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BGA封装 发布于:

90年代随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用,LSI、VLSI、ULSI相继出现,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/O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——球栅阵列封装,简称BGA(Ball Grid Array Package)。

采用BGA技术封装的内存,可以使内存在体积不变的情况下内存容量提高两到三倍,BGA与TSOP相比,具有更小的体积,更好的散热性能和电性能。BGA封装技术使每平方英寸的存储量有了很大提升,采用BGA封装技术的内存产品在相同容量下,体积只有TSOP封装的三分之一;另外,与传统TSOP封装方式相比,BGA封装方式有更加快速和有效的散热途径。

BGA封装的I/O端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面,BGA技术的优点是I/O引脚数虽然增加了,但引脚间距并没有减小反而增加了,从而提高了组装成品率;虽然它的功耗增加,但BGA能用可控塌陷芯片法焊接,从而可以改善它的电热性能;厚度和重量都较以前的封装技术有所减少;寄生参数(电流大幅度变化时,引起输出电压扰动)减小,信号传输延迟小,使用频率大大提高;组装可用共面焊接,可靠性高。

BGA一出现便成为CPU、南北桥等VLSI芯片的高密度、高性能、多功能及高I/O引脚封装的最佳选择。其特点有:

1.I/O引脚数虽然增多,但引脚间距远大于QFP,从而提高了组装成品率;

2.虽然它的功耗增加,但BGA能用可控塌陷芯片法焊接,简称C4焊接,从而可以改善它的电热性能;

3.厚度比QFP减少1/2以上,重量减轻3/4以上;

4.寄生参数减小,信号传输延迟小,使用频率大大提高;

5.组装可用共面焊接,可靠性高;

6.BGA封装仍与QFP、PGA一样,占用基板面积过大;

Intel公司对这种集成度很高(单芯片里达300万只以上晶体管),功耗很大的CPU芯片,如Pentium、Pentium Pro、Pentium Ⅱ采用陶瓷针栅阵列封装CPGA和陶瓷球栅阵列封装CBGA,并在外壳上安装微型排风扇散热,从而达到电路的稳定可靠工作。

BGA球栅阵列封装

随着集成电路技术的发展,对集成电路的封装要求更加严格。这是因为封装技术关系到产品的功能性,当IC的频率超过100MHz时,传统封装方式可能会产生所谓的“CrossTalk”现象,而且当IC的管脚数大于208 Pin时,传统的封装方式有其困难度。因此,除使用QFP封装方式外,现今大多数的高脚数芯片(如图形芯片与芯片组等)皆转而使用BGA(Ball Grid Array Package)封装技术。BGA一出现便成为CPU、主板上南/北桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。

1.PBGA(Plastic BGA)基板:一般为2-4层有机材料构成的多层板。Intel系列CPU中,Pentium II、III、IV处理器均采用这种封装形式。近二年又出现了另一种形式:即把IC直接绑定在板子上,它的价格要比正规的价格便宜很多,一般用于对质量要求不严格的游戏等领域。

2.CBGA(CeramicBGA)基板:即陶瓷基板,芯片与基板间的电气连接通常采用倒装芯片(FlipChip,简称FC)的安装方式。Intel系列CPU中,Pentium I、II、Pentium Pro处理器均采用过这种封装形式。

3.FCBGA(FilpChipBGA)基板:硬质多层基板。

4.TBGA(TapeBGA)基板:基板为带状软质的1-2层PCB电路板。

5.CDPBGA(Carity Down PBGA)基板:指封装中央有方型低陷的芯片区(又称空腔区)。

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。

1、引线键合PBGA的封装工艺流程

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。

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。

2、FC-CBGA的封装工艺流程

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。

②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

3、引线键合TBGA的封装工艺流程

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。

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

TinyBGA封装内存

说到BGA封装就不能不提Kingmax公司的专利TinyBGA技术,TinyBGA英文全称为Tiny Ball Grid Array(小型球栅阵列封装),属于是BGA封装技术的一个分支。是Kingmax公司于1998年8月开发成功的,其芯片面积与封装面积之比不小于1:1.14,可以使内存在体积不变的情况下内存容量提高2~3倍,与TSOP封装产品相比,其具有更小的体积、更好的散热性能和电性能。采用TinyBGA封装技术的内存产品在相同容量情况下体积只有TSOP封装的1/3。TSOP封装内存的引脚是由芯片四周引出的,而TinyBGA则是由芯片中心方向引出。这种方式有效地缩短了信号的传导距离,信号传输线的长度仅是传统的TSOP技术的1/4,因此信号的衰减也随之减少。这样不仅大幅提升了芯片的抗干扰、抗噪性能,而且提高了电性能。

TinyBGA封装的内存其厚度也更薄(封装高度小于0.8mm),从金属基板到散热体的有效散热路径仅有0.36mm。因此,TinyBGA内存拥有更高的热传导效率,非常适用于长时间运行的系统,稳定性极佳。

采用BGA技术封装的内存,可以使内存在体积不变的情况下,内存容量提高两到三倍,BGA与TSOP相比,具有更小体积,更好的散热性能和电性能。BGA封装技术使每平方英寸的存储量有了很大提升,采用BGA封装技术的内存产品在相同容量下,体积只有TSOP封装的三分之一;与传统TSOP封装方式相比,BGA封装方式有更加快速有效的散热途径。


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