Asamblea BGA

BGA, también conocida como tecnología de empaque Ball Grid Array, es una tecnología de empaque de montaje en superficie de alta densidad. En la parte inferior del paquete, los pines son esféricos y están dispuestos en forma de cuadrícula, de ahí el nombre BGA.

¿Cuáles son las ventajas del embalaje BGA? ¿En qué se diferencia de otros métodos de envasado?

1. Diseño y densidad de pines

Embalaje de pin tradicional (como DIP, SOP, etc.) normalmente dispone los pines del chip en dos o cuatro lados del encapsulado. Por el contrario, el encapsulado BGA distribuye los pines del chip por toda la superficie inferior y los conecta mediante bolas de soldadura esféricas. Esta disposición permite que el encapsulado BGA alcance una mayor densidad de pines, lo que permite una reducción del volumen a un tercio manteniendo la misma capacidad de memoria. Esto lo hace adecuado para chips de alto rendimiento con una gran cantidad de pines, como procesadores y chips gráficos.

2. Proceso de fabricación

Los procesos tradicionales de fabricación de paquetes de pines a menudo requieren operaciones manuales de alineación y soldadura de pines, que consumen mucho tiempo y son propensas a errores. Por el contrario, el embalaje BGA suele utilizar equipos automatizados para la fabricación, lo que elimina la necesidad de alineación manual de pines y soldadura. Esto hace que el proceso de envasado BGA sea más eficiente, confiable y rentable.

3. Rendimiento térmico

Los envases tradicionales con pines suelen carecer de un diseño térmico especial. Sin embargo, el embalaje BGA suele tener un fondo metálico, con un área de contacto más grande que ayuda a una mejor disipación del calor. Además, la conexión del chip y el sustrato a través de bolas de soldadura forma una fuerte ruta de conducción térmica, lo que permite que el calor generado dentro del chip se disipe de manera más efectiva al ambiente externo. Por lo tanto, en comparación con otros métodos de envasado, el envasado BGA sobresale en rendimiento térmico.

4. Transmisión de señal e interferencia

En el empaquetado de pines tradicional, los pines conectan el chip y el sustrato a través de cables largos y estrechos, que son susceptibles al ruido de la señal y a la diafonía. Por el contrario, el embalaje BGA conecta el chip y el sustrato mediante bolas de soldadura, lo que da como resultado rutas de transmisión de señal más cortas y estables. Esto reduce efectivamente el riesgo de interferencia de la señal y proporciona una transmisión de señal más confiable.

5. Estabilidad mecánica

Debido a su rendimiento superior, el empaque BGA es particularmente adecuado para chips de alta densidad y alta potencia, como microprocesadores y chips gráficos. Es ampliamente utilizado en equipos de comunicación, computadoras, electrónica automotriz, electrónica de consumo, control industrial e instrumentación.

Flujo del proceso de envasado BGA

1. Adelgazamiento de oblea

El adelgazamiento de la oblea se logra rectificando la parte posterior de la oblea con una muela abrasiva a alta velocidad. Este proceso también requiere refrigeración con agua y limpieza para evitar la acumulación de calor y residuos. Si es necesario adelgazar la viruta hasta un cierto espesor, se pule según el tipo de producto para reducir la tensión interna. Después del adelgazamiento, la película de la superficie de la oblea se retira con cinta adhesiva, seguido de una medición del espesor y una inspección de calidad.

2. Corte de virutas

Después de adelgazar la oblea, ésta se fija sobre un anillo de metal usando cinta azul para cortarla en chips individuales. Los principales métodos de corte de virutas son el corte con cuchilla y el corte por láser. El corte con cuchilla utiliza una cuchilla circular para cortar completamente a lo largo de la ruta de corte en cubitos de la oblea, dividiendo la oblea en chips individuales que están ordenados en la cinta azul. El corte por láser utiliza la energía de un rayo láser para evaporar el material a lo largo del recorrido del corte en cubitos, separando la oblea en chips individuales. A medida que los procesos de obleas IC avanzan por debajo de los 10 nm, se utilizan más materiales de baja k y el corte por láser puede satisfacer las necesidades de corte sin contacto, ancho de corte estrecho y alta calidad de corte.

3. Montaje de chips

El montaje del chip implica fijar el chip al sustrato utilizando materiales como pasta de plata o película DAF, según el dibujo de diseño. El objetivo principal es asegurar el chip y conducir el calor desde el chip.

4. Limpieza con plasma

La limpieza con plasma antes de la unión de cables utiliza iones de argón ionizados, electrones y grupos activos para volatilizar los contaminantes en el sustrato y la superficie del chip, que luego se eliminan mediante un sistema de vacío. Esto logra una limpieza de la superficie, mejorando la fuerza de unión durante la unión del alambre. La limpieza con plasma antes de la encapsulación funciona de manera similar, utilizando iones de oxígeno y argón de alta energía para limpiar los contaminantes de la superficie y los residuos de carbono, activando la superficie del sustrato para aumentar la fuerza de unión entre la PCB y el material de encapsulación, mejorando la confiabilidad del producto.

5. Unión de cables

La unión de cables es un paso crucial en el embalaje, donde los cables (aleación de oro, cobre o plata) se unen a las almohadillas de aluminio del chip y a las almohadillas metálicas del sustrato, logrando la conexión eléctrica. La siguiente imagen muestra la imagen SEM después de la unión de cables BGA.

6. Encapsulación

La encapsulación implica fundir el material de encapsulación a altas temperaturas en un líquido de baja viscosidad, que luego se inyecta en la cavidad del molde. La resina epoxi interna del material de encapsulación cura con la ayuda de endurecedores y agentes de acoplamiento, completando la encapsulación.

7. Postcurado

El poscurado implica hornear el material encapsulado a altas temperaturas para completar la reacción del material de encapsulación, estabilizar la estructura molecular de la resina epoxi, aumentar la dureza de la encapsulación y aliviar la tensión interna.

8. Calificación

El marcado implica impresión con tinta o grabado láser en la parte frontal del chip para etiquetar el nombre del producto, la fecha de producción y otra información para la identificación y trazabilidad del producto, como se muestra a continuación.

9. Colocación de la pelota

Este es un proceso especial en el empaque BGA donde las bolas de soldadura se colocan en las almohadillas de soldadura (NiAu u OSP de cobre) en la parte posterior del sustrato. Se aplica pasta de soldadura y las bolas se hacen refluir en un horno para formar un eutéctico con las almohadillas de soldadura, asegurando las bolas al sustrato después del enfriamiento. Las bolas de soldadura por reflujo se convierten en los pines de E/S del paquete BGA, conectando el chip a circuitos externos. La siguiente imagen ilustra el proceso de colocación de la pelota.

10. Singulación

Antes de la singularización, todos los procesos se llevan a cabo en tiras. Este paso implica separar la tira de sustrato BGA en chips BGA individuales mediante corte o estampado, formando el producto final.

Consideraciones sobre la distribución en abanico de BGA

1. BGA de 1.0 mm

• Traza única entre vías: use vía de 10 a 22 mil, ancho de traza de 6 mil y espacio libre entre traza y vía de 5.5 mil.
• Traza única entre vías: use vía de 8 a 18 mil, ancho de traza de 6 mil y espacio libre entre traza y vía de 7.5 mil.
• Dos trazas entre vías: use vía de 8 a 18 mil, ancho de traza de 4 mil, separación de traza a traza de 4 mil, separación de traza a vía de 4.6 mil. Para pares diferenciales, utilice un espaciado de 4/4 mil dentro del BGA y cambie a un espaciado diferencial fuera del BGA.

2. BGA de 0.8 mm

• Solo una traza entre vías adyacentes: generalmente use vías de 8 a 18 mil, ancho de traza de 5 mil, 4 mil de traza a traza y 4.24 mil de espacio entre traza y vía.

3. BGA de 0.65 mm

• Utilice vías de 8-16 mil, sin rastros entre vías adyacentes, ajuste la distribución en abanico.
• Utilice vía de 8-16 mil, trazas entre vías adyacentes, reducción de la almohadilla de la capa interna, ancho de traza de 4 mil, espacio libre entre vía y traza de 5.3 mil (Nota: no hay trazas en la misma capa con cables de vía).
• Utilice una vía de 8 a 14 mil, un ancho de traza de 3.5 mil, un espacio de 4 mil y un espacio entre la traza y la vía de 4 mil. Este método puede seguir el enrutamiento BGA estándar, pero su fabricación es un desafío.