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1、BGACSP封装技术资料BGA封装技术 摘要：本文简述了B封装产品的特点、结构以及一些G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BG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BA封装技术提出了建议。 关键词：BGA;结构;基板;引线键合；倒装焊键合中图分类号:N05 文献标识码1引言在当今信息时代,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

2、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O数就会越来越多,封装的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,GA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BA封装技术在小、轻、高性能封装中占据主要地位。A封装出现于年代初期,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,196-001年这5年期间,BGA封装的增长速度最快。在19年,BGA的产量约为10亿只,在04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/O端数方

3、向发展。BGA封装技术主要适用于P芯片组、微处理器控制器、AIC、门阵、存储器、DSP、DA、PLD等器件的封装。2 BA封装的特点BGA（Bdl GridAry）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IO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(eadedDe如QFP、PCC等）相比，BGA封装器件具有如下特点。)/数较多。BGA封装器件的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IO数,缩小封装体尺寸，节省组装的占位空间。通常，在引线数相

4、同的情况下,封装体尺寸可减小0%以上。例如:BG、BG30(节距1.27mm)分别与CC44(节距为1.2m)和MOFP30(节距为08mm)相比,封装体尺寸分别缩小了%和47%,如图2所示。2)提高了贴装成品率,潜在地降低了成本。传统的QFP、LCC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17m、0mm、08mm、0.5mm、0.5m。当O数越来越多时，其节距就必须越来越小。而当节距04m时，ST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BA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IO数,其标准的焊球节距为.5mm、1.27mm、1

5、.0m，细节距BGA（印GA,也称为CSP-BGA,当焊料球的节距10mm时,可将其归为CS封装)的节距为0.8m、0.65m、0.5mm,与现有的MT工艺设备兼容，其贴装失效率10pm。3）BG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。)明显地改善了IO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CM封装，能够实现MM的高密度、高性能。7)BGA和BGA都比细节距的脚形封装的C牢固可靠。3 BA封装的类型、结构BGA的封装类型多种多样,其外形结构为方形或矩形。根据其

6、焊料球的排布方式可分为周边型、交错型和全阵列型BGA,如图所示:根据其基板的不同，主要分为三类:BA（licbllZdray塑料焊球阵列)、CBG(ceramcblSddaray陶瓷焊球阵列)、TBGA (te ball ridarra载带型焊球阵列)。3.1 BA（塑料焊球阵列）封装 PBGA封装,它采用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6Sn7P或准共晶焊料6n32A(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PBA是

7、为了增强其散热性能,称之为热增强型BGA,简称EBA，有的也称之为CPBA(腔体塑料焊球阵列)，其结构示意图如图5。PBG封装的优点如下:)与PB板（印刷线路板-通常为F4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7ppcC,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。32 CGA(陶瓷焊球阵列)封装在BGA封装系列中,CBGA的历史最

8、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0S0Pb，焊球和封装体的连接需使用低温共晶焊料63Sn37b。其结构示意图如图6，封装体尺寸为1035mm，标准的焊球节距为.5mm、1.7mm、10mm。CGA（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PGA器件相比，电绝缘特性更好。）与PB器件相比,封装密度更高。4)散热性能优于BA结构。BG封装的缺点是：1)由于陶瓷基板和PCB板的热膨胀系数(E)相差较大(13陶瓷基板的CE约为ppmcC,C板的CT约为7pp/笔)，因此热匹配性差

9、，焊点疲劳是其主要的失效形式。)与PGA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。3.3 CCA(crmclmndaray)陶瓷柱栅阵列CCA是CGA的改进型。如图所示。二者的区别在于：CCG采用直径为.5m、高度为5mm22m的焊料柱替代CGA中的087mm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。3.4 TGA（载带型焊球阵列)TB是一种有腔体结构，A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(a);芯片倒装键合在多层布线柔性载带上；用作电路IO端的周边阵列焊料球安装在柔性

10、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TA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：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G封装。4)散热性能优于PBGA结构。TB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GA封装类型

11、MCM-PBGA(Mulipleipmodule-PBGA),多芯片模块BG,它的结构如图9所示。LBGA，微,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,LBA的结构示意图如图10。它的封装体尺寸仅略大于芯片(芯片+05m)。gB有3种焊球节距:0.65、0.75m和08mm。TB引线键合和弹性的芯片粘接是txGA的特征。与其它的芯片尺寸封装相比，它具有更高的可靠性。SBGA（tackeballidarray),叠层BGA,它的结构示意图如图11所示。eBG，最薄的BGA结构,封装体高度为0.mm,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

12、et-BGA的结构示意图如图1。TBGA、CVBGA(hianryhinhiArraBA),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1.2m。几种常规A封装类型的比较如表1所示。4BGA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17530)、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。41引线键合PGA的封装工艺流程411 PBA基板的制备在T树脂玻璃芯板

13、的两面层压极薄（118m厚）的铜箔,然后进行钻孔和通孔金属化。用常规的PCB加322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PB基板。42 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83、直径为3il（0.5mm)的焊料球62/36/2Sn/Pb

14、/Ag或637n/P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20。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PBG的封装工艺过程。42FC-BGA的封装工艺流程.2.1 陶瓷基板CCBA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CBA的组装中,基板与芯片、PCB板的CE失配是造成CBA产品失效的

15、主要因素。要改善这一情况,除采用CGA结构外,还可使用另外一种陶瓷基板-HITCE陶瓷基板。42 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4.3引线键合TBGA的封装工艺流程.31 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TG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。43.2 封装工艺流程圆片减薄圆片切割芯片粘结清

16、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封装中常用材料的特性如表 B封装中I芯片与基片连接方式的比较BG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GA的IO数主要集中在1000。成本、性能和可加工能力是选择使用何种方式时主要考虑因素。采用引线键合的BGA的I/O数常为5040,采用倒装焊方式的I/数常50。另外，选用哪一种互连方式还取决于所使用封装体基片材料的物理特性和器件的应用条件。目前PBG的互连常用引线键合方式,BG常用倒装焊方式,TA两种互连方式都有使用。目前，当/O数60时，引线键合的成本低于倒装焊。但是，倒装焊方式更

17、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。51 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C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。它是单点、单元化操作。采用引线键合技术必须满足以下条件:5.1 精密距焊接技术在000的高I/O数的引线键合中,IC芯片

18、的焊盘节距非常小,其中心距通常约为7090，有的更小。目前的键合机最小已能实现3m的中心距焊接。5.1.2低弧度、长弧线技术 在GA的键合中,受控弧线长度通常为38mm，其最大变化量约为5mm。弧线高度约为10000,弧线高度的变化量GHz时。当选择基板时应考虑上述因素。 对倒装焊而言,使用有机物基板非常流行，它是以高密度多层布线和微通孔基板技术为基础制造的,其特点是有着低的互连电阻和低的介电常数。它的局限性在于：在芯片与基板之间高的E差会产生大的热失配;在可靠性环境试验中,与同类型的陶瓷封装器件相比,可靠性较差，其主要原因是水汽的吸附。现有的CBG、C封装采用的基板为氧化铝陶瓷基板,其局限性

19、在于它的热膨胀系数与板或卡的热膨胀系数相差较大，而热失配容易引起焊点疲劳。它的高介电常数、电阻率也不适用于高速、高频器件。现已经开发出一种新的陶瓷基板-ITCE陶瓷基板，它有个主要特点，122ppm的CTE,低的介电常数54,低阻的铜互连系统。它综合了氧化铝陶瓷基板和有机物基板的最佳特性,其封装产品的可靠性和电性能得以提高。表3为陶瓷基板和有机物基板材料特性的比较。5 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,95Pbn、9Pbl0n焊料球(回流焊温度约350),有的也采用3P37Sn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

20、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。52.3 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TE差所引起的剪切应力。常规BGA封装的成本性能比较常规G封装的成本和性能比较如表4。7B产品的可靠性产品的封装可靠性主要取决于封装设计、封装材料的选择和组装工艺。塑封料湿气的吸附,界面的粘结强度,芯片、引线键合、焊料球接点处的应力是影响器件可靠性的主要因素。目前所有采用BGA封装的产品都能满足以下的可靠性指标：8我们的建议我国的封装技术极为落后，目前仍然停留在PDI、PSOP、PQFP、PLC、PG等较为低档产品的

21、封装上。国外的BGA封装在17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BA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GA封装技术目前需要解决的总是应有以下几项：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；需要解决BG封装中的焊料球移植精度问题;倒装焊BG封装中需要解决凸点的制备问题;需要解决GA封装中的可靠性问题。9结束语封装密度、热、电性能和成本是BG封装流行的主要原因。随着时间的推移，G封装会有越来越多的改进，性价比将得到进一步

22、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G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。 CSP封装技术摘要:C技术是最近几年才发展起来的新型集成电路封装技术。应用CSP技术封装的产品封装密度高，性能好,体积小，重量轻，与表面安装技术兼容,因此它的发展速度相当快，现已成为集成电路重要的封装技术之一。目前已开发出多种类型CS,品种多达10多种;另外，P产品的市场也是很大的，并且还在不断扩大。但是CSP技术、CS产品市场是国外的或国外公司的。我们需要开发我们的CSP技术,当然,开发CSP技术难度比较大

23、，需要的资金多,因此需要国内多个部门协作，以及国家投入较多的资金。关键词: 芯片尺寸封装;封装技术；表面安装技术;基片中图分类号:TN05.94文献标识码：A1前言SP(Cip Size Pkae），即芯片尺寸封装。它的面积(组装占用印制板的面积）与芯片尺寸相同或比芯片尺寸稍大一些,而且很薄。这种封装形式是由日本三菱公司在199年提出来的。对于CSP,有多种定义：日本电子工业协会把CSP定义为芯片面积与封装体面积之比大于80%的封装；美国国防部元器件供应中心的STK-012标准把CSP定义为SI封装产品的面积小于或等于LS芯片面积的2的封装；松下电子工业公司将之定义为LS封装产品的边长与封装芯

24、片的边长的差小于Imm的产品等。这些定义虽然有些差别,但都指出了SP产品的主要特点：封装体尺寸小。CSP技术是在电子产品的更新换代时提出来的,它的目的是在使用大芯片（芯片功能更多，性能更好,芯片更复杂)替代以前的小芯片时,其封装体占用印刷板的面积保持不变或更小。正是由于CS产品的封装体小、薄，因此它的手持式移动电子设备中迅速获得了应用。在196年8月,日本Sharp公司就开始了批量生产CSP产品;在196年9月,日本索尼公司开始用日本I和NEC公司提供的CP产品组装摄像机;在1997年，美国也开始生产C产品。目前，世界上已有几十家公司可以提供CS产品，各类CSP产品品种多达一百种以上。由于CP

25、产品的体积小、薄,因而它改进了封装电路的高频性能,同时也改善了电路的热性能;另外,CP产品的重量也比其它封装形式的轻得多,除了在手持式移动电子设备中应用外，在航天、航空,以及对电路的高频性能、体积、重量有特殊要求的军事方面也将获得广泛应用。2CS产品的特点CSP是目前最先进的集成电路封装形式，它具有如下一些特点:体积小。在各种封装中，SP是面积最小,厚度最小,因而是体积最小的封装。在输入输出端数相同的情况下，它的面积不到05mm间距QP的十分之一,是GA（或PA)的三分之一到十分之一。因此，在组装时它占用印制板的面积小，从而可提高印制板的组装密度，厚度薄，可用于薄形电子产品的组装;输入输出端数

26、可以很多。在相同尺寸的各类封装中,C的输入/输出端数可以做得更多。例如，对于40m0mm的封装，Q的输入/输出端数最多为34个,GA的可以做到00-70个,而S的很容易达到0个。虽然目前的CP还主要用于少输入输出端数电路的封装；电性能好。S内部的芯片与封装外壳布线间的互连线的长度比QP或BGA短得多,因而寄生参数小，信号传输延迟时间短，有利于改善电路的高频性能。热性能好。C很薄,芯片产生的热可以很短的通道传到外界。通过空气对流或安装散热器的办法可以对芯片进行有效的散热；SP不仅体积小，而且重量轻,它的重量是相同引线数的QFP的五分之一以下,比GA的少得更多。这对于航空、航天，以及对重量有严格要求的产品应是极为有利的。CSP电路，跟其它封装的电路一样,是可以进行测试、老化筛选的,因而可以淘汰掉早期失效的电路，提高了电路的可靠