第5章 BGA和CSP的封装技术

第5章BGA和CSP的封装技术5.1BGA的基本概念、特点和封装类型BGA(BallGridArray)即“焊球阵列”。它是在基板的下面按阵列方式引出球形引脚,在基板上面装配LSI芯片(有的BGA引脚端与芯片在基板同一面),是LSI芯片用的一种表面安装型封装。5.1.1BGA的基本概念和特点Motorola1.27mm引脚间距的CBGABGA具有以下特点：(1)失效率低。使用BGA，可将窄节距QFP的焊点失效率减小两个数量级，且无需对安装工艺作大的改动。(2)BGA焊点节距一般为1.27mm和0.8mm，可以利用现有的SMT工艺设备。(3)提高了封装密度，改进了器件引脚和本体尺寸的比率。1.27mm间距的CBGA器件(4)由于引脚是焊球，可明显改善共面性，大大地减少了共面失效。(5)BGA引脚牢固，不像QFP那样存在引脚易变形问题。(6)BGA引脚很短，使信号路径短，减小了引脚电感和电容，改善了电性能。(7)焊球熔化时的表面张力具有明显的“自对准”效应，从而可大为减少安装、焊接的失效率。(8)BGA有利于散热。(9)BGA也适合MCM的封装,有利于实现MCM的高密度、高性能。BGA封装按基板的种类，分为：PGBA(塑封BGA)、CBGA(陶瓷BGA)、CCGA(陶瓷焊柱阵列)、TBGA(载带BGA)、MBGA(金属BGA)、FCBGA(倒装芯片BGA)和EBGA(带散热器BGA)等。5.1.2BGA的封装类型和结构PBGA封装结构如图所示，焊球做在PWB基板上，在芯片粘接和WB后模塑。采用的焊球材料为共晶或准共晶Pb-Sn合金。焊球的封装体的连接不需要另外的焊料。PBGA封装的优点如下：(1)和环氧树脂电路板的热匹配性好。(2)对焊球的共面要求宽松,因为焊球参与再流焊时焊点的形成。(3)安放时，可以通过封装体边缘对准。(4)在BGA中成本最低。(5)电性能良好。(6)与PWB连接时，焊球焊接可以自对准。(7)可用于MCM封装。PBGA封装的缺点主要是对湿气敏感。下图为CBGA封装结构,最早源于IBM公司的C4倒装芯片工艺。采用双焊料结构,用10%Sn-90%Pb高温焊料制作芯片上的焊球,用低熔点共晶焊料63%Sn-37%Pb制作封装体的焊球。此方法也称为焊球连接(SBC)工艺。CBGA封装的优点如下：(1)可靠性高，电性能优良。(2)共面性好，焊点成形容易。(3)对湿气不敏感。(4)封装密度高(焊球为全阵列分布)。(5)和MCM工艺相容。(6)连接芯片和元件的返修性好。CBGA封装的缺点是：(1)由于基板和环氧树脂印制电路板的热膨胀系数不同，因此热匹配性差。CBGA-FR4基板组装时，热疲劳寿命短。(2)封装成本高。如图为CCGA封装结构，CCGA是CBGA的扩展。它采用10%Sn-90%Pb焊柱代替焊球。焊柱较之焊球可降低封装部件和PWB连接时的应力。这种封装具有清洗容易、耐热性能好和可靠性高的特点。P123图5-4为TBGA封装结构。TBGA封装是载带自动焊接技术的延伸，利用TAB实现芯片的连接。TBGA封装的优点如下：TBGA封装的优点如下：(1)尽管在芯片连接中局部存在应力，但总体上和环氧树脂印刷电路板热匹配性较好。(2)是最薄型的BGA封装，可节省安装空间。(3)是经济型的BGA封装。TBGA封装的缺点是：(1)对湿气敏感。(2)对热敏感。下图为FCBGA封装结构。FCBGA通过FC实现芯片与BGA衬底的连接。FCBGA有望成为发展最快的一种BGGA封装。其优点如下：(1)电性能优良，如电感、延迟较小。(2)热性能优良，背面可安装散热器。(3)可靠性高。(4)与SMT技术相容，封装密度高。(5)可返修性强。(6)成本低。EBGA与PBGA相比较，PBGA一般是芯片正装，而EBGA是芯片倒装，芯片背面连接散热器，因此耗散功率大。它的特点主要是性能优于PBGA，其他性能基本与PBGA相似。5.2BGA的封装技术PBGA中的焊球做在PWB基板上，在芯片粘接和WB后模塑。下面以OMPAC为例，简要介绍BGA的制作过程。如图为Motorola公司生产的OMPAC(模塑BGA)的结构示意图。其制作过程如下：5.2.1BGA的封装技术OMPAC基板的PWB，材料是BT树脂或玻璃。BT树脂或玻璃芯板被层层压在两层18um厚的铜箔之间。然后钻通孔和镀通孔，通孔一般位于基板的四周。用常规的PWB工艺在基板的两面制作图形(导带、电极以及安装焊球的焊区阵列)。然后形成介质阻焊膜并制作图形，露出电极和焊区。基板制备完之后，首先用含银环氧树脂（导电胶）将硅芯片粘到镀有Ni—Au的薄层上，粘接固化后用标准的金丝球焊机将IC芯片上的铝焊区与基板上的镀Ni—Au的焊区用WB相连。然后用填有石英粉的环氧树脂模塑料进行模塑包封。固化之后，使用一个焊球自动拾放机将浸有焊剂的焊球（预先制好）安放到各个焊区，用常规的SMT再流焊工艺在N2气氛下进行再流，焊球与镀Ni—Au的PWB焊区焊接。在基板上装配焊球有两种方法：“球在上”和“球在下”，OMPAC采用的是前者。先在基板上丝网印制焊膏，将印有焊膏的基板装在一个夹具上，用定位销将一个带筛孔的顶板与基板对准，把球放在顶板上，筛孔的中心距与阵列焊点的中心距相同，焊球通过孔对应落到基板焊区的焊膏上，多余的球则落入一个容器中。取下顶板后将部件送去再流，再流后进行清洗。“球在下”方法被IBM公司用来在陶瓷基板上装焊球，其过程与“球在上”相反，先将一个带有以所需中心距排列的孔（直径小于焊球）的特殊夹具（小舟）放在一个振动/摇动装置上，放入焊球，通过振动使球定位于各个孔，在焊球位置上印焊膏，再将基板对准放在印好的焊膏上，送去再流，之后进行清洗。焊球的直径一般是0.76mm(30mil)或0.89mm(35mil)，PBGA焊球的成分为低熔点的63%Sn-37%Pb(OMPAC为62%Sn-36%Pb-2%Ag)。承载体由PI载带制成。载带上冲孔，电镀通孔，两面进行铜金属化，再镀Ni和Au，将带有金属化通孔和再分布图形的载带分割成单体。用微焊技术把焊球（10%Sn-90%Pb）焊接到载带上，焊球的顶部熔进电镀通孔内。载带外引线区粘上一个加强环。芯片的安装：面阵型芯片，用C4工艺；周边型金凸点芯片，热压键合。焊接后用环氧树脂将芯片包封。在PWB上组装TBGA：丝网印制焊膏→检查所印制的焊膏→在PWB上安放TBGA（自动安装机）→再流焊→清洗→检查焊点（周边焊点用立体显微镜目检，用透射X射线可检查内部焊点缺陷，如桥连、焊球孔隙等）。5.2.2TBGA的封装技术TBGA是适于高I/O数应用的一种封装形式，I/O数可为200∽1000，芯片的连接可以用倒装芯片焊料再流，也可以用热压键合。TBGA的安装使用标准的63%Sn-37%Pb焊膏。5.2.3CBGA和CCGA的封装技术1.CBGA的封装技术(1)CBGA封装结构特点CBGA封装结构如下图。与PBGA和TBGA相比,主要区别在于：①CBGA的基板是多层陶瓷布线基板,PBGA的基板是BT多层布线基板，TBGA基板则是加强环的聚酰亚胺(PI)多层Cu布线基板。②CBGA基板下面的焊球为90%Pb-10Sn%或95%Pb-5%Sn的高温焊球，而与基板和PWB焊接的焊料则为37%Pb-63%Sn的共晶低温焊球。③CBGA的封盖为陶瓷，使之成为气密性封装，而PBGA和TBGA则为塑料封装，是非气密性封装。(2)CBGA的封装技术从CBGA与PBGA、TBGA的结构比较可以看出，制作CBGA的工艺技术相对要复杂一些，以上图为例，介绍CBGA的工艺技术。如图所示是5层陶瓷基板：多层布线分成信号层、电源层和接地层；LSI芯片是用C4技术倒装焊(FCB)到陶瓷基板上层的布线焊区。陶瓷封盖的周边及基板的周边有金属化层，以便密封焊接；芯片背面与盖板填充导热树脂是为了更好地散热；陶瓷基板底部的金属焊区制作高温焊球。工艺流程：制作多层陶瓷布线基板(高温或低温共烧陶瓷基板制作技术)→陶瓷基板布线焊区印制共晶低温Pb-Sn焊膏→安装LSI芯片(FCB法安装焊接)→芯片背面涂导热树脂→盖陶瓷封盖并密封→将高温焊球连接到多层陶瓷基板的底部金属焊区上。封装后应对其焊球的阵列完好性和每个焊球完整性进行检查，必要时应进行修补。2.CCGA的封装技术CCGA的封装技术与CBGA的封装技术基本一样，只是将CBGA的高温Pb-Sn焊球换成高温Pb-Sn焊柱即可。5.3BGA的安装互连技术BGA的焊球分布有全阵列和部分阵列两种方法。如果芯片和焊球位于基板的同一面,只能采用部分阵列分布；有时芯片和焊球不在同一面,既可采用全阵列,也可以采用部分阵列分布。BGA的焊球分布方式如下图所示。具体排列已有一系列的JEDEC标准。5.3.1BGA的焊球分布BGA焊接用的材料目前有多家公司批量生产并对外销售。美国AIM公司研制并生产的一种无铅合金焊料——CASTIN系列产品，这种焊料可减小焊点的应力，增加焊点强度。在电子安装和返修中，CASTIN采用和普通的63%Sn-37%Pb焊料同样的设备，在大多数操作中，只需作小的工艺参数调整。5.3.2BGA焊接用材料AIM公司研制的WS475NT水溶性焊膏采用特殊方法配制，即使在热水中无机械清洗的情况下，助焊剂残渣也易于去掉。AIM公司的NC219AX免清洗型助焊剂具有很高的面绝缘电阻和很好的粘锡性能。世界上几家主要公司生产的BGA焊球用材料如下表：BGA安装前需检查BGA焊球的共面性以及有无脱落。BGA在PWB上的安装与目前的SMT工艺设备和工艺基本兼容。安装过程为：将低熔点焊膏用丝网印刷印制到PWB上的焊区阵列→用安装设备将BGA对准放在印有焊膏的焊区上→SMT再流焊。5.3.3BGA安装与再流焊接5.4CSP的封装技术5.4.1概述CSP（ChipSizePackage,或ChipScalePackage）,即芯片尺寸封装。目前并无确切定义,不同厂商有不同说法。JEDEC（联合电子器件工程委员会(美国协会)）的JSTK-012标准规定：LSI芯片封装面积小于或等于LSI芯片面积的120%的产品称为CSP。日本松下电子工业公司将LSI芯片封装每边的宽度比其芯片大1.0mm以内的产品称为CSP。这种产品具有以下几个特点：(1)体积小CSP是目前体积最小的LSI芯片封装之一。引脚数相同的封装,CSP的面积不到0.5mm节距QFP的十分之一,只有BGA的三分之一到十分之一。CSP与BGA、TCP、QFP的尺寸比较下如图所示。(2)可容纳的引脚数最多相同尺寸的LSI芯片的各类封装中，CSP的引脚最多。(3)电性能良好CSP内部的布线长度比QFP或BGA的布线长度短得多，寄生电容很小，信号传输延迟时间短，即使时钟频率超过100MHz的LSI芯片也可以采用CSP。CSP的存取时间比QFP或BGA改善15%∽20%，CSP的开关噪声只有DIP的1/2左右。(4)散热性能良好大多数CSP都将芯片面向下安装，能从芯片背面散热。5.4.2CSP的主要类别和工艺1.柔性基板封装CSP（FPBGA：窄节距BGA）FPBGA（窄节距BGA）：日本NEC开发，结构如下图所示。主要由LSI芯片、载带、粘接层和金属凸点组成。载带由聚酰亚胺和铜箔组成。采用共晶焊料(63%Sn-37%Pb)作外部互连电极材料。2.刚性基板CSP（CSTP）CSTP(CeramicSubstrateThinPackage，陶瓷基板薄型封装，又称刚性基板薄型封装）是日本东芝公司开发的一种薄型封装，基本结构如图所示。CSTP主要由LSI芯片、Al2O3(或AlN)基板，Au凸点和树脂等构成。通过倒装焊、树脂填充和打印等三步工艺完成。CSTP的厚度只有0.5mm∽0.6mm(其中LSI芯片厚度为0.3mm,基板厚度为0.2mm),仅为TSOP(薄型SOP)厚度的一半。CSTP的封装效率(即芯片与基板面积之比)高达75%以上，而同样尺寸的TQFP的封装效率不足30%。3.引线框架式CSP（LOC型CSP）LOC（LeadOverChip,