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1、淮 阴 工 学 院2012-2013学年第二学期期末考核学 院：电子与电气工程学院课程名称：电子封装与组装技术课程编号：1215450专业层次：电子科学与技术（本科）学时学分：32（2）考核方式：考查任课教师：居勇峰布置时间：2013-05-17论文题目： 简介BGA技术 姓名： 葛迎杰 学号： 1101207106 成绩： 简介BGA技术摘要：电子产品及设备的发展趋势可以归纳为多功能化、高速化、大容量化、高密度化、轻量化、小型化，为了达到这些需求，集成电路工艺技术进步的推动下，在封装领域中出现了许多先进封装技术与形式，表现在封装外形的变化是元器件多脚化、薄型化、引脚细微化、引脚形状多样化等。
2、本论文主介绍最近几年里研发的新型封装技术BGA及在生产领域的应用。【1】 关键词：多脚化、薄型化、引脚细微化、引脚形状多样化1.BGA的概念及特点BGA(Bdll Grid 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（QFP、PLCC等）相比，BGA封装器件具有如下特点：（1）I/O数较多。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。（2）提高了贴装成品率，潜在地降低了成本。（3）B
3、GA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比细节距的脚形封装的IC牢固可靠。2. BGA的类型BGA的四种主要形式为：塑料球栅阵列（PBGA）、陶瓷球栅阵列（CBGA）、陶瓷圆柱栅格阵列（CCGA）和载带球栅阵列（TBGA），下面分别做以介绍。2.1、塑料球栅阵列（PBGA）PBGA封装，它采用BT树脂/玻璃层压板作为基板，以塑料（环氧模
4、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）。【2】 图1 塑料球栅阵列（PBGA）载体示意图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
5、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。2.2、陶瓷球栅阵列（CBGA）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15mm、127mm、10mm。CBGA封装的优点如下：(1)气密性好，抗湿气性
6、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。2.3、陶瓷圆柱栅格阵列（CCGA）CCGA是CBGA的改进型。二者的区别在于：CCGA采用直径为05mm、高度为125mm22mm的焊料柱替代CBGA中的087mm
7、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】2.4、载带球栅阵列（TBGA）载带球栅（TBGA），也称为阵列载带自动键合（ATAB），是一种相对新颖的BGA封装形式。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。 图2 载带球栅阵列(TBGA）载体示意图TBGA的优点如下：（1）比绝大多数的BGA封装（特别是具有大量I/O数量的）要轻和小。（2）比QFP器件和绝大多数其他BGA封装的电性能要好。（3）装配到PCB上具有非常高的封装效率。TBGA的缺点如下：（1）对湿气敏感。（2）不同
8、材料的多级组合对可靠性产生不利的影响。3. BGA的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175230）、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】3.1、引线键合PBGA的封装工艺流程3.1.1、 PBGA基板的制备在BT树脂/玻璃芯板的两面层压极薄（1218m厚）的铜箔，然后进行钻孔和通孔金属化。用常规的PCB加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
9、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。3.1.2、封装工艺流程见图43.2、FC-CBGA的封装工艺流程3.2.1、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。3.2.2、封装工艺流程圆片凸点的制备
10、圆片切割芯片倒装及回流焊回流焊打标+分离最终检查测试和包装入库3.3、引线键合TBGA的封装工艺流程3.3.1、TBGA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。3.3.2、封装工艺流程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4、引线键合与倒装焊的比较图5 引线键合图与倒装焊图的差异BGA封装结构中芯片与基板的互连方式
11、主要有两种：引线键合和倒装焊。目前BGA的I/O数主要集中在1001000，采用引线键合的BGA的I/O数常为50540，而采用倒装焊方式的I/O数常540。PBGA的互连常用引线键合方式，CBGA常用倒装焊方式，TBGA两种互连方式都有使用。当I/O数600时，引线键合的成本低于倒装焊。但是，倒装焊方式更适宜大批量生产，而如果圆片的成品率得到提高，那么就有利于降低每个器件的成本。并且倒装焊更能缩小封装体的体积。【5】4.1、引线键合方式引线键合方式历史悠久，具有雄厚的技术基础，它的加工灵活性、材料/基片成本占有主要的优势。其缺点是设备的焊接精度已经达到极限。引线键合是单元化操作。每一根键合线
12、都是单独完成的。键合过程是先将安装在基片或热沉上的IC传送到键合机上，机器的图像识别系统识别出芯片，计算和校正每一个键合点的位置，然后根据键合图用金线来键合芯片和基片上的焊盘，以实现芯片与基片的互连。采用引线键合技术必须满足以下条件：精密距焊接技术：在100500的高I/O数的引线键合中，IC芯片的焊盘节距非常小，其中心距通常约为7090m，有的更小。低弧度、长弧线技术：在BGA的键合中，受控弧线长度通常为38mm，其最大变化量约为25mm。弧线高度约为100200m，弧线高度的变化量25 Llm，这就要求键合引线必须具有高的线性度和良好的弧形。键合强度：由于芯片和基片上的焊盘面积都比较小，所
13、以精密距焊接时使用的劈刀是瓶颈型劈刀，头部直径也较小，而小直径的劈刀头部和窄引线脚将导致基片上焊点的横截面积较小，从而会影响键合强度。低温处理：塑封BGA的基片材料通常是由具有低玻璃化温度（Tg约为175）、高的热膨胀系数（CTE约为13ppm/）的聚合物树脂制成的，因此在封装过程中的芯片装片固化、焊线、模塑等都必须在较低的温度下进行。而当在低温下进行键合时，对键合强度和可靠性会产生不良影响。要解决这一问题就必须要求键合机的超声波发生器具有较高（100kHz以上）的超声频率。4.2、倒装焊方式倒装焊技术的应用急剧增长，它与引线键合技术相比，有3个特点：倒装焊技术克服了引线键合焊盘中心距极限的问
14、题。在芯片的电源/地线分布设计上给电子设计师提供了更多的便利。为高频率、大功率器件提供更完善的信号。倒装焊具有焊点牢固、信号传输路径短、电源/地分布、I/O密度高、封装体尺寸小、可靠性高等优点，其缺点是由于凸点的制备是在前工序完成的，因而成本较高。倒装焊的凸点是在圆片上形成的，制成后再进行圆片切割，合格的芯片被吸附、浸入助焊剂中，然后放置在基片上（在芯片的移植和处理过程中，助焊剂必须有足够的粘度来粘住芯片），接着将焊料球回流以实现芯片与基片的互连。在整个加工过程中，工艺处理的是以圆片、芯片和基片方式进行的，它不是单点操作，因而处理效率较高。【6】采用倒装焊方式需要考虑的几个相关问题。基板技术：
15、对倒装焊而言，现在有许多基板可供选择，选择的关键因素在于材料的热膨胀系数（CTE)、介电常数、介质损耗、电阻率和导热率等。在基板与芯片（一级互连）之间或基板与PCB板（二级互连）之间的TCE失配是造成产品失效的主要原因。CTE失配产生的剪切应力将引起焊接点失效。通常封装体的信号的完整性与基片的绝缘电阻、介电常数、介质损耗有直接的关系。介电常数、介质损耗与工作频率关系极大，特别是在频率1GHz时。当选择基板时应考虑上述因素。 凸点技术：也许倒装焊技术得以流行是由于现在有各种各样的凸点技术服务。现在常用的凸点材料为金凸点，95Pb5Sn、90Pbl0Sn焊料球（回流焊温度约350），有的也采用63Pb37Sn焊料球（回流焊温度约220焊料凸点技术的关键在于当节距缩小时，必须保持凸点尺
