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1、BGACSP 和倒装焊芯片面积阵列封装技术摘要：随着表面安装技术的迅速发展，新的封装技术不断出现，面积阵列封装技术成了现代封装的热门话题，而BGA/CSP 和倒装焊芯片 （ Flip Chip ）是面积阵列封装主流类型。BGA/CSP 和倒装焊芯片的出现，适应了表面安装技术的需要，解决了高密度、高性能、多功能及高 I/O 数应用的封装难题。本文介绍了 BGA/CSP 和倒装焊芯片的封装理论和技术优势及制造流程，并阐述了植球机的基本构成和工作原理。关键词：面积阵列封装；BGA ；CSP；倒装焊芯片；植球机Area Array Pack age BGA/CSP & flip chipLUO Wei
2、-cheng ， LIU Da-quan（ Shanghai MICSON Semiconductor Equipment Co., Ltd.Shanghai 201114,China ）Abstract ：With the rapid development of surface mounting technology, new packaging technologies arise continually andarea array packaging technology becomes the main topics ofcontemporary packages. BGA/CSP
3、and Flip Chip are two of themain area array types. BGA /CSP and flip chip meet the demandof surface mount technology, and resolve the applications withhigh density, high performance, multiple functions and high I/Ocounts. In this article, many issues of BGA /CSP and flip chip,such as structure, type
4、, application, development etc aredescribed and introduced. The ball mounting systemureand principle are also introduced. s structKeywords ：Area array package；BGA ；CSP；Flip Chip ； ball mounterBGA/CSP （球栅阵列）和倒装片（ Flip Chip ）作为当今大规模集成电路的封装形式，引起了电子组装行业的关注，并且已经在不同领域中得到应用。随着表面安装技术的发展，器件引线间距在不断下降，传统的 2.54
5、 mm 和 1.27 mm 间距的器件渐渐被0.5 mm 的细间距器件所替代，随着这种趋势的持续，随之又出现了0.4mm、 0.3 mm 乃至更细间距的表面安装器件。此外，更先进的封装技术，如自动载带焊（TAB ）等，可以使得引线间距降至 0.2 mm 或更细。随着向超细间距领域的发展，表面安装技术受到了如器件间距、引线框架制造精度、设备、材料等各种因素的限制。在芯片级，为增强器件的功能和性能不得不增加 I/O 数和硅片的尺寸，对于不断增高的 I/O 数，如果采用传统形式的标准间距的封装，则器件尺寸势必会相当大，而如果采用较小尺寸的封装形式，则又会引起引线间距的急剧减小。 较大尺寸封装的采用，
6、 将会使得器件在 PCB 上占用的面积增大，而且互联的通道会更长，难免会降低预期的使用性能，况且这些较大尺寸封装的制造并不容易，组装到 PCB 上的过程也并非如人们所料想的那么简单， 对生产产量也会有一定的影响，从而也就增大了整个过程的组装费用。而对于满足了较大的 I/O 数，但间距更小的封装，在制造和组装方面也同样存在挑战，因此，电子组装者不得不从封装尺寸、引线间距、可制造性等多方面来考虑，力求寻求更好的封装解决办法。面积阵列封装（ area array package）就是一种可以解决上述问题的封装形式，它可以在不牺牲器件可制造性的前提下提高器件的功能和性能。四边引线扁平封装（ QFP）器
7、件的 I/O 引出端通常采用向周边走线的形式，而面积阵列封装的 I/O 引出端则在器件底部呈矩阵分布， I/O 数的增大和封装体尺寸的减小是特别明显的。面积阵列封装有不同的类型，因此也就有着不同的结构特点和组装方式。面积阵列封装以其结构形式可分为两大类： BGA/CSP 和倒装芯片（ Flip Chip ）。1BGA/CSP 技术基础1.1 BGA 技术BGA 形式封装是1980 年由富士通公司提出，在日本IBM 公司与 CITIZEN 公司合作的OMPAC 芯片中诞生。目前主要应用在CPU 以及 DSP 等多引脚（ PIN ）高性能芯片的封装，是目前高端IC 封装技术的主要发展技术与方向。从
8、 BGA 的组装技术方面来看， 和 QFP 相比， BGA 的优点主要有以下几点： I/O 引线间距大（如 1.O, 1.2 7 mm ），可容纳的 I/O 数目大（如 1.27 mm 间距的 BGA 在 25 mm 边长的面积上可容纳 350 个 I/O ，而 O.5 mm 间距的 QFP 在 40mm 边长的面积上只容纳 304 个 I/O ）；封装可靠性高（不会损坏引脚），焊点缺陷率低（ 1ppm/ 焊点） ,焊点牢固；管脚水平面同一性较 QFP 容易保证，因为焊锡球在溶化以后可以自动补偿芯片与 PCB 之间的平面误差； 回流焊时， 焊点之间的张力产生良好的自对中效果，允许有 50的贴片
9、精度误差；有较好的电特性，由于引线短，导线的自感和导线间的互感很低，频率特性好；能与原有的SMT 贴装工艺和设备兼容。原有的丝印机、贴片机和回流焊设备都可使用。BGA的主要缺点在于焊点的检测和返修都比较困难，对焊点的可靠性要求比较严格，使得BGA 器件在很多领域的应用中受到限制。BGA 主要有四种基本类型：PBGA 、 CBGA 、CCGA 和TBGA ，一般都是在封装体的底部连接着作为I/O 引出端的焊球阵列。1）塑封球栅阵列（Plastic Ball Grid Array,PBGA ）PBGA 即通常所说的模制塑料焊点阵列载体（ Overmolded Plastic Pad Array C
10、arrier,OMPAC ），是最普通的BGA 封装类型（见图1）。 PBGA 的载体是普通的印制板基材，例如 FR 4、 BT 树脂等。硅片通过金属丝压焊方式连接到载体的上表面，然后用塑料模压成形，在载体的下表面连接有共晶组份 （ 37Pb/63Sn）的焊球阵列。 焊球阵列在器件底面上可以呈完全分布或部分分布（见图 2），通常的焊球尺寸 0.75 0.89 mm 左右，焊球节距有 1.0 mm、1.27 mm、1.5 mm几种。2）陶瓷球栅阵列（Ceramic Ball Grid Array ，CBGA ）CBGA 通常也称作SBC （Solder Ball Carrier ），是 BGA封
11、装的第二种类型（见图 3）。CBGA 的硅片连接在多层陶瓷载体的上表面，硅片与多层陶瓷载体的连接可以有两种形式，第一种是硅片线路层朝上，采用金属丝压焊的方式实现连接，另一种则是硅片的线路层朝下，采用倒装片结构方式实现硅片与载体的连接。硅片连接完成之后，对硅片采用环氧树脂等填充物进行包封以提高可靠性和必要的机械防护。在陶瓷载体的下表面，连接有90Pb/10Sn 焊球阵列，焊球阵列的分布可以有完全分布或部分分布两种形式，焊球尺寸通常约 0.89 mm 左右，间距因各家公司而异，常见的为 1.0 mm和 1.27 mm 。目前一些产品已采用了 I/O 数达 196625 的 CBGA 封装器件，但
12、CBGA 的应用还不太广泛，更高 I/O 数的 CBGA封装的发展也停滞不前，主要归咎于CBGA 组装中存在的PCB 和多层陶瓷载体之间的热膨胀系数（TCE ）不匹配问题，这个问题的出现，使得在热循环时引起封装体尺寸较大的CBGA 焊点产生失效。通过大量的可靠性测试，已经证实了封装体尺寸小于32 mm32 mm 的 CBGA 均可以满足工业标准热循环试验规范。CBGA 的 I/O 数目前限制在625 以下，对于陶瓷封装体尺寸在32 mm 32 mm 以上的，则必须要考虑采取其它类型的BGA 。此外，由于 CBGA 的硅片与多层陶瓷的连接可以采用倒装片连接方式，所以可以达到比金属丝压焊连接方式更
13、高的互联密度。在很多情况下， 尤其是在高I/O 数的应用中， ASICs的硅片尺寸受到金属丝压焊焊盘（pad）尺寸的限制， CBGA通过采用了更高密度的硅片互联线路，使得硅片的尺寸可以进一步减小而又不牺牲功能，从而降低了费用。3）陶瓷柱栅阵列（ Ceramic Cloumn Grid Array ，CCGA ）CCGA 也称 SCC（ Solder Column Carrier ），是 CBGA 在陶瓷体尺寸大于 32 mm 32 mm 时的另一种形式（见图 3），和 CBGA 不同的是在陶瓷载体的下表面连接的不是焊球而是 90Pb/10Sn 的焊料柱，焊料柱阵列可以是完全分布或部分分布的，常见的焊料柱直径约0.5 mm ，高度约为2.21 mm，柱阵列间距典型的为 1.27 mm 。 CCGA 有两种形式，一种是焊料柱与陶瓷底部采用共晶焊料连接，另一种则采用浇铸式固定结构。CCGA 的焊料柱可以承受因 PCB 和陶瓷载体的热膨胀系数 TCE 不匹配产生的应力， 大量的可靠性试验证实封装体尺寸小于 44 mm 44 mm 的 CCGA 均可以满足工业标准热循环试验规范。 CCGA 的优缺点和 CBG
