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1、BGA(球栅阵列)和Flip Chip(倒装片)作为当今大规模集成电路的封装形式，逐渐引起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2.54mm和1.27mm间距的器件渐渐被0. 5mm的细间距器件所替代(图1),这种趋势持续至今，随之又出现有0.4mm、0.3mm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0.2mm或更细的间 距。随着向超细间距领域的发展，表面安装技术受到了诸如器件间距、引线框架制造精度、设备、材料等 各种因素的限制。在芯片(die)级，为增强器件的功能和
2、性能不得不增加I/O数和硅片的尺寸，对于如此之 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，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 P CB 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
3、求寻求更好的封装解决办法。rfMCPPLCC*QFF-*TAB FCADIPIDCAMPfickafieWA-BGA(Ftip Chiff犯笑级组装图1 IC 封装发展状况面积阵列封装(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。QFP器件的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，见表1和 表 2 。表1封装体尺寸为20mmX20mm的不同间距BGA和QFP的I/O数对比引线间距L/mmQFP器件I/O数BGA
4、器件I/O数*2.5432641.27642560.641249610.5015615210.4019624010.253126084注：完全分布的BGA器件I/O数表 2 I/O 数为 300 的不同间距 BGA 和 QFP 的封装体尺寸对比引线间距L/mmQFP器件封装体尺寸L/mmBGA器件封装体尺寸L/mm2.54190.5X190.545.72X45.721.2795.25X95.2522.86X22.860.6447.625X47.62511.43X11.430.5038.10X38.109.144X9.1440.4030.48X30.487.315X7.3150.2519.05X
5、19.057.112X7.112从这两个表可以看出面积阵列封装在器件功能和封装尺寸方面的优点。然而，由 于面积阵列封装的I/O引出端在器件底部，所以在组装方面和QFP又有所不同，更重 要的是必须要改变相应的检测技术。由于焊点在封装体的底部，所以传统的检测手段， 如视觉检测、非向量测试、在线测试、边界扫描等都不能完全适用，到目前为止，也 只有 X 射线才能检测出面积阵列封装焊点的大部分缺陷，而目前相应的 X 射线检测设 备的费用一般都相当高，因此，在组装过程中，组装者都尽可能严格控制工艺参数， 以期望能减少或避免焊接缺陷的形成，力求避开检测这一难题。面积阵列封装有其不同的类型，因此也就有着不同的
6、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和Flip Chip。1 BGABGA主要有四种基本类型：PBGA、CBGA、CCGA和TBGA, 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。这些封装的焊球阵列典型的间距为1.0mm、1.27mm、 1.5mm,焊球的铅锡组份常见的主要有63Sn/37Pb和90Pb/10Sn两种，焊球的直径由于 目前没有这方面相应的标准而各个公司不尽相同。从BGA的组装技术方面来看，BGA 有着比QFP器件更优越的特点，其主要体现在BGA器件对于贴装精度的要求不太严格， 理论上讲，在焊接回流过程中，即使焊球相对于焊盘的偏移量达 5
7、0%之多，也会由于焊 料的表面张力作用而使器件位置得以自动校正，这种情况经实验证明是相当明显的。 其次，BGA不再存在类似QFP之类器件的引脚变形问题，而且BGA还具有相对QFP等器 件较良好的共面性，其引出端间距与QFP相比要大得多，可以明显减少因焊膏印刷缺 陷导致焊点“桥接”的问题；另外，BGA还有良好的电性能和热特性，以及较高的互联 密度。 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。以下就四种基本类型的BGA，从其结构特点等多方面加以阐述。1.1 PBGA（Plastic Ball Grid Array
8、塑封球栅阵列）PBGA 即通常所说的 OMPAC（Overmolded Plastic Array Carrier），是最普通的 BGA 封装类型（见图2）。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3），通常的焊球尺寸0.750.89mm左右，焊球节距有1.0mm、1.27mm、1.5mm 几种。图 2 PBGA 内部结构图 3 部分分布与完全分布示意图PBGA 可以用现有的表面安装设备和工艺进行
9、组装。首先通过漏印方式把共晶组份焊膏印刷到相应的 P CB焊盘上，然后把PBGA的焊球对应压入焊膏并进行回流，因漏印采用的焊膏和封装体的焊球均为共晶焊 料，所以在回流过程中焊球和焊膏共熔，由于器件重量和表面张力的作用，焊球坍塌使得器件底部和 PCB 之间的间隙减小，焊点固化后呈椭球形。目前，PBGA169313已有批量生产，各大公司正不断开发更高的 I/O数的PBGA产品，预计在近两年内I/O数可达6001000。PBGA 封装的主要优点： 可以利用现有的组装技术和原材料制造PBGA，整个封装的费用相对较低。 和 QFP 器件相比，不易受到机械损伤。 可适用于大批量的电子组装。PBGA技术的主
10、要挑战是保证封装的共面性、减少潮气的吸收和防止“popcorn”现象的产生以及解决 因日趋增大的硅片尺寸引起的可靠性问题，对于更高I/O数的封装，PBGA技术的难度将更大。由于载体所 用材料是印制板基材，所以在组装件中PCB和PBGA载体的热膨胀系数(TCE)近乎相同，因此在回流焊接过 程中，对焊点几乎不产生应力，对焊点的可靠性影响也较小。目前PBGA应用遇到的问题是如何继续减少P BGA封装的费用，使PBGA能在I/O数较低的情况下仍比QFP节省费用。1.2 CBGA(Ceramic Ball Grid Array 陶瓷球栅阵列)图 4 CBGA 和 CCGA 的结构比较CBGA通常也称作S
11、BC（Solder Ball Carrier）,是BGA封装的第二种类型（见图4）。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提供必要的机械防护。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0.89mm左右，间距因各家公司而异，常见的为1.0mm和1.27mm。PBGA器件也可以用现有的组
12、装设备和工艺进行组装，但由于与PBGA的焊球组份不同，使得整个组装 过程和PBGA有所不同oPBGA组装采用的共晶焊膏的回流温度为183C,而CBGA焊球的熔化温度约为300C， 现有的表面安装回流过程大都是在220C回流，在这个回流温度下仅熔化了焊膏，但焊球没有熔化。因此, 要形成良好的焊点，漏印到焊盘上的焊膏量和PBGA相比要多，其目的首先是要用焊膏补偿CBGA焊球的共 平面误差，其次是保证能形成可靠的焊点连接。在回流之后，共晶焊料包容焊球形成焊点，焊球起到了刚性支撑的作用，因此器件底部与PCB的间隙 通常要比PBGA大。CBGA的焊点是由两种不同的Pb/Sn组份焊料形成的，但共晶焊料和焊
13、球之间的界面实 际上并不明显，通常焊点的金相分析，可以看到在界面区域形成一个从90Pb/10Sn到37Pb/63Sn的过渡区。目前一些产品已采用了 I/O数196625的CBGA封装器件，但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32mmX32mm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
14、mmX32mm以上的，则必须要考虑采取其它类型的B GA。CBGA 封装的主要优点在于：1）具有优良的电性能和热特性。2）具有良好的密封性能。3）和QFP器件相比，CBGA不易受到机械损伤。4）适用于I/O数大于250的电子组装应用。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 方式更高的互联密度。在很多情况下，尤其是在高I/O数的应用下，ASICs的硅片尺寸受到金属丝压焊焊 盘尺寸的限制，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。目前CBGA技术的发展没有太大的困难，其主要的挑战在于
15、如何使CBGA在电子组装行业的各个领域中 得到广泛应用。首先必须要能保证CBGA封装在大批量生产工业环境中的可靠性，其次CBGA封装的费用必 须要能和其它BGA封装相比拟。由于CBGA封装的复杂性以及相对高的费用，使得CBGA被局限应用于高性 能、高I/O数要求的电子产品。此外，由于CBGA封装的重量要比其它类型BGA封装大，所以在便携式电子 产品中的应用也受到限制。1.3 CCGA（Ceramic Cloumn Grid Array 陶瓷柱栅阵列）CCGA也称SCC（Solder Column Carrier），是CBGA在陶瓷体尺寸大于32mmX32mm时的另一种形式（见 图4），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0.5mm，高度约为2.21mm，柱阵列间距典型的为1.27mm。 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44mmX44mm的CCGA均可以满足工业标准热循环试验规范。CCGA的优缺点和CBGA非常相似，唯一的 明显差异是CCGA的焊料柱比CBGA的焊球在组装过程中更容易受到机
