BGA封裝技術(shù)介紹

第二章BGA封裝技術(shù)ContentsBGA簡(jiǎn)介1BGA分類(lèi)2BGA工藝流程32021/7/12BGA技術(shù)簡(jiǎn)介

BGA（BallGridArray）封裝，即球柵陣列（或焊球陣列）封裝；其外引線(xiàn)為焊球或焊凸點(diǎn)，它們成陣列分布于封裝基板的底部平面上在基板上面裝配大規(guī)模集成電路（LSI）芯片，是LSI芯片的一種表面組裝封裝類(lèi)型。2021/7/13BGA技術(shù)特點(diǎn)成品率高,可將窄間距QFP焊點(diǎn)失效率降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)芯片引腳間距大——貼裝工藝和精度顯著增加了引出端子數(shù)與本體尺寸比——互連密度高BGA引腳短-電性能好、牢固-不易變形焊球有效改善了共面性，有助于改善散熱性適合MCM封裝需要，實(shí)現(xiàn)高密度和高性能封裝2021/7/14BGA的分類(lèi)根據(jù)焊料球的排列方式分為：周邊型交錯(cuò)型全陣列型2021/7/15根據(jù)基板不同主要有：PBGA（塑封BGA）CBGA（陶瓷BGA）TBGA（載帶BGA）此外，還有CCGA（陶瓷焊柱陣列）、MBGA（金屬BGA）FCBGA（細(xì)間距BGA或倒裝BGA）和EBGA（帶散熱器BGA）等。2021/7/16塑料封裝BGA（PBGA）

塑料封裝BGA采用塑料材料和塑封工藝制作，是最常用的BGA封裝形式。PBGA采用的基板類(lèi)型為PCB基板材料（BT樹(shù)脂/玻璃層壓板），裸芯片經(jīng)過(guò)粘結(jié)和WB技術(shù)連接到基板頂部及引腳框架后采用注塑成型（環(huán)氧模塑混合物）方法實(shí)現(xiàn)整體塑模。2021/7/17

焊球材料為低熔點(diǎn)共晶焊料合金63Sn37Pb，直徑約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(shí)焊球熔融，與PCB表面焊盤(pán)接合在一起，呈現(xiàn)桶狀。2021/7/18PBGA特點(diǎn)制作成本低，性?xún)r(jià)比高焊球參與再流焊點(diǎn)形成，共面度要求寬松與環(huán)氧樹(shù)脂基板熱匹配性好、裝配至PCB時(shí)質(zhì)量高、性能好對(duì)潮氣敏感，PoPCorneffect嚴(yán)重，可靠性存在隱患，且封裝高度之QFP高也是一技術(shù)挑戰(zhàn)。2021/7/19CBGA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(hù)芯片、引線(xiàn)及焊盤(pán)，連接好的封裝體經(jīng)過(guò)氣密性處理可提高其可靠性和物理保護(hù)性能。2021/7/110

CBGA采用的是多層陶瓷布線(xiàn)基板，CBGA焊球材料高熔點(diǎn)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+玻璃封接，屬于氣密封裝范疇。2021/7/111CBGA技術(shù)特點(diǎn)【對(duì)濕氣不敏感，可靠性好、電、熱性能優(yōu)良】【與陶瓷基板CTE匹配性好】【連接芯片和元件可返修性較好】【裸芯片采用FCB技術(shù)，互連密度更高】【封裝成本高】【與環(huán)氧樹(shù)脂等基板CTE匹配性差】2021/7/112CBGA的焊接特性

CBGA焊接過(guò)程不同于PBGA，采用的是高溫合金焊球，在一般標(biāo)準(zhǔn)再流焊溫度（220℃）下，CBGA焊料球不熔化，起到剛性支座作用。PCB上需要印刷的焊膏量需多于PBGA，形成的焊點(diǎn)形狀也不同于PBGA。2021/7/113CCGA技術(shù)CCGA封裝又稱(chēng)圓柱焊料載體,是CBGA技術(shù)的擴(kuò)展，不同之處在于采用焊球柱代替焊球作為互連基材，是當(dāng)器件面積大于32平方毫米時(shí)CBGA的替代產(chǎn)品.2021/7/114CCGA承受封裝體和PCB基板材料之間熱失配應(yīng)力的能力較好,因此其可靠性要優(yōu)于CBGA器件,特別是大器件尺寸應(yīng)用領(lǐng)域，此外清洗也較容易。CCGA焊料柱直徑約0.508mm，高度約1.8mm，間距約1.27mm，由于焊柱高度太大，目前應(yīng)用的較少。CCGA技術(shù)特點(diǎn)2021/7/115TBGA技術(shù)

載帶球柵陣列（TBGA）又稱(chēng)陣列載帶自動(dòng)鍵合，是一種相對(duì)較新穎的BGA封裝形式，采用的基板類(lèi)型為PI多層布線(xiàn)基板，焊料球材料為高熔點(diǎn)焊料合金，焊接時(shí)采用低熔點(diǎn)焊料合金。2021/7/116TBGA技術(shù)特點(diǎn)與環(huán)氧樹(shù)脂PCB基板熱匹配性好最薄型BGA封裝形式，有利于芯片薄型化成本較之CBGA低對(duì)熱和濕較為敏感芯片輕、小，自校準(zhǔn)偏差較之其他BGA類(lèi)型大TBGA適用于高性能、多I/O引腳數(shù)場(chǎng)合。2021/7/117帶散熱器的FCBGA-EBGAFCBGA通過(guò)FCB技術(shù)與基板實(shí)現(xiàn)互連，與PBGA區(qū)別在于裸芯片面朝下，發(fā)展最快的BGA類(lèi)型芯片。2021/7/118金屬基板BGA（MBGA）采用表面陽(yáng)極氧化鋁基板，單層或雙層薄膜金屬實(shí)現(xiàn)封裝內(nèi)互連。2021/7/119BGA封裝工藝流程引線(xiàn)鍵合PBGA封裝工藝流程①PBGA基板的制備在BT樹(shù)脂／玻璃芯板的兩面層壓極薄(12~18μm厚)的銅箔；進(jìn)行鉆通孔和通孔金屬化（鍍通孔），通孔一般位于基板的四周；用常規(guī)的PWB工藝（壓膜、曝光、顯影、蝕刻等）在基板的兩面制作圖形（導(dǎo)帶、電極以及安裝焊球的焊區(qū)陣列）；然后形成介質(zhì)阻焊膜并制作圖形，露出電極和焊區(qū)。2021/7/120功能：1.去除表面氧化物；2.減小銅面厚度以利于細(xì)線(xiàn)電路形成。銅箔BT鉆孔：1.作為上下層導(dǎo)通的通路

2.定位孔、Tooling孔在孔壁上鍍銅，導(dǎo)通上下層通路2021/7/121前處理壓掩膜水洗蝕刻水洗酸洗剝膜水洗曝光顯影黃光區(qū)上底片線(xiàn)路形成：2021/7/122Mylar壓掩膜、上底片、曝光顯影CopperBT掩膜底片UVCopperBT掩膜2021/7/123蝕刻剝膜CopperBTCopperBT掩膜2021/7/124前處理網(wǎng)印Pre-cure網(wǎng)印Pre-cure曝光UV顯影Post-cureUVcure阻焊膜(SolderMask)油墨+硬化劑黃光室底片蝕刻2021/7/125金鎳鍍鎳、金綠漆CopperBT功能：保護(hù)銅層，防止銅層氧化。鎳作為金和銅結(jié)合的介質(zhì)，防止金與銅彼此擴(kuò)散。3.利于打金線(xiàn)。2021/7/126BGA封裝工藝流程②封裝工藝流程

圓片減薄→圓片切削→芯片粘結(jié)→清洗→引線(xiàn)鍵合→清洗→模塑封裝→裝配焊料球→回流焊→打標(biāo)→分離→檢查及測(cè)試→包裝芯片粘結(jié)：采用充銀環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑（導(dǎo)電膠）將IC芯片粘結(jié)在鍍有Ni-Au薄層的基板上；引線(xiàn)鍵合：粘接固化后用金絲球焊機(jī)將IC芯片上的焊區(qū)與基板上的鍍Ni-Au的焊區(qū)以金線(xiàn)相連；模塑封裝：用填有石英粉的環(huán)氧樹(shù)脂模塑料進(jìn)行模塑包封，以保護(hù)芯片、焊接線(xiàn)和焊盤(pán)；2021/7/127裝配焊料球/回流焊：固化之后，使用特殊設(shè)計(jì)的吸拾工具（焊球自動(dòng)拾放機(jī)）將浸有焊劑的熔點(diǎn)為183℃、直徑為30mil（0.75mm）的焊料球Sn62Pb36Ag2或Sn63Pb37放置在焊盤(pán)上，在傳統(tǒng)的回流焊爐內(nèi)在N2氣氛下進(jìn)行回流焊接（最高加工溫度不能夠超過(guò)230℃），焊球與鍍Ni-Au的基板焊區(qū)焊接。

BGA封裝工藝流程2021/7/128裝配焊球有兩種方法：“球在上”和“球在下”球在上：在基板上絲網(wǎng)印制焊膏，將印有焊膏的基板裝在一個(gè)夾具上，用定位銷(xiāo)將一個(gè)帶篩孔的頂板與基板對(duì)準(zhǔn)，把球放在頂板上，篩孔的中心距與陣列焊點(diǎn)的中心距相同，焊球通過(guò)孔對(duì)應(yīng)落到基板焊區(qū)的焊膏上，多余的球則落入一個(gè)容器中。取下頂板后將部件送去再流，再流后進(jìn)行清洗2021/7/129

“球在下”：過(guò)程與“球在上”相反，先將一個(gè)帶有以所需中心距排列的孔（直徑小于焊球）的特殊夾具放在一個(gè)振動(dòng)/搖動(dòng)裝置上，放入焊球，通過(guò)振動(dòng)使球定位于各個(gè)孔，在焊球位置上印焊膏，再將基板對(duì)準(zhǔn)放在印好的焊膏上，送去再流，之后進(jìn)行清洗。焊球的直徑是0.76mm(30mil)或0.89mm(35mil)，PBGA焊球的成分為低熔點(diǎn)的63Sn37Pb(62Sn36Pb2Ag)。2021/7/130真空吸盤(pán)真空吸球

滴助焊劑放球

N2氣中回流

助焊劑清洗、分離、打標(biāo)機(jī)氮?dú)庠倭骱笭t助焊劑滴涂和置球機(jī)

BGA植球工藝流程2021/7/131引線(xiàn)鍵合TBGA的封裝工藝流程

①TBGA載帶

載帶制作：TBGA的載帶是由聚酰亞胺PI材料制成的。在制作時(shí)，先在載帶的兩面進(jìn)行覆銅，接著沖通孔和通孔金屬化及制作出圖形。然后鍍鎳和鍍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(jié)劑將載帶粘結(jié)在熱沉上。

2021/7/132②封裝工藝流程

圓片減薄→圓片切割→芯片粘結(jié)→清洗→引線(xiàn)鍵合→等離子清洗→液態(tài)密封劑灌封→裝配焊料球→回流焊→打標(biāo)→分離→最終檢查→測(cè)試→包裝裝配焊料球：用微焊技術(shù)把焊球（10Sn90Pb）焊接到載帶上，焊球的頂部熔進(jìn)電鍍通孔內(nèi)。芯片互連：面陣型芯片，用C4工藝；周邊型金凸點(diǎn)芯片，熱壓鍵合。焊接后用環(huán)氧樹(shù)脂將芯片包封。2021/7/133TBGA是適于高I/O數(shù)應(yīng)用的一種封裝形式，I/O數(shù)可為200-1000，芯片的連接可以用倒裝芯片焊料再流，也可以用熱壓鍵合。TBGA的安裝使用標(biāo)準(zhǔn)的63Sn37Pb焊膏。2021/7/134FC-CBGA的封裝工藝流程①陶瓷基板

FC-CBGA的基板是多層陶瓷基板。基板的布線(xiàn)密度高、間距窄、通孔也多，基板的共面性要求較高。主要過(guò)程是：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(xiàn)，然后進(jìn)行電鍍等。在CBGA的組裝中，基板與芯片、PCB板的CTE失配是造成CBGA產(chǎn)品失效的主要因素。要改善這一情況，除采用CCGA結(jié)構(gòu)外，還可使用另外一種陶瓷基板--HITCE陶瓷基板。HITCE-highthermalcoefficientofexpansion

2021/7/135②封裝工藝流程

圓片凸點(diǎn)的制備→圓片切割→芯片倒裝及回流焊→底部填充→導(dǎo)熱脂、密封焊料的分配→封蓋→裝配焊料球→回流焊→打標(biāo)→分離→最終檢查→測(cè)試→包裝

2021/7/136倒裝焊接特點(diǎn)：倒裝焊技術(shù)克服了引線(xiàn)鍵合焊盤(pán)中心距極限的問(wèn)題；在芯片的電源／地線(xiàn)分布設(shè)計(jì)上提供了更多的便利；為高頻率、大功率器件提供更完善的信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)：焊點(diǎn)牢固、信號(hào)傳輸路徑短、電源／地分布、I／O密度高、封裝體尺寸小、可靠性高等缺點(diǎn)：由于凸點(diǎn)的制備是在前工序完成的，因而成本較高。倒裝焊的凸點(diǎn)是在圓片上形成的。在整個(gè)加工過(guò)程中，工藝處理的是以圓片、芯片和基片方式進(jìn)行的，它不是單點(diǎn)操作，因而處理效率較高。

2021/7/137基板技術(shù)基板選擇的關(guān)鍵因素在于材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、電阻率和導(dǎo)熱率等?；迮c芯片（一級(jí)互連）之間或基板與PCB板（二級(jí)互連）之間的CTE失配是造成產(chǎn)品失效的主要原因。CTE失配產(chǎn)生的剪切應(yīng)力將引起焊接點(diǎn)失效。封裝體的信號(hào)的完整性與基片的絕緣電阻、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗有直接的關(guān)系。介電常數(shù)、介質(zhì)損耗與工作頻率關(guān)系極大，特別是在頻率>1GHz時(shí)。2021/7/138有機(jī)物基板是以高密度多層布線(xiàn)和微通孔基板技術(shù)為基礎(chǔ)制造的。特點(diǎn)：低的互連電阻和低的介電常數(shù)。局限性：①在芯片與基板之間高的CTE差會(huì)產(chǎn)生大的熱失配；②可靠性較差，其主要原因是水汽的吸附?，F(xiàn)有的CBGA、CCGA封裝采用的基板為氧化鋁陶瓷基板。局限性：①熱膨脹系數(shù)與PCB板的熱膨脹系數(shù)相差較大，而熱失配容易引起焊點(diǎn)疲勞。②它的高介電常數(shù)、電阻率也不適用于高速、高頻器件。HITCE陶瓷基板特點(diǎn)：CTE

是12.2ppm／℃；低的介電常數(shù)5.4；低阻的銅互連系統(tǒng)。綜合了氧化鋁陶瓷基板和有機(jī)物基板的最佳特性，其封裝產(chǎn)品的可靠性和電性能得以提高。2021/7/139凸點(diǎn)技術(shù)

常用的凸點(diǎn)材料為金凸點(diǎn)，95Pb5Sn、90Pb10Sn焊料球（回流焊溫度約350℃），有的也采用63Pb37Sn焊料球（回流焊溫度約220℃）。焊料凸點(diǎn)技術(shù)的關(guān)鍵在于當(dāng)節(jié)距縮小時(shí)，必須保持凸點(diǎn)尺寸的穩(wěn)定性。焊料凸點(diǎn)尺寸的一致性及其共面性對(duì)倒裝焊的合格率有極大的影響。

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