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