第二章 BGA 封装技术.ppt

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1、第二章 BGA 封装技术,Contents,BGA技术简介 BGA（Ball Grid Array）封装，即球栅阵列（或焊球阵列）封装；其外引线为焊球或焊凸点，它们成阵列分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（LSI）芯片，是LSI芯片的一种表面组装封装类型。,BGA技术特点成品率高,可将窄间距QFP焊点失效率降低两个数量级芯片引脚间距大贴装工艺和精度显著增加了引出端子数与本体尺寸比互连密度高BGA引脚短-电性能好、牢固-不易变形焊球有效改善了共面性，有助于改善散热性适合MCM封装需要，实现高密度和高性能封装,BGA的分类 根据焊料球的排列方式分为：周边型交错型全阵列型,根据

2、基板不同主要有：PBGA（塑封BGA）CBGA（陶瓷BGA）TBGA（载带BGA）此外，还有CCGA（陶瓷焊柱阵列）、MBGA（金属BGA）FCBGA（细间距BGA或倒装BGA）和EBGA（带散热器BGA）等。,塑料封装BGA（PBGA）塑料封装BGA采用塑料材料和塑封工艺制作，是最常用的BGA封装形式。PBGA采用的基板类型为PCB基板材料（BT树脂/玻璃层压板），裸芯片经过粘结和WB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1.27-2.54mm，焊球与封装体底部的连接不需要另外使用焊

3、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,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。,CBGA 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。,CBGA采用的是多层陶瓷布线基板，CBGA焊球材料高熔点90Pb10Sn共晶焊料，焊球和封装体的连接使用低温共晶焊料63Sn37Pb，

4、采用封盖+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

5、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,与环氧树脂PCB基板热匹配性好最薄型BGA封装形式，有利于芯片薄型化成本较之CBGA低对热和湿较为敏感芯

6、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BGA（MBGA）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。,BGA封装工艺流程,引线键合PBGA封装工艺流程 PBGA基板的制备在BT树脂玻璃芯板的两面层压极薄(1218m厚)的铜箔；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；用常规的PWB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阵列）；然后形成介

7、质阻焊膜并制作图形，露出电极和焊区。,在孔壁上镀铜，导通上下层通路,线路形成：,Mylar,前处理,网印,Pre-cure,网印,Pre-cure,曝光,UV,显影,Post-cure,UV cure,阻焊膜(Solder Mask),油墨+硬化剂,黄光室,底片,蚀刻,BGA封装工艺流程,封装工艺流程 圆片减薄圆片切削芯片粘结清洗引线键合清洗模塑封装装配焊料球回流焊打标分离检查及测试包装芯片粘结：采用充银环氧树脂粘结剂（导电胶）将IC芯片粘结在镀有Ni-Au薄层的基板上；引线键合：粘接固化后用金丝球焊机将IC芯片上的焊区与基板上的镀Ni-Au的焊区以金线相连；模塑封装：用填有石英粉的环氧树脂模

8、塑料进行模塑包封，以保护芯片、焊接线和焊盘；,装配焊料球/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183、直径为30mil（0.75mm）的焊料球Sn62Pb36Ag2或Sn63Pb37放置在焊盘上，在传统的回流焊炉内在N2气氛下进行回流焊接（最高加工温度不能够超过230），焊球与镀Ni-Au的基板焊区焊接。,BGA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

9、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”：过程与“球在上”相反，先将一个带有以所需中心距排列的孔（直径小于焊球）的特殊夹具放在一个振动/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，再将基板对准放在印好的焊膏上，送去再流，之后进行清洗。焊球的直径是0.76mm(30mil)或0.89mm(35mil)，PBGA焊球的成分为低熔点的63Sn37Pb(62Sn36Pb2Ag)。,引线键合TBGA的封装工艺流程 TBGA载带 载带制作：TBGA的载带是由聚酰亚胺PI材料制成的。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

10、形。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。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打标分离最终检查测试包装装配焊料球：用微焊技术把焊球（10Sn90Pb）焊接到载带上，焊球的顶部熔进电镀通孔内。芯片互连：面阵型芯片，用C4工艺；周边型金凸点芯片，热压键合。焊接后用环氧树脂将芯片包封。,TBGA是适于高I/O数应用的一种封装形式，I/O数可为200-1000，芯片的连接可以用倒装芯片焊料再流，也可以用热压键合。TBGA的安装

11、使用标准的63Sn37Pb焊膏。,FC-CBGA的封装工艺流程 陶瓷基板 FC-CBGA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。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。HITCE-high thermal coefficient of expansion,封装工艺流程 圆片凸点的制备圆片切割芯片倒装及回流焊底部填充导热脂、密封焊料

12、的分配封盖装配焊料球回流焊打标分离最终检查测试包装,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；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。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。,基板技术 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。基板与芯片（一级互连）之间或基板与PCB板（二

13、级互连）之间的CTE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。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。,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。局限性：在芯片与基板之间高的CTE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。现有的CBGA、CCGA封装采用的基板为氧化铝陶瓷基板。局限性：热膨胀系数与PCB板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。HITCE陶

14、瓷基板 特点：CTE 是12.2ppm；低的介电常数5.4；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和电性能得以提高。,凸点技术 常用的凸点材料为金凸点，95Pb5Sn、90Pb10Sn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。,CBGA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。,CBGA基板下面的焊球为90%Pb-

15、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。,CBGA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IO数主要集中在1001000。采用引线键合的BGA的IO数常为50540；采用倒装焊方式的IO 数常540。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IO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，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。,