Una matriz de rejilla de bolas ( BGA ) es un tipo de embalaje de montaje superficial (un soporte de chip ) que se utiliza para circuitos integrados . Los paquetes BGA se utilizan para montar permanentemente dispositivos como microprocesadores . Un BGA puede proporcionar más pines de interconexión de los que se pueden colocar en un paquete plano o en línea dual . Se puede utilizar toda la superficie inferior del dispositivo, en lugar de sólo el perímetro. Las pistas que conectan los cables del paquete con los cables o bolas que conectan la matriz con el paquete también son en promedio más cortas que con un tipo de perímetro únicamente, lo que conduce a un mejor rendimiento a altas velocidades. [ cita necesaria ]
La soldadura de dispositivos BGA requiere un control preciso y generalmente se realiza mediante procesos automatizados, como en hornos de reflujo automáticos controlados por computadora .
El BGA desciende del pin grid array (PGA), que es un paquete con una cara cubierta (o parcialmente cubierta) con pines en un patrón de rejilla que, en funcionamiento, conduce señales eléctricas entre el circuito integrado y la placa de circuito impreso ( PCB) en el que se coloca. En un BGA, los pines se reemplazan por almohadillas en la parte inferior del paquete, cada una inicialmente con una pequeña bola de soldadura pegada. Estas esferas de soldadura se pueden colocar manualmente o mediante equipos automatizados y se mantienen en su lugar con un fundente pegajoso. [1] El dispositivo se coloca en una PCB con almohadillas de cobre en un patrón que coincide con las bolas de soldadura. Luego se calienta el conjunto, ya sea en un horno de reflujo o mediante un calentador de infrarrojos , derritiendo las bolas. La tensión superficial hace que la soldadura fundida mantenga el paquete alineado con la placa de circuito, a la distancia de separación correcta, mientras la soldadura se enfría y solidifica, formando conexiones soldadas entre el dispositivo y la PCB.
En tecnologías más avanzadas, se pueden utilizar bolas de soldadura tanto en la PCB como en el paquete. Además, en los módulos de varios chips apilados , ( paquete sobre paquete ) se utilizan bolas de soldadura para conectar dos paquetes.
El BGA es una solución al problema de producir un paquete en miniatura para un circuito integrado con muchos cientos de pines. Se producían conjuntos de rejillas de pines y paquetes de montaje superficial dual en línea ( SOIC ) con cada vez más pines y con un espacio cada vez menor entre ellos, pero esto causaba dificultades en el proceso de soldadura. A medida que los pines del paquete se acercaban, aumentaba el peligro de unir accidentalmente pines adyacentes con soldadura.
Una ventaja adicional de los paquetes BGA sobre los paquetes con cables discretos (es decir, paquetes con patas) es la menor resistencia térmica entre el paquete y la PCB. Esto permite que el calor generado por el circuito integrado dentro del paquete fluya más fácilmente hacia la PCB, evitando que el chip se sobrecaliente.
Cuanto más corto es un conductor eléctrico, menor es su inductancia no deseada , propiedad que provoca una distorsión no deseada de las señales en los circuitos electrónicos de alta velocidad. Los BGA, con su distancia muy corta entre el paquete y la PCB, tienen bajas inductancias de plomo, lo que les otorga un rendimiento eléctrico superior al de los dispositivos con clavijas.
Una desventaja de los BGA es que las bolas de soldadura no pueden flexionarse como lo hacen los cables más largos, por lo que no cumplen con las normas mecánicas . Como ocurre con todos los dispositivos de montaje en superficie, la flexión debido a una diferencia en el coeficiente de expansión térmica entre el sustrato de PCB y BGA (estrés térmico) o la flexión y vibración (estrés mecánico) pueden causar que las uniones de soldadura se fracturen.
Los problemas de expansión térmica se pueden superar haciendo coincidir las características mecánicas y térmicas de la PCB con las del paquete. Normalmente, los dispositivos BGA de plástico se asemejan más a las características térmicas de la PCB que los dispositivos cerámicos.
El uso predominante de conjuntos de aleaciones de soldadura sin plomo que cumplen con RoHS ha presentado algunos desafíos adicionales para los BGA, incluido el fenómeno de soldadura " cabeza en almohada " [2] , problemas de " formación de cráteres en las almohadillas ", así como su menor confiabilidad en comparación con los BGA de soldadura a base de plomo en condiciones extremas. condiciones de funcionamiento como entornos de alta temperatura, alto choque térmico y alta fuerza gravitacional, en parte debido a la menor ductilidad de las soldaduras que cumplen con RoHS. [3]
Los problemas de tensión mecánica se pueden superar uniendo los dispositivos a la placa mediante un proceso llamado "llenado insuficiente", [4] que inyecta una mezcla de epoxi debajo del dispositivo después de soldarlo a la PCB, pegando efectivamente el dispositivo BGA a la PCB. Se utilizan varios tipos de materiales de relleno con diferentes propiedades en relación con la trabajabilidad y la transferencia térmica. Una ventaja adicional del relleno insuficiente es que limita el crecimiento de los bigotes de estaño .
Otra solución para las conexiones que no cumplen con las normas es colocar una "capa compatible" en el paquete que permita que las bolas se muevan físicamente en relación con el paquete. Esta técnica se ha convertido en estándar para empaquetar DRAM en paquetes BGA.
Otras técnicas para aumentar la confiabilidad de los paquetes a nivel de placa incluyen el uso de PCB de baja expansión para paquetes cerámicos BGA (CBGA), intercaladores entre el paquete y la PCB y el reempaquetado de un dispositivo. [4]
Una vez que el paquete está soldado en su lugar, es difícil encontrar fallas de soldadura. Para superar este problema se han desarrollado máquinas de rayos X , máquinas industriales de tomografía computarizada , [5] microscopios especiales y endoscopios para mirar debajo del paquete soldado. Si se descubre que un BGA está mal soldado, se puede retirar en una estación de retrabajo , que es una plantilla equipada con una lámpara de infrarrojos (o aire caliente), un termopar y un dispositivo de vacío para levantar el paquete. El BGA se puede reemplazar por uno nuevo o se puede restaurar (o reballear ) y reinstalar en la placa de circuito. Las bolas de soldadura preconfiguradas que coinciden con el patrón de matriz se pueden usar para reballear BGA cuando solo es necesario reelaborar uno o unos pocos. Para trabajos de laboratorio de mayor volumen y repetidos, se puede utilizar un cabezal de vacío configurado con una plantilla para recoger y colocar esferas sueltas.
Debido al costo de la inspección visual BGA por rayos X, con mucha frecuencia se utilizan pruebas eléctricas. Muy común es la prueba de escaneo de límites utilizando un puerto IEEE 1149.1 JTAG .
Un método de inspección más barato y sencillo, aunque destructivo, se está volviendo cada vez más popular porque no requiere equipo especial. Comúnmente conocido como tinte y palanca , el proceso incluye sumergir toda la PCB o solo el módulo conectado BGA en un tinte y, después del secado, se retira el módulo y se inspeccionan las uniones rotas. Si un lugar de soldadura contiene tinte, indica que la conexión fue imperfecta. [6]
Durante el desarrollo, no es práctico soldar BGA en su lugar y en su lugar se utilizan enchufes, pero tienden a ser poco confiables. Hay dos tipos comunes de casquillo: el tipo más confiable tiene pasadores de resorte que empujan hacia arriba debajo de las bolas, aunque no permite usar BGA sin las bolas ya que los pasadores de resorte pueden ser demasiado cortos.
El tipo menos confiable es un casquillo ZIF , con pinzas de resorte que agarran las bolas. Esto no funciona bien, especialmente si las bolitas son pequeñas. [ cita necesaria ]
Se requiere equipo costoso para soldar paquetes BGA de manera confiable; Soldar paquetes BGA a mano es muy difícil y poco confiable, y solo se puede utilizar para los paquetes más pequeños en las cantidades más pequeñas. [7] Sin embargo, a medida que cada vez hay más circuitos integrados disponibles solo en paquetes sin cables (por ejemplo, paquete cuádruple plano sin cables ) o BGA, se han desarrollado varios métodos de reflujo de bricolaje utilizando fuentes de calor económicas, como pistolas de calor y hornos tostadores y eléctricos domésticos. sartenes . [8]
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Efectivamente, también los métodos de chip invertido para montar matrices de chip en un soporte son una especie de diseño derivado de BGA con el equivalente funcional de las bolas que se denominan protuberancias o microprotuberancias. Esto se logra a un nivel de tamaño ya microscópico.
Para facilitar el uso de dispositivos de matriz de rejilla de bolas, la mayoría de los paquetes BGA solo tienen bolas en los anillos exteriores del paquete, dejando el cuadrado más interno vacío.
Intel utilizó un paquete designado BGA1 para sus procesadores móviles Pentium II y Celeron . BGA2 es el paquete de Intel para su Pentium III y algunos procesadores móviles Celeron posteriores. BGA2 también se conoce como FCBGA-479. Reemplazó a su predecesor, BGA1.
Por ejemplo, el "micro-FCBGA" (matriz de rejilla de bolas con chip invertido) es el actual de Intel [ ¿cuándo? ] Método de montaje BGA para procesadores móviles que utilizan tecnología de unión de chip invertido . Se introdujo con Coppermine Mobile Celeron. [ cita necesaria ] Micro-FCBGA tiene 479 bolas de 0,78 mm de diámetro. El procesador se fija a la placa base soldando las bolas a la placa base. Es más delgado que una disposición de enchufe con matriz de rejilla de pines, pero no es extraíble.
Las 479 bolas del paquete Micro-FCBGA (un paquete casi idéntico al paquete micro-FCPGA enchufable de 478 pines ) están dispuestas como los 6 anillos exteriores de una cuadrícula cuadrada de 26x26 con paso de 1,27 mm (20 bolas por pulgada), con el Región interior de 14x14 vacía. [11] [12]
Los principales usuarios finales de BGA son fabricantes de equipos originales (OEM). También existe un mercado entre los aficionados a la electrónica hazlo tú mismo (DIY) como el cada vez más popular movimiento maker . [13] Si bien los OEM generalmente obtienen sus componentes del fabricante o del distribuidor del fabricante, el aficionado generalmente obtendrá BGA en el mercado de repuestos a través de intermediarios o distribuidores de componentes electrónicos .
