BGA封装综述

BGA封装技术

BGA (Ball Grid Array)是球状引脚栅格阵列封装技术，高密度表面装配封装技术。在封装底部，引脚都成球状并排列成一个类似于格子的图案，由此命名为BGA。目前主板控制芯片组多采用此类封装技术，材料多为陶瓷。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。

一、BGA技术发展历史

芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM，技 术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，适用频率 越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提 高，使用更加方便等等。

从70年代流行的是双列直插封装，简称DIP。到80年代出现了芯片载体封装，其中有陶瓷无引线芯片载体LCCC、塑料有引线芯片载体PLCC、小尺寸封装SOP、塑料四边引出扁平封装 PQFP。

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直到20世纪90年代随着技术的进步，芯片集成度不断提高，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大，对集成电路封装的要求也更加严格。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)。

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。

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。

二、BGA封装特点

ＢＧＡ器件的性能和组装优于常规的元器件，但是许多生产厂家仍然不愿意投资开发大批量生产ＢＧＡ器件的能力。究其原因主要是ＢＧＡ器件焊接点的测试相当困难，不容易保证其质量和可靠性。

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)

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和MOFP-304(节距为0．8mm)相比，封装体尺寸分别缩小了84％和47％。

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。如图。

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。

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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。

三、BGA封装的结构、类型及优缺点

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，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)。

另FCBGA(Flip Chip Ball Grid Array倒装芯片球栅格阵列)在这里着重介绍。

1、 PBGA(塑料焊球阵列)封装

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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。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)。

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。

2、 CBGA(陶瓷焊球阵列)封装

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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。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。

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3)在封装体边缘的焊球对准难度增加。

3、CCGA(ceramiccolumnSddarray)陶瓷柱栅阵列

CCGA是CBGA的改进型。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。

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；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。

TBGA的优点如下：

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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。

5.、FCBGA（倒装芯片球栅格阵列）

FC-BGA被称为倒装芯片球栅格阵列的封装格式，也是目前图形加速芯片最主要的封装格式。

FCBGA封装有很多优点，包括：

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■ 在更小芯片上实现更多功能—芯片上全部表面积都可用于放置芯片凸点，实现与载体的连接，解决了引线键合只能在芯片四周放置焊盘的缺点。

■ 提高电源噪声性能—由于芯片与载体间的互连长度有一个数量级的降低，因而环路寄生电感显著减小。而且电源可以直接供应到对应电路，不像引线键合封装那样首先将电源引到芯片边缘，而后再到达对应电路核或者I/O电路。

■ 更好的信号完整性—在高速开关应用中，引线键合的高阻抗特性会引起阻抗不连续，降低信号完整性；另外还存在很严重的信号串扰问题。而在倒装芯片互连中显著削弱了这些现象，获得可控的阻抗线和更小的信号串扰。

■ 更小的封装面积—与引线键合封装不同，FCBGA封装不需要保留与载体连接的外部面积，因而有潜力降低封装尺寸。

四、FC-BGA封装简介

这种封装技术始于1960年代，当时IBM为了大型计算机的组装，而开发出了所谓的C4(Controlled Collapse Chip Connection)技术，随后进一步发展成可以利用熔融凸块的

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表面张力来支撑芯片的重量及控制凸块的高度，并成为倒装技术的发展方向。

FC-BGA的优势在什么地方呢？首先，它解决了电磁兼容(EMC)与电磁干扰(EMI)问题。一般而言，采用WireBond封装技术的芯片，其信号传递是透过具有一定长度的金属线来进行，这种方法在高频的情况下，会产生所谓的阻抗效应，形成信号行进路线上的一个障碍；但FC-BGA用小球代替原先采用的针脚来连接处理器，这种封装共使用了479个球，但直径均为0.78毫米，能提供最短的对外连接距离。采用这一封装不仅提供优异的电性效能，同时可以减少组件互连间的损耗及电感，降低电磁干扰的问题，并承受较高的频率，突破超频极限就变成了可能。

其次，当显示芯片的设计人员在相同的硅晶区域中嵌入越来越密集的电路时，输入输出端子与针脚的数量就会迅速增加，而FC-BGA的另一项优势是可提高I/O的密度。一般而言，采用WireBond技术的I/O引线都是排列在芯片的四周，但采用FC-BGA封装以后，I/O引线可以以阵列的方式排列在芯片的表面，提供更高密度的I/O布局，产生最佳的使用效率，也因为这项优势，倒装技术相较于传统封装形式面积缩小30%至60%。

最后，在新一代的高速、高整合度的显示芯片中，散热问题将是一大挑战。基于FC-BGA 独特的倒装封装形式，芯片的背面可接触到空气，能直接散热。同时基板亦可透过金属层来提高散热效率，或在芯片背部加装金属散热片，更进一步强化芯片散热的能力，大幅提高芯片在高速运行时的稳定性。

由于FC-BGA封装的种种优点，目前几乎所有图形加速卡芯片都是用了FC-BGA封装方式。

但是，FCBGA封装器件制造过程中会经历多个高温阶段，芯片与封装基板之间的热膨胀系数不同，很容易由于热膨胀不匹配而产生破裂或分层现象，加剧了焊球可靠性的退化。

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无铅焊球工艺的引入使工艺和焊接温度提高，加大了焊球间短路的可能性；同时，Sn含量的增加和封装焊球间距的缩小加剧了锡须发射的几率，对其可靠性及相关影响因素需要进一步的研究。

FCBGA封装器件的失效对策。

1）FCBGA器件中的焊球在高温焊接过程中出现焊球熔融、连接形成短路通道的失效现象。

2）FCBGA 封装器件容易受回流焊工艺的影响，发生因焊球间填充物（underfill）膨胀分层、焊球断裂而开路失效。

3）FCBGA是湿敏性元件,使用前需进行除湿处理。

五、BGA技术的生产公司、以及应用

目前，世界上许多国家都生产BGA封装技术，并对外销售。IBM、Motorolai、Citizen、LSI Logic、AmkorAnam、Cassia、SAT、AT&T、NationalSemiconductor、Olin和ASE、BALL等公司都生产BGA产品。

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据新闻资料介绍，美国有两家大的电子封装商Alphatec和IPAC建立了PBGA的生产线，其生产认证范围，从I/O引线数看，已经达到352~700个范围。日本NEC公司已批量生产BGA多引脚ASIC，月产量达5万件。欧洲的Blanpunkt公司已研制出汽车娱乐产品的MCMBGA。Valtronic已研制用于便携式通信产品的MCMBGA。

目前BGA技术已广泛应用于计算机领域（便携式计算机、巨型计算机、军用计算机、远程通信计算机），通信领域（寻呼机、便携式电话、调制解调器），汽车领域（汽车发动机的各种控制器、汽车娱乐产品）。应用于各种各样的无源器件中，其中最常见的是阵列、网络和连接器。其具体应用包括步话机、MP3播放器、数码相机和PDA等。

锡球是新型封装中不可或缺的重要材料。一般IC封装用锡球直径为0.15mm～0.76mm。锡球一般有：普通焊锡球(Sn的含量从2%-100%，熔点温度范围为182℃～316℃)；含Ag焊锡球(常见的产品含Ag量为1.5%、2%或3%，熔点温度在178℃～189℃)；无铅焊锡球(成分中的铅含量要小于0.1%)。

一般将满足BGA封装要求的锡球称为BGA焊球，其球径介于0.30mm～0.76mm之间，平均每平方英寸约植200个到500个焊球。

锡球的应用有两类，一类应用是将一级互连的倒芯片(FC)直接安装到所用的场合，锡球在晶圆裁成芯片后直接接合在裸装的芯片上，在FC-BGA封装中起到芯片与封装基板电气互连的作用；另一类应用是二级互连焊接，该应用通过专用设备将微小的锡球一粒一粒地植入到封装基板上，通过加热锡球与基板上的连接盘接合。在IC封装(BGA、CSP等)中，芯片与母板进行焊接时，是通过回流焊炉的加热而实现的。

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