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Sustrato BGA: la guía definitiva de preguntas frecuentes

Elegir un sustrato BGA adecuado requiere un conocimiento profundo.

En esta guía, encontrará toda la información que necesita saber sobre el sustrato BGA.

Entonces, sigue leyendo para aprender más.

¿Qué es un sustrato BGA?

Un sustrato BGA es un soporte que utilizará con varias versiones de paquetes BGA.

Los dispositivos complejos, como los microprocesadores, requieren que el sustrato BGA ofrezca varios pines de interconexión diferentes.

Además, el proceso de diseño de los pines y sus integraciones en el paquete de sustrato BGA puede ser una tarea.

sustrato BGA
sustrato BGA

¿Qué sustancia usará al hacer un sustrato BGA?

Los paquetes BGA utilizan sustratos orgánicos y no marcos de plomo en su construcción.

El material que compone el sustrato BGA puede ser:

  • Poliimida
poliimida
poliimida
  • Bismaleimida
Bismaleimida
Bismaleimida

¿Por qué es necesario diseñar un sustrato BGA automáticamente?

La mayoría de los diseños sobre BGA sustratos pasan por el uso de un dispositivo automático.

Esto se debe a las siguientes razones:

  • El diseño implica el uso de numerosos pines.
  • Es simple para los sistemas computarizados determinar la ruta más corta para cada pin.

Además, el proceso automático ocurre a través del software de diseño EDA.

Además, existe algún tipo de interacción humana durante el proceso de edición de diseños de alta densidad.

Sin embargo, los diseños modernos de sustratos BGA ocurren principalmente mediante el uso de software y sistemas informáticos.

¿Qué debe tener en cuenta al diseñar un diseño de sustrato BGA?

Algunas consideraciones cuando se trata de diseñar sustratos BGA implican lo siguiente:

  • Uso de pistas más cortas
  • Integralidad de la señal
  • Aviones de poder
  • rendimiento de RF

¿Qué es el paso de bola en un sustrato BGA?

El paso de la bola es la distancia que se encuentra entre las partes centrales de una sola bola BGA y la otra.

Por ejemplo, el espacio puede ser tan pequeño como 0.2 mm.

lanzamiento de pelota
lanzamiento de pelota

¿Cuáles son algunas características de un sustrato BGA?

Algunas de las características que puede encontrar implican lo siguiente:

  • Ocupa menos espacio en los tableros
  • Baja inductancia
  • Sin presencia de cables para doblar
  • La gran cantidad de clientes potenciales
  • Se autocentra cuando se realizan procesos de reflujo, por lo que minimiza los problemas relacionados con la colocación durante la soldadura de montaje en superficie.
  • Una baja inhibición térmica entre las placas de circuito impreso y los paquetes BGA mejora el proceso de enfriamiento y evita el sobrecalentamiento

¿Qué desafíos encontrará al realizar el enrutamiento de sustrato BGA?

El enrutamiento de sustratos BGA presenta desafíos complejos que vale la pena considerar al diseñar sus placas de circuito impreso.

Algunos de estos desafíos implican lo siguiente:

Fabricabilidad

Ciertas limitaciones y reglas dependen de cómo enruta la conexión del sustrato BGA entre sí y externamente.

Algunas limitaciones que dependen de la capacidad de los fabricantes incluyen:

  1. Número de capas
  2. Tamaño de vías
  3. Ángulo de inclinación
  4. Tipo de orificio de perforación, etc.

Integridad de la señal

Uno de los principales problemas de la integridad de la señal es el control de la impedancia.

Esto tiende a afectar los reflejos y la transmisión.

Algunos procesos que puede usar para controlar la impedancia incluyen los siguientes:

  1. Empleando el espesor correcto de los dieléctricos
  2. Coincidencia de las trazas de ancho entre las líneas de retorno y las líneas de avance
  3. Instalación de referencias planas entre las capas de señal

Además, puede reducir efectivamente la diafonía cuando instala planos de tierra o de referencia entre trazas de señal adyacentes entre sí.

Es importante mantener el espacio entre las trazas cuando las señales se originan en capas similares.

Fiabilidad

La confiabilidad de su placa de circuito depende de su calidad de construcción y de cómo sincroniza su diseño con la capacidad del fabricante.

Si no logra sincronizar la placa, puede tener una placa con una funcionalidad limitada según el diseño.

Además, la placa puede funcionar mal una vez que comience a usarla.

Ejemplos de problemas materiales que pueden causar que falle durante la operación incluyen:

  1. peso de cobre
  2. Estructura de grano de cobre
  3. El grosor de la máscara de soldadura.
  4. contaminación iónica
  5. Enrutamiento de seguimiento
  6. Tipo de vía

¿Cuáles son algunos tipos de sustratos que puede usar para hacer paquetes BGA?

Los paquetes BGA son de varios subtipos y esto depende de los materiales y otros sustratos en ellos.

Además, todos estos tipos emplearán juntas de soldadura que conectan los sustratos del paquete BGA a la placa de circuito impreso.

Estos paquetes se pueden encontrar en las siguientes categorías:

  • BGA de cerámica
Cinta BGA
Cinta BGA
  • Laminado de plástico BGA
laminado de plástico BGA
laminado de plástico BGA

La composición de los soldados es importante cuando se rebobinan los diversos tipos de sustratos BGA.

Para garantizar niveles adecuados de conductividad, debe asegurarse de equilibrar los metales dentro de la soldadura.

Además, una estructura de soldadura adecuada asegura que el trabajo de reballing sea duradero.

BGA de cerámica

Este paquete BGA utilizará un material de sustrato cerámico.

Varias variedades dentro de la cerámica BGA implican LGA y CCGA.

Cada pin en BGA de cerámica cuesta más que los de los paquetes de BGA de plástico.

Sin embargo, algunas aplicaciones necesitan BGA de cerámica.

Por ejemplo, los dispositivos que necesitan más pines en los diseños flip-chip emplearán este estilo de paquete.

Además, el plástico BGA no puede alcanzar la densidad de pines para estas aplicaciones.

Además, el BGA cerámico funciona favorablemente con los diseños flip-chip.

Las bolas de soldadura contienen 10% de estaño y 90% de plomo.

Esto mejora la fiabilidad de la cerámica BGA.

También ayudará a superar las diferencias de coeficiente de expansión térmica que se producen entre la placa de circuito y el sustrato BGA.

Además, también puede ubicar la matriz de cuadrícula de columnas de cerámica [CCGA].

Este paquete BGA emplea el doble de puntos de contacto disponibles en comparación con el BGA básico.

Además, las juntas de soldadura CGA duran casi tres veces más que las BGA.

Laminado de plástico BGA

Este tipo de BGA utiliza plástico como material de sustrato.

Las bolas de soldadura en laminado plástico BGA ocupan el 63% de estaño y el plomo eutéctico el 37%.

El sustrato BGA laminado de plástico puede soportar rangos de temperatura que alcanzan hasta 150 °C.

La elección del material para el sustrato BGA laminado de plástico incluye lo siguiente:

  1. La poliimida es una forma de plástico laminado.
  2. Dry-clad, que es un laminado a base de epoxi, propiedad de IBM
  3. Vidrio epoxi bismaleimida triazina, también conocido como vidrio epoxi BT

Además, puede incluir diseños flip-chip con laminado de plástico BGA para mejorar la conectividad entre las placas de circuito impreso y el paquete.

Cinta BGA

Este BGA emplea interconexiones flexibles que forman líneas finas dentro de las bolas de soldadura.

Además, la cinta BGA se comporta mejor en materia térmica.

Otro BGA que se relaciona con el BGA de cinta es el BGA de metal.

Esta versión del paquete BGA implica el uso de un diseño de forma simple que consta de sustrato de aluminio.

El diseño de BGA de metal ofrece el mismo resultado a pesar de que carece de capas flexibles de cintas que usan las cintas BGA.

Para conectar la base de aluminio a la máscara de soldadura, el BGA de metal emplea tecnologías de módulos de microchip y películas delgadas.

Además, el rendimiento térmico y eléctrico de la cinta BGA y el BGA de metal son sobresalientes.

Paquete tipo LGA

Este tipo de paquete significa matriz de cuadrícula terrestre.

Además, LGA conduce a la introducción del paquete de sustrato BGA en los años 90.

Esto se debe a que utiliza bolas de soldadura que conectan la placa de circuito y el paquete.

Los LGA que emplean enchufes tienen pines que conectarán la placa de circuito al enchufe.

Algunos LGA contienen conexiones directas a la placa de circuito impreso mediante el uso de soldadura y no de un zócalo.

Similar al paquete de sustrato BGA, el paquete de sustrato LGA no contiene bolas, sino contactos de soldadura planos.

Paquete tipo PoP

El PoP representa un paquete sobre paquete y representa diseños de doble pila.

Además, el chip superior contiene la memoria de acceso aleatorio [RAM], mientras que el chip inferior contiene la CPU.

El diseño del paquete tipo PoP le permite colocar varios paquetes en configuraciones pequeñas en la placa de circuito impreso.

flip-chip

La colocación del diseño de esta versión será hacia abajo.

Además, cualquiera de las superficies flip-chip puede contener conexiones a través de las uniones de la bola de soldadura.

El beneficio de este diseño es la distancia corta y la reducción de la inductancia.

El tipo de paquete QFN cae dentro de la categoría de QFP que carece de plomo.

Esto se debe a que QFN representa un paquete plano cuádruple sin pines de cables.

Paquete tipo QFN

Esto significa un paquete plano cuádruple.

Es una versión de un chip montado en la superficie que utilizará los cuatro lados completos para transmitir el plomo.

Además, dado que utiliza los cuatro lados, le da a este paquete BGA su nombre cuádruple.

Comprenden materiales de sustrato cerámicos y plásticos.

El QFP de cerámica carece de cables de ala de gaviota, mientras que el QFP de plástico los contiene.

¿Qué precauciones debe seguir para asegurarse de realizar un buen proceso de soldadura en un sustrato BGA?

Éstos incluyen:

  • El uso de abundante calor asegura que todas las bolas dentro de la rejilla se derritan lo suficiente para formar enlaces fuertes en todas las uniones de soldadura BGA
  • La tensión superficial asegura que las bolas permanezcan en su lugar hasta que la soldadura se enfríe y se solidifique.

Asegure la temperatura correcta durante la soldadura BGA para garantizar una unión de soldadura sólida y minimizar los cortocircuitos

  • Asegúrese de que la composición de la aleación de soldadura y la temperatura sean correctas para que la soldadura permanezca semisólida y no se derrita.

Esto permite que las bolas en la cuadrícula permanezcan en áreas separadas.

¿Qué método utilizará para inspeccionar las juntas de soldadura dentro de un sustrato BGA?

Es imposible emplear métodos ópticos para inspeccionar sustratos BGA ya que las uniones de soldadura no se ven debajo de las partes BGA.

Además, no puede usar pruebas eléctricas ya que son menos confiables ya que muestran la conductividad eléctrica de los sustratos BGA al instante.

La prueba no indica cuánto durará la soldadura, ya que puede fallar en algún momento.

Por lo tanto, el método adecuado para inspeccionar estas juntas es mediante pruebas de rayos X.

Esto se debe a que los rayos X penetran en los componentes y le permiten ver las juntas que se esconden debajo.

Por este motivo, la inspección automática por rayos X es el método más utilizado para inspeccionar los sustratos BGA.

¿Se puede volver a trabajar con un sustrato BGA defectuoso?

Sí, puede reparar un sustrato BGA defectuoso cuando encuentre que los componentes están defectuosos.

Para realizar esta tarea, comienza aplicando calor a la junta de soldadura para derretirla.

Este proceso ocurre al calentar localmente la parte del sustrato BGA defectuosa, lo que hace que la soldadura se derrita.

Durante el proceso de reprocesado, calentará el componente en unidades de reprocesado especiales.

Esta unidad tiene los siguientes componentes:

  • Calentadores infrarrojos
  • Termopar que controlará el nivel de temperatura
  • Sistema de vacío que eleva los paquetes BGA

Además, asegúrese de calentar con cuidado el único componente defectuoso sin causar daños a otras partes circundantes en la placa de circuito.

¿Cuáles son los beneficios de usar un sustrato BGA?

Existen numerosas razones por las que los sustratos BGA son populares en varias aplicaciones modernas.

Estos implican lo siguiente:

Alta densidad de pines

Para mejorar el precio, el rendimiento o las características de los paquetes, los fabricantes aumentarán los pines.

Al mismo tiempo, reducirían la calidad del paquete ya que los pines están muy juntos y conducen a uniones de soldadura débiles.

Sin embargo, los sustratos BGA contienen varios pines que mantienen la integridad de las uniones de soldadura y la confiabilidad del paquete.

Inductancia baja

Los conductores de conexión en los sustratos BGA son cortos, lo que reduce la inductancia de la señal,

Esto, a su vez, mejora el rendimiento eléctrico y minimiza la inductancia.

Conducción de calor adecuada

La corta distancia y la menor inductancia entre la placa de circuito impreso y el sustrato BGA son beneficiosas.

Conducen a una baja resistencia térmica entre dos partes, lo que permite un amplio flujo de calor a través de la placa de circuito.

Además, tienen una tapa que mejora la disipación del calor, lo que reduce el sobrecalentamiento de los chips y las posibilidades de degradación térmica.

Funciona mejor a altas velocidades

Varios beneficios de los sustratos BGA aumentan su rendimiento eléctrico en comparación con otros tipos de paquetes de IC.

Dado que los sustratos BGA tienen conexiones en la parte inferior del chip, significa que son cortos.

Por lo tanto, el sustrato BGA funcionará a altas velocidades y excepcionalmente.

Alta Confiabilidad

Los pasadores presentes en los paquetes planos cuádruples son delgados y frágiles.

Esto significa que es probable que se produzcan daños en estas configuraciones y, cuando sucede, es casi imposible repararlos.

Sin embargo, las almohadillas de soldadura de conexión en sustratos BGA son resistentes, lo que le permite lograr conexiones confiables.

¿Cuáles son las limitaciones de un sustrato BGA?

Algunos de estos inconvenientes incluyen los siguientes:

Costoso

Los paquetes de sustrato BGA cuestan más que los paquetes IC estándar.

Algunos de los elementos que aumentan el costo incluyen el sustrato y la técnica de golpes.

Difícil de inspeccionar

El proceso de soldadura mejora el rendimiento de los sustratos BGA y de todo el circuito.

Sin embargo, tiene algunos inconvenientes, como no poder inspeccionar el paquete después de soldarlo en la placa de circuito impreso.

Esto significa que tiene la tarea de verificar posibles problemas que necesitan reparación inmediata.

Por lo tanto, debe usar la inspección por rayos X para verificar las partes internas del sustrato BGA.

Sin embargo, este proceso es costoso.

¿Cómo se compara un sustrato LGA y BGA?

LGA significa matriz de cuadrícula terrestre mientras que BGA significa matriz de rejilla de bolas.

Además, soldará sustratos BGA en la placa de circuito, lo que significa que no podrá desconectarlos ni reemplazarlos.

Sustrato LGA
Sustrato LGA

Sin embargo, puede conectar y desconectar LGA e incluso reemplazarlo de la placa base.

Los sustratos BGA contienen contactos redondos que soldará en la placa de circuito.

LGA tiene superficies planas que hacen contacto con el zócalo de la placa de circuito que contiene muchos pines.

¿Se puede realizar soldadura por reflujo en un sustrato BGA?

Sí, la soldadura por reflujo se usa cuando se sueldan sustratos BGA, ya que ayuda a que todo el sistema alcance una temperatura estándar.

Esta temperatura derrite las bolas de soldadura debajo de los componentes del sustrato BGA.

sustrato BGA
 sustrato BGA

Al soldar el sustrato BGA, las bolas de soldadura tienen una cantidad de soldadura específica.

Después de colocarla en el horno de reflujo, la placa con bolas de soldadura sobre el sustrato BGA se derrite debido al calor.

La tensión superficial hará que la soldadura fundida sostenga el sustrato BGA en el lugar correcto en la placa de circuito.

Además, asegúrese de que la soldadura tenga la composición adecuada que le permita mantener un estado semisólido.

¿Cuál es el futuro del sustrato BGA?

El sustrato BGA está ganando popularidad y se seguirá utilizando incluso en los próximos años.

Además, con los nuevos avances tecnológicos, existen nuevas variaciones de sustratos BGA.

Además, estos paquetes BGA son asequibles y ofrecen impresionantes estándares de rendimiento eléctrico.

Los principales tipos que influirán en el futuro del sustrato BGA incluyen los siguientes:

eWBL

Esto significa BGA de nivel de oblea incrustado y contiene un intercalador dentro de un troquel golpeado.

Ofrece varios beneficios como capacidad de transporte de alta corriente, mejor rendimiento eléctrico, asequibilidad, configuración pequeña, etc.

WLCSP

Esto significa un paquete de escala de chips a nivel de oblea que es una versión de un troquel golpeado.

Además, este paquete es pequeño y tiene grandes características térmicas y eléctricas.

Además, ofrece una excelente conectividad que ayuda a mantener bajas la inductancia y la resistencia.

Son comunes en los dispositivos cotidianos, como los teléfonos inteligentes, que experimentan vibraciones, estrés y caídas frecuentes.

¿Cuáles son las aplicaciones de un sustrato BGA?

Los sustratos BGA están ganando popularidad con el tiempo, ya que ofrecen varios beneficios.

Algunas de las áreas que emplean sustratos BGA incluyen:

  • Procesadores gráficos
  • ASIC para enrutadores y servidores
  • MPU que encuentran su uso en consolas de juegos altamente afinadas
  • La industria automotriz requiere una alta confiabilidad
  • Sensores de imagen
  • chipsets

¿Qué debe tener en cuenta al colocar componentes en un sustrato BGA?

Si está trabajando con componentes complejos, debe planificar cómo enrutar cada parte correctamente.

Los BGA con un alto número de pines requieren una planificación meticulosa durante el proceso de diseño, ya que necesita diseñar patrones de enrutamiento de escape para cada red.

Esto requiere que planifique cómo colocar las piezas antes de comenzar a enrutar los trazos.

Comience el plano de ubicación con partes fijas como IO, interruptor, conectores, etc.

Asegúrese de considerar la gestión térmica de la placa para garantizar que los BGA reciban un flujo de aire constante para mantenerse frescos.

Coloque los chips de memoria y los procesadores cerca de sus respectivas conexiones externas.

Esto significa que evitará el uso de trazados de gran longitud a lo largo de todo el tablero.

Además, asegúrese de que todos los componentes encajen perfectamente y que las huellas no queden lejos del alcance.

Al comenzar el proceso de colocación, asegúrese de que las partes BGA tengan suficiente espacio para el enrutamiento.

Asegúrese de que contengan amplios condensadores de derivación junto a sus pines asociados.

Además, coloque secuencialmente los componentes de la ruta de la señal entre la carga de la señal y la fuente.

Este proceso puede ser una tarea, por lo tanto, prepárese para ser interactivo al finalizar la colocación del componente.

Otro factor a considerar es que debe hacer el diseño con la integridad de potencia adecuada además de una buena integridad de la señal.

Esto implica colocar las fuentes de alimentación cerca de las áreas que están alimentando sin mezclar los circuitos con las partes sensibles del BGA.

Después de colocar los componentes de manera óptima, puede comenzar el enrutamiento de las redes de sustrato BGA.

¿Qué consejos son importantes al enrutar trazas que conectan sustratos BGA?

Comience por realizar una panorámica de la ruta de escape desde las piezas de paso fino de montaje en superficie, como los componentes del sustrato BGA.

Asegúrese de planificar la ruta de escape teniendo en cuenta lo siguiente:

  • Apilar capas
  • Densidad de enrutamiento
  • Requisitos de integridad de la señal
  • Colocación de componentes

Además, necesita placas de capa e interconexión de alta densidad para sustratos BGA con un alto número de pines.

Sin embargo, confirme con nuestro fabricante de PCB el costo y su capacidad para construir la placa HDI.

Al enrutar vías y trazas de escape fuera del sustrato BGA, comience con las filas extremas.

Luego continúe operando hacia adentro a través de las filas de pasadores.

Algunas vías con las que puede operar durante este proceso incluyen las siguientes:

  • Vías ciegas y enterradas que penetran una parte del sustrato
  • Vías de orificio pasante que crea con taladros mecánicos y taladra a través de la placa
  • Micro vías que perforarás con láser ya que son pequeñas

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