Comparaison des BGA et LGA dans les applications à haute puissance

À mesure que les appareils électroniques deviennent plus compacts tout en augmentant leurs performances, la gestion de la dissipation thermique est devenue un élément crucial dans la conception des PCB. Deux styles de boîtiers populaires pour les applications à haute puissance sont le Ball Grid Array (BGA) et le Land Grid Array (LGA). Bien que BGA et LGA présentent chacun des avantages uniques, ils possèdent des caractéristiques structurelles distinctes qui influencent leurs performances thermiques. Cet article propose un aperçu des boîtiers BGA et LGA, explore les défis thermiques dans les applications à haute puissance et discute des considérations de conception et solutions pour une gestion thermique efficace.

Comprendre les boîtiers BGA et LGA

Un boîtier BGA utilise une grille de billes de soudure sous la puce IC pour établir la connexion avec le PCB. Ces billes assurent la connexion électrique et facilitent également le transfert thermique de la puce vers le circuit imprimé. Les BGA sont largement utilisés pour leur densité élevée d’E/S, leurs performances électriques et leur capacité à accueillir de grandes puces.

En revanche, un boîtier LGA utilise des pads métalliques plutôt que des billes de soudure pour entrer en contact avec le PCB. Un LGA nécessite un interposeur ou un mécanisme de maintien pour garantir une pression de contact suffisante entre les pads IC et les lands du PCB. Bien que les LGA ne soudent pas directement sur la carte, ils facilitent le transfert de chaleur via les pads. Les LGA offrent des avantages tels que la possibilité de retouche et une réduction des contraintes mécaniques par rapport aux BGA.

Pour les applications à haute puissance, les BGA et LGA sont intéressants grâce à leur densité élevée d’E/S, permettant de supporter des circuits intégrés complexes. Cependant, les flux thermiques générés par les composants électroniques haute puissance peuvent poser des défis thermiques spécifiques à ces boîtiers. Une gestion thermique efficace est essentielle pour garantir des performances fiables.

Considérations thermiques pour les boîtiers BGA

Pour les BGA, les billes de soudure constituent le principal conduit de transfert thermique de la puce vers le PCB. Pour maximiser les performances thermiques, le PCB doit être conçu pour répartir la chaleur latéralement et la transférer vers le bord de la carte ou un dissipateur thermique.

Une technique courante consiste à placer des vias thermiques sous les pads BGA. Ces vias offrent un chemin direct de conduction thermique vers les couches internes du PCB ou vers les plans de masse inférieurs, réduisant ainsi la distance de dissipation de la chaleur. L’utilisation de matériaux à haute conductivité thermique pour remplir les vias est recommandée lorsque cela est possible.

Augmenter le nombre de vias thermiques réduit la résistance thermique jonction-carte du boîtier. Cependant, un excès de vias peut compromettre la fiabilité des soudures. Un compromis doit être évalué pour optimiser le transfert de chaleur tout en minimisant les contraintes mécaniques sur les billes de soudure.

De plus, des pads en cuivre plus larges sur le PCB améliorent la dissipation de chaleur depuis les billes BGA. Des simulations thermiques permettent de prévoir les gradients de température et d’identifier les points chauds sous les BGA. Des dissipateurs en cuivre ou des inserts thermiques intégrés au PCB peuvent également augmenter la dissipation thermique.

(Consultez ici les recommandations techniques pour les règles de conception BGA.)

Considérations thermiques pour les boîtiers LGA

Les LGA transfèrent la chaleur par conduction à travers l’interface entre les pads du boîtier et les lands du PCB. L’interface thermique est donc cruciale pour minimiser la résistance thermique. Les LGA destinés aux applications haute puissance intègrent souvent des pads thermiques en plus des pads électriques pour maximiser le transfert de chaleur.

L’application de matériaux d’interface thermique (TIM) entre les pads LGA et les lands est essentielle pour combler les micro-espaces et améliorer la conduction thermique. Typiquement, une pâte ou film TIM à haute conductivité thermique est appliqué sur le LGA ou les lands du PCB avant l’assemblage. Le TIM doit présenter une conductivité thermique élevée et être suffisamment souple pour compenser les irrégularités de surface et les tolérances.

Les vias thermiques situés sous les pads thermiques LGA améliorent également l’extraction de chaleur. Comme pour les BGA, les simulations thermiques du boîtier LGA et de l’assemblage PCB sont importantes pour évaluer les performances thermiques. Des facteurs tels que la taille des lands, le nombre de vias, l’épaisseur du TIM et la pression de contact doivent être modélisés pour atteindre la dissipation thermique requise.

Applications industrielles et études de cas

Les boîtiers BGA et LGA trouvent de nombreuses applications dans différents secteurs, notamment les télécommunications, l’automobile, l’aérospatiale et l’électronique grand public.

Télécommunications :

BGA et LGA sont largement utilisés dans les équipements réseau haute performance, tels que les routeurs, switches et stations de base. Ces applications nécessitent une gestion thermique efficace en raison des composants haute puissance impliqués. L’optimisation thermique a permis d’assurer un fonctionnement fiable et d’allonger la durée de vie des produits.

Automobile :

Dans l’industrie automobile, BGA et LGA sont employés dans les unités de contrôle électronique (ECU), capteurs et systèmes d’infodivertissement. Les exigences strictes en température et les conditions d’exploitation difficiles nécessitent des solutions de gestion thermique robustes. Grâce à une conception PCB soignée et des simulations thermiques, les électroniques automobiles maintiennent des performances optimales dans des environnements extrêmes.

Aérospatiale :

Les BGA et LGA sont utilisés dans les systèmes avioniques, les équipements de communication par satellite et les systèmes de contrôle de vol. Les applications aérospatiales exigent une fiabilité et des performances thermiques exceptionnelles. L’intégration de techniques avancées de refroidissement, telles que les caloducs et le refroidissement liquide, permet de gérer efficacement la dissipation thermique et d’assurer un fonctionnement sûr des systèmes électroniques.

Électronique grand public :

Les BGA et LGA sont courants dans les smartphones, tablettes, consoles de jeu et équipements audio haut de gamme. Ces appareils nécessitent souvent un facteur de forme compact tout en offrant une grande puissance de calcul, rendant la gestion thermique essentielle. L’utilisation de solutions thermiques innovantes comme les chambres à vapeur, les dissipateurs et les techniques de refroidissement avancées permet d’améliorer les performances et de prévenir les surchauffes.

Études de cas :

Dans les radios de stations de base 5G, les BGA dissipent efficacement la chaleur des circuits mmWave haute puissance. Les vias thermiques, pads en cuivre et dissipateurs maintiennent les températures jonctionnelles en dessous de 125°C malgré des flux thermiques supérieurs à 200 W.

Les processeurs LGA dans les clusters de calcul haute performance utilisent de larges pads thermiques pour transférer la chaleur vers des plaques froides liquides, maintenant la température des puces à 45°C sous 500 W.

Dans les systèmes radar et guerre électronique, les mémoires BGA empilées avec vias thermiques gèrent 300 W par module, les vias étant connectés aux couches centrales de masse pour répartir la chaleur.

Conclusion :

En conclusion, les boîtiers BGA et LGA présentent chacun des avantages et des défis spécifiques en termes de gestion thermique. Comprendre les considérations thermiques propres à chaque style de boîtier et appliquer des solutions de conception adaptées permet de gérer efficacement la dissipation de chaleur et d’améliorer la performance et la durée de vie des systèmes électroniques haute puissance.

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