เทคโนโลยีการติดตั้งแบบผิวหน้า (SMT) มีบทบาทสำคัญในการผลักดันให้ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์มีขนาดเล็กลงและมีน้ำหนักเบา ในด้านของแพ็กเกจอิเล็กทรอนิกส์ที่มีจำนวนขาสูง เคยมี QFP (quad flat packages) เป็นเทคโนโลยีหลัก ซึ่งเป็นแพ็กเกจวงจรรวม (IC) แบบติดตั้งบนพื้นผิวที่มีขาแบบ “ปีกนกนางนวล” ยื่นออกมาจากทั้งสี่ด้าน อย่างไรก็ตาม ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์แบบรวมและเทคโนโลยีไมโครแฟบริเคชัน จำนวนเกตของ IC และจำนวนขา I/O เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องตามการเพิ่มขึ้นของฟังก์ชันของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ ขณะที่ขนาดตัวผลิตภัณฑ์กลับเล็กลงอย่างต่อเนื่อง ดังนั้น การประยุกต์ใช้ QFP จึงไม่สามารถตอบสนองความต้องการด้านการพัฒนาของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ได้ แม้ว่าเทคโนโลยี QFP จะมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องและสามารถรองรับชิ้นส่วนที่มีระยะห่างระหว่างขาเล็กถึง 0.3 มม. ได้ แต่การลดลงของระยะห่างระหว่างขาก็ทำให้อัตราการผ่านของการประกอบลดลงในระดับหนึ่ง เพื่อแก้ไขปัญหานี้อย่างมีประสิทธิภาพ เทคโนโลยี BGA (ball grid array) จึงได้ถือกำเนิดขึ้นและได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางจากอุตสาหกรรม
BGA คืออะไร?
ในฐานะที่เป็นอุปกรณ์ติดตั้งบนพื้นผิว (SMD) ประเภทค่อนข้างใหม่ BGA มีขาเชื่อมต่อรูปทรงกลมที่จัดเรียงเป็นเมทริกซ์อยู่ด้านล่างของแพ็กเกจ คอมโพเนนต์ BGA สามารถมีระยะห่างระหว่างขาที่กว้างและจำนวนขาที่มาก นอกจากนี้ คอมโพเนนต์ BGA ยังสามารถประกอบลงบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ได้ผ่านการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิว (SMT)
โครงสร้างและคุณสมบัติของ BGA
ในฐานะที่เป็น SMD ประเภทใหม่ BGA พัฒนามาจาก PGA (pin grid array) โดยทั่วไปประกอบด้วยโพรงแกนกลาง ฐาน ขา ฝาครอบ และขาแบบทรงกลม คุณสมบัติของ BGA ได้แก่:
• จำนวนพินที่มากกว่าภายในขนาดแพ็กเกจเดียวกันของ SMD นั้น BGA สามารถมีจำนวนขามากกว่า โดยทั่วไปแล้ว คอมโพเนนต์แบบ BGA จะมีขาเป็นลูกบอลมากกว่า 400 ขา ตัวอย่างเช่น BGA ที่มีพื้นที่ 32 มม. * 32 มม. สามารถมีขาได้มากถึง 576 ขา ในขณะที่ QFP ที่มีพื้นที่เท่ากันสามารถมีได้เพียง 184 ขาเท่านั้น
• พื้นที่ประกอบขนาดเล็กด้วยจำนวนพินที่มีอยู่ ทำให้ BGA ใช้พื้นที่ประกอบที่เล็กกว่า ตัวอย่างเช่น เมื่อเปรียบเทียบ QFP ที่มีพิน 304 ขากับ BGA ที่มีพิน 313 ขา แม้ว่าแบบหลังจะมีจำนวนพินมากกว่า แต่กลับใช้พื้นที่น้อยกว่าประมาณหนึ่งในสาม
• ความสูงของชุดประกอบส่วนล่าง. ความสูงของการประกอบ BGA จะต่ำกว่าผลรวมของความหนาแพ็กเกจและความสูงของลูกบอลบัดกรี ตัวอย่างเช่น ความสูงของ QFP ที่มี 208 ขา หรือ 304 ขา คือ 3.78 มม. ในขณะที่ความสูงของ BGA ที่มี 225 หรือ 313 ขา มีเพียง 2.13 มม. นอกจากนี้ ความสูงของการประกอบ BGA จะลดลงหลังการบัดกรี เนื่องจากลูกบอลบัดกรีจะหลอมละลายระหว่างกระบวนการบัดกรี
• ระยะห่างขาพินที่กว้างขึ้นตามมาตรฐานทางกายภาพสำหรับ BGA ที่ออกโดย JEDEC ระยะห่างระหว่างขา (pin pitch) ระหว่างลูกบอลบัดกรีใน BGA ควรเป็น: 1.5 มม., 1.27 มม. หรือ 1.0 มม. โดยที่เมื่อใช้ขนาดแพ็กเกจและจำนวนขาเท่ากัน ระยะห่างขาของ QFP คือ 0.5 มม. ในขณะที่ของ BGA คือ 1.5 มม.
• การกระจายความร้อนได้อย่างยอดเยี่ยมอุณหภูมิของวงจรแพ็กเกจ BGA ใกล้เคียงกับอุณหภูมิของสภาพแวดล้อม และอุณหภูมิการทำงานของชิปจะต่ำกว่าสมาชิ้นส่วน SMD อื่น ๆ ทั้งหมด
• ความเข้ากันได้กับ SMTแพ็กเกจ BGA เข้ากันได้กับกระบวนการ SMT มาตรฐาน นอกจากนี้ เนื่องจากคอมโพเนนต์แบบ BGA มีระยะห่างระหว่างขาพินที่กว้างกว่าและมีความราบเรียบของผิวหน้าที่ดีเยี่ยม ขาจึงไม่ประสบปัญหาการงอ และเทคโนโลยีการประกอบที่เกี่ยวข้องก็ง่ายกว่าการประกอบ SMD แบบอื่นที่มีขา
• ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่ดียิ่งขึ้นเนื่องจากชิ้นส่วน BGA มีขาพินที่สั้นกว่าและมีความแข็งแรงของการประกอบสูงกว่า จึงมีประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่ดีกว่า ซึ่งเป็นจริงอย่างยิ่งเมื่อถูกนำไปใช้ในช่วงความถี่ที่สูงขึ้น
• ต้นทุนการผลิตที่ต่ำลงเนื่องจากแพ็กเกจ BGA ใช้พื้นที่ประกอบน้อยกว่าและมีความหนาแน่นในการประกอบสูงกว่า ต้นทุนการผลิตจึงจะลดลง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อปริมาณการผลิตแพ็กเกจ BGA เพิ่มขึ้นและได้รับการใช้งานอย่างแพร่หลายมากขึ้น การลดต้นทุนการผลิตจะยิ่งเห็นได้ชัดเจน
• ความน่าเชื่อถือที่สูงขึ้นและข้อบกพร่องด้านคุณภาพที่น้อยลงเนื่องจากลูกบอลบัดกรีบนแพ็กเกจ BGA ทำหน้าที่ในการบัดกรี เมื่อลูกบอลบัดกรีหลอมละลายจะจัดเรียงตัวเองโดยอัตโนมัติเนื่องจากแรงตึงผิว แม้ว่าจะเกิดความคลาดเคลื่อนระหว่างลูกบอลบัดกรีกับแผ่นรองได้ถึง 50% ก็ยังสามารถได้ผลลัพธ์การบัดกรีที่ยอดเยี่ยม
แม้ว่าบรรจุภัณฑ์แบบ BGA จะมีข้อดีที่ชัดเจนอยู่บ้าง แต่ก็ยังมีข้อเสียบางประการที่จะแสดงออกมาในระหว่างการประกอบ SMT รวมถึง:
• ข้อต่อบัดกรีตรวจสอบได้ยากการตรวจสอบรอยบัดกรีต้องใช้เครื่องเอกซเรย์สำหรับการตรวจสอบ ซึ่งทำให้มีต้นทุนสูงขึ้น
• ต้องเอาชนะความยากลำบากให้ได้มากขึ้นในการทำรีเวิร์ก BGAเนื่องจากชิ้นส่วนแบบ BGA ถูกประกอบลงบนแผงวงจรผ่านลูกบอลประสานที่กระจายตัวเป็นตาราง การทำรีเวิร์กจึงทำได้ยากขึ้น
• แพ็กเกจ BGA บางส่วนมีความไวต่อความชื้นมากจนจำเป็นต้องทำการลดความชื้นก่อนนำไปใช้งาน.
การเปรียบเทียบระหว่าง QFP และ BGA
ในส่วนนี้ จะมีการเปรียบเทียบ QFP และ BGA ผ่านตารางสองสามตารางในด้านความหนาแน่นของการเชื่อมต่อ ระยะห่างระหว่างขา จำนวนขา และอัตราข้อบกพร่องในการประกอบ
ตารางที่ 1 การเปรียบเทียบความหนาแน่นของการเชื่อมต่อระหว่าง QFP และ BGA
|
ขนาดคอมโพเนนต์ (QFP/BGA)
|
ระยะห่างขา (QFP/BGA)
|
จำนวนขาในแต่ละด้าน (QFP/BGA)
|
จำนวนขาโดยรวม (QFP/BGA)
|
| 14/13 |
0.65/1.27 |
20/10 |
80/100 |
| 28/27 |
0.65/1.27 |
12/21 |
144/441 |
| 32/31 |
0.65/1.27 |
46/24 |
184/576 |
| 40/40 |
0.65/1.27 |
58/31 |
232/961 |
ตารางที่ 2 การเปรียบเทียบระยะห่างขาและจำนวนขาระหว่าง QFP และ BGA
|
|
PQFP
|
CQFP
|
BGA
|
| วัสดุ |
พลาสติก |
เซรามิก |
เซรามิก, พลาสติก, เทป |
| ขนาด (มม.) |
12-30 |
20-40 |
12-44 |
| ระยะห่างขา (มม.) |
0.3, 0.4, 0.5 |
0.4, 0.5 |
1.27, 1.5 |
| อินพุต/เอาต์พุต |
80-370 |
144-376 |
72-1089 |
ตารางที่ 3 การเปรียบเทียบอัตราข้อบกพร่องในการประกอบระหว่าง QFP และ BGA
|
|
QFP
|
BGA
|
| ระยะห่างขา (มม.) |
0.5, 0.4, 0.3 |
1.27 |
| อุตสาหกรรม (ppm) |
200, 600 |
0.5-3 |
| IBM (ppm) |
75, 600 |
0.5-3 |
| IBM (เพียงเชื่อมช่องว่างของข้อบกพร่อง) (ppm) |
<10, <25, <30 |
<1 |
ตารางที่ 4 การเปรียบเทียบโครงสร้างขาเชื่อมต่อระหว่าง QFP และ BGA (หมายเหตุ: √ - ดีเยี่ยม; Ο - ดี; Δ - ปกติ)
|
|
ปีกนก
|
รูปตัว J
|
ทรงตัว I
|
BGA
|
| ความสามารถในการปรับให้เข้ากับลีดหลายราย |
Ο |
Δ |
Δ |
√ |
| ความหนาของบรรจุภัณฑ์ |
Ο |
Δ |
Δ |
√ |
| ความแข็งตัวของสายลีด |
Δ |
โอ |
Δ |
√ |
| ความสามารถในการปรับใช้วิธีการบัดกรีหลายรูปแบบ |
√ |
Δ |
Δ |
Δ |
| ความสามารถในการจัดแนวตัวเองระหว่างการบัดกรีแบบรีโฟลว์ |
Ο |
Δ |
Δ |
√ |
| ความสามารถในการตรวจสอบหลังการบัดกรี |
Δ |
Ο |
Δ |
Δ |
| ความยากในการทำความสะอาด |
Δ |
Ο |
√ |
Δ |
| การใช้พื้นที่อย่างมีประสิทธิภาพ |
Δ |
Ο |
Δ |
√ |
การเปรียบเทียบระหว่าง QFP และ BGA
เมื่อเปรียบเทียบกับการประกอบ SMT แบบดั้งเดิมเทคโนโลยีการประกอบแบบ BGA มีความง่ายกว่าเนื่องจากระยะห่างระหว่างขาพินที่กว้างและความราบเรียบของขาพินที่ยอดเยี่ยม ข้อกำหนดในการประกอบ BGA จะถูกกล่าวถึงด้านล่างในส่วนนี้
• หลักการป้องกันความชื้นสำหรับ BGA
ชิ้นส่วน BGA บางชนิดมีความไวต่อความชื้นอย่างมาก เนื่องจากเรซินอีพ็อกซีในกาวภายในห้องแกนกลางของ BGA มีแนวโน้มดูดซับความชื้นในชีวิตประจำวัน ซึ่งต่อมาจะระเหยกลายเป็นไอและก่อให้เกิดความเค้นสูงภายในเรซินอีพ็อกซี ไอน้ำจะทำให้เกิดฟองอากาศที่ฐานด้านล่าง ส่งผลให้เกิดรอยร้าวระหว่างห้องแกนกลางกับฐาน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องทำการอบไล่ความชื้นก่อนนำชิ้นส่วน BGA ไปใช้งาน
ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่องและความตระหนักที่เพิ่มขึ้นของผู้คนเกี่ยวกับการอบไล่ความชื้น ทำให้แพ็กเกจ BGA บางชนิดมีระดับความไวต่อความชื้นที่ผ่านเกณฑ์ และสามารถวางไว้ในสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิ 30°C และความชื้นสัมพัทธ์ 60% เป็นเวลา 48 ชั่วโมงได้โดยไม่เกิดรอยร้าวระหว่างการบัดกรี ชิ้นส่วน BGA บางชนิด เช่น CBGA (ceramic ball grid array) ไม่ไวต่อความชื้นอีกต่อไป ดังนั้น ขั้นตอนการอบไล่ความชื้นจึงควรดำเนินการกับ BGA ตามประเภทของมัน อุณหภูมิและความชื้นของสภาพแวดล้อม นอกจากนี้ การอบไล่ความชื้นต้องดำเนินการตามคำแนะนำของผู้ผลิตแพ็กเกจและอายุการเก็บรักษา
• การเคลือบและการพิมพ์ลูกบอลบัดกรี BGA
ลูกบอลบัดกรี BGA โดยทั่วไปมีความสูง 25 มม.*0.0254 มม. และมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 30 มม.*0.0254 มม. ชนิดต่าง ๆ ของชิ้นส่วน BGA จะมีส่วนผสมของโลหะผสมที่แตกต่างกัน โดยทั่วไปแล้ว TBGA, CBGA และ CGA จะใช้บัดกรีจุดหลอมเหลวสูง ในขณะที่ BGA ส่วนใหญ่ใช้บัดกรีจุดหลอมเหลวต่ำ ลูกบอลบัดกรีอุณหภูมิสูงถูกใช้หลัก ๆ เพื่อป้องกันไม่ให้ลูกบอลบัดกรียุบตัวมากเกินไป การเคลือบและการพิมพ์ลูกบอลบัดกรี BGA หมายถึงกระบวนการที่ฟลักซ์หรือครีมบัดกรีถูกเคลือบลงบนลูกบอลบัดกรีซึ่งจะถูกยึดติดกับแผ่น PCB โดยมีจุดมุ่งหมายเพื่อกำจัดออกไซด์บนแผ่นรองบัดกรี และทำให้เกิดการเชื่อมต่อที่ดีระหว่างลูกบอลบัดกรีกับ PCB ผ่านการหลอมของบัดกรี
• การติดตั้ง BGA
ด้วยระยะห่างระหว่างขาพินที่กว้างขึ้น ทำให้สามารถติดตั้งชิ้นส่วน BGA ลงบนแผ่น PCB ได้ง่ายขึ้น จนถึงปัจจุบัน เครื่องติดตั้งขั้นสูงบางรุ่นสามารถติดตั้งชิ้นส่วน BGA ได้ นอกจากนี้ เนื่องจากชิ้นส่วน BGA สามารถจัดแนวตัวเองได้ และถึงแม้จะมีความคลาดเคลื่อนถึง 50% ก็ยังสามารถติดตั้งได้ ความแม่นยำในการติดตั้งจึงไม่จำเป็นต้องถูกควบคุมอย่างเข้มงวด
• การบัดกรีแบบรีโฟลว์ของ BGA
ในเตาอบบัดกรีแบบรีโฟลว์ BGA จะถูกให้ความร้อนพร้อมกับลูกบอลประสานหรือครีมประสานที่หลอมละลายเพื่อสร้างการเชื่อมต่อ เพื่อให้ได้การเชื่อมต่อที่ยอดเยี่ยม จำเป็นต้องปรับให้เหมาะสมเส้นโค้งอุณหภูมิภายในเตาอบ และวิธีการปรับให้เหมาะสมนั้นเทียบเท่ากับของ SMD อื่น ๆ ควรสังเกตว่าควรทราบส่วนผสมของลูกบอลประสานเพื่อกำหนดเส้นโค้งอุณหภูมิของการบัดกรีแบบรีโฟลว์
• การตรวจสอบ BGA
การตรวจสอบ BGA ครอบคลุมการตรวจสอบคุณภาพการบัดกรีและการตรวจสอบการทำงาน ส่วนแรกหมายถึงการตรวจสอบคุณภาพการบัดกรีของลูกบอลบัดกรีและแผ่นรอง PCB รูปแบบการจัดเรียงของ BGA ทำให้การตรวจสอบด้วยสายตาทำได้ยากขึ้น จึงจำเป็นต้องใช้การตรวจสอบด้วยเอ็กซเรย์ การตรวจสอบการทำงานควรดำเนินการบนอุปกรณ์ออนไลน์ ซึ่งเทียบเท่ากับการทดสอบ SMD ที่ใช้แพ็กเกจประเภทอื่น ๆ
• การซ่อมบำรุง BGA
เช่นเดียวกับการตรวจสอบ BGA การทำรีเวิร์กบน BGA นั้นมีความยากในระดับเดียวกันและจำเป็นต้องใช้เครื่องมือและอุปกรณ์รีเวิร์กแบบมืออาชีพ ในกระบวนการรีเวิร์ก จำเป็นต้องถอด BGA ที่เสียหายออกก่อน จากนั้นจึงทำการปรับแต่งแผ่นรอง PCB โดยเคลือบฟลักซ์ลงไป BGA ใหม่จำเป็นต้องผ่านการเตรียมสภาพล่วงหน้าและต้องทำการบัดกรีทันที
รับบริการประกอบ BGA SMT แบบครบวงจรจาก PCBCart ในราคาที่แข่งขันได้
PCBCart ให้บริการประกอบ BGA SMT แบบครบวงจร รวมถึงการยืนยัน BOM, การจัดซื้อ BGA, การตรวจสอบคุณภาพ BGA, การจัดเก็บ BGA, การประกอบ BGA SMT, AOI และ AXIระยะพิชช์ BGA ที่เล็กที่สุดซึ่งโรงงานผลิตของ PCBCart สามารถรองรับได้คือ 0.35 มม. หากต้องการใบเสนอราคาที่รวดเร็วและเป็นมืออาชีพสำหรับการประกอบ BGA SMT โปรดคลิกปุ่มด้านล่าง เราจะเสนอราคา PCBA ให้ภายใน 1-2 วันทำการ
คำขอใบเสนอราคาสำหรับการประกอบ BGA SMT
แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•บริการจัดหาชิ้นส่วน BGA จาก PCBCart พร้อมการรับประกันคุณภาพ
•บริการผลิตแผงวงจรพิมพ์ครบวงจรจาก PCBCart
•บริการประกอบแผงวงจรพิมพ์แบบเทิร์นคีย์ขั้นสูงจาก PCBCart
•ปัจจัยที่มีผลต่อคุณภาพของการประกอบ BGA
•ปัญหาลูกบอลบัดกรีของชิ้นส่วน BGA และวิธีหลีกเลี่ยง
