La era moderna de la información ha visto un rápido desarrollo de la industria de la electrónica, lo que ha llevado a que productos electrónicos como las computadoras y los teléfonos móviles sean cada vez más frecuentes. La gente empieza a tener demandas constantemente crecientes en cuanto a las funciones y el rendimiento de los productos electrónicos, mientras que las exigencias en cuanto a volumen y peso disminuyen de forma constante. Hasta ahora, la multifuncionalidad, el peso ligero y la miniaturización se han convertido en la principal tendencia de desarrollo de los productos electrónicos modernos. Para lograr este objetivo, el tamaño de las características de los chips de CI (circuito integrado) debe reducirse mientras su nivel de complejidad aumenta constantemente. Como resultado, el número de E/S comienza a incrementarse y la densidad de E/S del encapsulado también empieza a aumentar. Para ser compatibles con los requisitos de desarrollo, han surgido algunas tecnologías avanzadas de encapsulado de alta densidad, entre las cuales el BGA (ball grid array, matriz de bolas) es un tipo principal, porque presenta ventajas más competentes que otras formas de encapsulado en cuanto a peso ligero, miniaturización y alto rendimiento.
La aparición del encapsulado BGA se remonta a principios de la década de 1990 y ha llegado a convertirse en una tecnología de encapsulado de alta densidad madura. La tecnología de encapsulado BGA se ha aplicado ampliamente como encapsulado en chips de PC, microprocesadores, ASIC, matrices, memorias, DSP, PDA, PLD, etc.
Propiedades del encapsulado BGA
El encapsulado BGA implementa la conexión eléctrica entre el extremo de E/S del circuito y la PCB (placa de circuito impreso) mediante una matriz de esferas de soldadura bajo la base del encapsulado. Los componentes con tecnología de encapsulado BGA son un tipo de SMD (dispositivos de montaje superficial). En comparación con los dispositivos tradicionales con patillas, como QFP, PLCC, etc., los componentes con encapsulado BGA presentan las siguientes propiedades:
• Conteo alto de E/S
El número de E/S está determinado por el tamaño del dispositivo y el paso de las esferas de soldadura. Debido a que las esferas de soldadura con encapsulado BGA se distribuyen en forma de matriz en la parte inferior de la base, el encapsulado BGA puede aumentar drásticamente el conteo de E/S de los componentes, reducir el tamaño del encapsulado y ahorrar espacio de ensamblaje. En términos generales, el volumen del cuerpo del encapsulado puede ahorrar al menos un 30% de espacio cuando se aplica la tecnología de encapsulado BGA en el caso de un número equivalente de terminales.
• Alta tasa de aprobación del ensamblaje con costos reducidos
Las patillas de los componentes QFP y PLCC tradicionales están distribuidas uniformemente alrededor de los encapsulados, con un paso entre patillas de 1,27 mm, 1,0 mm, 0,8 mm, 0,65 mm o 0,5 mm. A medida que aumenta el número de E/S, el paso entre patillas tiene que reducirse necesariamente. Cuando el paso es inferior a 0,4 mm, la precisión del equipo SMT deja de satisfacer las exigencias correspondientes. Además, las patillas tienden a deformarse fácilmente, por lo que la tasa de fallos de ensamblaje aumenta.
Sin embargo, los componentes con encapsulado BGA disponen las esferas de soldadura en una matriz en la parte inferior de la base y pueden soportar un mayor número de E/S. El paso estándar de las esferas de soldadura es de 1,5 mm, 1,27 mm y 1,0 mm. Los BGA de paso fino se caracterizan por tener un paso de 0,8 mm, 0,65 mm y 0,5 mm, compatibles con el equipo SMT.
Otras propiedades del empaquetado BGA incluyen:
• El área de contacto entre las esferas de soldadura BGA y la base es grande y corta, lo que favorece la disipación térmica.
• Las BGA presentan terminales más cortos, lo que acorta la trayectoria de transmisión de la señal, reduce la inductancia y la resistencia de los terminales y optimiza el rendimiento del circuito.
• El BGA puede mejorar claramente la coplanaridad del extremo de E/S, reduciendo drásticamente las pérdidas resultantes de una mala coplanaridad durante el proceso de ensamblaje.
• Los trabajos con BGA son adecuados para encapsulados MCM y pueden implementar alta densidad y alto rendimiento de MCM.
• Tanto los BGA como los BGA de paso fino son más fiables que los circuitos integrados con patillas de paso fino.
Clasificaciones y estructuras del empaquetado BGA
El BGA se presenta en numerosos tipos de encapsulados con estructuras principalmente cuadradas y rectangulares. De acuerdo con el tipo de distribución de las esferas de soldadura, los BGA pueden clasificarse en periféricos, matriciales y de matriz completa. De acuerdo con el diferente material de la base, los BGA pueden clasificarse en PBGA (plastic ball grid array), CBGA (ceramic ball grid array) y TBGA (tape ball grid array).
• Empaquetado PBGA
El PBGA utiliza resina BT o laminado de vidrio como base y plástico como material de sellado, con soldadura eutéctica 63Sn37Pb como material de bola de soldadura. La conexión entre la bola de soldadura y el encapsulado no requiere soldadura adicional. Algunos encapsulados PBGA vienen en estructuras con cavidad, clasificadas en cavidad hacia arriba y cavidad hacia abajo. Los PBGA con estructura de cavidad se diseñan para reforzar su disipación térmica, por lo que también se denominan EBGA.
PBGA presenta las siguientes ventajas:
a. Mejor compatibilidad térmica con la placa PCB
b. Mayor alineación entre las esferas de soldadura y las almohadillas
c. Menor costo
d. Excelente rendimiento eléctrico
• Empaque de CBGA
El CBGA tiene la historia más larga entre todos los tipos de BGA. Con una cerámica multicapa como base, el CBGA aprovecha una placa de cubierta metálica para soldar los componentes BGA a la base y así proteger los chips, las patillas y las almohadillas. El material de las esferas de soldadura es una soldadura eutéctica de alta temperatura 10Sn90Pb y la conexión entre las esferas de soldadura y el encapsulado depende de una soldadura eutéctica de baja temperatura 63Sn37Pb.
Las ventajas del encapsulado CBGA incluyen:
a. Mejor hermeticidad y mayor resistencia a la humedad, lo que conduce a una fiabilidad alta y a largo plazo
b. Mejor aislamiento eléctrico que el PBGA
c. Mayor densidad de empaquetado que PBGA
d. Mayor disipación térmica que el PBGA
Desventajas del encapsulado CBGA incluyen:
a. Debido a la gran diferencia entre la base cerámica y la placa PCB en términos de CTE (coeficiente de expansión térmica), el CBGA presenta una baja compatibilidad térmica y tiende a fallar como resultado de la fatiga de las uniones de soldadura.
b. Costo más alto que PBGA
c. Mayor dificultad de alineación en las esferas de soldadura en el borde del encapsulado.
• Empaque CCGA
CCGA, una forma abreviada de matriz de rejilla de columnas cerámicas, es una versión mejorada de CBGA. La diferencia entre CCGA y CBGA es que CCGA aprovecha columnas de soldadura con un diámetro de 0,5 mm y una altura de 1,25 mm a 2,2 mm para reemplazar las esferas de soldadura con un diámetro de 0,87 mm, de modo que las uniones de soldadura de CCGA sean más capaces de resistir la fatiga de las uniones de soldadura.
• Empaque TBGA
TBGA es una estructura de cavidad con dos tipos de interconexión entre los chips y la base: unión por soldadura invertida y unión por cable.
Ventajas del TBGA incluyen:
a. Mejor compatibilidad térmica entre la cinta y la placa PCB
b. El autoalineamiento de las esferas de soldadura puede ser utilizado por el TBGA, es decir, la tensión superficial de las esferas de soldadura para cumplir el requisito de alineación entre las esferas de soldadura y las almohadillas.
c. El costo más bajo entre todos los encapsulados BGA
d. Mejor disipación térmica que PBGA
Desventajas de TBGA incluyen:
a. Sensible a la humedad
b. La combinación multiclase de diferentes materiales es perjudicial para el mantenimiento de la fiabilidad.
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