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Substrato BGA: o guia definitivo de perguntas frequentes

A escolha de um substrato BGA adequado requer um conhecimento aprofundado.

Neste guia, você encontrará todas as informações necessárias sobre o substrato BGA.

Então, continue lendo para saber mais.

O que é um substrato BGA?

Um substrato BGA é uma transportadora que você usará com várias versões de pacotes BGA.

Dispositivos complexos, como microprocessadores, exigem que o substrato BGA ofereça vários pinos de interconexão variados.

Além disso, o processo de design dos pinos e suas integrações no pacote de substrato BGA podem ser trabalhosos.

Substrato BGA

Substrato BGA

Que substância você usará ao fazer um substrato BGA?

As embalagens BGA utilizam substratos orgânicos e não molduras de chumbo em sua construção.

O material que compõe o substrato BGA pode ser:

  • Poliimida

Poliimida

poliimida

  • Bismaleimida

Bismaleimida

Bismaleimida

Por que é necessário projetar um substrato BGA automaticamente?

A maioria dos desenhos sobre BGA substratos acontecem através do uso de um dispositivo automático.

Isso ocorre pelos seguintes motivos:

  • O design envolve o uso de vários pinos
  • É simples para sistemas computadorizados determinar a rota mais curta para cada pino

Além disso, o processo automático acontece via software de design EDA.

Além disso, há alguma forma de interação humana durante o processo de edição de designs de alta densidade.

No entanto, os projetos modernos de substratos BGA acontecem principalmente através do uso de software e sistemas de computador.

O que você deve considerar ao projetar um projeto de substrato BGA?

Algumas considerações quando se trata de projetar substratos BGA envolvem o seguinte:

  • Usando leads mais curtos
  • Integralidade do sinal
  • Aviões a motor
  • desempenho de RF

O que é o passo da bola em um substrato BGA?

O passo da bola é a distância que fica entre as partes centrais de uma única bola BGA até a outra.

Por exemplo, o espaço pode ser tão pequeno quanto 0.2 mm.

campo de bola

campo de bola

Quais são algumas características de um substrato BGA?

Alguns dos recursos que você pode encontrar envolvem o seguinte:

  • Ocupa menos espaço nas placas
  • Baixa indutância
  • Sem presença de cabos para dobrar
  • A alta quantidade de contagem de leads
  • Ele se centraliza ao realizar processos de refluxo, minimizando os problemas relacionados à colocação durante a soldagem de montagem em superfície
  • Uma baixa inibição térmica entre as placas de circuito impresso e os pacotes BGA melhora o processo de resfriamento e evita o superaquecimento

Quais desafios você encontrará ao conduzir o roteamento de substrato BGA?

Os substratos de roteamento BGA têm desafios complexos que valem a pena considerar ao projetar suas placas de circuito impresso.

Alguns desses desafios envolvem o seguinte:

Capacidade de fabricação

Algumas limitações e regras dependem de como você roteia a conexão do substrato BGA entre si e externamente.

Algumas limitações dependendo da capacidade dos fabricantes incluem:

  1. Número de camadas
  2. Tamanho das vias
  3. Ângulo de inclinação
  4. Tipo de furo de perfuração, etc.

Integridade do Sinal

Uma das principais questões sobre a integridade do sinal é o controle da impedância.

Isso tende a afetar reflexões e transmissão.

Alguns processos que você pode usar para controlar a impedância incluem o seguinte:

  1. Empregando a espessura certa dos dielétricos
  2. Combinando os traços de largura entre as linhas de retorno e as linhas de avanço
  3. Instalação de referências planas entre as camadas de sinal

Além disso, você pode reduzir efetivamente a diafonia ao instalar planos de terra ou de referência entre traços de sinal adjacentes um ao outro.

É importante manter o espaço entre os traços quando os sinais se originam de camadas semelhantes.

Confiabilidade

A confiabilidade de sua placa de circuito depende de sua qualidade de construção e de como você sincroniza seu projeto com a capacidade do fabricante.

Se você não sincronizar a placa, poderá ter uma placa com funcionalidade limitada de acordo com o design.

Além disso, a placa pode funcionar mal assim que você começar a usá-la.

Exemplos de problemas de material que podem causar falhas durante a operação incluem:

  1. Peso de cobre
  2. Estrutura do grão de cobre
  3. A espessura da máscara de solda
  4. Contaminação iônica
  5. Roteamento de rastreamento
  6. Tipo de via

Quais são alguns tipos de substratos que você pode usar para fazer pacotes BGA?

Os pacotes BGA são de vários subtipos e isso depende dos materiais e outros substratos neles.

Além disso, todos esses tipos empregarão juntas de solda que conectam os substratos do pacote BGA à placa de circuito impresso.

Esses pacotes podem ser encontrados nas seguintes categorias:

  • Cerâmica BGA

fita BGA

Fita BGA

  • Plástico laminado BGA

plástico laminado BGA

plástico laminado BGA

A composição dos soldados é importante ao refazer os vários tipos de substratos BGA.

Para garantir níveis adequados de condutividade, você deve equilibrar os metais dentro da solda.

Além disso, uma estrutura de solda adequada garante que o trabalho de reballing seja durável.

Cerâmica BGA

Este pacote BGA usará um material de substrato cerâmico.

Várias variedades dentro da cerâmica BGA incluem LGA e CCGA.

Cada pino em cerâmica BGA custa mais do que os de embalagens plásticas BGA.

No entanto, algumas aplicações precisam de BGA cerâmico.

Por exemplo, dispositivos que precisam de mais pinos nos designs de flip-chip empregarão esse estilo de pacote.

Além disso, o plástico BGA não é capaz de atingir a densidade de pinos para essas aplicações.

Além disso, o BGA cerâmico funciona favoravelmente com os designs de flip-chip.

As bolas de solda contêm 10% de estanho e 90% de chumbo.

Isso aumenta a confiabilidade da cerâmica BGA.

Também ajudará a superar as diferenças de coeficiente de expansão térmica que ocorrem entre a placa de circuito e o substrato BGA.

Além disso, você também pode localizar o array de grade de coluna cerâmica [CCGA].

Este pacote BGA emprega o dobro dos pontos de contato disponíveis em comparação com o BGA básico.

Além disso, as juntas de solda CGA duram quase três vezes a BGA.

Plástico Laminado BGA

Este tipo de BGA usa plástico como material de substrato.

As esferas de solda em laminado plástico BGA ocupam 63% de estanho e chumbo eutético ocupa 37%.

O substrato BGA laminado de plástico pode suportar faixas de temperatura que atingem até 150 °C.

A escolha do material para o substrato BGA laminado de plástico inclui o seguinte:

  1. A poliimida é uma forma de plástico laminado
  2. Revestido a seco, que é um laminado à base de epóxi, proprietário da IBM
  3. Vidro epóxi bismaleimida triazina que também é conhecido como vidro epóxi BT

Além disso, você pode incluir designs de flip-chip com laminado plástico BGA para melhorar a conectividade entre as placas de circuito impresso e o pacote

Fita BGA

Este BGA emprega interconexões flexíveis que formam linhas finas dentro das esferas de solda.

Além disso, a fita BGA tem melhor desempenho em questões térmicas.

Outro BGA relacionado ao BGA de fita é o BGA de metal.

Esta versão do pacote BGA envolve o uso de um design de forma simples composto por substrato de alumínio.

O design do metal BGA oferece o mesmo resultado, embora não tenha camadas flexíveis de fitas que os BGAs de fita usam.

Para conectar a base de alumínio à máscara de solda, o metal BGA emprega filmes finos e tecnologias de módulo de microchip.

Além disso, o desempenho térmico e elétrico da fita BGA e metal BGA são excelentes.

Pacote Tipo LGA

Este tipo de pacote significa matriz de grade terrestre.

Além disso, o LGA leva à introdução do pacote de substrato BGA nos anos 90.

Isso ocorre porque ele usa bolas de solda que conectam a placa de circuito e o pacote.

LGAs que empregam soquetes têm pinos que conectarão a placa de circuito ao soquete.

Alguns LGAs contêm conexões diretas à placa de circuito impresso através do uso de solda e não de um soquete.

Semelhante ao pacote de substrato BGA, o pacote de substrato LGA não contém bolas, mas contém contatos de solda planos.

Pacote do tipo PoP

O PoP representa um pacote em pacote e representa designs de pilha dupla.

Além disso, o chip superior contém a memória de acesso aleatório [RAM], enquanto o chip inferior contém a CPU.

O design do pacote do tipo PoP permite que você encaixe vários pacotes em pequenas configurações no PCB.

Flip-chip

O posicionamento do design desta versão ficará voltado para baixo.

Além disso, qualquer uma das superfícies do flip-chip pode conter conexões através das juntas da esfera de solda.

O benefício deste projeto é a curta distância e a redução da indutância.

O tipo de pacote QFN se enquadra na categoria de QFP sem chumbo.

Isso ocorre porque o QFN representa um pacote quádruplo sem pinos de terminais.

Pacote Tipo QFN

Isso significa um pacote quad flat.

É uma versão de um chip montado na superfície que usará os quatro lados inteiros para retransmitir a liderança.

Além disso, como usa todos os quatro lados, dá a este pacote BGA seu nome quad.

Eles compreendem materiais de substrato cerâmicos e plásticos.

O QFP de cerâmica não possui cabos em asa de gaivota, enquanto o QFP de plástico os contém.

Quais precauções você deve seguir para garantir um bom processo de soldagem em um substrato BGA?

Esses incluem:

  • O uso de calor amplo garante que todas as bolas dentro da grade derretam o suficiente para formar ligações fortes em todas as juntas de solda BGA
  • A tensão superficial garante que as esferas permaneçam no lugar até que a solda esfrie e solidifique.

Garanta a temperatura correta durante a soldagem BGA para garantir uma junta de solda sólida e minimizar o curto-circuito

  • Certifique-se de que a composição da liga de solda e a temperatura estejam corretas para que a solda permaneça semi-sólida e não derreta.

Isso permite que as bolas na grade fiquem em áreas separadas.

Qual método você usará para inspecionar juntas de solda em um substrato BGA?

É impossível empregar métodos ópticos para inspecionar substratos BGA, pois as juntas de solda estão fora de vista abaixo das peças BGA.

Além disso, você não pode usar testes elétricos, pois eles são menos confiáveis, pois mostram a condutividade elétrica dos substratos BGA instantaneamente.

O teste não indica quanto tempo a solda durará, pois pode falhar em algum momento.

Portanto, o método adequado para inspecionar essas juntas é o uso de testes de raios-X.

Isso ocorre porque o raio-X penetra nos componentes e permite visualizar as articulações escondidas abaixo.

Por esta razão, a inspeção automática por raios X é o método mais utilizado para inspecionar os substratos BGA.

Você pode retrabalhar um substrato BGA com defeito?

Sim, você pode reparar um substrato BGA defeituoso quando descobrir que os componentes estão com defeito.

Para realizar esta tarefa, você começa aplicando calor na junta de solda para derretê-la.

Este processo acontece aquecendo localmente a parte defeituosa do substrato BGA, fazendo com que a solda derreta.

Durante o processo de retrabalho, você aquecerá o componente em unidades especiais de retrabalho.

Esta unidade tem os seguintes componentes:

  • Aquecedores infravermelhos
  • Termopar que irá monitorar o nível de temperatura
  • Sistema de vácuo que eleva os pacotes BGA

Além disso, certifique-se de aquecer cuidadosamente o único componente defeituoso sem causar danos a outras peças ao redor da placa de circuito.

Quais são os benefícios de usar um substrato BGA?

Existem inúmeras razões pelas quais os substratos BGA são populares em várias aplicações modernas.

Estes implicam o seguinte:

Alta densidade de pinos

Para melhorar o preço, o desempenho ou os recursos dos pacotes, os fabricantes aumentarão os pinos.

Ao mesmo tempo, eles diminuiriam a qualidade do pacote, pois os pinos estão próximos e levam a juntas de solda fracas.

No entanto, os substratos BGA contêm vários pinos que mantêm a integridade das juntas de solda e a confiabilidade do pacote.

Baixa indutância

Os condutores de conexão em substratos BGA são curtos, diminuindo assim a indutância do sinal,

Isso, por sua vez, melhora o desempenho elétrico enquanto minimiza a indutância.

Condução de calor adequada

A curta distância e a menor indutância entre a placa de circuito impresso e o substrato BGA são benéficas.

Eles levam a uma baixa resistência térmica entre duas partes, permitindo assim um amplo fluxo de calor através da placa de circuito.

Além disso, eles têm uma tampa que aumenta a dissipação de calor, diminuindo o superaquecimento dos chips e as chances de degradação térmica.

Desempenho melhor em altas velocidades

Vários benefícios dos substratos BGA aumentam seu desempenho elétrico do que outros tipos de pacotes IC.

Como os substratos BGA possuem conexões na parte inferior do chip, isso significa que eles são curtos.

Assim, o substrato BGA funcionará em altas velocidades rápidas e terá um desempenho excepcional.

Alta Confiabilidade

Os pinos presentes nas embalagens quad flat são finos e frágeis.

Isso significa que é provável que ocorram danos nessas configurações e, quando isso acontece, é quase impossível repará-las.

No entanto, as almofadas de solda de conexão em substratos BGA são robustas, permitindo que você obtenha conexões confiáveis.

Quais são as limitações de um substrato BGA?

Algumas dessas desvantagens incluem o seguinte:

Dispendioso

Os pacotes de substrato BGA custam mais do que os pacotes IC padrão.

Alguns dos elementos que aumentam o custo incluem o substrato e a técnica de colisão.

Difícil de inspecionar

O processo de soldagem melhora o desempenho dos substratos BGA e de todo o circuito.

No entanto, ele vem com algumas desvantagens, como não poder inspecionar o pacote após a soldagem na placa de circuito impresso.

Isso significa que está encarregado de verificar possíveis problemas que precisam de reparo imediato.

Portanto, você precisa usar a inspeção de raios-X para verificar as partes internas do substrato BGA.

No entanto, este processo é caro.

Como um substrato LGA e BGA se compara?

LGA significa Land Grid Array enquanto BGA significa matriz de grade de bola.

Além disso, você irá soldar substratos BGA na placa de circuito, o que significa que você não pode conectá-los ou substituí-los.

Sustrato LGA

Substrato LGA

No entanto, você pode conectar e desconectar o LGA e até substituí-lo da placa-mãe.

Os substratos BGA contêm contatos redondos que você solda na placa de circuito.

LGA tem superfícies planas que entram em contato com o soquete da placa de circuito contendo muitos pinos.

Você pode executar solda de refluxo em um substrato BGA?

Sim, a solda por refluxo é usada ao soldar substratos BGA, pois ajuda todo o sistema a atingir uma temperatura padrão.

Esta temperatura derrete as bolas de solda sob os componentes do substrato BGA.

Substrato BGA

 Substrato BGA

Ao soldar o substrato BGA, as esferas de solda têm uma quantidade de solda específica.

Após a colocação, no forno de refluxo, a placa com esferas de solda sobre o substrato BGA derrete devido ao calor.

A tensão superficial fará com que a solda derretida mantenha o substrato BGA no lugar certo na placa de circuito.

Além disso, certifique-se de que a solda tenha a composição certa que lhe permita manter um estado semi-sólido.

Qual é o futuro do substrato BGA?

O substrato BGA está ganhando popularidade e continuará sendo usado mesmo nos próximos anos.

Além disso, com os novos avanços tecnológicos, surgem novas variações de substratos BGA.

Além disso, esses pacotes BGA são acessíveis e oferecem padrões de desempenho elétrico impressionantes.

Os principais tipos que influenciarão o futuro do substrato BGA incluem o seguinte:

eWBL

Isso significa BGA de nível de wafer incorporado e contém um interposer dentro de uma matriz de colisão.

Oferece vários benefícios, como alta capacidade de transporte de corrente, melhor desempenho elétrico, acessibilidade, configuração pequena, etc.

WLCSP

Isso significa um pacote de escala de chip de nível de wafer que é uma versão de uma matriz de colisão.

Além disso, esta embalagem é pequena e possui ótimas características térmicas e elétricas.

Além disso, oferece excelente conectividade que auxilia na manutenção de baixa indutância e resistência.

Eles são comuns em aparelhos do dia a dia, como smartphones, que sofrem vibração, estresse e quedas frequentes.

Quais são as aplicações de um substrato BGA?

Os substratos BGA estão ganhando popularidade com o tempo, pois oferecem vários benefícios.

Algumas das áreas que empregam substratos BGA incluem:

  • Processadores gráficos
  • ASIC para roteadores e servidores
  • MPUs que encontram seu uso em consoles de jogos altamente ajustados
  • A indústria automotiva exige alta confiabilidade
  • Sensores de imagem
  • chipsets

O que você deve considerar ao colocar componentes em um substrato BGA?

Se você estiver trabalhando com componentes complexos, precisará planejar como rotear cada peça com sucesso.

BGAs com alta contagem de pinos exigem planejamento meticuloso durante o processo de design, pois precisa projetar padrões de roteamento de escape para cada rede.

Isso requer que você planeje como colocar as peças antes de iniciar o roteamento dos traços.

Comece a planta baixa de posicionamento com peças fixas como IO, switch, conectores, etc.

Certifique-se de considerar o gerenciamento térmico da placa para garantir que os BGAs recebam fluxo de ar constante para permanecerem frios.

Coloque os chips de memória e os processadores próximos de suas respectivas conexões externas.

Isso significa que você evitará o uso de comprimentos de traço longos ao longo de toda a placa.

Além disso, assegure-se de que todos os componentes se encaixem perfeitamente, sem que os traços fiquem longe do alcance.

Ao iniciar o processo de colocação, certifique-se de que as peças BGA tenham espaço suficiente para atender ao roteamento.

Certifique-se de que eles contenham amplos capacitores de bypass próximos aos pinos associados.

Além disso, coloque sequencialmente os componentes do caminho do sinal entre a carga do sinal e a fonte.

Este processo pode ser uma tarefa, portanto, prepare-se para ser interativo ao finalizar a colocação de componentes.

Outro fator a considerar é que você precisa fazer o projeto com integridade de energia adequada além de boa integridade de sinal.

Isso implica colocar fontes de alimentação perto de áreas que estão fornecendo sem misturar os circuitos com partes sensíveis do BGA.

Depois de colocar os componentes de forma otimizada, você pode iniciar o roteamento das redes de substrato BGA.

Quais dicas são importantes ao rotear rastreamentos que conectam substratos BGA?

Comece movendo o roteamento de escape das peças de passo fino de montagem em superfície, como os componentes do substrato BGA.

Certifique-se de planejar o roteamento de fuga considerando o seguinte:

  • Empilhamento de camadas
  • Densidade de roteamento
  • Requisitos de integridade do sinal
  • Colocação de componentes

Além disso, você precisa de placas de interconexão e camadas de alta densidade para substratos BGA com alta contagem de pinos.

No entanto, confirme com nosso fabricante de PCB o custo e sua capacidade de construir a placa HDI.

Ao rotear vias e traços de escape para fora do substrato BGA, comece com as linhas extremas.

Em seguida, continue operando internamente através das fileiras de pinos.

Algumas vias com as quais você pode operar durante esse processo incluem o seguinte:

  • Vias cegas e enterradas que penetram uma porção do substrato
  • Vias através de furos que você cria usando brocas mecânicas e perfura a placa
  • Micro vias que você perfurará usando um laser, pois são pequenas

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