Co je to BGA?

BGA (Ball Grid Array) patří mezi pouzdra SMT (Surface Mount Technology), tj. pouzdra s povrchovou montáží. BGA je jednou z metod zapouzdření používaná pro připojení součástek v integrovaných obvodech.

Jedná se o typ pouzder, jejichž vývody neprocházejí přes desku plošného spoje, ale jsou montovány pouze na povrch strany součástek desky plošného spoje. Je tedy zřejmé, že k takovýmto integrovaným obvodům lze vést spoje pouze ze spodní strany nikoli z boku. Připojovací body ve formě matice z kuliček, jsou umístěny na spodní straně pouzdra. Tyto kuličky se připojují k odpovídajícím kontaktním plochám na desce plošných spojů.

Image

BGA se spodním kulovým uložením konektorů je výhodnější než například pouzdro QFP (Quad Flat Pack), které obsahuje konektory po stranách balení. Uložení po stranách znamená, že je málo místa pro kolíky, které musí být blízko sebe a výrazně zmenšeny, aby nabídly potřebné množství komunikace.
BGA využívá spodní stranu balíčku, kde je naopak dostatek prostoru pro připojení.

Image

Důvod použití BGA

Existuje několik důvodů, proč se používají pouzdra typu Ball Grid Array (BGA) při návrhu a výrobě počítačových součástek a dalších výkonných elektronických zařízení:

• Hustota spojů: BGA umožňuje dosáhnout vyšší hustoty spojů na desce plošných spojů. Díky uspořádání kuliček na spodní straně pouzdra lze integrovat více terminálů než u jiných typů pouzder, jako jsou například pouzdra s jednoduchým plošným spojem (SMD). To umožňuje zapojení složitějších obvodů na menší ploše desky.

• Tepelná vodivost: BGA pouzdra mají lepší tepelnou vodivost než jiné typy pouzder. Díky kuličkám, které jsou připojeny přímo k desce plošných spojů, se teplo z integrovaného obvodu rovnoměrně rozprostírá a přenáší do desky. To pomáhá odvádět teplo a udržuje nižší teplotu integrovaného obvodu, což je důležité pro zachování jeho spolehlivosti a životnosti.

• Mechanická spolehlivost: BGA pouzdra poskytují lepší mechanickou stabilitu než jiné typy pouzder. Kuličky na spodní straně pouzdra vytvářejí mnoho spojovacích bodů s deskou, což zvyšuje pevnost a odolnost proti vibracím a mechanickým namáháním. To je zvláště důležité v případě mobilních zařízení a výrobků, které jsou vystaveny pohybu nebo otřesům.

• Elektromagnetická kompatibilita (EMC): Díky krátkým spojům a kompaktnímu uspořádání kuliček snižují BGA pouzdra indukčnost a elektromagnetické rušení. To je výhodné pro zařízení, která pracují s vyššími frekvencemi, a pomáhá minimalizovat rušení signálů a zajišťuje správnou funkci zařízení.
  
   
• Snadná automatizace: BGA pouzdra lze relativně snadno osazovat a pájet pomocí automatických výrobních procesů. Díky svému uspořádání kuliček je možné použít stroje na osazování SMD součástek, které jsou široce dostupné ve výrobních linkách.

Image

Různé typy BGA

BGA jsou srdcem výroby elektroniky. Závisí nejen na druhu elektro produktů, které chcete vyrábět, ale také na celkových výrobních nákladech, hmotnosti konečného produktu, kvalitě výrobku, množství vyráběného tepla a řadě dalších faktorů.

Image

1. Plné BGA (Full BGA): Plné BGA jsou pouzdra, která mají kuličky umístěné na celém spodním povrchu pouzdra. Tyto kuličky se připojují přímo ke kontaktním ploškám na desce plošných spojů, což umožňuje vyšší hustotu spojů.
   
    
2. Array BGA (ABGA): Array BGA pouzdra mají kuličky uspořádané do pravidelné matice na spodní straně pouzdra. Tento typ BGA je často používán pro integrované obvody s vysokým počtem terminálů, které vyžadují pevný a přesný uspořádání spojů.

Image

3. Micro BGA: Micro BGA pouzdra jsou menší variantou BGA pouzder, které se používají pro velmi malé a kompaktní elektronické zařízení. Tyto pouzdra mají obvykle menší průměr kuliček a menší rozměry, což umožňuje výrobu zařízení s nižším profilem.

4. Vrstvené BGA pouzdro: (Stacked BGA) pouzdra mají vrstevnatou strukturu, kde jsou integrované obvody umístěny ve vrstvách, které jsou naskládány na sebe. Piny či kuličky jsou přítomny pouze na spodní í straně, která je připojena přímo na plošnou desku. Horní je připojeno ke spodnímu obvodu pomocí interních signálových a napájecích spojů.

5. Package on package (PoP): Package on Package je technologie, která umožňuje vrstvení dvou nebo více integrovaných obvodů na sebe ve formě oddělených pouzder. Spodní integrovaný obvod (dolní package) je připojen přímo na plošnou desku, zatímco horní (horní package) je umístěn na vrcholu spodního integrovaného obvodu a spojen pomocí pájecích kuliček nebo jiných spojů. Jedná se o metodu, která umožňuje dosáhnout vyšší integrační hustoty a snížit celkovou velikost zařízení. PoP je často využíváno v mobilních zařízeních, jako jsou chytré telefony a tablety, kde je vyžadována vysoká integrační hustota a kompaktnost.
   
    
6.  Flip Chip BGA: mají integrovaný obvod přímo připojený k pouzdru pomocí pájecích kuliček. Tento design umožňuje lepší tepelnou vodivost a elektrické vlastnosti, a je často používán v aplikacích vyžadujících vysokou rychlost signálu a spolehlivost. Hlavní přínos spočívá v kratších elektrických drahách ve srovnání s jinými typy BGA. Poměr cínu k olovu je u tohoto typu BGA 63:37.

7. PbBGA: je typ BGA pouzdra, které obsahuje olovo (Pb) v pájecí pastě nebo kuličkách pro spojení. Tento typ BGA byl běžný před zavedením RoHS směrnice olovo-free, která omezuje použití olova ve výrobním procesu.

8. Lead-free BGA (LFBGA): BGA pouzdro, které neobsahuje olovo nebo obsahuje olovo v minimálních množstvích v souladu RoHS směrnicí. LFBGA pouzdra používají alternativní pájecí slitiny, které jsou bezolovnaté, jako je například slitina cínu, stříbra a mědi.

9. Ceramic BGA (CBGA): CBGA je typ BGA pouzdra, které je vyrobeno z keramiky. Keramická pouzdra mají vynikající tepelnou vodivost a mechanickou pevnost, což je výhodné pro aplikace s vysokým výkonem a tepelnou náročností.

10. Organické BGA  pouzdro (OBGA): je vyrobeno z organického materiálu, obvykle epoxidové pryskyřice. Organická pouzdra jsou často používána pro nízkonákladové aplikace a jsou ale méně tepelně efektivní než keramická pouzdra.

11. Flex BGA (FBGA): je typ BGA pouzdra, které je umístěno na elastickém podkladu, jako je flexibilní fólie nebo substrát. Tyto pouzdra jsou vhodná tam, kde má být zachována pohyblivost, například  u flexibilních elektronických obvodů.

12. PBGA (Plastic Ball Grid Array) je typ plastového pouzdra integrovaného obvodu, který obsahuje kuličkové spoje na spodní straně. PBGA pouzdra jsou široce využívána v elektronickém průmyslu kvůli své spolehlivosti, snadnému osazování a nízkým nákladům. Jsou běžně používána v mobilních zařízeních, počítačích, spotřební elektronice a dalších aplikacích vyžadujících plošnou montáž.

Image

Výhody BGA

BGA pouzdra nabízejí řadu výhod ve srovnání s jinými typy pouzder, což je důvod, proč jsou tak široce využívána v elektronickém průmyslu. Níže si představíme některé z těchto výhod.

• Vyšší hustota pinů:

Jednou z největších výhod BGA pouzder je jejich schopnost poskytovat vyšší hustotu pinů. Díky uspořádání kuličkových spojů  na spodní straně pouzdra je možné umístit více pinů na menší plochu. To znamená, že lze integrovat větší množství funkcí.

• Lepší elektrické vlastnosti:

BGA pouzdra také nabízejí lepší elektrické vlastnosti ve srovnání s jinými pouzdry. Díky krátkým a rovnoměrně rozloženým kuličkovým spojům je dosaženo nižší indukčnosti a menších parasitních kapacit. To přináší výhodu nižšího šumu, lepší signálovou integritu a snížené riziko rušení signálů. Lepší elektrické vlastnosti BGA pouzder umožňují vyšší rychlost přenosu dat a zlepšují celkový výkon zařízení.

Image

• Vylepšené tepelné vlastnosti:

Kuličkové spoje na spodní straně pouzdra slouží jako výborný kanál pro přenos tepla z obvodů do plošné desky. To pomáhá odvádět teplo z čipu a zajišťuje efektivní rozptýlení tepla.

• Jednoduchá automatizovaná výroba:

Další výhodou BGA pouzder je jejich snadná kompatibilita s automatizovanými montážními procesy. Při použití pájecích pecí lze BGA pouzdra snadno a přesně umístit a připojit k plošné desce. Díky přesnému uspořádání kuliček je dosaženo vysoké přesnosti pájení.

• Menší velikost a hmotnost:

Díky vyšší integrační hustotě a kompaktnímu designu poskytují BGA pouzdra možnost vytvářet menší a lehčí elektronická zařízení. To je obzvláště důležité v případě mobilních zařízení, která vyžadují sníženou hmotnost a zachování vysoké funkčnosti.

Nevýhody BGA

Stejně jako všechny ostatní elektronické balíčky má BGA i některé nevýhody. Mezi ně patří to, že BGA jsou více náchylné na stres kvůli ohybovému napětí z obvodové desky, což vede k možným problémům se spolehlivostí.  Také kontrola pájecích kuliček a pájených spojů v případě závad je velmi obtížná, v případě, je-li BGA připájena na desku plošných spojů. Při rozhodování o použití BGA technologie je třeba zvážit tyto nevýhody a zhodnotit, zda jsou přijatelné ve vztahu k danému projektu a požadovaným cílům.

Image

Závěrečné slovo

To je jen několik příkladů typů pouzder pro povrchově montované součástky BGA. Existuje mnoho dalších specifických typů BGA, které se liší tvarem, velikostí, roztečí nožiček a dalšími vlastnostmi. Volba správného typu pouzdra závisí na konkrétní aplikaci, počtu pinů, velikosti desky a dalších faktorech.

Asi budete souhlasit, že BGA pouzdra nabízejí spíš řadu výhod, které zvyšují výkonnost, spolehlivost a efektivitu elektronických zařízení. Jejich vyšší hustota pinů, lepší elektrické vlastnosti, vylepšené tepelné vlastnosti, jednoduchá automatizovaná výroba a menší velikost a hmotnost je činí atraktivní volbou pro mnoho aplikací v elektronickém průmyslu. BGA technologie bude nadále inovovat a přizpůsobovat se specifickým potřebám různých odvětví. Například v oblasti umělé inteligence, průmyslu 4.0, autonomních vozidel nebo IoT  budou vyžadovány BGA součástky s vysokým výkonem, nízkou spotřebou energie a odolností vůči extrémním podmínkám.

Celkově lze očekávat, že BGA technologie bude i nadále hrát důležitou roli v elektronickém průmyslu a přispěje k vývoji výkonnějších, menších a inteligentnějších zařízení.