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Substrat BGA : le guide ultime de la FAQ

Le choix d'un substrat BGA approprié nécessite des connaissances approfondies.

Dans ce guide, vous trouverez toutes les informations dont vous avez besoin sur le substrat BGA.

Alors, continuez à lire pour en savoir plus.

Qu'est-ce qu'un substrat BGA ?

Un substrat BGA est un support que vous utiliserez avec plusieurs versions de boîtiers BGA.

Les dispositifs complexes tels que les microprocesseurs nécessitent que le substrat BGA offre plusieurs broches d'interconnexion variables.

En outre, le processus de conception des broches et leurs intégrations dans le boîtier du substrat BGA peuvent être difficiles.

Substrat BGA
Substrat BGA

Quelle substance utiliserez-vous lors de la fabrication d'un substrat BGA ?

Les boîtiers BGA utilisent des substrats organiques et non des grilles de connexion dans leur construction.

Le matériau qui compose le substrat BGA peut être soit :

  • Polyimide
polyimide
polyimide
  • Bismaléimide
Bismaléimide
Bismaléimide

Pourquoi est-il nécessaire de concevoir automatiquement un substrat BGA ?

La plupart des dessins sur BGA substrats se produisent grâce à l'utilisation d'un dispositif automatique.

C'est pour les raisons suivantes :

  • La conception implique l'utilisation de nombreuses broches
  • Il est simple pour les systèmes informatisés de déterminer le chemin le plus court pour chaque broche

En outre, le processus automatique se déroule via le logiciel de conception EDA.

De plus, il existe une certaine forme d'interaction humaine pendant le processus d'édition des conceptions à haute densité.

Cependant, les conceptions de substrats BGA modernes se font principalement grâce à l'utilisation de logiciels et de systèmes informatiques.

Que devez-vous prendre en compte lors de la conception d'une conception de substrat BGA ?

Certaines considérations lors de la conception de substrats BGA impliquent ce qui suit :

  • Utiliser des fils plus courts
  • Intégralité du signal
  • Avions motorisés
  • Performances RF

Qu'est-ce que le pas de balle dans un substrat BGA ?

Le pas de la balle est la distance qui sépare les parties centrales d'une seule balle BGA de l'autre.

Par exemple, l'espace peut être aussi petit que 0.2 mm.

lancer de balle
lancer de balle

Quelles sont certaines caractéristiques d'un substrat BGA ?

Certaines des fonctionnalités que vous pouvez trouver impliquent ce qui suit :

  • Prend moins de place sur les planches
  • Faible inductance
  • Pas de présence de fils à plier
  • Le nombre élevé de prospects
  • Il se centre automatiquement lors des processus de refusion, minimisant ainsi les problèmes liés au placement lors du soudage en surface
  • Une faible inhibition thermique entre les cartes de circuits imprimés et les boîtiers BGA améliore le processus de refroidissement et empêche la surchauffe

Quels défis rencontrerez-vous lors du routage du substrat BGA ?

Le routage des substrats BGA présente des défis complexes qui méritent d'être pris en compte lors de la conception de vos cartes de circuits imprimés.

Certains de ces défis impliquent ce qui suit :

Fabrication

Certaines limitations et règles dépendent de la manière dont vous acheminez la connexion du substrat BGA entre elles et vers l'extérieur.

Certaines limitations en fonction de la capacité des fabricants incluent :

  1. Nombre de couches
  2. Taille des vias
  3. Angle de pas
  4. Type de trou de perçage, etc.

L'intégrité du signal

L'un des principaux problèmes d'intégrité du signal est le contrôle de l'impédance.

Cela a tendance à affecter les réflexions et la transmission.

Certains processus que vous pouvez utiliser pour contrôler l'impédance incluent les suivants :

  1. Utiliser la bonne épaisseur des diélectriques
  2. Faire correspondre les traces de largeur entre les lignes de retour et les lignes avant
  3. Installation de références planes entre les couches de signal

En outre, vous pouvez réduire efficacement la diaphonie lorsque vous installez des plans de masse ou de référence entre des traces de signal adjacentes.

Il est important de maintenir l'espace entre les traces lorsque les signaux proviennent de couches similaires.

Fiabilité

La fiabilité de votre circuit imprimé dépend de sa qualité de construction et de la manière dont vous synchronisez votre conception avec la capacité du fabricant.

Si vous ne parvenez pas à synchroniser la carte, vous pouvez avoir une carte dont les fonctionnalités sont limitées selon la conception.

De plus, la carte peut mal fonctionner une fois que vous commencez à l'utiliser.

Voici des exemples de problèmes matériels pouvant entraîner sa défaillance pendant le fonctionnement :

  1. Poids du cuivre
  2. Structure du grain de cuivre
  3. L'épaisseur du masque de soudure
  4. Contamination ionique
  5. Routage des traces
  6. Type de voie

Quels types de substrats pouvez-vous utiliser pour créer des packages BGA ?

Les boîtiers BGA sont de différents sous-types et cela dépend des matériaux et autres substrats qu'ils contiennent.

En outre, tous ces types utiliseront des joints de soudure qui relient les substrats du boîtier BGA à la carte de circuit imprimé.

Ces forfaits peuvent être trouvés dans les catégories suivantes :

  • Céramique BGA
Bande BGA
Bande BGA
  • Stratifié plastique BGA
en plastique stratifié BGA
en plastique stratifié BGA

La composition des soldats est importante lors du rebillage des différents types de substrats BGA.

Pour garantir des niveaux de conductivité appropriés, vous devez vous assurer d'équilibrer les métaux dans la soudure.

En outre, une structure de soudure appropriée garantit la durabilité du travail de rebillage.

Céramique BGA

Ce boîtier BGA utilisera un matériau de substrat en céramique.

Plusieurs variétés au sein de la céramique BGA impliquent LGA et CCGA.

Chaque broche en céramique BGA coûte plus cher que celles des boîtiers BGA en plastique.

Cependant, certaines applications nécessitent un BGA en céramique.

Par exemple, les appareils qui ont besoin de plus de broches sur les conceptions flip-chip utiliseront ce style de boîtier.

En outre, le plastique BGA n'est pas en mesure d'atteindre la densité de broches pour ces applications.

En outre, le BGA en céramique fonctionne favorablement avec les conceptions flip-chip.

Les billes de soudure contiennent 10% d'étain et 90% de plomb.

Cela améliore la fiabilité du BGA en céramique.

Cela aidera également à surmonter les différences de coefficient de dilatation thermique qui se produisent entre la carte de circuit imprimé et le substrat BGA.

En outre, vous pouvez également localiser le réseau de grilles de colonnes en céramique [CCGA].

Ce package BGA utilise deux fois plus de points de contact disponibles que le BGA de base.

De plus, les joints de soudure CGA durent presque trois fois plus que les BGA.

Stratifié plastique BGA

Ce type de BGA utilise du plastique comme matériau de substrat.

Les billes de soudure en plastique stratifié BGA occupent 63% d'étain et le plomb eutectique occupe 37%.

Le substrat BGA en plastique stratifié peut résister à des plages de température allant jusqu'à 150 °C.

Le choix du matériau pour le substrat BGA en plastique stratifié comprend les éléments suivants :

  1. Le polyimide est une forme de plastique stratifié
  2. Dry-clad qui est un stratifié à base d'époxy, propriété d'IBM
  3. Verre époxy bismaléimide triazine également connu sous le nom de verre époxy BT

En outre, vous pouvez inclure des conceptions flip-chip avec du plastique stratifié BGA pour améliorer la connectivité entre les cartes de circuits imprimés et le boîtier

Bande BGA

Ce BGA utilise des interconnexions flexibles qui forment des lignes fines dans les billes de soudure.

Par ailleurs, le ruban BGA est plus performant en matière thermique.

Un autre BGA lié au BGA à bande est le BGA en métal.

Cette version du boîtier BGA implique l'utilisation d'une conception de forme simple comprenant un substrat en aluminium.

La conception du BGA en métal offre le même résultat même s'il manque des couches flexibles de bandes que les BGA utilisent.

Pour connecter la base en aluminium au masque de soudure, le BGA métallique utilise des couches minces et des technologies de module de micropuce.

En outre, les performances thermiques et les performances électriques du ruban BGA et du métal BGA sont exceptionnelles.

Ensemble de type LGA

Ce type de package signifie land grid array.

En outre, LGA a conduit à l'introduction du boîtier de substrat BGA dans les années 90.

En effet, il utilise des billes de soudure qui relient le circuit imprimé et le boîtier.

Les LGA qui utilisent des prises ont des broches qui connecteront la carte de circuit imprimé à la prise.

Certains LGA contiennent des connexions directes à la carte de circuit imprimé via l'utilisation de soudure et non d'une prise.

Semblable au boîtier de substrat BGA, le boîtier de substrat LGA ne contient pas de billes, mais contient plutôt des contacts de soudure plats.

Paquet de type PoP

Le PoP représente un package sur package et représente des conceptions à double pile.

De plus, la puce supérieure contient la mémoire vive [RAM] tandis que la puce inférieure contient le CPU.

La conception du boîtier de type PoP permet de monter plusieurs boîtiers dans de petites configurations sur le PCB.

Flip-puce

Le placement de conception de cette version sera orienté vers le bas.

En outre, n'importe laquelle des surfaces de la puce retournée peut contenir des connexions à travers les joints de la bille de soudure.

L'avantage de cette conception est la courte distance et l'abaissement de l'inductance.

Le type de paquet QFN entre dans la catégorie des QFP sans plomb.

En effet, QFN représente un pack plat quadruple sans broches de fils.

Ensemble de type QFN

Cela signifie un pack plat quadruple.

Il s'agit d'une version d'une puce montée en surface qui utilisera les quatre côtés pour relayer le plomb.

De plus, comme il utilise les quatre côtés, il donne à ce package BGA son nom quadruple.

Ils comprennent des matériaux de substrat en céramique et en plastique.

Le QFP en céramique n'a pas de fils en forme d'aile de mouette alors que le QFP en plastique en contient.

Quelles précautions devez-vous suivre pour vous assurer d'effectuer un bon processus de soudure sur un substrat BGA ?

Il s'agit notamment de:

  • L'utilisation d'une chaleur suffisante garantit que toutes les billes de la grille fondent suffisamment pour former des liaisons solides sur tous les joints de soudure BGA.
  • La tension superficielle garantit que les billes restent en place jusqu'à ce que la soudure refroidisse et se solidifie.

Assurez-vous que la température est correcte pendant le soudage BGA pour assurer un joint de soudure solide et minimiser les courts-circuits

  • Assurez-vous que la composition de l'alliage de soudure et la température sont correctes afin que la soudure reste semi-solide et ne fonde pas.

Cela permet aux billes de la grille de rester dans des zones séparées.

Quelle méthode utiliserez-vous pour inspecter les joints de soudure dans un substrat BGA ?

Il est impossible d'utiliser des méthodes optiques pour inspecter les substrats BGA car les joints de soudure sont hors de vue sous les pièces BGA.

De plus, vous ne pouvez pas utiliser de tests électriques car ils sont moins fiables car ils montrent instantanément la conductivité électrique des substrats BGA.

Le test n'indique pas combien de temps durera la soudure car elle peut échouer à un moment donné.

Par conséquent, la méthode appropriée pour inspecter ces joints consiste à utiliser des tests aux rayons X.

En effet, les rayons X pénètrent dans les composants et vous permettent de voir les joints qui se cachent en dessous.

Pour cette raison, l'inspection automatique aux rayons X est la méthode la plus largement utilisée pour inspecter les substrats BGA.

Pouvez-vous retravailler un substrat BGA défectueux ?

Oui, vous pouvez réparer un substrat BGA défectueux lorsque vous constatez que des composants sont défectueux.

Pour effectuer cette tâche, vous commencez par appliquer de la chaleur sur le joint de soudure pour le faire fondre.

Ce processus se produit en chauffant localement la partie de substrat BGA défectueuse, provoquant la fusion de la soudure.

Pendant le processus de retouche, vous chaufferez le composant dans des unités de retouche spéciales.

Cette unité a les constituants suivants :

  • Radiateurs infrarouges
  • Thermocouple qui surveillera le niveau de température
  • Système de vide qui soulève les paquets BGA

En outre, assurez-vous de chauffer soigneusement le seul composant défectueux sans endommager les autres pièces environnantes du circuit imprimé.

Quels sont les avantages d'utiliser un substrat BGA ?

Il existe de nombreuses raisons pour lesquelles les substrats BGA sont populaires dans plusieurs applications modernes.

Ceux-ci impliquent ce qui suit :

Haute densité de broches

Pour améliorer le prix, les performances ou les fonctionnalités des packages, les fabricants augmenteront les broches.

Simultanément, ils réduiraient la qualité du boîtier car les broches sont proches les unes des autres et conduiraient à des joints de soudure faibles.

Cependant, les substrats BGA contiennent plusieurs broches qui maintiennent l'intégrité des joints de soudure et la fiabilité du boîtier.

Faible inductance

Les conducteurs de connexion dans les substrats BGA sont courts, ce qui réduit l'inductance du signal,

Cela améliore à son tour les performances électriques tout en minimisant l'inductance.

Conduction thermique appropriée

La courte distance et la faible inductance entre la carte de circuit imprimé et le substrat BGA sont bénéfiques.

Ils conduisent à une faible résistance thermique entre deux pièces permettant ainsi un flux de chaleur important via le circuit imprimé.

De plus, ils ont un couvercle qui améliore la dissipation de la chaleur, réduisant ainsi la surchauffe des puces et les risques de dégradation thermique.

Fonctionne mieux à grande vitesse

Plusieurs avantages des substrats BGA augmentent leurs performances électriques par rapport aux autres types de boîtiers IC.

Étant donné que les substrats BGA ont des connexions dans la partie inférieure de la puce, cela signifie qu'ils sont courts.

Ainsi, le substrat BGA fonctionnera à des vitesses rapides et exceptionnelles.

Haute fiabilité

Les broches présentes dans les boîtiers plats quadruples sont fines et fragiles.

Cela signifie que des dommages sont susceptibles de se produire dans ces configurations et lorsque cela se produit, il est presque impossible de les réparer.

Cependant, les pastilles de soudure de connexion dans les substrats BGA sont robustes, ce qui vous permet d'obtenir des connexions fiables.

Quelles sont les limites d'un substrat BGA ?

Certains de ces inconvénients incluent les suivants :

Cher

Les boîtiers de substrat BGA coûtent plus cher que les boîtiers IC standard.

Certains des éléments qui augmentent le coût comprennent le substrat et la technique de cognement.

Difficile à inspecter

Le processus de soudure améliore les performances des substrats BGA et de l'ensemble du circuit.

Cependant, il présente certains inconvénients tels que l'impossibilité d'inspecter le boîtier après soudure sur la carte de circuit imprimé.

Cela signifie qu'il est chargé de vérifier les problèmes potentiels qui nécessitent une réparation immédiate.

Par conséquent, vous devez utiliser l'inspection par rayons X pour vérifier les parties internes du substrat BGA.

Cependant, ce processus est coûteux.

Comment un substrat LGA et BGA se compare-t-il ?

LGA signifie réseau de grille de terre tandis que BGA signifie ball grid array.

De plus, vous souderez des substrats BGA sur le circuit imprimé, ce qui signifie que vous ne pouvez pas les débrancher ou les remplacer.

Substrat LGA
Substrat LGA

Cependant, vous pouvez brancher et débrancher LGA et même le remplacer de la carte mère.

Les substrats BGA contiennent des contacts ronds que vous souderez sur le circuit imprimé.

LGA a des surfaces planes qui entrent en contact avec la prise de la carte de circuit imprimé contenant de nombreuses broches.

Pouvez-vous effectuer une soudure par refusion sur un substrat BGA ?

Oui, la soudure par refusion est utilisée lors de la soudure de substrats BGA car elle aide l'ensemble du système à atteindre une température standard.

Cette température fait fondre les billes de soudure sous les composants du substrat BGA.

Substrat BGA
 Substrat BGA

Lors du soudage du substrat BGA, les billes de soudure ont une quantité de soudure spécifique.

Après mise en place, dans le four de refusion, la carte avec les billes de soudure sur le substrat BGA fond sous l'effet de la chaleur.

La tension superficielle fera en sorte que la soudure fondue maintienne le substrat BGA au bon endroit sur la carte de circuit imprimé.

De plus, assurez-vous que la soudure a la bonne composition qui lui permettra de conserver un état semi-solide.

Quel est l'avenir du substrat BGA ?

Le substrat BGA gagne en popularité et continuera d'être utilisé même dans les années à venir.

De plus, avec les nouvelles avancées technologiques, il existe de nouvelles variantes de substrats BGA.

De plus, ces packages BGA sont abordables et offrent des normes de performances électriques impressionnantes.

Les principaux types qui influenceront l'avenir du substrat BGA sont les suivants :

eWBL

Cela signifie BGA intégré au niveau de la tranche et il contient un interposeur dans une puce à bosse.

Il offre plusieurs avantages tels qu'une capacité de transport de courant élevée, de meilleures performances électriques, un prix abordable, une petite configuration, etc.

WLCSP

Cela représente un boîtier à l'échelle de la puce au niveau de la tranche qui est une version d'une puce à bosse.

De plus, ce boîtier est petit et possède d'excellentes caractéristiques thermiques et électriques.

De plus, il offre une excellente connectivité qui aide à maintenir une inductance et une résistance faibles.

Ils sont courants dans les gadgets de tous les jours tels que les smartphones qui subissent fréquemment des vibrations, du stress et des chutes.

Quelles sont les applications d'un substrat BGA ?

Les substrats BGA gagnent en popularité avec le temps car ils offrent plusieurs avantages.

Certains des domaines qui utilisent des substrats BGA comprennent :

  • Processeurs graphiques
  • ASIC pour routeurs et serveurs
  • Des MPU qui trouvent leur utilisation dans des consoles de jeux hautement optimisées
  • L'industrie automobile exige une grande fiabilité
  • Capteurs d'images
  • chipsets

Que devez-vous prendre en compte lorsque vous placez des composants sur un substrat BGA ?

Si vous travaillez avec des composants complexes, vous devez planifier comment router chaque pièce avec succès.

Les BGA avec un nombre élevé de broches nécessitent une planification méticuleuse pendant le processus de conception, car ils doivent concevoir des modèles de routage d'évacuation pour chaque réseau.

Cela vous oblige à planifier la manière de placer les pièces avant de commencer le routage des pistes.

Commencez le plan d'étage de placement avec des pièces fixes telles que IO, commutateur, connecteurs, etc.

Assurez-vous de prendre en compte la gestion thermique de la carte pour vous assurer que les BGA reçoivent un flux d'air constant pour rester au frais.

Placez les puces de mémoire et les processeurs à proximité de leurs connexions hors carte respectives.

Cela signifie que vous éviterez d'utiliser de longues longueurs de trace sur toute la planche.

Assurez-vous également que tous les composants s'adaptent proprement avec des traces qui ne s'éloignent pas loin de la portée.

Au début du processus de placement, assurez-vous que les pièces BGA disposent de suffisamment d'espace pour répondre au routage.

Assurez-vous qu'ils contiennent suffisamment de condensateurs de dérivation à côté de leurs broches associées.

Placez également séquentiellement les composants du chemin du signal entre la charge du signal et la source.

Ce processus peut être une tâche, préparez-vous donc à être interactif lors de la finalisation du placement des composants.

Un autre facteur à prendre en compte est que vous devez réaliser la conception avec une intégrité de puissance appropriée en plus d'une bonne intégrité du signal.

Cela implique de placer des alimentations électriques à proximité des zones qu'elles alimentent sans mélanger les circuits avec les parties sensibles du BGA.

Après avoir placé les composants de manière optimale, vous pouvez commencer le routage des filets de substrat BGA.

Quels conseils sont importants lors du routage des traces qui connectent les substrats BGA ?

Commencez par effectuer un panoramique du routage d'échappement à partir des pièces à pas fin montées en surface, telles que les composants du substrat BGA.

Assurez-vous de planifier l'itinéraire d'évacuation en tenant compte des points suivants :

  • Empiler les couches
  • Densité de routage
  • Exigences d'intégrité du signal
  • Placement des composants

En outre, vous avez besoin de cartes d'interconnexion et de couches haute densité pour les substrats BGA avec un nombre élevé de broches.

Cependant, confirmez avec notre fabricant de PCB le coût et sa capacité à construire la carte HDI.

Lors du routage des vias et des traces d'échappement hors du substrat BGA, commencez par les rangées extrêmes.

Ensuite, continuez à travailler vers l'intérieur à travers les rangées de broches.

Certains vias avec lesquels vous pouvez opérer au cours de ce processus incluent les éléments suivants :

  • Vias borgnes et enterrés qui pénètrent une partie du substrat
  • Vias traversants que vous créez à l'aide de perceuses mécaniques et percez à travers la carte
  • Des micro vias que vous allez percer au laser car ils sont petits

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Assemblage traversant

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