BGA en procesadores o CPU: ¿En qué se diferencia LGA y PGA?

La irrupción de equipos cada vez más delgados y portables en la informática ha extendido cada vez más el uso del socket BGA en procesadores. Una solución que ni mucho menos es una novedad por realmente ser el método más extendido para instalar chips sobre placas electrónicas.

Además de explicar con detalle en qué consiste este socket, resultará más interesante compararlo con los demás existentes, y qué modelos actuales los utilizan. No debes confundirte con cada uno de ellos, porque cada marca y prácticamente cada generación tiene el suyo propio.

El socket de un procesador

Tradicionalmente el método de instalación de procesadores en los ordenadores ha sido el uso de zócalos, es decir un sistema de conexión que permita el intercambio de componentes y posible actualización del mismo. Así que el sistema consiste en un soporte en placa que puede ser macho o hembra, y un chip que se acopla a él en las mismas condiciones.

Esta especie de enchufe tiene muy diversos formatos y tamaños, siempre dependiendo del tipo de procesador y su generación, existiendo actualmente los de tipo LGA (Land Grid Array), PGA (Pin Grid Array) y BGA (Ball Grid Array).

Pero han existido otros tipos de socket como el famoso slot 1 de los Intel Pentium II que era similar a los slots utilizados para tarjetas de expansión. El procesador se colocaba de forma vertical como una tarjeta de expansión más, lo que hacía ocupar mucho espacio y contener una escasa cantidad de contactos. Actualmente esto es inconcebible para las potentes CPU actuales.

BGA en procesadores o CPU de ordenador

Entre estos sockets, el BGA en procesadores es uno que cada vez está tomando más protagonismo pese a utilizarse desde hace bastante. Quizás el procesador más conocido que los utilizó fue el Pentium MMX en 1997.

BGA significa Matriz de Rejilla de Bolas en español y se trata de un conector que, en lugar de utilizar pines para la conexión, se sirve de una especie de almohadilla con una pequeña bola de soldadura adherida de entre 0,3 y 1,5 mm. De esta forma se crea una matriz de pequeñas bolas en la parte del procesador que se colocan de forma automática en el proceso de fabricación.

En el lado de la placa base tenemos otra matriz de contactos eléctricos de cobre en donde estas pequeñas bolas irán directamente soldadas. Entonces, la peculiaridad del socket BGA en procesadores es que estos van directamente soldados a la placa base. Eso se hace normalmente en un calentador de infrarrojos o un horno de reflujo (reflow), en donde ambas partes se calientan hasta que las bolas se derriten y se sueldan al socket. Curiosamente la tensión en la superficie de ambos elementos hace que el componente se quede perfectamente alineado con la PCB en el momento de la soldadura.

Actualmente es una opción perfecta para utilizarse en equipos informáticos extremadamente delgados y de pequeño tamaño, pues al no utilizar un sistema mecánico hace que ahorremos mucho espacio y área. Y no solo se usa el sistema BGA en procesadores, también lo vemos en chips de memoria, procesadores gráficos, móviles, y pequeñas placas electrónicas para cualquier uso. Incluso hay sistema package on a package que utilizan varios chips apilados uno sobre otro conectados entre sí mediante BGA.

Diferencias con socket LGA y PGA

A diferencia del socket BGA, los otros dos existentes sí que nos permiten interconectar de forma manual el procesador con la placa base. Estos se utilizan actualmente para equipos de escritorio, servidores y en general chips que tengan la capacidad de actualizarse por parte del usuario.

Socket LGA

Land Grid Array o matriz de contactos de rejilla, es el sistema que actualmente está utilizando Intel para todos sus procesadores de escritorio Intel Core y AMD para sus Threadripper. En este caso existe una matriz de contactos sobre el socket, compuesta por pequeños pines torcidos en forma diagonal y con una pequeña bola en su extremo. Esto permite crear una alta densidad de contactos en áreas pequeñas, aunque son bastante delicados y con una mínima manipulación podrían partirse.

El hecho de no utilizar pines rectos, es para que puedan moverse como si fueran una especie de muelle al colocarse el procesador sobre ellos a presión. Esto permite asegurarnos de que, al colocar el procesador, todos los contactos serán efectivos incluso si hay alguna impureza en el componente. Por parte del procesador, cuenta con una superficie en forma de matriz cuadrada con contactos planos.

El sistema de conexión que utiliza LGA se basa en fuerza cero (Zero Force) o lo que es lo mismo, poder conectarlo y desconectarlo sin utilizar la fuerza. El usuario solamente debe posar delicadamente el procesador sobre el socket en única posición que las ranuras permitan. Tras esto, un sistema de bracket con palanca se colocará encima de él y lo empujará hacia abajo a presión para asegurar el contacto con la matriz.

Socket PGA

Ping Grid Array o matriz de pines de contacto es un sistema que en procesadores actuales solamente lo utiliza AMD para sus Ryzen y CPU de escritorio. El sistema de conexión será justo al contrario que en LGA, es decir, los pines se encuentran en una matriz colocada sobre la base del procesador. Para facilitar el manejo del mismo, estos pintes son rectos y más fuertes que los del socket LGA, aunque se doblan fácilmente.

En la parte del socket de la placa madre se ha colocado una matriz de agujeros perpendiculares bajo un marco de plástico que actuará como base para el procesador. Al igual que antes, no necesitamos hacer esfuerzo en la instalación, y la CPU deberá posarse suavemente. Mediante un sistema de palanca, la base provocará un desplazamiento horizontal de la CPU para que los pines queden atrapados en los contactos.

Este sistema tiene como contra el soportar menor densidad de contactos, necesitando un área algo más amplia que LGA. Aunque sus pintes son más resistentes, un mínimo doblez hará que el procesador no encaje en la base, así que jamás debemos forzar su entrada, porque el resultado podría ser catastrófico.

Ventajas y desventajas de BGA en procesadores

El hecho de optar o no por este socket plantea diversa ventajas y desventajas como es obvio, algunas de las más importantes serán las siguientes:

Ventajas:

• Admite mayor densidad de contactos: esta es una de las ventajas clave, pues utilizar contactos en forma de bolas por soldadura, hace que la densidad de contactos sea muy superior a LGA y PGA. No se necesitan pines ni un mecanismo de fijación, siendo ideal para CPU de Smartphone y memorias.
• Ocupa menos espacio: al existir un contacto directo entre placa y chip el grosor y espacio necesario es muy inferior a los sistemas extraíbles. Este factor es la clave de conseguir portátiles con grosor inferior a 20 mm.
• Conduce mejor el calor: aunque la mayor parte del calor de una CPU sale hacia arriba por su IHS, una parte va hacia la PCB, y una soldadura directa es mejor conductora que el contacto entre pines. Esto es muy importante nuevamente para CPU de móviles y chips de alto rendimiento como los usados en RAM o VRAM
• Mejora contacto y conductividad eléctrica: es evidente que un cable soldado conduce mejor la electricidad que la unión por contacto. A esto se le suma un aumento de conductancia mientras más corto sea el enlace, y en una soldadura es inferior a 1 mm.

Desventajas:

• Imposibilidad de cambiar o actualizar la CPU: este es el mayor problema para nosotros los usuarios, ya que por ejemplo no podríamos extraer un Core i5-10300 para instalar un Core i7-10870 y tener un equipo más potente. Obviamente esta imposibilidad hace que los procesadores para portátiles actuales se puedan comprar individualmente.
• Grietas o desgaste térmico de las soldaduras: al no existir unos contactos medianamente flexibles y tener el foco de calor más cercano a la soldadura, puede provocar el agrietamiento del material y la pérdida de contacto. Las temperaturas hacen que los materiales tengan micro dilataciones y el frecuente uso ya ha provocado más de un fallo sobre todo en tarjetas gráficas.
• Rigidez mecánica: lo anterior también deriva en tener una mayor rigidez mecánica al no existir conductores. Si flexionamos una PCB con socket BGA, posiblemente rompamos la CPU o sus contactos.
• Desarrollo y prueba del chip algo más complejos: la fase de pruebas en un chip BGA se complica al no disponer de buena superficie de contacto en los pines. Además, a la hora de realizar la soldadura se alcanza elevadas temperaturas cerca de los circuitos, y existe una posibilidad de que algún elemento o pista falle.
• Reparación y solución de problemas: el ultimo problema que plantea el socket BGA en procesadores es que es difícil de identifica problemas y solucionarlos. Mientras que en un socket se puede ver a simple vista el fallo de contactos, aquí habría que efectuar un reflow o un reballing.

Métodos para reparar un socket BGA

Cuando un socket BGA falla debido al deterioro de las soldaduras o por otras causas, se puede reparar de dos formas, mediante un proceso de reballin o de reflow. No es tan habitual hacerlo en procesadores, pero sí en tarjetas gráficas para su GPU y memorias, que están soldadas también a un zócalo BGA.

Reflow

El reflow es la técnica más popular para hacer revivir una tarjeta gráfica o una placa base con CPU BGA. Consiste en aplicar calor directamente en el chip durante cierta cantidad de tiempo para derretir la soldadura de las conexiones y que se vuelvan a soldar. De esta forma, si hay conexiones defectuosas en el socket se podrían reparar y hacer funcionar el componente de nuevo.

Esta técnica es muy conocida por no conllevar coste alguno y ser relativamente sencillo hacerla. Tan solo habría que aislar los componentes circundantes de la placa y aplicar calor con una pistola decapante o algo similar. Al ser los contactos de una aleación de estaño, la temperatura de fusión de 232^oC es relativamente fácil de alcanzar. Por otro lado, puede resultar dañina para los componentes internos de la CPU e incluso empeorar el estado de las soldaduras.

Reballing

Es una técnica que está por encima de la anterior en dificultad, y consiste en la extracción completa del chip y sustitución de las soldaduras. Como su propio nombre indica, el reballing pretende restaurar las bolas de estaño del chip para efectuar una nueva unión con la PCB.

Para esto, además de aplicar calor sobre el chip, se necesita de herramientas que permitan regenerar estas pequeñas bolas para que vuelvan a ser funcionales. Por ello es un proceso mucho más complejo y con menor tasa de éxito o viabilidad.

En el reballing, el procedimiento más habitual es directamente retirar el chip antiguo y soldar uno nuevo, denominado a esto la técnica del Rework.

Uso de BGA en procesadores Intel y AMD

En la actualidad, todos los PC portátiles del mercado están utilizando un socket BGA para instalar los procesadores y las tarjetas gráficas dedicadas. Así mismo, se usa esta misma técnica para instalar los chips de memoria gráfica, y en los portátiles más delgados, también la memoria RAM.

Intel cuenta con dos series de procesadores para equipar portátiles. Por un lado, los Intel Comet Lake-H y U utilizan el BGA1440 (1440 contactos), perteneciendo a la 10ª generación con proceso de fabricación de 14 nm y un tamaño de paquete de 42x 28 mm. La 11ª generación de 10 nm Tiger Lake utiliza una versión BGA1449, es decir, 9 contactos más. El tamaño del paquete será de 46 x 25 mm.

Mientras tanto, los AMD Ryzen 4000H de arquitectura Zen 2 a 7 nm, utilizan el socket BGA FP6, provisto de 1140 contactos. Aún no se conoce el socket que utilizarán los Ryzen 5000, aunque posiblemente sea el mismo.

Conclusiones acerca de BGA vs LGA vs PGA

El socket BGA en procesadores se actualiza prácticamente cada año y con cada generación, incrementando la cantidad de contactos al añadir más potencia y funciones. Por ahora, es el método más efectivo que se conoce para añadir componentes electrónicos de alta potencia a una PCB.

La miniaturización de elementos cada vez complica más el uso del tradicional sistema de integración de componentes, y el futuro claramente se vislumbra con soluciones completamente integradas bajo un solo chip. Sirva como ejemplo el Ningmei Rubik’s Cube Mini Computer Host, el ordenador portátil más pequeño del mundo que vienen de la mano de Xiaomi. Pero ese incluso será gigante comparado con el Michigan Micro Mote (M3), un dispositivo funcional con CPU de 2×2 mm, o la creación de IBM, de solo 1×1 mm de CPU y apenas 5×5 mm de tamaño completo. Aún estamos lejos de crear dispositivos de alta funcionalidad a este tamaño, pero estamos seguros de que llegarán.

Mientras tanto, os dejamos con tutoriales acerca de cosas más terrenales:

¿Qué tipo de socket tiene vuestro ordenador? ¿Habéis entendido las diferencias entre BGA, LGA y PGA? Si tenéis dudas podéis dejarlo en el cajón de los comentarios.