCGA и соответствующего ему PBGA в различных условиях. У CCGA-560 после 1075 термоциклов –50/75°C произошло первое разрушение контакта на стороне корпуса (для монтажа использовалось повышенное количество паяльной пасты, что улучшило надёжность соединения на стороне платы, см. рис. 2 и 3), в то время как в PBGA-560 за 2000 циклов сбоев не было обнаружено.
183 o C для 63Sn37Pb, поэтому весь диапазон рабочих температур находится в области сжатия печатной платы относительно керамического основания корпуса. И тогда температура нейтральной точки – это не 25 o C, это температура плавления паяльной пасты.
Для того, чтобы уменьшить нагрузку на выводы BGA-корпусов (в том числе в результате воздействий механических факторов), применяется несколько методов: фиксация по углам (англ. corner-staking), компаундирование пространства между корпусом и платой (англ. underfill). Однако результаты испытаний в [9] показывают, что такая технология не только не устраняет проблему, но может, наоборот, только ухудшать устойчивость конструкции к воздействию смены температур (рис. 4).
В статье [5] представлены результаты исследования влияния финишного покрытия печатной платы на надёжность BGA-компонентов. Было отмечено, что для ENIG, в отличие от HASL и OSP, для которых были характерно вязкое разрушение выводов, некоторые выводы демонстрировали хрупкое разрушение выводов. Стандарт IPC-9701A, описывающий методологию испытания надёжности паяных соединений, запрещает использование иных покрытий печатной платы, кроме HASL, OSP и IAg, во избежание влияний интерметаллидов (также, к слову, стандарт рекомендует использовать контактные площадки NSMD-типа с отступом маски). В рамках специальных исследований [10, 11] проблемы использования ENIG в качестве финишного покрытия не удалось обнаружить каких-либо закономерностей и, таким образом, снижение надёжности соединения является трудно предсказуемым событием. Видимо, по этой причине, в стандарте и не рекомендуется использовать такой финиш. К слову, в качестве альтернативного покрытия, среди прочих, рассматривалось покрытие ENEPIG, которое показало хорошие результаты (в оригинале – «performed very well and requires more testing»).
В таблице 2 сведены данные экспериментов по исследованию надёжности компонентов BGA-типа, анализ которых указывает на наличие некоторых закономерностей (например, снижение толщины керамического основания значительно снижает нагрузку на выводы). Эти данные могут выступать лишь как ориентир при проектировании, критерий надёжности – эксперимент для конкретной конструкции и технологии сборки. В конце статьи [9] даются ценные рекомендации по использованию BGA-компонентов на основе обобщения опыта NASA от человека, который занимается надёжностью BGA-компонентов с 1995 года. Вот некоторые тезисы:
Важно понимать, что дело не в технологии корпусирования в общем, а в том, соответствует ли конкретная микросхема требованиям надёжности и стойкости к воздействующим факторам. Можно использовать и коммерческую микросхему в пластиковом корпусе, если она пройдёт полный цикл испытаний. При этом успешные испытания не будут означать, что «такая же» микросхема с другого завода-изготовителя или даже из другой партии будет удовлетворять требованиям надёжности. В этом отличие надёжной ЭКБ, которое и заложено в цене — изготовитель берёт на себя затраты на испытания. Тот же 3D PLUS проводит отбор микросхем в пластике для некоторых своих микросборок, но стоят такие изделия уже на порядок дороже. Другой путь — это выполнение испытаний и отбора на стороне потребителя. Это может быть оправдано, если нужная функциональность не реализована в надёжном исполнении, или если если модель внешних воздействий и требования надёжности для целевой миссии значительно ниже, чем типовые на рынке надёжной ЭКБ.
Запрос на снижение массы космических аппаратов (прежде всего, развитие малоразмерных КА) толкает производителей выпускать надёжные ЭКБ в пластиковых корпусов, на рынке уже есть решения (кроме того, они заявляются и как бюджетные). Возможно, в ближайшем будущем количество надёжного, сертифицированного для космоса пластика будет расти, обеспечивая нужды околоземных миссий с низкими орбитами, а керамические корпуса пересядут на LTCC печатные платы для того, чтобы бороздить глубинный космос.
Корпус bga что это
Электронная техника миниатюризируется, поэтому микросхемы в корпусах типа BGA получают все большее распространение в радиоэлектронной аппаратуре, в том числе в компьютерах и мобильных устройствах. Статья дает ответ на вопрос «Как паять корпуса BGA?» в форме подробной инструкции с практическими рекомендациями по пайке в домашних условиях.
Для начала разберемся, что такое корпус BGA. Аббревиатура BGA расшифровывается как «Ball grid array», то есть «массив шариков». Выражаясь научным языком, BGA — это тип корпуса поверхностно-монтируемых интегральных микросхем. BGA произошёл от PGA («Pin grid array»). BGA-выводы — шарики из припоя, нанесённые на контактные площадки с обратной стороны микросхемы.
Микросхему располагают на печатной плате согласно маркировке первого контакта на микросхеме и на плате. Затем микросхему нагревают с помощью паяльной станции или инфракрасного источника, так что шарики начинают плавиться. Поверхностное натяжение заставляет расплавленный припой зафиксировать микросхему ровно над тем местом, где она должна находиться на плате, и не позволяет шарикам деформироваться.
Достоинство корпуса BGA — компактность и экономия места на печатной плате. Выводы размещаются на нижней поверхности элемента в виде плоских контактов с нанесенным припоем в виде полусферы. В корпусах такого типа выполняют полупроводниковые микросхемы: процессоры, ПЛИС и память. Пайка элемента в корпусе BGA осуществляется путем нагрева непосредственно корпуса элемента, с подогревом печатной платы при помощи горячего воздуха или инфракрасного излучения.
Перейдем непосредственно к пайке BGA в домашних условиях.
Приступим к процессу пайки.
1) Микросхема перед началом пайки выглядит так:
2) Чтобы облегчить процесс постановки микросхемы на плату, сделаем риски на плате по краю корпуса микросхемы, если на плате нет шелкографии, которая показывает ее положение.
Выставим температуру 320–350°C на термофене. Для точного выбора ориентируйтесь на размер корпуса микросхемы. Чтобы не повредить мелкие детали, припаянные рядом, выставим минимальную скорость (напор) воздуха.
В течение минутного прогрева держим фен перпендикулярно к плате. Чтобы не повредить кристалл, направляем воздух не в центр, а по краям, по периметру. Через минуту поддеваем микросхему за край и поднимаем над печатной платой. Если микросхема «не поддается», значит припой расплавился не полностью; продолжайте нагрев. Не прилагайте усилия для поднятия микросхемы: есть риск повредить рисунок печатной платы.
3) После процесса «отпайки» печатная плата и микросхема выглядят следующим образом:
4) В качестве эксперимента на полученные плату и микросхему нанесем флюс.
Как выбрать флюс для пайки BGA, читайте в данной статье.
После прогрева припой соберется в неровные шарики. Нанесем спиртоканифоль (при пайке на плату пользоваться спиртоканифолью нельзя из-за низкого удельного сопротивления), греем и получаем:
Вот так выглядят плата и микросхема после отмывки:
Припаять эту микросхему на старое место просто так не получится, а значит нужна замена.
5) С помощью оплетки для удаления припоя 3S-Wick очистим платы и микросхемы от старого припоя. При очистке будьте аккуратны: не повредите паяльную маску, иначе потом припой будет растекаться по дорожкам. Полученный результат:
6) Приступим к «накатке» новых шаров. Теоретически, можно использовать готовые шары. Но вполне вероятно, что Вам потребуется разложить не одну и даже не две сотни таких шаров, потратив на это кучу времени и нервов. Трафареты для нанесения паяльной пасты способны решить эту проблему.
Рекомендуем паяльную пасту KOKI S3X58-M650-7 для BGA*. Мы сравнили нашу паяльную пасту и дешевый аналог, предлагаемый другой фирмой, которую не будем называть из соображений корпоративной этики. На фото виден результат нагрева небольшого количества пасты. Паста KOKI сразу же превращается в блестящий гладкий шарик, а дешевая распадется на множество мелких шариков.
*При накатке шаров паяльной пасты обратите внимание на корпус микросхемы: если на нем не стоит маркировка «Pb free», используйте свинецсодержащую пасту SS48-A230. Это связано с более низкой температурой плавления свинецсодержащей пасты. Фен ставим на 250–270°C.
Итак, закрепляем микросхему в трафарете для нанесения паяльной пасты с помощью крепежной изоленты:
Затем шпателем или просто пальцем наносим паяльную пасту.
После нанесения придерживаем трафарет пинцетом и расплавляем пасту. Температуру на фене выставляем не больше 300°C. Фен держим перпендикулярно плате. Трафарет придерживаем пинцетом до полного застывания припоя, потому что при нагреве трафарет изгибается.
После остывания флюса снимаем крепежную изоленту и феном с температурой 150°С аккуратно нагреваем трафарет до плавления флюса. После этого аккуратно отделяем микросхему от трафарета. В результате получаем ровные шары. Микросхема готова к постановке на плату:
7) Приступаем к пайке микросхемы на плату.
В начале статьи мы советовали сделать риски на плате. Если Вы все же проигнорировали этот совет, то позиционирование делаем следующим образом: переворачиваем микросхему выводами вверх, прикладываем краем к пятакам, чтобы они совпадали с шарами, засекаем, где должны быть края микросхемы (можно слегка царапнуть иглой). Сначала одну сторону, потом перпендикулярную. Достаточно двух рисок. Затем ставим микросхему по рискам на плату и стараемся на ощупь шарами поймать пятаки по максимальной высоте. Шары должны встать на остатки прежних шаров на плате.
Можно произвести установку, просто заглядывая под корпус, либо по шелкографии на плате.
Вновь прогреваем микросхему до расплавления припоя. Микросхема сама точно встанет на место под действием сил поверхностного натяжения расплавленного припоя. Важно: флюса наносим небольшое количество! Температуру фена вновь выставляем 320–350°С, в зависимости от размера корпуса микросхемы. Для свинецсодержащих микросхем ставим 250–270°C.