Lavorare con i BGA: design e layout

Il Ball Grid Array, o pacchetto BGA, non è più appannaggio esclusivo dei chip grandi e complessi sulle schede madri dei computer: oggi anche i microcontrollori più semplici sono disponibili con quelle piccole sfere di saldatura. Tuttavia, molti hobbisti preferiscono restare con i pacchetti QFP e QFN perché sono più facili da saldare. Anche se questo è un punto giusto, i pacchetti BGA possono offrire un notevole risparmio di spazio e talvolta sono l'unica scelta: con la continua carenza di chip, alcune altre versioni di pacchetti potrebbero semplicemente non essere disponibili. Anche la saldatura non deve essere complicata: se hai già dimestichezza con la pasta saldante e i profili di rifusione, aggiungere uno o due BGA al mix è piuttosto semplice.

In questo articolo dimostreremo che lavorare con i chip BGA non è così difficile come potrebbe sembrare. L'attenzione sarà focalizzata sulla progettazione del circuito stampato: come disegnare le impronte corrette, come instradare molti segnali e quali capacità dovrebbe avere il produttore del PCB. Tratteremo le tecniche di saldatura e rilavorazione in un prossimo articolo, ma prima diamo un'occhiata al motivo per cui vengono utilizzati i BGA.

Con l'avanzare della tecnologia informatica negli anni '90, le schede madri dei nostri PC sono diventate sempre più complesse. I bus dati a 8 bit degli anni '80 hanno lasciato il posto a bus a 16 bit, 32 bit e persino 64 bit tra la CPU, la memoria principale e le schede di espansione come controller del disco rigido e adattatori display. Tutti questi autobus dovevano essere trasportati dentro e fuori da vari chip, che quindi necessitavano di molti pin.

Il tipico pacchetto per chip complessi dell'epoca era il quad-flat-package (QFP), con lunghe file di perni a forma di ala di gabbiano su ciascun lato. Quando aumentati fino a un numero di pin di 200 o più, questi pacchetti sono diventati sempre più ingombranti: non solo sono diventati molto grandi rispetto al chip all'interno, ma i pin sono diventati anche estremamente piccoli e fragili. I chip QFP di grandi dimensioni richiedevano un'attenta manipolazione per evitare di piegare i pin e rendere il chip dissaldabile.

Il pacchetto Ball Grid Array, o BGA, è stato sviluppato per risolvere entrambi questi problemi. Posizionare i perni in una griglia sul fondo della confezione, invece di spargerli attorno al bordo, consente un design molto più efficiente in termini di area. Inoltre, le sfere di saldatura sono molto più robuste dei minuscoli pin sui contenitori QFP a passo piccolo. Sebbene inizialmente i produttori temessero problemi di produzione e test, il pacchetto BGA si è rivelato molto affidabile e da allora è diventato onnipresente in tutti i tipi di apparecchiature elettroniche.

L'immagine seguente, che mostra parte di una scheda madre per PC vintage del 1997, illustra chiaramente la differenza nell'efficienza dell'area tra un pacchetto QFP e un pacchetto BGA. Il controller ATI VGA a sinistra ha un pacchetto QFP a 208 pin con un passo pin di 0,5 mm. Il controller di sistema Ali M1531, sulla destra, riesce a montare 328 pin sul suo package BGA, con sfere di saldatura ad un passo molto più comodo di 1,27 mm.

Un pacchetto BGA è tipicamente costruito attorno a un interpositore: un piccolo circuito stampato che funge da interfaccia tra il chip vero e proprio e il circuito su cui è montato. Il chip è collegato tramite filo all'interpositore e ricoperto di resina epossidica protettiva. L'interpositore instrada i segnali dal bordo del chip a una serie di pad sul fondo, su cui sono attaccate piccole sfere di saldatura. Il pacchetto BGA completato viene quindi posizionato sul circuito stampato e riscaldato. Le sfere di saldatura si sciolgono e creano una connessione tra la scheda e l'interpositore.

I tipici BGA nei primi tempi avevano un passo della sfera di 1,27 mm. Con il miglioramento della tecnologia, i pacchetti BGA sono diventati sempre più piccoli, fino a quando l'interpositore non è diventato molto più grande del chip al suo interno. Questi BGA miniaturizzati sono noti come pacchetti su scala di chip o CSP e in genere hanno un passo della sfera compreso tra 1,0 e 0,5 mm.

La ricerca della miniaturizzazione tuttavia non finì qui: i produttori di semiconduttori alla fine svilupparono il flip-chip BGA, o wafer-level chip scale package (WL-CSP), che eliminava del tutto l'interposer. Invece, i design flip chip posizionano le sfere di saldatura direttamente sulla superficie del chip, con un passo che può essere fino a 0,3 mm. Il chip viene quindi montato capovolto sul circuito, con uno strato protettivo di resina epossidica sul retro o senza alcun imballaggio.