BGA封裝技術介紹

1、第二章 bga,contents,bga技術簡介 bga（ball grid array）封裝，即球柵陣列（或焊球陣列）封裝； 其外引線為焊球或焊凸點，它們成陣列分布于封裝基板的底部平面上 在基板上面裝配大規(guī)模集成電路（lsi）芯片，是lsi芯片的一種表面組裝封裝類型,bga技術特點 成品率高,可將窄間距qfp焊點失效率降低兩個數(shù)量級 芯片引腳間距大貼裝工藝和精度 顯著增加了引出端子數(shù)與本體尺寸比互連密度高 bga引腳短-電性能好、牢固-不易變形 焊球有效改善了共面性，有助于改善散熱性 適合mcm封裝需要，實現(xiàn)高密度和高性能封裝,bga的分類 根據(jù)焊料球的排列方式分為： 周邊型 交錯型 全陣列

2、型,根據(jù)基板不同主要有： pbga（塑封bga） cbga（陶瓷bga） tbga（載帶bga） 此外，還有ccga（陶瓷焊柱陣列）、mbga（金屬bga） fcbga（細間距bga或倒裝bga）和ebga（帶散熱器bga）等,塑料封裝bga （pbga） 塑料封裝bga采用塑料材料和塑封工藝制作，是最常用的bga封裝形式。 pbga采用的基板類型為pcb基板材料（bt樹脂/玻璃層壓板），裸芯片經(jīng)過粘結(jié)和wb技術連接到基板頂部及引腳框架后采用注塑成型（環(huán)氧模塑混合物）方法實現(xiàn)整體塑模,焊球材料為低熔點共晶焊料合金63sn37pb，直徑約1mm，間距范圍1.27-2.54mm，焊球與封裝體底部的

3、連接不需要另外使用焊料。組裝時焊球熔融，與pcb表面焊盤接合在一起，呈現(xiàn)桶狀,pbga特點,制作成本低，性價比高 焊球參與再流焊點形成，共面度要求寬松 與環(huán)氧樹脂基板熱匹配性好、裝配至pcb時質(zhì)量高、性能好 對潮氣敏感，popcorn effect嚴重，可靠性存在隱患，且封裝高度之qfp高也是一技術挑戰(zhàn),cbga 是將裸芯片安裝在陶瓷多層基板載體頂部表面形成的，金屬蓋板用密封焊料焊接在基板上，用以保護芯片、引線及焊盤，連接好的封裝體經(jīng)過氣密性處理可提高其可靠性和物理保護性能,cbga采用的是多層陶瓷布線基板，cbga焊球材料高熔點90pb10sn共晶焊料，焊球和封裝體的連接使用低溫共晶焊料63

4、sn37pb，采用封蓋+玻璃封接，屬于氣密封裝范疇,cbga技術特點,對濕氣不敏感，可靠性好、電、熱性能優(yōu)良】 【與陶瓷基板cte匹配性好】 【連接芯片和元件可返修性較好】 【裸芯片采用fcb技術，互連密度更高】 【封裝成本高】 【與環(huán)氧樹脂等基板cte匹配性差,cbga的焊接特性,cbga焊接過程不同于pbga，采用的是高溫合金焊球，在一般標準再流焊溫度（220）下，cbga焊料球不熔化，起到剛性支座作用。pcb上需要印刷的焊膏量需多于pbga，形成的焊點形狀也不同于pbga,ccga技術,ccga封裝又稱圓柱焊料載體,是cbga技術的擴展，不同之處在于采用焊球柱代替焊球作為互連基材，是當器

5、件面積大于32平方毫米時cbga的替代產(chǎn)品,ccga承受封裝體和pcb基板材料之間熱失配應力的能力較好,因此其可靠性要優(yōu)于cbga器件,特別是大器件尺寸應用領域，此外清洗也較容易。 ccga焊料柱直徑約0.508mm，高度約1.8mm，間距約1.27mm，由于焊柱高度太大，目前應用的較少,ccga技術特點,tbga技術,載帶球柵陣列（tbga）又稱陣列載帶自動鍵合，是一種相對較新穎的bga封裝形式，采用的基板類型為pi多層布線基板，焊料球材料為高熔點焊料合金，焊接時采用低熔點焊料合金,tbga技術特點,與環(huán)氧樹脂pcb基板熱匹配性好 最薄型bga封裝形式，有利于芯片薄型化 成本較之cbga低

6、對熱和濕較為敏感 芯片輕、小，自校準偏差較之其他bga類型大,tbga適用于高性能、多i/o引腳數(shù)場合,帶散熱器的fcbga-ebga,fcbga通過fcb技術與基板實現(xiàn)互連，與pbga區(qū)別在于裸芯片面朝下，發(fā)展最快的bga類型芯片,金屬基板bga（mbga） 采用表面陽極氧化鋁基板，單層或雙層薄膜金屬實現(xiàn)封裝內(nèi)互連,bga封裝工藝流程,引線鍵合pbga封裝工藝流程 pbga基板的制備 在bt樹脂玻璃芯板的兩面層壓極薄(1218m厚)的銅箔； 進行鉆通孔和通孔金屬化（鍍通孔），通孔一般位于基板的四周； 用常規(guī)的pwb工藝（壓膜、曝光、顯影、蝕刻等）在基板的兩面制作圖形（導帶、電極以及安裝焊球的

7、焊區(qū)陣列）； 然后形成介質(zhì)阻焊膜并制作圖形，露出電極和焊區(qū),在孔壁上鍍銅，導通上下層通路,線路形成,mylar,前處理,網(wǎng)印,pre - cure,網(wǎng)印,pre - cure,曝光,uv,顯影,post - cure,uv cure,阻焊膜 (solder mask,油墨+硬化劑,黃光室,底片,蝕刻,bga封裝工藝流程,封裝工藝流程 圓片減薄圓片切削芯片粘結(jié)清洗引線鍵合清洗模塑封裝裝配焊料球回流焊打標分離檢查及測試包裝 芯片粘結(jié)：采用充銀環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑（導電膠）將ic芯片粘結(jié)在鍍有ni-au薄層的基板上； 引線鍵合：粘接固化后用金絲球焊機將ic芯片上的焊區(qū)與基板上的鍍ni-au的焊區(qū)以金線相連

8、； 模塑封裝：用填有石英粉的環(huán)氧樹脂模塑料進行模塑包封，以保護芯片、焊接線和焊盤,裝配焊料球/回流焊：固化之后，使用特殊設計的吸拾工具（焊球自動拾放機）將浸有焊劑的熔點為183、直徑為30mil（0.75mm）的焊料球sn62pb36ag2或sn63pb37放置在焊盤上，在傳統(tǒng)的回流焊爐內(nèi)在n2氣氛下進行回流焊接（最高加工溫度不能夠超過230），焊球與鍍ni-au的基板焊區(qū)焊接,bga封裝工藝流程,裝配焊球有兩種方法：“球在上”和“球在下” 球在上：在基板上絲網(wǎng)印制焊膏，將印有焊膏的基板裝在一個夾具上，用定位銷將一個帶篩孔的頂板與基板對準，把球放在頂板上，篩孔的中心距與陣列焊點的中心距相同，焊

9、球通過孔對應落到基板焊區(qū)的焊膏上，多余的球則落入一個容器中。取下頂板后將部件送去再流，再流后進行清洗,球在下”：過程與“球在上”相反，先將一個帶有以所需中心距排列的孔（直徑小于焊球）的特殊夾具放在一個振動/搖動裝置上，放入焊球，通過振動使球定位于各個孔，在焊球位置上印焊膏，再將基板對準放在印好的焊膏上，送去再流，之后進行清洗。 焊球的直徑是0.76mm(30mil)或0.89mm(35mil)，pbga焊球的成分為低熔點的63sn37pb(62sn36pb2ag,引線鍵合tbga的封裝工藝流程 tbga載帶 載帶制作：tbga的載帶是由聚酰亞胺pi材料制成的。 在制作時，先在載帶的兩面進行覆銅

10、， 接著沖通孔和通孔金屬化及制作出圖形。 然后鍍鎳和鍍金 將帶有金屬化通孔和再分布圖形的載帶分割成單體。 封裝熱沉又是封裝的加固體，也是管殼的芯腔基底，因此在 封裝前先要使用壓敏粘結(jié)劑將載帶粘結(jié)在熱沉上,封裝工藝流程 圓片減薄圓片切割芯片粘結(jié)清洗引線鍵合等離子清洗液態(tài)密封劑灌封裝配焊料球回流焊打標分離最終檢查測試包裝 裝配焊料球：用微焊技術把焊球（10sn90pb）焊接到載帶上，焊球的頂部熔進電鍍通孔內(nèi)。 芯片互連：面陣型芯片，用c4工藝；周邊型金凸點芯片，熱壓鍵合。 焊接后用環(huán)氧樹脂將芯片包封,tbga是適于高i/o數(shù)應用的一種封裝形式，i/o數(shù)可為200-1000，芯片的連接可以用倒裝芯片

11、焊料再流，也可以用熱壓鍵合。 tbga的安裝使用標準的63sn37pb焊膏,fc-cbga的封裝工藝流程 陶瓷基板 fc-cbga的基板是多層陶瓷基板。基板的布線密度高、間距窄、通孔也多，基板的共面性要求較高。 主要過程是：將多層陶瓷片高溫共燒成多層陶瓷金屬化基片，再在基片上制作多層金屬布線，然后進行電鍍等。 在cbga的組裝中，基板與芯片、pcb板的cte失配是造成cbga產(chǎn)品失效的主要因素。要改善這一情況，除采用ccga結(jié)構(gòu)外，還可使用另外一種陶瓷基板-hitce陶瓷基板。hitce-high thermal coefficient of expansion,封裝工藝流程 圓片凸點的制備圓

12、片切割芯片倒裝及回流焊底部填充導熱脂、密封焊料的分配封蓋裝配焊料球回流焊打標分離最終檢查測試包裝,倒裝焊接 特點：倒裝焊技術克服了引線鍵合焊盤中心距極限的問題； 在芯片的電源地線分布設計上提供了更多的便利； 為高頻率、大功率器件提供更完善的信號。 優(yōu)點：焊點牢固、信號傳輸路徑短、電源地分布、io 密度高、封裝體尺寸小、可靠性高等 缺點：由于凸點的制備是在前工序完成的，因而成本較高。 倒裝焊的凸點是在圓片上形成的。在整個加工過程中，工藝處理的是以圓片、芯片和基片方式進行的，它不是單點操作，因而處理效率較高,基板技術 基板選擇的關鍵因素在于材料的熱膨脹系數(shù)（cte）、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、電阻率和導

13、熱率等。 基板與芯片（一級互連）之間或基板與pcb板（二級互連）之間的cte失配是造成產(chǎn)品失效的主要原因。cte失配產(chǎn)生的剪切應力將引起焊接點失效。 封裝體的信號的完整性與基片的絕緣電阻、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗有直接的關系。介電常數(shù)、介質(zhì)損耗與工作頻率關系極大，特別是在頻率1ghz時,有機物基板是以高密度多層布線和微通孔基板技術為基礎制造的。 特點：低的互連電阻和低的介電常數(shù)。 局限性：在芯片與基板之間高的cte差會產(chǎn)生大的熱失配； 可靠性較差，其主要原因是水汽的吸附。 現(xiàn)有的cbga、ccga封裝采用的基板為氧化鋁陶瓷基板。 局限性：熱膨脹系數(shù)與pcb板的熱膨脹系數(shù)相差較大，而熱失配容易引起焊點

14、疲勞。 它的高介電常數(shù)、電阻率也不適用于高速、高頻器件。 hitce陶瓷基板 特點：cte 是12.2ppm； 低的介電常數(shù)5.4； 低阻的銅互連系統(tǒng)。 綜合了氧化鋁陶瓷基板和有機物基板的最佳特性，其封裝產(chǎn)品的可靠性和電性能得以提高,凸點技術 常用的凸點材料為金凸點，95pb5sn、90pb10sn焊料球（回流焊溫度約350），有的也采用63pb37sn焊料球（回流焊溫度約220）。 焊料凸點技術的關鍵在于當節(jié)距縮小時，必須保持凸點尺寸的穩(wěn)定性。焊料凸點尺寸的一致性及其共面性對倒裝焊的合格率有極大的影響,cbga的基板是多層陶瓷布線基板,pbga的基板是bt多層布線基板，tbga基板則是加強環(huán)的聚酰亞胺(pi)多層cu布線基板,cbga基板下面的焊球為90%pb-10sn%或95%pb-5%sn的高溫焊球，而與基板和pwb焊接的焊料則為37%pb-63%sn的共晶低溫焊球,cbga的封蓋為陶瓷，使之成為氣密性封裝，而pbga和tbga則為塑料封裝，是非氣密性封裝,cbga封裝與pbga和tbga相比，主要區(qū)別在于,bga 封裝中ic 芯片與基片連接方式的比較 bga 封裝結(jié)