BGA - pouzdra s kulovými vývody

Datum: 26.06.2017

Kategorie: Pouzdra SMD

Dvouřadá pouzdra staršího provedení (DIL), kde je aktivní prvek uzavřen v plastu a vývody procházejí průchozími otvory v desce plošných spojů, vyhovovala spoustu let a běžné byly součástky až se 128 vývody (64 po každé straně). Snadno se s nimi manipulovalo, avšak spotřebovaly velkou plochu na desce a vznikaly problémy při zvyšování počtu vývodů.

Technologie povrchové montáže

Technologie povrchové montáže vyhovuje prostorovým požadavkům tím, že fyzicky zmenšila velikost pouzdra a vývodů asi na polovinu ekvivalentu pouzdra DIL. Určité tvary s vysokým počtem vývodů využívají celý obvod pro vývody (jako je tomu například u čtyřhranných plochých pouzder - QFP) a zmírňují tak problém zvětšování velikosti pouzdra, kdykoliv se zvýšil počet vývodů - zmenšuje se rozteč mezi vývody.

Jakmile však počty vývodů stoupnou na 208 a více, rozteče se zmenší na 0,4 mm a méně, nastávají problémy s manipulací a osazováním těchto součástek. Lze to provést, avšak technologie je neúměrně drahá a vyžaduje přesné řízení procesu.

BGA pouzdra

Řešení přichází ve formě maticových pouzder, z nichž nejznámější se stala skupina označovaná jako kuličkové vývody v šachovnicovém uspořádání (BGA - Ball Grid Array).

Přednosti je možno vyjádřit matematicky: čtverhranné ploché pouzdro s 208 vývody o velikosti 25 × 25 mm vyžaduje uspořádání vývodů s roztečí asi 0,3 mm, aby se všechny vešly. BGA využívá k propojení celou spodní plochu, takže v případě našeho pouzdra 25 × 25 mm lze umístit 256 vývodů i s poměrně mírnější roztečí 1,5 mm. V praxi se používají rozteče asi 1 - 1,27 mm (existují ještě další standardní rozteče), umožňující umístit asi 200 vývodů na součástku ne větší než 17 × 17 mm.

Výsledkem je pouzdro, jež šetří prostor a navíc se vyhýbá problémům s malými roztečemi. V poslední době byly vyvinuty ještě menší prvky µBGA, jež je možno montovat přímo na čelo čipu.
BGA není žádná nová koncepce. Firma IBM získala patent na keramický typ již v šedesátých letech. Až do dnešních dnů však neměl žádné uplatnění, protože byl drahý ve srovnání s jinými alternativami. Požadavek na úsporu místa však vedl k zájmu o výrobky, ke zvyšování objemů a snižování cen. Výrobci zařízení rovněž shledali přechod na BGA oprávněným a usnadněným skutečností, že výtěžnost sestav je možno udržovat při nižší ceně, než u ekvivalentních QFP s malou roztečí kontaktů. „Hrubá“ rozteč a tendence k samočinnému vystřeďování během přetavení je v tomto ohledu nápomocí.

Geometrie kuličkových vývodů v šachovnicovém uspořádání BGA (viz Obr.)

K dispozici jsou různé typy BGA, nejběžnější je plastová verze (PBGA), která má svůj původ v OMPAC (zalisovaný nosič plošek v maticovém uspořádání), vyvinutém firmou Motorola koncem 80. let. PBGA zpravidla poskytuje 50 - 300 propojení s možností více než 1000 propojení. Skládá se z malé vícevrstvé podložky plošného spoje, která propojuje čip, umístěný na horní ploše, s maticí kuliček eutektické pájky o průměru přibližně 0,9 mm, montovanou ze spodní strany. Koeficient tepelné roztažnosti se těsně blíží koeficientu podložky desky plošného spoje, na niž je prvek montován. Pájí se přetavením pomocí eutektické pájecí pasty, kuličky se během tohoto procesu taví a přetavují.

Keramický BGA (CBGA) používá vícevrstvou keramickou podložku, k níž je drátem připojen holý křemíkový čip. Kvůli ochraně je čip zapouzdřen. Matice pozůstává buď z kuliček nebo sloupků pájky 90Pb/10Sn s vysokým bodem tavení, jež jsou metodou pájení přetavením připojeny k pájecím ploškám desky plošných spojů pomocí konvenční eutektické pájecí pasty. Kuličky ani sloupky se během tohoto procesu neroztavují. Vzhledem k nepřizpůsobení tepelné roztažnosti keramické a skloepoxidové desky plošného spoje se kuličkové matice používají pouze pro menší velikosti pouzder, ačkoliv některé konstrukce používají k usnadnění tohoto problému elastické membrány. Větší pouzdra využívají matic sloupků pájky.

Nevýhody BGA pouzder

Prvky BGA však mají i své nevýhody.

keramické typy jsou stále drahé,
plastové typy na základě miniaturní vícevrstvé podložky mohou být hygroskopické. To má za následek „rozpínání“ vody ven ze součástky během přetavení, což může vést k poškození. Více informací o součástkách citlivých na okolní vlhkost MSDS. A proto některé typy BGA pouzder vyžadují skladování ve speciálních Dry Cabinetech.
nevýhodou maticových pouzder jsou potíže při kontrole pájených spojů. Zatímco spoje nejblíže okrajů pouzdra se nabízejí k vizuální kontrole, jedinou možností, jak kontrolovat skryté spoje, je použít poměrně drahá rentgenová zařízení nebo optická zařízení Flexia
ruční dodělávky jsou nemožné.
při chybném pájení je nutné celý BGA odpájet a celý proces opakovat.