L’era moderna dell’informazione ha visto un rapido sviluppo dell’industria elettronica, che ha reso prodotti elettronici come computer e telefoni cellulari sempre più diffusi. Le persone iniziano ad avere esigenze in costante aumento in termini di funzioni e prestazioni dei prodotti elettronici, mentre richiedono al contempo una costante riduzione di volume e peso. Fino ad oggi, multifunzionalità, leggerezza e miniaturizzazione sono diventate la principale tendenza di sviluppo dei moderni prodotti elettronici. Per raggiungere questo obiettivo, la dimensione delle caratteristiche dei chip IC (circuiti integrati) deve essere ridotta, mentre il loro livello di complessità continua ad aumentare. Di conseguenza, il numero di I/O inizia a crescere e anche la densità di I/O del packaging aumenta. Per essere compatibili con tali esigenze di sviluppo, sono nate alcune tecnologie avanzate di packaging ad alta densità, tra le quali il BGA (ball grid array) rappresenta una tipologia primaria, poiché offre vantaggi più significativi rispetto ad altre forme di packaging in termini di leggerezza, miniaturizzazione e alte prestazioni.
L’avvento del package BGA risale già all’inizio degli anni ’90 ed è diventato una tecnologia di packaging ad alta densità ormai matura. La tecnologia di packaging BGA è stata ampiamente applicata come soluzione di incapsulamento in chip per PC, microprocessori, ASIC, array, memorie, DSP, PDA, PLD ecc.
Proprietà del packaging BGA
Il package BGA realizza il collegamento elettrico tra il terminale di I/O del circuito e il PCB (printed circuit board) tramite una matrice di sfere di saldatura poste sotto la base del package. I componenti con tecnologia di packaging BGA sono un tipo di SMD (Surface Mount Devices). Rispetto ai tradizionali dispositivi con terminali, come QFP, PLCC ecc., i componenti con packaging BGA presentano le seguenti caratteristiche:
• Alto numero di I/O
Il numero di I/O è determinato dalle dimensioni del dispositivo e dal passo delle sferette di saldatura. Poiché le sferette di saldatura nel packaging BGA sono distribuite come una matrice sul lato inferiore del supporto, il package BGA può aumentare notevolmente il numero di I/O dei componenti, ridurre le dimensioni del package e risparmiare spazio di assemblaggio. In generale, il volume del corpo del package può risparmiare almeno il 30% di spazio quando si applica la tecnologia di packaging BGA in condizioni di equivalenza dei terminali.
• Elevato tasso di successo di assemblaggio con costi ridotti
I terminali dei componenti QFP e PLCC tradizionali sono distribuiti uniformemente intorno ai package, con un passo dei terminali pari a 1,27 mm, 1,0 mm, 0,8 mm, 0,65 mm o 0,5 mm. Con l’aumento del numero di I/O, il passo dei terminali deve necessariamente ridursi. Quando il passo è inferiore a 0,4 mm, la precisione delle apparecchiature SMT non riesce a soddisfare le relative esigenze. Inoltre, i terminali tendono a deformarsi facilmente, con conseguente aumento del tasso di difetti di assemblaggio.
I componenti di packaging BGA, tuttavia, dispongono le sfere di saldatura in una matrice sul lato inferiore della base e possono supportare un numero più elevato di I/O. Il passo standard delle sfere di saldatura è 1,5 mm, 1,27 mm e 1,0 mm. I BGA a passo fine presentano un passo di 0,8 mm, 0,65 mm e 0,5 mm, compatibile con le apparecchiature SMT.
Altre proprietà del packaging BGA includono:
• L'area di contatto tra le sfere di saldatura BGA e la base è ampia e corta, favorendo la dissipazione termica.
• Il BGA presenta terminali più corti, accorciando il percorso di trasmissione del segnale, riducendo l’induttanza e la resistenza dei terminali e ottimizzando le prestazioni del circuito.
• Il BGA può ovviamente migliorare la co-planarità dell’estremità di I/O, riducendo drasticamente le perdite dovute alla scarsa co-planarità durante il processo di assemblaggio.
• I lavori BGA sono adatti ai package MCM e possono realizzare un’elevata densità e alte prestazioni dell’MCM.
• Sia i BGA che i BGA a passo fine sono più affidabili dei circuiti integrati con terminali a passo fine.
Classificazioni e strutture del packaging BGA
Il BGA è disponibile in numerosi tipi di package con una struttura per lo più quadrata e rettangolare. In base alla disposizione delle sfere di saldatura, i BGA possono essere classificati in periferici, a matrice e a matrice completa. In base al diverso materiale del supporto, i BGA possono essere classificati in PBGA (plastic ball grid array), CBGA (ceramic ball grid array) e TBGA (tape ball grid array).
• Confezionamento PBGA
Il PBGA utilizza resina BT o laminato in vetro come base e plastica come materiale di sigillatura, con lega eutettica 63Sn37Pb come materiale delle sfere di saldatura. Il collegamento tra la sfera di saldatura e il package non richiede saldatura aggiuntiva. Alcuni package PBGA sono realizzati con strutture a cavità, classificate in cavità verso l’alto e cavità verso il basso. I PBGA con struttura a cavità sono progettati per migliorare la dissipazione termica, perciò sono anche chiamati EBGA.
PBGA presenta i seguenti vantaggi:
a. Migliore compatibilità termica con la scheda PCB
b. Maggiore allineamento tra le sfere di saldatura e i pad
c. Costi inferiori
d. Eccellenti prestazioni elettriche
• Imballaggio CBGA
Tra tutti i tipi di BGA, il CBGA è quello con la storia più lunga. Utilizzando come base una ceramica multistrato, il CBGA sfrutta una piastra di copertura metallica per saldare i componenti BGA sulla base, in modo da proteggere chip, terminali e piazzole. Il materiale delle sfere di saldatura è una lega eutettica ad alta temperatura 10Sn90Pb e il collegamento tra le sfere di saldatura e il package si basa su una lega eutettica a bassa temperatura 63Sn37Pb.
I vantaggi del package CBGA includono:
a. Migliore tenuta all’aria e maggiore resistenza all’umidità, che garantiscono affidabilità elevata e a lungo termine
b. Isolamento elettrico migliore rispetto al PBGA
c. Densità di integrazione del packaging superiore rispetto al PBGA
d. Maggiore dissipazione termica rispetto al PBGA
Gli svantaggi del package CBGA includono:
a. A causa della grande differenza tra il substrato ceramico e il circuito stampato (PCB) in termini di CTE (coefficiente di dilatazione termica), il CBGA presenta una bassa compatibilità termica e tende a guastarsi a causa dell’affaticamento dei giunti di saldatura.
b. Costo più elevato rispetto al PBGA
c. Maggiore difficoltà di allineamento delle sferette di saldatura sul bordo del package.
• Imballaggio CCGA
CCGA, forma abbreviata di ceramic column grid array, è una versione migliorata del CBGA. La differenza tra CCGA e CBGA è che il CCGA sfrutta colonne di saldatura con un diametro di 0,5 mm e un’altezza compresa tra 1,25 mm e 2,2 mm per sostituire le sfere di saldatura con un diametro di 0,87 mm, in modo che i giunti di saldatura del CCGA siano più in grado di contrastare l’affaticamento dei giunti di saldatura.
• Confezionamento TBGA
TBGA è una struttura a cavità con due tipi di interconnessione tra chip e base: saldatura invertita e collegamento a filo.
I vantaggi del TBGA includono:
a. Migliore compatibilità termica tra il nastro e la scheda PCB
b. L'autoallineamento delle sferette di saldatura può essere utilizzato dal TBGA, cioè la tensione superficiale delle sferette di saldatura per soddisfare il requisito di allineamento tra le sferette di saldatura e i pad.
c. Costo più basso tra tutti i package BGA
d. Migliore dissipazione termica rispetto al PBGA
Gli svantaggi del TBGA includono:
a. Sensibile all'umidità
b. La combinazione multiclasse di materiali diversi è negativa per la manutenzione dell’affidabilità.
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Risorse utili
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•Fattori che influenzano la qualità dell’assemblaggio BGA
•Problemi delle sfere di saldatura dei componenti BGA e come evitarli
