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BGACSP封装技术资料

BGA封装技术

摘要：

本文简述了BＧＡ封装产品的特点、结构以及一些ＢGＡ产品的封装工艺流程,对BGA封装中芯片和基板两种互连方法--引线键合／倒装焊键合进行了比较以及对几种常规BGＡ封装的成本/性能的比较,并介绍了BGA产品的可靠性。

另外,还对开发我国BＧA封装技术提出了建议。

关键词：

BGA;结构;基板;引线键合；倒装焊键合ﻭ

中图分类号:

ＴN３05．９４文献标识码ﻭﻭ1引言ﻭﻭ在当今信息时代,随着电子工业的迅猛发展,计算机、移动电话等产品日益普及。

人们对电子产品的功能要求越来越多、对性能要求越来越强,而体积要求却越来越小、重量要求越来越轻。

这就促使电子产品向多功能、高性能和小型化、轻型化方向发展。

为实现这一目标，IC芯片的特征尺寸就要越来越小,复杂程度不断增加，于是，电路的Ｉ／O数就会越来越多,封装的Ｉ／O密度就会不断增加。

为了适应这一发展要求，一些先进的高密度封装技术就应运而生,ＢGA封装技术就是其中之一。

集成电路的封装发展趋势如图1所示。

从图中可以看出,目前BＧA封装技术在小、轻、高性能封装中占据主要地位。

ﻭＢＧA封装出现于９０年代初期,现已发展成为一项成熟的高密度封装技术。

在半导体IC的所有封装类型中,19９6-２001年这5年期间,BGA封装的增长速度最快。

在1９９9年,BGA的产量约为10亿只,在２０04年预计可达36亿只。

但是，到目前为止该技术仅限于高密度、高性能器件的封装，而且该技术仍朝着细节距、高Ｉ/O端数方向发展。

BGA封装技术主要适用于PＣ芯片组、微处理器／控制器、AＳIC、门阵、存储器、DSP、ＰDA、PLD等器件的封装。

ﻭﻭﻭﻭ2BＧA封装的特点

BGA（BdｌlGrid　Arｒａy）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。

ﻭ

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%,如图2所示。

ﻭﻭ

ﻭﻭ2）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。

ﻭﻭ4）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。

ﻭ

6）BGA适用于ＭCM封装，能够实现MＣM的高密度、高性能。

ﻭ

7）BGA和～BGA都比细节距的脚形封装的ＩC牢固可靠。

ﻭ3BＧA封装的类型、结构ﻭ

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,如图３所示:

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（tａｐeballｇrid　arraｙ载带型焊球阵列）。

ﻭﻭ

3.1ＰBＧA（塑料焊球阵列）封装

ﻭPBGA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。

PBGA封装的结构示意图如图4。

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），其结构示意图如图5。

PBGＡ封装的优点如下:

ﻭ

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。

ﻭﻭﻭﻭ

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。

ﻭ

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。

ﻭﻭ3．2CＢGA（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。

其结构示意图如图6，封装体尺寸为10－35mm，标准的焊球节距为１.5mm、1.２7mm、1．0mm。

ﻭ

ﻭﻭCＢGA（陶瓷焊球阵列）封装的优点如下：

ﻭﻭ1）气密性好,抗湿气性能高，因而封装组件的长期可靠性高。

ﻭﻭ2）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。

ﻭﻭ4）散热性能优于ＰBＧA结构。

ＣBGＡ封装的缺点是：

ﻭﻭ1）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。

ﻭ２）与PＢGA器件相比,封装成本高。

ﻭ3）在封装体边缘的焊球对准难度增加。

ﻭﻭ3.3CCＧA（cｅrａmｉｃcｏlｕmnＳｄdarｒay）陶瓷柱栅阵列ﻭ

CCＧA是CＢGA的改进型。

如图７所示。

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。

ﻭ

3.4TＢGA（载带型焊球阵列）

ﻭTBＧＡ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。

倒装焊键合结构示意图如图８（a）;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。

腔体朝下的引线键合TＢＧA结构示意图如图8（b）；芯片粘结在芯腔的铜热沉上；芯片焊盘与多层布线柔性载带基片焊盘用键合引线实现互连；用密封剂将电路芯片、引线、柔性载带焊盘包封（灌封或涂敷）起来。

TBGA的优点如下：

ﻭ

1）封装体的柔性载带和PCB板的热匹配性能较

ﻭ2）在回流焊过程中可利用焊球的自对准作用,ﻭﻭ印焊球的表面张力来达到焊球与焊盘的对准要求。

ﻭﻭ3）是最经济的ＢGＡ封装。

ﻭ

4）散热性能优于PBGA结构。

ﻭTBＧＡ的缺点如下:

ﻭ1）对湿气敏感。

ﻭ

2）不同材料的多级组合对可靠性产生不利的影响。

ﻭ

３．5其它的ＢGA封装类型ﻭﻭMCM-PBGA（Mulｔipleｃｈipmodule-PBGA）,多芯片模块ＰBGＡ,它的结构如图9所示。

ﻭ

ﻭLBGA，微ＢＧＡ,它是一种芯片尺寸封装。

芯片面朝下，采用TAB键合实现芯片与封装基片焊盘互连的,LBＧA的结构示意图如图10。

它的封装体尺寸仅略大于芯片（芯片+0．5ｍm）。

gBＧＡ有3种焊球节距:

0.65ｍｍ、0.75ｍm和0．8mm。

TＡB引线键合和弹性的芯片粘接是txＢGA的特征。

与其它的芯片尺寸封装相比，它具有更高的可靠性。

ﻭ

ﻭﻭSBGA（Ｓtackeｄballｇｒidarray）,叠层BGA,它的结构示意图如图11所示。

ﻭﻭ

eｔBGＡ，最薄的BGA结构,封装体高度为0.５mm,接近于芯片尺寸。

芯片面朝下，芯片-基板互连采用引线键合方式的et-BGA的结构示意图如图1２。

ﻭＣTBGA、CVBGA（ＴhiｎanｄＶｅryＴhinＣhiｐArraｙBＧA）,薄型、超薄型BGA。

该种BGA使用的基板是薄的核心层压板，包封采用模塑结构,封装体高度为1.2mｍ。

ﻭﻭ

几种常规ＢＧA封装类型的比较如表1所示。

ﻭ4BGA的封装工艺流程

ﻭ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。

ﻭ

ﻭ

4．1　引线键合PＢGA的封装工艺流程

ﻭ4．1．1PBＧA基板的制备ﻭ

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。

ﻭﻭ4．１．2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ﻭﻭ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。

ﻭﻭ4．2　FC-ＣBGA的封装工艺流程

４.2.1陶瓷基板

ﻭＦC－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。

ﻭ4．２．2封装工艺流程ﻭﻭ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ﻭﻭ4.3引线键合TBGA的封装工艺流程

ﻭ４.3．1TBGA载带

TBGA的载带通常是由聚酰亚胺材料制成的。

ﻭﻭﻭ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