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關于BGA,這篇你一定要看!

時間:2021-11-08| 作者:admin



上世紀90年代,BGA(Ball grid array,球柵陣列或焊球陣列)封裝技術發展迅速并成為主流的封裝工藝之一。它是一種高密度表面裝配封裝技術,在封裝底部,引腳都成球狀并排列成一個類似于格子的圖案,由此命名為BGA。


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目前主板控制芯片組多采用此類封裝技術,材料多為陶瓷。采用BGA技術封裝的內存,可以使內存在體積不變的情況下,內存容量提高兩到三倍。


本文主要內容為BGA封裝的主要分類及其特點,BGA封裝工藝流程方面。

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BGA封裝技術分類及特點


BGA的封裝類型很多,根據焊料球的排布方式可分為周邊型、交錯型和全陣列型。


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根據基板的不同主要分為PBGA(Plastic BGA,塑封BGA)、CBGA(Ceramic BGA,,陶瓷BGA)、FCBGA(Filpchip BGA,倒裝BGA)、TBGA(Tape BGA,載帶BGA)。

PBGA封裝


PBGA是最常用的BGA封裝形式,采用塑料材料和塑料工藝制作。其采用的基板類型為PCB基板材料(BT樹脂/玻璃層壓板),裸芯片經過粘接和WB技術連接到基板頂部及引腳框架后,采用注塑成型(環氧膜塑混合物)方法實現整體塑模。Intel系列CPU中,Pentium II、III、IV處理器均采用這種封裝形式。


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焊球材料為低熔點共晶焊料合金63Sn37Pb,直徑約為1mm,間距范圍1.27-2.54mm,焊球與封裝體底部的連接不需要另外使用焊料。組裝時焊球熔融,與PCB表面焊板接合在一起,呈現桶狀。


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PBGA封裝特點主要表現在以下四方面:


1.制作成本低,性價比高。

2.焊球參與再流焊點形成,共面度要求寬松。

3.與環氧樹脂基板熱匹配性好,裝配至PCB時質量高,性能好。

4.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。

CBGA封裝


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,連接好的封裝體經過氣密性處理,可提高其可靠性和物理保護性能。Pentium I、II、Pentium Pro處理器均采用過這種封裝形式。


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CBGA采用的是多層陶瓷布線基板,焊球材料為高熔點90Pb10Sn共晶焊料,焊球和封裝體的連接使用低溫共晶焊料63Sn37Pb,采用封蓋+玻璃氣封,屬于氣密封裝范疇。


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CBGA封裝特點主要表現在以下六方面:


1.對濕氣不敏感,可靠性好,電、熱性能優良。

2.與陶瓷基板CTE匹配性好。

3.連接芯片和元件可返修性較好。

4.裸芯片采用FCB技術,互連密度更高。

5.封裝成本較高。

6.與環氧樹脂等基板CTE匹配性差。

FCBGA封裝


FCBGA是目前圖形加速芯片最主要的封裝格式,這種封裝技術始于1960年代,當時IBM為了大型計算機的組裝,而開發出了所謂的C4(Controlled Collapse Chip Connection)技術,隨后進一步發展成可以利用熔融凸塊的表面張力來支撐芯片的重量及控制凸塊的高度,并成為倒裝技術的發展方向。


這種封裝使用小球代替原先采用的針來連接處理器。一共需要使用479個球,且直徑均為0.78毫米,能提供最短的對外連接距離。FCBGA通過FCB技術與基板實現互連,與PBGA的區別就在于裸芯片面朝下。


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FCBGA封裝特點主要表現在以下三方面:


1.優異的電性效能,同時可以減少組件互連間的損耗及電感,降低電磁干擾的問題,并承受較高的頻率。

2.提高I/O的密度,提高使用效率,有效縮小基板面積縮小30%至60%。

3.散熱性好,可提高芯片在高速運行時的穩定性。

TBGA封裝


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。其采用的基板類型是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。


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TBGA封裝特點主要表現在以下五方面:


1.與環氧樹脂PCB基板熱匹配性好。

2.最薄型BGA封裝形式,有利于芯片薄型化。

3.相比于CBGA,成本較低。

4.對熱度和濕度,較為敏感。

5.芯片輕且小,相比其他BGA類型,自校準偏差大。


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BGA封裝工藝流程


目前,許多芯片封裝都為BGA型,這類封裝的最大優點就是能節約板上空間。最常見的是芯片向上結構,對熱處理要求較高的通暢是使用腔向下的結構。


多數封裝都采用芯片鍵合技術將芯片與基板連接起來,并實現芯片與基板之間的電連接。BGA也如此,但更多是采用倒裝芯片互連技術。采用倒裝芯片設計可將散熱片直接與芯片連接起來,達到更好散熱的目的。

PBGA封裝工藝流程


1.PBGA基板的制備


在BT樹脂/玻璃芯板的兩面壓極?。?2-18um厚)的銅箔,然后進行鉆孔和通孔金屬化,通孔一般位于基板的四周;再用常規的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焊區陣列);最后形成介質阻焊膜并制作圖形,露出電極及焊區。






2.封裝工藝流程


圓片減薄→圓片切削→芯片粘結→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:采用充銀環氧樹脂粘結劑(導電膠)將IC芯片粘結在鍍有Ni-Au薄層的基板上

引線鍵合:粘結固化后用金絲球焊機將IC芯片上的焊區與基板上的鍍Ni-Au的焊區以金線相連

模塑封裝:用天有石英粉的環氧樹脂模塑進行模塑包封,以保護芯片、焊接線及焊盤。

回流焊:固化之后,使用特設設計的吸拾工具(焊球自動拾放機)將浸有焊劑熔點為183℃、直徑為30mil(0.75mm)的焊料球Sn62Pb36Ag2,或者Sn63Pb37放置在焊盤上,在傳統的回流焊爐內在N2氣氛下進行回流焊接(最高加工溫度不超過230℃),焊球與鍍Ni-Au的基板焊區焊接。

TBGA封裝工藝流程


1.TBGA載帶制作


TBGA載帶是由聚酰亞胺PI材料制成的,在制作時,先在載帶的兩面覆銅,接著沖通孔和通孔金屬化及制作出圖形;然后鍍鎳、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劑將載帶粘結在熱沉上。


TBGA適合于高I/O數應用的一種封裝形式,I/O數可為200-1000,芯片的連接可以用倒裝芯片再流,也可以用熱壓鍵合。


2.封裝工藝流程


圓片減薄→圓片切割→芯片粘結→清洗→引線鍵合→等離子清洗→液態密封劑灌封→裝配焊料球→回流焊→打標→最終檢查→測試→包裝


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芯片粘結:全陣列型芯片,用C4工藝;周邊型金凸點芯片,熱壓鍵合。

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,焊接后用環氧樹脂將芯片包封。

FCBGA封裝工藝流程


1.FCGBA基板制作


FCGBA基板制作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。


2.封裝工藝流程


圓片凸點的制備→圓片切割→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→包封


倒裝焊接: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便利,為高頻率、大功率器件提供更完善的信號。

基板選擇:關鍵因素在于材料的熱膨脹系數(CTE)、介電常數、介質損耗、電阻率和導熱率等。

凸點技術:常用的凸點材料為金凸點,95Pb5Sn、90Pb10Sn焊料球(回流焊溫度約為350℃)。技術的關鍵在于當節距縮小時,必須保持凸點尺寸的穩定性。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封裝工藝流程


相比于PBGA和TBGA,CBGA有些許不同,主要表現在三個方面:


1.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基板是加強環的聚酰亞胺(PI)多層Cu布線基板。

2.CBGA基板下面的焊球為90%Pb-10Sn%或95%Pb-5Sn%的高溫焊球,而與基板和PWB焊接的焊料則為37%Pb-63Sn%的共晶低溫焊球

3.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,非氣密性封裝。




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