Travailler avec des BGA : conception et mise en page

Le Ball Grid Array, ou package BGA, n'est plus l'apanage exclusif des puces grandes et complexes des cartes mères d'ordinateurs : aujourd'hui, même les microcontrôleurs simples sont disponibles avec ces petites billes de soudure. Néanmoins, de nombreux amateurs préfèrent conserver les packages QFP et QFN car ils sont plus faciles à souder. Bien que ce soit un bon argument, les packages BGA peuvent offrir des économies d'espace significatives et constituent parfois le seul choix : avec la pénurie actuelle de puces, certaines autres versions de packages peuvent tout simplement ne pas être disponibles. Même la soudure ne doit pas nécessairement être compliquée : si vous êtes déjà à l'aise avec la pâte à souder et les profils de refusion, ajouter un ou deux BGA au mélange est assez simple.

Dans cet article, nous montrerons que travailler avec des puces BGA n'est pas aussi difficile qu'il y paraît. L'accent sera mis sur la conception des circuits imprimés : comment dessiner les empreintes appropriées, comment acheminer de nombreux signaux et quelles capacités votre fabricant de circuits imprimés devrait avoir. Nous aborderons les techniques de soudure et de reprise dans un prochain article, mais voyons d'abord pourquoi les BGA sont utilisés.

À mesure que la technologie informatique progressait dans les années 1990, les cartes mères de nos PC sont devenues de plus en plus complexes. Les bus de données 8 bits des années 1980 ont cédé la place à des bus de 16 bits, 32 bits et même 64 bits entre le processeur, la mémoire principale et les cartes d'extension telles que les contrôleurs de disque dur et les cartes graphiques. Ces bus devaient tous être transportés vers et depuis diverses puces, qui nécessitaient donc de nombreuses broches.

Le boîtier typique pour les puces complexes à l'époque était le boîtier quad-flat (QFP), avec de longues rangées de broches en forme d'ailes de mouette de chaque côté. Lorsqu'ils ont été étendus à un nombre de broches de 200 ou plus, ces boîtiers sont devenus de plus en plus encombrants : non seulement ils sont devenus très grands par rapport à la puce à l'intérieur, mais les broches sont également devenues extrêmement petites et fragiles. Les grosses puces QFP nécessitaient une manipulation minutieuse pour éviter de plier les broches et de rendre la puce insoudable.

Le package Ball Grid Array, ou BGA, a été développé pour résoudre ces deux problèmes. Placer les broches dans une grille au bas de l'emballage, au lieu de les répartir sur le bord, permet d'obtenir une conception beaucoup plus efficace en termes de surface. De plus, les billes de soudure sont beaucoup plus robustes que les minuscules broches des boîtiers QFP à petit pas. Même si les fabricants craignaient au départ des problèmes de fabrication et de tests, le boîtier BGA s'est avéré très fiable et est depuis devenu omniprésent dans tous les types d'équipements électroniques.

L'image ci-dessous, montrant une partie d'une carte mère PC vintage de 1997, illustre clairement la différence d'efficacité de zone entre un boîtier QFP et un boîtier BGA. Le contrôleur ATI VGA sur la gauche dispose d'un boîtier QFP à 208 broches avec un pas de broche de 0,5 mm. Le contrôleur système Ali M1531, à droite, parvient à installer 328 broches sur son boîtier BGA, avec des billes de soudure à un pas beaucoup plus confortable de 1,27 mm.

Un boîtier BGA est généralement construit autour d'un interposeur : une petite carte de circuit imprimé qui sert d'interface entre la puce elle-même et la carte de circuit imprimé sur laquelle elle est montée. La puce est liée par fil à l’interposeur et recouverte d’époxy protecteur. L'interposeur achemine les signaux du bord de la puce vers un ensemble de plages situées en bas, sur lesquelles sont fixées de petites boules de soudure. Le package BGA terminé est ensuite placé sur la carte de circuit imprimé et chauffé. Les billes de soudure fondent et créent une connexion entre la carte et l'interposeur.

Au début, les BGA typiques avaient un pas de bille de 1,27 mm. À mesure que la technologie s'améliorait, les boîtiers BGA sont devenus de plus en plus petits, jusqu'à ce que l'interposeur ne soit plus beaucoup plus grand que la puce à l'intérieur. Ces BGA miniaturisés sont connus sous le nom de boîtiers à l'échelle d'une puce, ou CSP, et ont généralement un pas de bille compris entre 1,0 et 0,5 mm.

La quête de la miniaturisation ne s'est toutefois pas arrêtée là : les fabricants de semi-conducteurs ont finalement développé le flip-chip BGA, ou WL-CSP (wafer-level chip scale package), qui renonçait complètement à l'interposeur. Au lieu de cela, les conceptions à puce retournée placent les billes de soudure directement sur la surface de la puce, avec un pas qui peut être aussi petit que 0,3 mm. La puce est ensuite montée à l'envers sur le circuit imprimé, soit avec une couche protectrice d'époxy au dos, soit sans aucun emballage.