Das moderne Informationszeitalter hat eine rasante Entwicklung der Elektronikindustrie erlebt, wodurch elektronische Produkte wie Computer und Mobiltelefone immer weiter verbreitet sind. Die Menschen stellen zunehmend höhere Anforderungen an die Funktionen und die Leistung elektronischer Produkte, während sie gleichzeitig immer geringere Anforderungen an Volumen und Gewicht haben. Bis heute sind Multifunktionalität, geringes Gewicht und Miniaturisierung zu den führenden Entwicklungstrends moderner Elektronikprodukte geworden. Um dieses Ziel zu erreichen, muss die Strukturgröße von IC‑(integrierte Schaltung)‑Chips verkleinert werden, während ihr Komplexitätsgrad ständig steigt. Infolgedessen beginnt die Anzahl der I/Os zuzunehmen, und auch die I/O‑Dichte der Gehäusetechnologie nimmt zu. Um mit diesen Entwicklungsanforderungen Schritt zu halten, sind einige fortschrittliche Hochdichte‑Verpackungstechnologien entstanden, unter denen BGA (Ball Grid Array) eine primäre Form darstellt, da sie im Vergleich zu anderen Gehäuseformen hinsichtlich geringem Gewicht, Miniaturisierung und hoher Leistung überlegene Vorteile aufweist.
Das Aufkommen des BGA-Gehäuses begann bereits Anfang der 1990er Jahre, und es hat sich zu einer ausgereiften Hochdichte-Verpackungstechnologie entwickelt. Die BGA-Verpackungstechnologie wird weit verbreitet als Gehäuse für PC-Chips, Mikroprozessoren, ASICs, Arrays, Speicher, DSP, PDA, PLD usw. eingesetzt.
Eigenschaften von BGA-Gehäusen
Das BGA-Gehäuse stellt die elektrische Verbindung zwischen dem Schaltungs‑I/O‑Ende und der Leiterplatte (PCB, Printed Circuit Board) über ein Raster von Lotkugeln an der Gehäuseunterseite her. Bauelemente mit BGA-Gehäusetechnologie sind eine Art SMDs (Surface Mount Devices). Im Vergleich zu herkömmlichen bedrahteten Gehäusen wie QFP, PLCC usw. weisen BGA-Gehäusebauteile die folgenden Eigenschaften auf:
• Hohe Anzahl von E/A
Die Anzahl der I/Os wird durch die Gerätegröße und den Abstand der Lötbälle bestimmt. Da die Lötbälle bei BGA-Gehäusen als Matrix an der Unterseite des Trägers angeordnet sind, kann das BGA-Gehäuse die I/O-Anzahl der Bauteile erheblich erhöhen, die Gehäusegröße verkleinern und Montagefläche einsparen. Allgemein gesprochen kann das Gehäusevolumen bei gleicher Anzahl von Anschlüssen mit der BGA-Gehäusetechnologie mindestens 30 % Platz einsparen.
• Hohe Montage-Erfolgsquote bei reduzierten Kosten
Die Anschlüsse herkömmlicher QFP- und PLCC-Bauteile sind gleichmäßig um die Gehäuse herum angeordnet, mit einem Anschlussabstand (Pitch) von 1,27 mm, 1,0 mm, 0,8 mm, 0,65 mm oder 0,5 mm. Mit steigender Anzahl der I/Os muss der Anschlussabstand zwangsläufig weiter verkleinert werden. Wenn der Pitch kleiner als 0,4 mm ist, reicht die Präzision der SMT-Ausrüstung nicht mehr aus, um die entsprechenden Anforderungen zu erfüllen. Außerdem neigen die Anschlüsse dann dazu, sich leicht zu verformen, wodurch die Ausfallrate bei der Montage ansteigt.
BGA-Gehäusekomponenten ordnen jedoch Lötperlen in einem Array an der Unterseite des Trägers an und können eine höhere Anzahl von I/Os aufnehmen. Der Standardabstand der Lötperlen beträgt 1,5 mm, 1,27 mm und 1,0 mm. Fine-Pitch-BGAs zeichnen sich durch einen Abstand von 0,8 mm, 0,65 mm und 0,5 mm aus und sind mit SMT-Ausrüstung kompatibel.
Weitere Eigenschaften der BGA-Verpackung umfassen:
• Die Kontaktfläche zwischen den BGA-Lotkugeln und der Basis ist groß und kurz, was der Wärmeableitung zugutekommt.
• BGA verfügt über kürzere Anschlussdrähte, wodurch der Signalübertragungsweg verkürzt, die Induktivität und der Widerstand der Anschlussdrähte reduziert und die Schaltungsleistung optimiert werden.
• BGA kann die Koplanarität des I/O-Endes offensichtlich verbessern und dadurch den Verlust, der durch schlechte Koplanarität während des Montageprozesses entsteht, erheblich verringern.
• BGA eignet sich für den Einsatz in MCM-Gehäusen und kann eine hohe Dichte und hohe Leistung von MCM realisieren.
• Sowohl BGA als auch Fine-Pitch-BGA sind zuverlässiger als Fine-Pitch-ICs mit Leads.
Klassifizierungen und Strukturen von BGA-Gehäusen
BGA gibt es in zahlreichen Gehäusetypen, meist mit quadratischer oder rechteckiger Struktur. Entsprechend der Anordnung der Lotkugeln können BGAs in periphere, Matrix- und Vollraster-Gehäuse eingeteilt werden. Entsprechend dem unterschiedlichen Basismaterial können BGAs in PBGA (Plastic Ball Grid Array), CBGA (Ceramic Ball Grid Array) und TBGA (Tape Ball Grid Array) klassifiziert werden.
• PBGA-Verpackung
PBGA basiert auf BT-Harz oder Glaslaminat als Trägermaterial und Kunststoff als Vergussmaterial, wobei eutektisches Lot 63Sn37Pb als Lotkugelmaterial verwendet wird. Für die Verbindung zwischen Lotkugel und Gehäuse ist kein zusätzliches Lot erforderlich. Einige PBGA-Gehäuse sind in Hohlraumstrukturen ausgeführt, die in nach oben gerichtete Hohlräume und nach unten gerichtete Hohlräume unterteilt werden. PBGA mit Hohlraumstruktur dienen der Verstärkung ihrer Wärmeableitung, weshalb sie auch als EBGA bezeichnet werden.
PBGA weist die folgenden Vorteile auf:
a. Bessere thermische Kompatibilität mit der Leiterplatte
b. Höhere Ausrichtung zwischen Lotkugeln und Pads
c. Geringere Kosten
d. Hervorragende elektrische Leistung
• CBGA-Verpackung
CBGA hat die längste Geschichte unter allen BGA-Typen. Mit einer mehrlagigen Keramik als Basis nutzt CBGA eine Metallabdeckplatte, um BGA-Komponenten auf die Basis zu löten und so Chips, Anschlüsse und Pads zu schützen. Das Lotkugelmaterial ist ein hochtemperaturbeständiges eutektisches Lot 10Sn90Pb, und die Verbindung zwischen Lotkugeln und Gehäuse hängt von einem niedrigtemperaturbeständigen eutektischen Lot 63Sn37Pb ab.
Vorteile des CBGA-Gehäuses umfassen:
a. Bessere Luftdichtheit und höhere Feuchtigkeitsbeständigkeit, was zu langfristiger und hoher Zuverlässigkeit führt
b. Bessere elektrische Isolierung als PBGA
c. Höhere Verpackungsdichte als PBGA
d. Höhere Wärmeableitung als PBGA
Nachteile des CBGA-Gehäuses umfassen:
a. Aufgrund des großen Unterschieds im Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE, Coefficient of Thermal Expansion) zwischen der Keramikbasis und der Leiterplatte (PCB) weist CBGA eine geringe thermische Kompatibilität auf und neigt dazu, infolge von Ermüdung der Lötverbindungen auszufallen.
b. Höhere Kosten als PBGA
c. Größere Ausrichtungsschwierigkeiten bei Lötbällen am Rand des Gehäuses.
• CCGA-Verpackung
CCGA, eine Abkürzung für Ceramic Column Grid Array, ist eine verbesserte Version von CBGA. Der Unterschied zwischen CCGA und CBGA besteht darin, dass CCGA Lötstützen mit einem Durchmesser von 0,5 mm und einer Höhe von 1,25 mm bis 2,2 mm anstelle von Lotkugeln mit einem Durchmesser von 0,87 mm verwendet, sodass die Lötverbindungen von CCGA widerstandsfähiger gegen Lötstellenermüdung sind.
• TBGA-Verpackung
TBGA ist eine Hohlraumstruktur mit zwei Verbindungstypen zwischen Chips und Träger: invertierte Lötverbindung und Drahtbondverbindung.
Vorteile von TBGA sind:
a. Bessere thermische Kompatibilität zwischen Band und Leiterplatte
b. Die Selbstausrichtung von Lotkugeln kann bei TBGA genutzt werden, das heißt, die Oberflächenspannung der Lotkugeln erfüllt die Ausrichtungsanforderungen zwischen Lotkugeln und Pads.
c. Niedrigste Kosten unter allen BGA-Gehäusen
d. Bessere Wärmeableitung als PBGA
Nachteile von TBGA umfassen:
a. Empfindlich gegenüber Feuchtigkeit
b. Die Mehrklassen-Kombination verschiedener Materialien ist schlecht für die Zuverlässigkeitswartung.
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