第二章 BGA 封装技术 ContentsBGA简介1BGA分类2BGA工艺流程3 •BGA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 •BGABGA技术特点技术特点•成品率高成品率高, ,可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 •BGABGA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：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 ü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 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63Sn37Pb，直径约1mm，间距范围，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PCB表面焊盘接合在一起，呈现桶状 PBGA特点Ø 制作成本低，性价比高Ø 焊球参与再流焊点形成，共面度要求宽松Ø 与环氧树脂基板热匹配性好、装配至PCB时质量高、性能好Ø 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 üCBGACBGA 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保护芯片、引线及焊盘，连接好的封装体经过气密性处理可提高其可靠性和物理保护性能。
密性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 CBGA技术特点 【对湿气不敏感，可靠性好、电、热性能优良】 【与陶瓷基板CTE匹配性好】 【连接芯片和元件可返修性较好】 【裸芯片采用FCB技术，互连密度更高】 【封装成本高】 【与环氧树脂等基板CTE匹配性差】 CBGA的焊接特性 CBGA焊接过程不同于PBGA，采用的是高温合金焊球，在一般标准再流焊温度（220℃）下，CBGA焊料球不熔化，起到刚性支座作用PCB上需要印刷的焊膏量需多于PBGA，形成的焊点形状也不同于PBGA CCGA技术 CCGA封装又称圆柱焊料载体,是CBGA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，是当器件面积大于32平方毫米时CBGA的替代产品. CCGA承受封装体和PCB基板材料之间热失配应力的能力较好,因此其可靠性要优于CBGA器件,特别是大器件尺寸应用领域，此外清洗也较容易。
CCGA焊料柱直径约0.508mm，高度约1.8mm，间距约1.27mm，由于焊柱高度太大，目前应用的较少CCGA技术特点 TBGA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 TBGA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FCBGA-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 •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 ØBGA封装工艺流程封装工艺流程•引线键合引线键合PBGA封装工艺流程封装工艺流程①① 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极薄树脂／玻璃芯板的两面层压极薄(12~18μm厚厚)的的铜箔；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：1.去除表面氧化物；2.减小铜面厚度以利于细线电路形成銅箔BT钻孔：1.作为上下层导通的通路 2.定位孔、Tooling孔在孔壁上镀铜，导通上下层通路 前处理压掩膜水洗蚀刻水洗酸洗剥膜水洗曝光显影黃光區上底片线路形成： Mylar压掩膜、上底片、曝光显影CopperBT掩膜底片UVCopperBT掩膜 蚀刻剥膜CopperBTCopperBT掩膜 前处理网印Pre - cure网印Pre - cure曝光UV显影Post - cureUV cure阻焊膜 (Solder Mask)油墨+硬化剂黄光室底片蚀刻 金镍鍍鎳、金绿漆CopperBT功能：1.保护铜层，防止铜层氧化2.镍作为金和铜结合的介质，防止金与铜彼此扩散3. 利于打金线 ØBGA封装工艺流程封装工艺流程②②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）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 ØBGA封装工艺流程封装工艺流程 装配焊球有两种方法：“球在上”和“球在下” 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，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 “球在下球在下”：过程与：过程与“球在上球在上”相反，先将一个带有相反，先将一个带有以所需中心距排列的孔（直径小于焊球）的特殊夹具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放在一个振动/ /摇动装置上，放入焊球，通过振动使球摇动装置上，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，再将基板对准定位于各个孔，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)。
真空吸盘真空吸球 滴助焊剂放 球 N2气中回流 助焊剂清洗、分离、打标机氮气再流焊炉助焊剂滴涂和置球机 BGA植球工艺流程 •引线键合引线键合TBGA的封装工艺流程的封装工艺流程 ①① 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 ②② 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 •FC-CBGAFC-CBGA的封装工艺流程的封装工艺流程 ① ① 陶瓷基板陶瓷基板 FC-CBGAFC-CBGA的基板是多层陶瓷基板基板的布线密度高、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构外，还可使用另外一种陶瓷基板--HITCE--HITCE陶瓷陶瓷基板HITCEHITCE-high thermal coefficient of expansionhigh thermal coefficient of expansion ②②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→底底部填充部填充→导热脂、密封焊料的分配导热脂、密封焊料的分配→封盖封盖→装配焊装配焊料球料球→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→包包装装 •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、I／／O 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，工艺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，它不是单点操处理的是以圆片、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（二级互板（二级互连）之间的连）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失失配产生的剪切应力将引起焊接点失效。
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、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 •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：①①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； ②②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、、CCGA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：①①热膨胀系数与热膨胀系数与PCB板的热膨胀系数相差较大，而热失配容易板的热膨胀系数相差较大，而热失配容易引起焊点疲劳引起焊点疲劳 ②②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，其封装产品的可靠性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 ①CBGA的基板是多层陶瓷布线基板,PBGA的基板是BT多层布线基板，TBGA基板则是加强环的聚酰亚胺(PI)多层Cu布线基板。
②CBGA基板下面的焊球为90%Pb-10Sn%或95%Pb-5%Sn的高温焊球，而与基板和PWB焊接的焊料则为37%Pb-63%Sn的共晶低温焊球 ③CBGA的封盖为陶瓷，使之成为气密性封装，而PBGA和TBGA则为塑料封装，是非气密性封装CBGA封装与PBGA和TBGA相比，主要区别在于： •BGA 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I／／O数主要集中在数主要集中在100~1000 采用引线键合的采用引线键合的BGA的的I／／O数常为数常为50~540；； 采用倒装焊方式的采用倒装焊方式的I／／O 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I／／O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。