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BGA封装技术

作者:效时BGA返修台来源:深圳效时实业有限公司 日期:2015年10月30日 09:49

1、背景

在信息时代,电子产品的更新换代速度加快,计算机、移动电话等产品的普及,使得人们对电子产品的要求越来越高。这就使得产品的性能必须有所提高,IC芯片的特征尺寸就要越来越小,复杂程度需要增加,于是,电路的I/O数就需要更多,且I/O的密度也会不断增加。对电路封装的要求也更加严格。再采用QFP封装技术,通过增加I/O数,减小引线间距, 已经不能满足电子产品发展的要求。为了解决这一问题,国外加速了对新型微电子封装技术的研究与开发,诸如球形触点阵列封装(Ball grid array,简称BGA ) 技术,芯片尺寸封装(Chip scalepackage,简称CSP) 技术,直接芯片键合(Direct chipattach,简称DCA) 技术,面阵列倒装芯片( Area array flipchip) 技术。其中,BGA封装技术就是近年来国外迅速发展的一种微电子封装技术。

 

                                                  

2、BGA简介

BGA(英文全称Ball Grid Array),即球形触点阵列,也有人翻译为“球栅阵列封装”网格焊球阵列球面阵等等。球栅阵列封装BGA是20世纪90年代开始应用,现主要应用于高端器件的封装,发展空间还相当大。BGA封装技术是在模块底部或上表面焊有按阵列形式分布的许多球状凸点,通过焊料凸点实现封装体与基板之间互连的一种封装技术。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年时,BGA的产量已经为10亿只,但是该技术仍然限于高密度、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。

 

3、BGA的分类

BGA的封装类型有很多种,一般外形结构为方形或矩形。按照锡球焊接的排布方式可分為周边型、交错型和全阵列型BGA。

 

根据其基板的不同,主要分為三类:

PBGA(Plastic ball Zdd array 塑胶焊球阵列);

CBGA(ceramic ball Sdd array 陶瓷焊球阵列);

TBGA (tape ball grid array载带型焊球陣列)。

1)PBGA(塑胶焊球阵列)封裝

PBGA 封裝,它采用BT 树脂/玻璃层压板作为基板,以塑胶(环氧模塑混合物)作为密封材料,焊球可分为有铅焊料(63Sn37Pb、62Sn36Pb2Ag)和无铅焊料(Sn96.5Ag3Cu0.5),焊球和封装体的连接不需要另外使用焊料。PBGA 封装的示意图如下:

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(腔体塑料焊球数组),其示意图如下:

 

PBGA 封装的优点如下:

a. 与 PCB 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。

b. 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。

c. 成本低。

d. 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(陶瓷焊球数组)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。其示意图如下:

 

CBGA 封装的优点如下:

a. 气密性好,抗湿气性能高,因而封装组件的长期可靠性高;

b. 与 PBGA 器件相比,电绝缘特性更好;

c. 与 PBGA 器件相比,封装密度更高;

d. 散热性能优于 PBGA 结构。

 

CBGA 封装的缺点如下:

a. 由于陶瓷基板和 PCB 板的热膨胀系数(CTE)相差较大,因此热匹配性差,焊点疲劳是其主要的失效形式;

b. 与 PBGA 器件相比,封装成本高;

c. 在封装体边缘的焊球对准难度增加。

 

3)、TBGA(载带型焊球数组)封装

TBGA 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。芯片倒装键合在多层布线柔性载带上;用作电路I/O 端的周边数组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。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:

a. 封装体的柔性载带和 PCB 板的热匹配性能较好;

b. 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;

c. 是最经济的 BGA 封装;

d. 散热性能优于 PBGA 结构。

 

TBGA 的缺点如下:

a. 对湿气敏感;

b. 不同材料的多级组合对可靠性产生不利的影响。

 

其他的BGA封装类型

MCM-PBGAMultiple chip module-PBGA),多芯片模块PBGA;

μBGA,微BGA,是一种芯片尺寸封装;

SBGAStacked ball grid array),叠层BGA;

etBGA,最薄的BGA结构,封装体高度为0.5mm,接近于芯片尺寸;

CTBGA、CVBGA(Thin and Very Thin Chip Array BGA),薄型、超薄型BGA;

 

4、BGA主要特点

(1) I/O数比较多。因为BGA封装的焊球是以阵列形式排布在封装基片下面,所以极大地提高器件的I/O数,缩小封装体尺寸,节省组装的空间;

(2)封装成品率高,降低了成本;

(3)BGA的阵列焊球与基板的接触面大、短,有助于散热;

(4)BGA阵列焊球的引脚短,缩短了信号的传输路径,减小了引线电感、电阻、从而改善电路的性能;

(5)改善了I/O端的共面性,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fpBGA比细节距的脚形封装的IC牢固,可靠。

 
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