Conseils essentiels de layout pour puces BGA pour une performance optimale

Avec le développement de la technologie d'encapsulage de puces, le BGA (ball grid array) est devenu une forme d'encapsulage standard. Pour les puces à centaines de broches, l'encapsulage BGA apporte d'énormes avantages.

Les puces BGA surpassent les QFP (quad flat package) par leur forme. Le boîtier BGA réduit drastiquement la taille physique en remplaçant les broches périphériques du QFP par un réseau de billes de soudure, surtout évident avec de nombreux broches I/O. La surface du BGA augmente linéairement avec le nombre de broches I/O, alors que celle du QFP augmente au carré. Le BGA offre donc une meilleure fabricabilité pour les composants multi-broches. Généralement, le nombre de broches I/O varie de 250 à 1089, selon le type et la taille d'encapsulage. Côté fabricabilité, le BGA surpasse aussi le QFP. Les broches BGA sont sphériques, réparties en réseau 2D, avec un pas plus grand que le QFP et se comportent comme des billes dures ne se déformant pas au contact. Pour les fabricants de puces, un autre atout du BGA est son haut rendement : le taux de défaut d'assemblage BGA est normalement de 0,3 à 5 ppm par broche, soit quasi nul.

Grâce à ces raisons, les puces BGA sont largement utilisées par les assembleurs électroniques. Cependant, la forme particulière du BGA augmente le risque de courts-circuits au brasage, sauf si d'importants conseils de layout sont appliqués en phase de conception. Cet article présente donc d'importantes règles de layout pour puces BGA afin d'obtenir un effet de brasage optimal en assemblage CMS (SMT).

• Pas et espacement

Le pas des billes de soudure BGA reste généralement à 50 mil (1,27 mm). Pour répondre aux exigences du processus de fabrication PCB, l'espacement entre trou traversant et bord de pad doit être ≥ 8 mil (0,2 mm), et l'espacement entre pistes et bord de pad peut être réduit à 5-6 mil (0,13-0,15 mm). Il est donc raisonnable de définir la taille des pads BGA entre 18 et 25 mil (0,45-0,63 mm) et la largeur de routage entre billes BGA entre 6 et 8 mil (0,15-0,2 mm).

• Positionnement des marques de fiducial (repérage)

Les boîtiers BGA étant difficilement inspectables à l'œil nu et les joints de soudure invisibles, des marques de fiducial précises doivent être définies pour répondre aux exigences d'inspection d'assemblage, d'assemblage manuel et de remplacement après reprise.

Pratique courante : placer deux marques de fiducial aux coins opposés du composant BGA, ou deux marques de coin, comme illustré ci-dessous.

Les marques de fiducial et de coin sont placées sur la même couche que le BGA (couche composant). Les fiducials ont trois formes : carré, cercle, triangle, taille 20-80 mil, avec zone sans masque soudure de 60 mil. La largeur des marques de coin est de 8-10 mil, offrant l'alignement le plus précis pour les graphiques de pads BGA.

• Vias conducteurs entre pads

Généralement, les trous traversants NE DOIVENT PAS être placés entre les pads ; vias aveugles et enterrés les remplacent. Toutefois, cela augmente le coût de fabrication PCB. Si des trous traversants sont nécessaires entre pads, l'huile de masque soudure doit empêcher la soudure de s'écouler, ou les trous doivent être remplis ou couverts pour éviter les courts-circuits au brasage.

• Pad

Parmi toutes les broches BGA, beaucoup proviennent de l'alimentation ou de la masse. Si un pad est conçu comme trou traversant, beaucoup d'espace est gagné pour le routage. Cependant, ce design ne fonctionne que pour la technologie de brasage par refusion. Avec la méthode d'assemblage traversant, le volume du trou doit être compatible avec la quantité de pâte à souder. Tant que cette technologie est utilisée, la pâte remplira le trou. Sans cela, les billes de soudure s'enfonceront dans les joints, réduisant la conductivité.

Le layout BGA ne se limite pas aux aspects ci-dessus et il est quasi impossible qu'un seul article couvre tous les conseils. Outre ces points, le layout BGA dépend aussi des capacités et paramètres d'équipement des fabricants ou assembleurs sous-traitants. Par exemple, la taille max/min de carte qu'un placeur de puces peut gérer peut varier, nécessitant des modifications de conception correspondantes. Il est donc crucial de tout confirmer concernant le layout BGA pour obtenir une performance optimale du PCB assemblé et des produits finaux.

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Ressources utiles :
• Introduction à la technologie d'encapsulage BGA
• Facteurs affectant la qualité d'assemblage BGA
• Application de la technologie CMS (SMT) sur les boîtiers BGA
• Mesures efficaces pour le contrôle qualité des joints de soudure BGA
• Exigences sur les fichiers de conception pour assurer un assemblage BGA efficace
• Comment obtenir un devis précis pour vos besoins d'assemblage BGA