BGA-Substrate: Der ultimative FAQ-Leitfaden

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Die Auswahl eines geeigneten BGA-Substrats erfordert fundiertes Wissen.

In diesem Leitfaden finden Sie alle Informationen, die Sie über BGA-Substrate wissen müssen.

Lesen Sie also weiter, um mehr zu erfahren.

Was ist ein BGA-Substrat?

Ein BGA-Substrat ist ein Träger, den Sie mit mehreren Versionen von BGA-Gehäusen verwenden werden.

Komplexe Geräte wie Mikroprozessoren erfordern, dass das BGA-Substrat mehrere unterschiedliche Verbindungsstifte bietet.

Außerdem kann der Designprozess der Pins und ihre Integration in das BGA-Substratgehäuse eine Herausforderung darstellen.

Welche Substanz werden Sie verwenden, wenn Sie ein BGA-Substrat herstellen?

BGA-Gehäuse verwenden bei ihrer Konstruktion organische Substrate und keine Leiterrahmen.

Das Material, aus dem das BGA-Substrat besteht, kann entweder sein:

Polyimid

Bismaleimid

Warum ist es notwendig, ein BGA-Substrat automatisch zu entwerfen?

Die meisten Designs über BGA Substrate geschehen durch den Einsatz einer automatischen Vorrichtung.

Dies hat folgende Gründe:

Das Design beinhaltet die Verwendung zahlreicher Stifte
Für Computersysteme ist es einfach, den kürzesten Weg für jeden Stift zu bestimmen

Außerdem erfolgt der automatische Prozess über die EDA-Designsoftware.

Außerdem gibt es während des Bearbeitungsprozesses von High-Density-Designs eine Art menschlicher Interaktion.

Moderne BGA-Substratdesigns erfolgen jedoch hauptsächlich durch die Verwendung von Software und Computersystemen.

Was sollten Sie beim Entwerfen eines BGA-Substratdesigns beachten?

Einige Überlegungen zum Design von BGA-Substraten beinhalten Folgendes:

Verwendung kürzerer Leitungen
Signalintegrität
Motorflugzeuge
HF-Leistung

Was ist Ball Pitch in einem BGA-Substrat?

Der Ballabstand ist der Abstand, der zwischen den Mittelteilen eines einzelnen BGA-Balls zum anderen liegt.

Beispielsweise kann der Zwischenraum nur 0.2 mm klein sein.

Was sind einige Merkmale eines BGA-Substrats?

Einige der Funktionen, die Sie möglicherweise finden, beinhalten Folgendes:

Nimmt weniger Platz auf Boards ein
Niedrige Induktivität
Keine Biegung vorhanden
Die hohe Bleimenge
Es zentriert sich bei der Durchführung von Reflow-Prozessen selbst und minimiert somit Probleme in Bezug auf die Platzierung während des Oberflächenmontage-Lötens
Eine geringe thermische Hemmung zwischen Leiterplatten und BGA-Gehäusen verbessert den Kühlprozess und verhindert eine Überhitzung

Auf welche Herausforderungen werden Sie beim BGA-Substrat-Routing stoßen?

Das Routing von BGA-Substraten ist mit komplexen Herausforderungen verbunden, die es wert sind, beim Design Ihrer Leiterplatten berücksichtigt zu werden.

Einige dieser Herausforderungen beinhalten Folgendes:

Herstellbarkeit

Einige bestimmte Einschränkungen und Regeln hängen davon ab, wie Sie die BGA-Substratverbindung miteinander und extern führen.

Zu den Einschränkungen, die von der Kapazität des Herstellers abhängen, gehören:

Anzahl der Schichten
Größe der Durchkontaktierungen
Neigungswinkel
Art der Bohrung usw.

Signalintegrität

Eines der Hauptprobleme bei der Signalintegrität ist die Kontrolle der Impedanz.

Dies wirkt sich tendenziell auf Reflexionen und Übertragung aus.

Einige Prozesse, die Sie zur Steuerung der Impedanz verwenden können, umfassen die folgenden:

Einsatz der richtigen Dicke der Dielektrika
Anpassen der Breitenspuren zwischen den Rückleitungen und den Vorwärtsleitungen
Installation von Ebenenreferenzen zwischen den Signalschichten

Außerdem können Sie das Übersprechen effektiv verringern, wenn Sie Masse- oder Referenzebenen zwischen benachbarten Signalspuren installieren.

Es ist wichtig, den Abstand zwischen den Spuren beizubehalten, wenn Signale von ähnlichen Schichten stammen.

Zuverlässigkeit

Wie zuverlässig Ihre Leiterplatte ist, hängt von ihrer Konstruktionsqualität ab und davon, wie Sie Ihr Design mit der Kapazität des Herstellers synchronisieren.

Wenn Sie das Board nicht synchronisieren, können Sie ein Board haben, das in seiner Funktionalität gemäß dem Design eingeschränkt ist.

Außerdem kann es zu Fehlfunktionen des Boards kommen, sobald Sie es verwenden.

Beispiele für Materialprobleme, die zu einem Ausfall während des Betriebs führen können, sind:

Gewicht von Kupfer
Struktur von Kupferkorn
Die Dicke der Lötstoppmaske
Ionische Kontamination
Trace-Routing
Art des Durchgangs

Welche Arten von Substraten können Sie zur Herstellung von BGA-Gehäusen verwenden?

BGA-Gehäuse gibt es in verschiedenen Untertypen, und dies hängt von den Materialien und anderen Substraten in ihnen ab.

Außerdem verwenden alle diese Typen Lötverbindungen, die die Substrate des BGA-Gehäuses mit der gedruckten Schaltungsplatine verbinden.

Diese Pakete sind in den folgenden Kategorien zu finden:

Keramik-BGA

Kunststofflaminat BGA

Die Zusammensetzung der Soldaten ist beim Reballing der verschiedenen Arten von BGA-Substraten wichtig.

Um eine angemessene Leitfähigkeit zu gewährleisten, sollten Sie sicherstellen, dass Sie die Metalle im Lot ausbalancieren.

Außerdem sorgt eine geeignete Lötstruktur dafür, dass die Reballing-Arbeit dauerhaft ist.

Keramik-BGA

Dieses BGA-Gehäuse verwendet ein keramisches Substratmaterial.

Mehrere Varianten innerhalb des Keramik-BGA beinhalten LGA und CCGA.

Jeder Pin in Keramik-BGAs kostet mehr als die von Kunststoff-BGA-Gehäusen.

Einige Anwendungen benötigen jedoch Keramik-BGA.

Zum Beispiel werden Geräte, die mehr Pins auf den Flip-Chip-Designs benötigen, diesen Gehäusestil verwenden.

Außerdem ist Kunststoff-BGA nicht in der Lage, die Stiftdichte für diese Anwendungen zu erreichen.

Außerdem arbeitet das Keramik-BGA günstig mit den Flip-Chip-Designs zusammen.

Die Lotkugeln enthalten 10 % Zinn und 90 % Blei.

Dies erhöht die Zuverlässigkeit von Keramik-BGAs.

Es hilft auch bei der Überwindung der Unterschiede bei den Wärmeausdehnungskoeffizienten, die zwischen der Leiterplatte und dem BGA-Substrat auftreten.

Außerdem können Sie auch ein Keramiksäulen-Grid-Array [CCGA] finden.

Dieses BGA-Gehäuse verwendet im Vergleich zum Basis-BGA doppelt so viele verfügbare Kontaktpunkte.

Außerdem halten CGA-Lötverbindungen fast dreimal so lange wie BGA.

Kunststofflaminat BGA

Diese Art von BGA verwendet Kunststoff als Substratmaterial.

Die Lotkugeln in Kunststofflaminat-BGA nehmen 63 % Zinn und eutektisches Blei 37 % ein.

Das BGA-Substrat aus Kunststofflaminat kann Temperaturbereichen von bis zu 150 °C standhalten.

Die Materialauswahl für BGA-Substrate aus Kunststofflaminat umfasst Folgendes:

Polyimid ist eine Form von Laminatkunststoff
Dry-clad, ein Laminat auf Epoxidbasis, proprietär von IBM
Bismaleimid-Triazin-Epoxidglas, das auch als BT-Epoxidglas bekannt ist

Außerdem können Sie Flip-Chip-Designs mit Kunststofflaminat-BGA integrieren, um die Konnektivität zwischen Leiterplatten und dem Gehäuse zu verbessern

Klebeband BGA

Dieses BGA verwendet flexible Verbindungen, die feine Linien innerhalb der Lötkugeln bilden.

Außerdem schneidet Tape BGA thermisch besser ab.

Ein weiteres BGA, das sich auf Band-BGA bezieht, ist Metall-BGA.

Diese Version des BGA-Gehäuses beinhaltet die Verwendung eines einfachen Formdesigns, das aus einem Aluminiumsubstrat besteht.

Das Design von Metall-BGAs bietet das gleiche Ergebnis, obwohl es keine flexiblen Schichten von Bändern gibt, die Band-BGAs verwenden.

Um die Aluminiumbasis mit der Lötmaske zu verbinden, verwendet Metall-BGA Dünnfilm- und Mikrochipmodultechnologien.

Außerdem sind die thermische Leistung und die elektrische Leistung von Band-BGA und Metall-BGA hervorragend.

LGA-Typ-Paket

Dieser Pakettyp steht für Land Grid Array.

Außerdem führt LGA in den 90er Jahren zur Einführung des BGA-Substratgehäuses.

Dies liegt daran, dass Lötkugeln verwendet werden, die die Leiterplatte und das Gehäuse verbinden.

LGAs, die Sockel verwenden, haben Stifte, die die Leiterplatte mit dem Sockel verbinden.

Einige LGAs enthalten direkte Verbindungen zur Leiterplatte über die Verwendung von Lötmittel und nicht über eine Buchse.

Ähnlich wie das BGA-Substratpaket enthält das LGA-Substratpaket keine Kugeln, sondern flache Lötkontakte.

PoP-Typ-Paket

Der PoP stellt ein Package-on-Package dar und stellt Double-Stack-Designs dar.

Außerdem enthält der obere Chip den Direktzugriffsspeicher [RAM], während der untere Chip die CPU enthält.

Das Design des Gehäuses vom PoP-Typ ermöglicht es Ihnen, mehrere Gehäuse in kleinen Konfigurationen auf der Leiterplatte unterzubringen.

Flip Chip

Die Designplatzierung dieser Version zeigt nach unten.

Außerdem kann jede der Flip-Chip-Oberflächen Verbindungen durch die Verbindungen der Lötkugel enthalten.

Der Vorteil dieses Designs ist der kurze Abstand und die Verringerung der Induktivität.

Der QFN-Gehäusetyp fällt unter die Kategorie der bleifreien QFP.

Dies liegt daran, dass QFN ein Quad-Flatpack ohne Anschlussstifte darstellt.

QFN-Typ-Paket

Dies steht für ein Quad-Flatpack.

Es ist eine Version eines oberflächenmontierten Chips, der die gesamten vier Seiten verwendet, um die Leitung weiterzuleiten.

Da es alle vier Seiten verwendet, gibt es diesem BGA-Gehäuse außerdem seinen Quad-Namen.

Sie bestehen aus keramischen und plastischen Substratmaterialien.

Keramik-QFP hat keine Gullwing-Anschlüsse, während Kunststoff-QFP sie enthält.

Welche Vorsichtsmaßnahmen sollten Sie befolgen, um sicherzustellen, dass Sie einen guten Lötprozess auf einem BGA-Substrat durchführen?

Diese umfassen:

Die Verwendung von reichlich Hitze stellt sicher, dass alle Kugeln innerhalb des Gitters ausreichend schmelzen, um starke Bindungen an allen BGA-Lötstellen zu bilden
Die Oberflächenspannung stellt sicher, dass die Kugeln an Ort und Stelle bleiben, bis das Lot abkühlt und sich verfestigt.

Achten Sie beim BGA-Löten auf die richtige Temperatur, um eine solide Lötverbindung zu gewährleisten und Kurzschlüsse zu minimieren

Stellen Sie sicher, dass die Zusammensetzung der Lotlegierung und die Temperatur korrekt sind, damit das Lot halbfest bleibt und nicht wegschmilzt.

Dadurch können die Kugeln im Gitter in getrennten Bereichen bleiben.

Welche Methode werden Sie verwenden, um Lötstellen innerhalb eines BGA-Substrats zu inspizieren?

Es ist unmöglich, optische Verfahren zur Inspektion von BGA-Substraten einzusetzen, da Lötstellen unter den BGA-Teilen nicht sichtbar sind.

Außerdem können Sie keine elektrischen Tests verwenden, da diese weniger zuverlässig sind, da sie die elektrische Leitfähigkeit von BGA-Substraten sofort anzeigen.

Der Test zeigt nicht an, wie lange das Lot hält, da es irgendwann versagen kann.

Daher ist die geeignete Methode zur Untersuchung dieser Verbindungen die Verwendung von Röntgentests.

Denn der Röntgenstrahl durchdringt die Bauteile und ermöglicht den Blick auf die darunter verborgenen Fugen.

Aus diesem Grund ist die automatische Röntgeninspektion die am weitesten verbreitete Methode, um die BGA-Substrate zu inspizieren.

Können Sie ein fehlerhaftes BGA-Substrat überarbeiten?

Ja, Sie können ein fehlerhaftes BGA-Substrat reparieren, wenn Sie feststellen, dass Komponenten fehlerhaft sind.

Um diese Aufgabe auszuführen, wenden Sie zunächst Wärme auf die Lötstelle an, um sie wegzuschmelzen.

Dieser Prozess erfolgt durch lokales Erhitzen des fehlerhaften BGA-Substratteils, wodurch das Lötmittel schmilzt.

Während des Nachbearbeitungsprozesses erhitzen Sie das Bauteil in speziellen Nachbearbeitungseinheiten.

Diese Einheit hat folgende Bestandteile:

Infrarotstrahler
Thermoelement, das das Temperaturniveau überwacht
Vakuumsystem, das die BGA-Pakete anhebt

Stellen Sie außerdem sicher, dass Sie das einzige fehlerhafte Bauteil vorsichtig erhitzen, ohne andere umliegende Teile auf der Platine zu beschädigen.

Was sind die Vorteile der Verwendung eines BGA-Substrats?

Es gibt zahlreiche Gründe, warum die BGA-Substrate in mehreren modernen Anwendungen beliebt sind.

Diese beinhalten Folgendes:

Hohe Pin-Dichte

Um den Preis, die Leistung oder die Funktionen von Paketen zu verbessern, werden die Hersteller die Pins erhöhen.

Gleichzeitig würden sie die Qualität des Gehäuses verringern, da die Stifte eng beieinander liegen, und zu schwachen Lötstellen führen.

BGA-Substrate enthalten jedoch mehrere Stifte, die die Integrität der Lötverbindungen und die Zuverlässigkeit des Gehäuses aufrechterhalten.

Niedrige Induktivität

Die Verbindungsleiter in BGA-Substraten sind kurz, wodurch die Signalinduktivität verringert wird.

Dies verbessert wiederum die elektrische Leistung, während die Induktivität minimiert wird.

Geeignete Wärmeleitung

Vorteilhaft sind der geringe Abstand und die geringere Induktivität zwischen Leiterplatte und BGA-Substrat.

Sie führen zu einem geringen Wärmewiderstand zwischen zwei Teilen und ermöglichen so einen ausreichenden Wärmefluss über die Leiterplatte.

Außerdem haben sie einen Deckel, der die Wärmeableitung verbessert und dadurch die Überhitzung der Chips und die Wahrscheinlichkeit einer thermischen Verschlechterung verringert.

Bessere Leistung bei hohen Geschwindigkeiten

Mehrere Vorteile von BGA-Substraten erhöhen ihre elektrische Leistung gegenüber anderen IC-Gehäusetypen.

Da BGA-Substrate Verbindungen im unteren Teil des Chips haben, bedeutet dies, dass sie kurz sind.

Dadurch wird das BGA-Substrat bei hohen schnellen Geschwindigkeiten und außergewöhnlich gut funktionieren.

Hohe Zuverlässigkeit

Die Stifte in Quad-Flat-Paketen sind dünn und zerbrechlich.

Das bedeutet, dass Schäden in diesen Konfigurationen wahrscheinlich auftreten und wenn es passiert, ist es fast unmöglich, sie zu reparieren.

Die Verbindungslötpads in BGA-Substraten sind jedoch robust, sodass Sie zuverlässige Verbindungen erzielen können.

Was sind die Einschränkungen eines BGA-Substrats?

Einige dieser Nachteile umfassen Folgendes:

Teuer

BGA-Substratpakete kosten mehr als die Standard-IC-Pakete.

Einige der Elemente, die die Kosten erhöhen, umfassen das Substrat und die Bumping-Technik.

Schwer zu kontrollieren

Der Lötprozess verbessert die Leistung von BGA-Substraten und der gesamten Schaltung.

Es hat jedoch einige Nachteile, wie z. B. dass das Gehäuse nach dem Löten auf der Leiterplatte nicht inspiziert werden kann.

Dies bedeutet, dass es die Aufgabe ist, nach potenziellen Problemen zu suchen, die sofort behoben werden müssen.

Daher müssen Sie eine Röntgeninspektion verwenden, um die inneren Teile des BGA-Substrats zu überprüfen.

Dieses Verfahren ist jedoch kostspielig.

Wie lassen sich LGA- und BGA-Substrate vergleichen?

LGA steht für Land-Grid-Array während BGA für Ball Grid Array steht.

Außerdem werden Sie BGA-Substrate auf die Leiterplatte löten, was bedeutet, dass Sie sie nicht ausstecken oder ersetzen können.

Sie können LGA jedoch ein- und ausstecken und sogar vom Motherboard ersetzen.

BGA-Substrate enthalten runde Kontakte, die Sie auf die Leiterplatte löten.

LGA hat flache Oberflächen, die den Sockel der Leiterplatte kontaktieren, der viele Stifte enthält.

Können Sie Reflow-Löten auf einem BGA-Substrat durchführen?

Ja, Reflow-Löten wird beim Löten von BGA-Substraten verwendet, da es dem gesamten System hilft, eine Standardtemperatur zu erreichen.

Diese Temperatur schmilzt die Lotkugeln unter den BGA-Substratkomponenten.

Beim Löten des BGA-Substrats haben Lotkugeln eine bestimmte Lotmenge.

Nach dem Platzieren im Reflow-Ofen schmilzt die Platine mit Lötkugeln auf dem BGA-Substrat aufgrund der Hitze.

Die Oberflächenspannung bewirkt, dass geschmolzenes Lot das BGA-Substrat an der richtigen Stelle auf der Leiterplatte hält.

Stellen Sie außerdem sicher, dass das Lot die richtige Zusammensetzung hat, die es ihm ermöglicht, einen halbfesten Zustand beizubehalten.

Was ist die Zukunft des BGA-Substrats?

BGA-Substrate werden immer beliebter und werden auch in den kommenden Jahren weiter verwendet.

Außerdem gibt es mit neuen technologischen Fortschritten neue Variationen von BGA-Substraten.

Außerdem sind diese BGA-Pakete erschwinglich und bieten beeindruckende elektrische Leistungsstandards.

Zu den Haupttypen, die die Zukunft des BGA-Substrats beeinflussen werden, gehören:

eWBL

Dies steht für Embedded Wafer Level BGA und enthält einen Interposer innerhalb eines gebumpten Chips.

Es bietet mehrere Vorteile wie hohe Strombelastbarkeit, bessere elektrische Leistung, Erschwinglichkeit, kleine Konfiguration usw.

WLCSP

Dies steht für ein Wafer-Level-Chip-Scale-Package, das eine Version eines Bump-Dies ist.

Außerdem ist dieses Gehäuse klein und hat hervorragende thermische und elektrische Eigenschaften.

Außerdem bietet es eine hervorragende Konnektivität, die dazu beiträgt, eine niedrige Induktivität und einen niedrigen Widerstand aufrechtzuerhalten.

Sie sind in alltäglichen Geräten wie Smartphones üblich, die häufigen Vibrationen, Belastungen und Stürzen ausgesetzt sind.

Was sind die Anwendungen eines BGA-Substrats?

BGA-Substrate werden mit der Zeit immer beliebter, da sie mehrere Vorteile bieten.

Zu den Bereichen, in denen BGA-Substrate verwendet werden, gehören:

Grafikprozessoren
ASIC für Router und Server
MPUs, die ihren Einsatz in hochgetunten Spielkonsolen finden
Die Automobilindustrie erfordert eine hohe Zuverlässigkeit
Bildsensoren
Chipsätze

Was sollten Sie beachten, wenn Sie Komponenten auf einem BGA-Substrat platzieren?

Wenn Sie mit komplexen Komponenten arbeiten, müssen Sie planen, wie Sie jedes Teil erfolgreich verlegen.

BGAs mit hoher Pin-Anzahl erfordern eine sorgfältige Planung während des Designprozesses, da für jedes Netz Fluchtführungsmuster entworfen werden müssen.

Dazu müssen Sie planen, wie Sie Teile platzieren, bevor Sie mit dem Verlegen der Leiterbahnen beginnen.

Beginnen Sie den Platzierungsgrundriss mit festen Teilen wie E/A, Schalter, Anschlüsse usw.

Stellen Sie sicher, dass Sie das Wärmemanagement der Platine berücksichtigen, um sicherzustellen, dass die BGAs einen konstanten Luftstrom erhalten, um kühl zu bleiben.

Platzieren Sie die Speicherchips und Prozessoren in der Nähe ihrer jeweiligen externen Anschlüsse.

Dies bedeutet, dass Sie die Verwendung langer Leiterbahnen entlang der gesamten Platine vermeiden.

Stellen Sie außerdem sicher, dass alle Komponenten sauber sitzen und Spuren nicht weit von der Reichweite entfernt sind.

Stellen Sie zu Beginn des Platzierungsprozesses sicher, dass die BGA-Teile genügend Platz für das Routing haben.

Stellen Sie sicher, dass sie neben den zugehörigen Pins ausreichend Bypass-Kondensatoren enthalten.

Platzieren Sie außerdem nacheinander Signalpfadkomponenten zwischen Signallast und -quelle.

Dieser Prozess kann anstrengend sein, bereiten Sie sich daher darauf vor, interaktiv zu sein, wenn Sie die Komponentenplatzierung abschließen.

Ein weiterer zu berücksichtigender Faktor ist, dass Sie das Design neben einer guten Signalintegrität mit einer geeigneten Leistungsintegrität erstellen müssen.

Dies bedeutet, Netzteile in der Nähe von Bereichen zu platzieren, die sie versorgen, ohne die Schaltung mit empfindlichen Teilen des BGA zu vermischen.

Nachdem Sie die Bauteile optimal platziert haben, können Sie mit dem Routing der BGA-Substratnetze beginnen.

Welche Tipps sind beim Verlegen von Leiterbahnen wichtig, die BGA-Substrate verbinden?

Beginnen Sie mit dem Schwenken der Austrittsführung von den oberflächenmontierten Fine-Pitch-Teilen, wie z. B. den BGA-Substratkomponenten.

Stellen Sie sicher, dass Sie den Fluchtweg planen, indem Sie Folgendes berücksichtigen:

Schichtaufbau
Routing-Dichte
Anforderungen an die Signalintegrität
Platzierung von Bauteilen

Außerdem benötigen Sie hochdichte Interconnect- und Layer-Boards für BGA-Substrate mit hoher Pin-Anzahl.

Lassen Sie sich jedoch von unserem Leiterplattenhersteller die Kosten und deren Kapazität zum Bau der HDI-Platine bestätigen.

Beginnen Sie beim Routing von Durchkontaktierungen und Fluchtspuren aus dem BGA-Substrat mit den äußersten Reihen.

Dann weiter nach innen durch die Stiftreihen arbeiten.

Einige Durchkontaktierungen, mit denen Sie während dieses Vorgangs arbeiten können, umfassen die folgenden:

Blind- und Buried-Vias, die einen Teil des Substrats durchdringen
Durchgangslöcher, die Sie mit mechanischen Bohrern erstellen und durch die Platine bohren
Mikro-Vias, die Sie mit einem Laser bohren, da sie klein sind

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