Trabalhando com BGAs: Design e Layout

O pacote Ball Grid Array, ou BGA, não é mais exclusivo de chips grandes e complexos em placas-mãe de computadores: hoje até microcontroladores simples estão disponíveis com aquelas pequenas bolas de solda. Ainda assim, muitos hobbyistas preferem ficar com os pacotes QFP e QFN porque são mais fáceis de soldar. Embora isso seja justo, os pacotes BGA podem oferecer economias significativas de espaço e, às vezes, são a única opção: com a contínua escassez de chips, algumas outras versões de pacotes podem simplesmente não estar disponíveis. Até mesmo a soldagem não precisa ser complicada: se você já está confortável com pasta de solda e perfis de refluxo, adicionar um ou dois BGA à mistura é muito fácil.

Neste artigo mostraremos que trabalhar com chips BGA não é tão difícil quanto pode parecer. O foco estará no design da placa de circuito impresso: como desenhar pegadas adequadas, como rotear muitos sinais e quais recursos o fabricante da PCB deve ter. Abordaremos técnicas de soldagem e retrabalho em um artigo futuro, mas primeiro vamos dar uma olhada no porquê dos BGAs serem usados.

À medida que a tecnologia informática avançava na década de 1990, as placas-mãe dentro dos nossos PCs tornaram-se cada vez mais complexas. Os barramentos de dados de 8 bits da década de 1980 deram lugar a barramentos de 16 bits, 32 bits e até 64 bits entre a CPU, a memória principal e placas de expansão, como controladores de disco rígido e adaptadores de vídeo. Todos esses barramentos tinham que ser transportados para dentro e para fora de vários chips, que, portanto, precisavam de muitos pinos.

O pacote típico para chips complexos na época era o pacote quad-flat (QFP), com longas fileiras de pinos em forma de asa de gaivota em cada lado. Quando aumentados para uma contagem de 200 pinos ou mais, esses pacotes tornaram-se cada vez mais difíceis de manejar: além de se tornarem muito grandes em comparação com o chip interno, os pinos também se tornaram extremamente pequenos e frágeis. Chips QFP grandes exigiam um manuseio cuidadoso para evitar entortar os pinos e tornar o chip insoldável.

O pacote Ball Grid Array, ou BGA, foi desenvolvido para resolver esses dois problemas. Colocar os pinos em uma grade na parte inferior da embalagem, em vez de espalhá-los pela borda, proporciona um design muito mais eficiente em termos de área. Além disso, as esferas de solda são muito mais robustas do que os minúsculos pinos nos pacotes QFP de pequeno passo. Embora os fabricantes inicialmente temessem problemas de fabricação e testes, o pacote BGA revelou-se muito confiável e desde então se tornou onipresente em todos os tipos de equipamentos eletrônicos.

A imagem abaixo, mostrando parte de uma placa-mãe de PC vintage de 1997, ilustra claramente a diferença na eficiência de área entre um pacote QFP e um pacote BGA. O controlador ATI VGA à esquerda possui um pacote QFP de 208 pinos com espaçamento de pinos de 0,5 mm. O controlador do sistema Ali M1531, à direita, consegue encaixar 328 pinos em seu pacote BGA, com esferas de solda em um passo muito mais confortável de 1,27 mm.

Um pacote BGA é normalmente construído em torno de um intermediário: uma pequena placa de circuito impresso que serve como interface entre o chip real e a placa de circuito na qual está montado. O chip é ligado por fio ao intermediário e coberto com epóxi protetor. O intermediário direciona os sinais da borda do chip para uma série de almofadas na parte inferior, nas quais são fixadas pequenas bolas de solda. O pacote BGA completo é então colocado na placa de circuito impresso e aquecido. As bolas de solda derretem e criam uma conexão entre a placa e o intermediário.

Os BGAs típicos dos primeiros dias tinham um arremesso de bola de 1,27 mm. À medida que a tecnologia melhorou, os pacotes BGA tornaram-se cada vez menores, até que o intermediário não fosse muito maior do que o chip interno. Esses BGAs miniaturizados são conhecidos como pacotes em escala de chip, ou CSPs, e normalmente têm um passo de bola entre 1,0 e 0,5 mm.

A busca pela miniaturização não terminou aí: os fabricantes de semicondutores eventualmente desenvolveram o flip-chip BGA, ou pacote de escala de chip em nível de wafer (WL-CSP), que dispensou completamente o intermediário. Em vez disso, os designs flip chip colocam as esferas de solda diretamente na superfície do chip, com um passo que pode ser tão pequeno quanto 0,3 mm. O chip é então montado de cabeça para baixo na placa de circuito, com uma camada protetora de epóxi na parte traseira ou sem nenhuma embalagem.