电子封装大作业.docx

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电子封装大作业

淮阴工学院

2012-2013学年第二学期期末考核

学院：

电子与电气工程学院

课程名称：

电子封装与组装技术

课程编号：

1215450

专业层次：

电子科学与技术（本科）

学时学分：

32

（2）

考核方式：

考查

任课教师：

居勇峰

布置时间：

2013-05-17

论文题目：

简介BGA技术

姓名：

葛迎杰

学号：

1101207106

成绩：

简介BGA技术

摘要：

电子产品及设备的发展趋势可以归纳为多功能化、高速化、大容量化、高密度化、轻量化、小型化，为了达到这些需求，集成电路工艺技术进步的推动下，在封装领域中出现了许多先进封装技术与形式，表现在封装外形的变化是元器件多脚化、薄型化、引脚细微化、引脚形状多样化等。

本论文主介绍最近几年里研发的新型封装技术BGA及在生产领域的应用。

【1】

关键词：

多脚化、薄型化、引脚细微化、引脚形状多样化

1.BGA的概念及特点

BGA（BdllGridArray）封装，即焊球阵列封装，它是在封装体基板的底部制作阵列焊球作为电路的I/O端与印刷线路板（PCB）互接。

采用该项技术封装的器件是一种表面贴装型器件。

与传统的脚形贴装器件（QFP、PLCC等）相比，BGA封装器件具有如下特点：

（1）I/O数较多。

由于BGA封装的焊料球是以阵列形式排布在封装基片下面，因而可极大地提高器件的I/O数，缩小封装体尺寸，节省组装的占位空间。

（2）提高了贴装成品率，潜在地降低了成本。

（3）BGA的阵列焊球与基板的接触面大、短，有利于散热。

（4）BGA阵列焊球的引脚很短，缩短了信号的传输路径，减小了引线电感、电阻，因而可改善电路的性能。

（5）明显地改善了I/O端的共面性，极大地减小了组装过程中因共面性差而引起的损耗。

（6）BGA适用于MCM封装，能够实现MCM的高密度、高性能。

（7）BGA比细节距的脚形封装的IC牢固可靠。

2.BGA的类型

BGA的四种主要形式为：

塑料球栅阵列（PBGA）、陶瓷球栅阵列（CBGA）、陶瓷圆柱栅格阵列（CCGA）和载带球栅阵列（TBGA），下面分别做以介绍。

2.1、塑料球栅阵列（PBGA）

PBGA封装，它采用BT树脂/玻璃层压板作为基板，以塑料（环氧模塑混合物）作为密封材料，焊球为共晶焊料63Sn37Pb或准共晶焊料62Sn36Pb2Ag（目前已有部分制造商使用无铅焊料），焊球和封装体的连接不需要另外使用焊料。

有一些PBGA封装为腔体结构，分为腔体朝上和腔体朝下两种。

这种带腔体的PBGA是为了增强其散热性能，称之为热增强型BGA，简称EBGA，有的也称之为CPBGA（腔体塑料焊球阵列）。

【2】

图1塑料球栅阵列（PBGA）载体示意图

PBGA封装的优点如下：

（1）与PCB板（印刷线路板-通常为FR-4板）的热匹配性好。

PBGA结构中的BT树脂/玻璃层压板的热膨胀系数（CTE）约为14ppm/℃，PCB板的约为17ppm/cC，两种材料的CTE比较接近，因而热匹配性好。

（2）在回流焊过程中可利用焊球的自对准作用，即熔融焊球的表面张力来达到焊球与焊盘的对准要求。

（3）成本低。

（4）电性能良好。

PBGA封装的缺点是：

对湿气敏感，不适用于有气密性要求和可靠性要求高的器件的封装。

2.2、陶瓷球栅阵列（CBGA）

在BGA封装系列中，CBGA的历史最长。

它的基板是多层陶瓷，金属盖板用密封焊料焊接在基板上，用以保护芯片、引线及焊盘。

焊球材料为高温共晶焊料10Sn90Pb，焊球和封装体的连接需使用低温共晶焊料63Sn37Pb。

封装体尺寸为10-35mm，标准的焊球节距为1．5mm、1．27mm、1．0mm。

CBGA封装的优点如下：

（1）气密性好，抗湿气性能高，因而封装组件的长期可靠性高。

（2）与PBGA器件相比，电绝缘特性更好。

（3）与PBGA器件相比，封装密度更高。

（4）散热性能优于PBGA结构。

CBGA封装的缺点是：

（1）由于陶瓷基板和PCB板的热膨胀系数（CTE）相差较大（A1203陶瓷基板的CTE约为7ppm/cC，PCB板的CTE约为17ppm/笔），因此热匹配性差，焊点疲劳是其主要的失效形式。

（2）与PBGA器件相比，封装成本高。

（3）在封装体边缘的焊球对准难度增加。

2.3、陶瓷圆柱栅格阵列（CCGA）

CCGA是CBGA的改进型。

二者的区别在于：

CCGA采用直径为0．5mm、高度为1．25mm~2．2mm的焊料柱替代CBGA中的0．87mm直径的焊料球，以提高其焊点的抗疲劳能力。

因此柱状结构更能缓解由热失配引起的陶瓷载体和PCB板之间的剪切应力。

【3】

2.4、载带球栅阵列（TBGA）

载带球栅（TBGA），也称为阵列载带自动键合（ATAB），是一种相对新颖的BGA封装形式。

TBGA是一种有腔体结构，TBGA封装的芯片与基板互连方式有两种：

倒装焊键合和引线键合。

图2载带球栅阵列（TBGA）载体示意图

TBGA的优点如下：

（1）比绝大多数的BGA封装（特别是具有大量I/O数量的）要轻和小。

（2）比QFP器件和绝大多数其他BGA封装的电性能要好。

（3）装配到PCB上具有非常高的封装效率。

TBGA的缺点如下：

（1）对湿气敏感。

（2）不同材料的多级组合对可靠性产生不利的影响。

3.BGA的工艺流程

基板或中间层是BGA封装中非常重要的部分，除了用于互连布线以外，还可用于阻抗控制及用于电感/电阻/电容的集成。

因此要求基板材料具有高的玻璃转化温度rS（约为175~230℃）、高的尺寸稳定性和低的吸潮性，具有较好的电气性能和高可靠性。

金属薄膜、绝缘层和基板介质间还要具有较高的粘附性能。

【4】

3.1、引线键合PBGA的封装工艺流程

3.1.1、PBGA基板的制备

在BT树脂/玻璃芯板的两面层压极薄（12~18μm厚）的铜箔，然后进行钻孔和通孔金属化。

用常规的PCB加在基板的两面制作出图形，如导带、电极、及安装焊料球的焊区阵列。

然后加上焊料掩膜并制作出图形，露出电极和焊区。

为提高生产效率，一条基片上通常含有多个PBG基板。

3.1.2、封装工艺流程

见图4

3.2、FC-CBGA的封装工艺流程

3.2.1、陶瓷基板

FC-CBGA的基板是多层陶瓷基板，它的制作是相当困难的。

因为基板的布线密度高、间距窄、通孔也多，以及基板的共面性要求较高等。

它的主要过程是：

先将多层陶瓷片高温共烧成多层陶瓷金属化基片，再在基片上制作多层金属布线，然后进行电镀等。

在CBGA的组装中，基板与芯片、PCB板的CTE失配是造成CBGA产品失效的主要因素。

要改善这一情况，除采用CCGA结构外，还可使用另外一种陶瓷基板--HITCE陶瓷基板。

3.2.2、封装工艺流程

圆片凸点的制备→圆片切割→芯片倒装及回流焊→回流焊打标+分离→最终检查→测试和包装入库

3.3、引线键合TBGA的封装工艺流程

3.3.1、TBGA载带

TBGA的载带通常是由聚酰亚胺材料制成的。

在制作时，先在载带的两面进行覆铜，然后镀镍和镀金，接着冲通孔和通孔金属化及制作出图形。

因为在这种引线键合TBGA中，封装热沉又是封装的加固体，也是管壳的芯腔基底，因此在封装前先要使用压敏粘结剂将载带粘结在热沉上。

3.3.2、封装工艺流程

圆片减薄→圆片切割→芯片粘结→清洗→引线键合→等离子清洗→液态密封剂灌封→装配焊料球→回流焊→表面打标→分离→最终检查→测试→包装

4、引线键合与倒装焊的比较

图5引线键合图与倒装焊图的差异

BGA封装结构中芯片与基板的互连方式主要有两种：

引线键合和倒装焊。

目前BGA的I/O数主要集中在100~1000，采用引线键合的BGA的I/O数常为50~540，而采用倒装焊方式的I/O数常>540。

PBGA的互连常用引线键合方式，CBGA常用倒装焊方式，TBGA两种互连方式都有使用。

当I/O数<600时，引线键合的成本低于倒装焊。

但是，倒装焊方式更适宜大批量生产，而如果圆片的成品率得到提高，那么就有利于降低每个器件的成本。

并且倒装焊更能缩小封装体的体积。

【5】

4.1、引线键合方式

引线键合方式历史悠久，具有雄厚的技术基础，它的加工灵活性、材料/基片成本占有主要的优势。

其缺点是设备的焊接精度已经达到极限。

引线键合是单元化操作。

每一根键合线都是单独完成的。

键合过程是先将安装在基片或热沉上的IC传送到键合机上，机器的图像识别系统识别出芯片，计算和校正每一个键合点的位置，然后根据键合图用金线来键合芯片和基片上的焊盘，以实现芯片与基片的互连。

采用引线键合技术必须满足以下条件：

①精密距焊接技术：

在100~500的高I/O数的引线键合中，IC芯片的焊盘节距非常小，其中心距通常约为70~90μm，有的更小。

②低弧度、长弧线技术：

在BGA的键合中，受控弧线长度通常为3~8mm，其最大变化量约为2．5mm。

弧线高度约为100~200μm，弧线高度的变化量<7μm，芯片与基片上外引线脚的高度差约为0．4~0．56mm，IC芯片厚度约为0．2~0．35mm。

在高密度互连中，弧线弯曲、蹋丝、偏移是不允许的。

另外，在基片上的引线焊盘外围通常有两条环状电源/地线，键合时要防止金线与其短路，其最小间隙必须>25Llm，这就要求键合引线必须具有高的线性度和良好的弧形。

③键合强度：

由于芯片和基片上的焊盘面积都比较小，所以精密距焊接时使用的劈刀是瓶颈型劈刀，头部直径也较小，而小直径的劈刀头部和窄引线脚将导致基片上焊点的横截面积较小，从而会影响键合强度。

④低温处理：

塑封BGA的基片材料通常是由具有低玻璃化温度（Tg约为175℃）、高的热膨胀系数（CTE约为13ppm/℃）的聚合物树脂制成的，因此在封装过程中的芯片装片固化、焊线、模塑等都必须在较低的温度下进行。

而当在低温下进行键合时，对键合强度和可靠性会产生不良影响。

要解决这一问题就必须要求键合机的超声波发生器具有较高（100kHz以上）的超声频率。

4.2、倒装焊方式

倒装焊技术的应用急剧增长，它与引线键合技术相比，有3个特点：

●倒装焊技术克服了引线键合焊盘中心距极限的问题。

●在芯片的电源/地线分布设计上给电子设计师提供了更多的便利。

●为高频率、大功率器件提供更完善的信号。

倒装焊具有焊点牢固、信号传输路径短、电源/地分布、I/O密度高、封装体尺寸小、可靠性高等优点，其缺点是由于凸点的制备是在前工序完成的，因而成本较高。

倒装焊的凸点是在圆片上形成的，制成后再进行圆片切割，合格的芯片被吸附、浸入助焊剂中，然后放置在基片上（在芯片的移植和处理过程中，助焊剂必须有足够的粘度来粘住芯片），接着将焊料球回流以实现芯片与基片的互连。

在整个加工过程中，工艺处理的是以圆片、芯片和基片方式进行的，它不是单点操作，因而处理效率较高。

【6】

采用倒装焊方式需要考虑的几个相关问题。

①基板技术：

对倒装焊而言，现在有许多基板可供选择，选择的关键因素在于材料的热膨胀系数（CTE）、介电常数、介质损耗、电阻率和导热率等。

在基板与芯片（一级互连）之间或基板与PCB板（二级互连）之间的TCE失配是造成产品失效的主要原因。

CTE失配产生的剪切应力将引起焊接点失效。

通常封装体的信号的完整性与基片的绝缘电阻、介电常数、介质损耗有直接的关系。

介电常数、介质损耗与工作频率关系极大，特别是在频率>1GHz时。

当选择基板时应考虑上述因素。

②凸点技术：

也许倒装焊技术得以流行是由于现在有各种各样的凸点技术服务。

现在常用的凸点材料为金凸点，95Pb5Sn、90Pbl0Sn焊料球（回流焊温度约350℃），有的也采用63Pb37Sn焊料球（回流焊温度约220℃焊料凸点技术的关键在于当节距缩小时，必须保持凸点尺寸的稳定性。

焊料凸点尺寸的一致性及其共面性对倒装焊的合格率有极大的影响。

③底部填充：

在绝大多数的倒装焊产品中都采用了底部填充剂，其作用是缓解芯片和基板之间由CTE差所引起的剪切应力。

5.BGA的应用现状与展望

中国的封装技术极为落后，仍然停留在PDIP、PSOP、PQFP、PLCC、PGA等较为低档产品的封装上。

国外的BGA封装在1997年就已经规模化生产，在国内除了合资或国外独资企业外，没有一家企事业单位能够进行批量生产，其根本原因是既没有市场需求牵引，也没有BGA封装需要的技术来支撑。

对于国内BGA封装技术的开发和应用，希望国家能够予以重视和政策性倾斜。

开发BGA封装技术目前需要解决的总是应有以下几项：

①需要解决BGA封装的基板制造精度问题和基板多层布线的镀通孔质量问题；

②需要解决BGA封装中的焊料球移植精度问题；

③倒装焊BGA封装中需要解决凸点的制备问题；

④需要解决BGA封装中的可靠性问题。

随着时间的推移，BGA封装会有越来越多的改进，性价比将得到进一步的提高，由于其灵活性和优异的性能，BGA封装有着广泛的前景。

【7】

图6BGA实物图

正因为BGA封装有如此的优越性，我们也应该开展BGA封装技术的研究，把中国的封装技术水平进一步提高，为中国电子工业作出更大的贡献。

参考文献

[1]李可为.集成电路芯片封装技术.北京：

电子工业出版社，2007.3

[2]刘玉岭.微电子技术工程.北京：

电子工业出版社，2004.

[3]周良知.微电子器件封装.北京：

化学工业出版社，2006.

[4]BallGridArrayTechnology.JoanLaoH.TheMcGraw-HillCompanies,Inc,1999.

[5]ElectronicMaterialsandDevices.DavidFerryK,JonathanBirdP.AcademicPress,2001.

[6]MicrochipFabrication.FourthEdition.PeterVanZant.TheMcGraw-HillCompanies,Inc,2000.

[7]吴德馨.现代微电子技术.北京：

化学工业出版社，2005.