볼 그리드 배열

Ball grid array
집적회로칩 제거 후 프린트회로기판상의 납땜볼 그리드 어레이.

볼 그리드 어레이(BGA)는 집적회로에 사용되는 표면 실장 패키징(칩 캐리어)의 일종입니다.BGA 패키지는 마이크로프로세서와 같은 장치를 영구적으로 장착하기 위해 사용됩니다.BGA는 듀얼 인라인 또는 플랫 패키지에 장착할 수 있는 것보다 더 많은 상호 연결 핀을 제공할 수 있습니다.주변뿐만 아니라 장치의 바닥 표면 전체를 사용할 수 있습니다.패키지의 리드와 패키지를 연결하는 와이어 또는 볼을 연결하는 배선도 주변 전용 타입보다 평균적으로 짧기 때문에 [citation needed]고속에서 성능이 향상됩니다.

BGA 장치의 납땜은 정밀 제어를 필요로 하며, 일반적으로 컴퓨터로 제어되는 자동 리플로우 오븐과 같은 자동화된 프로세스에 의해 수행됩니다.

묘사

메모리 모듈에 조립된 BGA IC

BGA는 핀 그리드 어레이(PGA)에서 파생된 것으로, 한쪽 면이 핀으로 덮인(또는 부분적으로 덮인) 패키지입니다.핀은 그리드 패턴으로 동작 중 집적회로와 집적회로가 놓인 프린트기판(PCB) 사이에서 전기신호를 전달합니다.BGA에서는 핀은 패키지 바닥면에 있는 패드로 교체되며, 처음에는 작은 솔더 볼이 부착되어 있습니다.이러한 솔더 구체는 수동 또는 자동화된 장비에 의해 배치될 수 있으며 끈적한 [1]플럭스로 제자리에 고정됩니다.장치는 납땜 볼과 일치하는 패턴의 구리 패드와 함께 PCB에 배치됩니다.그런 다음 리플로우 오븐 또는 적외선 히터에 의해 조립체를 가열하여 볼을 녹입니다.표면 장력에 의해, 용융 납땜은 올바른 이격 거리에서 패키지를 회로 기판과 일직선으로 유지하고, 납땜은 냉각 및 응고해, 디바이스와 PCB 사이에 납땜 접속을 형성합니다.

보다 고도의 테크놀로지에서는, 납땜 볼을 PCB와 패키지에 모두 사용할 수 있습니다.또한 스택형 멀티칩 모듈에서는 (패키지 온 패키지) 솔더 볼을 사용하여 2개의 패키지를 연결합니다.

이점

고밀도

BGA는 수백 개의 핀을 가진 집적회로용 미니어처 패키지를 제작하는 문제에 대한 해결책입니다.핀 그리드 어레이와 듀얼 인라인 서페이스 마운트(SOIC) 패키지는 핀 수가 증가하고 핀 간 간격이 줄어들면서 생산되었지만 납땜 프로세스에 어려움이 있었습니다.패키지 핀이 가까워짐에 따라 인접한 핀을 실수로 납땜으로 브리징할 위험이 커졌습니다.

열전도

BGA 패키지가 개별 리드 패키지(다리 포함 패키지)에 비해 더 큰 장점은 패키지와 PCB 사이의 내열성이 낮다는 것입니다.이를 통해 패키지 내부의 집적회로에 의해 발생한 열이 PCB로 쉽게 흘러들어 칩의 과열을 방지할 수 있습니다.

저유도 리드

전기 도체가 짧을수록 원치 않는 인덕턴스가 낮아집니다.이는 고속 전자 회로에서 신호의 불필요한 왜곡을 일으키는 특성입니다.BGA는 패키지와 PCB 사이의 거리가 매우 짧기 때문에 리드 인덕턴스가 낮기 때문에 핀 장치보다 뛰어난 전기적 성능을 제공합니다.

단점들

BGA X선

컴플라이언스 결여

BGA의 단점은 납땜 볼이 긴 리드선과 같이 휘지 않기 때문에 기계적으로 적합하지 않다는 것입니다.모든 표면 실장 장치와 마찬가지로 PCB 기판과 BGA 간의 열팽창 계수 차이(열응력) 또는 휨 및 진동(기계응력)에 의한 땜납 접합부의 파손이 발생할 수 있습니다.

열팽창 문제는 PCB의 기계적 특성 및 열적 특성을 패키지의 특성과 일치시킴으로써 해결할 수 있습니다.일반적으로 플라스틱 BGA 디바이스는 세라믹 디바이스보다 PCB의 열 특성에 더 가깝습니다.

RoHS에 부합하는 무연solder 합금 어셈블리의 주요 사용 BGAs에"pillow에 머리"[2]soldering 현상"패드 cratering"문제 대 lead-based 땜납 BGAs 높은 온도, 높은 열 충격과 높은 같은 극단적인 작동 조건의 그들의 감소 신뢰성 포함 추가적인 도전을 의미했다. gra부분적으로 RoHS 준거 [3]납땜의 연성이 낮기 때문입니다.

기계적 스트레스 문제는 PCB에 납땜된 후 장치 아래에 에폭시 혼합물을 주입하여 BGA 장치를 PCB에 효과적으로 접착하는 "언더필링"[4]이라고 불리는 프로세스를 통해 장치를 보드에 접합함으로써 극복할 수 있습니다.작업성 및 열전달과 관련된 특성이 다른 언더필 재료에는 몇 가지 유형이 사용되고 있습니다.언더필의 또 다른 장점은 주석 수염의 성장을 제한한다는 것입니다.

비호환 접속의 또 다른 해결책은 패키지에 대해 물리적으로 볼을 이동할 수 있는 "호환 레이어"를 넣는 것입니다.이 기술은 D램을 BGA 패키지로 패키징하는 표준 기술이 되었습니다.

패키지의 보드 수준의 신뢰성을 높이기 위한 다른 기술로는 세라믹 BGA(CBGA) 패키지에 저확장 PCB를 사용하거나 패키지와 PCB 사이의 인터포저, 디바이스의 [4]재패키지화 등이 있습니다.

검사의 어려움

일단 포장을 납땜하면 납땜 결함을 발견하기 어렵습니다.이 문제를 극복하기 위해 X선 기계, 산업용 CT 스캔 기계,[5] 특수 현미경, 납땜 패키지 밑면을 볼 수 있는 내시경이 개발되었습니다.BGA는 납땜 상태가 좋지 않은 경우 적외선 램프(또는 열풍), 열전대 및 패키지를 들어올리기 위한 진공 장치가 장착된 지그인 재작업 스테이션에서 제거할 수 있습니다.BGA는 신품으로 교환할 수도 있고, 새롭게 수리(또는 리볼트)하여 회로 기판에 재장착할 수도 있습니다.어레이 패턴에 일치하는 사전 구성된 솔더 볼을 사용하여 1개 또는 몇 개만 재작업할 필요가 있는 경우 BGA를 재볼링할 수 있습니다.더 큰 볼륨과 반복적인 실험실 작업을 위해 느슨한 구체의 스텐실 구성 진공 헤드 픽업 및 배치를 사용할 수 있습니다.

육안 X선 BGA 검사 비용 때문에 전기 테스트가 자주 사용됩니다.IEEE 1149.1 JTAG 포트를 사용한 경계 스캔테스트는 매우 일반적입니다.

비록 파괴적이기는 하지만, 특별한 장비가 필요하지 않기 때문에 더 싸고 쉬운 검사 방법이 점점 더 인기를 끌고 있다.일반적으로 염료 및 프라이라고 불리는 이 프로세스에는 PCB 전체 또는 BGA 연결 모듈만 염료에 담그고 건조 후 모듈을 분리하여 파손된 조인트를 검사하는 작업이 포함됩니다.납땜 위치에 염료가 포함되어 있으면 연결이 [6]불완전했음을 나타냅니다.

회로 개발 중 어려움

개발 중에는 BGA를 납땜하는 것이 실용적이지 않고 소켓이 대신 사용되지만 신뢰성이 떨어지는 경향이 있습니다.소켓에는 두 가지 일반적인 유형이 있습니다. 보다 신뢰할 수 있는 유형은 볼 아래로 밀어 올리는 스프링 핀이 있지만, 스프링 핀이 너무 짧을 수 있기 때문에 볼을 제거한 상태에서 BGA를 사용할 수 없습니다.

신뢰성이 낮은 타입은 ZIF 소켓으로, 볼을 잡는 스프링 핀치가 있습니다.이것은 특히 공이 [citation needed]작을 경우 잘 작동하지 않습니다.

설비비

BGA 패키지를 확실하게 납땜하려면 고가의 기기가 필요합니다.수동 납땜 BGA 패키지는 매우 어렵고 신뢰성이 떨어집니다.최소한의 [7]수량의 패키지만 사용할 수 있습니다.그러나 무연(예: 쿼드 플랫 노 리드 패키지) 또는 BGA 패키지로만 사용할 수 있는 IC가 늘어나면서 히트건, 가정용 토스터 오븐 및 전기 스켈렛과 [8]같은 저렴한 열원을 사용하여 다양한 DIY 리플로우 방법이 개발되었습니다.

변종

플립 칩 BGA2 패키지 (FCBGA-479)의 인텔 모바일 Celeron.다이는 진한 파란색으로 표시됩니다.여기서 다이(dee)는 플립 칩과 언더 필을 사용하여 그 아래의 프린트 기판(dark yellow, interposer라고도 함)에 장착되었습니다.
와이어본드 BGA 패키지 내.이 패키지에는 Nvidia GeForce 256 GPU가 탑재되어 있습니다.
  • CABGA: 칩 어레이 볼 그리드 어레이
  • CBGA 및 PBGA는 어레이가 연결되어 있는 세라믹 또는 플라스틱 기판 재료를 나타냅니다.
  • CTBGA: 신칩 어레이 볼 그리드 어레이
  • CVBGA: 초박형 칩 어레이 볼 그리드 어레이
  • DSBGA: 다이사이즈 볼 그리드 어레이
  • FBGA: 볼 그리드 어레이 기술을 기반으로 한 미세 볼 그리드 어레이.접점이 얇아 시스템 온 어 칩 설계에 주로 사용됩니다.
    미세 피치 볼 그리드 어레이(JEDEC-Standard)[9]라고도 합니다.
    알테라가 만든 BGA의 미세한 라인.강화된 [10]BGA와 혼동하지 마십시오.
  • FCmBGA: 플립칩 성형 볼 그리드 어레이
  • LBGA: 로프로파일 볼 그리드 어레이
  • LFBGA: 로프로파일 미세 피치볼 그리드 어레이
  • MBGA: 마이크로볼 그리드 어레이
  • MCM-PBGA: 멀티칩 모듈 플라스틱 볼 그리드 어레이
  • nFBGA: 새로운 미세 볼 그리드 어레이
  • PBGA: 플라스틱 볼 그리드 어레이
  • SuperBGA(SBGA): 슈퍼볼 그리드 어레이
  • 탭가: 테이프 어레이 BGA
  • TBGA: 신 BGA
  • TEPBGA: 서멀 인핸스드 플라스틱 볼 그리드 어레이
  • TFBGA 또는 얇고 미세한 볼 그리드 어레이
  • UFBGA 및 UBGA 및 피치볼 그리드 어레이를 기반으로 한 초미세 볼 그리드 어레이는 피치 볼 그리드 어레이를 기반으로 합니다.
  • VFBGA: 초미세 볼 그리드 어레이
  • WFBGA: 매우 얇은 프로파일 미세 피치 볼 그리드 어레이

효과적으로 칩 다이를 캐리어에 장착하는 플립 칩 방법은 BGA 설계 파생물의 일종이며, 볼의 기능 등가물은 범프 또는 마이크로 범프라고 불린다.이것은 이미 미시적인 크기 수준에서 실현됩니다.

볼 그리드 배열 장치를 사용하기 쉽게 하기 위해 대부분의 BGA 패키지에는 패키지의 바깥쪽 링에만 볼이 있고 가장 안쪽 정사각형은 비어 있습니다.

인텔은 Pentium II 및 초기 Celeron 모바일 프로세서에 BGA1이라는 패키지를 사용했습니다.BGA2는 인텔의 Pentium III 및 그 이후의 Celeron 모바일 프로세서용 패키지입니다.BGA2는 FCBGA-479로도 알려져 있습니다.이전 모델인 BGA1을 대체했다.

예를 들어 "micro-FCBGA"(플립칩볼 그리드 어레이)는 플립칩바인딩테크놀로지를사용한모바일프로세서용현행BGA마운트방식입니다[when?].Coppermine Mobile Celeron과 [citation needed]함께 도입되었습니다.마이크로 FCBGA는 직경 0.78mm의 479개의 볼을 가지고 있다.CPU는 볼을 메인보드에 납땜하여 메인보드에 부착합니다.핀 그리드 어레이 소켓 배열보다 얇지만 분리할 수는 없습니다.

Micro-FCBGA 패키지의 479볼(478핀 소켓 가능한 마이크로-FCPGA 패키지와 거의 동일한 패키지)은 1.27mm 피치(인치당 20볼) 26x26 정사각형 그리드의 6개의 외부 링으로 배열되어 있으며 내부 14x14 영역은 [11][12]비어 있습니다.

조달

BGA의 주요 최종 사용자는 OEM(Original Equipment Manufacturer)입니다.전자 취미를 가진 사람들 사이에서도 점점 인기를 얻고 있는 메이커 [13]운동과 같이 DIY(직접 하는 것) 시장이 있다.OEM 제조사는 일반적으로 제조원 또는 제조원의 디스트리뷰터로부터 컴포넌트를 조달하지만, 취미 생활자는 일반적으로 전자 컴포넌트 브로커 또는 디스트리뷰터를 통해 애프터마켓에서 BGA를 입수합니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ "Soldering 101 - A Basic Overview". Archived from the original on 2012-03-03. Retrieved 2010-12-29.
  2. ^ Alpha (2010-03-15) [September 2009]. "Reducing Head in Pillow Defects - Head in pillow defects: causes and potential solutions". 3. Archived from the original on 2013-12-03. Retrieved 2018-06-18.
  3. ^ "TEERM - TEERM Active Project - NASA-DOD Lead-Free Electronics (Project 2)". Teerm.nasa.gov. Archived from the original on 2014-10-08. Retrieved 2014-03-21.
  4. ^ a b 솔리드 스테이트 테크놀로지: BGA 언더필먼트 - 보드 레벨 납땜 조인트 신뢰성 향상, 2001년 12월 1일
  5. ^ "CT 서비스 - 개요"Jesse Garant & Associates.2010년 8월 17일 : CS1 유지 보수: 타이틀로서의 아카이브 카피 (링크)
  6. ^ "Dye and Pry of BGA Solder Joints" (PDF). cascade-eng.com. 2013-11-22. Archived from the original (PDF) on 2011-10-16. Retrieved 2014-03-22.
  7. ^ Das, Santosh (2019-08-22). "BGA Soldering & Repairing / How to Solder Ball Grid Array". Electronics and You. Retrieved 2021-09-07.
  8. ^ Sparkfun 튜토리얼: 리플로우 프라이팬, 2006년 7월
  9. ^ 설계 요건 - FBGA(Fine Pitch Ball Grid Array Package) DR-4.27D, jedec.org, 2017년 3월
  10. ^ 라이언 J. 렝「PC 메모리의 비밀: Part 2」. 2007년.
  11. ^ 인텔. "Micro-FCBGA 및 Micro-FCPGA 패키지의 모바일인텔 Celeron 프로세서 (0.13μ)"데이터 시트2002.
  12. ^ FCBGA-479(Micro-FCB)GA)
  13. ^ "More than just digital quilting: The "maker" movement could change how science is taught and boost innovation. It may even herald a new industrial revolution". The Economist. Dec 3, 2011.

외부 링크

Wikibook Practical Electronics에는 다음과 같은 토픽이 있습니다.