电子产品及设备的发展趋势可以归纳为多功能化高速化大容量化高密度化轻量化小型化为了达到这些要求,在集成电路工艺技术进步的推动下,在封装领域中出现了许多先进的封装技术与形式,表现在封装外形的变化是元器件多脚化薄型化引脚微细化引脚形状多样化,出现了凸点连接倒装芯片技术和多芯片三维封装技术等

（一）球栅阵列封装

1.定义及特点

BGA意为球形触点阵列,也有人译为“焊球阵列”“网格焊球阵列”和“球面阵”BGA封装技术是约于1990年年初由美国Motorola与日本Citizen公司共同开发的先进高性能封装技术它是在基板的背面按阵列方式制出球形触点作为引脚,在基板正面装配IC芯片(有的BGA芯片与引脚端在基板的同一面),是多引脚大规模集成电路芯片封装采用的一种表面贴装型技术

多年以来,QFP技术一直以其成本低效率高的优点广泛应用于半导体器件与电路的封装领域,但QFP等封装技术仅适用于引脚数不超过200条的元器件与电路进入20世纪90年代以后,由于微电子技术的飞速发展,器件与电路的引脚数不断增加,所以四边有引线的表面封装技术面临着性能与组装的巨大障碍为了适应I/O数不断增长的趋势,封装人员不得不将QFP做得很大,或者缩小引线间距,这就造成封装性能降低,并使制造成本越来越高在这种进退两难的情形下,以BGA形式出现的球栅阵列封装技术迅速崛起

BGA球栅阵列封装技术的优点如下:由于互连长度缩短而使得封装性能得到进一步提高,互连所占的板面积较小,通常I/O间距要求也不太严格,可高效地进行功率分配和信号屏蔽为此,球栅阵列互连从20世纪90年代开始逐渐得到广泛应用早期的针栅阵列(Pin Grid Array,PGA)封装一直用于先进的多I/O器件封装,如80486微处理器等,但目前BGA已逐渐成为这类器件的最佳封装技术

这类封装的最大优点就是可最大限度地节约基板上的空间BGA可使用多种材料,其结构形式多种多样,最常见的是芯片向上结构,而对热处理要求较高的器件通常要使用芯片向下结构一级互连多采用传统芯片键合,一些较先进的器件则采用倒装芯片互连有多种不同的封装基板材料用于一级互连(芯片-基板)或二级互连(封装-电路板),许多MCM都采用了BGA的封装形式

BGA具有以下特点:

1)提高成品率

采用BGA可将焊点的失效率减小两个数量级,元需对工艺做较大的政动

2)BGA焊点的中心距一般为1.27mm,可以利用现有的SMT工艺设备而QFP的引脚中心距如果小到0.3mm,引脚间距只有0.15mm时,就需要很精密的安放设备以及完全不同的焊接工艺,实现起来极为困难

3)改进了器件引出端数和本体尺寸的比率例如,边长为31mm的BGA,当间距为1.5mm时有400只引脚,而当间距为1mm时有900只引脚相比之下,边长为32mm引脚间距为0.5mm的QFP只有208只引脚.

4)明显改善共面问题,极大地减少了共面损坏

5)BGA引脚牢固,不像QFP那样存在引脚变形问题

6)BGA引脚短,使信号路径短,减小了引线电感和电容,增强了节点性能

7)球形触点阵列有助于散热

8)BGA适合MCM的封装需要,有利于实现MCM的高密度高性能

2.BGA的类型

对于在组件体的底部位置安置有大量球栅阵列的BGA器件而言有4种主要的类型这些组件一般所拥有的焊球节距为1.27～2.54mm,它对贴装精度没有特别的要求另外,BGA器件具有自动排列对准的特点,如果任何器件的焊球节距发生大约50%的失调现象,那么在再流焊接器件将会发生自动纠正的效果当焊点发生再流时,器件会“浮动”进入自动校准状态,这是因为熔化了的焊料在表面张力的作用下,将会将表面缩小到最小程度所致

BGA的4种主要形式为塑料球栅阵列(PBGA)陶瓷球栅阵列(CBGA)陶瓷圆柱栅格阵列(CCGA)和载带球栅阵列(TBGA)

(1)塑料球栅阵列(PBGA)

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,焊球为共晶焊料的Sn/37Pb或准共晶焊料62Sn/36Pb/2Ag(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PBGA封装的结构示意图如下图所示：

PBGA封装器件所具有的主要优点如下：

1)制造商完全可以利用现有的装配技术和廉价的材料,从而确保整个封装器件具有较低廉的价格

2)与QFP器件相比较,很少会产生机械损伤现象

3)装配到PCB上可以具有非常高的质量

采用PBGA技术所面临的挑战是保持封装器件平面化或者扁平化将对潮湿气体的吸收降到最低,防止“爆玉米花”现象的产生,解决涉及较大管芯尺寸的可靠性的问题这些挑战在具有大量I/O封装的器件显得更加严重在装配好后,关于焊点的可靠性涉及的问题很少,这是因为与绝大多数的表面贴装元器件不同,在热循环器件中没有失效机理另外增加的一项挑战是,继续要求降低PBGA封装的成本价格经过种种努力,它们将会成为具有良好性价比的替换QFP器件的手段,甚至在I/O数量少于200时也是如此

(2)陶瓷球栅阵列(CBGA)

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(10Sn/90Pb),焊球和封装体的连接需使用低温共晶焊料(63Sn/37Pb)封装体尺寸为10-35mm,标准的焊球节距为1.5mm1.27mm1.Omm

CBGA(陶瓷焊球阵列)封装的特点如下：

1)优点

气密性好,抗湿气性能高,因而封装组件的长期可靠性高

与PBGA器件相比,电绝缘特性更好

与PBGA器件相比,封装密度更高

散热性能优于PBGA结构

2)缺点

由于陶瓷基板和PCB的热膨胀系数(CTE)相差较大(A1203陶器基板的CTE约为7ppm/CC,PCB的CTE约为17ppm/CC),所以热匹配性差焊点疲劳是其主要的失效形式

与PBGA器件相比,封装成本高

在封装体边缘的焊球对准难度增加

(3)陶瓷圆柱栅格阵列(CCGA)

陶瓷圆柱栅格阵列(Ceramic Column GridArray,CCGA)器件也被称为圆柱焊料载体(Solder Column Carriers,SCC),它是陶瓷体尺寸大于32mm²的CBGA器件的替代品在CCGA器件中采用10Sn/90Pb的焊料圆柱阵列来替代陶程底面的贴装焊球这种阵列可以采用全部填充的方法,也可以采用局部填充的方法,圆柱的直径尺寸为0.508mm高度约为1.8mm节距为1.27mm目前采用CCGA封装技术的产品已很少不像CBGA器件的焊料球那样,CCGA器件上的焊料柱能够承受由于电路板和陶瓷封装之间的TCE不匹配所产生的应力作用通过大量的可靠性测试工作证明,占面积44mm²的CCGA封装器件在装配中,能够承受业界标准的热循环测试规范对于CCGA器件而言,在装配时其优点和缺点非常类似于CBGA器件的优缺点,仅有一个很大的区别,那就是焊料圆柱比焊球更容易受到机械损伤