หลักการสำคัญของบรรจุภัณฑ์ BGA และข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการออกแบบ PCB

หัวใจของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ทุกชนิดคือตัวช่วยทางเทคโนโลยีที่มักถูกมองข้าม นั่นคือแพ็คเกจ Ball Grid Array (BGA) เครือข่ายลูกบัดกรีขนาดเล็กนี้ทำหน้าที่เป็นสะพานเชื่อมที่สำคัญระหว่างชิปซิลิคอนและแผงวงจรพิมพ์ ทำให้สามารถประมวลผลประสิทธิภาพสูงที่ขับเคลื่อนสมาร์ทโฟน เซิร์ฟเวอร์ และอุปกรณ์ IoT ได้ จากมุมมองของการวิเคราะห์ทางวิศวกรรม เราจะตรวจสอบสถาปัตยกรรม ข้อดี และความท้าทายในการนำเทคโนโลยีพื้นฐานนี้ไปใช้งาน

BGA แสดงถึงวิธีการบรรจุภัณฑ์แบบติดตั้งบนพื้นผิวที่แทนที่หมุดแบบดั้งเดิมด้วยอาร์เรย์ของลูกบัดกรีใต้ไอซี การกำหนดค่านี้ทำให้ได้ความหนาแน่น I/O ที่สูงขึ้นอย่างมากภายในรอยเท้าขนาดกะทัดรัด ในขณะเดียวกันก็ปรับปรุงการกระจายความร้อน ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ทำให้ BGA เป็นตัวเลือกหลักสำหรับ CPU, GPU, โมดูลหน่วยความจำ และ FPGA ในแอปพลิเคชันสำหรับผู้บริโภคและอุตสาหกรรม

เทคโนโลยีได้พัฒนาไปสู่รูปแบบพิเศษหลายรูปแบบ:

• PBGA (Plastic BGA): ซับสเตรตอินทรีย์ที่คุ้มค่า เหมาะสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค
• CBGA (Ceramic BGA): ประสิทธิภาพการทำงานด้านความร้อนที่เหนือกว่าสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง
• TBGA (Thin BGA): โปรไฟล์บางเฉียบสำหรับอุปกรณ์พกพาที่มีพื้นที่จำกัด
• FBGA (Fine-pitch BGA): การเชื่อมต่อความหนาแน่นสูงสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดกะทัดรัด
• FCBGA (Flip-chip BGA): สถาปัตยกรรมแบบติดตั้งชิปโดยตรงสำหรับโปรเซสเซอร์ระดับพรีเมียม
• PoP (Package-on-Package): การวางซ้อนแนวตั้งสำหรับแอปพลิเคชันที่ใช้หน่วยความจำมาก

BGA แสดงให้เห็นถึงความเหนือกว่าอย่างชัดเจนเมื่อเทียบกับรูปแบบ PGA และ QFP แบบดั้งเดิม:

• ความหนาแน่น I/O สูงกว่า 50-80% ต่อหน่วยพื้นที่
• ลดความยาวเส้นทางสัญญาณ ลดอุปนัย
• ปรับปรุงการนำความร้อนผ่านเมทริกซ์ลูกบัดกรี
• ปรับปรุงความแข็งแกร่งทางกลภายใต้การสั่นสะเทือน/ความเครียด

การยึดติดด้วยบัดกรีแบบถาวร แม้ว่าจะจำกัดการเปลี่ยนในภาคสนาม แต่ก็มีส่วนช่วยให้มีความน่าเชื่อถือในระยะยาวมากขึ้นในสภาพแวดล้อมการทำงาน

สถาปัตยกรรม BGA ตอบสนองความต้องการสัญญาณความเร็วสูงที่สำคัญผ่าน:

• เส้นทางเชื่อมต่อที่สั้นอย่างสม่ำเสมอ (โดยทั่วไป <1 มม.)
• การกำหนดเส้นทางซับสเตรตที่ตรงกับอิมพีแดนซ์อย่างแม่นยำ
• ระนาบพลังงาน/กราวด์เฉพาะสำหรับการลดสัญญาณรบกวน

ลักษณะเหล่านี้ทำให้ BGA เหมาะอย่างยิ่งสำหรับแอปพลิเคชันดิจิทัล RF และความถี่สูงที่เกินอัตราข้อมูล 5Gbps

การกระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพใช้เทคนิคหลายอย่าง:

• ช่องระบายความร้อนใต้แพ็คเกจ (โดยทั่วไปมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.3 มม.)
• ระนาบทองแดงสำหรับการกระจายความร้อนด้านข้าง
• ตัวกระจายความร้อนหรือฮีทซิงค์เสริม (สำหรับแอปพลิเคชัน >15W)
• ซับสเตรตเซรามิก (CBGA) สำหรับสภาพแวดล้อมที่มีความร้อนสูง

กระบวนการประกอบต้องใช้ความแม่นยำ:

• วางบัดกรีแบบพิมพ์ลายฉลุ (Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5 ทั่วไป)
• ความแม่นยำในการหยิบและวาง <50µm
• โปรไฟล์การไหลย้อนกลับที่ควบคุม (อุณหภูมิสูงสุด 235-245°C)
• การตรวจสอบด้วยรังสีเอกซ์อัตโนมัติสำหรับข้อต่อบัดกรีที่ซ่อนอยู่

ระบบ AXI ขั้นสูงสามารถตรวจจับข้อบกพร่องระดับไมครอน รวมถึงช่องว่าง สะพาน และข้อต่อบัดกรีเย็น ด้วยความแม่นยำ >99.7%

เค้าโครง PCB ต้องใช้เทคนิคพิเศษ:

• Dog-bone fanout สำหรับ BGA ระยะพิทช์มาตรฐาน (>0.8 มม.)
• Via-in-pad สำหรับรูปแบบพิทช์ละเอียด (<0.5 มม.)
• การซ้อน 8-12 ชั้นสำหรับการกำหนดเส้นทางที่ซับซ้อน
• วัสดุที่ตรงกับ CTE เพื่อป้องกันการเกิดหลุม

อีพ็อกซี Underfill (โดยทั่วไปช่องว่าง 25-35µm) ให้การเสริมแรงทางกลเพิ่มเติมสำหรับสภาพแวดล้อมการทำงานที่รุนแรง

เทคโนโลยี BGA ช่วยให้:

• SoC ของสมาร์ทโฟน (สูงสุด 2500+ ลูกที่ระยะพิทช์ 0.35 มม.)
• โปรเซสเซอร์ศูนย์ข้อมูล (การกระจายความร้อน 100-200W)
• ECU ยานยนต์ (แพ็คเกจที่ผ่านการรับรอง AEC-Q100)
• โมดูล 5G mmWave (ซับสเตรตอินทรีย์ที่มีการสูญเสียน้อย)

แนวทางการบรรจุภัณฑ์นี้ยังคงพัฒนาต่อไป โดยมีสถาปัตยกรรม 3D IC และชิปเล็ตที่ผลักดันขอบเขตของความหนาแน่นและการเชื่อมต่อประสิทธิภาพ