En omfattende guide til BGA-pakkelayout, termisk styring og fremstilling

Siden introduktionen i 1980'erne er BGA-pakken (Ball Grid Array) hurtigt blevet den foretrukne pakkeform til integrerede kredsløb med høj densitet på grund af den høje pin-tæthed, fremragende elektriske og termiske ydeevne og pålidelighed. BGA-teknologien har udviklet sig fra de tidlige standard-BGA'er med 1,27 mm pitch til nutidens wafer-level chip scale packages (WLCSP) med 0,4 mm eller endnu finere pitch og fortsætter med at drive miniaturiseringen og den høje ydeevne af elektroniske enheder.

Aktuelle designudfordringer

• Stigende pin-tæthed: Moderne processorer har ofte mere end 1000 stifter, hvor afstanden er komprimeret til under 0,5 mm.
• Krav til signalintegritet: Højhastighedsgrænseflader (PCIe, DDR) stiller strenge krav til impedansstyring og undertrykkelse af krydstale.
• Kompleksitet i varmestyring: Øget effekttæthed forværrer risikoen for lokal overophedning.
• Grænser for fremstillingsprocessen: Traditionelle PCB-processer står over for udfordringer som mikrovias, via-fyldning og justeringsnøjagtighed.

BGA-pad-layout: Fra teoretisk beregning til teknisk implementering

2.1 Videnskabelig beregning af pad-størrelse

Forholdet mellem paddiameteren (d) og loddekuglens diameter (dball) er ikke et fast forhold, men bør baseres på loddemængden:

Hvor?

• (k): Befugtningskoefficient (typisk 0,8-0,9)
• (proces): Kompensation for produktionstolerance (typisk 0,05-0,1 mm)

TOPFAST Praktisk erfaring: Til en 0,5 mm pitch BGA anbefaler vi:

• Paddiameter på 0,25-0,28 mm for en loddekuglediameter på 0,3 mm.
• Ved hjælp af NSMD-design (Non-Solder Mask Defined) med loddemaskeåbning 0,05-0,1 mm større end pad'en.
• Tilføjelse af silketryksmarkeringer i A1-identifikationsområdet for at gøre det lettere at justere samlingen.

2.2 Pitch-design og planlægning af flugtveje

Kapaciteten for flugtrutning afgør, om BGA-designet kan lade sig gøre. Antallet af routingkanaler (Nflugt) kan estimeres ved:

Hvor?

• (p): Boldhøjde
• (w): Sporets bredde
• (s): Sporafstand

Allokeringsstrategi med flere lag:

Termiske aflastningspuder: Finjusteret balance i varmestyring

3.1 Termodynamiske principper og parameteroptimering

Termiske aflastningspuder regulerer varmestrømmen ved at kontrollere kobberforbindelsens tværsnitsareal. Deres termiske modstandsmodel er:

Hvor?

• (n): Antal eger (typisk 2-4)
• (w): Egerbredde (0,15-0,25 mm)
• (t): Tykkelse af kobber
• (L): Termisk sti-længde

Retningslinjer for optimering:

1. Strømstifter: 4 eger, bredde 0,2-0,25 mm
2. Jordstifter: 2-4 variable eger, justeres ud fra behov for varmeafledning
3. Signalstifter: Typisk direkte tilslutning, medmindre der er særlige termiske krav

3.2 Validering af TOPFAST-produktion

Test med termisk billeddannelse afslører:

• Temperaturforskelle ved hjørnepuder kan nå 15-20 °C, hvilket kræver særlig forstærkning i det termiske design.
• Loddeudbyttet falder med 8-12%, når egerbredden er <0,15 mm.
• Det anbefales at tilføje termisk aflastning omkring strøm/jord-pads; brug direkte forbindelse til signal-pads.

Escape Routing: Fra traditionel dog-bone til avanceret via-in-pad

4.1 Grænser og optimering af Dog-Bone Fanout

Traditionelt dog-bone-layout er velegnet til BGA-pitches ≥0,8 mm. Dens kernebegrænsning er:

Hvor (c) er minimumsafstanden (typisk 0,1 mm).

Optimeringsteknikker:

• Brug ovale puder til at forlænge forbindelseshalsen.
• Kontrol via diameter mellem 0,2-0,25 mm.
• Brug forskudt routing på de indre lag for at forbedre kanaludnyttelsen.

4.2 Via-in-Pad-teknologi

Når pitch ≤0,65 mm, bliver via-in-pad en nødvendig teknologi. TOPFAST tilbyder to typer løsninger:

Type VII Microvia (IPC-4761 Standard):

• Laserboret, diameter 0,1-0,15 mm
• Harpiksfyldt + planarisering af kobberhætte
• Understøtter den blinde via-struktur, hvilket reducerer interferens mellem lagene

Overvejelser om design:

1. Pad-kompensation: Det område, som via'en optager, skal være inden for 20% af paddiameteren.
2. Behandling af loddemaske: Brug loddemaskeplugging eller fyldplanarisering.
3. Afvejning af omkostninger: Microvias øger omkostningerne med 15-25%, men forbedrer routing-tætheden med 2-3 gange.

Co-design af flerlagsstackup og signalintegritet

5.1 Stakning Arkitektur Planlægning

Empirisk sammenhæng mellem antallet af BGA-pins (Nstifter) og det nødvendige antal lag (Nlag):

Eksempel på konfiguration af 8-lags kort:

5.2 Impedans-kontrol og undertrykkelse af krydstale

Vigtige foranstaltninger:

1. Differentielle par: Tæt koblet routing, længdematchning ≤5 mils.
2. Referenceplaner: Sørg for, at signallagene støder op til faste planer.
3. Via tilbage-boring: For signaler >5GHz, fjern stub-effekter.
4. TOPFAST særlig proces: Tilbyder lokal justering af dielektrisk tykkelse for at opfylde impedansnøjagtighed på ±7%.

Validering af produktionsprocesser og pålidelighed

6.1 DFM Tjekliste

• Tolerance for padstørrelse: ±0,02 mm (Laser Direct Imaging)
• Justering af loddemaske: ±0,05 mm (bekræft med producenten)
• Udskrivning af loddepasta: Stencilåbning 0,05-0,1 mm mindre end pude
• Røntgeninspektion: Tomrumshastighed <25% (IPC-A-610 Standard)

6.2 Elementer til pålidelighedstest

TOPFAST anbefalede en tre-trins verifikationsproces:

1. Fase 1 Verifikation: Mikrosektionsanalyse (via kobbertykkelse, fyldkvalitet)
2. Fase 2 Verifikation: Termisk cyklisk test (-55°C~125°C, 500 cyklusser)
3. Fase 3 Verifikation: Test af forbindelsesmodstand (daisy chain-overvågning)

Fremtidige tendenser: Heterogen integration og avanceret indpakning

Med udviklingen af Chiplet- og 3D-IC-teknologier udvikler BGA-emballage sig i retning af:

• Silikone interposer BGA: Understøtter multichip-integration, hvilket forbedrer forbindelsestætheden med 10 gange.
• Indlejret substrat BGA: Passiver indlejret, hvilket reducerer området med 30-40%.
• Optoelektronisk integreret BGA: Understøtter optiske kanaler og bryder elektriske grænser.

Konklusion

Et vellykket BGA-design kræver, at man bevæger sig i fire dimensioner:

1. Elektrisk dimension: Co-optimering af signal-/strømintegritet.
2. Termisk dimension: Balance mellem varmeaflastningspuder og den samlede varmeafledning.
3. Mekanisk dimension: CTE-matchning og afstresning.
4. Produktionens dimension: Optimal proceskapacitet og omkostninger.

Baseret på erfaringer fra tusindvis af BGA-projekter opsummerer TOPFAST en firetrinsmetode: "Design - Simulering - Prototype - Masseproduktion", som hjælper kunderne med at opnå udbytter på 90% eller højere i deres første designforsøg. Husk på det: Den fineste BGA er ikke et teknologisk pragteksemplar, men det præcise skæringspunkt mellem systemkrav, designinnovation og produktionskapacitet.

5 almindelige spørgsmål og svar om PCB-design af BGA-pakker