Kattava opas BGA-pakettien asettelusta, lämmönhallinnasta ja valmistuksesta.

1980-luvulla tapahtuneesta käyttöönotostaan lähtien BGA-paketista (Ball Grid Array) on tullut nopeasti suosituin pakkausmuoto suuritiheyksisille integroiduille piireille, koska siinä on suuri nastatiheys, erinomainen sähköinen ja terminen suorituskyky sekä luotettavuus. BGA-teknologia on kehittynyt varhaisista 1,27 mm:n jakovälillä varustetuista vakio-BGA-paketeista tämän päivän WLCSP-paketteihin (wafer-level chip scale packages), joiden jakoväli on 0,4 mm tai vielä hienompi, ja se edistää edelleen elektronisten laitteiden pienentämistä ja suorituskykyä.

Nykyiset suunnitteluhaasteet

• Nouseva tappitiheys: Nykyaikaisissa prosessoreissa on usein yli 1000 pinniä, ja niiden välit on puristettu alle 0,5 mm:n.
• Signaalin eheyden vaatimukset: Suurnopeusliitännät (PCIe, DDR) asettavat tiukat vaatimukset impedanssin hallinnalle ja ristikkäishäiriöiden estolle.
• Lämmönhallinnan monimutkaisuus: Lisääntynyt tehotiheys pahentaa paikallisen ylikuumenemisen riskiä.
• Valmistusprosessin rajat: Perinteiset PCB-prosessit kohtaavat haasteita, kuten mikroviat, läpivientien täyttö ja kohdistustarkkuus.

BGA-levyjen asettelu: Teoreettisesta laskennasta tekniseen toteutukseen

2.1 Tyynyn koon tieteellinen laskenta

Tyynyn halkaisijan (d) ja juotospallon halkaisijan (dpallo) ei ole kiinteä suhde, vaan sen pitäisi perustua juotoksen tilavuusmalliin:

Missä:

• (k): Kostutuskerroin (tyypillisesti 0,8-0,9).
• (prosessi): Valmistustoleranssin kompensointi (tyypillisesti 0,05-0,1 mm).

TOPFASTin käytännön kokemus: 0,5 mm:n BGA-jakoa varten suosittelemme:

• Padin halkaisija on 0,25-0,28 mm 0,3 mm:n juotospallon halkaisijalle.
• NSMD (Non-Solder Mask Defined) -suunnittelun avulla, jossa juotosmaskin aukko on 0,05-0,1 mm suurempi kuin tyyny.
• Lisätään silkkipainomerkinnät A1-tunnistealueelle kokoonpanon kohdistamisen helpottamiseksi.

2.2 Kenttäsuunnittelu ja pelastuskanavan suunnittelu

BGA-suunnittelun toteutettavuus määräytyy pakoreititysvalmiuden perusteella. Reitityskanavien määrä (Nescape) voidaan arvioida seuraavasti:

Missä:

• (p): Pallon korkeus
• (w): Jäljen leveys
• (s): Jäljen väli

Monikerroksinen jakamisstrategia:

Lämpötilapehmusteet: Hienosäädetty tasapaino lämmönhallinnassa

3.1 Termodynaamiset periaatteet ja parametrien optimointi

Lämmönpoistotyynyt säätelevät lämpövirtausta säätämällä kupariliitoksen poikkipinta-alaa. Niiden lämpövastusmalli on:

Missä:

• (n): Puikkojen lukumäärä (tyypillisesti 2-4)
• (w): (0.15-0.25mm): Leveys (0.15-0.25mm).
• (t): Kuparin paksuus
• (L): Lämpöreitin pituus

Optimointiohjeet:

1. Virta nastat: 4 kehää, leveys 0.2-0.25mm.
2. Maadoitusnastat: 2-4 vaihtelevaa piikkiä, säädettävissä lämmöntuottotarpeen mukaan.
3. Signaalinastat: Tyypillisesti suora liitäntä, ellei erityisiä lämpövaatimuksia ole.

3.2 TOPFASTin valmistuksen validointi

Lämpökuvatestit paljastavat:

• Lämpötilaerot kulmatyynyjen kohdalla voivat nousta 15-20 °C:een, mikä edellyttää erityistä vahvistusta lämpösuunnittelussa.
• Juotoksen tuotto pienenee 8-12%, kun puikon leveys on <0,15 mm.
• Suositellaan lämpöeristeen lisäämistä virta-/maadoitustyynyjen ympärille; käytä suoraa liitäntää signaalityynyjen kohdalla.

Pakoreititys: Perinteisestä Dog-Bone-menetelmästä kehittyneeseen Via-in-Pad-menetelmään

4.1 Dog-Bone Fanoutin rajat ja optimointi

Perinteinen koiranluuasettelu soveltuu BGA-kokoonpanojen ≥0,8 mm:n pituuksille. Sen ydinrajoitus on:

Jossa (c) on vähimmäisvälys (yleensä 0,1 mm).

Optimointitekniikat:

• Käytä soikeita tyynyjä liitäntäkaulan pidentämiseen.
• Ohjaus läpimitan kautta 0,2-0,25 mm välillä.
• Käytä porrastettua reititystä sisäkerroksissa kanavien käytön parantamiseksi.

4.2 Via-in-Pad-tekniikka

Kun jako on ≤0,65 mm, via-in-pad-tekniikasta tulee välttämätön tekniikka. TOPFAST tarjoaa kahdenlaisia ratkaisuja:

Tyypin VII mikrovia (IPC-4761-standardi):

• Laserporattu, halkaisija 0,1-0,15mm.
• Hartsitäytteinen + kuparikorkin planarisointi
• Tukee sokeaa läpivientirakennetta, mikä vähentää kerrosten välisiä häiriöitä.

Suunnittelua koskevat näkökohdat:

1. Tyynyn kompensointi: Läpiviennin käyttämän alueen on oltava 20%:n sisällä tyynyn halkaisijasta.
2. Juotosmaskin käsittely: Käytä juotospeitteen liittämistä tai täytä tasoitus.
3. Kustannusten tasapainottaminen: Mikroviat nostavat kustannuksia 15-25%, mutta parantavat reititystiheyttä 2-3 kertaa.

Monikerroksinen pinoaminen ja signaalin eheyden yhteissuunnittelu

5.1 Stackup Arkkitehtuuri Suunnittelu

Empiirinen suhde BGA-piikkien lukumäärän (Nnastat) ja vaadittu kerrosluku (Nkerrokset):

8-kerroksisen levyn esimerkkikokoonpano:

5.2 Impedanssin säätö ja ristikkäisviestien vaimentaminen

Keskeiset toimenpiteet:

1. Differentiaaliset parit: Tiiviisti kytketty reititys, pituuden yhteensovittaminen ≤5 mils.
2. Viitetasot: Varmista, että signaalikerrokset ovat kiinteiden tasojen vieressä.
3. Takaisinporauksen kautta: Poistakaa tynkävaikutukset > 5 GHz:n signaaleille.
4. TOPFAST-erityisprosessi: Tarjoaa paikallisen dielektrisen paksuuden säädön ±7%:n impedanssitarkkuuden saavuttamiseksi.

Valmistusprosessit ja luotettavuuden validointi

6.1 DFM Tarkistuslista

• Tyynyn koon toleranssi: ±0,02 mm (Laser Direct Imaging)
• Juotosnaamion kohdistaminen: ±0.05mm (Vahvista valmistajalta)
• Juotospastan tulostus: Stencilin aukko 0.05-0.1mm pienempi kuin tyynyn aukko.
• Röntgentarkastus: Tyhjyysaste <25% (IPC-A-610 standardi)

6.2 Luotettavuustestin kohteet

TOPFAST suositteli kolmivaiheista tarkastusprosessia:

1. Vaihe 1 Varmentaminen: Mikroleikkausanalyysi (kuparin paksuus, täytön laatu).
2. Vaihe 2 Varmentaminen: Lämpösyklitesti (-55°C ~ 125°C, 500 sykliä).
3. Vaihe 3 Varmentaminen: Yhteenliitännän kestävyystesti (ketjumaisen ketjun valvonta)

Tulevaisuuden suuntaukset: Heterogeeninen integrointi ja kehittyneet pakkaukset

Chiplet- ja 3D-IC-tekniikoiden kehittyessä BGA-pakkaukset ovat kehittymässä kohti:

• Silicon Interposer BGA: Tukee usean sirun integrointia, mikä parantaa liitäntätiheyttä 10-kertaisesti.
• Sulautettu substraatti BGA: Passiiviset aineet upotettu, mikä pienentää pinta-alaa 30-40%.
• Optoelektroninen integroitu BGA: Tukee optisia kanavia, rikkoen sähköisiä rajoja.

Päätelmä

Onnistunut BGA-suunnittelu edellyttää neljän ulottuvuuden ylittämistä:

1. Sähköinen ulottuvuus: Signaalin ja virran eheyden yhteisoptimointi.
2. Terminen ulottuvuus: Lämmönpoistotyynyjen ja kokonaislämmönsiirron välinen tasapaino.
3. Mekaaninen ulottuvuus: CTE matching ja stressinpoisto.
4. Valmistuksen ulottuvuus: Optimaalinen prosessikapasiteetti ja kustannukset.

Tuhansista BGA-hankkeista saatujen kokemusten perusteella TOPFASTissa on nelivaiheinen menetelmä: "Suunnittelu - simulointi - prototyyppi - massatuotanto", joka auttaa asiakkaita saavuttamaan vähintään 90%:n tuoton ensimmäisellä suunnitteluyrityksellä. Muista: Se on järjestelmän vaatimusten, suunnittelun innovaation ja valmistuskapasiteetin täsmällinen risteyskohta.

5 yleistä kysymystä ja vastausta BGA-paketin PCB-suunnittelusta