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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。
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。
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)。
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:
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。
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。
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。
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:
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。
4)散热性能优于PBGA结构。
ﻭTBGA的缺点如下:
ﻭ1)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。
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。
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。
ﻭﻭSBGA(Stackedballgridarray),叠层BGA,它的结构示意图如图11所示。
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。
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。
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
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