Технические науки / 6. Электротехника и радиоэлектроника

д.т.н. Невлюдов И. Ш., Жарикова И. В.

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

Анализ особенностей создания электронных компонентов по BGA-технологии

В настоящее время постоянно ведется поиск новых направлений техники корпусирования, новых корпусов компонентов.

Разработка новых корпусов компонентов для поверхностного монтажа стала столь же важной задачей, как и разработка самих компонентов. Особенно это касается современных интегральных схем, являющихся основой современной радиоэлектронной аппаратуры и, прежде всего, вычислительной техники.

Одним из наиболее перспективных направлений техники корпусирования, призванных решить задачу конструкторско-технологической реализации прогнозируемых интегральных схем, являются матричные корпуса BGA (Ball Grid Array – матрица шариковых выводов) и CSP (Chip Scale Package – корпуса с размерами чипа). Такие корпуса с большим количеством шариковых выводов под корпусом в последние годы получили широкое применение благодаря высокому быстродействию и малым паразитным параметрам, простоте монтажа, а также благодаря тому, что на плате они занимают очень мало места [1]. Так, например, при максимальном количестве входов/выходов (>5000) дополнительная площадь подложки, необходимая при монтаже, составляет всего 8% (по сравнению с 39% для проволочных соединений при количестве выводов 300-500 и с 89% для кристаллов на ленточном носителе «лицевой стороной вверх», при количестве выводов 500-700).

Внешний вид корпуса BGA с матрицей шариковых выводов представлен на рис. 1, а на рис. 2 приведены фотоизображения широко распространенных сегодня интегральных схем в корпусах такого типа.

Кристалл

Пластиковая

инкапсуляция

Эпоксидная подложка

Капли припоя

Рис. 1. Общий вид корпуса bga

Рис. 2. Стандартные ИС в выводами BGA

Микросхемы в корпусе BGA относительно недороги. Согласно технологии сборки бескорпусные кристаллы интегральных схем монтируют на поверхность печатной микроплаты, на которой с нижней стороны выполняется массив (матрица) шариков припоя. Соединение контактных площадок кристалла интегральной схемы и печатной микроплаты осуществляется с помощью золотых проводников, а изоляция от влияния внешней среды – заливкой эпоксидным компаундом [2].

Корпуса CSP являются развитием структур BGA и могут включать в свой состав кристаллы с матричными выводами BGA или несколько кристаллов в одном корпусе, а также внешние выводы корпуса в виде BGA. Использование CSP структур позволяет уменьшить размеры интегральных схем почти на порядок. Корпуса CSP обеспечивают существенное уменьшение площади, занимаемой корпусом на многослойной коммутационной плате [3].

К достоинству контактных узлов с шариковыми выводами следует отнести возможность автоматизации процесса группового монтажа, а также обеспечение высокой плотности монтажа на подложке за счет минимальной протяженности промежуточного звена.

Метод перевернутого кристалла («flip chip») обеспечивает наилучшие электрофизические параметры, в том числе быстродействие за счет минимальной длины соединений (табл.1).

Табл. 1. Параметры распространения сигнала при монтаже перевернутым кристаллом

Индуктивность, нГн	5,6…0,3
Емкость, пФ	9,1…2,5
Сопротивление, мОм	20,1…1,7
Время задержки, пс	508…51

Сравнительные характеристики различных вариантов монтажа приведены на рис. 3 [3].

Рис. 3. Влияние способа монтажа на частотные характеристики,

возможность использования схем на СВЧ

Конструкция с матричными выводами обуславливает также ряд таких существенных преимуществ, как: отсутствие выводов, подверженных изгибу; эффект самоцентрирования в процессе оплавления; малые габариты; размер многих микроBGA-компонентов приближается к размеру кристалла; малая индуктивность выводов; большое количество и плотность выводов; низкопрофильность для многих типов компонентов BGA; меньшее термическое сопротивление между корпусом и печатной платой по сравнению с выводными корпусами; возможность многочипового исполнения [4].

Перечисленные выше преимущества определяют использование BGA-корпусов в таких областях, как: микропроцессоры и микроконтроллеры; чипсеты ПК; широкий спектр мобильных устройств; заказные интегральные микросхемы; микросхемы памяти.

Вместе с тем, компоненты с шариковыми выводами имеют существенные недостатки, среди которых: необходимость высокой точности совмещения полупроводникового кристалла с подложкой; возможность короткого замыкания по металлизации полупроводникового кристалла (это особо угрожающая ситуация для БИС с высокой плотностью размещения активных элементов); невозможность монтажа полупроводникового кристалла в стандартном корпусе или непосредственно на печатную плату, так как шариковые выводы требуют для контактирования специальной коммутационной платы со строго определенным расположением контактных площадок и высоким качеством поверхности; ограниченная ремонтопригодность; дорогое обслуживание.

Можно также отметить в качестве недостатка для BGA-компонентов такой фактор, как уменьшенный теплоотвод вследствие воздушного зазора между полупроводниковым кристаллом и подложкой (по сравнению с безвыводными корпусами, поверхность которых полностью соприкасается с поверхностью печатной платы).

Однако по отношению к микросхемам со штырьковыми выводами технология BGA имеет лучший тепловой контакт между микросхемой и платой, что в большинстве случаев избавляет от установки теплоотводов, поскольку тепло уходит от кристалла на плату более эффективно.

Если же рассеивание не достаточно, то на корпус микросхемы устанавливают радиаторы, а пространство между ними заполняется компаундом.

Также к недостаткам BGA-корпусов можно отнести негибкие выводы с точки зрения недостаточной согласованности ТКЛР соединяемых материалов и устойчивости контактных соединений к циклическим изменениям температуры.

Так как выводы выполнены в виде шариков припоя маленького диаметра (0,05-0,07 мм), их нельзя считать гибкими. Часто, при тепловом расширении, сильной вибрации (ударах) некоторые выводы могут быть повреждены. Поэтому BGA не является популярной технологией в военной технике и авиастроении.

В некоторых модификациях корпуса герметизация кристалла интегральной среды осуществляется металлической крышкой, которая дополнительно выполняет функции теплоотвода.

Таким образом, при использовании BGA-технологии необходимо внимательно анализировать особенности условий применения компонентов и узлов на ее основе, например, с точки зрения таких параметров, как теплоотвод и прочность BGA-выводов.

Литература:

1. Грачов, А. О. Поверхневий монтаж при конструюванні й виробництві електронної апаратури: рос. мовою. / А. О. Грачов, А. А. Мельник, Л. І. Панов. - Одеса: ЦНТЕПІ ОНЮА, 2003. - 428 с.

2. Кундас, С.П. Технология поверхностного монтажа: уч. пособие / С. П. Кундас, А. П. Достанко, Л. П. Ануфриев и др. - Минск: «Армито-Маркетинг, Менеджмент», 2000. - 350 с.

3. Семенец, В. В. Технология межсоединений электронной аппаратуры: учеб. для вузов / В. В. Семенец, Джон Кратц, И. Ш. Невлюдов, В. А. Палагин. - Х. : изд. «СМИТ», 2005. - 432 с.

4. Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.. - 04.08.2005.