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论文题目： 介绍BGA技术

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介绍BGA技术
摘要：电子产品及设备发展趋势能够归纳为多功效化、高速化、大容量化、高密度化、轻量化、小型化，为了达成这些需求，集成电路工艺技术进步推进下，在封装领域中出现了许多先进封装技术与形式，表现在封装外形改变是元器件多脚化、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新型封装技术BGA及在生产领域应用。【1】
关键词：多脚化、薄型化、引脚细微化、引脚形状多样化
1.BGA概念及特点
BGA(Bdll Grid Array)封装，即焊球阵列封装，它是在封装体基板底部制作阵列焊球作为电路I/O端与印刷线路板(PCB)互接。采取该项技术封装器件是一个表面贴装型器件。与传统脚形贴装器件（QFP、PLCC等）相比，BGA封装器件具备以下特点：
（1）I/O数较多。因为BGA封装焊料球是以阵列形式排布在封装基片下面，因而可极大地提升器件I/O数，缩小封装体尺寸，节约组装占位空间。
（2）提升了贴装成品率，潜在地降低了成本。
（3）BGA阵列焊球与基板接触面大、短，有利于散热。
（4）BGA阵列焊球引脚很短，缩短了信号传输路径，减小了引线电感、电阻，因而可改进电路性能。
（5）显著地改进了I/O端共面性，极大地减小了组装过程中因共面性差而引发损耗。
（6）BGA适适用于MCM封装，能够实现MCM高密度、高性能。
（7）BGA比细节距脚形封装IC牢靠可靠。
2. BGA类型
BGA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，它采取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(现在已经有部分制造商使用无铅焊料），焊球和封装体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PBGA是为了增强其散热性能，称之为热增强型BGA，简称EBGA，有也称之为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封装优点以下：
（1）与PCB板（印刷线路板-通常为FR-4板）热匹配性好。PBGA结构中BT树脂/玻璃层压板热膨胀系数（CTE)约为14ppm/℃，PCB板约为17ppm/cC，两种材料CTE比较靠近，因而热匹配性好。
（2）在回流焊过程中可利用焊球自对准作用，即熔融焊球表面张力来达成焊球与焊盘对准要求。
（3）成本低。
（4）电性能良好。
PBGA封装缺点是：对湿气敏感，不适适用于有气密性要求和可靠性要求高器件封装。
2.2、陶瓷球栅阵列（CBGA）
在BGA封装系列中，CBGA历史最长。它基板是多层陶瓷，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，焊球和封装体连接需使用低温共晶焊料63Sn37Pb。封装体尺寸为10-35mm，标准焊球节距为1．5mm、1．27mm、1．0mm。
CBGA封装优点以下：
(1)气密性好，抗湿气性能高，因而封装组件长久可靠性高。
(2)与PBGA器件相比，电绝缘特征愈加好。
(3)与PBGA器件相比，封装密度更高。
(4)散热性能优于PBGA结构。
CBGA封装缺点是：
(1)因为陶瓷基板和PCB板热膨胀系数（CTE)相差较大（A1203陶瓷基板CTE约为7ppm/cC，PCB板CTE约为17ppm/笔），所以热匹配性差，焊点疲劳是其主要失效形式。
(2)与PBGA器件相比，封装成本高。
(3)在封装体边缘焊球对准难度增加。
2.3、陶瓷圆柱栅格阵列（CCGA）
CCGA是CBGA改进型。二者区分在于：CCGA采取直径为0．5mm、高度为1．25mm~2．2mm焊料柱代替CBGA中0．87mm直径焊料球，以提升其焊点抗疲劳能力。所以柱状结构更能缓解由热失配引发陶瓷载体和PCB板之间剪切应力。【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），是一个相对新奇BGA封装形式。TBGA是一个有腔体结构，TBGA封装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优点以下：
（1）比绝大多数BGA封装（尤其是具备大量I/O数量）要轻和小。
（2）比QFP器件和绝大多数其余BGA封装电性能要好。
（3）装配到PCB上具备非常高封装效率。
TBGA缺点以下：
（1）对湿气敏感。
（2）不一样材料多级组合对可靠性产生不利影响。
3. BGA工艺流程
基板或中间层是BGA封装中非常主要部分，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/电容集成。所以要求基板材料具备高玻璃转化温度rS(约为175~230℃）、高尺寸稳定性和低吸潮性，具备很好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备较高粘附性能。【4】
3.1、引线键合PBGA封装工艺流程
3.1.1、 PBGA基板制备
在BT树脂/玻璃芯板两面层压极薄（12~18μm厚）铜箔，然后进行钻孔和通孔金属化。用常规PCB加在基板两面制作出图形，如导带、电极、及安装焊料球焊区阵列。然后加上焊料掩膜并制作出图形，露出电极和焊区。为提升生产效率，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

3.2FC-CBGA封装工艺流程
3.2.1、陶瓷基板
FC-CBGA基板是多层陶瓷基板，它制作是相当困难。因为基板布线密度高、间距窄、通孔也多，以及基板共面性要求较高等。它主要过程是：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组装中，基板与芯片、PCB板CTE失配是造成CBGA产品失效主要原因。要改进这一情况，除采取CCGA结构外，还可使用另外一个陶瓷基板--HITCE陶瓷基板。
3.2.2、封装工艺流程
圆片凸点制备→圆片切割→芯片倒装及回流焊→回流焊打标+分离→最终检验→测试和包装入库
3.3、引线键合TBGA封装工艺流程
3.3.1、TBGA载带
TBGA载带通常是由聚酰亚胺材料制成。在制作时，先在载带两面进行覆铜，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，封装热沉又是封装加固体，也是管壳芯腔基底，所以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→最终检验→测试→包装
4、引线键合与倒装焊比较

图5 引线键合图与倒装焊图差异
BGA封装结构中芯片与基板互连方式主要有两种：引线键合和倒装焊。现在BGAI/O数主要集中在100~1000，采取引线键合BGAI/O数常为50~540，而采取倒装焊方式I/O数常>540。PBGA互连惯用引线键合方式，CBGA惯用倒装焊方式，TBGA两种互连方式都有使用。当I/O数<600时，引线键合成本低于倒装焊。不过，倒装焊方式更适宜大批量生产，而假如圆片成品率得到提升，那么就有利于降低每个器件成本。而且倒装焊更能缩小封装体体积。【5】
4.1、引线键合方式
引线键合方式历史悠久，具备雄厚技术基础，它加工灵活性、材料/基片成本占有主要优势。其缺点是设备焊接精度已经达成极限。引线键合是单元化操作。每一根键合线都是单独完成。键合过程是先将安装在基片或热沉上IC传送到键合机上，机器图像识别系统识别出芯片，计算和校正每一个键合点位置，然后依照键合图用金线来键合芯片和基片上焊盘，以实现芯片与基片互连。采取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高I/O数引线键合中，IC芯片焊盘节距非常小，其中心距通常约为70~90μm，有更小。
②低弧度、长弧线技术：在BGA键合中，受控弧线长度通常为3~8mm，其最大改变量约为2．5mm。弧线高度约为100~200μm，弧线高度改变量<7μm，芯片与基片上外引线脚高度差约为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。另外，在基片上引线焊盘外围通常有两条环状电源/地线，键合时要预防金线与其短路，其最小间隙必须>25 Llm，这就要求键合引线必须具备高线性度和良好弧形。
③键合强度：因为芯片和基片上焊盘面积都比较小，所以精密距焊接时使用劈刀是瓶颈型劈刀，头部直径也较小，而小直径劈刀头部和窄引线脚将造成基片上焊点横截面积较小，从而会影响键合强度。
④低温处理：塑封BGA基片材料通常是由具备低玻璃化温度（Tg约为175℃）、高热膨胀系数（CTE约为13ppm/℃）聚合物树脂制成，所以在封装过程中芯片装片固化、焊线、模塑等都必须在较低温度下进行。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。要处理这一问题就必须要求键合机超声波发生器具备较高（100kHz以上）超声频率。
4.2、倒装焊方式
倒装焊技术应用急剧增加，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问题。
●在芯片电源/地线分布设计上给电子设计师提供了更多便利。
●为高频率、大功率器件提供更完善信号。
倒装焊具备焊点牢靠、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，其缺点是因为凸点制备是在前工序完成，因而成本较高。
倒装焊凸点是在圆片上形成，制成后再进行圆片切割，合格芯片被吸附、浸入助焊剂中，然后放置在基片上（在芯片移植和处理过程中，助焊剂必须有足够粘度来粘住芯片），接着将焊料球回流以实现芯片与基片互连。在整个加工过程中，工艺处理是以圆片、芯片和基片方式进行，它不是单点操作，因而处理效率较高。【6】
采取倒装焊方式需要考虑几个相关问题。
①基板技术：对倒装焊而言，现在有许多基板可供选择，选择关键原因在于材料热膨胀系数（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TCE失配是造成产品失效主要原因。CTE失配产生剪切应力将引发焊接点失效。通常封装体信号完整性与基片绝缘电阻、介电常数、介质损耗有直接关系。介电常数、介质损耗与工作频率关系极大，尤其是在频率>1GHz时。当选择基板时应考虑上述原因。
② 凸点技术：可能倒装焊技术得以流行是因为现在有各种各样凸点技术服务。现在惯用凸点材料为金凸点，95Pb5Sn、90Pbl0Sn焊料球（回流焊温度约350℃），有也采取63Pb37Sn焊料球（回流焊温度约220℃焊料凸点技术关键在于当节距缩小时，必须保持凸点尺寸稳定性。焊料凸点尺寸一致性及其共面性对倒装焊合格率有极大影响。
③底部填充：在绝大多数倒装焊产品中都采取了底部填充剂，其作用是缓解芯片和基板之间由CTE差所引发剪切应力。
5.BGA应用现实状况与展望
中国封装技术极为落后，依然停留在PDIP、PSOP、PQFP、PLCC、PGA等较为低级产品封装上。国外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封装需要技术来支撑。对于国内BGA封装技术开发和应用，希望国家能够给予重视和政策性倾斜。开发BGA封装技术现在需要处理总是应有以下几项：
①需要处理BGA封装基板制造精度问题和基板多层布线镀通孔质量问题；
②需要处理BGA封装中焊料球移植精度问题；
③倒装焊BGA封装中需要处理凸点制备问题；
④需要处理BGA封装中可靠性问题。
伴随时间推移，BGA封装会有越来越多改进，性价比将得到深入提升，因为其灵活性和优异性能，BGA封装有着广泛前景。【7】

图6 BGA实物图

正因为BGA封装有如此优越性，我们也应该开展BGA封装技术研究，把中国封装技术水平深入提升，为中国电子工业作出更大贡献。

参考文件
[1]李可为.集成电路芯片封装技术.北京：电子工业出版社，.3
[2]刘玉岭.微电子技术工程.北京：电子工业出版社，.
[3]周良知.微电子器件封装.北京：化学工业出版社，.
[4]Ball Grid Array Technology.Joan Lao H.The McGraw-Hill Companies,Inc,1999.
[5]Electronic Materials and Devices.David Ferry K,Jonathan Bird P.Academic Press,.
[6]Microchip Fabrication.Fourth Edition.Peter Van Zant.The McGraw-Hill Companies,Inc,.
[7]吴德馨.当代微电子技术.北京：化学工业出版社，.