BGA封裝技術(shù)

BGA的封裝類型多種多樣，其外形結(jié)構(gòu)為方形或矩形。根據(jù)其焊料球的排布方式可分為周邊型、交錯型和全陣列型BGA，根據(jù)其基板的不同，主要分為三類:PBGA(PlasticballZddarray塑料焊球陣列)、CBGA(ceramicballSddarray陶瓷焊球陣列)、TBGA (tape ball grid array載帶型焊球陣列)。

1、PBGA(塑料焊球陣列)封裝

PBGA封裝，它采用BT樹脂/玻璃層壓板作為基板，以塑料(環(huán)氧模塑混合物)作為密封材料，焊球為共晶焊料63Sn37Pb或準共晶焊料62Sn36Pb2Ag(已有部分制造商使用無鉛焊料)，焊球和封裝體的連接不需要另外使用焊料。有一些PBGA封裝為腔體結(jié)構(gòu)，分為腔體朝上和腔體朝下兩種。這種帶腔體的PBGA是為了增強其散熱性能，稱之為熱增強型BGA，簡稱EBGA，有的也稱之為CPBGA(腔體塑料焊球陣列)。PBGA封裝的優(yōu)點如下:

1)與PCB板(印刷線路板-通常為FR-4板)的熱匹配性好。PBGA結(jié)構(gòu)中的BT樹脂/玻璃層壓板的熱膨脹系數(shù)(CTE)約為14ppm/℃，PCB板的約為17ppm/cC，兩種材料的CTE比較接近，因而熱匹配性好。

2)在回流焊過程中可利用焊球的自對準作用，即熔融焊球的表面張力來達到焊球與焊盤的對準要求。

3)成本低。

4)電性能良好。

PBGA封裝的缺點是:對濕氣敏感，不適用于有氣密性要求和可靠性要求高的器件的封裝。

2、CBGA(陶瓷焊球陣列)封裝

在BGA封裝系列中，CBGA的歷史最長。它的基板是多層陶瓷，金屬蓋板用密封焊料焊接在基板上，用以保護芯片、引線及焊盤。焊球材料為高溫共晶焊料10Sn90Pb，焊球和封裝體的連接需使用低溫共晶焊料63Sn37Pb。標準的焊球節(jié)距為1.5mm、1.27mm、1.0mm。

CBGA(陶瓷焊球陣列)封裝的優(yōu)點如下:

1)氣密性好，抗?jié)駳庑阅芨?，因而封裝組件的長期可靠性高。

2)與PBGA器件相比，電絕緣特性更好。

3)與PBGA器件相比，封裝密度更高。

4)散熱性能優(yōu)于PBGA結(jié)構(gòu)。

CBGA封裝的缺點是:

1)由于陶瓷基板和PCB板的熱膨脹系數(shù)(CTE)相差較大(A1203陶瓷基板的CTE約為7ppm/cC，PCB板的CTE約為17ppm/筆)，因此熱匹配性差，焊點疲勞是其主要的失效形式。

2)與PBGA器件相比，封裝成本高。

3)在封裝體邊緣的焊球?qū)孰y度增加。

3、CCGA(ceramiccolumnSddarray)陶瓷柱柵陣列

CCGA是CBGA的改進型。二者的區(qū)別在于:CCGA采用直徑為0.5mm、高度為1.25mm~2.2mm的焊料柱替代CBGA中的0.87mm直徑的焊料球，以提高其焊點的抗疲勞能力。因此柱狀結(jié)構(gòu)更能緩解由熱失配引起的陶瓷載體和PCB板之間的剪切應(yīng)力。

4、TBGA(載帶型焊球陣列)

TBGA是一種有腔體結(jié)構(gòu)，TBGA封裝的芯片與基板互連方式有兩種:倒裝焊鍵合和引線鍵合。倒裝焊鍵合結(jié)構(gòu);芯片倒裝鍵合在多層布線柔性載帶上;用作電路I/O端的周邊陣列焊料球安裝在柔性載帶下面;它的厚密封蓋板又是散熱器(熱沉)，同時還起到加固封裝體的作用，使柔性基片下面的焊料球具有較好的共面性。

TBGA的優(yōu)點如下:

1)封裝體的柔性載帶和PCB板的熱匹配性能較

2)在回流焊過程中可利用焊球的自對準作用，

印焊球的表面張力來達到焊球與焊盤的對準要求。

3)是最經(jīng)濟的BGA封裝。

4)散熱性能優(yōu)于PBGA結(jié)構(gòu)。

TBGA的缺點如下:

1)對濕氣敏感。

2)不同材料的多級組合對可靠性產(chǎn)生不利的影響。

5、其它的BGA封裝類型

基板或中間層是BGA封裝中非常重要的部分，除了用于互連布線以外，還可用于阻抗控制及用于電感/電阻/電容的集成。因此要求基板材料具有高的玻璃轉(zhuǎn)化溫度rS(約為175~230℃)、高的尺寸穩(wěn)定性和低的吸潮性，具有較好的電氣性能和高可靠性。金屬薄膜、絕緣層和基板介質(zhì)間還要具有較高的粘附性能。

1、引線鍵合PBGA的封裝工藝流程

① PBGA基板的制備

在BT樹脂/玻璃芯板的兩面層壓極薄(12~18μm厚)的銅箔，然后進行鉆孔和通孔金屬化。用常規(guī)的PCB加3232藝在基板的兩面制作出圖形，如導帶、電極、及安裝焊料球的焊區(qū)陣列。然后加上焊料掩膜并制作出圖形，露出電極和焊區(qū)。為提高生產(chǎn)效率，一條基片上通常含有多個PBG基板。

② 封裝工藝流程

圓片減薄→圓片切削→芯片粘結(jié)→等離子清洗→引線鍵合→等離子清洗→模塑封裝→裝配焊料球→回流焊→表面打標→分離→最終檢查→測試斗包裝

芯片粘結(jié)采用充銀環(huán)氧粘結(jié)劑將IC芯片粘結(jié)在基板上，然后采用金線鍵合實現(xiàn)芯片與基板的連接，接著模塑包封或液態(tài)膠灌封，以保護芯片、焊接線和焊盤。使用特殊設(shè)計的吸拾工具將熔點為183℃、直徑為30mil(0.75mm)的焊料球62/36/2Sn/Pb/Ag或63/37/Sn/Pb放置在焊盤上，在傳統(tǒng)的回流焊爐內(nèi)進行回流焊接，最高加工溫度不能夠超過230℃。接著使用CFC無機清洗劑對基片實行離心清洗，以去除殘留在封裝體上的焊料和纖維顆粒，其后是打標、分離、最終檢查、測試和包裝入庫。上述是引線鍵合型PBGA的封裝工藝過程。

2、FC-CBGA的封裝工藝流程

① 陶瓷基板

FC-CBGA的基板是多層陶瓷基板，它的制作是相當困難的。因為基板的布線密度高、間距窄、通孔也多，以及基板的共面性要求較高等。它的主要過程是:先將多層陶瓷片高溫共燒成多層陶瓷金屬化基片，再在基片上制作多層金屬布線，然后進行電鍍等。在CBGA的組裝中，基板與芯片、PCB板的CTE失配是造成CBGA產(chǎn)品失效的主要因素。要改善這一情況，除采用CCGA結(jié)構(gòu)外，還可使用另外一種陶瓷基板--HITCE陶瓷基板。

②封裝工藝流程

圓片凸點的制備->圓片切割->芯片倒裝及回流焊->底部填充導熱脂、密封焊料的分配->封蓋->裝配焊料球->回流焊->打標->分離->最終檢查->測試->包裝

3、引線鍵合TBGA的封裝工藝流程

① TBGA載帶

TBGA的載帶通常是由聚酰亞胺材料制成的。

在制作時，先在載帶的兩面進行覆銅，然后鍍鎳和鍍金，接著沖通孔和通孔金屬化及制作出圖形。因為在這種引線鍵合TBGA中，封裝熱沉又是封裝的加固體，也是管殼的芯腔基底，因此在封裝前先要使用壓敏粘結(jié)劑將載帶粘結(jié)在熱沉上。

②封裝工藝流程

圓片減薄→圓片切割→芯片粘結(jié)→清洗→引線鍵合→等離子清洗→液態(tài)密封劑灌封→裝配焊料球→回流焊→表面打標→分離→最終檢查→測試→包裝

20世紀90年代隨著技術(shù)的進步，芯片集成度不斷提高，I/O引腳數(shù)急劇增加，功耗也隨之增大，對集成電路封裝的要求也更加嚴格。為了滿足發(fā)展的需要，BGA封裝開始被應(yīng)用于生產(chǎn)。BGA是英文Ball Grid Array Package的縮寫，即球柵陣列封裝。

BGA封裝內(nèi)存

BGA封裝的I/O端子以圓形或柱狀焊點按陣列形式分布在封裝下面，BGA技術(shù)的優(yōu)點是I/O引腳數(shù)雖然增加了，但引腳間距并沒有減小反而增加了，從而提高了組裝成品率;雖然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，從而可以改善它的電熱性能;厚度和重量都較以前的封裝技術(shù)有所減少;寄生參數(shù)減小，信號傳輸延遲小，使用頻率大大提高;組裝可用共面焊接，可靠性高。

說到BGA封裝就不能不提Kingmax公司的專利TinyBGA技術(shù)，TinyBGA英文全稱為Tiny Ball Grid Array(小型球柵陣列封裝)，屬于是BGA封裝技術(shù)的一個分支。是Kingmax公司于1998年8月開發(fā)成功的，其芯片面積與封裝面積之比不小于1:1.14，可以使內(nèi)存在體積不變的情況下內(nèi)存容量提高2~3倍，與TSOP封裝產(chǎn)品相比，其具有更小的體積、更好的散熱性能和電性能。

TinyBGA封裝內(nèi)存

采用TinyBGA封裝技術(shù)的內(nèi)存產(chǎn)品在相同容量情況下體積只有TSOP封裝的1/3。TSOP封裝內(nèi)存的引腳是由芯片四周引出的，而TinyBGA則是由芯片中心方向引出。這種方式有效地縮短了信號的傳導距離，信號傳輸線的長度僅是傳統(tǒng)的TSOP技術(shù)的1/4，因此信號的衰減也隨之減少。這樣不僅大幅提 升了芯片的抗干擾、抗噪性能，而且提高了電性能。采用TinyBGA封裝芯片可抗高達300MHz的外頻，而采用傳統(tǒng)TSOP封裝技術(shù)最高只可抗150MHz的外頻。

TinyBGA封裝的內(nèi)存其厚度也更薄(封裝高度小于0.8mm)，從金屬基板到散熱體的有效散熱路徑僅有0.36mm。因此，TinyBGA內(nèi)存擁有更高的熱傳導效率，非常適用于長時間運行的系統(tǒng)，穩(wěn)定性極佳。

BGA(Bdll Grid Array)封裝，即球柵陣列封裝，它是在封裝體基板的底部制作陣列焊球作為電路的I/O端與印刷線路板(PCB)互接。采用該項技術(shù)封裝的器件是一種表面貼裝型器件。與傳統(tǒng)的腳形貼裝器件(LeadedDe~ce如QFP、PLCC等)相比，BGA封裝器件具有如下特點。

1)I/O數(shù)較多。BGA封裝器件的I/O數(shù)主要由封裝體的尺寸和焊球節(jié)距決定。由于BGA封裝的焊料球是以陣列形式排布在封裝基片下面，因而可極大地提高器件的I/O數(shù)，縮小封裝體尺寸，節(jié)省組裝的占位空間。通常，在引線數(shù)相同的情況下，封裝體尺寸可減小30%以上。例如:CBGA-49、BGA-320(節(jié)距1.27mm)分別與PLCC-44(節(jié)距為1.27mm)和MOFP-304(節(jié)距為0.8mm)相比，封裝體尺寸分別縮小了84%和47%。

2)提高了貼裝成品率，潛在地降低了成本。傳統(tǒng)的QFP、PLCC器件的引線腳均勻地分布在封裝體的四周，其引線腳的節(jié)距為1.27mm、1.0mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm。當I/O數(shù)越來越多時，其節(jié)距就必須越來越小。而當節(jié)距<0.4mm時，SMT設(shè)備的精度就難以滿足要求。加之引線腳極易變形，從而導致貼裝失效率增加。其BGA器件的焊料球是以陣列形式分布在基板的底部的，可排布較多的I/O數(shù)，其標準的焊球節(jié)距為1.5mm、1.27mm、1.0mm，細節(jié)距BGA(印BGA，也稱為CSP-BGA，當焊料球的節(jié)距<1.0mm時，可將其歸為CSP封裝)的節(jié)距為0.8mm、0.65mm、0.5mm，與現(xiàn)有的SMT工藝設(shè)備兼容，其貼裝失效率<10ppm。

3)BGA的陣列焊球與基板的接觸面大、短，有利于散熱。

4)BGA陣列焊球的引腳很短，縮短了信號的傳輸路徑，減小了引線電感、電阻，因而可改善電路的性能。

5)明顯地改善了I/O端的共面性，極大地減小了組裝過程中因共面性差而引起的損耗。

6)BGA適用于MCM封裝，能夠?qū)崿F(xiàn)MCM的高密度、高性能。

7)BGA和~BGA都比細節(jié)距的腳形封裝的IC牢固可靠。

BGA封裝結(jié)構(gòu)中芯片與基板的互連方式主要有兩種:引線鍵合和倒裝焊。BGA的I/O數(shù)主要集中在100~1000。成本、性能和可加工能力是選擇使用何種方式時主要考慮因素。采用引線鍵合的BGA的I/O數(shù)常為50~540，采用倒裝焊方式的I/O數(shù)常>540。另外，選用哪一種互連方式還取決于所使用封裝體基片材料的物理特性和器件的應(yīng)用條件。PBGA的互連常用引線鍵合方式，CBGA常用倒裝焊方式，TBGA兩種互連方式都有使用。

當I/O數(shù)<600時，引線鍵合的成本低于倒裝焊。但是，倒裝焊方式更適宜大批量生產(chǎn)，而如果圓片的成品率得到提高，那么就有利于降低每個器件的成本。并且倒裝焊更能縮小封裝體的體積。

引線鍵合方式歷史悠久，具有雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)，它的加工靈活性、材料/基片成本占有主要的優(yōu)勢。其缺點是設(shè)備的焊接精度已經(jīng)達到極限。

引線鍵合是單元化操作。每一根鍵合線都是單獨完成的。鍵合過程是先將安裝在基片或熱沉上的IC傳送到鍵合機上，機器的圖像識別系統(tǒng)識別出芯片，計算和校正每一個鍵合點的位置，然后根據(jù)鍵合圖用金線來鍵合芯片和基片上的焊盤，以實現(xiàn)芯片與基片的互連。它是單點、單元化操作。采用引線鍵合技術(shù)必須滿足以下條件:

①精密距焊接技術(shù)

在100~500的高I/O數(shù)的引線鍵合中，IC芯片的焊盤節(jié)距非常小，其中心距通常約為70~90μm，有的更小。目前的鍵合機最小已能實現(xiàn)35 μm的中心距焊接。

②低弧度、長弧線技術(shù)

在BGA的鍵合中，受控弧線長度通常為3~8mm，其最大變化量約為2.5mm?；【€高度約為100~200μm，弧線高度的變化量<7μm，芯片與基片上外引線腳的高度差約為0.4~0.56mm，IC芯片厚度約為0.2~0.35mm。在高密度互連中，弧線彎曲、蹋絲、偏移是不允許的。另外，在基片上的引線焊盤外圍通常有兩條環(huán)狀電源/地線，鍵合時要防止金線與其短路，其最小間隙必須>25 Llm，這就要求鍵合引線必須具有高的線性度和良好的弧形。

③鍵合強度

由于芯片和基片上的焊盤面積都比較小，所以精密距焊接時使用的劈刀是瓶頸型劈刀，頭部直徑也較小，而小直徑的劈刀頭部和窄引線腳將導致基片上焊點的橫截面積較小，從而會影響鍵合強度。

④低溫處理

塑封BGA的基片材料通常是由具有低玻璃化溫度(Tg約為175℃)、高的熱膨脹系數(shù)(CTE約為13ppm/℃)的聚合物樹脂制成的，因此在封裝過程中的芯片裝片固化、焊線、模塑等都必須在較低的溫度下進行。而當在低溫下進行鍵合時，對鍵合強度和可靠性會產(chǎn)生不良影響。要解決這一問題就必須要求鍵合機的超聲波發(fā)生器具有較高(100kHz以上)的超聲頻率。

因此，在制造工藝上對鍵合機、鍵合工具、鍵合絲都提出了挑戰(zhàn)。

對鍵合機的要求:具有良好的成球控制能力，具有100kHz以上的超聲頻率，能在低溫下實現(xiàn)精密距焊接，能精確地控制鍵合引線弧形，鍵合質(zhì)量具有良好的重復(fù)性等。新一代的鍵合機都能滿足上述要求。

對劈刀的要求:必須具有良好的幾何形狀，能適應(yīng)高頻鍵合，以提供足夠高的鍵合強度;材質(zhì)好，使用壽命長。

對鍵合絲的要求:必須具有好的中、低弧度長弧線性能，良好的韌性及抗拉強度。

倒裝焊技術(shù)的應(yīng)用急劇增長，它與引線鍵合技術(shù)相比，有3個特點:

●倒裝焊技術(shù)克服了引線鍵合焊盤中心距極限的問題。

●在芯片的電源/地線分布設(shè)計上給電子設(shè)計師提供了更多的便利。

●為高頻率、大功率器件提供更完善的信號。

倒裝焊具有焊點牢固、信號傳輸路徑短、電源/地分布、I/O密度高、封裝體尺寸小、可靠性高等優(yōu)點，其缺點是由于凸點的制備是在前工序完成的，因而成本較高。

倒裝焊的凸點是在圓片上形成的，制成后再進行圓片切割，合格的芯片被吸附、浸入助焊劑中，然后放置在基片上(在芯片的移植和處理過程中，助焊劑必須有足夠的粘度來粘住芯片)，接著將焊料球回流以實現(xiàn)芯片與基片的互連。在整個加工過程中，工藝處理的是以圓片、芯片和基片方式進行的，它不是單點操作，因而處理效率較高。

采用倒裝焊方式需要考慮的幾個相關(guān)問題。

①基板技術(shù)

對倒裝焊而言，有許多基板可供選擇，選擇的關(guān)鍵因素在于材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、電阻率和導熱率等。在基板與芯片(一級互連)之間或基板與PCB板(二級互連)之間的TCE失配是造成產(chǎn)品失效的主要原因。CTE失配產(chǎn)生的剪切應(yīng)力將引起焊接點失效。通常封裝體的信號的完整性與基片的絕緣電阻、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗有直接的關(guān)系。介電常數(shù)、介質(zhì)損耗與工作頻率關(guān)系極大，特別是在頻率>1GHz時。當選擇基板時應(yīng)考慮上述因素。

對倒裝焊而言，使用有機物基板非常流行，它是以高密度多層布線和微通孔基板技術(shù)為基礎(chǔ)制造的，其特點是有著低的互連電阻和低的介電常數(shù)。它的局限性在于:①在芯片與基板之間高的CTE差會產(chǎn)生大的熱失配;②在可靠性環(huán)境試驗中，與同類型的陶瓷封裝器件相比，可靠性較差，其主要原因是水汽的吸附。

現(xiàn)有的CBGA、CCGA封裝采用的基板為氧化鋁陶瓷基板，其局限性在于它的熱膨脹系數(shù)與PCB板或卡的熱膨脹系數(shù)相差較大，而熱失配容易引起焊點疲勞。它的高介電常數(shù)、電阻率也不適用于高速、高頻器件。

現(xiàn)已經(jīng)開發(fā)出一種新的陶瓷基板--HITCE陶瓷基板，它有3個主要特點，12.2ppm/℃的CTE，低的介電常數(shù)5.4，低阻的銅互連系統(tǒng)。它綜合了氧化鋁陶瓷基板和有機物基板的最佳特性，其封裝產(chǎn)品的可靠性和電性能得以提高。表3為陶瓷基板和有機物基板材料特性的比較。

② 凸點技術(shù)

也許倒裝焊技術(shù)得以流行是由于有各種各樣的凸點技術(shù)服務(wù)。常用的凸點材料為金凸點，95Pb5Sn、90Pbl0Sn焊料球(回流焊溫度約350℃)，有的也采用63Pb37Sn焊料球(回流焊溫度約220℃焊料凸點技術(shù)的關(guān)鍵在于當節(jié)距縮小時，必須保持凸點尺寸的穩(wěn)定性。焊料凸點尺寸的一致性及其共面性對倒裝焊的合格率有極大的影響。

③底部填充

在絕大多數(shù)的倒裝焊產(chǎn)品中都采用了底部填充劑，其作用是緩解芯片和基板之間由CTE差所引起的剪切應(yīng)力。

中國的封裝技術(shù)極為落后，仍然停留在PDIP、PSOP、PQFP、PLCC、PGA等較為低檔產(chǎn)品的封裝上。國外的BGA封裝在1997年就已經(jīng)規(guī)?；a(chǎn)，在國內(nèi)除了合資或國外獨資企業(yè)外，沒有一家企事業(yè)單位能夠進行批量生產(chǎn)，其根本原因是既沒有市場需求牽引，也沒有BGA封裝需要的技術(shù)來支撐。對于國內(nèi)BGA封裝技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，希望國家能夠予以重視和政策性傾斜。開發(fā)BGA封裝技術(shù)需要解決的總是應(yīng)有以下幾項:

①需要解決BGA封裝的基板制造精度問題和基板多層布線的鍍通孔質(zhì)量問題;

②需要解決BGA封裝中的焊料球移植精度問題;

③倒裝焊BGA封裝中需要解決凸點的制備問題;

④需要解決BGA封裝中的可靠性問題。

封裝密度、熱、電性能和成本是BGA封裝流行的主要原因。隨著時間的推移，BGA封裝會有越來越多的改進，性價比將得到進一步的提高，由于其靈活性和優(yōu)異的性能，BGA封裝有著廣泛的前景。正因為BGA封裝有如此的優(yōu)越性，我們也應(yīng)該開展BGA封裝技術(shù)的研究，把中國的封裝技術(shù)水平進一步提高，為中國電子工業(yè)作出更大的貢獻。