BGA技术成为现代组装技术的主流

.SMT■BGA技术成为现代组装技术的主流表面(烽火通信科技股份有限公司430074) 鲜飞摘要简要介绍了BCA的概念、分类、发展现状、应用情况等. BGA是现代组装技术的新概念，它的出现促进SMT(表面贴装技术)与SMD(表面贴装元器件)的发展和革新，并将成为高密度、高性能、多功能及高I/0数封装的最佳选择。关键词表面组装技术 塑料球栅阵列 陶瓷球栅阵列 陶瓷圆柱栅格阵列 载带球栅阵列BGA Enters Mainstream of the Contemporary AssemblyTechnologyXian FeiAbstract Simply introduces the things of the BGA's concept, division, development and application. BGA is a newconcept of contemporary assembly technology. BGA has developed and innovated the SMT/SMD since it was ap-peared. It is believed that BGA will be the best choice of the IC with density, high performance, multiple function andhigh IOs.Key words SMT PBGA CBGA CCGA TBGA20世纪90年代随着集成技术的进步、设备的已。BGA一出现便成为CPU、GPU、主板上南1北改进和深亚微米技术的使用，LSI、 VLSI、ULSI相桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。继出现，硅单芯片集成度不断提高，对集成电路封装要求更加严格，I/0引脚数急剧增加，功耗也随之增大。为满足发展的需要，在原有封装品种基础上，又增添了新的品种一球栅阵列封装， 简称BGA(ball grid array package) ,它的I/O引脚以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，引线间距大，引线长度短，这样BGA消除了精细间距图1采用BGA封装的GeForce FX图形芯片器件中由于引线而引起的共面度和翘曲的问题。BGA封装技术特点有:BGA技术的优点是可增加I/O数和间距，消除QFP(1 ) I/O引脚数虽然增多,但引脚间距远大于技术的高1/0数带来的生产成本和可靠性问题。QFP,从而提高了组装成品率;53如图1所示的NVIDIA公司的GeForce FX图形(2)中国煤化工能用可控塌芯片(GPU)体现了当前工程技术的最高成就，相陷芯片法CNMHGT以改善它的信看到芯片照片上那1152个焊脚的人都会惊叹不电热性能;Printed Circuit Information印制电路信息2004 No. 7... ... .i(3)厚度比QFP减少1/2以上，重量减轻3/4现象的产生，以及解决设计到较大芯片尺寸的可以上;靠性的问题。这些挑战在具有大量1/0封装器件身(4 )寄生参数减小，信号传输延迟小，使用上的程度更加严重。在装配好了以后关于焊点的表频率大大提高;可靠性涉及到的问题很少，这是因为和绝大多数面(5)组装可用共面焊接，可靠性高;的表面贴装元器件不同，在热循环期间没有失效1BGA技术简介机理存在。另外增加的一项挑战是要求降低BGA的结构可按引出焊点形状分为两类:球PBGA封装的成本价格。经过种种努力，它们将会形焊点和柱状焊点。球形焊点的包括塑料球栅阵成为具有良好性价比的替换QFP器件的手段，甚列(plastic ball grid array,简称PBGA)、陶瓷球栅阵至在I/O数量少于200时也是如此。列(ceramic ball grid array,简称CBGA)、载带球栅1.2陶瓷球 栅阵列(CBGA)阵列( tape ball grid array, 简称TBGA )。柱状焊CBGA是另外一种BGA封装的形式。它的基板点的有陶瓷圆柱栅格阵列( ceramic column grid是多层陶瓷，金属盖板用密封焊料焊接在基板上，array,简称CCGA )。下面将分别对这些封装形式用以保护芯片、引线及焊盘。焊球材料为高温共晶进行介绍。焊料10Sn90Pb,焊球和封装体的连接需使用低温共1.1塑封球 栅阵列(PBGA)晶焊料63Sn37Pb。封装体尺寸为10 mm~35 mm,标PBGA是最常用的BGA封装形式。PBGA封准的焊球间距为1.27mm、1.0mm。装采用BT树脂/玻璃层压板作为基板，以塑料CBGA器件能够使用标准的表面贴装组装和(环氧模塑混合物)作为密封材料，焊球直径为再流焊接工艺进行装配。这种CBGA再流焊接工0.76 mm,使用63Sn37Pb或62Sn36Pb2Ag合金焊艺不同于在PBGA装配中所采用的再流焊接工艺，料(目前已有部分制造商使用无铅焊料)，焊球和然而，这不过是焊球结构变化的结果。PBGA中的封装体的连接不需要另外使用焊料。低温共晶焊料(37Pb/63Sn)在183 C时发生熔化现这些组件可以通过使用标准的表面贴装装配象，然而CBGA焊球( 90Pb/10Sn)大约在300工艺进行装配。低共熔点合金焊膏可以通过模板时发生熔化现象。--般标准的表面贴装再流焊接印刷到PCB的焊盘上面。组件上的焊料球被安置所采用的220C温度，仅能够熔化焊膏，却不能在焊膏上面,接着装配工作进入到再流焊阶段。由熔化焊球。所以为了能够形成良好的焊接点,于在电路板上面的焊膏和在组件上面的焊球都是CBGA器件与PBGA器件相比较，在模板印刷期低共熔点焊料，在再流焊接工艺实施期间,焊球熔间，必须有更多的焊膏施加到电路板上面。在再;化发生塌陷，形成了0.56 mm高的半球形“引线”。流焊接期间，焊料填充在焊球的周围，焊球所起PBGA封装器件所具有的主要优点是:到的作用像-一个刚性支座。因为是在两个不同的(1)制造商完全可以利用现有的装配技术和Pb/Sn焊料结构之间形成互连，在焊膏和焊球之间廉价的材料，从而确保整个封装器件具有较低廉的界面实际上不复存在，所形成的扩散区域具有的价格。从90Pb/l0Sn到37Pb/63Sn光滑斜度。(2)与PCB板(印刷线路板，通常为FR-4CBGA封装器件不象PBGA封装器件，在电路板)的热匹配性好。PBGA机构中的BT树脂/玻板和陶瓷封装之间存在有热膨胀系数不匹配的问璃层压热膨胀系数(thermal coefficient o题，这类问题会在热循环期间，造成较大封装器expansion，简称TCE)约为14 x 10-*/C,PCB 板件焊点失效的现象。通过大量的可靠性测试工的约为17 x 10-*/C，两种材料的TCE比较接近,作，已经证明CBGA封装器件能够在高达32mm2因而热匹配性好。的区域，承受业界标准的热循环测试标准的考(3)在再流焊过程中可利用焊球的自对准作核。当焊球的间距为1.27 mm ( 50mils)时，I/0 引54用，即熔融焊球的表面张力来达到焊球与焊盘的脚数量限定值为625个。当陶瓷封装体的尺寸大对准要求。中国煤化工它可以替换的方式。采用PBGA技术所应面对的挑战是将对潮湿YHCNMH G要有:气体的吸收降低到最少的程度，以降低“爆米花”(1)组件拥有优异的热性能和电性能;. Printed Circuit Information印制电路信息2004 No. 7.(2)气密性好，抗湿气性能高，因而封装组除以往的技术，新技术也不可能完全取代以往的件的长期可靠性高;技术，因为新技术只是在某些方面有所突破，有(3)与PBGA器件相比，封装密度更高。所超越。而且新技术也不十全十美，BGA本身仍1.3 陶瓷圆柱栅格阵列(CCGA)有许多不尽人意之处:表CCGA器件是CBGA器件的改进型。两者之间(1)焊点检测困难。BGA的焊点隐藏在封装面贴的主要区别在于CCGA器件采用90Pb/l0Sn的焊料之下，就为焊点质量的检测提出了难题，虽然用圆柱阵列来替代CBGA陶瓷底面的焊料球，以提:X-ray技术可以检测到焊点，但毕竟X-ray检测装高其焊点的抗疲劳能力。因此柱状结构更能缓解置非常昂贵，而且要达到100%的焊点检测率还有热匹配不好引起的陶瓷载体和PCB板之间的剪需要进一步研究。切应力。CCGA器件圆柱的直径尺寸为0.508 mm(2) BGA可靠性问题。在大批量生产的PBGA( 20 mils),间距为1.27 mm (50 mils)。CCGA 适中，由于吸潮，使电路芯片与PCB连接处发生“应用于尺寸更大的封装和更多的1/0,而且耐高温1力开裂”和层压板剥离。在CCGA和CBGA中,陶高压。44 mm2的封装，1.27 mm焊柱间距的CCGA瓷基板与PCB的TCE不匹配,可靠性问题更为严重。其I/O数达到1089。再流焊时，焊柱与PCB板上(3)返修较其它芯片困难。由于BGA的焊点的共晶焊料连接在一起，提供了挠性的连接结隐藏在封装之下，所以需要使用专门的返修工构。陶瓷基板有-一个优点是如果元件必须从PCB具。从1996年开始，美国几家公司开始向中国市板上取下或更换时，这些封装上的焊料可以重新场推出BGA返修设备。球化或柱化，不必担心返修会对昂贵的元件造成(4)增加PCB制造成本。BGA是高密度、高员坏。1/0器件，器件的供电、接地、信号传输等布线技1.4载带球栅阵列(TBGA)术必然要采用多层PCB技术，无疑会增加PCB的TBGA是TAB ( tape automatic bond )与BGA制造成本。技术优点很好的结合。TBGA是由连接至铜/聚酰3应用前景展望亚胺柔性电路或者说具有两层金属层的载带以及BGA技术经过十多年的发展已经进入实用化芯片所组成。载带的顶部金属层是一层均匀的接阶段。1987 年，日本西铁城(Citizen )公司开始着地面，底面金属层包含由将芯片连接至焊球阵列手研制塑封球栅阵列封装芯片。而后，摩托罗拉、的铜线。引线键合、再流焊接、或者说热压/超康柏等公司也随即加入到开发BGA的行列。1993声波内部引线连接等方法可以用来将芯片与铜线年，摩托罗拉率先将BGA应用于移动电话。同年,相连接。当连接好了以后，对芯片采用密封处理康柏公司也在工作站、PC电脑上加以应用。直到以提供有效的防护。焊球通过类似于引线键合的七八年前，Intel 公司在电脑CPU中(即奔腾II、奔微焊( micro- welding )工艺处理方法被逐个地连腾II、奔腾IV等)，以及芯片组(如i815、i845 等)接到铜线的另外- -端。TBGA使用90Pb/10Sn的合中开始使用BGA,这对BGA应用领域扩展发挥了金焊料，焊球直径为0.9 mm (35 mils),一般采用推波助澜的作用。目前，BGA已成为极其热门的1.27 mm ( 50 mils )间距的阵列配置形式，具有体芯片封装技术，其全球市场规模在2001年为12亿积小、重量轻、电性能好和极长的热循环寿命等块，预计2005年市场需求将比2001年有70%以上优点。TBGA的载带体厚度不到0.127 mm，上下幅度的增长，成为现代组装技术的主流。两面分别是0.0127 mm~0.0381 mm的铜导体，中参考文献间是0.5 mm厚的介质。由于这种基材本身具有柔[]禹胜林，王听岳，崔殿亨.球栅阵列( BGA )封装元件软的特性而且它同标准PCB材料的TCE匹配相当与检测技术J].电子工艺技术, 2000(1): 10~12好，因此焊点的热循环寿命极长。[2]汤勇峰.BGA检测技术与质量控制I].电子工艺技术，2BGA技术面临的挑战2000(1): 17~195BGA技术的出现是IC从四边引线封装到阵列[3]Reza Gb中国煤化工Applications[J.Electronic焊点封装的一大进步，实现了器件更小，引线更[4]鲜飞. IMHCNMHG国外电子元器多以及优良的电性能。但是新技术的发展并不排件，2001 (3): 13~15Printed Circuit Information印制电路信息2004 No. 7... ... ..: