BGA چیست؟

BGA (Ball Grid Array) یکی از نوآورانه‌ترین روش‌های بسته‌بندی تراشه‌ها (IC) است که برای قطعات با تعداد پایه‌های زیاد و بردهای پیچیده طراحی شده است. در این نوع بسته‌بندی، به جای پایه‌های فلزی سنتی، گوی‌های لحیم کوچک در زیر تراشه قرار می‌گیرند و اتصالات الکتریکی و مکانیکی را با برد فراهم می‌کنند. این طراحی باعث کاهش مقاومت و اندوکتانس خودی می‌شود و در نتیجه نویز و سیگنال‌های ناخواسته در مدار به حداقل می‌رسند.

فناوری BGA در مقایسه با بسته‌بندی‌های قدیمی مانند DIP و QFP امکان افزایش تراکم پایه‌ها در فضاهای کوچک را فراهم می‌کند، که این ویژگی برای تراشه‌های پردازشی، حافظه‌های پرسرعت و قطعات پیشرفته صنعتی حیاتی است. انواع رایج BGA شامل PBGA، CBGA، MAPBGA و TEPBGA هستند که هر کدام بر اساس نیازهای حرارتی، مکانیکی و الکتریکی در پروژه‌های مختلف انتخاب می‌شوند.

به دلیل حساسیت بالای گوی‌های لحیم و اهمیت اتصال صحیح آنها، فرآیند نصب BGA در مونتاژ برد SMD معمولاً توسط تجهیزات اتوماتیک انجام می‌شود. استفاده از دستگاه‌های ریفلو و ابزارهای دقیق، تضمین می‌کند که تمامی اتصالات یکسان و بدون نقص برقرار شوند و عملکرد تراشه در طولانی‌مدت پایدار باشد.

در نهایت، BGA به دلیل قابلیت اتصال بالا، کاهش نویز، انتقال حرارت بهتر و امکان طراحی مدارهای پیچیده، به یکی از استانداردهای اصلی در تولید محصولات الکترونیکی پیشرفته تبدیل شده است. این فناوری نقش مهمی در گوشی‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها، کنسول‌های بازی و تجهیزات صنعتی ایفا می‌کند و بدون آن، بسیاری از پیشرفت‌های الکترونیک مدرن امکان‌پذیر نبود.

چرا BGA اختراع شد؟

با گسترش دستگاه‌های کوچک مانند گوشی‌های هوشمند و لپ‌تاپ‌ها، نیاز به تراشه‌هایی با پین‌های متعدد اما در سایز کوچک بیش از پیش احساس شد. روش‌های سنتی مانند:

• DIP: دارای پین‌های بلند و فاصله زیاد
• QFP: دارای پین‌های بسیار ظریف در اطراف چیپ

دیگر پاسخگوی نیاز صنایع نبودند. پین‌های ریز QFP در تعداد بالا (مثلاً ۲۰۰ پین) به‌سادگی خم می‌شد یا اتصال کوتاه ایجاد می‌کرد. بنابراین شرکت‌ها فناوری BGA را معرفی کردند که در آن، پایه‌ها به صورت توپ‌های لحیم کوچک در زیر تراشه قرار می‌گیرند و احتمال آسیب‌دیدگی کاهش می‌یابد.

ساختار BGA چگونه است؟

یک چیپ BGA معمولاً از چند بخش تشکیل می‌شود:

1. بدنه تراشه (Package Body)
   شامل تراشه سیلیکونی و مدارهای داخلی.
2. Substrate یا زیرلایه
   وظیفه انتقال سیگنال‌ها از چیپ به توپ‌های لحیم را بر عهده دارد.
3. توپ‌های لحیم (Solder Balls)
   این توپ‌ها معمولاً از ترکیب قلع، نقره و مس ساخته می‌شوند و به صورت شبکه‌ای در زیر تراشه قرار دارند.
4. Mask Layer
   لایه محافظ روی توپ‌ها که از جابه‌جایی آنها جلوگیری می‌کند.

وقتی تراشه روی PCB گذاشته می‌شود، طی مرحله ریفلو، توپ‌ها ذوب شده و اتصالات ایجاد می‌شود.

مزایای BGA

۱. افزایش تراکم اتصالات

در بسته‌بندی‌های قدیمی، تعداد پین‌ها با محدودیت فیزیکی روبه‌رو بود، اما BGA اجازه می‌دهد صدها یا حتی هزاران اتصال در یک فضای کوچک ایجاد شود. به همین دلیل پردازنده‌های مدرن و چیپ‌های گرافیکی از این روش استفاده می‌کنند.

۲. انتقال حرارت عالی

چون سطح تماس BGA با برد بیشتر است، گرما بهتر منتقل می‌شود. این موضوع برای چیپ‌های پرمصرف مانند CPU و GPU حیاتی است.

۳. کاهش نویز الکتریکی

مسیرهای کوتاه‌تر و اتصال مستقیم باعث کاهش تأخیر و بهبود سیگنال‌دهی می‌شود.

۴. اطمینان بیشتر در اتصال

برخلاف پین‌های ظریف QFP که به‌راحتی خم می‌شوند، توپ‌های لحیم BGA استحکام و دوام بیشتری دارند.

۵. ابعاد کوچک‌تر چیپ

BGA در مقایسه با روش‌های قدیمی فضای بسیار کمتری اشغال می‌کند و برای محصولات موبایلی ایده‌آل است.

معایب BGA

۱. دشواری تعمیر

اتصالات BGA زیر تراشه قرار دارند و با چشم قابل مشاهده نیستند. بنابراین برای تعمیر یا تعویض نیاز به تجهیزات پیشرفته مانند:

• هیتر مادربرد
• ریورک استیشن
• دستگاه X-Ray برای بررسی اتصالات

وجود دارد. به همین دلیل تعمیرات BGA هزینه‌برتر است.

۲. نیاز به تجهیزات تولید گران‌قیمت

ساخت و مونتاژ BGA نیازمند دستگاه‌های دقیق و پیشرفته است، بنابراین در تولید صنعتی مقرون‌به‌صرفه است اما برای کارگاه‌های کوچک چالش‌برانگیز.

۳. حساسیت به حرارت و تنش مکانیکی

در صورتی که برد تحت فشار یا ضربه قرار گیرد، ممکن است بعضی از اتصالات زیر تراشه دچار ترک یا شکستگی شوند.

کاربردهای BGA در دنیای الکترونیک

1. پردازنده‌ها و چیپ‌های گرافیکی

CPUها و GPUهای امروزی دارای صدها یا هزاران اتصال هستند و BGA بهترین روش برای اتصال آنها به مادربرد است.

2. حافظه‌ها

حافظه‌های RAM، حافظه‌های فلش eMMC، NAND و NOR نیز در بسته‌بندی BGA تولید می‌شوند.

3. کنسول‌های بازی

تراشه‌های پلی‌استیشن، ایکس‌باکس و نینتندو از BGA استفاده می‌کنند و مشکلاتی مثل “یِلو لایت” و “رد رینگ” در کنسول‌ها اغلب ناشی از شکست اتصالات BGA است.

4. لپ‌تاپ‌ها و موبایل‌ها

تقریباً تمام چیپ‌های موبایل و مادربردهای لپ‌تاپ به صورت BGA نصب می‌شوند.

5. تجهیزات صنعتی و مخابراتی

FPGA و DSP‌ها در بسته‌بندی BGA عرضه می‌شوند زیرا نیاز به پایه‌های بسیار زیاد دارند.

BGA ریبال (Reball) چیست؟

با گذشت زمان، اتصالات BGA ممکن است دچار ترک‌خوردگی شوند. در چنین شرایطی تکنسین‌ها از روش ریبال استفاده می‌کنند. در ریبال:

1. تراشه از روی برد جدا می‌شود
2. لحیم‌های قدیمی کاملاً پاک می‌گردند
3. توپ‌های لحیم جدید به زیر تراشه اضافه می‌شود
4. تراشه دوباره روی برد نصب می‌شود

این کار نیازمند مهارت و ابزارهای دقیق است و به‌خصوص در لپ‌تاپ‌ها و کنسول‌ها بسیار رایج است.

انواع BGA

BGA انواع مختلفی دارد، از جمله:

• PBGA: نوع پلاستیکی
• CBGA: نوع سرامیکی
• TBGA: نوع دارای انتقال حرارت بهبود یافته
• MicroBGA: نسخه بسیار کوچک برای موبایل‌ها
• Fine Pitch BGA: با فاصله بسیار کم بین توپ‌ها

هر نوع برای کاربردهای خاص طراحی شده و ویژگی‌های حرارتی و مکانیکی متفاوتی دارد.

جمع‌بندی

BGA یکی از مهم‌ترین فناوری‌های بسته‌بندی تراشه‌های الکترونیکی است که امکان تولید دستگاه‌هایی کوچک، قدرتمند و سریع را فراهم می‌کند. این روش با استفاده از توپ‌های لحیم در زیر چیپ، اتصالاتی مطمئن، پایدار و با تراکم بالا ایجاد می‌کند و در عین حال چالش‌هایی مانند دشواری تعمیر و نیاز به تجهیزات حرفه‌ای نیز دارد. با این حال نقش آن در الکترونیک مدرن غیرقابل انکار است و تقریباً تمام تراشه‌های پیشرفته امروزی از همین ساختار بهره می‌برند.

مطالب مرتبط: قیمت مونتاژ برد dip