Ball Grid Array (BGA) adalah paket chip kompak yang menggunakan bola solder untuk membuat koneksi yang kuat dan andal pada papan sirkuit. Ini mendukung kepadatan pin tinggi, aliran sinyal cepat, dan kontrol panas yang lebih baik untuk perangkat elektronik modern. Artikel ini menjelaskan cara kerja struktur BGA, jenisnya, langkah perakitan, cacat, inspeksi, perbaikan, dan aplikasi secara rinci.
Ikhtisar Ball Grid Array
Ball Grid Array (BGA) adalah jenis kemasan chip yang digunakan pada papan sirkuit, di mana bola solder kecil yang disusun dalam kisi-kisi menghubungkan chip ke papan. Tidak seperti paket lama dengan kaki logam tipis, BGA menggunakan bola solder kecil ini untuk membuat koneksi yang lebih kuat dan lebih andal. Di dalam paket, substrat berlapis membawa sinyal dari chip ke setiap bola solder. Saat papan dipanaskan selama penyolderan, bola meleleh dan menempel kuat pada bantalan pada PCB, menciptakan ikatan listrik dan mekanik yang kokoh. BGA populer saat ini karena dapat memuat lebih banyak titik koneksi di ruang kecil, memungkinkan sinyal melakukan perjalanan yang lebih pendek, dan bekerja dengan baik di perangkat yang membutuhkan pemrosesan cepat. Mereka juga membantu membuat produk elektronik lebih kecil dan lebih ringan tanpa kehilangan kinerja.
Anatomi Array Grid Bola
• Senyawa enkapsulasi membentuk lapisan pelindung luar, melindungi bagian dalam dari kerusakan dan paparan lingkungan.
• Di bawahnya adalah cetakan silikon, yang berisi sirkuit fungsional chip dan melakukan semua tugas pemrosesan.
• Cetakan melekat pada substrat dengan jejak tembaga yang bertindak sebagai jalur listrik yang menghubungkan chip ke papan.
• Di bagian bawah adalah susunan bola solder, kisi-kisi bola solder yang menghubungkan paket BGA ke PCB selama pemasangan.
BGA Reflow dan Proses Pembentukan Sendi
• Bola solder sudah terpasang di bagian bawah paket BGA, membentuk titik koneksi untuk perangkat.
• PCB disiapkan dengan mengoleskan pasta solder ke bantalan tempat BGA akan ditempatkan.
• Selama penyolderan reflow, rakitan dipanaskan, menyebabkan bola solder meleleh dan secara alami menyejajarkan diri dengan bantalan karena tegangan permukaan.
• Saat solder mendingin dan mengeras, ia membentuk sambungan yang kuat dan seragam yang memastikan sambungan listrik dan mekanis yang stabil antara komponen dan PCB.
Penumpukan BGA PoP pada PCB
Package-on-Package (PoP) adalah metode penumpukan berbasis BGA di mana dua paket sirkuit terintegrasi ditempatkan secara vertikal untuk menghemat ruang papan. Paket bawah berisi prosesor utama, sedangkan paket atas sering menampung memori. Kedua paket menggunakan koneksi solder BGA, memungkinkannya diselaraskan dan digabungkan selama proses reflow yang sama. Struktur ini memungkinkan untuk membangun rakitan kompak tanpa menambah ukuran PCB.
Manfaat Penumpukan PoP
• Membantu mengurangi area PCB, membuat tata letak perangkat yang ringkas dan ramping dapat dicapai
• Mempersingkat jalur sinyal antara logika dan memori, meningkatkan kecepatan dan efisiensi
• Memungkinkan perakitan terpisah dari memori dan unit pemrosesan sebelum ditumpuk
• Memungkinkan konfigurasi yang fleksibel, mendukung ukuran memori atau tingkat kinerja yang berbeda tergantung pada kebutuhan produk
Jenis Paket BGA
| Tipe BGA | Bahan Substrat | Lapangan | Kekuatan |
|---|---|---|---|
| PBGA (BGA Plastik) | Laminasi organik | 1,0–1,27 milimeter | Biaya rendah, digunakan |
| FCBGA (Flip-Chip BGA) | Multilayer kaku | ≤1,0 milimeter | Kecepatan tertinggi, induktansi terendah |
| CBGA (BGA Keramik) | Keramik | ≥1,0 milimeter | Keandalan & toleransi panas yang sangat baik |
| CDPBGA (Rongga Bawah) | Bodi yang dibentuk dengan rongga | Bervariasi | Melindungi mati; Kontrol termal |
| TBGA (Pita BGA) | Substrat fleksibel | Bervariasi | Tipis, fleksibel, ringan |
| H-PBGA (PBGA Termal Tinggi) | Laminasi yang ditingkatkan | Bervariasi | Pembuangan panas yang unggul |
Keuntungan dari Ball Grid Array
Kepadatan Pin Lebih Tinggi
Paket BGA dapat menampung banyak titik koneksi dalam ruang terbatas karena bola solder disusun dalam kisi. Desain ini memungkinkan untuk menyesuaikan lebih banyak jalur untuk sinyal tanpa membuat chip lebih besar.
Kinerja Listrik yang Lebih Baik
Karena bola solder menciptakan jalur pendek dan langsung, sinyal dapat bergerak lebih cepat dan dengan hambatan yang lebih sedikit. Ini membantu chip bekerja lebih efisien di sirkuit yang membutuhkan komunikasi cepat.
Peningkatan Pembuangan Panas
BGA menyebarkan panas lebih merata karena bola solder memungkinkan aliran termal yang lebih baik. Ini mengurangi risiko panas berlebih dan membantu chip bertahan lebih lama selama penggunaan terus menerus.
Koneksi Mekanis yang Lebih Kuat
Struktur bola-ke-bantalan membentuk sambungan padat setelah penyolderan. Ini membuat koneksi lebih tahan lama dan kecil kemungkinannya untuk putus karena getaran atau gerakan.
Desain yang lebih kecil dan lebih ringan
Kemasan BGA memudahkan pembuatan produk yang ringkas karena menggunakan lebih sedikit ruang dibandingkan dengan jenis kemasan lama.
Proses Perakitan BGA Langkah demi Langkah
• Pencetakan Pasta Solder
Stensil logam menyimpan jumlah pasta solder yang terukur ke bantalan PCB. Volume pasta yang konsisten memastikan ketinggian sambungan yang merata dan pembasahan yang tepat selama reflow.
• Penempatan Komponen
Sistem pick-and-place memposisikan paket BGA ke bantalan yang ditempelkan solder. Bantalan dan bola solder sejajar melalui akurasi alat berat dan tegangan permukaan alami selama reflow.
• Solder Reflow
Papan bergerak melalui oven reflow yang dikontrol suhu, di mana bola solder meleleh dan terikat dengan bantalan. Profil termal yang jelas mencegah panas berlebih dan mendorong pembentukan sendi yang seragam.
• Fase Pendinginan
Rakitan didinginkan secara bertahap untuk memadatkan solder. Pendinginan terkontrol mengurangi tekanan internal, mencegah retak, dan menurunkan kemungkinan pembentukan rongga.
• Inspeksi Pasca-Reflow
Rakitan jadi menjalani inspeksi melalui pencitraan sinar-X otomatis, tes pemindaian batas, atau verifikasi listrik. Pemeriksaan ini mengkonfirmasi keselarasan yang tepat, pembentukan sambungan penuh, dan kualitas koneksi.
Cacat Array Grid Bola Umum
Ketidaksejajaran - Paket BGA bergeser dari posisi yang benar, menyebabkan bola solder berada di luar pusat pada bantalan. Perpindahan yang berlebihan dapat menyebabkan koneksi yang lemah atau menjembatani selama reflow.
Sirkuit Terbuka - Sambungan solder gagal terbentuk, meninggalkan bola terputus dari bantalan. Hal ini sering terjadi karena solder yang tidak mencukupi, pengendapan pasta yang tidak tepat, atau kontaminasi pad.
Celana Pendek / Jembatan - Bola tetangga menjadi tidak sengaja dihubungkan oleh solder berlebih. Cacat ini biasanya disebabkan oleh terlalu banyak pasta solder, ketidaksejajaran, atau pemanasan yang tidak tepat.
Rongga - Kantong udara yang terperangkap di dalam sambungan solder melemahkan strukturnya dan mengurangi pembuangan panas. Rongga besar dapat menyebabkan kegagalan intermiten di bawah perubahan suhu atau beban listrik.
Sendi Dingin - Solder yang tidak meleleh atau membasahi bantalan dengan benar membentuk sambungan yang kusam dan lemah. Suhu yang tidak merata, panas rendah, atau aktivasi fluks yang buruk dapat menyebabkan masalah ini.
Bola yang Hilang atau Jatuh - Satu atau lebih bola solder terlepas dari paket, seringkali karena penanganan selama perakitan atau reballing, atau dari benturan mekanis yang tidak disengaja.
Sendi Retak - Sambungan solder patah dari waktu ke waktu karena siklus termal, getaran, atau kelenturan papan. Retakan ini melemahkan sambungan listrik dan dapat menyebabkan kegagalan jangka panjang.
Metode Inspeksi BGA
| Metode Inspeksi | Mendeteksi |
|---|---|
| Pengujian Listrik (ICT/FP) | Masalah pembukaan, shorts, dan kontinuitas dasar |
| Pemindaian Batas (JTAG) | Kesalahan tingkat pin dan masalah koneksi digital |
| AXI (Inspeksi X-ray Otomatis) | Rongga, jembatan, ketidaksejajaran, dan cacat solder internal |
| AOI (Inspeksi Optik Otomatis) | Masalah tingkat permukaan yang terlihat sebelum atau sesudah penempatan |
| Pengujian Fungsional | Kegagalan tingkat sistem dan kinerja papan secara keseluruhan |
Pengerjaan Ulang dan Perbaikan BGA
• Panaskan papan untuk mengurangi kejutan termal dan menurunkan perbedaan suhu antara PCB dan sumber pemanas. Ini membantu mencegah lengkungan atau delaminasi.
• Terapkan panas lokal menggunakan sistem pengerjaan ulang inframerah atau udara panas. Pemanasan terkontrol melembutkan bola solder tanpa terlalu panas komponen di dekatnya.
• Lepaskan BGA yang rusak dengan alat pengambilan vakum setelah solder mencapai titik lelehnya. Ini mencegah pengangkatan bantalan dan melindungi permukaan PCB.
• Bersihkan bantalan yang terbuka menggunakan sumbu solder atau alat pembersih mikro-abrasif untuk menghilangkan solder dan residu lama. Permukaan bantalan yang bersih dan rata memastikan pembasahan yang tepat selama pemasangan kembali.
• Oleskan pasta solder segar atau bola ulang komponen untuk mengembalikan ketinggian dan jarak bola solder yang seragam. Kedua opsi mempersiapkan paket untuk penyelarasan yang benar selama reflow berikutnya.
• Pasang kembali BGA dan lakukan reflow, memungkinkan solder meleleh dan sejajar dengan bantalan melalui tegangan permukaan.
• Lakukan inspeksi sinar-X pasca-pengerjaan ulang untuk memastikan pembentukan sendi yang tepat, penyelarasan, dan tidak adanya rongga atau menjembatani.
Aplikasi BGA dalam Elektronik
Perangkat Seluler
BGA digunakan di smartphone dan tablet untuk prosesor, memori, modul manajemen daya, dan chipset komunikasi. Ukurannya yang ringkas dan kepadatan I/O yang tinggi mendukung desain ramping dan pemrosesan data yang cepat.
Komputer dan Laptop
Prosesor pusat, unit grafis, chipset, dan modul memori berkecepatan tinggi biasanya menggunakan paket BGA. Ketahanan termal yang rendah dan kinerja listrik yang kuat membantu menangani beban kerja yang menuntut.
Peralatan Jaringan dan Komunikasi
Router, sakelar, stasiun pangkalan, dan modul optik mengandalkan BGA untuk IC berkecepatan tinggi. Koneksi yang stabil memungkinkan penanganan sinyal yang efisien dan transfer data yang andal.
Elektronik Konsumen
Konsol game, smart TV, perangkat yang dapat dikenakan, kamera, dan perangkat rumah sering kali berisi komponen pemrosesan dan memori yang dipasang di BGA. Paket ini mendukung tata letak yang ringkas dan keandalan jangka panjang.
Elektronik Otomotif
Unit kontrol, modul radar, sistem infotainment, dan elektronik keselamatan menggunakan BGA karena tahan terhadap getaran dan siklus termal saat dirakit dengan benar.
Sistem Industri dan Otomasi
Pengontrol gerak, PLC, perangkat keras robotika, dan modul pemantauan menggunakan prosesor dan memori berbasis BGA untuk mendukung pengoperasian yang tepat dan siklus kerja yang panjang.
Elektronik Medis
Perangkat diagnostik, sistem pencitraan, dan alat medis portabel mengintegrasikan BGA untuk mencapai kinerja yang stabil, perakitan yang ringkas, dan manajemen panas yang lebih baik.
Perbandingan BGA, QFP, dan CSP
| Fitur | BGA | QFP | CSP |
|---|---|---|---|
| Jumlah Pin | Sangat tinggi | Sedang | Rendah–sedang |
| Ukuran Paket | Kompak | Jejak yang lebih besar | Sangat ringkas |
| Inspeksi | Sulit | Mudah | Sedang |
| Performa Termal | Luar biasa | Rata-rata | Baik |
| Kesulitan Pengerjaan Ulang | Tinggi | Rendah | Sedang |
| Biaya | Cocok untuk tata letak dengan kepadatan tinggi | Rendah | Sedang |
| Terbaik Untuk | IC I/O tinggi berkecepatan tinggi | IC Sederhana | Komponen ultra-kecil |
Kesimpulan
Teknologi BGA memberikan koneksi yang solid, kinerja sinyal yang cepat, dan penanganan panas yang efektif dalam desain elektronik yang ringkas. Dengan metode perakitan, inspeksi, dan perbaikan yang tepat, BGA mempertahankan keandalan jangka panjang di banyak aplikasi canggih. Struktur, proses, kekuatan, dan tantangannya menjadikannya solusi dasar untuk perangkat yang membutuhkan pengoperasian yang stabil dalam ruang terbatas.
Pertanyaan yang Sering Diajukan [FAQ]
Terbuat dari apa bola solder BGA?
Mereka biasanya terbuat dari paduan berbasis timah seperti SAC (timah-perak-tembaga) atau SnPb. Paduan memengaruhi suhu leleh, kekuatan sambungan, dan daya tahan.
Mengapa bengkok BGA terjadi selama reflow?
Warpage terjadi ketika paket BGA dan PCB mengembang pada kecepatan yang berbeda saat memanas. Ekspansi yang tidak merata ini dapat menyebabkan paket menekuk dan mengangkat bola solder dari bantalan.
Apa yang membatasi pitch BGA minimum yang dapat didukung oleh PCB?
Pitch minimum tergantung pada lebar jejak pembuat PCB, batas jarak, ukuran via, dan tumpukan. Pitch yang sangat kecil membutuhkan mikrovia dan desain PCB HDI.
Bagaimana keandalan BGA diperiksa setelah perakitan?
Tes seperti siklus suhu, pengujian getaran, dan uji jatuh digunakan untuk mengungkapkan sambungan yang lemah, retakan, atau kelelahan logam.
Aturan desain PCB apa yang diperlukan saat merutekan di bawah BGA?
Perutean membutuhkan jejak impedansi terkontrol, pola breakout yang tepat, via-in-pad bila diperlukan, dan penanganan sinyal berkecepatan tinggi yang hati-hati.
Bagaimana proses reballing BGA dilakukan?
Reballing menghilangkan solder lama, membersihkan bantalan, menerapkan stensil, menambahkan bola solder baru, menerapkan fluks, dan memanaskan kembali paket untuk memasang bola secara merata.