ما هي صفيف شبكة الكرة (BGA)؟الفوائد والأنواع وعملية التجميع
2024-09-09 2635

أصبحت حزم صفيف شبكة الكرة (BGA) شائعة جدًا في الإلكترونيات ، خاصة بالنسبة للدوائر المتكاملة المثبتة على السطح (SMD) التي تحتاج إلى العديد من الاتصالات في مساحة صغيرة.على عكس التصميمات القديمة ، التي تضع اتصالات حول حواف الشريحة ، تستخدم BGA الجانب السفلي من الشريحة للاتصالات.هذا يجعل من السهل تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCBS) عن طريق تقليل الفوضى والسماح بتخطيطات أكثر إحكاما.تستكشف هذه المقالة سبب تفضيل حزم BGA ، والمزايا التي تقدمها ، وأيونات V ariat من BGA ، والتحديات التي تواجهها أثناء التجميع وإعادة العمل.سواء في الإلكترونيات الاستهلاكية أو التطبيقات الصناعية ، تعمل تقنية BGA على تحسين تصميم وتصنيع الدوائر.

كتالوج

الشكل 1: صفيف شبكة الكرة (BGA)

لماذا تفضل حزم صفيف شبكة الكرة (BGA)؟

صفيف شبكة الكرة (BGA) هو نوع من عبوات الجبال السطحية المستخدمة للدوائر المتكاملة (ICS).إنه يتميز كرات لحام على الجانب السفلي من الرقاقة بدلاً من المسامير التقليدية التي تجعلها مثالية للأجهزة التي تحتاج إلى كثافة عالية الاتصال في مساحة صغيرة.تمثل حزم صفيف شبكة الكرة (BGA) تحسنًا كبيرًا على تصميم Pack Flat الأقدم (QFP) في تصنيع الإلكترونيات.QFPs ، مع دبابيسها الرقيقة والمساعدة بإحكام ، معرضة للانحناء أو كسر.يجعل الإصلاحات صعبة ومكلفة ، خاصة بالنسبة للدوائر التي لديها العديد من المسامير.

تشكل المسامير المعبأة بشكل وثيق على QFPs مشاكل أثناء تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCBS).يمكن أن يتسبب التباعد الضيق في احتقان المسار ، مما يجعل من الصعب توجيه الاتصالات بكفاءة.هذا الازدحام يمكن أن يضر كل من تخطيط وأداء الدائرة.علاوة على ذلك ، فإن الدقة المطلوبة لحام دبابيس QFP تزيد من خطر إنشاء جسور غير مرغوب فيها بين المسامير ، مما قد يتسبب في خلل الدائرة.

حزم BGA حل العديد من هذه القضايا.بدلاً من المسامير الهشة ، تستخدم BGAs كرات اللحام الموضوعة أسفل الشريحة التي تقلل من فرصة الأضرار المادية وتسمح بتصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور أكثر اتساعًا وأقل ازدحامًا.هذا التصميم يجعل من السهل التصنيع ، مع تحسين موثوقية مفاصل اللحام.نتيجة لذلك ، أصبحت BGAs معيار الصناعة.باستخدام الأدوات والتقنيات المتخصصة ، لا تعمل تقنية BGA على تبسيط عملية التصنيع فحسب ، بل تعزز أيضًا التصميم الكلي للأداء والأداء للمكونات الإلكترونية.

فوائد تقنية صفيف شبكة الكرة (BGA)

حولت تقنية صفيف شبكة الكرة (BGA) الطريقة التي يتم بها تعبئة الدوائر المتكاملة (ICS).وهذا يؤدي إلى تحسينات في كل من الوظائف والكفاءة.هذه التحسينات لا تبسيل عملية التصنيع فحسب ، بل تستفيد أيضًا من أداء الأجهزة باستخدام هذه الدوائر.

الشكل 2: صفيف شبكة الكرة (BGA)

واحدة من مزايا عبوة BGA هي استخدامها الفعال للمساحة على لوحات الدوائر المطبوعة (PCBS).تضع الحزم التقليدية اتصالات حول حواف الشريحة ، وتشغل مساحة أكبر.ومع ذلك ، تضع حزم BGA كرات اللحام أسفل الشريحة ، والتي تحرر مساحة قيمة على السبورة.

تقدم BGAs أيضًا أداء حراري وكهربائي فائق.يسمح التصميم بالطائرات المتأخرة والأرض ، وتقليل الحث وضمان إشارات كهربائية أنظف.هذا يؤدي إلى تحسين سلامة الإشارة ، وهو أمر مهم في التطبيقات عالية السرعة.بالإضافة إلى ذلك ، فإن تخطيط حزم BGA يسهل تبديد الحرارة بشكل أفضل ، مما يمنع ارتفاع درجة الحرارة في الإلكترونيات التي تنتج الكثير من الحرارة أثناء التشغيل ، مثل المعالجات وبطاقات الرسومات.

عملية التجميع لحزم BGA هي أيضا أكثر وضوحا.بدلاً من الحاجة إلى لحام دبابيس صغيرة على طول حافة الشريحة ، توفر كرات اللحام تحت حزمة BGA اتصالًا أكثر قوة وموثوقية.يؤدي هذا إلى عدد أقل من العيوب أثناء التصنيع ويساهم في ارتفاع كفاءة الإنتاج ، وخاصة في بيئات الإنتاج الضخم.

فائدة أخرى من تقنية BGA هي قدرتها على دعم تصميمات الأجهزة النحافة.تعتبر حزم BGA أرق من تصميمات الرقائق الأقدم التي تسمح للمصنعين بإنشاء أجهزة أكثر أناقة وأكثر إحكاما دون التضحية بالأداء.هذا مهم بشكل خاص للإلكترونيات المحمولة مثل الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة ، حيث يكون الحجم والوزن عوامل مهمة.

بالإضافة إلى الانضغاط ، فإن حزم BGA تجعل الصيانة والإصلاح أسهل.تقوم وسادات اللحام الأكبر أسفل الشريحة بتبسيط عملية إعادة صياغة أو تحديث اللوحة ، والتي يمكن أن تمدد عمر الجهاز.هذا مفيد للمعدات ذات التقنية العالية التي تتطلب موثوقية طويلة الأجل.

بشكل عام ، فإن مزيج التصميم الموفر للمساحة ، والأداء المحسن ، والتصنيع المبسط ، والإصلاحات الأسهل جعل تكنولوجيا BGA الخيار المفضل للإلكترونيات الحديثة.سواء في الأجهزة الاستهلاكية أو التطبيقات الصناعية ، تقدم BGAs حلاً موثوقًا وفعالًا للمتطلبات الإلكترونية المعقدة اليوم.

فهم حزمة صفيف شبكة الكرة (BGA)

على عكس طريقة Quad Flat Pack الأقدم (QFP) التي تربط المسامير على طول حواف الشريحة ، يستخدم BGA الجانب السفلي من الشريحة للاتصالات.يحرر هذا التصميم مساحة ويسمح باستخدام اللوحة أكثر كفاءة ، وتجنب القيود المرتبطة بحجم الدبوس والتباعد.

في حزمة BGA ، يتم ترتيب الاتصالات في شبكة أسفل الشريحة.بدلاً من المسامير التقليدية ، يتم استخدام كرات اللحام الصغيرة لتشكيل الاتصالات.تتطابق كرات اللحام هذه مع منصات النحاس المقابلة على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) ، مما يؤدي إلى إنشاء نقاط اتصال مستقرة وموثوقة عند تثبيت الشريحة.هذا الهيكل لا يحسن متانة الاتصال فحسب ، بل يبسط أيضًا عملية التجميع ، حيث أن محاذاة المكونات وحامتها أكثر وضوحًا.

واحدة من مزايا حزم BGA هي قدرتها على إدارة الحرارة بشكل أكثر فعالية.من خلال تقليل المقاومة الحرارية بين شريحة السيليكون و PCB ، تساعد BGAs في تبديد الحرارة بشكل أكثر كفاءة.هذا مهم بشكل خاص في الإلكترونيات عالية الأداء ، حيث تعد إدارة الحرارة مهمة للحفاظ على تشغيل مستقر وتوسيع عمر المكونات.

فائدة أخرى هي الخيوط الأقصر بين الشريحة والمجلس ، وذلك بفضل التصميم على الجانب السفلي من حاملة الرقائق.هذا يقلل من الحث الرصاص ، وتحسين سلامة الإشارة والأداء العام.وبالتالي ، فإنه يجعل حزم BGA الخيار المفضل للأجهزة الإلكترونية الحديثة.

متغيرات مختلفة من حزم صفيف شبكة الكرة (BGA)

الشكل 3: حزمة صفيف شبكة الكرة (BGA)

تطورت تقنية تغليف شبكة شبكة الكرة (BGA) لتلبية الاحتياجات المتنوعة من الإلكترونيات الحديثة ، من الأداء والتكلفة إلى الحجم وإدارة الحرارة.وقد أدت هذه المتطلبات المتنوعة إلى إنشاء العديد من المتغيرات BGA.

تم تصميم مجموعة شبكة كرة عملية مصفوفة (MAPBGA) للأجهزة التي لا تتطلب أداءً شديدًا ولكنها لا تزال بحاجة إلى الموثوقية والضغط.هذا البديل فعال من حيث التكلفة ، مع انخفاض الحث ، مما يجعل من السهل على السطح.إن حجمها الصغير والمتانة يجعلها خيارًا عمليًا لمجموعة واسعة من الإلكترونيات المنخفضة إلى منتصف الأداء.

لمزيد من الأجهزة الصعبة ، تقدم صفيف شبكة الكرة البلاستيكية (PBGA) ميزات محسنة.مثل MAPBGA ، فإنه يوفر الحث المنخفض والتصاعد السهل ، ولكن مع طبقات النحاس المضافة في الركيزة للتعامل مع متطلبات الطاقة العليا.هذا يجعل PBGA مناسبًا للأجهزة المتوسطة إلى عالية الأداء التي تحتاج إلى تبديد أكثر كفاءة في الطاقة مع الحفاظ على الموثوقية التي يمكن الاعتماد عليها.

عند إدارة الحرارة ، تتفوق مجموعة شبكة الكرة البلاستيكية المعززة حرارياً (TEPBGA).يستخدم طائرات نحاسية سميكة داخل الركيزة لرسم الحرارة بكفاءة بعيدًا عن الشريحة ، مما يضمن أن المكونات الحساسة حرارياً تعمل بأداء ذروة.هذا المتغير مثالي للتطبيقات التي تكون فيها الإدارة الحرارية الفعالة أولوية قصوى.

تم تصميم مجموعة شبكة الكرة الشريطية (TBGA) للتطبيقات عالية الأداء حيث تكون إدارة الحرارة المتفوقة مطلوبة ولكن المساحة محدودة.أدائها الحراري استثنائي دون الحاجة إلى غرفة تبريد خارجي ، مما يجعله مثاليًا للتجميعات المدمجة في الأجهزة الراقية.

في المواقف التي تكون فيها المساحة مقيدة بشكل خاص ، توفر تقنية Package on Package (POP) حلاً مبتكرًا.يسمح بتكديس مكونات متعددة ، مثل وضع وحدة الذاكرة مباشرة فوق المعالج ، مما يزيد من الوظائف داخل بصمة صغيرة جدًا.هذا يجعل البوب ​​مفيدًا للغاية في الأجهزة التي تكون فيها المساحة في قسط ، مثل الهواتف الذكية أو الأجهزة اللوحية.

بالنسبة للأجهزة المتطايرة فائقة التوطين ، يتوفر متغير Microbga في الملاعب الصغيرة التي تصل إلى 0.65 ، 0.75 ، و 0.8 ملم.يتيح حجمها الصغير أن يتلاءم مع إلكترونيات معبأة بشكل كثيف ، مما يجعلها خيارًا مفضلاً للأجهزة المتكاملة للغاية حيث يتم حساب كل ملليمتر.

يعرض كل من هذه المتغيرات BGA القدرة على تكييف تكنولوجيا BGA ، مما يوفر حلولًا مصممة لتلبية المطالب المتغيرة باستمرار لصناعة الإلكترونيات.سواء كانت فعالية من حيث التكلفة أو الإدارة الحرارية أو تحسين المساحة ، فهناك حزمة BGA مناسبة لأي تطبيق تقريبًا.

عملية تجميع شبكة الشبكة (BGA)

عندما تم تقديم حزم صفيف شبكة الكرة (BGA) لأول مرة ، كانت هناك مخاوف بشأن كيفية تجميعها بشكل موثوق.تحتوي حزم تقنية Mount Mount Technology التقليدية (SMT) على منصات يمكن الوصول إليها لسهولة اللحام ، لكن BGAs قدمت تحديًا مختلفًا نظرًا لوجود اتصالاتها أسفل الحزمة.هذا أثار الشكوك حول ما إذا كان يمكن أن يتم لحام BGAs أثناء الإنتاج.ومع ذلك ، فقد تم وضع هذه المخاوف بسرعة عندما تم اكتشاف أن تقنيات لحام التراجع القياسية كانت فعالة للغاية في تجميع BGAs ، مما أدى إلى مفاصل موثوقة باستمرار.

الشكل 4: مجموعة صفيف شبكة الكرة

تعتمد عملية لحام BGA على التحكم الدقيق في درجة الحرارة.أثناء لحام التراجع ، يتم تسخين التجميع بأكمله بشكل موحد ، بما في ذلك كرات اللحام الموجودة أسفل حزمة BGA.هذه الكرات لحام مغلفة مسبقًا بالمبلغ الدقيق من اللحام المطلوب للاتصال.مع ارتفاع درجة الحرارة ، يذوب اللحام ويشكل الاتصال.يساعد التوتر السطحي على حزمة BGA ذاتية المحاذاة مع الفوط المقابلة على لوحة الدائرة.يعمل التوتر السطحي كدليل ، مما يضمن بقاء كرات اللحام في مكانها أثناء مرحلة التدفئة.

بينما يبرد اللحام ، يمر بمرحلة قصيرة حيث تظل مصقولة جزئيًا.هذا مهم للسماح لكل كرة لحام بالاستقرار في موقعها الصحيح دون الاندماج مع الكرات المجاورة.تضمن السبائك المحددة المستخدمة في اللحام وعملية التبريد التي يتم التحكم فيها أن مفاصل اللحام تتشكل بشكل صحيح والحفاظ على الفصل.يساعد هذا المستوى من التحكم في نجاح مجموعة BGA.

على مر السنين ، تم تحسين وتوحيد الطرق المستخدمة لتجميع حزم BGA ، مما يجعلها جزءًا لا يتجزأ من تصنيع الإلكترونيات الحديثة.اليوم ، يتم دمج عمليات التجميع هذه بسلاسة في خطوط التصنيع ، وقد اختفت المخاوف الأولية بشأن موثوقية BGAs إلى حد كبير.نتيجة لذلك ، تعتبر حزم BGA الآن خيارًا فعالًا وفعالًا لتصميم المنتجات الإلكترونية ، مما يوفر المتانة والدقة للدوائر المعقدة.

التحديات والحلول

أحد التحديات الرئيسية مع أجهزة صفيف شبكة الكرة (BGA) هو أن الاتصالات ذات اللحام مخبأة أسفل الشريحة.هذا يجعلهم من المستحيل فحصها بصريًا باستخدام الطرق البصرية التقليدية.أثار هذا في البداية مخاوف بشأن موثوقية تجميعات BGA.استجابةً للاستجابة لذلك ، قام المصنعون بضبط عمليات اللحام الخاصة بهم ، مما يضمن تطبيق الحرارة بالتساوي عبر التجميع.هناك حاجة إلى توزيع الحرارة الموحد هذا لذوبان جميع كرات اللحام بشكل صحيح وتأمين اتصالات صلبة في كل نقطة داخل شبكة BGA.

في حين أن الاختبار الكهربائي يمكن أن يؤكد ما إذا كان الجهاز يعمل ، فهو لا يكفي لضمان الموثوقية على المدى الطويل.قد يبدو الاتصال صوتيًا كهربائيًا أثناء الاختبارات الأولية ، ولكن إذا كان مفصل اللحام ضعيفًا أو تم تشكيله بشكل غير صحيح ، فقد يفشل مع مرور الوقت.لمعالجة هذا ، أصبح فحص الأشعة السينية هو الطريقة التي تنطوي عليها للتحقق من سلامة مفاصل لحام BGA.توفر الأشعة السينية نظرة تفصيلية على الاتصالات ذات اللحام أسفل الشريحة ، مما يسمح للفنيين باكتشاف أي مشكلات محتملة.مع إعدادات الحرارة الصحيحة وطرق اللحام الدقيقة ، عادة ما تظهر BGAs مفاصل عالية الجودة ، مما يعزز الموثوقية الشاملة للتجميع.

إعادة صياغة لوحات BGA المجهزة

يمكن أن تكون إعادة صياغة لوحة الدوائر التي تستخدم BGAs عملية حساسة ومعقدة ، وغالبًا ما تتطلب أدوات وتقنيات متخصصة.الخطوة الأولى في إعادة صياغة تنطوي على إزالة BGA الخاطئة.يتم ذلك عن طريق تطبيق الحرارة المترجمة مباشرة على اللحام أسفل الشريحة.تم تجهيز محطات إعادة صياغة متخصصة بسخانات الأشعة تحت الحمراء لتسخين BGA بعناية ، وملاءات حرارية لمراقبة درجة الحرارة ، وأداة فراغ لرفع الشريحة بمجرد ذوبان اللحام.من المهم التحكم في التدفئة بحيث تتأثر BGA فقط ، مما يمنع الأضرار التي لحقت بالمكونات القريبة.

إصلاح وإعادة صياغة BGAs

بعد إزالة BGA ، يمكن استبداله إما بمكون جديد أو في بعض الحالات تم تجديده.تتمثل طريقة الإصلاح الشائعة في إعادة التثبيت التي تتضمن استبدال كرات اللحام على BGA التي لا تزال وظيفية.هذا خيار فعال من حيث التكلفة للرقائق باهظة الثمن ، لأنه يسمح بإعادة استخدام المكون بدلاً من التخلص منه.تقدم العديد من الشركات الخدمات والمعدات المتخصصة لـ BGA Reballing ، مما يساعد على إطالة عمر المكونات القيمة.

على الرغم من المخاوف المبكرة بشأن صعوبة فحص مفاصل لحام BGA ، فقد قطعت التكنولوجيا خطوات كبيرة.إن الابتكارات في تصميم لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) ، وتحسين تقنيات اللحام مثل تراجع الأشعة تحت الحمراء ، وتكامل طرق فحص الأشعة السينية الموثوقة جميعها ساهم في حل التحديات الأولية المرتبطة بـ BGAs.علاوة على ذلك ، فإن التطورات في تقنيات إعادة العمل والإصلاح قد ضمنت أن BGAs يمكن استخدامها بشكل موثوق في مجموعة واسعة من التطبيقات.زادت هذه التحسينات من جودة المنتجات التي تتضمن تقنية BGA.

خاتمة

تم اعتماد حزم صفيف شبكة الكرة (BGA) في الإلكترونيات الحديثة من خلال فوائدها العديدة ، بما في ذلك الإدارة الحرارية المتفوقة ، وانخفاض تعقيد التجميع ، وتصميم توفير الفضاء.التغلب على التحديات الأولية مثل مفاصل اللحام الخفية وصعوبات إعادة العمل ، أصبحت تقنية BGA الخيار المفضل في التطبيقات المتنوعة.من الأجهزة المحمولة المدمجة إلى أنظمة الحوسبة عالية الأداء ، توفر حزم BGA حلاً موثوقًا وفعالًا للإلكترونيات المعقدة اليوم.