Was ist ein BGA (Ball Grid Array)? – Erklärung für die Elektronik
Ein Ball Grid Array (BGA) ist eine spezielle Gehäuseform für elektronische Bauteile, insbesondere für integrierte Schaltkreise (ICs), die in der modernen Elektronik weit verbreitet ist. Sie zeichnet sich durch eine Vielzahl von kleinen Lötperlen („Balls“) aus, die auf der Unterseite des Chips in einem Raster (Grid) angeordnet sind.
Aufbau und Funktionsweise
Statt wie bei älteren Gehäuseformen (z. B. DIP oder QFP) die Anschlüsse seitlich herauszuführen, befinden sich beim BGA die elektrischen Kontakte unterhalb des Bauteils. Diese bestehen aus kleinen Kugeln aus Lot, die beim Auflöten auf die Leiterplatte schmelzen und eine elektrische sowie mechanische Verbindung herstellen.
Vorteile der BGA Gehäuseform
- Kompakte Bauweise: Ideal für platzsparende Designs, z. B. in Smartphones oder Laptops.
- Hohe Anschlussdichte: Mehr Pins auf kleiner Fläche möglich.
- Gute elektrische Eigenschaften: Kürzere Verbindungswege reduzieren Störungen.
- Effiziente Wärmeableitung: Wärme kann besser über die Lötstellen abgeführt werden.
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Bestückung von BGA-Komponenten
Die BGA Leiterplattenbestückung beginnt mit dem Auftragen der Lötpaste auf die vorgesehenen Pads der Leiterplatte. Dies erfolgt mithilfe einer präzisen Schablone, die sicherstellt, dass die Paste nur dort landet, wo sie benötigt wird. Alternativ können die benötigten Pastendepots auch mit dem JetPrint-Verfahren erstellt werden. Anschließend wird das BGA-Bauteil durch einen Bestückungsautomaten exakt auf der Leiterplatte positioniert, wobei die Lötkugeln des Bauteils auf den Lötpastepunkten zu liegen kommen.
Im nächsten Schritt durchläuft die bestückte Leiterplatte einen Reflow-Lötprozess. Dabei wird sie in einem Reflow-Ofen erhitzt, wodurch die Lötpaste schmilzt und die Kugeln des BGA sich mit den Pads verbinden. Durch die Oberflächenspannung richtet sich das Bauteil automatisch korrekt aus. So entsteht eine zuverlässige elektrische und mechanische Verbindung zwischen Chip und Leiterplatte.
Inspektion und Qualitätssicherung
Da die Lötstellen unter dem Bauteil liegen, sind sie nicht direkt sichtbar:
- AOI (Automatische Optische Inspektion): Für sichtbare Bereiche.
- Röntgeninspektion: Zur Kontrolle der verdeckten Lötstellen bei Ball Grid Arrays.
- Elektrischer Test: Funktionstests zur Sicherstellung der korrekten Verbindung.
Herausforderungen
- Inspektion schwierig: Da die Lötstellen unter dem Bauteil liegen, sind sie mit bloßem Auge nicht sichtbar. Für die Qualitätskontrolle werden Röntgenverfahren eingesetzt.
- Reparatur aufwendig: Ein defekter BGA-Chip muss meist komplett ausgelötet und ersetzt werden.
Einsatzbereiche von Ball Grid Array Bauteilen
- Mikroprozessoren (z. B. in PCs, Smartphones)
- Grafikchips (GPUs)
- Speicherbausteine (RAM, Flash)
- FPGAs und andere komplexe ICs
Varianten von BGA-Gehäusen
| Bezeichnung | Abkürzung | Material / Aufbau | Besonderheiten | Typische Einsatzgebiete |
|---|---|---|---|---|
| Plastic Ball Grid Array | PBGA | Kunststoffgehäuse | Kostengünstig, gute Wärmeableitung mit Heatspreader | Consumer-Elektronik (z. B. Laptops, Smartphones) |
| Ceramic Ball Grid Array | CBGA | Keramikgehäuse | Hohe thermische Stabilität, robust gegen Umwelteinflüsse | Industrie, Luft- und Raumfahrt, Automotive |
| Tape Ball Grid Array | TBGA | Dünner Kunststofffilm | Sehr flach, gute Wärmeableitung | Mobilgeräte, platzkritische Anwendungen |
| Micro Ball Grid Array | µBGA | Sehr kleine Bauform | Extrem feiner Raster, hohe Packungsdichte | Smartphones, Wearables |
| Fine-Pitch BGA | FBGA | Kunststoff, feiner Raster | Kugelabstand < 1 mm, hohe Pinanzahl | Speicherchips (z. B. DDR-RAM) |
| Low-Profile FBGA | LFBGA | Flaches Kunststoffgehäuse | Platzsparend, feiner Raster | Tablets, Embedded Systems, Mobilgeräte |
| Chip-Scale Tape BGA | CTBGA | Tape-basiertes Gehäuse | Sehr kompakt, für CSP-Anwendungen | Hochintegrierte Mikroelektronik |
| Very Fine Pitch BGA | VFBGA | Kunststoff, extrem feiner Raster | Höchste Anschlussdichte möglich | Hochleistungs-Mikroprozessoren |
| Wafer-Level Package | WLP | Direkt auf Wafer gefertigt | Extrem kompakt, keine klassische Gehäuseform | Mikrocontroller, moderne ICs |
| Package on Package | PoP | Stapelbare BGA-Gehäuse | Kombination von z. B. Prozessor und RAM übereinander | Smartphones, Tablets |
