Una matriz de rejilla de bolas ( BGA ) es un tipo de encapsulado de montaje superficial (un portador de chip ) utilizado para circuitos integrados . Los encapsulados BGA se utilizan para montar de forma permanente dispositivos como microprocesadores . Un BGA puede proporcionar más pines de interconexión de los que se pueden colocar en un encapsulado doble en línea o plano . Se puede utilizar toda la superficie inferior del dispositivo, en lugar de solo el perímetro. Las pistas que conectan los cables del encapsulado a los cables o bolas que conectan la matriz al encapsulado también son, en promedio, más cortas que con un tipo de solo perímetro, lo que conduce a un mejor rendimiento a altas velocidades. [ cita requerida ]
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 cuadrícula que, en funcionamiento, conducen señales eléctricas entre el circuito integrado y la placa de circuito impreso (PCB) en la que está colocado. 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 a ella. Estas esferas de soldadura se pueden colocar manualmente o mediante un equipo automatizado, 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, el conjunto se calienta, ya sea en un horno de reflujo o mediante un calentador infrarrojo , 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 se solidifica, formando conexiones soldadas entre el dispositivo y la PCB.
En tecnologías más avanzadas, las bolas de soldadura se pueden utilizar tanto en la PCB como en el encapsulado. Además, en módulos multichip apilados ( encapsulado sobre encapsulado ), las bolas de soldadura se utilizan para conectar dos encapsulados.
El BGA es una solución al problema de producir un encapsulado en miniatura para un circuito integrado con cientos de pines. Los conjuntos de rejillas de pines y los encapsulados de montaje superficial dual en línea ( SOIC ) se estaban produciendo con cada vez más pines y con un espaciado cada vez menor entre ellos, pero esto estaba causando dificultades para el proceso de soldadura. A medida que los pines del encapsulado se acercaban entre sí, aumentaba el peligro de puentear accidentalmente los pines adyacentes con soldadura.
Otra ventaja de los encapsulados BGA sobre los encapsulados con conductores discretos (es decir, encapsulados con patas) es la menor resistencia térmica entre el encapsulado y la PCB. Esto permite que el calor generado por el circuito integrado dentro del encapsulado fluya más fácilmente a la PCB, evitando que el chip se sobrecaliente.
Cuanto más corto sea un conductor eléctrico, menor será su inductancia no deseada , una 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 encapsulado y la PCB, tienen inductancias de cable bajas, lo que les otorga un rendimiento eléctrico superior al de los dispositivos con pines.
Una desventaja de los BGA es que las bolas de soldadura no se pueden flexionar como lo hacen los cables más largos, por lo que no son mecánicamente flexibles . Al igual que con todos los dispositivos de montaje superficial, la flexión debido a una diferencia en el coeficiente de expansión térmica entre el sustrato de PCB y el BGA (tensión térmica) o la flexión y la vibración (tensión mecánica) pueden provocar que las juntas de soldadura se fracturen.
Los problemas de expansión térmica se pueden solucionar haciendo coincidir las características mecánicas y térmicas de la PCB con las del encapsulado. 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 de " cabeza en almohada " [2] , problemas de " craterización de almohadilla ", así como su menor confiabilidad en comparación con los BGA de soldadura a base de plomo en condiciones de operación extremas, 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 estrés mecánico se pueden superar uniendo los dispositivos a la placa mediante un proceso llamado "relleno inferior" [4] , que consiste en inyectar una mezcla de epoxi debajo del dispositivo después de soldarlo a la PCB, lo que permite pegar eficazmente el dispositivo BGA a la PCB. Existen varios tipos de materiales de relleno inferior en uso con diferentes propiedades en relación con la trabajabilidad y la transferencia térmica. Una ventaja adicional del relleno inferior es que limita el crecimiento de filamentos de estaño .
Otra solución para las conexiones no compatibles es colocar una "capa compatible" en el encapsulado que permita que las bolas se muevan físicamente en relación con el encapsulado. Esta técnica se ha convertido en estándar para encapsular DRAM en encapsulados BGA.
Otras técnicas para aumentar la confiabilidad a nivel de placa de los paquetes incluyen el uso de PCB de baja expansión para paquetes BGA cerámicos (CBGA), interpositores 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. Se han desarrollado máquinas de rayos X , máquinas de escaneo CT industriales , [5] microscopios especiales y endoscopios para mirar debajo del paquete soldado para superar este problema. Si se encuentra que un BGA está mal soldado, se puede quitar en una estación de retrabajo , que es una plantilla equipada con una lámpara infrarroja (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 volver a instalar en la placa de circuito. Se pueden usar bolas de soldadura preconfiguradas que coincidan con el patrón de la matriz para reballear los BGA cuando solo es necesario retrabajar uno o unos pocos. Para un mayor volumen y trabajo de laboratorio repetido, se puede utilizar una recogida de cabezal de vacío configurado con plantilla y la colocación de esferas sueltas.
Debido al costo de la inspección visual de BGA por rayos X, muy a menudo se utilizan pruebas eléctricas. Una prueba muy común es la de escaneo de límites con un puerto JTAG IEEE 1149.1.
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 BGA conectado en un tinte y, después de secarlo, se quita el módulo y se inspeccionan las uniones rotas. Si una ubicación de soldadura contiene el tinte, entonces indica que la conexión fue imperfecta. [6]
Durante el desarrollo no resulta práctico soldar las BGA en su lugar, y en su lugar se utilizan zócalos, pero tienden a ser poco fiables. Hay dos tipos comunes de zócalo: el tipo más fiable tiene pasadores elásticos que empujan hacia arriba debajo de las bolas, aunque no permite utilizar BGA con las bolas quitadas, ya que los pasadores elásticos pueden ser demasiado cortos.
El tipo menos fiable es el zócalo ZIF , con pinzas de resorte que agarran las bolas. Esto no funciona bien, especialmente si las bolas son pequeñas. [ cita requerida ]
Se requieren equipos costosos para soldar de manera confiable los paquetes BGA; la soldadura manual de paquetes BGA es muy difícil y poco confiable, y solo se puede usar para los paquetes más pequeños en las cantidades más pequeñas. [7] Sin embargo, a medida que más circuitos integrados se han vuelto disponibles solo en paquetes sin cables (por ejemplo, paquete sin cables de cuatro planos ) o paquetes BGA, se han desarrollado varios métodos de reflujo de bricolaje utilizando fuentes de calor económicas como pistolas de calor , hornos tostadores domésticos y sartenes eléctricas . [8]
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De hecho, los métodos de chip invertido para montar chips en un soporte también son una especie de derivado del diseño BGA, en el que el equivalente funcional de las bolas se denomina protuberancias o microprotuberancias. Esto se realiza a un nivel de tamaño ya microscópico.
Para facilitar el uso de dispositivos con matriz de rejilla de bolas, la mayoría de los paquetes BGA solo tienen bolas en los anillos externos del paquete, dejando el cuadrado más interno vacío.
Intel utilizó un encapsulado denominado BGA1 para sus procesadores portátiles Pentium II y los primeros Celeron . BGA2 es el encapsulado de Intel para sus procesadores portátiles Pentium III y algunos Celeron posteriores. BGA2 también se conoce como FCBGA-479. Reemplazó a su predecesor, BGA1.
Por ejemplo, el "micro-FCBGA" (flip chip ball grid array) es el método de montaje BGA actual de Intel [ ¿cuándo? ] para procesadores móviles que utilizan una tecnología de unión de chip invertido . Se introdujo con el Coppermine Mobile Celeron. [ cita requerida ] El 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 zócalo de matriz de rejilla de pines, pero no es extraíble.
Las 479 bolas del paquete Micro-FCBGA (un paquete casi idéntico al paquete micro-FCPGA con zócalo de 478 pines ) están dispuestas como los 6 anillos externos de una cuadrícula de 26x26 con un paso de 1,27 mm (20 bolas por pulgada), con la región interna de 14x14 vacía. [11] [12]
Los principales usuarios finales de los BGA son los fabricantes de equipos originales (OEM). También existe un mercado entre los aficionados a la electrónica que prefieren hacerlo ellos mismos (DIY), como el cada vez más popular movimiento de los fabricantes . [13] Mientras que los OEM generalmente obtienen sus componentes del fabricante o del distribuidor del fabricante, el aficionado generalmente obtendrá los BGA en el mercado de repuestos a través de intermediarios o distribuidores de componentes electrónicos .
