BGA封装技术

skeyy Post at 2007/6/22 22:19:00
摘要:本文简述了BGA封装产品的特点、结构以及一些BGA产品的封装工艺流程,对BGA封装中芯片和基板两种互连方法--引线键合/倒装焊键合进行了比较以及对几种常规BGA封装的成本/性能的比较,并介绍了BGA产品的可靠性。另外,还对开发我国BGA封装技术提出了建议。
关键词:BGA;结构;基板;引线键合;倒装焊键合

中图分类号:TN305.94 文献标识码

1引言

在当今信息时代,随着电子工业的迅猛发展,计算机、移动电话等产品日益普及。人们对电子产品的功能要求越来越多、对性能要求越来越强,而体积要求却越来越小、重量要求越来越轻。这就促使电子产品向多功能、高性能和小型化、轻型化方向发展。为实现这一目标,IC芯片的特征尺寸就要越来越小,复杂程度不断增加,于是,电路的I/O数就会越来越多,封装的I/O密度就会不断增加。为了适应这一发展要求,一些先进的高密度封装技术就应运而生,BGA封装技术就是其中之一。集成电路的封装发展趋势如图1所示。从图中可以看出,目前BGA封装技术在小、轻、高性能封装中占据主要地位。

BGA封装出现于90年代初期,现已发展成为一项成熟的高密度封装技术。在半导体IC的所有封装类型中,1996-2001年这5年期间,BGA封装的增长速度最快。在1999年,BGA的产量约为10亿只,在2004年预计可达36亿只。但是,到目前为止该技术仅限于高密度、高性能器件的封装,而且该技术仍朝着细节距、高I/O端数方向发展。BGA封装技术主要适用于PC芯片组、微处理器/控制器、ASIC、门阵、存储器、DSP、PDA、PLD等器件的封装。



2 BGA封装的特点

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(LeadedDe~ce如QFP、PLCC等)相比,BGA封装器件具有如下特点。

1)I/O数较多。BGA封装器件的I/O数主要由封装体的尺寸和焊球节距决定。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。通常,在引线数相同的情况下,封装体尺寸可减小30%以上。例如:CBGA-49、BGA-320(节距1.27mm)分别与PLCC-44(节距为1.27mm)和MOFP-304(节距为0.8mm)相比,封装体尺寸分别缩小了84%和47%,如图2所示。




2)提高了贴装成品率,潜在地降低了成本。传统的QFP、PLCC器件的引线脚均匀地分布在封装体的四周,其引线脚的节距为1.27mm、1.0mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm。当I/O数越来越多时,其节距就必须越来越小。而当节距<0.4mm时,SMT设备的精度就难以满足要求。加之引线脚极易变形,从而导致贴装失效率增加。其BGA器件的焊料球是以阵列形式分布在基板的底部的,可排布较多的I/O数,其标准的焊球节距为1.5mm、1.27mm、1.0mm,细节距BGA(印BGA,也称为CSP-BGA,当焊料球的节距<1.0mm时,可将其归为CSP封装)的节距为0.8mm、0.65mm、0.5mm,与现有的SMT工艺设备兼容,其贴装失效率<10ppm。

3)BGA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和~BGA都比细节距的脚形封装的IC牢固可靠。

3 BGA封装的类型、结构

BGA的封装类型多种多样,其外形结构为方形或矩形。根据其焊料球的排布方式可分为周边型、交错型和全阵列型BGA,如图3所示:根据其基板的不同,主要分为三类:PBGA(PlasticballZddarray塑料焊球阵列)、CBGA(ceramicballSddarray陶瓷焊球阵列)、TBGA (tape ball grid array载带型焊球阵列)。



3.1 PBGA(塑料焊球阵列)封装

PBGA封装,它采用BT树脂/玻璃层压板作为基板,以塑料(环氧模塑混合物)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。PBGA封装的结构示意图如图4。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),其结构示意图如图5。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。

3.2 CBGA(陶瓷焊球阵列)封装

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。其结构示意图如图6,封装体尺寸为10-35mm,标准的焊球节距为1.5mm、1.27mm、1.0mm。




CBGA(陶瓷焊球阵列)封装的优点如下:

1)气密性好,抗湿气性能高,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。

3.3 CCGA(ceramiccolumnSddarray)陶瓷柱栅阵列

CCGA是CBGA的改进型。如图7所示。二者的区别在于:CCGA采用直径为0.5mm、高度为1.25mm~2.2mm的焊料柱替代CBGA中的0.87mm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。



3.4 TBGA(载带型焊球阵列)

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。倒装焊键合结构示意图如图8(a);芯片倒装键合在多层布线柔性载带上;用作电路I/O端的周边阵列焊料球安装在柔性载带下面;它的厚密封盖板又是散热器(热沉),同时还起到加固封装体的作用,使柔性基片下面的焊料球具有较好的共面性。腔体朝下的引线键合TBGA结构示意图如图8(b);芯片粘结在芯腔的铜热沉上;芯片焊盘与多层布线柔性载带基片焊盘用键合引线实现互连;用密封剂将电路芯片、引线、柔性载带焊盘包封(灌封或涂敷)起来。



TBGA的优点如下:

1)封装体的柔性载带和PCB板的热匹配性能较

2)在回流焊过程中可利用焊球的自对准作用,

印焊球的表面张力来达到焊球与焊盘的对准要求。

3)是最经济的BGA封装。

4)散热性能优于PBGA结构。

TBGA的缺点如下:

1)对湿气敏感。

2)不同材料的多级组合对可靠性产生不利的影响。

3.5其它的BGA封装类型

MCM-PBGA(Multiplechipmodule-PBGA),多芯片模块PBGA,它的结构如图9所示。




LBGA,微BGA,它是一种芯片尺寸封装。芯片面朝下,采用TAB键合实现芯片与封装基片焊盘互连的,LBGA的结构示意图如图10。它的封装体尺寸仅略大于芯片(芯片+0.5mm)。gBGA有3种焊球节距:0.65mm、0.75mm和0.8mm。TAB引线键合和弹性的芯片粘接是txBGA的特征。与其它的芯片尺寸封装相比,它具有更高的可靠性。




SBGA(Stackedballgridarray),叠层BGA,它的结构示意图如图11所示。




etBGA,最薄的BGA结构,封装体高度为0.5mm,接近于芯片尺寸。芯片面朝下,芯片-基板互连采用引线键合方式的et-BGA的结构示意图如图12。

CTBGA、CVBGA(ThinandVeryThinChipArrayBGA),薄型、超薄型BGA。该种BGA使用的基板是薄的核心层压板,包封采用模塑结构,封装体高度为1.2mm。



几种常规BGA封装类型的比较如表1所示。

4BGA的封装工艺流程

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175~230℃)、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。



4.1 引线键合PBGA的封装工艺流程

4.1.1 PBGA基板的制备

在BT树脂/玻璃芯板的两面层压极薄(12~18μm厚)的铜箔,然后进行钻孔和通孔金属化。用常规的PCB加3232艺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。

4.1.2 封装工艺流程

圆片减薄→圆片切削→芯片粘结→等离子清洗→引线键合→等离子清洗→模塑封装→装配焊料球→回流焊→表面打标→分离→最终检查→测试斗包装

芯片粘结采用充银环氧粘结剂将IC芯片粘结在基板上,然后采用金线键合实现芯片与基板的连接,接着模塑包封或液态胶灌封,以保护芯片、焊接线和焊盘。使用特殊设计的吸拾工具将熔点为183℃、直径为30mil(0.75mm)的焊料球62/36/2Sn/Pb/Ag或63/37/Sn/Pb放置在焊盘上,在传统的回流焊炉内进行回流焊接,最高加工温度不能够超过230℃。接着使用CFC无机清洗剂对基片实行离心清洗,以去除残留在封装体上的焊料和纤维颗粒,其后是打标、分离、最终检查、测试和包装入库。上述是引线键合型PBGA的封装工艺过程。

4.2 FC-CBGA的封装工艺流程

4.2.1 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。

4.2.2 封装工艺流程

圆片凸点的制备呻圆片切割呻芯片倒装及回流焊-)底部填充呻导热脂、密封焊料的分配+封盖斗装配焊料球-)回流焊斗打标+分离呻最终检查斗测试斗包装

4.3引线键合TBGA的封装工艺流程

4.3.1 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。

4.3.2 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

BGA封装中常用材料的特性如表2



5 BGA封装中IC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:引线键合和倒装焊。目前BGA的I/O数主要集中在100~1000。成本、性能和可加工能力是选择使用何种方式时主要考虑因素。采用引线键合的BGA的I/O数常为50~540,采用倒装焊方式的I/O数常>540。另外,选用哪一种互连方式还取决于所使用封装体基片材料的物理特性和器件的应用条件。目前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。

目前,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。

5.1 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。它是单点、单元化操作。采用引线键合技术必须满足以下条件:

5.1.1 精密距焊接技术

在100~500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70~90μm,有的更小。目前的键合机最小已能实现35 μm的中心距焊接。

5.1.2 低弧度、长弧线技术

在BGA的键合中,受控弧线长度通常为3~8mm,其最大变化量约为2.5mm。弧线高度约为100~200μm,弧线高度的变化量<7μm,芯片与基片上外引线脚的高度差约为0.4~0.56mm,IC芯片厚度约为0.2~0.35mm。在高密度互连中,弧线弯曲、蹋丝、偏移是不允许的。另外,在基片上的引线焊盘外围通常有两条环状电源/地线,键合时要防止金线与其短路,其最小间隙必须>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。

5.1.3 键合强度

由于芯片和基片上的焊盘面积都比较小,所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。

5.1.4 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。

因此,在制造工艺上对键合机、键合工具、键合丝都提出了挑战。

对键合机的要求:具有良好的成球控制能力,具有100kHz以上的超声频率,能在低温下实现精密距焊接,能精确地控制键合引线弧形,键合质量具有良好的重复性等。目前新一代的键合机都能满足上述要求。

对劈刀的要求:必须具有良好的几何形状,能适应高频键合,以提供足够高的键合强度;材质好,使用寿命长。

对键合丝的要求:必须具有好的中、低弧度长弧线性能,良好的韧性及抗拉强度。

5.2倒装焊方式

最近几年,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。

采用倒装焊方式需要考虑的几个相关问题。

5.2.1 基板技术

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。

对倒装焊而言,使用有机物基板非常流行,它是以高密度多层布线和微通孔基板技术为基础制造的,其特点是有着低的互连电阻和低的介电常数。它的局限性在于:①在芯片与基板之间高的CTE差会产生大的热失配;②在可靠性环境试验中,与同类型的陶瓷封装器件相比,可靠性较差,其主要原因是水汽的吸附。

现有的CBGA、CCGA封装采用的基板为氧化铝陶瓷基板,其局限性在于它的热膨胀系数与PCB板或卡的热膨胀系数相差较大,而热失配容易引起焊点疲劳。它的高介电常数、电阻率也不适用于高速、高频器件。

现已经开发出一种新的陶瓷基板--HITCE陶瓷基板,它有3个主要特点,12.2ppm/℃的CTE,低的介电常数5.4,低阻的铜互连系统。它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。表3为陶瓷基板和有机物基板材料特性的比较。



5.2.2 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。

5.2.3 底部填充

在绝大多数的倒装焊产品中都采用了底部填充剂,其作用是缓解芯片和基板之间由CTE差所引起的剪切应力。

6常规BGA封装的成本性能比较

常规BGA封装的成本和性能比较如表4。



7BGA产品的可靠性

产品的封装可靠性主要取决于封装设计、封装材料的选择和组装工艺。塑封料湿气的吸附,界面的粘结强度,芯片、引线键合、焊料球接点处的应力是影响器件可靠性的主要因素。目前所有采用BGA封装的产品都能满足以下的可靠性指标:



8我们的建议

我国的封装技术极为落后,目前仍然停留在PDIP、PSOP、PQFP、PLCC、PGA等较为低档产品的封装上。国外的BGA封装在1997年就已经规模化生产,在国内除了合资或国外独资企业外,没有一家企事业单位能够进行批量生产,其根本原因是既没有市场需求牵引,也没有BGA封装需要的技术来支撑。对于国内BGA封装技术的开发和应用,希望国家能够予以重视和政策性倾斜。开发BGA封装技术目前需要解决的总是应有以下几项:

①需要解决BGA封装的基板制造精度问题和基板多层布线的镀通孔质量问题;

②需要解决BGA封装中的焊料球移植精度问题;

③倒装焊BGA封装中需要解决凸点的制备问题;

④需要解决BGA封装中的可靠性问题。

9结束语

封装密度、热、电性能和成本是BGA封装流行的主要原因。随着时间的推移,BGA封装会有越来越多的改进,性价比将得到进一步的提高,由于其灵活性和优异的性能,BGA封装有着广泛的前景。正因为BGA封装有如此的优越性,我们也应该开展BGA封装技术的研究,把我国的封装技术水平进一步提高,为我国电子工业作出更大的贡献。
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