BGA (Ball Grid Array) — это тип корпуса (package) для поверхностного монтажа интегральных микросхем, в котором выводы представлены в виде массива припойных шариков (solder balls), расположенных на нижней стороне корпуса в узлах невидимой координатной сетки. Иначе — это матричное расположение выводов. Технология была разработана в конце 1980-х — начале 1990-х годов как ответ на растущую сложность микросхем и ограничения корпусов с периферийными выводами. Она стала отраслевым стандартом для компонентов с высокой плотностью выводов (high pin count). Требования к проектированию и сборке определены в стандарте IPC-7095.
Конструкция, виды и технология монтажа
Корпус BGA состоит из подложки (substrate), на которой смонтирован кристалл (die) и разведена контактная площадка для шариков. В зависимости от материала подложки и конструкции различают несколько основных видов:
-
PBGA (Plastic BGA). Наиболее распространённый и экономичный тип с подложкой из органического материала (FR-4, BT-эпоксида).
-
CBGA (Ceramic BGA). Использует керамическую подложку, обладает высокой термостойкостью и стабильностью размеров, применяется в военной и аэрокосмической технике.
-
TBGA (Tape BGA). В основе — гибкая полиимидная лента (tape), что позволяет создавать тонкие и лёгкие корпуса.
-
FCBGA (Flip-Chip BGA). Кристалл монтируется на подложку методом перевёрнутого кристалла (flip-chip), что обеспечивает максимальную производительность и миниатюризацию.
-
FBGA (Fine-pitch BGA). Корпус с уменьшенным шагом шариков (менее 0.8 мм) для ещё большей плотности монтажа.
При монтаже на печатную плату компонент позиционируется над соответствующими посадочными площадками (land pattern), после чего вся сборка подвергается оплавлению в печи (reflow soldering). Расплавленный припой шариков смачивает контактные площадки платы, образуя электрическое и механическое соединение. Для контроля качества таких невидимых соединений (hidden joints) применяется рентгеновский контроль (X-ray inspection).
Преимущества и сложности для контрактного производства
Основные преимущества технологии BGA напрямую связаны с её конструкцией:
-
Высокая плотность выводов позволяет создавать высокоинтегрированные компоненты с числом выводов (I/O) в сотни и тысячи.
-
Улучшенные электрические и тепловые характеристики. Короткие пути от кристалла до платы снижают паразитную индуктивность и обеспечивают эффективный отвод тепла через массив шариков.
-
Механическая надёжность. Соединения равномерно распределяют механические напряжения от разницы коэффициентов теплового расширения (CTE).
Однако технология предъявляет повышенные требования к контрактному производителю:
-
Требовательность к качеству печатной платы. Необходима высокая точность совмещения слоёв (registration) и стабильность геометрии посадочных площадок, что должно соответствовать ГОСТ Р 55693-2013.
-
Сложность визуального контроля. Обязательно применение автоматизированных систем оптического (AOI) и рентгеновского контроля для выявления дефектов пайки: непропаев (non-wet), мостиков (bridging), смещений (misalignment) или пустот в припое (voiding).
-
Сложность ремонта и замены. Демонтаж компонента требует специализированного оборудования (BGA rework station) с точным контролем термопрофиля, а процесс повторного нанесения шариков (reballing) регулируется ГОСТ Р 55491-2013.
Области применения
Технология BGA стала стандартом для высокопроизводительных микропроцессоров, графических чипов, чипов памяти, программируемых логических интегральных схем (ПЛИС, FPGA) и систем-на-кристалле (SoC). Она повсеместно используется в серверах, компьютерной технике, телекоммуникационном оборудовании и потребительской электронике, включая смартфоны и планшеты.
Источники: Стандарты IPC-7095 (Design and Assembly Process Implementation for BGA), IPC-A-610, IPC-J-STD-001, ГОСТ Р 55693-2013, ГОСТ Р 55491-2013, отраслевые обзоры по корпусированию микросхем.