Jste zde

Amatérské konstrukce s BGA

Elektřina obecně a zejména tvorba různých elektronických kontrukcí patří k mým dlouhodobým zájmům. Jelikož mě živí podnikání v jiném oboru, které jsem započal během studií, mohu se elektronickým konstrukcím věnovat naplno pouze pár dní v roce.
Když jsem před více než 15ti léty vyrobil kostrukci s grafickým displejem a kódem v assembleru s několika tísíci řádky, byl to výrobek na relativně slušné úrovni. Od té doby se však mnohé změnilo a tak se alespoň snažím těch pár dní v roce naučit něco, co ještě neznám.

Jedním z cílů letošního roku (s několikaletým zpožděním) pro mě byla konstrukce s BGA obvodem. A jelikož zatím vše po HW stránce funguje na první dobrou, chci se o informace se stavbou podělit.
Článek vychází z úvah a zkušeností, které jsem nasbíral v amatérském prostředí v míře dostatečné pro výrobu níže uváděné kontrukce. Je tedy určen lidem, které tato problematika zajímá nebo se nacházejí v podobné situaci. Zatím jsem na moc podobných článků nenarazil a tak si myslím, že jej má smysl zveřejnit. V profi prostředí je možné použit odlišné postupy, článek je tedy vhodný spíše jen pro amatéry.

Jedním z velkých nepřátel vývoje elektroniky v amatérském prostředí je miniaturizace součástkové základny. A právě BGA obvody patří k nejnáročnějším součástkám, které se ve výrobě vyskytují. Vysoké nároky na výrobu DPS celý proces výrazně prodražují. Zatímco v profi prostředí cenu prototypu hravě spolkne následná sériová výroba, v amatérském prostředí, kde je často prototyp zároveň finální výrobek, může výsledná cena konstruktéra zcela odradit.
Pro představu při použití běžných postupů se náklady na výrobu prototypu (pouze cena DPS a součástek) níže popisované konstrukce pohybuje kolem 8 tisíc korun. V takovém případě je představa, že „jsem se mezi 137 a 138 kuličkou sekl“ (a tedy to celé mohu hodit do koše), dosti nepříjemná.
Naštěstí pro amatéra dnes existuje spousta pool-servisů, které jsou schopny vyrábět v požadovaných specifikacích ve čtyřech či šesti vrstvách. Pro vyvedení většiny periférií včetně externí flash na QSPI rozhraní, což byl i můj případ, mi stačilo použít čtyř-vrstvou desku a ještě mi zůstalo místo na další obvody. V případě externí RAM bych už musel jít do více vrstev, ale jelikož se jednalo o mou první konstrukci s BGA, byl by to příliš velký skok. Navíc má aplikace to nepotřebuje.

Popisovaná DPS byla vyrobena s nejúžším vrtáním 0,2 mm a šířkou spoje/mezery 0,1 mm. Abych se vlezl mezi kuličky BGA čipu, mohl jsem jeden z těchto údajů o řád zhoršit, ale přišlo mi zájimavější mít větší tolerance než trochu ušetřených peněz. Na tom však není nic až tak moc zajímavého.
Nejvíce času mi zabraly úvahy nad správnosti provedení VIA prokovů a jejich spolehlivostí. Různí výrobci DPS se k tomuto stavějí různým způsobem. Jelikož zařízení, které vyrábím, by mělo mít nejlépe neomezenou životnost, nechtěl jsem toto podcenit. U jednodušších konstrukcí při použití HALu jako povrchové úpravy nemám až tak velký problém prokovy uzavřít do nepájivé masky, i když je to vlastně věc spíše estetická, ne však funkční.
V případě BGA je z důvodu rovinatosti žádanější použít jako povrchovou úpravu ENIG místo HALu. A podle výrobce DPS buď výrobce nechá prokovy maskou uzavřené nebo ne. Tak to prostě chodí. A je na výrobci i zadavateli, zda-li je ochoten riziko s tím spojené podstupovat či ne.
Zamaskovat prokovy bylo v tomto případě nutností. U BGA i minimální otevření masky může být příliš velké. Na řadu tedy přicházejí technologie typu VIA plugging, VIA filling, VIA covering apod., tedy většinou metody, které uzavřou prokov bez rizika snížení spolehlivosti. To jsou však metody, které zpravidla u pool-servisu nejsou možné a levná cenovka zůstává tedy amatérovi nedostupna.

Řešení jsem zvolil jednoduché a sice prokovy nechat otevřené a zbytek si dodělat sám. To je věc, co profík asi chtít řešit nebude, ale amatér s tím problém nemá.

Na následujících obrázcích je vidět zvětšená oblast DPS o rozměrech cca 6x6 mm pod BGA obvodem STM32F779NI, který má vnější rozměr 13x13 mm a pod tím 216 pinů.

Na prvním obrázku je vidět zvětšená oblast DPS bez úprav.

Na druhém obrázku jsou vidět VIA prokovy uzavřené pomocí UV citlivého inkoustu.

Jako masku pro nanesení a vytvrzení inkoustu jsem použil nerezovou šablonu pro nanášení pájecí pasty doplněnou o potřebné otvory v méně využité části.
Na třetím obrázku je již vidět nanesena pasta před osazením součástek.

A to je vlastně vše. Uvedená konstrukce bude sloužit pro řízení domácí automatizace s využitím FreeRTOS a bude jakýmsi prostředníkem mezi osobními asistenty světových výrobců a mnou postavenými moduly. V době návrhu jsem zvolil kontrolér STM32F779NI s taktem 216 MHz a HW crypto-akcelerací. V dnešní době je již možné desku osadit 400 MHz variantou mikrokontroléru se stejným pinoutem.