L’ère moderne de l’information a vu un développement rapide de l’industrie de l’électronique, rendant les produits électroniques tels que les ordinateurs et les téléphones portables de plus en plus répandus. Les gens commencent à avoir des exigences sans cesse croissantes en termes de fonctions et de performances des produits électroniques, tout en exigeant simultanément une réduction constante de leur volume et de leur poids. Jusqu’à présent, la multifonctionnalité, la légèreté et la miniaturisation sont devenues la tendance de développement dominante des produits électroniques modernes. Pour atteindre cet objectif, la taille des caractéristiques des puces de CI (circuits intégrés) doit être réduite, tandis que leur niveau de complexité ne cesse d’augmenter. En conséquence, le nombre d’E/S commence à augmenter et la densité d’E/S des boîtiers augmente également. Pour répondre à ces exigences de développement, certaines technologies avancées de boîtiers à haute densité ont vu le jour, parmi lesquelles le BGA (ball grid array) constitue un type majeur, car il présente des avantages plus marqués que les autres formes de boîtiers en termes de légèreté, de miniaturisation et de haute performance.
L’apparition du boîtier BGA remonte au début des années 1990 et il est devenu une technologie de conditionnement haute densité arrivée à maturité. La technologie de boîtier BGA a été largement appliquée comme solution d’encapsulation pour les puces de PC, les microprocesseurs, les ASIC, les réseaux, les mémoires, les DSP, les PDA, les PLD, etc.
Propriétés de l’emballage BGA
Le boîtier BGA assure la connexion électrique entre l’extrémité d’E/S du circuit et le PCB (carte de circuit imprimé) grâce à une matrice de billes de soudure située sous la base du boîtier. Les composants utilisant la technologie de boîtier BGA sont un type de CMS (composants montés en surface). Comparés aux dispositifs traditionnels à broches tels que les QFP, PLCC, etc., les composants en boîtier BGA présentent les caractéristiques suivantes :
• Nombre élevé d’E/S
Le nombre d’E/S est déterminé par la taille du dispositif et le pas des billes de soudure. Comme les billes de soudure d’un boîtier BGA sont réparties en matrice au bas du substrat, le boîtier BGA peut augmenter considérablement le nombre d’E/S des composants, réduire la taille du boîtier et économiser de l’espace d’assemblage. De manière générale, le volume du boîtier peut permettre d’économiser au moins 30 % d’espace lorsque la technologie de boîtier BGA est appliquée, à nombre de broches équivalent.
• Taux de réussite élevé de l’assemblage avec réduction des coûts
Les broches des composants QFP et PLCC traditionnels sont réparties uniformément autour des boîtiers, avec un pas de broche de 1,27 mm, 1,0 mm, 0,8 mm, 0,65 mm ou 0,5 mm. Lorsque le nombre d’E/S augmente, le pas de broche doit nécessairement être réduit. Quand le pas est inférieur à 0,4 mm, la précision des équipements SMT ne parvient pas à répondre aux exigences correspondantes. De plus, les broches ont tendance à se déformer facilement, ce qui entraîne une augmentation du taux d’échec à l’assemblage.
Les composants de boîtier BGA, cependant, disposent les billes de soudure en matrice au bas du support et peuvent accueillir un nombre plus élevé d’E/S. L’entraxe standard des billes de soudure est de 1,5 mm, 1,27 mm et 1,0 mm. Les BGA à pas fin présentent un pas de 0,8 mm, 0,65 mm et 0,5 mm, compatibles avec les équipements SMT.
D’autres propriétés de l’emballage BGA incluent :
• La zone de contact entre les billes de soudure BGA et la base est large et courte, ce qui est bénéfique pour la dissipation thermique.
• Les boîtiers BGA présentent des connexions plus courtes, ce qui réduit le trajet de transmission du signal, diminue l’inductance et la résistance des connexions et optimise les performances du circuit.
• Le BGA peut évidemment améliorer la coplanarité de l’extrémité d’E/S, réduisant considérablement les pertes dues à une mauvaise coplanarité pendant le processus d’assemblage.
• Les travaux BGA conviennent aux boîtiers MCM et peuvent permettre une haute densité et de hautes performances des MCM.
• Les boîtiers BGA et les boîtiers BGA à pas fin sont tous deux plus fiables que les circuits intégrés à pattes à pas fin.
Classifications et structures des boîtiers BGA
Les boîtiers BGA existent en de nombreux types, dont la structure est principalement carrée et rectangulaire. Selon le mode de répartition des billes de soudure, les BGA peuvent être classés en périphériques, en matrice et en réseau complet. Selon le matériau du substrat, les BGA peuvent être classés en PBGA (plastic ball grid array), CBGA (ceramic ball grid array) et TBGA (tape ball grid array).
• Conditionnement PBGA
Le PBGA utilise une résine BT ou un stratifié en verre comme base et du plastique comme matériau de scellement, avec une brasure eutectique 63Sn37Pb comme matériau des billes de soudure. La connexion entre la bille de soudure et le boîtier ne nécessite pas de brasure supplémentaire. Certains boîtiers PBGA sont de structure à cavité, classés en cavité orientée vers le haut et cavité orientée vers le bas. Les PBGA à structure à cavité sont conçus pour renforcer leur dissipation thermique, ils sont donc également appelés EBGA.
Le PBGA présente les avantages suivants :
a. Meilleure compatibilité thermique avec la carte PCB
b. Meilleur alignement entre les billes de soudure et les pastilles
c. Coût inférieur
d. Excellentes performances électriques
• Conditionnement CBGA
Le CBGA possède la plus longue histoire parmi tous les types de BGA. Doté d’une base en céramique multicouche, le CBGA utilise un couvercle métallique pour souder les composants BGA sur la base afin de protéger les puces, les connexions et les pastilles. Le matériau des billes de soudure est un alliage eutectique à haute température 10Sn90Pb et la connexion entre les billes de soudure et le boîtier repose sur un alliage eutectique à basse température 63Sn37Pb.
Les avantages du boîtier CBGA incluent :
a. Meilleure étanchéité à l’air et résistance accrue à l’humidité, garantissant une fiabilité élevée et durable
b. Meilleure isolation électrique que le PBGA
c. Densité d’emballage plus élevée que le PBGA
d. Dissipation thermique plus élevée que le PBGA
Inconvénients du boîtier CBGA comprennent :
a. En raison de la grande différence entre la base céramique et la carte PCB en termes de CTE (coefficient de dilatation thermique), le CBGA présente une faible compatibilité thermique et a tendance à tomber en panne en raison de la fatigue des joints de soudure.
b. Coût plus élevé que le PBGA
c. Difficulté d’alignement plus élevée des billes de soudure au bord du boîtier.
• Emballage CCGA
Le CCGA, forme abrégée de « ceramic column grid array », est une version améliorée du CBGA. La différence entre le CCGA et le CBGA réside dans le fait que le CCGA utilise des colonnes de soudure d’un diamètre de 0,5 mm et d’une hauteur de 1,25 mm à 2,2 mm pour remplacer les billes de soudure d’un diamètre de 0,87 mm, de sorte que les joints de soudure du CCGA sont plus aptes à résister à la fatigue des joints de soudure.
• Emballage TBGA
Le TBGA est une structure à cavité avec deux types d’interconnexion entre les puces et le substrat : le brasage inversé et le bonding par fils.
Les avantages du TBGA comprennent :
a. Meilleure compatibilité thermique entre le ruban et la carte PCB
b. L’auto-alignement des billes de soudure peut être utilisé par le TBGA, c’est-à-dire la tension de surface des billes de soudure pour satisfaire l’exigence d’alignement entre les billes de soudure et les pastilles.
c. Coût le plus bas parmi tous les boîtiers BGA
d. Meilleure dissipation thermique que le PBGA
Inconvénients du TBGA comprennent :
a. Sensible à l’humidité
b. La combinaison multicatégorie de différents matériaux nuit à la maintenance de la fiabilité.
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Ressources utiles
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•Facteurs influençant la qualité de l’assemblage BGA
•Problèmes de billes de soudure des composants BGA et comment les éviter
