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插入式 BGA 器件
Advanced Interconnections 公司 Curt Wilmot/胡智勇 译

  Advanced Interconnections BGA测试座简介

  利用管脚插入形式将电子元件固定到电脑主板上,作为一项非常流行的制造技术已经有二十多年的历史了。然而使用插座系统用于对BGA器件进行组装的设计师却面临着新的挑战,即将昂贵的IC器件固定到昂贵的母板上所需的封装问题。确保良好封装的重要一点是:要尽可能早的在设计开始时确定插座系统。


满足可生产性的设计


  由于通过插座能够很容易地实现插入或者拨出,使得插座具有提高组装、测试和返修工艺的能力,从而体现出了采用插座形式的长远价值。除此之外,它们对生产过程的其他方面也起到了一定的积极作用。

  如果在设计初期考虑到这些问题,不仅能够提升电路板的性能设计,而且也能在开发的早期,让生产工程师更容易地审视所设计的产品。举例来说,许多生产线上使用徊流焊接的方法将插座安装到电路板上。插座越小,质量就越轻,这就可以很方便地确认徊流焊接加热曲线,满足优化加热分布的目的,有助于插座的安装,并降低了整个生产周期。

  表面贴装插座的针脚通常利用在母板上的焊盘进行端面焊接。然而,在电路板和BGA器件的共面性方面所产生的差异,可能会引起焊点在连接强度、耐冲击性和温度循环方面发生变化。

  插座采用低温共熔焊料球进行端接,可以形成比常规的引脚到焊盘的连接方式更为牢固的焊接点,从而能够解决上述的问题。另外一方面是从进一步提高生产能力方面考虑,插座采用带轮组装形式,从而可以借助于在生产线上采用的任何一种自动化元器件贴装设备的优点。


尺寸大小的考虑
  如果将BGA器件直接安装在母板的焊盘上,那么诸如组装尺寸(接点大小和高度)以及为了能够满足气流的流动和散热器安装所需的组件周围的空间等因素都要予以具体的确定。一般对于器件的安装来说,移位和插入是产生问题的关键。使用插座形式来安置BGA器件会在尺寸大小上增加一些额外的考虑。

  假如现在要将现有的母板进行重新设计以适应插座形式的BGA器件。如果插座形式与相应的BGA器件有差异,就必须花时间和费用重新设计电路板,以确保在BGA器件周围留有合适的空间,否则就不能适合应用需要。

  同样,如果安装后,插座使BGA器件过高,占用的空间过多,进而会影响到充足的气流量、散热器的安装以及母板到机箱的安装。在这种情况下,具有与BGA器件接触点尺寸相一致的低矮型插座,能最大限度地降低或者消除电路板的重新设计工作。在设计一开始,就应该考虑以上这些因素,当空间受到限制的时候,小型低矮插座通常是上佳的选择。


电子学方面的考虑
  插座是一种电子元件,如果计划采用插座形式安装BGA器件,插座对器件的信号干扰要尽可能的降到最小。例如,如果选用的是一个低速器件,插座的电性能可能对信号处理产生的影响并不大;但是,如果采用的元器件具有非常高的运算速度,仅仅是插座本身的存在就有可能使信号通道发生变化,足以对信号产生影响,甚至影响到元器件的功能。在这种情况下,就需要在母板设计时考虑添加电子元器件,以使信号能够保持正常状态。在对一块新的电路板进行布线设计时考虑这些问题是非常必要的,因为在设计早期阶段,确定元器件的规格和贴装问题比较容易,而且能够节省不少的费用。


机械方面的考虑
  从机械方面来看,BGA插座或者载运BGA器件的插座转接器系统,从插座制造商和用户两个方面对设计提出了挑战。一方面,插座连接器必须具有足够的力量来保持BGA器件的安全稳定,确保与母板具有良好的电气接触。而另一方面,所采用的机械力需要与插座内的连接装置相匹配,或者当移出器件时,机械力要尽可能的小,以防止产生弯曲变形或损坏元器件及母板。

  插座接触处的材料和结构形式也是非常重要的。采用铜铍合金的精确螺旋机械端接(screw-machined terminal)方法,并内部接触处采用了较厚的镀金处理,将比采用较簿镀金处理的相同材料具有很好的机械和电气性能。

  另外,当对插座、器件进行测试的时候,反复地将转接器从插座中插入和拨出将最终磨损掉镀金层,改变接触电阻,并很可能使测试结果发生偏差。因此,如果镀金厚度不够的话,很显然会缩短插座的使用寿命,这也意味着将要频繁地更换新的插座。


热设计方面的考虑
  插座的温度特性(诸如热阻、温度稳定性、热膨胀系数以及熔化点)能够与BGA组件相互匹配是也非常重要的,它可以确保在整个温度循环周期中保持良好的机械完整性和电气性能(见图)。如果插座与BGA组件性能匹配不合理,将有可能引发一系列其他问题,比如:可能会影响到热耗散设计、器件和母板的MTBF(平均故障间隔时间)、提前发生的频繁现场返修以及实验室模拟性能与实际现场应用性能不一致等。举例来说,如果BGA封装最高的工作温度超过在插座和转接器中所采用的塑料的最大工作温度的话,那么将会发生变形或是熔化现象。如果BGA器件与插座和转接器的热膨胀系不一致,母板或者BGA可能会发生变形,或者是产生一些其他方面的局部变形问题。

成本方面的考虑
  任何时候在电子设备中增添元器件,都会造成产生成本方面的牺牲。如果母板或者BGA比较廉价,则可以随时根据需要进行适当的处理。如果对插座做出具体的规定,可能会无谓地增加生产和销售方面的成本支出,而并不能改善产品的性能。

  但是,如果电路板或BGA器件价格较高;开发、测试、仿真和组装工艺需要增加速度;BGA器件在被安装到母板上之前需要现场编程;或者电路板和BGA器件需要在现场进行测试、返修和升级的话,那么处理的规则就不同了。在这种情况下,在插座的性能和用途方面的考虑,要远远超出插座本身的成本。

 
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