En omfattande guide till layout, termisk hantering och tillverkning av BGA-paket

Sedan introduktionen på 1980-talet har BGA-paketet (Ball Grid Array) snabbt blivit den föredragna förpackningsformen för högdensitetsintegrerade kretsar tack vare sin höga stifttäthet, utmärkta elektriska och termiska prestanda samt tillförlitlighet. BGA-tekniken har utvecklats från tidiga standard-BGA:er med 1,27 mm pitch till dagens WLCSP-paket (wafer-level chip scale packages) med 0,4 mm eller ännu finare pitch och fortsätter att driva på miniatyriseringen och den höga prestandan hos elektroniska enheter.

Aktuella designutmaningar

• Stigande stifttäthet: Moderna processorer integrerar ofta 1000+ stift, med avstånd som är komprimerade till under 0,5 mm.
• Krav på signalintegritet: Höghastighetsgränssnitt (PCIe, DDR) ställer höga krav på impedansreglering och överhörning.
• Komplexitet vid värmehantering: Ökad effekttäthet förvärrar riskerna för lokal överhettning.
• Gränser för tillverkningsprocessen: Traditionella PCB-processer står inför utmaningar som mikrovias, viafyllning och inriktningsnoggrannhet.

Layout av BGA-pad: Från teoretisk beräkning till teknisk implementering

2.1 Vetenskaplig beräkning av padstorlek

Förhållandet mellan paddiametern (d) och lödkulans diameter (dball) är inte ett fast förhållande utan bör baseras på lödvolymmodellen:

Var?

• (k): Vätningskoefficient (typiskt 0,8-0,9)
• (process): Kompensation för tillverkningstolerans (typiskt 0,05-0,1 mm)

TOPFAST Praktisk erfarenhet: För en BGA med 0,5 mm stigning rekommenderar vi:

• Paddiameter på 0,25-0,28 mm för en lödkuldiameter på 0,3 mm.
• Med NSMD-design (Non-Solder Mask Defined), med lödmasköppning 0,05-0,1 mm större än padden.
• Lägga till silkscreenmarkeringar i A1-identifieringsområdet för enklare monteringsjustering.

2.2 Pitchdesign och planering av flyktkanaler

Kapaciteten för utrymningsrouting avgör genomförbarheten av BGA-designen. Antalet routningskanaler (Nflykt) kan uppskattas genom:

Var?

• (p): Bollhöjd
• (w): Spårets bredd
• (s): Avstånd mellan spår

Flerskiktad allokeringsstrategi:

Kuddar för termisk avlastning: Finjusterad balans i värmehanteringen

3.1 Termodynamiska principer och parameteroptimering

Termiska avlastningsplattor reglerar värmeflödet genom att kontrollera kopparanslutningens tvärsnittsarea. Deras termiska motståndsmodell är:

Var?

• (n): Antal ekrar (vanligen 2-4)
• (w): Ekerbredd (0,15-0,25 mm)
• (t): Kopparens tjocklek
• (L): Längd på termisk väg

Riktlinjer för optimering:

1. Kraftstift: 4 ekrar, bredd 0,2-0,25 mm
2. Jordstift: 2-4 variabla ekrar, justeras utifrån behov av värmeavledning
3. Signal Pins: Vanligtvis direktanslutning, om inte särskilda termiska krav föreligger

3.2 Validering av TOPFAST-tillverkning

Tester med värmekamera avslöjar:

• Temperaturskillnaderna vid hörnplattorna kan uppgå till 15-20°C, vilket kräver särskild förstärkning av den termiska konstruktionen.
• Lödutbytet minskar med 8-12% när ekerbredden är <0,15 mm.
• Rekommenderas för att ge termisk avlastning runt ström-/jordplattor; använd direktanslutning för signalplattor.

Utrymningsvägar: Från traditionell Dog-Bone till avancerad Via-in-Pad

4.1 Gränser och optimering av Dog-Bone Fanout

Traditionell hundben-layout är lämplig för BGA-avstånd ≥0,8 mm. Dess kärnbegränsning är:

Där (c) är det minsta avståndet (vanligtvis 0,1 mm).

Optimeringstekniker:

• Använd ovala kuddar för att förlänga anslutningshalsen.
• Kontrollera via diameter mellan 0,2-0,25 mm.
• Använd förskjuten routing på de inre lagren för att förbättra kanalutnyttjandet.

4.2 Via-in-Pad-teknik

När pitch ≤0,65 mm blir via-in-pad en nödvändig teknik. TOPFAST erbjuder två typer av lösningar:

Typ VII Microvia (IPC-4761 Standard):

• Laserborrad, diameter 0,1-0,15 mm
• Hartsfylld + planarisering av kopparlock
• Stöder den blinda via-strukturen, vilket minskar interferens mellan skikten

Överväganden om design:

1. Pad-kompensation: Den yta som upptas av via bör vara inom 20% av dynans diameter.
2. Behandling av lödmask: Använd lödmaskpluggning eller fyllningsplanarisering.
3. Avvägning av kostnader: Microvias ökar kostnaden med 15-25% men förbättrar routningsdensiteten med 2-3 gånger.

Samkonstruktion av flerskiktsstackup och signalintegritet

5.1 Stackup Arkitektur Planering

Empiriskt samband mellan antal BGA-pinnar (Nstift) och erforderligt antal lager (Nlager):

Exempel på konfiguration av 8-lagers kort:

5.2 Impedansreglering och undertryckande av överhörning

Viktiga åtgärder:

1. Differentiella par: Tätt kopplad routing, längdmatchning ≤5 mils.
2. Referensplan: Se till att signalskikten ligger intill solida plan.
3. Via bakre borrning: För signaler >5GHz, eliminera stubbeffekter.
4. TOPFAST Specialprocess: Erbjuder lokal justering av dielektrisk tjocklek för att uppfylla impedansnoggrannhet på ±7%.

Validering av tillverkningsprocesser och tillförlitlighet

6.1 DFM Checklista

• Tolerans för padstorlek: ±0,02 mm (direkt laseravbildning)
• Justering av lödmask: ±0,05 mm (bekräfta med tillverkaren)
• Lödpastatryck: 117 trådar/in²) 4. Hög ledningsdensitet (117 trådar/in²): Stencilöppningen 0,05-0,1 mm mindre än plattan
• Röntgeninspektion: Tomrumshastighet <25% (IPC-A-610 Standard)

6.2 Testobjekt för tillförlitlighet

TOPFAST rekommenderade en verifieringsprocess i tre steg:

1. Steg 1 Verifiering: Mikrosektionsanalys (via koppartjocklek, fyllningskvalitet)
2. Steg 2 Verifiering: Termiskt cykeltest (-55°C~125°C, 500 cykler)
3. Steg 3 Verifiering: Test av sammankopplingsresistans (övervakning av kedjekoppling)

Framtida trender: Heterogen integration och avancerad paketering

Med utvecklingen av Chiplet- och 3D-IC-teknik utvecklas BGA-förpackningar mot:

• Kisel Interposer BGA: Stöder multi-chip-integration, vilket förbättrar sammankopplingsdensiteten med 10x.
• Inbäddat substrat BGA: Passiva inbäddade, vilket minskar området med 30-40%.
• Optoelektronisk integrerad BGA: Stöder optiska kanaler och bryter elektriska gränser.

Slutsats

Framgångsrik BGA-design kräver att man rör sig i fyra dimensioner:

1. Elektrisk dimension: Samoptimering av signal- och effektintegritet.
2. Termisk dimension: Balans mellan värmeavlastande kuddar och total värmeavledning.
3. Mekanisk dimension: CTE-matchning och stressavlastning.
4. Tillverkningsdimension: Optimal processförmåga och kostnad.

Baserat på erfarenheter från tusentals BGA-projekt sammanfattar TOPFAST en metodik i fyra steg: "Design - Simulering - Prototyp - Massproduktion", som hjälper kunderna att uppnå ett utbyte på 90% eller högre redan vid första konstruktionsförsöket. Kom ihåg: Den finaste BGA:n är inte en teknisk paradgren, utan den exakta skärningspunkten mellan systemkrav, designinnovation och tillverkningskapacitet.

5 vanliga frågor och svar om PCB-design för BGA-paket