คู่มือ Ball Grid Array (BGA): โครงสร้าง การประกอบ ข้อบกพร่อง และการตรวจสอบ

Ball Grid Array (BGA) เป็นแพ็คเกจชิปขนาดกะทัดรัดที่ใช้ลูกบัดกรีเพื่อสร้างการเชื่อมต่อที่แข็งแรงและเชื่อถือได้บนแผงวงจร รองรับความหนาแน่นของพินสูง การไหลของสัญญาณที่รวดเร็ว และการควบคุมความร้อนที่ดีขึ้นสําหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ บทความนี้อธิบายวิธีการทํางานของโครงสร้าง BGA ประเภทขั้นตอนการประกอบข้อบกพร่องการตรวจสอบการซ่อมแซมและการใช้งานโดยละเอียด

ค 1. ภาพรวม Ball Grid Array

ค 2. กายวิภาคของอาร์เรย์กริดบอล

ค 3. BGA Reflow และกระบวนการสร้างข้อต่อ

ค 4. BGA PoP ซ้อนบน PCB

ค 5. ประเภทของแพ็คเกจ BGA

ค 6. ข้อดีของ Ball Grid Array

ค 7. กระบวนการประกอบ BGA ทีละขั้นตอน

ค 8. ข้อบกพร่องทั่วไปของ Ball Grid Array

ค 9. วิธีการตรวจสอบ BGA

ค 10. BGA ทําซ้ําและซ่อมแซม

ค 11. การประยุกต์ใช้ BGA ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ค 12. การเปรียบเทียบ BGA, QFP และ CSP

ค 13. บทสรุป

ค 14. คําถามที่พบบ่อย [FAQ]

Figure 1. Ball Grid Array

ภาพรวม Ball Grid Array

Ball Grid Array (BGA) เป็นบรรจุภัณฑ์ชิปประเภทหนึ่งที่ใช้กับแผงวงจร โดยที่ลูกบัดกรีขนาดเล็กที่จัดเรียงเป็นกริดจะเชื่อมต่อชิปกับบอร์ด ซึ่งแตกต่างจากแพ็คเกจรุ่นเก่าที่มีขาโลหะบาง BGA ใช้ลูกบัดกรีขนาดเล็กเหล่านี้เพื่อสร้างการเชื่อมต่อที่แข็งแรงและเชื่อถือได้มากขึ้น ภายในแพ็คเกจ พื้นผิวแบบชั้นจะส่งสัญญาณจากชิปไปยังลูกบัดกรีแต่ละลูก เมื่อบอร์ดได้รับความร้อนระหว่างการบัดกรีลูกบอลจะละลายและยึดติดกับแผ่นอิเล็กโทรดบน PCB อย่างแน่นหนาสร้างพันธะทางไฟฟ้าและทางกลที่มั่นคง BGA เป็นที่นิยมในปัจจุบันเนื่องจากสามารถใส่จุดเชื่อมต่อได้มากขึ้นในพื้นที่ขนาดเล็ก ช่วยให้สัญญาณเดินทางในเส้นทางที่สั้นลง และทํางานได้ดีในอุปกรณ์ที่ต้องการการประมวลผลที่รวดเร็ว นอกจากนี้ยังช่วยทําให้ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์มีขนาดเล็กลงและเบาลงโดยไม่สูญเสียประสิทธิภาพ

กายวิภาคของอาร์เรย์กริดบอล

Figure 2. Anatomy of a Ball Grid Array

•สารห่อหุ้มสร้างชั้นป้องกันด้านนอกป้องกันชิ้นส่วนภายในจากความเสียหายและการสัมผัสกับสิ่งแวดล้อม

•ด้านล่างเป็นแม่พิมพ์ซิลิกอนซึ่งมีวงจรการทํางานของชิปและทํางานการประมวลผลทั้งหมด

•แม่พิมพ์ติดอยู่กับพื้นผิวที่มีร่องรอยทองแดงที่ทําหน้าที่เป็นทางเดินไฟฟ้าที่เชื่อมโยงชิปกับบอร์ด

•ที่ด้านล่างคืออาร์เรย์บอลบัดกรีซึ่งเป็นตารางของลูกบัดกรีที่เชื่อมต่อแพ็คเกจ BGA กับ PCB ระหว่างการติดตั้ง

BGA Reflow และกระบวนการสร้างข้อต่อ

•ลูกบัดกรีติดอยู่ที่ด้านล่างของแพ็คเกจ BGA แล้วสร้างจุดเชื่อมต่อสําหรับอุปกรณ์

• PCB จัดทําขึ้นโดยใช้การวางประสานกับแผ่นอิเล็กโทรดที่จะวาง BGA

•ในระหว่างการบัดกรีแบบรีโฟลว์ชุดประกอบจะถูกทําให้ร้อนทําให้ลูกบัดกรีละลายและจัดตําแหน่งตัวเองให้ตรงกับแผ่นอิเล็กโทรดตามธรรมชาติเนื่องจากแรงตึงผิว

•เมื่อบัดกรีเย็นลงและแข็งตัวจะสร้างข้อต่อที่แข็งแรงและสม่ําเสมอซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ถึงการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าและทางกลที่มั่นคงระหว่างส่วนประกอบและ PCB

BGA PoP ซ้อนกันบน PCB

Figure 3. BGA PoP Stacking on a PCB

Package-on-Package (PoP) เป็นวิธีการซ้อนแบบ BGA ซึ่งวางแพ็คเกจวงจรรวมสองแพ็คเกจในแนวตั้งเพื่อประหยัดพื้นที่บอร์ด แพ็คเกจด้านล่างประกอบด้วยโปรเซสเซอร์หลักในขณะที่แพ็คเกจด้านบนมักจะมีหน่วยความจํา แพ็คเกจทั้งสองใช้การเชื่อมต่อบัดกรี BGA ทําให้สามารถจัดตําแหน่งและเชื่อมต่อได้ในระหว่างกระบวนการรีโฟลว์เดียวกัน โครงสร้างนี้ทําให้สามารถสร้างชุดประกอบขนาดกะทัดรัดได้โดยไม่ต้องเพิ่มขนาด PCB

ประโยชน์ของการซ้อน PoP

•ช่วยลดพื้นที่ PCB ทําให้เค้าโครงอุปกรณ์ที่กะทัดรัดและบาง

•ลดเส้นทางสัญญาณระหว่างตรรกะและหน่วยความจําปรับปรุงความเร็วและประสิทธิภาพ

•อนุญาตให้ประกอบหน่วยความจําและหน่วยประมวลผลแยกกันก่อนที่จะซ้อนกัน

•เปิดใช้งานการกําหนดค่าที่ยืดหยุ่นรองรับขนาดหน่วยความจําหรือระดับประสิทธิภาพที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับความต้องการของผลิตภัณฑ์

ประเภทของแพ็คเกจ BGA

ประเภท BGA	BGA วัสดุพื้นผิว	สนาม	จุดแข็ง
PBGA (พลาสติก BGA)	ลามิเนตออร์แกนิก 1.0–1.27 มม.	ต้นทุนต่ํามือสอง
FCBGA (พลิกชิป BGA)	หลายชั้นแข็ง	≤1.0 มม.	ความเร็วสูงสุด ความเหนี่ยวนําต่ําสุด
CBGA (BGA เซรามิก)	เซรามิก	≥1.0 มม.	ความน่าเชื่อถือและทนความร้อนที่ดีเยี่ยม
CDPBGA (โพรงลง)	ตัวเครื่องขึ้นรูปพร้อมโพรง	แตกต่างกันไป	ปกป้องตาย ระบบควบคุมความร้อน
TBGA (เทป BGA)	พื้นผิวที่ยืดหยุ่น	แตกต่างกันไป	บาง ยืดหยุ่น น้ําหนักเบา
H-PBGA (PBGA ความร้อนสูง)	ลามิเนตที่ได้รับการปรับปรุง แตกต่างกันไป	การกระจายความร้อนที่เหนือกว่า
แพ็คเกจ BGA สามารถเก็บจุดเชื่อมต่อได้หลายจุดในพื้นที่จํากัด เนื่องจากลูกบัดกรีถูกจัดเรียงเป็นตาราง การออกแบบนี้ทําให้สามารถใส่เส้นทางสัญญาณได้มากขึ้นโดยไม่ทําให้ชิปใหญ่ขึ้น
เนื่องจากลูกบัดกรีสร้างเส้นทางสั้นและตรงสัญญาณจึงสามารถเคลื่อนที่ได้เร็วขึ้นและมีความต้านทานน้อยลง สิ่งนี้ช่วยให้ชิปทํางานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นในวงจรที่ต้องการการสื่อสารที่รวดเร็ว
BGA กระจายความร้อนอย่างสม่ําเสมอมากขึ้นเนื่องจากลูกบัดกรีช่วยให้ระบายความร้อนได้ดีขึ้น สิ่งนี้ช่วยลดความเสี่ยงของความร้อนสูงเกินไปและช่วยให้ชิปมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นระหว่างการใช้งานต่อเนื่อง
โครงสร้างแบบลูกต่อแผ่นสร้างข้อต่อที่มั่นคงหลังจากการบัดกรี ทําให้การเชื่อมต่อมีความทนทานมากขึ้นและมีโอกาสน้อยที่จะแตกหักภายใต้การสั่นสะเทือนหรือการเคลื่อนไหว
บรรจุภัณฑ์ BGA ช่วยให้สร้างผลิตภัณฑ์ขนาดกะทัดรัดได้ง่ายขึ้น เนื่องจากใช้พื้นที่น้อยกว่าเมื่อเทียบกับบรรจุภัณฑ์ประเภทเก่า

•การพิมพ์วางประสาน
ลายฉลุโลหะจะวางประสานในปริมาณที่วัดได้ลงบนแผ่น PCB ปริมาณการวางที่สม่ําเสมอช่วยให้มั่นใจได้ถึงความสูงของข้อต่อและการเปียกที่เหมาะสมระหว่างการรีโฟลว์
• การจัดวางส่วนประกอบ
ระบบหยิบและวางจะวางแพ็คเกจ BGA ลงบนแผ่นบัดกรี แผ่นอิเล็กโทรดและลูกบัดกรีจะสอดคล้องกันทั้งความแม่นยําของเครื่องจักรและแรงตึงผิวตามธรรมชาติระหว่างการรีโฟลว์
• การบัดกรีแบบรีโฟลว์
บอร์ดจะเคลื่อนผ่านเตาอบรีโฟลว์ที่ควบคุมอุณหภูมิ ซึ่งลูกบัดกรีจะละลายและยึดติดกับแผ่นอิเล็กโทรด โปรไฟล์ความร้อนที่กําหนดไว้อย่างดีช่วยป้องกันความร้อนสูงเกินไปและส่งเสริมการสร้างข้อต่อที่สม่ําเสมอ
• เฟสคูลลิ่ง
ชุดประกอบจะค่อยๆเย็นลงเพื่อทําให้บัดกรีแข็งตัว การควบคุมการระบายความร้อนช่วยลดความเครียดภายใน ป้องกันการแตกร้าว และลดโอกาสในการก่อตัวของช่องว่าง
• การตรวจสอบหลังการรีโฟลว์
ชุดประกอบสําเร็จรูปผ่านการตรวจสอบผ่านการถ่ายภาพเอ็กซเรย์อัตโนมัติ การตรวจสอบเหล่านี้ยืนยันการจัดตําแหน่งที่เหมาะสม
วิธีการตรวจสอบ	ตรวจจับ
การทดสอบทางไฟฟ้า (ICT/FP)	ปัญหาการเปิด การช็อตสั้น และความต่อเนื่องพื้นฐาน
การสแกนขอบเขต (JTAG)	ข้อบกพร่องระดับพินและปัญหาการเชื่อมต่อดิจิทัล	Synology Inc.
AXI (การตรวจสอบเอ็กซเรย์อัตโนมัติ)	AXI ช่องว่าง สะพาน การเยื้องศูนย์ และข้อบกพร่องในการบัดกรีภายใน
AOI (การตรวจสอบด้วยแสงอัตโนมัติ)	ปัญหาระดับพื้นผิวที่มองเห็นได้ก่อนหรือหลังการจัดวาง	Synology Inc.
การทดสอบการทํางาน	Synology Inc. ความล้มเหลวระดับระบบและประสิทธิภาพของบอร์ดโดยรวม	Synology Inc.
• เปิดบอร์ดเพื่อลดการกระแทกจากความร้อนและลดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่าง PCB และแหล่งความร้อน ช่วยป้องกันการบิดเบี้ยวหรือการหลุดลอก
• ใช้ความร้อนเฉพาะที่โดยใช้ระบบรีเวิร์คอินฟราเรดหรือลมร้อน การควบคุมความร้อนทําให้ลูกบัดกรีอ่อนตัวลงโดยไม่ทําให้ส่วนประกอบใกล้เคียงร้อนเกินไป
• นํา BGA ที่ชํารุดออกด้วยเครื่องมือปิ๊กอัพสูญญากาศเมื่อบัดกรีถึงจุดหลอมเหลว สิ่งนี้จะป้องกันการยกแผ่นและปกป้องพื้นผิว PCB
• ทําความสะอาดแผ่นที่สัมผัสโดยใช้ไส้ตะเกียงบัดกรีหรือเครื่องมือทําความสะอาดที่มีฤทธิ์กัดกร่อนขนาดเล็กเพื่อขจัดบัดกรีเก่าและสิ่งตกค้าง พื้นผิวแผ่นเรียบที่สะอาดช่วยให้เปียกได้อย่างเหมาะสมระหว่างการประกอบกลับเข้าไปใหม่
•ใช้การวางบัดกรีใหม่หรือรีบอลส่วนประกอบเพื่อคืนความสูงและระยะห่างของลูกบัดกรีที่สม่ําเสมอ ทั้งสองตัวเลือกเตรียมแพ็คเกจสําหรับการจัดตําแหน่งที่ถูกต้องระหว่างการรีโฟลว์ครั้งต่อไป
• ติดตั้ง BGA อีกครั้งและทําการรีโฟลว์ เพื่อให้บัดกรีละลายและจัดแนวตัวเองกับแผ่นอิเล็กโทรดผ่านแรงตึงผิว
• ดําเนินการตรวจสอบเอ็กซเรย์หลังการทํางานซ้ําเพื่อยืนยันการก่อตัวของข้อต่อ การจัดตําแหน่ง และไม่มีช่องว่างหรือสะพานเชื่อมที่เหมาะสม
BGA ใช้ในสมาร์ทโฟนและแท็บเล็ตสําหรับโปรเซสเซอร์หน่วยความจําโมดูลการจัดการพลังงานและชิปเซ็ตการสื่อสาร ขนาดกะทัดรัดและความหนาแน่นของ I/O สูงรองรับการออกแบบที่เพรียวบางและการประมวลผลข้อมูลที่รวดเร็ว
โปรเซสเซอร์กลาง หน่วยกราฟิก ชิปเซ็ต และโมดูลหน่วยความจําความเร็วสูงมักใช้แพ็คเกจ BGA ความต้านทานความร้อนต่ําและประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่แข็งแกร่งช่วยจัดการกับภาระงานที่ต้องการ
เราเตอร์ สวิตช์ สถานีฐาน และโมดูลออปติคัลพึ่งพา BGA สําหรับไอซีความเร็วสูง การเชื่อมต่อที่เสถียรช่วยให้สามารถจัดการสัญญาณได้อย่างมีประสิทธิภาพและการถ่ายโอนข้อมูลที่เชื่อถือได้
เกมคอนโซล สมาร์ททีวี อุปกรณ์สวมใส่ กล้อง และอุปกรณ์ภายในบ้านมักมีส่วนประกอบการประมวลผลและหน่วยความจําที่ติดตั้ง BGA แพ็คเกจรองรับเลย์เอาต์ที่กะทัดรัดและความน่าเชื่อถือในระยะยาว
ชุดควบคุม โมดูลเรดาร์ ระบบสาระบันเทิง และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อความปลอดภัยใช้ BGA เนื่องจากทนต่อการสั่นสะเทือนและการหมุนเวียนความร้อนเมื่อประกอบอย่างเหมาะสม
ตัวควบคุมการเคลื่อนไหว PLC ฮาร์ดแวร์หุ่นยนต์ และโมดูลการตรวจสอบใช้โปรเซสเซอร์และหน่วยความจําที่ใช้ BGA เพื่อรองรับการทํางานที่แม่นยําและรอบการทํางานที่ยาวนาน
อุปกรณ์วินิจฉัย ระบบภาพ และเครื่องมือทางการแพทย์แบบพกพารวม BGA เข้าด้วยกันเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่เสถียร การประกอบที่กะทัดรัด และการจัดการความร้อนที่ดีขึ้น

คุณสมบัติ	บีจีเอ	คิวเอฟพี	CSP
จํานวนพิน	สูงมาก	ปานกลาง	ต่ํา–ปานกลาง
ขนาดแพ็คเกจ	กะทัดรัด	รอยเท้าที่ใหญ่ขึ้น	กะทัดรัดมาก
การตรวจสอบ	ยาก	ง่าย	ปานกลาง
ประสิทธิภาพการระบายความร้อน	Synology Inc. ยอดเยี่ยม	เฉลี่ย	ดี
ความยากในการทําซ้ํา	สูง	ต่ํา	ปานกลาง
ค่าใช้จ่าย	เหมาะสําหรับเลย์เอาต์ที่มีความหนาแน่นสูง ต่ํา	ปานกลาง
ดีที่สุดสําหรับ	ไอซี I/O ความเร็วสูง	ไอซีแบบง่าย ส่วนประกอบขนาดเล็กพิเศษ

สรุป

เทคโนโลยี BGA ให้การเชื่อมต่อที่มั่นคง ประสิทธิภาพของสัญญาณที่รวดเร็ว และการจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพในการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์ขนาดกะทัดรัด ด้วยวิธีการประกอบ การตรวจสอบ และการซ่อมแซมที่เหมาะสม BGA จะรักษาความน่าเชื่อถือในระยะยาวในการใช้งานขั้นสูงมากมาย โครงสร้าง กระบวนการ จุดแข็ง และความท้าทายทําให้เป็นโซลูชันพื้นฐานสําหรับอุปกรณ์ที่ต้องการการทํางานที่เสถียรในพื้นที่จํากัด

คําถามที่พบบ่อย [FAQ]

ลูกบัดกรี BGA ทํามาจากอะไร?

โดยปกติจะทําจากโลหะผสมดีบุก เช่น SAC (ดีบุก-เงิน-ทองแดง) หรือ SnPb โลหะผสมมีผลต่ออุณหภูมิหลอมเหลว ความแข็งแรงของข้อต่อ และความทนทาน

เหตุใดการบิดเบี้ยวของ BGA จึงเกิดขึ้นระหว่างการรีโฟลว์

การบิดเบี้ยวเกิดขึ้นเมื่อแพ็คเกจ BGA และ PCB ขยายตัวในอัตราที่ต่างกันเมื่อร้อนขึ้น การขยายตัวที่ไม่สม่ําเสมอนี้อาจทําให้บรรจุภัณฑ์งอและยกลูกบัดกรีออกจากแผ่นอิเล็กโทรด

อะไรคือข้อจํากัดระยะพิทช์ BGA ขั้นต่ําที่ PCB สามารถรองรับได้

ระยะพิทช์ขั้นต่ําขึ้นอยู่กับความกว้างของร่องรอยของผู้ผลิต PCB ขีดจํากัดระยะห่างผ่านขนาด และการซ้อนกัน ระยะพิทช์ขนาดเล็กมากต้องใช้การออกแบบ microvias และ HDI PCB