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1、第二章第二章 BGA ContentsBGA简介简介1BGA分类分类2BGA工艺流程工艺流程vBGA技术简介技术简介 BGABGA（Ball Grid ArrayBall Grid Array）封装，即）封装，即球栅阵球栅阵列（或焊球阵列）封装列（或焊球阵列）封装； 其其外引线为焊球或焊凸点外引线为焊球或焊凸点，它们成阵列分，它们成阵列分布于封装基板的底部平面上布于封装基板的底部平面上 在基板上面装配大规模集成电路（在基板上面装配大规模集成电路（LSILSI）芯片，是芯片，是LSILSI芯片的一种芯片的一种表面组装封装类型表面组装封装类型。vBGABGA技术特点技术特点成品率高成品率高, ,可
2、将窄间距可将窄间距QFPQFP焊点失效率降低两个数量级焊点失效率降低两个数量级芯片引脚间距大芯片引脚间距大贴装工艺和精度贴装工艺和精度显著增加了引出端子数与本体尺寸比显著增加了引出端子数与本体尺寸比互连密度高互连密度高BGABGA引脚短引脚短- -电性能好、牢固电性能好、牢固- -不易变形不易变形焊球有效改善了共面性，有助于改善散热性焊球有效改善了共面性，有助于改善散热性适合适合MCMMCM封装需要，实现高密度和高性能封装封装需要，实现高密度和高性能封装vBGABGA的分类的分类 根据焊料球的排列方式分为：根据焊料球的排列方式分为：周边型周边型交错型交错型全阵列型全阵列型 根据基板不同主要有：
3、根据基板不同主要有：PBGAPBGA（塑封（塑封BGABGA）CBGACBGA（陶瓷（陶瓷BGABGA）TBGATBGA（载带（载带BGABGA）此外，还有此外，还有CCGACCGA（陶瓷焊柱阵列）、（陶瓷焊柱阵列）、MBGAMBGA（金属（金属BGABGA）FCBGAFCBGA（细间距（细间距BGABGA或倒装或倒装BGABGA）和）和EBGAEBGA（带散热器（带散热器BGABGA）等。）等。塑料封装塑料封装BGA BGA （PBGAPBGA） 塑料封装塑料封装BGABGA采用采用塑料材料塑料材料和和塑封工艺塑封工艺制作，是最制作，是最常用的常用的BGABGA封装形式。封装形式。 PBGA
4、 PBGA采用的基板类型为采用的基板类型为PCBPCB基板材料（基板材料（BTBT树脂树脂/ /玻璃玻璃层压板），裸芯片经过粘结和层压板），裸芯片经过粘结和WBWB技术连接到基板顶部及技术连接到基板顶部及引脚框架后采用注塑成型（环氧模塑混合物）方法实现引脚框架后采用注塑成型（环氧模塑混合物）方法实现整体塑模。整体塑模。 焊球材料为低熔点共晶焊料合金焊球材料为低熔点共晶焊料合金63Sn37Pb63Sn37Pb，直径约，直径约1mm1mm，间距范围间距范围1.27-2.54mm1.27-2.54mm，焊球与封装体底部的连接不需要另外，焊球与封装体底部的连接不需要另外使用焊料。组装时焊球熔融，与使用
5、焊料。组装时焊球熔融，与PCBPCB表面焊盘接合在一起，呈表面焊盘接合在一起，呈现桶状。现桶状。PBGAPBGA特点特点 制作成本低，性价比高 焊球参与再流焊点形成，共面度要求宽松 与环氧树脂基板热匹配性好、装配至PCB时质量高、性能好 对潮气敏感，PoPCorn effect严重，可靠性存在隐患，且封装高度之QFP高也是一技术挑战。CBGACBGA 是将裸芯片安装在陶瓷多层基板载体顶部表面形是将裸芯片安装在陶瓷多层基板载体顶部表面形成的，金属盖板用密封焊料焊接在基板上，用以保成的，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，连接好的封装体经过气密性护芯片、引线及焊盘，连接好的封
6、装体经过气密性处理可提高其可靠性和物理保护性能。处理可提高其可靠性和物理保护性能。 CBGACBGA采用的是多层陶瓷布线基板，采用的是多层陶瓷布线基板，CBGACBGA焊球焊球材料高熔点材料高熔点90Pb10Sn90Pb10Sn共晶焊料，焊球和封装体共晶焊料，焊球和封装体的连接使用低温共晶焊料的连接使用低温共晶焊料63Sn37Pb63Sn37Pb，采用封盖，采用封盖+ +玻璃封接，属于气密封装范畴。玻璃封接，属于气密封装范畴。CBGACBGA技术特点技术特点 【对湿气不敏感，可靠性好、电、热性能优良对湿气不敏感，可靠性好、电、热性能优良】 【与陶瓷基板与陶瓷基板CTECTE匹配性好匹配性好】
7、【连接芯片和元件可返修性较好连接芯片和元件可返修性较好】 【裸芯片采用裸芯片采用FCBFCB技术，互连密度更高技术，互连密度更高】 【封装成本高封装成本高】 【与环氧树脂等基板与环氧树脂等基板CTECTE匹配性差匹配性差】CBGACBGA的焊接特性的焊接特性 CBGACBGA焊接过程不同于焊接过程不同于PBGAPBGA，采用的是高温合金焊球，采用的是高温合金焊球，在一般标准再流焊温度（在一般标准再流焊温度（220220）下，）下，CBGACBGA焊料球不熔化，焊料球不熔化，起到刚性支座作用。起到刚性支座作用。PCBPCB上需要印刷的焊膏量需多于上需要印刷的焊膏量需多于PBGAPBGA，形成的焊
8、点形状也不同于，形成的焊点形状也不同于PBGAPBGA。CCGACCGA技术技术 CCGA CCGA封装又称圆柱焊料载体封装又称圆柱焊料载体, ,是是CBGACBGA技术的扩展，技术的扩展，不同之处在于采用焊球柱代替焊球作为互连基材，是当不同之处在于采用焊球柱代替焊球作为互连基材，是当器件面积大于器件面积大于3232平方毫米时平方毫米时CBGACBGA的替代产品的替代产品. CCGA CCGA承受封装体和承受封装体和PCBPCB基板材料之间热失配应基板材料之间热失配应力的能力较好力的能力较好, ,因此其可靠性要优于因此其可靠性要优于CBGACBGA器件器件, ,特别特别是大器件尺寸应用领域，
9、此外清洗也较容易。是大器件尺寸应用领域，此外清洗也较容易。 CCGA CCGA焊料柱直径约焊料柱直径约0.508mm0.508mm，高度约，高度约1.8mm1.8mm，间，间距约距约1.27mm1.27mm，由于焊柱高度太大，目前应用的较少。，由于焊柱高度太大，目前应用的较少。CCGACCGA技术特点技术特点TBGATBGA技术技术 载带球栅阵列（TBGA）又称阵列载带自动键合，是一种相对较新颖的BGA封装形式，采用的基板类型为PI多层布线基板，焊料球材料为高熔点焊料合金，焊接时采用低熔点焊料合金。TBGATBGA技术特点技术特点n与环氧树脂PCB基板热匹配性好n最薄型BGA封装形式，有利于芯
10、片薄型化n成本较之CBGA低n对热和湿较为敏感n芯片轻、小，自校准偏差较之其他BGA类型大TBGA适用于高性能、多I/O引脚数场合。带散热器的带散热器的FCBGA-EBGAFCBGA-EBGA FCBGA通过FCB技术与基板实现互连，与PBGA区别在于裸芯片面朝下，发展最快的BGA类型芯片。v金属基板金属基板BGABGA（MBGAMBGA） 采用表面阳极氧化铝基板，单层或双层薄膜金采用表面阳极氧化铝基板，单层或双层薄膜金属实现封装内互连。属实现封装内互连。BGA封装工艺流程封装工艺流程v引线键合引线键合PBGA封装工艺流程封装工艺流程 PBGA基板的制备基板的制备在在BT树脂玻璃芯板的两面层压
11、极薄树脂玻璃芯板的两面层压极薄(1218m厚厚)的铜箔；的铜箔；进行钻通孔和通孔金属化（镀通孔），通孔一般位于基进行钻通孔和通孔金属化（镀通孔），通孔一般位于基板的四周；板的四周；用常规的用常规的PWB工艺（压膜、曝光、显影、蚀刻等）在工艺（压膜、曝光、显影、蚀刻等）在基板的两面制作图形（导带、电极以及安装焊球的焊区基板的两面制作图形（导带、电极以及安装焊球的焊区阵列）；阵列）；然后形成介质阻焊膜并制作图形，露出电极和焊区。然后形成介质阻焊膜并制作图形，露出电极和焊区。功能：功能：1.1.去除表面氧化物；去除表面氧化物；2.2.减小铜面厚度以利于减小铜面厚度以利于细线电路形成细线电路形成。銅箔
12、銅箔BT钻孔：钻孔：1.1.作为上下层导通的通路作为上下层导通的通路 2.2.定位孔定位孔、ToolingTooling孔孔在孔壁上镀铜，导通上下层通路在孔壁上镀铜，导通上下层通路前处理前处理压掩膜压掩膜水洗水洗蚀蚀刻刻水洗水洗酸洗酸洗剥剥膜膜水洗水洗曝光曝光显影显影黃光區上底片上底片线路形成：线路形成：Mylar压掩膜压掩膜、上底片、曝光、上底片、曝光显影显影CopperBT掩膜掩膜底片底片UVCopperBT掩膜掩膜蚀刻蚀刻剥膜剥膜CopperBTCopperBT掩膜掩膜前处理前处理网印网印Pre - cure网印网印Pre - cure曝光曝光UV显影显影Post - cureUV cu
13、re阻焊膜阻焊膜 (Solder Mask)油墨油墨+硬化剂硬化剂黄光室黄光室底底片片蚀刻蚀刻金金镍镍鍍鎳、金鍍鎳、金绿漆绿漆CopperBT功能：功能：1.1.保护铜层，防止铜层氧化保护铜层，防止铜层氧化。2.2.镍作为金和铜结合的介质，防止金与镍作为金和铜结合的介质，防止金与铜彼此扩散铜彼此扩散。3. 3. 利于打金线利于打金线。BGA封装工艺流程封装工艺流程封装工艺流程封装工艺流程 圆片减薄圆片减薄圆片切削圆片切削芯片粘结芯片粘结清洗清洗引线键合引线键合清洗清洗模塑封装模塑封装装配焊料球装配焊料球回流焊回流焊打标打标分离分离检查及测试检查及测试包装包装芯片粘结：采用充银环氧树脂粘结剂（导
14、电胶）将芯片粘结：采用充银环氧树脂粘结剂（导电胶）将IC芯片粘结在镀有芯片粘结在镀有Ni-Au薄层的基板上；薄层的基板上；引线键合：粘接固化后用金丝球焊机将引线键合：粘接固化后用金丝球焊机将IC芯片上的焊芯片上的焊区与基板上的镀区与基板上的镀Ni-Au的焊区以金线相连；的焊区以金线相连；模塑封装：用填有石英粉的环氧树脂模塑料进行模塑模塑封装：用填有石英粉的环氧树脂模塑料进行模塑包封，以保护芯片、焊接线和焊盘；包封，以保护芯片、焊接线和焊盘；装配焊料球装配焊料球/回流焊：固化之后，使用特殊设计的吸拾工回流焊：固化之后，使用特殊设计的吸拾工具（焊球自动拾放机）将浸有焊剂的熔点为具（焊球自动拾放机）
15、将浸有焊剂的熔点为183、直径、直径为为30mil（0.75mm）的焊料球的焊料球Sn62Pb36Ag2或或Sn63Pb37放置在焊盘上，在传统的回流焊炉内在放置在焊盘上，在传统的回流焊炉内在N2气氛下进行回气氛下进行回流焊接（最高加工温度不能够超过流焊接（最高加工温度不能够超过230），焊球与镀），焊球与镀Ni-Au的基板焊区焊接。的基板焊区焊接。 BGA封装工艺流程封装工艺流程 装配焊球有两种方法：装配焊球有两种方法：“球在上球在上”和和“球在下球在下” 球在上：在基板上丝网印制焊膏，将印有焊膏的基球在上：在基板上丝网印制焊膏，将印有焊膏的基板装在一个夹具上，用定位销将一个带筛孔的顶板与基
16、板装在一个夹具上，用定位销将一个带筛孔的顶板与基板对准，把球放在顶板上，筛孔的中心距与阵列焊点的板对准，把球放在顶板上，筛孔的中心距与阵列焊点的中心距相同，焊球通过孔对应落到基板焊区的焊膏上，中心距相同，焊球通过孔对应落到基板焊区的焊膏上，多余的球则落入一个容器中。取下顶板后将部件送去再多余的球则落入一个容器中。取下顶板后将部件送去再流，再流后进行清洗流，再流后进行清洗 “球在下球在下”：过程与：过程与“球在上球在上”相反，先将一个带相反，先将一个带有以所需中心距排列的孔（直径小于焊球）的特殊夹有以所需中心距排列的孔（直径小于焊球）的特殊夹具放在一个振动具放在一个振动/ /摇动装置上，放入焊球
17、，通过振动使摇动装置上，放入焊球，通过振动使球定位于各个孔，在焊球位置上印焊膏，再将基板对球定位于各个孔，在焊球位置上印焊膏，再将基板对准放在印好的焊膏上，送去再流，之后进行清洗。准放在印好的焊膏上，送去再流，之后进行清洗。 焊球的直径是焊球的直径是0.76mm(30mil)0.76mm(30mil)或或0.89mm(35mil)0.89mm(35mil)，PBGAPBGA焊球的成分为低熔点的焊球的成分为低熔点的63Sn37Pb(62Sn36Pb2Ag)63Sn37Pb(62Sn36Pb2Ag)。真空吸盘真空吸盘真空吸球真空吸球 滴助焊剂滴助焊剂放球放球 N2气中回流气中回流 助焊剂清洗、分离
18、、打标机助焊剂清洗、分离、打标机氮气再流焊炉氮气再流焊炉助焊剂滴涂和置球机助焊剂滴涂和置球机 BGABGA植球工艺流程植球工艺流程 v引线键合引线键合TBGA的封装工艺流程的封装工艺流程 TBGA载带载带 载带制作：载带制作：TBGA的载带是由聚酰亚胺的载带是由聚酰亚胺PI材料制成的。材料制成的。 在制作时，先在载带的两面进行覆铜，在制作时，先在载带的两面进行覆铜， 接着冲通孔和通孔金属化及制作出图形。接着冲通孔和通孔金属化及制作出图形。 然后镀镍和镀金然后镀镍和镀金 将带有金属化通孔和再分布图形的载带分割成单体。将带有金属化通孔和再分布图形的载带分割成单体。 封装热沉又是封装的加固体，也是管
19、壳的芯腔基底，因此在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。封装前先要使用压敏粘结剂将载带粘结在热沉上。 封装工艺流程封装工艺流程 圆片减薄圆片减薄圆片切割圆片切割芯片粘结芯片粘结清洗清洗引线键合引线键合等离子清洗等离子清洗液态密封剂灌封液态密封剂灌封装配焊料球装配焊料球回流焊回流焊打标打标分离分离最终检查最终检查测试测试包装包装装配焊料球：用微焊技术把焊球装配焊料球：用微焊技术把焊球（10Sn90Pb）焊接到载焊接到载带上，焊球的顶部熔进电镀通孔内。带上，焊球的顶部熔进电镀通孔内。芯片互连：面阵型芯片，用芯片互连：面阵型芯片，用C4
20、工艺；周边型金凸点芯片，工艺；周边型金凸点芯片，热压键合。热压键合。焊接后用环氧树脂将芯片包封。焊接后用环氧树脂将芯片包封。TBGATBGA是适于高是适于高I/OI/O数应用的一种封装形式，数应用的一种封装形式，I/OI/O数可为数可为200-1000200-1000，芯片的连接可以用倒装芯片焊料再流，也可，芯片的连接可以用倒装芯片焊料再流，也可以用热压键合。以用热压键合。TBGATBGA的安装使用标准的的安装使用标准的63Sn37Pb63Sn37Pb焊膏。焊膏。vFC-CBGAFC-CBGA的封装工艺流程的封装工艺流程 陶瓷基板陶瓷基板 FC-CBGAFC-CBGA的基板是多层陶瓷基板。基板
21、的布线密度高、的基板是多层陶瓷基板。基板的布线密度高、间距窄、通孔也多，基板的共面性要求较高。间距窄、通孔也多，基板的共面性要求较高。 主要过程是：将多层陶瓷片高温共烧成多层陶瓷金主要过程是：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，然后进行电属化基片，再在基片上制作多层金属布线，然后进行电镀等。镀等。 在在CBGACBGA的组装中，基板与芯片、的组装中，基板与芯片、PCBPCB板的板的CTECTE失配失配是是造成造成CBGACBGA产品失效的主要因素。要改善这一情况，除采产品失效的主要因素。要改善这一情况，除采用用CCGACCGA结构外，还可使用另外一种陶瓷基板结
22、构外，还可使用另外一种陶瓷基板-HITCE-HITCE陶瓷陶瓷基板。基板。HITCEHITCE-high thermal coefficient of expansionhigh thermal coefficient of expansion 封装工艺流程封装工艺流程 圆片凸点的制备圆片凸点的制备圆片切割圆片切割芯片倒装及回流焊芯片倒装及回流焊底部填充底部填充导热脂、密封焊料的分配导热脂、密封焊料的分配封盖封盖装配装配焊料球焊料球回流焊回流焊打标打标分离分离最终检查最终检查测试测试包装包装 倒装焊接倒装焊接 特点：倒装焊技术克服了引线键合焊盘中心距极限的问题；特点：倒装焊技术克服了引线键合焊
23、盘中心距极限的问题； 在芯片的电源地线分布设计上提供了更多的便利；在芯片的电源地线分布设计上提供了更多的便利； 为高频率、大功率器件提供更完善的信号。为高频率、大功率器件提供更完善的信号。 优点：焊点牢固、信号传输路径短、电源地分布、优点：焊点牢固、信号传输路径短、电源地分布、IO 密度高、封装体尺寸小、可靠性高等密度高、封装体尺寸小、可靠性高等缺点：由于凸点的制备是在前工序完成的，因而成本较高。缺点：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。在整个加工过程中，工倒装焊的凸点是在圆片上形成的。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
24、单点艺处理的是以圆片、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。操作，因而处理效率较高。u基板技术基板技术 基板选择的关键因素在于材料的热膨胀系数（基板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。介电常数、介质损耗、电阻率和导热率等。 基板与芯片（一级互连）之间或基板与基板与芯片（一级互连）之间或基板与PCB板（二级板（二级互连）之间的互连）之间的CTE失配是造成产品失效的主要原因。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。失配产生的剪切应力将引起焊接点失效。 封装体的信号的完整性与基片的绝缘电阻、介电常数
25、、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，特别是在频率关系极大，特别是在频率1GHz时。时。有机物基板是以高密度多层布线和微通孔基板技术为基础制造的。有机物基板是以高密度多层布线和微通孔基板技术为基础制造的。 特点：低的互连电阻和低的介电常数。特点：低的互连电阻和低的介电常数。 局限性：局限性：在芯片与基板之间高的在芯片与基板之间高的CTE差会产生大的热失配；差会产生大的热失配； 可靠性较差，其主要原因是水汽的吸附。可靠性较差，其主要原因是水汽的吸附。 现有的现有的CBGA、C
26、CGA封装采用的基板为氧化铝陶瓷基板。封装采用的基板为氧化铝陶瓷基板。 局限性：局限性：热膨胀系数与热膨胀系数与PCB板的热膨胀系数相差较大，而热失配容板的热膨胀系数相差较大，而热失配容易引起焊点疲劳。易引起焊点疲劳。 它的高介电常数、电阻率也不适用于高速、高频器件。它的高介电常数、电阻率也不适用于高速、高频器件。HITCE陶瓷基板陶瓷基板 特点：特点：CTE 是是12.2ppm； 低的介电常数低的介电常数5.4； 低阻的铜互连系统。低阻的铜互连系统。 综合了氧化铝陶瓷基板和有机物基板的最佳特性，其封装产品的可靠综合了氧化铝陶瓷基板和有机物基板的最佳特性，其封装产品的可靠性和电性能得以提高。性
27、和电性能得以提高。u凸点技术凸点技术 常用的凸点材料为常用的凸点材料为金凸点金凸点，95Pb5Sn、90Pb10Sn焊焊料球（回流焊温度约料球（回流焊温度约350），有的也采用），有的也采用63Pb37Sn焊焊料球（回流焊温度约料球（回流焊温度约220）。）。 焊料凸点技术的关键在于当节距缩小时，必须保持焊料凸点技术的关键在于当节距缩小时，必须保持凸点尺寸的稳定性。焊料凸点尺寸的一致性及其共面性凸点尺寸的稳定性。焊料凸点尺寸的一致性及其共面性对倒装焊的合格率有极大的影响。对倒装焊的合格率有极大的影响。 CBGACBGA的基板是多层陶瓷布线基板的基板是多层陶瓷布线基板,PBGA,PBGA的基板
28、是的基板是BTBT多层布多层布线基板，线基板，TBGATBGA基板则是加强环的聚酰亚胺基板则是加强环的聚酰亚胺(PI)(PI)多层多层CuCu布线基板。布线基板。 CBGACBGA基板下面的焊球为基板下面的焊球为90%Pb-10Sn%90%Pb-10Sn%或或95%Pb-5%Sn95%Pb-5%Sn的高温的高温焊球，而与基板和焊球，而与基板和PWBPWB焊接的焊料则为焊接的焊料则为37%Pb-63%Sn37%Pb-63%Sn的共晶低温的共晶低温焊球。焊球。 CBGACBGA的封盖为陶瓷，使之成为气密性封装，而的封盖为陶瓷，使之成为气密性封装，而PBGAPBGA和和TBGATBGA则为塑料封装，
29、是非气密性封装。则为塑料封装，是非气密性封装。CBGACBGA封装与封装与PBGAPBGA和和TBGATBGA相比，主要区别在于：相比，主要区别在于：vBGA 封装中封装中IC 芯片与基片连接方式的比较芯片与基片连接方式的比较 BGA 封装结构中芯片与基板的互连方式主要有两种：封装结构中芯片与基板的互连方式主要有两种： 引线键合引线键合和和倒装焊倒装焊。目前目前BGA的的IO数主要集中在数主要集中在1001000。 采用引线键合的采用引线键合的BGA的的IO数常为数常为50540； 采用倒装焊方式的采用倒装焊方式的IO 数常数常540。目前目前PBGA的互连常用引线键合方式；的互连常用引线键合方式； CBGA 常用倒装焊方式；常用倒装焊方式； TBGA 两种互连方式都有使用。两种互连方式都有使用。 目前，当目前，当IO数数600 时，引线键合的成本低于倒装焊。但时，引线键合的成本低于倒装焊。但是，倒装焊方式更适宜大是，倒装焊方式更适宜大 批量生产，如果圆片的成品率得批量生产，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。更能缩小封装体的体积。
