دستگاه BGA Ic Reballing

دستگاه بازکاری BGA سطح بالا و کاملاً اتوماتیک که برای آن شرکت‌های مرزی استفاده می‌شود

شامل اما نه محدود به آن تراشه ها به شرح زیر است:

چهار نوع اصلی BGAها از نظر ویژگی‌های ساختاری و سایر جنبه‌ها توضیح داده شده‌اند.

1.1 PBGA (Plastic Ball Grid Array) PBGA که معمولاً به عنوان OMPAC (Overmolded Plastic Array Carrier) شناخته می شود، رایج ترین نوع بسته بندی BGA است (شکل 1 را ببینید). حامل PBGA یک بستر معمولی تخته چاپی مانند FR{3}}، رزین BT و غیره است. ویفر سیلیکونی با اتصال سیمی به سطح بالایی حامل متصل می شود و سپس با پلاستیک و لحیم کاری قالب گیری می شود. آرایه توپ از ترکیب یوتکتیک (37Pb/63Sn) به سطح زیرین حامل متصل است. آرایه توپ لحیم کاری می تواند به طور کامل یا جزئی در سطح پایین دستگاه توزیع شود (شکل 2 را ببینید). اندازه معمول توپ لحیم کاری حدود 0.75 تا 0.89 میلی‌متر است و گام توپ لحیم کاری 1.{12}} میلی‌متر، 1.27 میلی‌متر و 1.5 میلی‌متر است.

شکل 2

PBGA ها را می توان با تجهیزات و فرآیندهای نصب سطحی موجود مونتاژ کرد. ابتدا خمیر لحیم جزء یوتکتیک به روش چاپ شابلون بر روی پدهای PCB مربوطه چاپ می شود و سپس گلوله های لحیم PBGA در خمیر لحیم فشرده شده و دوباره جریان می یابد. این یک لحیم یوتکتیک است، بنابراین در طول فرآیند جریان مجدد، توپ لحیم کاری و خمیر لحیم کاری یوتکتیک هستند. به دلیل وزن دستگاه و اثر کشش سطحی، گوی لحیم فرو می ریزد تا شکاف بین کف دستگاه و PCB کاهش یابد و محل اتصال لحیم کاری پس از انجماد بیضی شکل می شود. امروزه PBGA169~313 به صورت انبوه تولید شده است و شرکت های بزرگ به طور مداوم در حال توسعه محصولات PBGA با تعداد ورودی/خروجی بالاتر هستند. انتظار می رود که تعداد I/O در دو سال گذشته به 600 تا 1000 برسد.

مزایای اصلی پکیج PBGA:

① PBGA را می توان با استفاده از فناوری مونتاژ موجود و مواد خام تولید کرد و هزینه کل بسته نسبتاً پایین است. ② در مقایسه با دستگاه های QFP، کمتر مستعد آسیب مکانیکی است. ③ قابل استفاده برای مونتاژ الکترونیکی انبوه. چالش های اصلی فناوری PBGA، اطمینان از همسطح بودن بسته، کاهش جذب رطوبت و جلوگیری از پدیده «پاپ کورن» و حل مشکلات قابلیت اطمینان ناشی از افزایش اندازه قالب سیلیکونی است، برای بسته های تعداد ورودی/خروجی بالاتر، فناوری PBGA دشوارتر خواهد بود. از آنجایی که مواد مورد استفاده برای حامل، بستر تخته چاپی است، ضریب انبساط حرارتی (TCE) حامل های PCB و PBGA در مجموعه تقریباً یکسان است، بنابراین در طول فرآیند لحیم کاری مجدد، تقریباً هیچ تنشی روی دستگاه وارد نمی شود. اتصالات لحیم کاری، و قابلیت اطمینان از اتصالات لحیم کاری ضربه نیز کوچکتر است. مشکلی که امروزه برنامه‌های کاربردی PBGA با آن مواجه می‌شوند این است که چگونه می‌توان هزینه بسته‌بندی PBGA را کاهش داد، به طوری که PBGA همچنان می‌تواند در صورت کاهش تعداد ورودی/خروجی، نسبت به QFP در هزینه صرفه‌جویی کند.

1.2 CBGA (آرایه شبکه توپ سرامیکی)

CBGA معمولاً به عنوان SBC (Solder Ball Carrier) نیز شناخته می شود و نوع دوم بسته BGA است (شکل 3 را ببینید). ویفر سیلیکونی CBGA به سطح بالایی حامل سرامیکی چند لایه متصل می شود. اتصال ویفر سیلیکونی و حامل سرامیکی چند لایه می تواند به دو صورت باشد. اولین مورد این است که لایه مدار ویفر سیلیکونی رو به بالا است و اتصال با جوشکاری فشار سیم فلزی محقق می شود. مورد دیگر این است که لایه مدار ویفر سیلیکونی رو به پایین است و اتصال بین ویفر سیلیکونی و حامل توسط ساختار فلیپ تراشه محقق می شود. پس از اتمام اتصال ویفر سیلیکونی، ویفر سیلیکونی با یک پرکننده مانند رزین اپوکسی محصور می شود تا قابلیت اطمینان را بهبود بخشد و حفاظت مکانیکی لازم را ایجاد کند. در سطح پایینی حامل سرامیکی، یک آرایه توپ لحیم کاری 90Pb/10Sn متصل است. توزیع آرایه توپ لحیم کاری می تواند به طور کامل یا جزئی توزیع شود. اندازه توپ های لحیم کاری معمولاً حدود 0.89 میلی متر است و فاصله آنها از شرکتی به شرکت دیگر متفاوت است. مشترک 1.0 میلی متر و 1.27 میلی متر. دستگاه‌های PBGA را می‌توان با تجهیزات و فرآیندهای مونتاژ موجود نیز مونتاژ کرد، اما کل فرآیند مونتاژ با PBGA به دلیل اجزای مختلف توپ لحیم کاری از PBGA متفاوت است. دمای جریان مجدد خمیر لحیم یوتکتیک مورد استفاده در مونتاژ PBGA 183 درجه است در حالی که دمای ذوب گلوله های لحیم کاری CBGA حدود 300 درجه است. اکثر فرآیندهای جریان مجدد نصب سطحی در 220 درجه جریان می یابند. در این دمای جریان مجدد، فقط لحیم کاری ذوب می شود. خمیر کنید، اما گلوله های لحیم کاری ذوب نمی شوند. بنابراین، برای تشکیل اتصالات لحیم کاری خوب، مقدار خمیر لحیم کاری که روی لنت ها از دست می رود بیشتر از PBGA است. اتصالات لحیم کاری. پس از جریان مجدد، لحیم یوتکتیک حاوی گلوله های لحیم کاری برای تشکیل اتصالات لحیم کاری است و توپ های لحیم کاری به عنوان یک تکیه گاه سفت و سخت عمل می کنند، بنابراین شکاف بین پایین دستگاه و PCB معمولا بزرگتر از PBGA است. اتصالات لحیم کاری CBGA توسط دو لحیم ترکیبی مختلف Pb/Sn تشکیل می شود، اما رابط بین لحیم کاری یوتکتیک و توپ های لحیم کاری در واقع مشخص نیست. معمولاً آنالیز متالوگرافی اتصالات لحیم کاری در ناحیه رابط قابل مشاهده است. یک ناحیه گذار از 90Pb/10Sn به 37Pb/63Sn تشکیل می شود. برخی از محصولات از دستگاه های بسته بندی شده CBGA با تعداد ورودی/خروجی 196 تا 625 استفاده کرده اند، اما استفاده از CBGA هنوز فراگیر نشده است و توسعه بسته های CBGA با تعداد ورودی/خروجی بالاتر نیز دچار رکود شده است، عمدتاً به دلیل وجود مونتاژ CBGA. عدم تطابق ضریب انبساط حرارتی (TCE) بین PCB و حامل سرامیکی چند لایه مشکلی است که باعث می‌شود اتصالات لحیم کاری CBGA با اندازه‌های بسته بزرگتر در طول چرخه حرارتی از کار بیفتند. از طریق تعداد زیادی تست قابلیت اطمینان، تایید شده است که CBGA با اندازه بسته‌بندی کوچکتر از 32 × 32 میلی‌متر می‌تواند مشخصات تست چرخه حرارتی استاندارد صنعت را برآورده کند. تعداد ورودی/خروجی های CBGA به کمتر از 625 محدود است. برای بسته های سرامیکی با سایز بیش از 32mm×32mm، باید انواع دیگر BGA را در نظر گرفت.

تصویر 3

مزایای اصلی بسته بندی CBGA عبارتند از: (1) دارای خواص الکتریکی و حرارتی عالی است. (2) عملکرد آب بندی خوبی دارد. (3) در مقایسه با دستگاه های QFP، CBGAها کمتر در معرض آسیب مکانیکی هستند. (4) مناسب برای برنامه های مونتاژ الکترونیکی با اعداد ورودی/خروجی بیشتر از 250. علاوه بر این، از آنجایی که اتصال بین ویفر سیلیکونی CBGA و سرامیک چند لایه را می توان با فلیپ تراشه متصل کرد، می تواند به تراکم اتصال بالاتری دست یابد. نسبت به اتصال سیم در بسیاری از موارد، به‌ویژه در برنامه‌هایی با تعداد ورودی/خروجی بالا، اندازه سیلیکون ASICها با اندازه پدهای اتصال سیم محدود می‌شود. اندازه را می توان بدون به خطر انداختن عملکرد کاهش داد و در نتیجه هزینه ها را کاهش داد. توسعه فناوری CBGA چندان دشوار نیست و چالش اصلی آن نحوه استفاده گسترده CBGA در زمینه های مختلف صنعت مونتاژ الکترونیک است. ابتدا باید قابلیت اطمینان بسته CBGA در محیط صنعتی تولید انبوه تضمین شود. دوم اینکه هزینه بسته CBGA باید با سایر بسته های BGA قابل مقایسه باشد. به دلیل پیچیدگی و هزینه نسبتا بالای بسته بندی CBGA، CBGA به محصولات الکترونیکی با عملکرد بالا و نیازهای تعداد I/O بالا محدود می شود. علاوه بر این، به دلیل وزن بیشتر بسته های CBGA نسبت به سایر انواع بسته های BGA، کاربرد آنها در محصولات الکترونیکی قابل حمل نیز محدود است.

1.3 CCGA (آرایه شبکه ستون سرامیکی) CCGA، همچنین به عنوان SCC (Solder Column Carrier) شناخته می شود، شکل دیگری از CBGA است زمانی که اندازه بدنه سرامیکی بزرگتر از 32 میلی متر × 32 میلی متر است (شکل 4 را ببینید). سطح پایینی حامل سرامیکی به گلوله های لحیم کاری متصل نیست بلکه به 9 ستون لحیم کاری 0Pb/10Sn متصل است. آرایه ستون لحیم کاری می تواند به طور کامل یا جزئی توزیع شود. قطر ستون لحیم کاری معمولی حدود 0.5 میلی متر و ارتفاع آن حدود 2.21 میلی متر است. فاصله معمولی بین آرایه های ستون 1.27 میلی متر. دو شکل CCGA وجود دارد، یکی این که ستون لحیم کاری و پایین سرامیک توسط لحیم کاری یوتکتیک به هم متصل می شوند و دیگری یک ساختار ثابت از نوع ریختگی است. ستون لحیم کاری CCGA می تواند تنش ناشی از عدم تطابق ضریب انبساط حرارتی TCE PCB و حامل سرامیکی را تحمل کند. تعداد زیادی از تست‌های قابلیت اطمینان تایید کرده‌اند که CCGA با اندازه بسته‌بندی کمتر از 44mm × 44mm می‌تواند مشخصات تست چرخه حرارتی استاندارد صنعت را برآورده کند. مزایا و معایب CCGA و CBGA بسیار مشابه است، تنها تفاوت آشکار این است که ستون های لحیم کاری CCGA نسبت به توپ های لحیم کاری CBGA در معرض آسیب های مکانیکی در طول فرآیند مونتاژ هستند. برخی از محصولات الکترونیکی شروع به استفاده از بسته های CCGA کرده اند، اما بسته های CCGA با شماره I/O بین 626 تا 1225 هنوز به تولید انبوه نرسیده اند و بسته های CCGA با شماره I/O بیشتر از 2000 هنوز در دست توسعه هستند.

شکل 4

1.4 TBGA (آرایه توری توپ نواری)

TBGA که با نام ATAB (Araay Tape Automated Bonding) نیز شناخته می شود، یک نوع بسته نسبتاً جدید از BGA است (شکل 6 را ببینید). حامل TBGA یک نوار فلزی دو لایه مس / پلی آمید / مس است. سطح بالایی حامل با سیم های مسی برای انتقال سیگنال توزیع می شود و طرف دیگر به عنوان لایه زمین استفاده می شود. ارتباط بین ویفر سیلیکونی و حامل را می توان با فناوری فلیپ تراشه محقق کرد. پس از اتمام اتصال ویفر سیلیکونی و حامل، ویفر سیلیکونی برای جلوگیری از آسیب مکانیکی کپسوله می شود. ویاهای روی حامل نقش اتصال دو سطح و انتقال سیگنال را ایفا می‌کنند و گوی‌های لحیم کاری از طریق یک فرآیند میکروجوشکاری شبیه به اتصال سیم به لحیم کاری متصل می‌شوند تا آرایه توپ لحیم کاری را تشکیل دهند. یک لایه تقویت کننده به سطح بالایی حامل چسبانده می شود تا استحکام بسته را فراهم کند و از همسطح بودن بسته اطمینان حاصل کند. هیت سینک به طور کلی با چسب رسانای حرارتی به قسمت پشتی فلیپ چیپ متصل می شود تا ویژگی های حرارتی خوبی را برای بسته ارائه دهد. ترکیب توپ لحیم کاری TBGA 90Pb/10Sn است، قطر گلوله لحیم کاری حدود 0.65 میلی متر است و گام های آرایه توپ لحیم کاری معمولی 1.0 میلی متر، 1.27 میلی متر و 1.5 است. میلی متر مونتاژ بین TBGA و PCB لحیم یوتکتیک 63Sn/37Pb است. TBGA ها همچنین می توانند با استفاده از تجهیزات و فرآیندهای نصب سطحی موجود با استفاده از روش های مونتاژ مشابه با CBGA ها مونتاژ شوند. امروزه تعداد ورودی/خروجی ها در پکیج پرکاربرد TBGA کمتر از 448 عدد است. محصولاتی مانند TBGA736 عرضه شده اند و برخی از شرکت های بزرگ خارجی در حال توسعه TBGA با تعداد ورودی/خروجی های بیش از 1000 هستند. بسته‌های TBGA عبارت‌اند از: ① سبک‌تر و کوچک‌تر از سایر انواع بسته‌های BGA است (مخصوصاً بسته‌هایی که تعداد ورودی/خروجی بیشتری دارند). ②خواص الکتریکی بهتری نسبت به بسته های QFP و PBGA دارد. ③ مناسب برای مونتاژ الکترونیکی انبوه. علاوه بر این، این بسته از یک فرم فلیپ تراشه با چگالی بالا برای برقراری ارتباط بین تراشه سیلیکونی و حامل استفاده می کند، به طوری که TBGA دارای مزایای زیادی مانند نویز سیگنال کم است، زیرا ضریب انبساط حرارتی TCE برد چاپی و لایه تقویتی در بسته TBGA اساساً با یکدیگر مطابقت دارند. بنابراین، تاثیر روی قابلیت اطمینان اتصالات لحیم کاری TBGA پس از مونتاژ زیاد نیست. مشکل اصلی که در بسته بندی TBGA با آن مواجه می شود تاثیر جذب رطوبت بر روی بسته بندی است. مشکلی که برنامه های TBGA با آن مواجه می شوند این است که چگونه در زمینه مونتاژ الکترونیکی جایگاهی را به خود اختصاص دهند. اول اینکه قابلیت اطمینان TBGA باید در محیط تولید انبوه ثابت شود و ثانیاً هزینه بسته بندی TBGA باید با بسته بندی PBGA قابل مقایسه باشد. به دلیل پیچیدگی و هزینه نسبتاً بالای بسته بندی TBGA، TBGA ها عمدتاً در محصولات الکترونیکی با کارایی بالا و تعداد I/O بالا استفاده می شوند. 2 تراشه فلیپ: بر خلاف سایر دستگاه های نصب سطحی، تراشه فلیپ فاقد بسته بندی است و آرایه اتصال روی سطح تراشه سیلیکونی توزیع می شود و جایگزین فرم اتصال سیم می شود و تراشه سیلیکونی مستقیماً روی PCB در یک دستگاه نصب می شود. روش معکوس تراشه فلیپ دیگر نیازی به هدایت پایانه های ورودی/خروجی از تراشه سیلیکونی به اطراف ندارد، طول اتصال به شدت کوتاه می شود، تاخیر RC کاهش می یابد و عملکرد الکتریکی به طور موثر بهبود می یابد. سه نوع اصلی اتصالات فلیپ چیپ وجود دارد: C4، DC4 وFCAA.