دليل شامل لتخطيط حزم BGA، والإدارة الحرارية، والتصنيع

منذ طرحها في ثمانينيات القرن الماضي، أصبحت حزم مصفوفة الشبكة الكروية (BGA) بسرعة شكل التغليف المفضل للدوائر المتكاملة عالية الكثافة نظرًا لكثافة دبابيسها العالية وأدائها الكهربائي والحراري الممتاز وموثوقيتها. وتواصل تقنية BGA، التي تطورت من حزم BGA القياسية المبكرة ذات درجة ميل 1.27 مم إلى حزم مقياس الرقاقة على مستوى الرقاقة (WLCSP) الحالية ذات درجة ميل 0.4 مم أو حتى أدق، دفع التصغير والأداء العالي للأجهزة الإلكترونية.

تحديات التصميم الحالية

• كثافة الدبوس المرتفعة: غالباً ما تدمج المعالجات الحديثة أكثر من 1000 سنون مع ضغط المسامير إلى أقل من 0.5 مم.
• متطلبات تكامل الإشارة: تفرض الواجهات عالية السرعة (PCIe، DDR) متطلبات صارمة للتحكم في المعاوقة وكبح الحديث المتبادل.
• تعقيد الإدارة الحرارية: تؤدي زيادة كثافة الطاقة إلى تفاقم مخاطر ارتفاع درجة الحرارة المحلية.
• حدود عملية التصنيع: تواجه عمليات ثنائي الفينيل متعدد الكلور التقليدية تحديات مثل الميكروفيات، والتعبئة عبر الممرات، ودقة المحاذاة.

تخطيط وسادة BGA: من الحساب النظري إلى التنفيذ الهندسي

2.1 الحساب العلمي لحجم الوسادة

العلاقة بين قطر الوسادة (d) وقطر كرة اللحام (dالكرة) ليست نسبة ثابتة ولكن يجب أن تستند إلى نموذج حجم اللحام:

أين:

• (k): معامل الترطيب (عادةً 0.8-0.9)
• (العملية): تعويض التفاوت المسموح به في التصنيع (عادةً 0.05-0.1 مم)

تجربة TOPFAST العملية: بالنسبة إلى درجة 0.5 مم BGA، نوصي بما يلي:

• يبلغ قطر الوسادة 0.25-0.28 مم لقطر كرة لحام يبلغ 0.3 مم.
• باستخدام تصميم NSMD (غير محدد بقناع اللحام)، مع فتحة قناع لحام أكبر من اللوحة بمقدار 0.05-0.1 مم.
• إضافة علامات بالشاشة الحريرية في منطقة معرّف A1 لتسهيل محاذاة التجميع.

2.2 تصميم الملعب وتخطيط قناة الهروب

تحدد إمكانية توجيه الهروب جدوى تصميم BGA. عدد قنوات التوجيه (Nالهروب) يمكن تقديرها من خلال:

أين:

• (p): رمية الكرة
• (w): عرض التتبع
• (ق): مسافات التتبع

استراتيجية التخصيص متعدد الطبقات:

وسادات التخفيف الحراري: التوازن الدقيق في الإدارة الحرارية: توازن دقيق في الإدارة الحرارية

3.1 المبادئ الديناميكية الحرارية وتحسين البارامترات

تنظم وسادات التنفيس الحراري تدفق الحرارة من خلال التحكم في مساحة المقطع العرضي للوصلة النحاسية. ونموذج مقاومتها الحرارية هو:

أين:

• (n): عدد المتحدثين (عادةً 2-4)
• (w): عرض القضيب (0.15 - 0.25 مم)
• (t): سُمك النحاس
• (L): طول المسار الحراري

إرشادات التحسين:

1. دبابيس الطاقة: 4 قضبان، عرض 0.2-0.25 مم
2. الدبابيس الأرضية:: 2-4 مكابس متغيرة، يتم تعديلها بناءً على احتياجات تبديد الحرارة
3. دبابيس الإشارة: التوصيل المباشر عادة، ما لم توجد متطلبات حرارية خاصة

3.2 التحقق من صحة تصنيع TOPFAST

تكشف اختبارات التصوير الحراري:

• يمكن أن تصل الاختلافات في درجات الحرارة في الوسادات الزاوية إلى 15-20 درجة مئوية، مما يتطلب تعزيزًا خاصًا في التصميم الحراري.
• ينخفض إنتاجية اللحام بمقدار 8-12% عندما يكون عرض السماعة أقل من 0.15 مم.
• يوصى بإضافة تنفيس حراري حول وسادات الطاقة/الأرض؛ استخدم التوصيل المباشر لوسادات الإشارة.

توجيه الهروب: من عظام الكلاب التقليدية إلى التوجيه المتقدم عبر الوسادة

4.1 حدود وتحسين تعظيم الاستفادة من عظام الكلاب

التصميم التقليدي الذي يشبه عظمة الكلب مناسب لملاعب BGA ≥0.8 مم. وقيدها الأساسي هو:

حيث (ج) هو الحد الأدنى للخلوص (عادةً 0.1 مم).

تقنيات التحسين:

• استخدم وسادات بيضاوية لتمديد عنق التوصيل.
• تحكم عبر قطر يتراوح بين 0.2-0.25 مم.
• استخدم التوجيه المتداخل على الطبقات الداخلية لتحسين استخدام القنوات.

4.2 تقنية Via-in-Pad

عندما تكون درجة الميل ≤0.65 مم، تصبح تقنية عبر الوسادة تقنية ضرورية. تقدم TOPFAST نوعين من الحلول:

النوع VII ميكروفيا (معيار IPC-4761):

• حفر بالليزر، قطر 0.1-0.15 مم
• مملوءة بالراتنج + تسطيح الغطاء النحاسي
• يدعم الهيكل عبر الأعمى، مما يقلل من التداخل بين الطبقات

اعتبارات التصميم:

1. تعويض الوسادة: يجب أن تكون المساحة التي تشغلها الوصلة في حدود 20% من قطر الوسادة.
2. معالجة قناع اللحام: استخدم توصيل قناع اللحام أو ملء الاستواء.
3. مقايضة التكلفة: تزيد الميكروفيات الدقيقة من التكلفة بمقدار 15-251 تيرابايت إلى 3 تيرابايت ولكنها تحسن كثافة التوجيه بمقدار 2-3 مرات.

التكديس متعدد الطبقات والتصميم المشترك لتكامل الإشارة

5.1 تكديس التخطيط المعماري

العلاقة التجريبية بين عدد دبابيس BGA (Nالدبابيس) وعدد الطبقات المطلوبة (Nالطبقات):

تكوين مثال لوحة 8 طبقات مثال على اللوحة:

5.2 التحكم في المعاوقة وقمع الحديث المتبادل

التدابير الرئيسية:

1. الأزواج التفاضلية: توجيه مترابط بإحكام، ومطابقة الطول ≤5 مللي.
2. الطائرات المرجعية: التأكد من أن طبقات الإشارة مجاورة لمستويات صلبة.
3. عبر الحفر الخلفي: بالنسبة للإشارات > 5 جيجا هرتز، تخلص من تأثيرات العقب.
4. عملية TOPFAST الخاصة: يوفر ضبطًا موضعيًا لسُمك العازل الكهربائي لتلبية دقة المعاوقة البالغة ± 7%.

عمليات التصنيع والتحقق من الموثوقية والمصداقية

6.1 سوق دبي المالي قائمة المراجعة

• تحمل حجم الوسادة:: ± 0.02 مم (التصوير المباشر بالليزر)
• محاذاة قناع اللحام:: ± 0.05 مم (تأكد من الشركة المصنعة)
• طباعة معجون اللحام: فتحة الاستنسل أصغر بمقدار 0.05-0.1 مم من اللوحة
• الفحص بالأشعة السينية: معدل الفراغ <25% (معيار IPC-A-610)

6.2 عناصر اختبار الموثوقية

أوصت TOPFAST بعملية تحقق من ثلاث مراحل:

1. المرحلة 1 التحقق من المرحلة 1: تحليل المقاطع المجهرية (عبر سمك النحاس وجودة التعبئة)
2. المرحلة 2 التحقق من المرحلة 2: اختبار التدوير الحراري (-55 درجة مئوية ~ 125 درجة مئوية، 500 دورة)
3. المرحلة 3 التحقق من المرحلة 3: اختبار مقاومة الوصلة البينية (مراقبة سلسلة ديزي)

الاتجاهات المستقبلية: التكامل غير المتجانس والتغليف المتقدم

مع تطوير تقنيات Chiplet و 3D-IC، يتطور تغليف BGA نحو:

• السيليكون البيني الملصق البيني BGA: يدعم التكامل متعدد الرقائق، مما يحسن كثافة التوصيل البيني بمقدار 10 أضعاف.
• ركيزة مدمجة BGA: مضمنة السلبيات، مما يقلل من المساحة بنسبة 30-40%.
• بصري إلكتروني متكامل BGA: تدعم القنوات الضوئية، وتكسر الحدود الكهربائية.

الخاتمة

يتطلب تصميم BGA الناجح اجتياز أربعة أبعاد:

1. البُعد الكهربائي: التحسين المشترك لسلامة الإشارة/الطاقة.
2. البُعد الحراري: التوازن بين وسادات تخفيف الحرارة والتبديد الكلي للحرارة.
3. البُعد الميكانيكي: مطابقة CTE وتخفيف الضغط النفسي.
4. بُعد التصنيع: القدرة والتكلفة المثلى للعملية.

بناءً على الخبرة المكتسبة من آلاف مشاريع BGA، تلخص TOPFAST منهجية من أربع خطوات: "التصميم - المحاكاة - النموذج الأولي - الإنتاج الضخم"، والتي تساعد العملاء على تحقيق إنتاجية تبلغ 90% أو أعلى في أول محاولة تصميم. تذكّر: لا تُعدّ BGA ذات أفضل نغمة BGA تحفة تكنولوجية، بل هي التقاطع الدقيق لمتطلبات النظام وابتكار التصميم وقدرة التصنيع.

5 أسئلة وأجوبة شائعة حول تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور لحزمة BGA