20世纪50年代起，世界各国都在致力于发展数字位移测量技术，随着微电子技术的发展和微处理器的出现，数字测量技术得到了飞速发展，感应同步器、光栅、磁栅、容栅和球栅数显系统相继问世。采用数显装置的机床和量具量仪能够明显提高测量和加工的精度和效率，数显化率因而也反映了一个国家现代制造业的发展水平。

我国的数显技术起步较晚，直到80年代中后期才逐步开始在国内推广数显技术。由于国内数显产品难以满足国内机床行业的需求，陆续引进了日本SONY磁栅数显系统、德国HEIDENHAIN和西班牙FAGOR光栅数显系统、英国NEWALL球栅数显系统等国外数显产品，同时极大促进了我国数显产业的发展和提高。我国已成为位移传感器的生产大国，其中光栅尺的销售量已占世界市场的一半以上。

球栅数显系统是发展较晚的一种位移测量系统，被引入国内的时间也相对较晚，直到90年代末才被国内的机床厂家所使用。与光栅的情况有所不同，球栅的生产厂家为数很少，进口的仅有英国NEWALL公司一家，国内则是上海球栅测量系统有限公司一家独大，国内的球栅市场也被这两家公司所垄断。继英国NEWALL公司在1975年率先推出栅距12.7mm、分辨率为5μm的球栅尺以来，上海球栅测量系统有限公司也推出了栅距5mm、分辨率1μm的高精度微型球栅尺，填补了国内空白。普通球栅尺和微型球栅尺的单根最大测量长度已分别可达14米和2米。随着球栅测量技术的不断进步和生产技术的不断革新，球栅的应用领域和适用范围也将进一步扩大。2100433B

球栅数显系统主要应用于新机床的数显配套和老设备的技术改造，原先多用于工作环境较为恶劣的卧式镗床、落地镗铣床、龙门刨床、立式车床等重、大型机床，已逐步适用于卧车、万能升降台铣床、万能回转头铣床、龙门铣床等中、小型机床。其实质是对传统机械位移测量和检验方式的变革，把过去的标尺、刻度盘、卡量工具的读数变成直观、准确的数字显示，不受环境、外界、人为等因素的客观干扰。对节省测量时间、降低废品率、节约能源、提高生产工作效率、提高产品加工精度、保证产品质量、减轻工人劳动强度等都具有重要意义，可为企业带来明显的经济效益和社会效益。

球栅数显系统主要由以下三部分组成：

1、球栅尺：在一根非导磁的不锈钢管内装入导磁的高精密钢球组成。特殊材质的导磁钢球经高精度加工、研磨、筛选，装入不锈钢管并在预载条件下校正、封装、检测，可终身使用。

2、读数头：包含6组线圈，每组线圈均包括输入（传送）和输出（读取）线组。线圈及相关的电子电路全部用环氧树脂密封，以隔绝和防止冷却液、机油及其他物质的侵害。

3、数显表：将接收到的模拟信号进行插补和数字化处理并直观显示出来的显示仪表，内含电流、电路板、显示数码器件等。按显示的坐标数划分可分为单坐标、两坐标和三坐标等，按机床应用类型划分可分为标准型、铣床型和车床型，按功能不同可划分可分为RDS型、B50型、ND80型等。

与其他位移传感器相比，球栅具有许多独特的优点：

（1）采用全密封结构，球栅尺的高精度钢球、线圈和相关电子电路均被完全密封，防护等级可达IP67，是防护等级最高的一种位移传感器。可以在水中和油中工作，这一特点特别适合水下机械和一些必须在浸在水中进行加工的机械。

（2）尺体为金属结构，保护良好，不会因冷却水、冷却液、金属切屑、粉末和尘土等的影响而污损，特别适合恶劣环境条件下的加工。

（3）金属壳体刚性强、密封好，即使用喷枪清理机床时，直接喷射到球栅尺上也不会损坏。

（4）基准钢球的线膨胀系数与机床相同，对车间温度的变化极小。

（5）抗磁能力强，能在强磁场和强辐射条件下工作，可用于原子反应堆。

（6）抗震、抗冲击、耐磨，球栅尺的损坏率很小。

（7）球栅数显主要部件为组装式结构，安装简单，维护方便，操作容易。

（8）球栅尺单根最长可达14米，并可无限接长，几乎能满足所有重型机床的加工。

（9）保用期可长达10年，免除经常维修带来的余悸和忧患。

球栅测量系统基于电磁感应原理，和传统的电源变压器类同。电源变压器一般有两组线圈，即输入（传送）线圈和输出（读取）线圈，当输入激磁交流电时，在输出线圈中便得到交流输出电压，根据输入线圈和输出线圈间介质的不同（导磁率不同），输出电压的大小是不一样的。空气导磁率约为1，如果在输入线圈和输出线圈之间放入导磁金属，在输出线圈中得到的感应电压就增大了，导磁金属越多，输出电压便越大。见图一：

根据以上球栅数显的结构和原理，可以知道：

1、球栅尺的精度主要取决于钢球的精度，即钢球的直径和园度需要精加工保障。由于球的半直径精度可以精选且能互相补偿，因此球栅尺可以达到较高的精度。

2、钢球的直径即为球栅尺的测量周期，增加钢球的数量就可以增大量程，只要装钢球的不锈钢管足够长，量程便不受其他因素的限制。

球栅（英文名称Ballgrid或BallGrid）是20世纪70年代发展起来的一种位移传感器。

位移传感器的主要作用是将连续变化的机械位移量（模拟信号）转换为正弦波或TTL方波形式的电信号（模拟信号或数字信号）。

利用球栅测量技术对机械设备的线位移或角位移进行数字测量的位移测量系统称之为球栅测量系统。

由球栅位移传感器及其数字显示仪表组成的数字测量系统则称为球栅数显系统。

球栅阵列封装非延展性的接点

BGA封装的其中一个缺点，就是锡球无法像长引脚那样可以伸展，因此他们在物理特性上是不具材料刚度的。所有的表面贴焊装置，因PCB基板和BGA封装在热膨胀系数的差异而弯曲（热应力），或延展并振动（机械应力）下，就可能导致焊点断裂。

热膨胀问题可透过PCB与封装两者相近的热特性配合来解决，通常塑化BGA装置可以比陶瓷BGA装置更接近符合PCB的热特性。

普遍采用的RoHS相容无铅焊料合金产线，更显示出BGA封装所需面临的挑战，例如回焊过程时的“枕头效应”（Head-in-Pillow）、“承垫坑裂”（pad cratering）问题，相较于含铅焊料的BGA封装，由于RoHS相容焊料的低延展性，在高温、高热冲击和高G力等极端环境下，有些BGA封装的可靠度也因此降低。

机械应力问题可透过一种叫做“底部填充”（Underfilling）的手续将装置黏合在板子上，此手续会在装置贴焊到PCB上后，在其下方注射环氧混合物，有效地将BGA装置贴合至PCB上。有数种底部填充材料可供应用，可对应各种不同应用与热传导的需求提供不同的特性。底部填充的另一个好处是，能够限制住锡须的增生。

解决非延展性接点的另一个解决办法，就是将封装内放入一道“延展性涂层”，能允许底部的锡球能按照封装的相对应位置移动实际位置。这个技巧已成了BGA封装DRAM厂的标准之一。

其他在PCB层级上用来增加封装可靠度的技巧，还包括了专为陶瓷BGA（CBGA）使用的低延展性PCB、封装与PCB板之间导入的中介板（interposers），或重新封装装置等。

球栅阵列封装检验困难

当封装物贴焊至定位后，要找到焊接时的缺陷就变得困难。为了要检测焊接封装的底部，业界均开发了X光机、工业电脑断层扫描机、特殊显微镜、和内视镜等设备来克服这个问题。若一块BGA封装发现是贴焊失败，可以在“返修台”（通称rework station）上移除它，这是一台装有红外线灯（或热风机）的夹具，以及备有热电偶和真空装置以便吸取封装物。BGA封装可以替换另一颗新的、重工（或称“除锡植球”，英文称reballing）并重新安装在电路板上。

由于视觉化X光的BGA检测方式所费不赀，电路测试法反而也经常被采用。常见的边界扫描测试法可透过IEEE 1149.1JTAG接口连接进行测试。

球栅阵列封装开发电路时的困难

在开发阶段时，就将BGA装置焊接至定点的话其实不切实际，通常反而是先使用插槽，虽然这样比较不稳定。通常有两种常见的插槽：较可靠的类型具有弹簧针脚，可以贴紧下方的锡球，但不允许使用锡球已被移除的BGA装置，因为这样弹簧针脚可能会不够长。

而不可靠的类型是一种叫做“ZIF插槽”（Zero Insertion Force），具有弹簧钳可以抓住锡球。但这个不容易成功，特别是当锡球太小的话。

球栅阵列封装设备花费

要可靠地焊接BGA装置，需要昂贵的设备。人工焊接的BGA装置非常困难且不可靠，通常只用在少量且小型的装置。然而，由于越来越多的IC只提供在无铅（例如，四侧扁平无铅封装（quad-flat no-leads package））或BGA封装使用，已逐渐发展出各种的DIY法（重工）可使用便宜的加热源，例如热风枪、家用烤箱以及平底电热锅等。

球栅阵列封装高密度

BGA封装技术是在生产具有数百根引脚的集成电路时，针对封装必须缩小的难题所衍生出的解决方案。插针网格阵列（Pinned grid array）和双列直插封装（Dual in-line package）的表面贴焊（小型塑封集成电路; Small-outline integrated circuit; SOIC）封装生产时，由于必须加入越来越多引脚且彼此的间隙必须减少，这样却导致了焊接过程时的困难。当封装引脚彼此越来越近时，焊锡时意外地桥接到相邻的引脚风险就因此增加。BGA封装技术在工厂实作的焊接下，就没有这类的困扰。

球栅阵列封装导热性

BGA封装技术的另一个优势，胜过分离式引脚（如含针脚的封装技术）的其他封装技术，那就是在封装与PCB间能有较低的热阻抗。这可以让封装内的集成电路产生的热能更容易传导至PCB，避免芯片过热。

球栅阵列封装低电感引脚

更短的导体也就意味着不必要的电感度能降低，此特性在高速的电子电路中会导致不必要的信号失真。BGA封装技术，在封装与PCB之间的距离非常短，有了低电感引脚，相较于针脚装置能有更优异的电子特性。

BGA封装技术是从插针网格阵列（pin grid array; PGA）改良而来，是一种将某个表面以格状排列的方式覆满（或部分覆满）引脚的封装法，在运作时即可将电子讯号从集成电路上传导至其所在的印刷电路板（printed circuit board，以下简称PCB）。在BGA封装下，在封装底部处引脚是由锡球所取代，每个原本都是一粒小小的锡球固定其上。这些锡球可以手动或透过自动化机器配置，并透过助焊剂将它们定位。装置以表面贴焊技术固定在PCB上时，底部锡球的排列恰好对应到板子上铜箔的位置。产线接着会将其加热，无论是放入回焊炉(reflow oven) 或红外线炉，以将锡球溶解。表面张力会使得融化的锡球撑住封装点并对齐到电路板上，在正确的间隔距离下，当锡球冷却并固定后，形成的焊接接点即可连接装置与PCB。