Исчерпывающее руководство по компоновке, терморегулированию и производству BGA-пакетов

С момента своего появления в 1980-х годах пакет Ball Grid Array (BGA) быстро стал предпочтительной формой упаковки для интегральных схем высокой плотности благодаря высокой плотности выводов, отличным электрическим и тепловым характеристикам, а также надежности. Развиваясь от первых стандартных BGA с шагом 1,27 мм до современных корпусов для микросхем на уровне пластин (WLCSP) с шагом 0,4 мм или даже более мелким, технология BGA продолжает способствовать миниатюризации и повышению производительности электронных устройств.

Текущие проблемы проектирования

• Растущая плотность штырей: В современных процессорах часто используется более 1000 выводов с шагом менее 0,5 мм.
• Требования к целостности сигнала: Высокоскоростные интерфейсы (PCIe, DDR) предъявляют жесткие требования к управлению импедансом и подавлению перекрестных помех.
• Сложность терморегулирования: Повышенная плотность мощности усугубляет риск локального перегрева.
• Пределы производственного процесса: Традиционные процессы изготовления печатных плат сталкиваются с такими проблемами, как микровиа, заполнение отверстий и точность выравнивания.

BGA Pad Layout: От теоретических расчетов к инженерной реализации

2.1 Научный расчет размера колодки

Связь между диаметром площадки (d) и диаметром шарика припоя (dball) не является фиксированным соотношением, а должно быть основано на модели объема припоя:

Где:

• (k): Коэффициент смачивания (обычно 0,8-0,9)
• (процесс): Компенсация производственных допусков (обычно 0,05-0,1 мм)

Практический опыт TOPFAST: Для BGA с шагом 0,5 мм мы рекомендуем:

• Диаметр площадки 0,25-0,28 мм при диаметре шарика припоя 0,3 мм.
• Используя дизайн NSMD (Non-Solder Mask Defined), с отверстием под паяльную маску на 0,05-0,1 мм больше, чем у площадки.
• Добавление маркировки шелкографией в области идентификатора A1 для облегчения выравнивания сборки.

2.2 Конструкция поля и планирование канала побега

Возможность эвакуационной маршрутизации определяет целесообразность проектирования BGA. Количество каналов маршрутизации (Nпобег) можно оценить по:

Где:

• (p): Подача мяча
• (w): Ширина трассы
• (s): расстояние между трассами

Многослойная стратегия распределения:

Теплозащитные прокладки: Тонкая настройка баланса в управлении теплом

3.1 Термодинамические принципы и оптимизация параметров

Термопрокладки регулируют тепловой поток, контролируя площадь поперечного сечения медного соединения. Модель их термического сопротивления такова:

Где:

• (n): Количество спиц (обычно 2-4)
• (w): Ширина спицы (0,15-0,25 мм)
• (t): Толщина меди
• (L): Длина теплового пути

Рекомендации по оптимизации:

1. Силовые штыри: 4 спицы, ширина 0,2-0,25 мм
2. Заземляющие контакты: 2-4 регулируемые спицы, настраиваемые в зависимости от потребности в теплоотдаче
3. Сигнальные контакты: Как правило, прямое соединение, если нет особых тепловых требований

3.2 Проверка производства TOPFAST

Тепловизионные испытания показывают:

• Разница температур на угловых площадках может достигать 15-20°C, что требует особого усиления теплового расчета.
• Выход припоя уменьшается на 8-12%, когда ширина спицы составляет <0,15 мм.
• Рекомендуется добавить терморазвязку вокруг силовых/заземляющих колодок; для сигнальных колодок используйте прямое подключение.

Маршрут побега: От традиционной "собачьей кости" до продвинутого "Via-in-Pad

4.1 Пределы и оптимизация фанатизма собачьих костей

Традиционная компоновка "собачья кость" подходит для BGA с шагом ≥0,8 мм. Ее основное ограничение заключается в следующем:

Где (c) - минимальный зазор (обычно 0,1 мм).

Методы оптимизации:

• Используйте овальные накладки, чтобы удлинить соединительную горловину.
• Диаметр контрольного отверстия в пределах 0,2-0,25 мм.
• Используйте ступенчатую маршрутизацию на внутренних слоях для повышения эффективности использования каналов.

4.2 Технология Via-in-Pad

Когда шаг ≤0,65 мм, технология via-in-pad становится необходимой. TOPFAST предлагает два типа решений:

Тип VII Microvia (стандарт IPC-4761):

• Лазерное сверление, диаметр 0,1-0,15 мм
• Заливка смолой + планаризация медной крышки
• Поддерживает структуру "слепых" переходов, уменьшая межслойные помехи

Конструктивные соображения:

1. Компенсация колодок: Площадь, занимаемая проходом, должна быть в пределах 20% от диаметра площадки.
2. Обработка паяльной маски: Используйте заглушку паяльной маски или заполняющую планаризацию.
3. Компромисс между затратами: Микровиалы увеличивают стоимость на 15-25%, но повышают плотность маршрутизации в 2-3 раза.

Совместное проектирование многослойного стека и целостности сигнала

5.1 Штабелер Архитектура Планирование

Эмпирическая зависимость между количеством выводов BGA (Nштырьков) и необходимое количество слоев (Nслои):

Пример конфигурации 8-слойной платы:

5.2 Контроль импеданса и подавление перекрестных помех

Основные показатели:

1. Дифференциальные пары: Плотно соединенные маршруты, согласование длины ≤5 мил.
2. Эталонные самолеты: Убедитесь, что сигнальные слои прилегают к твердым плоскостям.
3. Обратное сверление: Для сигналов >5 ГГц устраните влияние шлейфа.
4. TOPFAST Специальный процесс: Обеспечивает локальную регулировку толщины диэлектрика для обеспечения точности импеданса ±7%.

Производственные процессы и проверка надежности

6.1 DFM Контрольный список

• Допуск на размер колодки: ±0,02 мм (лазерная прямая визуализация)
• Выравнивание паяльной маски: ±0,05 мм (уточняйте у производителя)
• Печать паяльной пастой: Апертура трафарета на 0,05-0,1 мм меньше, чем прокладка
• Рентгеновский контроль: Коэффициент пустотности <25% (стандарт IPC-A-610)

6.2 Тесты на надежность

TOPFAST рекомендовал трехэтапный процесс проверки:

1. Этап 1 Верификация: Анализ микросрезов (через толщину меди, качество заполнения)
2. Этап 2 Верификация: Испытание на термоциклирование (-55°C~125°C, 500 циклов)
3. Этап 3 Верификация: Проверка сопротивления межсоединений (контроль последовательной цепи)

Тенденции будущего: Гетерогенная интеграция и усовершенствованная упаковка

С развитием технологий Chiplet и 3D-IC упаковка BGA эволюционирует:

• Кремниевый интерпозер BGA: Поддерживает интеграцию нескольких чипов, повышая плотность межсоединений в 10 раз.
• Встраиваемая подложка BGA: Пассивы встроены, уменьшая площадь на 30-40%.
• Оптоэлектронные интегральные BGA: Поддерживает оптические каналы, нарушая электрические ограничения.

Iii. Выводы и рекомендации

Для успешного проектирования BGA необходимо преодолеть четыре измерения:

1. Электрические размеры: Совместная оптимизация целостности сигнала и питания.
2. Тепловое измерение: Баланс между теплозащитными прокладками и общим теплоотводом.
3. Механические размеры: Соответствие CTE и снятие стресса.
4. Размерность производства: Оптимальная производительность и стоимость процесса.

Основываясь на опыте тысяч проектов BGA, TOPFAST обобщает четырехступенчатую методологию: "Проектирование - Моделирование - Прототип - Массовое производство", которая помогает заказчикам достичь выхода 90% или выше с первой попытки проектирования. Помните: BGA с наименьшим шагом - это не технологическая демонстрация, а точное пересечение системных требований, инноваций в проектировании и производственных возможностей.

5 распространенных вопросов и ответов по проектированию печатных плат для пакетов BGA