Разное

Корпус bga: BGA Тип корпуса поверхностно-монтируемых интегральных микросхем.

- от alexxlab - Комментировать

Содержание

BGA Тип корпуса поверхностно-монтируемых интегральных микросхем.

BGA выводы представляют собой 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.

Преимущества


Высокая плотность
BGA — это решение проблемы производства миниатюрного корпуса ИС с большим количеством выводов. Массивы выводов при использовании поверхностного монтажа «две линии по бокам» (SOIC) производятся всё с меньшим и меньшим расстоянием и шириной выводов для уменьшения места, занимаемого выводами, но это вызывает определённые сложности при монтаже данных компонентов. Выводы располагаются слишком близко, и растёт процент брака по причине спаивания припоем соседних контактов. BGA не имеет такой проблемы — припой наносится на заводе в нужном количестве и месте.

Теплопроводность
Следующим преимуществом перед микросхемами с ножками является лучший тепловой контакт между микросхемой и платой, что в некоторых случаях избавляет от установки теплоотводов, поскольку тепло уходит от кристалла на плату более эффективно (также, в некоторых случаях, по центру корпуса создаётся одна большая контактная площадка-радиатор, которая припаивается к дорожке-теплоотводу).

Если BGA-микросхемы рассеивают достаточно большие мощности и теплоотвод по всем шариковым выводам недостаточен, то к корпусу микросхемы прикрепляется (иногда приклеивается) радиатор. В качестве примера можно привести видеоплаты для ПК, микросхемы „северных мостов“ на материнских платах ПК и т. д.

Малые наводки
Чем меньше длина выводов, тем меньше наводки и излучение. У BGA длина проводника очень мала и может определяться лишь расстоянием между платой и микросхемой, так что применение BGA позволяет увеличить диапазон рабочих частот и, для цифровых приборов (см. Цифровая обработка сигналов), увеличить скорость обработки информации.

Недостатки

Негибкие выводы. Основным недостатком BGA является то, что выводы не являются гибкими. Например, при тепловом расширении или вибрации некоторые выводы могут сломаться. Поэтому BGA не является популярным в военной технике или авиастроении.

Отчасти эту проблему решает залитие микросхемы специальным полимерным веществом — компаундом. Он скрепляет всю поверхность микросхемы с платой. Одновременно компаунд препятствует проникновению влаги под корпус BGA-микросхемы, что особенно актуально для некоторой бытовой электроники (например, сотовых телефонов). Также осуществляется и частичное залитие корпуса, по углам микросхемы, для усиления механической прочности.

Дорогое обслуживание
Другим недостатком является то, что после того как микросхема припаяна, очень тяжело определить дефекты пайки. Обычно применяют рентгеновские снимки или специальные микроскопы, которые были разработаны для решения данной проблемы, но они дороги. Относительно недорогим методом локализации неисправностей, возникающих при монтаже, является периферийное сканирование. Если решено, что BGA неудачно припаяна, она может быть демонтирована термовоздушным феном или с помощью инфракрасной паяльной станции; может быть заменена новой. В некоторых случаях из-за дороговизны микросхемы шарики восстанавливают с помощью паяльных паст и трафаретов; этот процесс называют ребо́ллинг, от англ. reball.

Пайка и ремонт BGA: инструменты, материалы, приспособления

Отличительной особенностью электронных технологий последнего времени является всё большее уплотнение монтажа компонентов и микросхем, что стало причиной появления корпусов типа BGA (англ. Ball grid array — массив шариков). Этот самый массив находится под корпусом микросхемы, что позволяет разместить большое количество выводов в малом объеме (корпуса).

Подобная микроминиатюризация зачастую оборачивается известными неудобствами, вызванными сложностью ремонта (пайки) элементов, размещённых в таком корпусе.

При их пайке обрабатывается сразу несколько контактных ножек и площадок, располагаемых под нижней частью цифрового контроллера или небольшого по размерам чипа. Действовать с ними следует очень аккуратно, пайка требует специализированного оборудования, навыков, знания технологий и профессионализма.

Технология ремонта BGA

Пайка BGA микросхем или реболлинг (reballing) – это процесс восстановления массива из шариков на нижней площадке платы. У нас данный термин не очень прижился и сами специалисты этот процесс ремонта называют просто «перекаткой» контактных шариков. Необходимость в этой процедуре возникает в случаях, когда требуется заменить сгоревшую микросхему, предварительно выпаяв её с посадочного места. Саму процедуру можно разделить на основные этапы:

  • демонтаж неисправного микроэлемента после предварительного нагрева;
  • очистка несущей платы от остатков старого припоя;
  • накатывание новых контактных выводов;
  • установка компонента на место.

Следует отметить, что качество пайки значительно отличается при работе на профессиональных паяльных станциях и в домашних условиях на кустарных приспособлениях. К тому же, BGA пайка требует опыта, знания элементной базы, хорошего глазомера и качественных расходных элементов. Имея профессиональную станцию, ремонт станет значительно проще и пройдет в полуавтоматическом режиме.

Для работы с BGA чипами потребуются следующие инструменты, материалы и приспособления:

  • паяльная станция с термофеном;
  • удобный пинцет;
  • специальная паяльная паста и фирменный флюс;
  • нужный трафарет для нанесения паяльной пасты;
  • липкая лента или экранная оплётка для удаления припоя;

Порядок действий

  1. Для качественной пайки BGA-корпусов очень важна предварительная подготовка посадочного места (его ещё называют «рабочей областью»). Ремонтируемая плата помещается на горизонтальную платформу, имеющую нижний подогрев инфракрасным излучателем локального действия. Этот излучатель направляется на отпаиваемый BGA чип. При нижнем нагреве станция следит за температурой. Она не должна превышать 200°С, так как требуется только подогрев припоя для облегчения демонтажа элемента. Сверху нагрев осуществляется горячим воздухом целенаправленного действия. Обычно для чипов средних размеров температуру выставляют в пределах 330–360°С.
    Процедура занимает около минуты. Нагрев осуществляется по краям платы, исключая центр микросхемы. Это требуется для предотвращения перегрева кристалла. Следует учитывать время и интенсивность обработки микросхемы воздухом. Так как компоновка элементов очень плотная, то существует вероятность перегреть соседние элементы. Для этого их укрывают специальной защитной пленкой.
  2. После этого можно производить демонтаж микросхемы. Для этого используется «подъемник» чипа, который входит в комплект станции. Данное приспособление необходимо для отделения ремонтируемой микросхемы от печатной платы. Этап очень ответственный. При недостаточном нагреве существует риск оборвать дорожки.
  3. Следующим этапом необходимо очистить электронную плату и чип от остатков припоя. Здесь очень важно не испортить паяльную маску, в противном случае возможно растекание припоя по дорожкам. Для удаления используется паяльник с насадкой типа «волна». Его использование эффективно и позволяет добиться максимально качественного результата.
  4. Далее технология BGA пайки предусматривает накатывание новых контактных выводов на чипе. Возможно применение готовых шаров. Но зачастую контактная площадка состоит из сотни выводов. Поэтому в промышленном случае используются специализированные трафаретные площадки, в которых закрепляется микросхема. При реболлинге важный элемент – высококачественная паяльная паста. Такие экземпляры при нагревании дают ровный и гладкий шарик. А некачественные пасты распадаются на большое количество мелких шариков.
  5. Заключительная процедура пайки BGA микросхемы — установка ее на место. Элемент устанавливается, исходя из шелкографии, нанесенной на саму плату или монтажных меток. Затем микросхема прогревается горячим воздухом и за счет сил поверхностного натяжения от действия расплавленного припоя фиксируется на первоначальном участке демонтажа, занимая «удобную позицию».
    6. На этом ремонтные процедуры завершены. Плата промывается аэрозолю flux-off и проверяется на работоспособность.

    Подробнее об особенностях BGA монтажа читайте:

Юрий Суркис

Процессоры с BGA-корпусом в материнских платах — FAQHard.RU

LGA сокеты нам хорошо известны.
Под такой сокет в настоящий момент компания Intel выпускает процессоры для настольных ПК.

Удобство в модернизации центрального процессора налицо, достаточно перепрошить BIOS, поддерживающий новый процессор, вставить процессор в сокет на системной плате и наслаждаться новой мощность компьютера.

Но вот появились сообщения, что компания Intel планирует в 2014 году отказаться от LGA-упаковки с переходом на 14-нм процессоры Broadwell и перейти на BGA-упаковку.

BGA (Ball Grid Array — массив шариков) — тип корпуса поверхностно-монтируемых интегральных микросхем, т.к. это корпус с шариковыми выводами, остальное скрыто корпусом.

BGA выводы представляют собой 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.
Далее, 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.
Сочетание определённого припоя, температуры пайки, флюса и паяльной маски не позволяет шарикам полностью деформироваться.

Так как выводы располагаются слишком близко, и растёт процент брака по причине спаивания припоем соседних контактов, то BGA — это решение проблемы производства миниатюрного корпуса процессора с большим количеством выводов.

Основным недостатком BGA является то, что выводы не являются гибкими.
Например, при тепловом расширении или вибрации некоторые выводы могут ломаться.
Поэтому BGA не является популярным в военной технике или авиастроении.

Отчасти эту проблему решает залитие микросхемы специальным полимерным веществом — компаундом.
Он скрепляет всю поверхность микросхемы с платой.

Одновременно компаунд препятствует проникновению влаги под корпус BGA-микросхемы, что особенно актуально для некоторой бытовой электроники (например, сотовых телефонов).
Также осуществляется и частичное залитие корпуса, по углам микросхемы, для усиления механической прочности.

Что несет такой поворот в изготовлении центральных процессоров для ПК любителям «сделай сам»?

А то, что системные платы для процессоров Haswell не подойдут для процессоров Broadwell.
Рынка «сделай сам», в том виде, в котором мы его все прекрасно знаем, через два года может просто не стать.
В лучшем случае, системные платы будут продаваться с распаянными процессорами, в худшем — на полках магазинов будут красоваться только моноблочные ПК.

Тайваньского интернет-ресурс DigiTimes задал вопрос о возможной через два года ситуации с распайкой всех процессоров на платы вице-президенту компании Asustek Computer, Джо Се (Joe Hsieh), ответственному за бизнес компании по выпуску материнских плат для настольных ПК.

По мнению руководителя профильного направления Asustek, всё может оказаться не настолько плохо, как это сегодня представляется.
Компания Intel, скорее всего, разработает стратегию, сочетающую оба направления (выпуск процессоров в BGA-упаковке и LGA).

Иными словами, представитель крупнейшего производителя материнских плат не сомневается в том, что процессоры в BGA-упаковке, ориентированные на распайку, будут выпускаться в большем количестве, чем в LGA-упаковке, что само по себе заставляет задуматься о судьбе съёмных процессоров.

Если же Intel совсем прекратит производство процессоров в LGA-упаковке, производители плат наверняка придумают, как продлить жизнь рынку «сделай сам».
В конце концов, это их хлеб.

Производители верят, что данное направление, хотя интерес к самостоятельной сборке настольных систем в массах угасает, в одночасье не умрёт.
Но то, что оно умирает и года через два обещает стать уделом настоящих энтузиастов, это вряд ли кто-то будет оспаривать.

Технологии — корпуса BGA-типа, пластик и космос II / Хабр

В комментариях к предыдущей публикации hhba поделился статьёй, которая сама по себе достойна отдельной публикации, настолько там красивые решения приводятся. В дополнение к её обзору я постараюсь поставить точк
иу над «i» в вопросе применения пластиковых корпусов в космических приложениях. Этот вопрос частично затрагивался в первой части и в комментариях к ней, но сейчас он будет разобран подробней.
Итак, сначала о керамических корпусах, которые на данный момент развития технологии корпусирования по совокупности параметров превосходят по надёжности пластиковые корпуса (о причинах позже). Как было показано в предыдущей статье, основная проблема с ними (особенно для больших корпусов) – несоответствие коэффициента теплового расширения (КТР) керамики и стеклотекстолита. Первое решение проблемы – отказ от традиционных печатных плат и переход на керамические, изготавливаемые по технологии LTCC. Второе – различные способы снижения нагрузки на выводы корпуса, возникающие при термоциклировании (таблица 1, на примере корпусов BGA-типа).
Оказывается, помимо представленных в таблице методов, существует ещё два, которые приводятся вот в этой статье. И они хороши тем, что показывают, насколько красивыми могут быть инженерные решения. Первый способ, которому и посвящена статья, заключается в использовании микропружин (англ. microcoil spring interconnect, MCS) (рис. 1), а второй, который приводится для сравнения эффективности – в использовании шариков с полимерным ядром (англ. plastic core solder ball, PCSB) (рис. 2).
По данным технологиям не так много информации, но из тех данных, что я смог найти, получается, что PCSB лучше обычных шариков, но хуже столбиковых выводов. А вот MCS по данным всё той же статьи превосходят по надёжности (количество циклов до первого сбоя, именно этот параметр важен для космоса) столбиковые выводы. Основные вопросы, которые сразу же возникает к технологии MCS – стойкость механическим воздействиям и паразитная индуктивность выводов. Авторы статьи эти расчёты и эксперименты провели, причём в сравнении с основным конкурентом – корпусом CCGA-типа: индуктивность ниже (4,84 нГн против 5,91 нГн), а стойкость к вибрации выше (отсутствие сбоев против 30% сбоев, рис. 3). При этом технология предполагает гибкость и возможность оптимизации конструкции микропружин для получения требуемых параметров (индуктивность, жёсткость и т.д.).
На мой взгляд, MCS можно назвать наиболее перспективной технологией для керамических корпусов BGA-типа, требующей дополнительного исследования. Технология, безусловно, предполагает необходимость непростой отработки монтажа на печатную плату, однако это, в свою очередь, верно и для CCGA-корпусов. Что касается PCSB, то я считаю, что о данной технологии, по крайней мере, стоит знать, у неё есть свои нишевые применения. Например, у NSC есть патент на Micro SMDxt корпуса CSP-типа, в котором они пишут, что благодаря PCSB смогли получить микросхемы большего размера.

Теперь обещанные точки над «i» о пластиковых корпусах и космосе. Прежде всего, функционирование микросхемы с сохранением пределов электрических параметров должно быть гарантировано в условиях воздействия всех внешних факторов. При этом не факторов вообще, а факторов, специфичных для конкретного блока аппаратуры в условиях конкретной миссии. Микросхемы же, которые квалифицируются для космоса, чаще всего испытываются по типовым требованиям (те же знаменитые «не менее 100 кРад» и т.п.), которые могут быть избыточными для целевой миссии. Зато та самая необходимая гарантия.

Есть ли микросхемы в пластиковом корпусе, квалифицированные для космоса «из коробки»? Есть, но к настоящему моменту их мало. Использовались ли микросхемы в пластиковом корпусе в успешных космических программах? Да. Но использовались они не «из коробки», а после серьёзного отбора по результатам испытаний (англ. upscreening, uprating и др.). Испытания включают в себя разрушающий визуальный контроль, электротермотренировку, термоциклирование, радиационные испытания, механические, акустическую сканирующую микроскопию, при этом после каждого этапа контролируются электрические параметры во всём диапазоне температур. Те, кто имел дело с квалификационными испытаниями по отечественным ГОСТам, имеют представление, насколько это длительные и дорогостоящие процедуры. Поэтому сэкономить на «пластике» не получится: в одной из статей говорилось о выигрыше в цене лишь в ~10% (при сравнимых требованиях к надёжности). Это в случае успешных испытаний, а если ни одна микросхема не пройдёт отбор (рис. 4)?


Помимо чисто вероятностной стойкости к радиационным эффектам, у пластиковых микросхем есть свои конструкционные проблемы, и прежде всего это:
  1. Отслоение (англ. delamination) пластика от кристалла (рис. 5), что приводит к повреждению верхнего слоя топологии и микропроволочных выводов при термоциклировании из-за их свободного относительного движения. Об этом есть прекрасные экспериментальные работы [2, 3].
  2. Гигроскопичность пластика, которая приводит к вероятности растрескивания корпуса при расширении скопившейся в микрополостях воды.

Если влияние второго фактора можно ограничить надлежащим хранением, термовакуумной сушкой и защитным покрытием, то первый фактор является основной причиной отбраковки [1]. Эта же проблема, кстати, снижает надёжность технологии «underfill».
Уже обращал внимание в прошлой статье, что ведущие производители микросхем для космоса, такие как Aeroflex и MSK, используют только керамические и металлостеклянные корпуса. Возможно, они консервативны и просто следуют отработанным решениям, плюс у них нет необходимости снижать стоимость, поэтому серьёзных исследований в области надёжного «пластика» и не проводят. Но несмотря на все сложности, микросхемы в пластике в космос летают, и успешно. Основные причины к их применению в серьёзных проектах:
  1. Отсутствие требуемой функциональности в надёжном исполнении. Санкции.
  2. Необходимость снижения массы космического аппарата (задача, актуальная, например, для современных малоразмерных КА).
  3. Пониженные требования к внешним воздействующим факторам и/или времени жизни аппарата.

Ещё раз повторюсь, микросхемы вне зависимости от причины их использования должны быть испытаны, причём результаты испытаний распространяются только на данную партию. Сам процесс отбора не стандартизован – это компромисс с вероятностью отказа и оптимизацией затрат времени и денег. Некоторые примеры испытаний, в том числе в зависимости от параметров миссий NASA, приводятся в статьях западных коллег [1, 4, 5]. На этом вопрос «пластика» в океане космосе считаю открытым закрытым.

Литература


[1] Michael A. Sandor, “Plastic Encapsulated Microcircuits (PEMs) Reliability/Usage Guidelines For Space Applications”, 2000.
[2] Karel van Doorselaer, Kees de Zeeuw, “Relation Between Delamination and Temperature Cycling Induced Failures in Plastic Packaged Devices”, 1990
[3] T.M. Moore, R. McKenna, S.J. Kelsall, “Correlation Of Surface Mount Plastic Package Reliability Testing To Nondestructive Inspection By Scanning Acoustic Microscopy”, 1991
[4] R. David Gerke, Michael A. Sandor, Andrew A. Shapiro, etc. “Use of Plastic Commercial Off-The-Shelf (COTS) Microcircuits for Space Applications”, 2003
[4] R. David Gerke, Michael A. Sandor, Shri Agawal, etc. “Different Approaches for Ensuring PerformancelReliability of Plastic Encapsulated Microcircuits (PEMs) in Space Applications”, 1999

CORE — BGA и SMD монтаж

BGA и SMD монтаж

Ниже представлена блок схема одной из архитектур современного компьютера/ноутбука.

Как можно увидеть из схемы, весь компьютер состоит из нескольких основных центральных блоков (обведены красным): южный мост (ICh20),северный мост (P43), центральный процессор Intel и блок обработки графики (видеокарта). В «железе» эти блоки представляют собой большие, очень сложные интегральные микросхемы (ИС), с огромным количеством выводов.

Как видно на рисунке, выводы таких ИС — шарики припоя, нанесенные на корпус микросхемы, BGA (англ. Ball grid array — массив шариков) — тип корпуса поверхностно-монтируемых интегральных микросхем.

Установка такой микросхемы проходит в несколько этапов, микросхему располагают на печатной плате, согласно маркировке ответных контактных площадок на плате, далее зону установки микросхемы нагревают до температуры плавления припоя, силы поверхностного натяжения расплавленного припоя заставляют микросхему зафиксироваться четко над тем местом, где она должна находиться на плате.

Установленная ИС на плату:

Так выглядит ИС на плате в разрезе, видны шары припоя, на которых впаяна ИС и слои меди в плате:

Основное преимущество BGA монтажа – высокая плотность размещения контактов на ИС небольших размеров, вместе с этим это является и самым слабым местом — высокая чувствительность к механическим нагрузкам, будь то вибрационные, ударные, либо же, нагрузки, возникающие в процессе теплового расширения корпуса ИС и платы на которую она впаяна. Вследствии таких воздействий, контакт между шариками припоя и платой нарушается, и устройство перестает работать, проще говоря, шарики отрываются от контактных площадок. Стоит заметить, что некачественный монтаж микросхемы на заводе производителя или в ремонтной мастерской так же может стать причиной нарушения контактов и выхода из строя устройства. В интернете встречаются несколько названий такого дефекта: отвал, недопай, микротрещины в пайке (холодная пайка) и пр.

C помощью оптических приборов, можно собственными глазами увидеть, как выглядят такие дефекты: недопай, холодные трещины.

Устранение такого дефекта пайки возможно при наличии соответствующего оборудования. Проходит в 3 этапа:

1) Демонтаж ИС на специальной инфракрасной или термовоздушной паяльной станции.

2) Нанесение новых шаров припоя, с помощью трафарета и оснастки, с последующим оплавлении в ИК печи.

3) Завершающий этап – установка ИС на плату.

Весь процесс называется реболл, реболлинг, после такой процедуры, как правило, причина неисправности устраняется и устройство вновь готово к эксплуатации. Однако, не всегда реболл по настоящему устраняет дефект, даже если устройство заработало вновь, эффект этот кратковременен. Происходит такое по причине того что дефект кроется не в монтаже, а внутри самого чипа, в таком случае, микросхему нужно только менять.

Почему чип нужно именно менять, подробно описано в следующей статье.

BGA

A B C D E F G H I K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
А Б В Г Д Ж З И К Л М Н О П Р С Т Ф Х Ч Ш Э Ю Я

BGA (англ. Ball grid array — массив сетки шариков) — тип корпуса поверхностно-монтируемых интегральных микросхем. Корпус BGA произошел от PGA (Pin Grid Array), только вместо штырьковых контактов – пинов, используются шарики из припоя. На данный момент BGA применяет повсеместно при производстве ноутбуков и комплектующих.

При монтаже микросхему располагают на плате в соответствии с маркировкой контактов и нагревают до плавления шариков. Благодаря поверхностному натяжению микросхема фиксируется в нужном месте. Определенный сплав припоя, термопрофиль и флюс не дают шарикам полностью деформироваться. При возникновении дисконтакта в выводах проводят реболлинг – восстановление шариков.

Преимущества и достоинства BGA

• Высокая плотность. BGA позволяет избежать недостатков монтажа микросхем со штырьковыми выводами, когда припоем спаиваются соседние выводы, т.е. у BGA такой проблемы нет.

• Малые наводки. Малость длины проводников BGA позволяет расширить диапазон рабочих частот и увеличить скорость передачи данных.

• Теплопроводность. BGA обеспечивает лучший тепловой контакт между платой и микросхемой, чем в случае микросхемы с ножками. Правда, такие BGA – компоненты, как южный мост, северный мост, процессор или видеочип настолько греются, что рассеивания тепла через контакты недостаточно, что приводит к необходимости ставить дополнительные теплоотводы. Хотя для многих менее нагруженных чипов дополнительных теплоотводов не требуется.

Недостатки BGA

Из недостатков можно выделить негибкость выводов  и дороговизну обслуживания. Негибкость приводит к разрушению контакта при тепловом расширении или вибрации. А дороговизна обслуживания заключается в сложности дефектовки. Для определения качества пайки применяется рентген или специальный микроскоп,  но это оборудование очень дорогое.

Пайка BGA-компонентов – один из частых случаев ремонта ноутбуков. Как раз, из-за температурных расширений «отваливаются» южные мосты и видеокарты или сгорают от перегрева. Их и приходится менять на новые. Ремонт ноутбуков заключается в замене неисправной микросхемы BGA или восстановлении шариков.


Центрирование BGA корпусов при подготовке к автоматической установке — ООО «Фабмикро», г. Тюмень

06 мая 2017,