Работа с BGA: дизайн и компоновка

Корпус Ball Grid Array, или корпус BGA, больше не является эксклюзивным прерогативой больших и сложных микросхем на материнских платах компьютеров: сегодня даже простые микроконтроллеры доступны с этими маленькими шариками припоя. Тем не менее, многие любители предпочитают использовать корпуса QFP и QFN, потому что их легче паять. Хотя это справедливо, корпуса BGA могут обеспечить значительную экономию места, а иногда и являются единственным выбором: из-за продолжающейся нехватки чипов некоторые другие версии пакетов могут быть просто недоступны. Даже пайка не должна быть сложной: если вы уже знакомы с паяльной пастой и профилями оплавления, добавить в смесь один или два BGA довольно легко.

В этой статье мы покажем, что работать с BGA-микросхемами не так сложно, как может показаться. Основное внимание будет уделено проектированию печатных плат: как нарисовать правильные контуры, как проложить множество сигналов и какими возможностями должен обладать ваш производитель печатных плат. Мы рассмотрим методы пайки и доработки в следующей статье, но сначала давайте посмотрим, почему BGA вообще используются.

По мере развития компьютерных технологий в 1990-х годах материнские платы внутри наших ПК становились все более и более сложными. 8-битные шины данных 1980-х годов уступили место 16-битным, 32-битным и даже 64-битным шинам между ЦП, основной памятью и картами расширения, такими как контроллеры жестких дисков и адаптеры дисплея. Все эти шины нужно было вводить и вынимать из различных чипов, поэтому требовалось много контактов.

Типичным корпусом для сложных микросхем в то время был четырехъядерный корпус (QFP) с длинными рядами контактов в форме крыла чайки с каждой стороны. При увеличении количества контактов до 200 и более эти корпуса становились все более громоздкими: они не только становились очень большими по сравнению с микросхемой внутри, но и контакты становились чрезвычайно маленькими и хрупкими. Большие чипы QFP требуют осторожного обращения, чтобы избежать сгибания контактов и невозможности пайки чипа.

Пакет Ball Grid Array, или BGA, был разработан для решения обеих этих проблем. Размещение контактов в сетке внизу корпуса, а не разнесение их по краям, обеспечивает гораздо более эффективную конструкцию. Кроме того, шарики припоя намного прочнее, чем крошечные штырьки на корпусах QFP с малым шагом. Хотя производители изначально опасались проблем с производством и тестированием, корпус BGA оказался очень надежным и с тех пор стал повсеместно использоваться во всех типах электронного оборудования.

На рисунке ниже показана часть винтажной материнской платы ПК 1997 года, наглядно иллюстрирующая разницу в эффективности использования пространства между корпусами QFP и BGA. Контроллер ATI VGA слева имеет 208-контактный корпус QFP с шагом контактов 0,5 мм. Системный контроллер Ali M1531 (справа) умещает 328 контактов на корпусе BGA с гораздо более удобным шагом шариков припоя 1,27 мм.

Корпус BGA обычно строится вокруг промежуточного устройства: небольшой печатной платы, которая служит интерфейсом между реальным чипом и платой, на которой он установлен. Чип соединен проводом с интерпозером и покрыт защитной эпоксидной смолой. Промежуточный преобразователь направляет сигналы от края чипа к множеству контактных площадок внизу, к которым прикреплены маленькие шарики припоя. Готовый корпус BGA затем помещается на печатную плату и нагревается. Шарики припоя плавятся и создают соединение между платой и переходником.

Типичные BGA того времени имели шаг шарика 1,27 мм. По мере совершенствования технологий корпуса BGA становились все меньше и меньше, пока промежуточный элемент не стал намного больше внутреннего чипа. Эти миниатюрные BGA известны как корпуса размером с микросхему или CSP, и обычно имеют шаг шарика от 1,0 до 0,5 мм.

Однако на этом поиски миниатюризации не закончились: производители полупроводников в конечном итоге разработали флип-чип BGA, или корпус микросхемы уровня пластины (WL-CSP), который вообще отказался от промежуточного устройства. Вместо этого в конструкциях с перевернутым чипом шарики припоя размещаются непосредственно на поверхности чипа с шагом, составляющим всего 0,3 мм. Затем чип монтируется на печатную плату в перевернутом виде либо с защитным слоем эпоксидной смолы на обратной стороне, либо вообще без упаковки.