球柵陣列封裝敘述

BGA封裝技術(shù)是從插針網(wǎng)格陣列（pin grid array; PGA）改良而來，是一種將某個表面以格狀排列的方式覆滿（或部分覆滿）引腳的封裝法，在運作時即可將電子訊號從集成電路上傳導(dǎo)至其所在的印刷電路板（printed circuit board，以下簡稱PCB）。在BGA封裝下，在封裝底部處引腳是由錫球所取代，每個原本都是一粒小小的錫球固定其上。這些錫球可以手動或透過自動化機器配置，并透過助焊劑將它們定位。裝置以表面貼焊技術(shù)固定在PCB上時，底部錫球的排列恰好對應(yīng)到板子上銅箔的位置。產(chǎn)線接著會將其加熱，無論是放入回焊爐(reflow oven) 或紅外線爐，以將錫球溶解。表面張力會使得融化的錫球撐住封裝點并對齊到電路板上，在正確的間隔距離下，當(dāng)錫球冷卻并固定后，形成的焊接接點即可連接裝置與PCB。

球柵陣列封裝高密度

BGA封裝技術(shù)是在生產(chǎn)具有數(shù)百根引腳的集成電路時，針對封裝必須縮小的難題所衍生出的解決方案。插針網(wǎng)格陣列（Pinned grid array）和雙列直插封裝（Dual in-line package）的表面貼焊（小型塑封集成電路; Small-outline integrated circuit; SOIC）封裝生產(chǎn)時，由于必須加入越來越多引腳且彼此的間隙必須減少，這樣卻導(dǎo)致了焊接過程時的困難。當(dāng)封裝引腳彼此越來越近時，焊錫時意外地橋接到相鄰的引腳風(fēng)險就因此增加。BGA封裝技術(shù)在工廠實作的焊接下，就沒有這類的困擾。

球柵陣列封裝導(dǎo)熱性

BGA封裝技術(shù)的另一個優(yōu)勢，勝過分離式引腳（如含針腳的封裝技術(shù)）的其他封裝技術(shù)，那就是在封裝與PCB間能有較低的熱阻抗。這可以讓封裝內(nèi)的集成電路產(chǎn)生的熱能更容易傳導(dǎo)至PCB，避免芯片過熱。

球柵陣列封裝低電感引腳

更短的導(dǎo)體也就意味著不必要的電感度能降低，此特性在高速的電子電路中會導(dǎo)致不必要的信號失真。BGA封裝技術(shù)，在封裝與PCB之間的距離非常短，有了低電感引腳，相較于針腳裝置能有更優(yōu)異的電子特性。

球柵陣列封裝非延展性的接點

BGA封裝的其中一個缺點，就是錫球無法像長引腳那樣可以伸展，因此他們在物理特性上是不具材料剛度的。所有的表面貼焊裝置，因PCB基板和BGA封裝在熱膨脹系數(shù)的差異而彎曲（熱應(yīng)力），或延展并振動（機械應(yīng)力）下，就可能導(dǎo)致焊點斷裂。

熱膨脹問題可透過PCB與封裝兩者相近的熱特性配合來解決，通常塑化BGA裝置可以比陶瓷BGA裝置更接近符合PCB的熱特性。

普遍采用的RoHS相容無鉛焊料合金產(chǎn)線，更顯示出BGA封裝所需面臨的挑戰(zhàn)，例如回焊過程時的“枕頭效應(yīng)”（Head-in-Pillow）、“承墊坑裂”（pad cratering）問題，相較于含鉛焊料的BGA封裝，由于RoHS相容焊料的低延展性，在高溫、高熱沖擊和高G力等極端環(huán)境下，有些BGA封裝的可靠度也因此降低。

機械應(yīng)力問題可透過一種叫做“底部填充”（Underfilling）的手續(xù)將裝置黏合在板子上，此手續(xù)會在裝置貼焊到PCB上后，在其下方注射環(huán)氧混合物，有效地將BGA裝置貼合至PCB上。有數(shù)種底部填充材料可供應(yīng)用，可對應(yīng)各種不同應(yīng)用與熱傳導(dǎo)的需求提供不同的特性。底部填充的另一個好處是，能夠限制住錫須的增生。

解決非延展性接點的另一個解決辦法，就是將封裝內(nèi)放入一道“延展性涂層”，能允許底部的錫球能按照封裝的相對應(yīng)位置移動實際位置。這個技巧已成了BGA封裝DRAM廠的標(biāo)準(zhǔn)之一。

其他在PCB層級上用來增加封裝可靠度的技巧，還包括了專為陶瓷BGA（CBGA）使用的低延展性PCB、封裝與PCB板之間導(dǎo)入的中介板（interposers），或重新封裝裝置等。

球柵陣列封裝檢驗困難

當(dāng)封裝物貼焊至定位后，要找到焊接時的缺陷就變得困難。為了要檢測焊接封裝的底部，業(yè)界均開發(fā)了X光機、工業(yè)電腦斷層掃描機、特殊顯微鏡、和內(nèi)視鏡等設(shè)備來克服這個問題。若一塊BGA封裝發(fā)現(xiàn)是貼焊失敗，可以在“返修臺”（通稱rework station）上移除它，這是一臺裝有紅外線燈（或熱風(fēng)機）的夾具，以及備有熱電偶和真空裝置以便吸取封裝物。BGA封裝可以替換另一顆新的、重工（或稱“除錫植球”，英文稱reballing）并重新安裝在電路板上。

由于視覺化X光的BGA檢測方式所費不貲，電路測試法反而也經(jīng)常被采用。常見的邊界掃描測試法可透過IEEE 1149.1JTAG接口連接進行測試。

球柵陣列封裝開發(fā)電路時的困難

在開發(fā)階段時，就將BGA裝置焊接至定點的話其實不切實際，通常反而是先使用插槽，雖然這樣比較不穩(wěn)定。通常有兩種常見的插槽：較可靠的類型具有彈簧針腳，可以貼緊下方的錫球，但不允許使用錫球已被移除的BGA裝置，因為這樣彈簧針腳可能會不夠長。

而不可靠的類型是一種叫做“ZIF插槽”（Zero Insertion Force），具有彈簧鉗可以抓住錫球。但這個不容易成功，特別是當(dāng)錫球太小的話。

球柵陣列封裝設(shè)備花費

要可靠地焊接BGA裝置，需要昂貴的設(shè)備。人工焊接的BGA裝置非常困難且不可靠，通常只用在少量且小型的裝置。然而，由于越來越多的IC只提供在無鉛（例如，四側(cè)扁平無鉛封裝（quad-flat no-leads package））或BGA封裝使用，已逐漸發(fā)展出各種的DIY法（重工）可使用便宜的加熱源，例如熱風(fēng)槍、家用烤箱以及平底電熱鍋等。

• CABGA：Chip Array Ball Grid Array，芯片陣列BGA。

• CBGA和PBGA代表BGA所附著的基底材料為陶瓷（Ceramic）或塑料（Plastic）。

• CTBGA：Thin Chip Array Ball Grid Array，薄芯片陣列BGA。

• CVBGA：Very Thin Chip Array Ball Grid Array，特薄芯片陣列BGA。

• DSBGA：Die-Size Ball Grid Array，晶粒尺寸型BGA。

• FBGA：Fine Ball Grid Array 建構(gòu)在BGA技術(shù)上。其具備更細的接點，且主要用在系統(tǒng)單芯片設(shè)計，也就是Altera公司所稱的FineLine BGA。與Fortified BGA有所不同。

• FCmBGA：Flip Chip Molded Ball Grid Array，覆晶鑄模BGA。

• LBGA：Low-profile Ball Grid Array，薄型BGA。

• LFBGA：Low-profile Fine-pitch Ball Grid Array，薄型細間距BGA。

• MBGA：Micro Ball Grid Array，微型BGA。

• MCM-PBGA：Multi-Chip Module Plastic Ball Grid Array，多芯片模組塑料BGA。

• PBGA：Plastic Ball Grid Array，塑料型BGA。

• SuperBGA (SBGA)：Super Ball Grid Array，超級BGA。

• TABGA：Tape Array BGA，載帶陣列BGA。

• TBGA：Thin BGA，薄型BGA。

• TEPBGA：Thermally Enhanced Plastic Ball Grid Array，熱強化塑料型BGA。

• TFBGA：Thin and Fine Ball Grid Array，薄型精細BGA。

• UFBGA或UBGA：Ultra Fine Ball Grid Array，極精細BGA。

為了容易使用球柵陣列裝置，大部分的BGA封裝件僅在封裝外圍有錫球，而內(nèi)部方形區(qū)域均留空。

Intel使用稱作BGA1的封裝法在他們的Pentium II和早期的Celeron行動型處理器上。BGA2為Intel在其Pentium III的封裝法以及一些較晚期的Celeron行動型處理器上。BGA2也就是所稱的FCBGA-479，用來取代它上一代的BGA1技術(shù) 。

例如，“微型覆晶球柵陣列”（Micro Flip Chip Ball Grid Array，以下稱Micro-FCBGA）為Intel的BGA鑲嵌方法供采用覆晶接合技術(shù)的行動型處理器。此技術(shù)被采用在代號Coppermine的行動型Celeron處理器。Micro-FCBGA具有479顆錫球，直徑0.78mm。 處理器透過焊接錫球方式，黏著在主板上，比起針柵陣列插槽配置法還要更輕薄，但不可移除。

479顆錫球的Micro-FCBGA封裝（幾乎與478針腳可插入式Micro-FCPGA封裝法相同）配置出六道外圍1.27mm間距（每英寸間距內(nèi)有20顆錫球）構(gòu)成26x26方柵，其內(nèi)部有14x14區(qū)域是留空的。

BGA零件主要的目標(biāo)使用者均為原始設(shè)備制造商（OEM, Original Equipment Manufacturer）。在電子產(chǎn)品DIY愛好者中也有一定的市場，例如逐漸盛行的手作加工。一般來說OEM廠會從制造廠或其批發(fā)商取得他們的元件來源，而業(yè)余愛好者通常透過電子元件的提供者或批發(fā)商在改裝品市場取得BGA零件。

FBGA是底部球型引腳封裝，也就是塑料封裝的 BGA 。

下面介紹下BGA封裝：

20世紀(jì)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(yán)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。

采用BGA技術(shù)封裝的內(nèi)存，可以使內(nèi)存在體積不變的情況下內(nèi)存容量提高兩到三倍，BGA與TSOP相比，具有更小的體積，更好的散熱性能和電性能。BGA封裝技術(shù)使每平方英寸的存儲量有了很大提升，采用BGA封裝技術(shù)的內(nèi)存產(chǎn)品在相同容量下，體積只有TSOP封裝的三分之一；另外，與傳統(tǒng)TSOP封裝方式相比，BGA封裝方式有更加快速和有效的散熱途徑。

FBGA（通常稱作CSP)是一種在底部有焊球的面陣引腳結(jié)構(gòu)，使封裝所需的安裝面積接近于芯片尺寸。這種高密度、小巧、扁薄的封裝技術(shù)非常適宜用于設(shè)計小巧的手持式消費類電子裝置，如個人信息工具、手機、攝錄一體機、以及數(shù)碼相機。

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。2100433B

TinyBGA封裝內(nèi)存

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。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(dǎo)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。

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(dǎo)效率，非常適用于長時間運行的系統(tǒng)，穩(wěn)定性極佳。