BGA, PGA, LGA – Was steckt hinter den verschiedenen Grid Arrays?


DatumDienstag, 28. Januar 2020 KategorieWissen

Wer sich genauer mit verschiedenen CPU-Typen beschäftigt, stößt irgendwann unweigerlich auf Begriffe wie BGA, PGA und LGA. Wir erläutern, was eigentlich hinter diesen Abkürzungen steckt.

Die Abkürzungen BGA, PGA, LGA und CCGA bezeichnen Gehäuseformen von integrierten Schaltungen. Sie unterscheiden sich jedoch in der Art der Anschlüsse.

Ball Grid Array (BGA)

Die Abkürzung BGA steht für „Ball Grid Array“ (dt.: „Kugelgitteranordnung“). Bei dieser Gehäuseform bilden kleine Lotperlen (engl.: „balls“) die Anschlüsse, die in einem quadratischen Raster (engl.: „grid“) aus Spalten und Zeilen auf der Unterseite des Chips angeordnet sind. Durch diese Bauform können wesentlich mehr, etwa doppelt so viele, Anschlüsse wie bei PGA untergebracht werden. Die Lötkugeln liefern kurze Verbindungen und somit eine enorme Leistung.

Die Vorteile von BGA liegen im geringen Platzbedarf, der guten Wärmeabfuhr sowie der geringen Impedanz durch kurze Verbindungswege zur Leiterplatte. Zudem können die Chips wieder von der Leiterplatte ausgelötet werden, ohne sie zu beschädigen. Dies ermöglicht das Entfernen alter Lotperlen (entloten, engl. „deballing“) und Bestücken mit neuen Perlen (Neubeperlung, engl. „reballing“). Im Anschluss kann der Chip auf eine neue Leiterplatte gelötet werden. Da gelötete Prozessoren mechanisch und thermisch extrem robust sind, kKommt BGA vor allem bei Embedded-CPUs zum Einsatz.

Ein großer Nachteil ist, dass die Kontrolle der Lötstellen nur durch Röntgen erfolgen kann, da die Anschlüsse verdeckt und schwer zugänglich sind. Das schränkt auch Reparaturmöglichkeiten stark ein. Zum sicheren Löten wird eine spezielle Ausrüstung, ein sogenannter Reflow-Ofen benötigt. Zudem lassen sich BGA-Chips nur auf Multilayer-Platinen sinnvoll einsetzen, was ihre Anwendungsmöglichkeiten etwas begrenzt.

Pin Grid Array (PGA)

Das sogenannte „Pin Grid Array“ (PGA) wird vor allem bei Prozessoren verwendet. Während bei BGA Lötperlen eingesetzt werden, nutzt das Pin Grid Array – wie der Name schon sagt – kleine Pins (also „Kontaktstifte“ oder „Beinchen“) als Anschlüsse. Diese werden ebenfalls in einem quadratischen Raster angeordnet, die Anschlusszahl und Anordnung der Arrays variiert jedoch, sodass es eine Vielzahl an Varianten und somit auch verschiedene CPU-Sockel gibt. Die Stiftreihen können parallel oder versetzt angeordnet werden, sie werden mit Ziffern und Buchstaben gekennzeichnet.

Es existieren verschiedene Varianten von PGA: 

  • Beim Ceramic Pin Grid Array (CPGA) ist der Halbleiterchip auf einem wärmeleitenden Keramikträger fixiert. Verwendung findet es in der ersten Generation Intel-Pentium, Sockel-A-Varianten des AMD Athlon sowie der Duron-Familie.
  • Beim Plastic Pin Grid Array (PPGA) besteht der Träger für den Halbleiterchip aus Plastik. Diese Variante ist etwas preiswerter, hat bessere thermische Eigenschaften und auch eine verbesserte elektrische Leistung als Keramik. PPGA wird vor allem bei den Pentium-MMX-Prozessoren und Celeron eingesetzt.
  • Das Staggered Pin Grid Array (SPGA) zeichnet sich durch versetzte Anschlussreihen aus. Diese Variante wird für CPUs benötigt, die mehr als 200 Anschlüsse haben, da durch das versetzte Layout mehr Platz ist. Es wird beim Pentium und späteren Zentraleinheiten verwendet.
  • Beim Flip-Chip Pin Grid Array (FCPGA) ist der integrierte Schaltkreis auf der Oberseite des Trägers befestigt („flip-chip“ bedeutet „umgedrehter, gewendeter Chip“). Diese Bauform wird beispielsweise in Pentium III und einigen Celeron-Prozessoren verwendet.

Da sich die Pins bei PGA auf der CPU befinden, sind auf dem Mainboard-Sockel die entsprechenden Löcher, sodass die CPU ohne großen Druck eingebaut werden kann.

Land Grid Array (LGA)

Das "Land Grid Array" (LGA) ist das genaue Gegenteil von PGA, denn die Kontaktpins befinden sich auf dem Sockel des Mainboards. Auf der CPU findet sich die gleiche Anzahl an Kontaktstellen, mit denen eine Verbindung hergestellt wird. Intel nutzt LGA schon seit vielen Jahren für den Großteil seiner Celeron, Pentium, Core und Xeon CPUs.

Vorteile von LGA sind zum einen die geringere Größe der Pins, durch die eine größere Anzahl von Pins auf der gleichen Fläche ermöglicht wird. Zum anderen werden diese nicht so leicht beschädigt, weil sie eben keine Pins haben, die zerdrückt werden können. Verglichen mit LGA, haben PGA-Sockel den Vorteil, dass das Mainboard eigentlich nicht beschädigt werden kann. Zudem lassen sich Pins einfacher auf einem PGA-Prozessor als auf einem LGA-Mainboard reparieren.

Ceramic Column Grid Array (CCGA)

Auch wenn es nichts mit Mini-PCs zu tun hat, wollen wir das Ceramic Column Grid Array (CCGA) der Vollständigkeit halber hier auch erwähnen. CCGA-Gehäuse sind äußerst zuverlässig und werden in der Raumfahrt sowie in der Militärtechnik eingesetzt. Die Lotanschlüsse auf der Unterseite des Gehäuses sind säulenartig (daher auch die Bezeichnung “column”, dt. “Säule”) und bestehen aus stark verbleitem Lot. Die Säulen werden, ähnlich wie bei BGA, in einem Gitter angeordnet. Im zivilen Markt können sie nicht eingesetzt werden, da sie wegen des hohen Bleianteils durch Handelsverbote der EU im Rahmen der RoHS-Richtlinien nicht erlaubt sind.

Ball Grid Array, Pin Grid Array, Land Grid Array

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