مصفوفة شبكة الكرات

تُعالج تقنية BGA مشكلة إنتاج غلاف مصغر لدائرة متكاملة ذات مئات الأطراف. كانت مصفوفات شبكة الأطراف وأغلفة التثبيت السطحي ثنائية الخط ( SOIC ) تُنتج بأعداد متزايدة من الأطراف، مع تناقص المسافة بينها، مما تسبب في صعوبات في عملية اللحام. ومع تقارب أطراف الغلاف، ازداد خطر التوصيل العرضي للأطراف المتجاورة باللحام.

من المزايا الأخرى لحزم BGA مقارنةً بالحزم ذات الأطراف المنفصلة (أي الحزم ذات الأرجل) انخفاض المقاومة الحرارية بين الحزمة ولوحة الدوائر المطبوعة. وهذا يسمح للحرارة المتولدة من الدائرة المتكاملة داخل الحزمة بالتدفق بسهولة أكبر إلى لوحة الدوائر المطبوعة، مما يمنع ارتفاع درجة حرارة الشريحة.

كلما قصر الموصل الكهربائي، انخفضت محاثته غير المرغوب فيها ، وهي خاصية تُسبب تشويهاً غير مرغوب فيه للإشارات في الدوائر الإلكترونية عالية السرعة. تتميز رقائق BGA، بفضل المسافة القصيرة جداً بين الغلاف ولوحة الدوائر المطبوعة، بانخفاض محاثة أطرافها، مما يمنحها أداءً كهربائياً فائقاً مقارنةً بالأجهزة ذات الأطراف الثابتة.

من عيوب تقنية BGA أن كرات اللحام لا تتمتع بالمرونة التي تتمتع بها الأسلاك الطويلة، لذا فهي ليست مرنة ميكانيكيًا . وكما هو الحال مع جميع أجهزة التثبيت السطحي، فإن الانحناء الناتج عن اختلاف معامل التمدد الحراري بين ركيزة لوحة الدوائر المطبوعة وBGA (الإجهاد الحراري)، أو الانحناء والاهتزاز (الإجهاد الميكانيكي) قد يؤدي إلى كسر وصلات اللحام.

يمكن التغلب على مشاكل التمدد الحراري بمطابقة الخصائص الميكانيكية والحرارية للوحة الدوائر المطبوعة مع خصائص غلافها. عادةً، تتوافق مكونات BGA البلاستيكية مع الخصائص الحرارية للوحة الدوائر المطبوعة بشكل أدق من المكونات الخزفية.

أدى الاستخدام الواسع النطاق لتجميعات سبائك اللحام الخالية من الرصاص والمتوافقة مع توجيهات RoHS إلى ظهور بعض التحديات الإضافية أمام تقنية BGA، بما في ذلك ظاهرة اللحام " الرأس في الوسادة " ^{[ 2 ]} ، ومشاكل " تكوّن الحفر في نقاط التوصيل"، بالإضافة إلى انخفاض موثوقيتها مقارنةً بتقنية BGA المصنوعة من اللحام القائم على الرصاص في ظروف التشغيل القاسية مثل درجات الحرارة العالية والصدمات الحرارية الشديدة وقوى الجاذبية العالية، ويعود ذلك جزئيًا إلى انخفاض مرونة اللحام المتوافق مع توجيهات RoHS. ^{[ 3 ]}

يمكن التغلب على مشاكل الإجهاد الميكانيكي بربط الأجهزة باللوحة من خلال عملية تُسمى "التعبئة السفلية" ^{[ 4 ]} ، حيث يتم حقن خليط إيبوكسي أسفل الجهاز بعد لحامه بلوحة الدوائر المطبوعة، مما يؤدي فعليًا إلى لصق جهاز BGA بلوحة الدوائر المطبوعة. توجد أنواع عديدة من مواد التعبئة السفلية المستخدمة، وتختلف خصائصها من حيث سهولة التشكيل ونقل الحرارة. ومن المزايا الإضافية للتعبئة السفلية أنها تحد من نمو شعيرات القصدير .

يتمثل حل آخر لمشكلة التوصيلات غير المتوافقة في وضع "طبقة مرنة" داخل العبوة تسمح للكرات بالتحرك فعليًا بالنسبة للعبوة. وقد أصبحت هذه التقنية معيارًا لتغليف ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) في عبوات BGA.

تشمل التقنيات الأخرى لزيادة موثوقية الحزم على مستوى اللوحة استخدام لوحات الدوائر المطبوعة منخفضة التمدد لحزم BGA الخزفية (CBGA)، والوصلات البينية بين الحزمة ولوحة الدوائر المطبوعة، وإعادة تغليف الجهاز. ^{[ 4 ]}

بمجرد لحام العبوة في مكانها، يصعب اكتشاف عيوب اللحام. وللتغلب على هذه المشكلة، طُوّرت أجهزة الأشعة السينية ، وأجهزة التصوير المقطعي الصناعي ، ^{[ 5 ]} ومجاهر خاصة، ومناظير داخلية لفحص ما تحت العبوة الملحومة. إذا تبيّن وجود لحام رديء في عبوة BGA، يُمكن إزالتها في محطة إعادة العمل ، وهي عبارة عن جهاز مُجهّز بمصباح الأشعة تحت الحمراء (أو هواء ساخن)، ومزدوجة حرارية ، وجهاز شفط لرفع العبوة. يُمكن استبدال عبوة BGA بأخرى جديدة، أو تجديدها (أو إعادة تشكيل كرات اللحام عليها ) وإعادة تركيبها على لوحة الدائرة. يُمكن استخدام كرات لحام مُجهزة مسبقًا تُطابق نمط المصفوفة لإعادة تشكيل كرات اللحام في عبوات BGA عندما تحتاج واحدة أو بضع عبوات فقط إلى إعادة العمل. أما بالنسبة للعمل المخبري المتكرر بكميات كبيرة، فيُمكن استخدام رأس شفط مُجهز بقالب لالتقاط الكرات ووضعها.

نظراً لتكلفة فحص BGA بالأشعة السينية، يُستخدم الاختبار الكهربائي في كثير من الأحيان بدلاً منه. ومن أكثر الاختبارات شيوعاً اختبار مسح الحدود باستخدام منفذ JTAG وفقاً لمعيار IEEE 1149.1 .

هناك طريقة فحص أرخص وأسهل، وإن كانت مُتلفة، تزداد شعبيتها لأنها لا تتطلب معدات خاصة. تُعرف هذه الطريقة باسم "الصبغة والفك" ، وتتضمن غمر لوحة الدوائر المطبوعة بالكامل أو وحدة BGA المرفقة بها فقط في صبغة ، وبعد التجفيف، تُفك الوحدة ويتم فحص نقاط التوصيل المكسورة. إذا احتوى موضع اللحام على الصبغة، فهذا يدل على أن التوصيل لم يكن مثاليًا. ^{[ 6 ]}

أثناء عملية التطوير، لا يُعدّ لحام رقائق BGA عمليًا، لذا تُستخدم المقابس بدلًا منه، ولكنها غالبًا ما تكون غير موثوقة. يوجد نوعان شائعان من المقابس: النوع الأكثر موثوقية مزود بدبابيس زنبركية تدفع لأعلى أسفل الكرات، مع العلم أنه لا يسمح باستخدام رقائق BGA بعد إزالة الكرات لأن الدبابيس الزنبركية قد تكون قصيرة جدًا.

أما النوع الأقل موثوقية فهو مقبس ZIF ، المزود بمشابك زنبركية تمسك بالكرات. وهذا النوع لا يعمل بشكل جيد، خاصة إذا كانت الكرات صغيرة.

يتطلب لحام رقائق BGA معدات باهظة الثمن لضمان موثوقيته؛ إذ يُعدّ اللحام اليدوي لرقائق BGA صعبًا للغاية وغير موثوق، ولا يُناسب إلا أصغر الرقائق وبأقل الكميات. ^{[ 7 ]} ومع ذلك، مع ازدياد توفر الدوائر المتكاملة في عبوات بدون أطراف (مثل عبوة رباعية مسطحة بدون أطراف ) أو عبوات BGA، تم تطوير طرق إعادة تدفق اللحام المنزلية باستخدام مصادر حرارة غير مكلفة مثل مسدسات الهواء الساخن ، وأفران التحميص المنزلية ، والمقالي الكهربائية . ^{[ 8 ]}