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BGA是英文BallGridArrayPackage的缩写,即球栅阵列封装。
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种:
倒装焊键合和引线键合。
倒装焊键合结构;
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。
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
2)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。
3)是最经济的BGA封装。
TBGA的缺点如下:
1)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。
5、其它的BGA封装类型
BGA的封装工艺流程
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。
1、引线键合PBGA的封装工艺流程
①PBGA基板的制备
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。
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
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。
2、FC-CBGA的封装工艺流程
①陶瓷基板
FC-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。
②封装工艺流程
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
3、引线键合TBGA的封装工艺流程
①TBGA载带
TBGA的载带通常是由聚酰亚胺材料制成的。
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,封装热沉又是封装的加固体,也是管壳的芯腔基底,因此在封装前先要使用压敏粘结剂将载带粘结在热沉上。
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→最终检查→测试→包装
BGA封装技术未来发展
我国的封装技术极为落后,仍然停留在PDIP、PSOP、PQFP、PLCC、PGA等较为低档产品的封装上。
国外的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封装需要的技术来支撑。
对于国内BGA封装技术的开发和应用,希望国家能够予以重视和政策性倾斜。
开发BGA封装技术目前需要解决的总是应有以下几项:
①需要解决BGA封装的基板制造精度问题和基板多层布线的镀通孔质量问题;
②需要解决BGA封装中的焊料球移植精度问题;
③倒装焊BGA封装中需要解决凸点的制备问题;
④需要解决BGA封装中的可靠性问题。
封装密度、热、电性能和成本是BGA封装流行的主要原因。
随着时间的推移,BGA封装会有越来越多的改进,性价比将得到进一步的提高,由于其灵活性和优异的性能,BGA封装有着广泛的前景。
正因为BGA封装有如此的优越性,我们也应该开展BGA封装技术的研究,把我国的封装技术水平进一步提高,为我国电子工业作出更大的贡献。
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