淮阴工学院。
2012-2013学年第二学期期末考核。
学院：电子与电气工程学院。
课程名称：电子封装与组装技术。
课程编号：1215450
专业层次：电子科学与技术（本科）
学时学分：32（2）
考核方式：考查。
任课教师：居勇峰。
布置时间：2013-05-17
**题目： 简介bga技术
姓名： 葛迎杰。
学号： 1101207106
成绩： 简介bga技术。
摘要：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，为了达到这些需求，集成电路工艺技术进步的推动下，在封装领域**现了许多先进封装技术与形式，表现在封装外形的变化是元器件多脚化、薄型化、引脚细微化、引脚形状多样化等。本**主介绍最近几年里研发的新型封装技术bga及在生产领域的应用。
【1】关键词：多脚化、薄型化、引脚细微化、引脚形状多样化。
的概念及特点。
bga(bdll grid array)封装，即焊球阵列封装，它是在封装体基板的底部制作阵列焊球作为电路的i/o端与印刷线路板(pcb)互接。采用该项技术封装的器件是一种表面贴装型器件。与传统的脚形贴装器件（qfp、plcc等）相比，bga封装器件具有如下特点：
1）i/o数较多。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。
2）提高了贴装成品率，潜在地降低了成本。
3）bga的阵列焊球与基板的接触面大、短，有利于散热。
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。
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比细节距的脚形封装的ic牢固可靠。
2. bga的类型。
bga的四种主要形式为：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），下面分别做以介绍。
2.1、塑料球栅阵列（pbga）
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）。
【2】图1 塑料球栅阵列（pbga）载体示意图。
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。
2.2、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。
3)在封装体边缘的焊球对准难度增加。
2.3、陶瓷圆柱栅格阵列（ccga）
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。【3】
2.4、载带球栅阵列（tbga）
载带球栅（tbga），也称为阵列载带自动键合（atab），是一种相对新颖的bga封装形式。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。
图2 载带球栅阵列(tbga）载体示意图。
tbga的优点如下：
1）比绝大多数的bga封装（特别是具有大量i/o数量的）要轻和小。
2）比qfp器件和绝大多数其他bga封装的电性能要好。
3）装配到pcb上具有非常高的封装效率。
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。
3. bga的工艺流程。
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。
【4】3.1、引线键合pbga的封装工艺流程。
3.1.1、 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。
3.1.2、封装工艺流程。
见图43.2、fc-cbga的封装工艺流程。
3.2.1、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。
3.2.2、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→回流焊打标+分离→最终检查→测试和包装入库。
3.3、引线键合tbga的封装工艺流程。
3.3.1、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。
3.3.2、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。
4、引线键合与倒装焊的比较。
图5 引线键合图与倒装焊图的差异。
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i/o数主要集中在100~1000，采用引线键合的bga的i/o数常为50~540，而采用倒装焊方式的i/o数常》540。
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。当i/o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，而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。【5】
4.1、引线键合方式。
引线键合方式历史悠久，具有雄厚的技术基础，它的加工灵活性、材料/基片成本占有主要的优势。其缺点是设备的焊接精度已经达到极限。引线键合是单元化操作。
每一根键合线都是单独完成的。键合过程是先将安装在基片或热沉上的ic传送到键合机上，机器的图像识别系统识别出芯片，计算和校正每一个键合点的位置，然后根据键合图用金线来键合芯片和基片上的焊盘，以实现芯片与基片的互连。采用引线键合技术必须满足以下条件：
精密距焊接技术：在100~500的高i/o数的引线键合中，ic芯片的焊盘节距非常小，其中心距通常约为70~90μm，有的更小。
低弧度、长弧线技术：在bga的键合中，受控弧线长度通常为3~8mm，其最大变化量约为2．5mm。弧线高度约为100~200μm，弧线高度的变化量<7μm，芯片与基片上外引线脚的高度差约为0．4~0．56mm，ic芯片厚度约为0．2~0．35mm。
在高密度互连中，弧线弯曲、蹋丝、偏移是不允许的。另外，在基片上的引线焊盘外围通常有两条环状电源/地线，键合时要防止金线与其短路，其最小间隙必须》25 llm，这就要求键合引线必须具有高的线性度和良好的弧形。
键合强度：由于芯片和基片上的焊盘面积都比较小，所以精密距焊接时使用的劈刀是瓶颈型劈刀，头部直径也较小，而小直径的劈刀头部和窄引线脚将导致基片上焊点的横截面积较小，从而会影响键合强度。
低温处理：塑封bga的基片材料通常是由具有低玻璃化温度（tg约为175℃）、高的热膨胀系数（cte约为13ppm/℃）的聚合物树脂制成的，因此在封装过程中的芯片装片固化、焊线、模塑等都必须在较低的温度下进行。而当在低温下进行键合时，对键合强度和可靠性会产生不良影响。
要解决这一问题就必须要求键合机的超声波发生器具有较高（100khz以上）的超声频率。
4.2、倒装焊方式。
倒装焊技术的应用急剧增长，它与引线键合技术相比，有3个特点：
倒装焊技术克服了引线键合焊盘中心距极限的问题。
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