La tecnologia a foro passante (THT), che ha iniziato a fiorire con i circuiti integrati (IC) negli anni ’60, è stata gradualmente sostituita dalla prima generazione di SMT (surface mount technology), che è apparsa sulla scena già negli anni ’80 insieme al rapido sviluppo degli LSI nella fase finale degli anni ’70. I package periferici sono diventati il flusso principale dei package elettronici, con il QFP (quad flat package) come esempio. Gli anni ’90 hanno visto il passo fine dei QFP, portando la tecnologia di assemblaggio delle schede ad affrontare numerose sfide. Nonostante l’avvento della tecnologia a passo fine (FPT), l’assemblaggio di circuiti a livello di scheda con passo inferiore a 0,4 mm presenta ancora molte problematiche tecniche che devono essere affrontate. Come soluzione ottimale, nella prima metà degli anni ’90 è stata introdotta la seconda generazione di SMT, cioè il package BGA (ball grid array). Successivamente, il chip-scale package (CSP) è diventato il centro dell’attenzione negli anni ’90. In particolare, quando viene utilizzata la tecnologia flip chip (FC), il PBGA (plastic ball grid array) inizia a essere impiegato nei supercomputer e nelle workstation e diventa gradualmente pratico. La terza generazione di SMT è l’assemblaggio diretto del chip (DCA), che viene applicato solo in campi speciali a causa di limitazioni in termini di affidabilità, costo e KGD ecc. Negli ultimi anni si è assistito all’ingresso del wafer level packaging (WLP) e delle tecnologie FC avanzate nella terza generazione di SMT, compatibili con i requisiti dei semiconduttori a molti pin e ad alte prestazioni. Pertanto, si può concludere che i package IC nel 21stil secolo si svilupperà verso tendenze di alta densità, passo fine, elevata flessibilità, alta affidabilità e diversità. Di conseguenza, è di grande importanza essere consapevoli della differenza tra QFP e BGA e della loro tendenza di sviluppo.
È ovvio che il PQFP presenti vantaggi competitivi nel mercato del packaging IC. Oggi, il packaging elettronico si sta orientando verso package BGA, CSP e QFP a passo ultra-fine grazie al loro elevato valore aggiunto. Con il costante aumento del numero di pin, se il numero di pin è superiore a 200 con una spaziatura tra i pin inferiore a 0,5 mm, la spaziatura tra i pin è di circa 0,3 mm per quanto riguarda i package con 300 pin. Quanto più piccola è la spaziatura tra i pin, tanto più la perdita di prodotto aumenterà in modo esponenziale. Man mano che la spaziatura tra i pin si riduce, il ponte di saldatura si verificherà più facilmente. Se la spaziatura tra i pin è di 0,3 mm, anche poche particelle con diametri inferiori a 15 μm daranno luogo alla formazione di palline di saldatura, che è una causa comune di ponti. Diventa ancora più importante controllare la dimensione delle particelle della pasta saldante. Una volta che la spaziatura tra i pin si riduce, è essenziale controllare la planarità dei terminali e la tolleranza di spaziatura. Per quanto riguarda il QFP, una dimensione (40 mm2), il numero di pin (360) e il passo (0,3 mm) hanno raggiunto un limite.
Ovviamente, il QFP è così facile da testare e rilavorare che tutti i terminali sul QFP possono essere visti.
• Confronto tra BGA e QFP
I tipici componenti BGA sono così resistenti che possono ancora essere utilizzati per l’assemblaggio anche se cadono accidentalmente sul pavimento, cosa che in una certa misura è impossibile per i PQFP. Il vantaggio essenziale dei package BGA risiede nella loro forma ad array e, in generale, i componenti BGA sono in grado di fornire più I/O nella stessa unità di area rispetto ai componenti QFP. Ogni volta che il numero di I/O supera 250, lo spazio occupato dai BGA è sempre inferiore a quello dei QFP. Poiché il BGA di solito presenta un passo maggiore rispetto al QFP, i componenti BGA sono più facili da montare, generando così un’efficienza relativamente elevata. Quando i difetti relativi al package vengono testati prima dell’assemblaggio, il tasso di guasto in assemblaggio può essere inferiore a 1 ppm. Fino ad ora, la sfida più grande affrontata dall’assemblaggio BGA riguarda i difetti associati ai package che probabilmente derivano da sfere di saldatura mancanti, sensibilità all’umidità, urti durante il trasporto e deformazioni eccessive durante la saldatura a rifusione. È possibile un’enorme deviazione in termini di dimensione delle sfere di saldatura, che è pari al doppio o al triplo della deviazione di volume tra le sfere di saldatura. Possono esistere sfere di saldatura a doppio strato nella posizione del giunto di saldatura e difetti legati alla metallizzazione, come una saldatura insufficiente tra le sfere di saldatura e il pad del componente. Grazie alla tecnica, l’assemblaggio BGA consente il più basso tasso di difetti (ppm).
La struttura dei package BGA presenta terminali più corti rispetto ai QFP con funzioni e prestazioni equivalenti, il che conferisce ai package BGA un’eccellente performance elettrica. Tuttavia, il maggiore difetto della struttura BGA risiede nel suo costo. Il BGA presenta un costo più elevato rispetto al QFP per quanto riguarda il circuito stampato multistrato e il costo della resina correlato al substrato che supporta i componenti. I supporti in resina BT, ceramica e resina poliimmidica contengono componenti di base più costosi, mentre il QFP utilizza resina plastica per stampaggio e un lead frame in lamina metallica a basso costo. Il supporto a matrice (array carrier) comporta un costo piuttosto elevato a causa dei circuiti a linee fini e della tecnologia di lavorazione chimica. Inoltre, confrontando i package QFP e BGA, è possibile utilizzare stampi di formatura e presse di stampaggio ad alta produttività con un numero inferiore di fasi di processo di packaging. Una volta avviata la produzione di massa, il costo dei package BGA si ridurrà, ma non potrà scendere fino al livello di quello dei QFP.
Per quanto riguarda il costo dei package BGA, il package BGA con un numero adeguato di pin di I/O sarà il più diffuso. Questo tipo di package contiene tutti i circuiti sul lato del supporto del package e non presenta fori passanti regolamentati. Pertanto, il package BGA deve sostenere un costo aggiuntivo. Tuttavia, l’efficienza di assemblaggio estremamente elevata dei package BGA può in parte compensare il loro svantaggio di alto costo. Dal punto di vista del valore economico, quando i pin di I/O sono meno di 200, il QFP è adatto. Quando i pin di I/O superano 200, il QFP non è più adatto e si possono utilizzare diversi tipi di package BGA, il che porta all’ampia gamma di applicazioni dei package BGA.
• Ispezione e rilavorazione di package BGA
L’ispezione e la rilavorazione BGA sono anche un tipo di tecnologia che sta gradualmente raggiungendo la maturità. Sebbene possa essere ispezionato, il BGA richiede apparecchiature ad alta precisione come il sistema di imaging a raggi X.
I componenti BGA nascondono le loro connessioni sotto i package, rendendo il rilavoro più difficile rispetto ai componenti con terminali alla periferia. Le principali problematiche relative al rilavoro dei BGA includono: danni alle parti rimovibili, danni alle parti di ricambio, surriscaldamento della scheda e dei componenti adiacenti, imbarcamento della scheda dovuto al riscaldamento locale e alla pulizia e produzione di alcune parti. Il rilavoro deve tenere conto dei seguenti aspetti: temperatura del chip, distribuzione della temperatura dei componenti durante il periodo di rilavoro e distribuzione della temperatura della scheda. Se è necessario acquistare tutti i dispositivi necessari, la stazione di rilavoro BGA sarà costosa per i seguenti motivi:
a. È impossibile modificare solo un difetto di cortocircuito o di circuito aperto e il rilavoro deve essere eseguito su tutti i difetti di assemblaggio del BGA.
b. Il rilavoro è più difficile da implementare rispetto al QFP, richiedendo un investimento aggiuntivo in attrezzature.
c. I componenti BGA dopo il rework non possono più essere utilizzati, mentre i componenti QFP sì.
Pertanto, la produzione di massa dei package BGA deriva dalla riduzione dei difetti di assemblaggio, garantendo un elevato tasso di conformità.
• Pulizia dei package BGA
Lo svantaggio più evidente dei package BGA risiede nella loro incapacità di rimuovere il flussante rimasto sul fondo dei package a matrice. Fino ad ora, la dimensione dei componenti BGA con un elevato numero di pin è di circa 45 mm². Pertanto, il problema della pulizia diventa molto significativo. La pulizia dei BGA richiede che tutto il flussante e la pasta saldante vengano completamente rimossi, poiché potrebbero causare guasti elettrici o dispersione di segnale verso massa nelle applicazioni ad alta potenza.
Si può prevedere che il PQFP con un numero di pin inferiore a 200 sarà la principale tecnologia di packaging. Quando il numero di pin supera 350, è impossibile che il QFP venga ampiamente applicato. Sono disponibili due tipi di tecnologie di packaging come concorrenti per componenti con pin di I/O da 200 a 300. Pertanto, la tecnologia di packaging QFP con passo inferiore a 0,5 mm sarà sicuramente sostituita dai package BGA.
PCBCart vanta oltre due decenni di esperienza nella produzione e nell’assemblaggio di circuiti stampati personalizzati per aziende di tutte le dimensioni, e possiede una vasta esperienza di collaborazione con Makers e OEM. Indipendentemente dalla tecnologia richiesta per il tuo progetto di assemblaggio PCB, possiamo assemblare i tuoi circuiti stampati esattamente come ti aspetti. Clicca il pulsante qui sotto per ottenere un preventivo gratuito per l’assemblaggio dei circuiti!
Richiesta di preventivo per l’assemblaggio PCB
Risorse utili
•Storia della tecnologia di packaging ad alta densità
•Introduzione alla tecnologia di packaging SMT
•Un'introduzione alla tecnologia di packaging BGA
•Una breve introduzione ai tipi di package BGA
•Fattori che influenzano la qualità dell’assemblaggio BGA
