Una guida completa al layout, alla gestione termica e alla produzione dei pacchetti BGA

Sin dalla sua introduzione negli anni '80, il pacchetto BGA (Ball Grid Array) è diventato rapidamente la forma di imballaggio preferita per i circuiti integrati ad alta densità, grazie alla sua elevata densità di pin, alle eccellenti prestazioni elettriche e termiche e all'affidabilità. Passando dai primi BGA standard con passo di 1,27 mm agli odierni wafer-level chip scale package (WLCSP) con passo di 0,4 mm o ancora più sottile, la tecnologia BGA continua a guidare la miniaturizzazione e le alte prestazioni dei dispositivi elettronici.

Sfide di progettazione attuali

• Impennata della densità dei pin: I processori moderni integrano spesso più di 1000 pin, con passi compressi al di sotto di 0,5 mm.
• Esigenze di integrità del segnale: Le interfacce ad alta velocità (PCIe, DDR) impongono requisiti rigorosi per il controllo dell'impedenza e la soppressione della diafonia.
• Complessità della gestione termica: L'aumento della densità di potenza aggrava i rischi di surriscaldamento locale.
• Limiti del processo di produzione: I processi tradizionali dei circuiti stampati devono affrontare problemi quali i microvias, il riempimento dei passaggi e l'accuratezza dell'allineamento.

Layout di piazzole BGA: Dal calcolo teorico all'implementazione tecnica

2.1 Calcolo scientifico delle dimensioni del pad

La relazione tra il diametro della piazzola (d) e il diametro della sfera di saldatura (dpalla) non è un rapporto fisso, ma deve basarsi sul modello del volume di saldatura:

Dove:

• (k): Coefficiente di bagnatura (tipicamente 0,8-0,9)
• (processo): Compensazione della tolleranza di produzione (in genere 0,05-0,1 mm)

Esperienza pratica TOPFAST: Per un BGA con passo di 0,5 mm, si consiglia:

• Diametro del pad di 0,25-0,28 mm per un diametro della sfera di saldatura di 0,3 mm.
• Utilizzando il design NSMD (Non-Solder Mask Defined), con apertura della maschera di saldatura di 0,05-0,1 mm più grande della piazzola.
• Aggiunta di marcature serigrafiche nell'area di identificazione A1 per facilitare l'allineamento dell'assemblaggio.

2.2 Progettazione della piazzola e pianificazione del canale di fuga

La capacità di routing di fuga determina la fattibilità del progetto BGA. Il numero di canali di routing (Nfuga) può essere stimato da:

Dove:

• (p): Passo della palla
• (w): Larghezza della traccia
• (s): Spaziatura tra le tracce

Strategia di allocazione multistrato:

Cuscinetti di protezione termica: Equilibrio fine nella gestione termica

3.1 Principi termodinamici e ottimizzazione dei parametri

I rilievi termici regolano il flusso di calore controllando l'area della sezione trasversale della connessione in rame. Il loro modello di resistenza termica è:

Dove:

• (n): Numero di raggi (in genere 2-4)
• (w): Larghezza dei raggi (0,15-0,25 mm)
• (t): Spessore del rame
• (L): Lunghezza del percorso termico

Linee guida per l'ottimizzazione:

1. Pin di alimentazione: 4 raggi, larghezza 0,2-0,25 mm
2. Pin di terra2-4 raggi variabili, regolati in base alle esigenze di dissipazione del calore.
3. Pin di segnale: In genere si collega direttamente, a meno che non esistano particolari requisiti termici.

3.2 Convalida della produzione TOPFAST

I test di termografia rivelano:

• Le differenze di temperatura in corrispondenza delle piazzole d'angolo possono raggiungere i 15-20°C, richiedendo un rafforzamento speciale nella progettazione termica.
• La resa di saldatura diminuisce di 8-12% quando la larghezza dei raggi è <0,15 mm.
• Si consiglia di aggiungere uno scarico termico intorno alle piazzole di alimentazione/terra; utilizzare un collegamento diretto per le piazzole di segnale.

Itinerario di fuga: Dal tradizionale Dog-Bone all'avanzato Via-in-Pad

4.1 Limiti e ottimizzazione del Fanout dell'osso di cane

Il layout tradizionale a osso di cane è adatto a passi BGA ≥0,8 mm. Il suo vincolo di base è:

Dove (c) è il gioco minimo (in genere 0,1 mm).

Tecniche di ottimizzazione:

• Utilizzare i pad ovali per estendere il collo di collegamento.
• Diametro della via di controllo compreso tra 0,2-0,25 mm.
• Utilizzare l'instradamento sfalsato sui livelli interni per migliorare l'utilizzo dei canali.

4.2 Tecnologia Via-in-Pad

Quando il passo è ≤0,65 mm, il via-in-pad diventa una tecnologia necessaria. TOPFAST offre due tipi di soluzioni:

Microvia di tipo VII (standard IPC-4761):

• Forato al laser, diametro 0,1-0,15 mm
• Riempimento con resina + planarizzazione della calotta in rame
• Supporta la struttura blind via, riducendo le interferenze inter-strato

Considerazioni sulla progettazione:

1. Compensazione del pad: L'area occupata dal passaggio deve essere compresa entro 20% del diametro del pad.
2. Trattamento della maschera di saldatura: Utilizzare il tamponamento della maschera di saldatura o la planarizzazione del riempimento.
3. Trade-off dei costi: Le microvie aumentano il costo di 15-25% ma migliorano la densità di instradamento di 2-3 volte.

Accatastamento multistrato e co-progettazione dell'integrità del segnale

5.1 Impilamento Architettura Pianificazione

Relazione empirica tra il numero di pin BGA (Npin) e il numero di strati richiesto (Nstrati):

Configurazione di esempio della scheda a 8 strati:

5.2 Controllo dell'impedenza e soppressione della diafonia

Misure chiave:

1. Coppie differenziali: instradamento strettamente accoppiato, corrispondenza di lunghezza ≤5 mils.
2. Piani di riferimento: Assicurarsi che i livelli di segnale siano adiacenti ai piani solidi.
3. Tramite foratura posteriore: Per i segnali >5GHz, eliminare gli effetti di stub.
4. Processo speciale TOPFAST: Offre una regolazione localizzata dello spessore del dielettrico per soddisfare la precisione dell'impedenza di ±7%.

Processi di produzione e convalida dell'affidabilità

6.1 DFM Lista di controllo

• Tolleranza sulle dimensioni del tampone: ±0,02 mm (immagine diretta laser)
• Allineamento della maschera di saldatura: ±0,05 mm (confermare con il produttore)
• Stampa della pasta saldante: Apertura dello stencil 0,05-0,1 mm più piccola del tampone
• Ispezione a raggi X: Tasso di vuoto <25% (standard IPC-A-610)

6.2 Voci del test di affidabilità

TOPFAST ha raccomandato un processo di verifica in tre fasi:

1. Fase 1 Verifica: Analisi della microsezione (tramite spessore del rame, qualità del riempimento)
2. Fase 2 Verifica: Test di ciclismo termico (-55°C~125°C, 500 cicli)
3. Fase 3 Verifica: Test di resistenza dell'interconnessione (monitoraggio della daisy chain)

Tendenze future: Integrazione eterogenea e imballaggio avanzato

Con lo sviluppo delle tecnologie Chiplet e 3D-IC, il packaging BGA si sta evolvendo:

• Interpositore al silicio BGA: Supporta l'integrazione multi-chip, migliorando la densità di interconnessione di 10 volte.
• Substrato incorporato BGA: Passivi incorporati, riducendo l'area di 30-40%.
• BGA integrato optoelettronico: Supporta canali ottici, superando i limiti elettrici.

conclusioni

Una progettazione BGA di successo richiede l'attraversamento di quattro dimensioni:

1. Dimensione elettrica: Co-ottimizzazione dell'integrità segnale/potenza.
2. Dimensione termica: Equilibrio tra i rilievi termici e la dissipazione complessiva del calore.
3. Dimensione meccanica: Abbinamento CTE e riduzione dello stress.
4. Dimensione produttiva: Capacità e costi ottimali del processo.

Basandosi sull'esperienza di migliaia di progetti BGA, TOPFAST riassume una metodologia in quattro fasi: "Progettazione - Simulazione - Prototipo - Produzione di massa", che aiuta i clienti a ottenere rendimenti di 90% o superiori al primo tentativo di progettazione. Ricordate: Il BGA a passo finissimo non è un capolavoro tecnologico, ma l'esatta intersezione di requisiti di sistema, innovazione progettuale e capacità produttiva.

5 domande comuni sulla progettazione di PCB con pacchetto BGA