Ball Grid Array

Ein Ball Grid Array (BGA) ist ein oberflächenmontierbares Gehäuse für integrierte Schaltkreise, bei dem Lötkügelchen die Anschlussdrähte oder Stifte älterer Gehäuse ersetzen. Anstelle von Anschlussdrähten, die von den Kanten des Chip-Gehäuses abstehen, sitzen hunderte kleine Lötkügelchen in einem Rastermuster auf der Unterseite. Während der Montage wird das Gehäuse erwärmt, die Kügelchen schmelzen und bilden Verbindungen direkt zu den entsprechenden Pads auf der Leiterplatte. Ein einzelnes BGA-Gehäuse kann 200 bis 2000 Kontaktpunkte aufweisen.

BGAs entstanden in den 1980er-Jahren, als die Schaltungsdichte mehr Verbindungen auf kleinerem Raum erforderte. Ältere Gehäusetypen wie Quad Flat Packs (QFP) hatten Anschlussdrähte, die um den Umfang liefen; ein großes QFP konnte 300 Stifte auf vier Seiten aufweisen. Ein BGA mit der gleichen Stiftanzahl benötigt nur etwa ein Viertel der Leiterplattenfläche, da die komplette Unterseite nutzbar ist. Dieser Dichtevorteil machte BGAs unverzichtbar für Mobilgeräte, Grafikprozessoren und feldprogrammierbare Gate Arrays (FPGAs).

Die Lötkügelchen selbst haben typischerweise einen Durchmesser von 0,5 mm bis 1,27 mm und bestehen aus bleiarmer Legierung (üblicherweise SAC305: Zinn, Silber, Kupfer) oder älteren bleihaltig formulierten Legierungen. Der Rasterabstand, also der Abstand zwischen den Kugelmittelpunkten, reicht von 0,4 mm in feinrastrigen Gehäusen bis 1,5 mm oder mehr in größeren Ausführungen. Die Kügelchen werden während der Fertigung am Gehäusesubstrat befestigt, üblicherweise durch eine mechanische Presse oder einen Reflow-Prozess.

Die Montage von BGA-Gehäusen erfordert kontrolliertes Reflow-Löten in einem Ofen mit präzisen Temperaturprofilen, üblicherweise mit einer Aufheizung auf 240 bis 260 Grad Celsius über mehrere Minuten. Der Bediener kann die Lötverbindungen nach der Montage nicht sichtbar prüfen, da sie unter dem Gehäuse verborgen sind. Fehler wie Kaltstellen, Poren oder unzureichende Lötmenge erfordern Röntgenprüfung oder Wärmeanalyse zur Erkennung. Nachbesserungen sind schwierig und riskieren, das Gehäuse oder umgebende Bauteile zu beschädigen.

Häufige Ausfallarten sind Lötverbindungsrisse durch Thermowechselbelastung (das Gehäuse und die Leiterplatte dehnen sich unterschiedlich aus und ziehen sich zusammen), Whisker-Bildung in bleifreien Loten unter Belastung und Feuchtigkeitsaufnahme im Gehäusesubstrat, die beim Reflow zu Popcorn-Rissen führt. BGAs erfordern sorgfältiges Leiterplattendesign mit kontrollierter Impedanzführung und Wärmemanagement, um Zuverlässigkeitsprobleme in der Fertigung zu vermeiden.