BGA封装技术综述.docx

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BGA封装技术综述

BGA封装技术综述

BGA（BallGridArray）－球状引脚栅格阵列封装技术，高密度表面装配封装技术。

在封装底部，引脚都成球状并排列成一个类似于格子的图案，由此命名为BGA。

目前主板控制芯片组多采用此类封装技术，材料多为陶瓷。

采用BGA技术封装的内存，可以使内存在体积不变的情况下，内存容量提高两到三倍，BGA与TSOP相比，具有更小体积，更好的散热性能和电性能。

BGA封装技术使每平方英寸的存储量有了很大提升，采用BGA封装技术的内存产品在相同容量下，体积只有TSOP封装的三分之一；与传统TSOP封装方式相比，BGA封装方式有更加快速有效的散热途径。

BGA封装技术的发展

　　BGA技术的研究始于60年代，最早被美国IBM公司采用，但一直到90年代初，BGA才真正进入实用化的阶段。

在80年代，人们对电子电路小型化和I/O引线数提出了更高的要求。

为了适应这一要求，QFP的引脚间距目前已从1.27mm发展到了0.3mm。

由于引脚间距不断缩小，I/O数不断增加，封装体积也不断加大，给电路组装生产带来了许多困难，导致成品率下降和组装成本的提高。

另方面由于受器件引脚框架加工精度等制造技术的限制，0.3mm已是QFP引脚间距的极限，这都限制了组装密度的提高。

于是一种先进的芯片封装BGA（BallGridArray）应运而生，BGA是球栅阵列的英文缩写，它的I/O端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，引线间距大，引线长度短，这样BGA消除了精细间距器件中由于引线而引起的共面度和翘曲的问题。

BGA技术的优点是可增加I/O数和间距，消除QFP技术的高I/0数带来的生产成本和可靠性问题。

20世纪90年代随着技术的进步，芯片集成度不断提高，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大，对集成电路封装的要求也更加严格。

为了满足发展的需要，BGA封装开始被应用于生产。

BGA是英文BallGridArrayPackage的缩写，即球栅阵列封装。

BGA封装内存

BGA封装内存

BGA封装的I/O端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，BGA技术的优点是I/O引脚数虽然增加了，但引脚间距并没有减小反而增加了，从而提高了组装成品率；虽然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善它的电热性能；厚度和重量都较以前的封装技术有所减少；寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高；组装可用共面焊接，可靠性高。

说到BGA封装就不能不提Kingmax公司的专利TinyBGA技术，TinyBGA英文全称为TinyBallGridArray（小型球栅阵列封装），属于是BGA封装技术的一个分支。

是Kingmax公司于1998年8月开发成功的，其芯片面积与封装面积之比不小于1:

1.14，可以使内存在体积不变的情况下内存容量提高2～3倍，与TSOP封装产品相比，其具有更小的体积、更好的散热性能和电性能。

　　采用TinyBGA封装技术的内存产品在相同容量情况下体积只有TSOP封装的1/3。

TSOP封装内存的引脚是由芯片四周引出的，而TinyBGA则是由芯片中心方向引出。

这种方式有效地缩短了信号的传导距离，信号传输线的长度仅是传统的TSOP技术的1/4，因此信号的衰减也随之减少。

这样不仅大幅提

TinyBGA封装内存

升了芯片的抗干扰、抗噪性能，而且提高了电性能。

采用TinyBGA封装芯片可抗高达300MHz的外频，而采用传统TSOP封装技术最高只可抗150MHz的外频。

TinyBGA封装的内存其厚度也更薄（封装高度小于0.8mm），从金属基板到散热体的有效散热路径仅有0.36mm。

因此，TinyBGA内存拥有更高的热传导效率，非常适用于长时间运行的系统，稳定性极佳。

BGA封装优缺点分析与生产应用

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（LeadedDe~ce如QFP、PLCC等）相比，BGA封装器件具有如下特点。

1）I／O数较多。

BGA封装器件的I／O数主要由封装体的尺寸和焊球节距决定。

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。

通常，在引线数相同的情况下，封装体尺寸可减小30％以上。

例如：

CBGA-49、BGA-320（节距1．27mm）分别与PLCC-44（节距为1．27mm）和MOFP-304（节距为0．8mm）相比，封装体尺寸分别缩小了84％和47％。

2）提高了贴装成品率，潜在地降低了成本。

传统的QFP、PLCC器件的引线脚均匀地分布在封装体的四周，其引线脚的节距为1．27mm、1．0mm、0．8mm、0．65mm、0．5mm。

当I／O数越来越多时，其节距就必须越来越小。

而当节距<0．4mm时，SMT设备的精度就难以满足要求。

加之引线脚极易变形，从而导致贴装失效率增加。

其BGA器件的焊料球是以阵列形式分布在基板的底部的，可排布较多的I／O数，其标准的焊球节距为1．5mm、1．27mm、1．0mm，细节距BGA（印BGA，也称为CSP-BGA，当焊料球的节距<1．0mm时，可将其归为CSP封装）的节距为0．8mm、0．65mm、0．5mm，与现有的SMT工艺设备兼容，其贴装失效率<10ppm。

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和～BGA都比细节距的脚形封装的IC牢固可靠。

BGA技术的出现是IC器件从四边引线封装到阵列焊点封装的一大进步，它实现了器件更小、引线更多，以及优良的电性能，另外还有一些超过常规组装技术的性能优势。

这些性能优势包括高密度的I/O接口、良好的热耗散性能，以及能够使小型元器件具有较高的时钟频率。

由于BGA器件相对而言其间距较大，它在再流焊接过程中具有自动排列定位的能力，所以它比相类似的其它元器件，例如QFP，操作便捷，在组装时具有高可靠性。

据国外一些印刷电路板制造技术资料反映，BGA器件在使用常规的SMT工艺规程和设备进行组装生产时，能够始终如一地实现缺陷率小20PPM（PartsPerMillion，百万分率缺陷数），而与之相对应的器件，例如QFP，在组装过程中所形成的产品缺陷率至少要超过其10倍。

综上所述，BGA器件的性能和组装优于常规的元器件，但是许多生产厂家仍然不愿意投资开发大批量生产BGA器件的能力。

究其原因主要是BGA器件焊接点的测试相当困难，不容易保证其质量和可靠性。

BGA器件焊接点检测中存在的问题

目前，对以中等规模到大规模采用BGA器件进行电子组装的厂商，主要是采用电子测试的方式来筛选BGA器件的焊接缺陷。

在BGA器件装配期间控制装配工艺过程质量和鉴别缺陷的其它办法，包括在焊剂漏印（PasteScreening）上取样测试和使用X射线进行装配后的最终检验，以及对电子测试的结果进行分析。

满足对BGA器件电子测试的评定要求是一项极具挑战性的技术，因为在BGA器件下面选定测试点是困难的。

在检查和鉴别BGA器件的缺陷方面，电子测试通常是无能为力的，这在很大程度上增加了用于排除缺陷和返修时的费用支出。

据一家国际一流的计算机制造商反映，从印刷电路板装配线上剔除的所有BGA器件中的50％以上，采用电子测试方式对其进行测试是失败的，它们实际上并不存在缺陷，因而也就不应该被剔除掉。

电子测试不能够确定是否是BGA器件引起了测试的失效，但是它们却因此而被剔除掉。

对其相关界面的仔细研究能够减少测试点和提高测试的准确性，但是这要求增加管芯级电路以提供所需的测试电路。

在检测BGA器件缺陷过程中，电子测试仅能确认在BGA连接时，判断导电电流是通还是断?

如果辅助于非物理焊接点测试，将有助于组装工艺过程的改善和SPC（StatisticalProcessControl统计工艺控制）。

BGA器件的组装是一种基本的物理连接工艺过程。

为了能够确定和控制这样一种工艺过程的质量，要求了解和测试影响其长期工作可靠性的物理因素，例如：

焊料量、导线与焊盘的定位情况，以及润湿性，不能单单基于电子测试所产生的结果就进行修改。

BGA检测方法的探讨

目前市场上出现的BGA封装类型主要有：

PBGA（塑料BGA）、CBGA（陶瓷BGA）及TBGA（载带BGA）。

封装工艺中所要求的主要性能有：

封装组件的可靠性；与PCB的热匹配性能；焊球的共面性；对热、湿气的敏感性；是否能通过封装体边缘对准，以及加工的经济性能。

需指出的是，BGA基板上的焊球不论是通过高温焊球（90Pb/10Sn）转换，还是采用球射工艺形成，焊球都有可能掉下丢失，或者成型过大、过小，或者发生焊球连、缺损等情况。

因此，需要对BGA焊接后质量情况的一些指标进行检测控制。

目前常用的BGA检测技术有电测试、边界扫描及X射线检测。

BGA封装的类型、结构参数

　　BGA的封装类型多种多样，其外形结构为方形或矩形。

根据其焊料球的排布方式可分为周边型、交错型和全阵列型BGA，根据其基板的不同，主要分为三类：

PBGA（PlasticballZddarray塑料焊球阵列）、CBGA（ceramicballSddarray陶瓷焊球阵列）、TBGA（tapeballgridarray载带型焊球阵列）。

　　1、PBGA（塑料焊球阵列）封装

　　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）。

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、CBGA（陶瓷焊球阵列）封装

　　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（陶瓷焊球阵列）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。

　　3、CCGA（ceramiccolumnSddarray）陶瓷柱栅阵列

　　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。

　　4、TBGA（载带型焊球阵列）

　　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。

倒装焊键合结构；芯片倒装键合在多层布线柔性载带上；用作电路I／O端的周边阵列焊料球安装在柔性载带下面；它的厚密封盖板又是散热器（热沉），同时还起到加固封装体的作用，使柔性基片下面的焊料球具有较好的共面性。

　　TBGA的优点如下：

　　1）封装体的柔性载带和PCB板的热匹配性能较

　　2）在回流焊过程中可利用焊球的自对准作用，

　　印焊球的表面张力来达到焊球与焊盘的对准要求。

　　3）是最经济的BGA封装。

　　4）散热性能优于PBGA结构。

　　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。

5、其它的BGA封装类型

BGA的封装工艺流程

　　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。

　　1、引线键合PBGA的封装工艺流程

　　①PBGA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3232艺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。

　　②封装工艺流程

　　圆片减薄→圆片切削→芯片粘结→等离子清洗→引线键合→等离子清洗→模塑封装→装配焊料球→回流焊→表面打标→分离→最终检查→测试斗包装

　　芯片粘结采用充银环氧粘结剂将IC芯片粘结在基板上，然后采用金线键合实现芯片与基板的连接，接着模塑包封或液态胶灌封，以保护芯片、焊接线和焊盘。

使用特殊设计的吸拾工具将熔点为183℃、直径为30mil（0．75mm）的焊料球62／36／2Sn／Pb／Ag或63／37／Sn／Pb放置在焊盘上，在传统的回流焊炉内进行回流焊接，最高加工温度不能够超过230℃。

接着使用CFC无机清洗剂对基片实行离心清洗，以去除残留在封装体上的焊料和纤维颗粒，其后是打标、分离、最终检查、测试和包装入库。

上述是引线键合型PBGA的封装工艺过程。

　　2、FC-CBGA的封装工艺流程

　　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。

　　②封装工艺流程

　　圆片凸点的制备呻圆片切割呻芯片倒装及回流焊-）底部填充呻导热脂、密封焊料的分配+封盖斗装配焊料球-）回流焊斗打标+分离呻最终检查斗测试斗包装

　　3、引线键合TBGA的封装工艺流程

　　①TBGA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。

　　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

BGA封装技术未来发展

　　我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。

　　封装密度、热、电性能和成本是BGA封装流行的主要原因。

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。

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，把我国的封装技术水平进一步提高，为我国电子工业作出更大的贡献。