matriz de rejilla de bolas

El BGA resuelve el problema de producir un encapsulado miniatura para un circuito integrado con cientos de pines. Los encapsulados de matriz de pines (PGA) y de montaje superficial en línea dual ( SOIC ) se fabricaban con un número cada vez mayor de pines y con una separación cada vez menor entre ellos, lo que dificultaba el proceso de soldadura. A medida que los pines del encapsulado se acercaban, aumentaba el riesgo de soldar accidentalmente pines adyacentes.

Otra ventaja de los encapsulados BGA sobre los encapsulados con pines discretos (es decir, encapsulados con patillas) es la menor resistencia térmica entre el encapsulado y la placa de circuito impreso (PCB). Esto permite que el calor generado por el circuito integrado dentro del encapsulado se disipe más fácilmente hacia la PCB, evitando el sobrecalentamiento del chip.

Cuanto más corto es un conductor eléctrico, menor es su inductancia no deseada , una propiedad que provoca distorsiones indeseadas en las señales de los circuitos electrónicos de alta velocidad. Los BGA, gracias a la corta distancia entre el encapsulado y la placa de circuito impreso, presentan bajas inductancias en sus terminales, lo que les confiere un rendimiento eléctrico superior al de los dispositivos con pines.

Una desventaja de los BGA es que las bolas de soldadura no pueden flexionarse como lo hacen los terminales más largos, por lo que no son mecánicamente flexibles . Al igual que con todos los dispositivos de montaje superficial, la flexión debida a la diferencia en el coeficiente de dilatación térmica entre el sustrato de la placa de circuito impreso y el BGA (tensión térmica) o la flexión y vibración (tensión mecánica) pueden provocar la fractura de las uniones de soldadura.

Los problemas de dilatación térmica pueden solucionarse adaptando las características mecánicas y térmicas de la placa de circuito impreso (PCB) a las del encapsulado. Por lo general, los dispositivos BGA de plástico se ajustan mejor a las características térmicas de la PCB que los dispositivos cerámicos.

El uso predominante de ensamblajes de aleación de soldadura sin plomo que cumplen con la normativa RoHS ha presentado algunos desafíos adicionales para los BGA, incluyendo el fenómeno de soldadura " cabeza en almohada " ^{[ 2 ]} , problemas de " cráteres en las almohadillas ", así como su menor fiabilidad en comparación con los BGA de soldadura a base de plomo en condiciones operativas extremas, como entornos de alta temperatura, alto choque térmico y alta fuerza gravitacional, debido en parte a la menor ductilidad de las soldaduras que cumplen con la normativa RoHS. ^{[ 3 ]}

Los problemas de tensión mecánica pueden superarse uniendo los dispositivos a la placa mediante un proceso llamado "encapsulado" ^{[ 4 ]} , que consiste en inyectar una mezcla de epoxi debajo del dispositivo después de soldarlo a la PCB, pegando así el dispositivo BGA a la PCB. Existen varios tipos de materiales de encapsulado con diferentes propiedades en cuanto a trabajabilidad y transferencia térmica. Una ventaja adicional del encapsulado es que limita el crecimiento de filamentos de estaño .

Otra solución para las conexiones no conformes consiste en añadir una capa flexible al encapsulado que permita el movimiento físico de las esferas con respecto al mismo. Esta técnica se ha convertido en un estándar para el encapsulado de memorias DRAM en encapsulados BGA.

Otras técnicas para aumentar la fiabilidad de los encapsulados a nivel de placa incluyen el uso de PCB de baja expansión para encapsulados BGA cerámicos (CBGA), interponedores entre el encapsulado y la PCB, y el reencapsulado de un dispositivo. ^{[ 4 ]}

Una vez que el paquete está soldado en su lugar, es difícil encontrar fallas de soldadura. Se han desarrollado máquinas de rayos X , máquinas de tomografía computarizada industrial , ^{[ 5 ]} microscopios especiales y endoscopios para ver debajo del paquete soldado para superar este problema. Si se encuentra que un BGA está mal soldado, se puede quitar en una estación de retrabajo , que es una plantilla equipada con una lámpara infrarroja (o aire caliente), un termopar y un dispositivo de vacío para levantar el paquete. El BGA se puede reemplazar por uno nuevo, o se puede reacondicionar (o reballear ) y reinstalar en la placa de circuito. Se pueden usar bolas de soldadura preconfiguradas que coinciden con el patrón de la matriz para reballear BGAs cuando solo uno o unos pocos necesitan ser retrabajados. Para trabajos de laboratorio de mayor volumen y repetidos, se puede usar un cabezal de vacío configurado con plantilla para recoger y colocar esferas sueltas.

Debido al coste de la inspección visual por rayos X de BGA, se suele recurrir a las pruebas eléctricas. Un ejemplo muy común es la prueba de escaneo de límites mediante un puerto JTAG IEEE 1149.1.

Un método de inspección más económico y sencillo, aunque destructivo, está ganando popularidad porque no requiere equipo especial. Conocido comúnmente como "tinte y palanca" , el proceso consiste en sumergir la placa de circuito impreso completa o solo el módulo BGA conectado en un tinte . Tras el secado, se retira el módulo y se inspeccionan las uniones rotas. Si una soldadura contiene el tinte, indica que la conexión era defectuosa. ^{[ 6 ]}

Durante el desarrollo, no es práctico soldar los BGA en su lugar, por lo que se utilizan zócalos, pero estos suelen ser poco fiables. Existen dos tipos comunes de zócalos: el tipo más fiable tiene pines de resorte que se deslizan bajo las esferas, aunque no permite usar BGA sin las esferas, ya que los pines de resorte pueden ser demasiado cortos.

El tipo menos fiable es el zócalo ZIF , con pinzas de resorte que sujetan las bolas. Este no funciona bien, especialmente si las bolas son pequeñas.

Se requiere equipo costoso para soldar de forma fiable los encapsulados BGA; la soldadura manual de encapsulados BGA es muy difícil y poco fiable, y solo es utilizable para los encapsulados más pequeños en cantidades mínimas. ^{[ 7 ]} Sin embargo, a medida que más circuitos integrados están disponibles solo en encapsulados sin plomo (por ejemplo, encapsulados planos cuádruples sin plomo ) o encapsulados BGA, se han desarrollado varios métodos de reflujo caseros utilizando fuentes de calor económicas como pistolas de calor , hornos tostadores domésticos y sartenes eléctricas . ^{[ 8 ]}