BGA焊盘设计的工艺性要求

BGA焊盘设计的工艺性要求

引言

设计师们在电路组件选用BGA器件时将面对许多问题；印制板焊盘图形，制造成本，可加工性与最终产品的可靠性。组装工程师们也会面对许多棘手问题是;有些精细间距BGA器件甚至至今尚未标准化，却已经得到普遍应用。本文将要阐述是使用BGA器件时，与SMT组装工艺一些直接相关的主要问题（特别当球引脚阵列间距从1.27mm减小到0.4mm）,这些是设计师们必须清楚知道。

使用BGA封装技术取代周边引脚表贴器件，出自于为满足电路组件的组装空间与功能的要求。例如周边引脚器件QFP，引脚从器件封装实体4条周边向外伸展。这些引脚提供器件与PCB间的电路及机械的连接。BGA器件的互连是通过器件封装底部的球状引脚实现的（如图1所示）。球引脚可由共晶Pb/Sn合

金或含90%Pb的高熔点材料制成。

图 1 从QFP至WS-CSP封装演变,芯片与封装尺寸越来越小。

一般BGA器件的球引脚间距为1.27mm(0.050″)―1.0mm(0.040″)。小于1.0mm(0.040″) 精细间距, 0.4mm(0.016″)紧密封装器件已经应用。这个尺寸表示封装体的尺寸已缩小到接近被封装的芯片大小。封装体与芯片的面积比为1.2:1。此项技术就是众所周知的芯片级封装（CSP）或称之为精细间距BGA （F BGA）。芯片级封装的最新发展是晶圆规模的芯片级封装（WS-CSP），CSP的封装尺寸与芯片尺寸相同。

BGA封装的缺点是器件组装后无法对每个焊点进行检查，个别焊点缺陷不能进行返修。有些问题在设计阶段已经显露出来。随着封装尺寸的减少，制造过程的工艺窗口也随之缩小。

周边引脚器件封装已实现标准化，而BGA球引脚间距不断缩小，现行的技术规范受到了.限制，且没有完全实现标准化。尤其精细间距BGA器件，使得在PCB布局布线设计方面明显受到更多的制约。综上所述，设计师们必须保证所选用的器件封装形式能够SMT组装的工艺性要求相适应。

通常，制造商会对某些专用器件提供BGA印制板焊盘设计参数，于是设计师只能照搬,使用没有完全成熟的技术。当BGA器件尺寸与间距减小，产品的成本趋于增高，这是加工与产品制造技术高成本的结果。设计师必须对制造成本，可加工性与可靠性进行巧妙处理。

为了支持BGA器件的基本物理结构，必须采用先进的PCB设计与制造技术。信号线布线原先是从器件周边走线，现应改为从器件底部下面PCB的空闲部分走线,这球引脚间距大的BGA器件并不是难题，球引脚阵列的行列间有足够的信号线布线空间。但对球引脚间距小的BGA器件，球引脚间内部信号只能使用更窄的导线布线（图2）。

图 2 板面走线的焊盘图形设计

阵列最外边行列球引脚间的空间很快被走线塞满。导线的最小线宽与间距是由电性能要求与加工能力决定，所以这种布线设计的导线数量是有限制的。为解决导线与线距问题，可以结合其他一些设计方法，其中包括狗骨通孔焊，通孔焊盘图形设计（图 3 / 图4）

图 3 狗骨通孔，通孔焊盘图形

图 4 狗骨通孔，通孔焊盘截面图示

狗骨通孔图形的导线走向连接空孔或印制板直通孔。通孔镀复导电层，提供与内层布线连接构成通路。另一种变形的狗骨通孔图形是通孔焊盘图形，从印制板顶面与第二层或第三层钻孔相通，镀复导电层构成通路，这两种图形的连线方法使得信号直接由焊盘与内层相连接。看起来这种图形连接方法简单，却直接受到加工能力，制造成本与组装工艺等因素的制约。

上述讨论的导线与线距问题，并非所有制造商都有能力解决这些设计问题。PCB上的电学与非电特征图形的位置配准成为关键要素，包括制造工艺的可靠性。例如；阻焊膜层的对准是极其重要的，阻焊层不能超出设计要求而侵入焊盘图形，大尺寸面积PCB板的阻焊膜层对准难度增加,也驱动了制造成本的升高。表 1 概括PCB狗骨通孔/通孔焊盘图形设计的比较；

设计狗骨通孔通孔焊盘

使用类型球引脚间距≥0.75mm 球引脚间距≤0.75mm

优点宽间距大尺寸BGA减少互连层数

激光钻孔，制造过程可靠性变化

缺点通孔成形加工与PCB厚度，

及通孔直径/孔高比相关

成本中等，当器件尺寸小，PCB厚度增加时，成

高等，小批量加工需要技术与能力

本提高

限制性受印制板厚度，焊盘间的间距空间限于1-2层

PCB制造产能优良，图形细节可靠稳定清晰，依赖于激光打孔与电镀工艺的精度

组装因素返工――通孔与焊盘间的连线可靠如通孔形装太圆，一般会增加空隙

焊接可靠性优良，技术成熟，工艺参数控制适宜，一些未知因素

表1狗骨通孔/通孔焊盘设计的比较

印制板SMT组装工艺

PCB组装工艺直接或间接受到BGA器件，及BGA贴装随之带来印制板设计要素变化的影响。使用先进BGA 器件需要采用更为复杂的组装技术。这些组装技术能经受过程优化，例如焊膏印刷模板设计必许满足焊膏转印量的一致性要求。如贴装设备的视觉系统不能胜任BGA球引脚阵列器件贴装要求,SMT组装设备需要更新升级，。有关BGA器件SMT组装流程的一些特定要素，设计师能够影响的范围在表2中概括列示；SMT组装工序设计影响程度设计减轻措施

焊膏印刷直接制造商与组装厂间相互协调设计合理的BGA焊盘图形设

计

工艺产能直接尽可能选用大引脚间距的封装器件

共面性受限制尽可能选用大直径球引脚封装器件

检查受限制尽可能选用高支承高度的封装器件

返工直接制造商与组装厂间相互协调提供合适的空间，不纳入技术

条件

测试受限制无

装载/传送直接BGA安装位置偏离PCB边沿或高应力区

表 2 设计对BGA工艺的影响

l 焊膏模板印刷

当使用精细间距BGA器件，PCB连接BGA器件球引脚的焊盘尺寸（或BGA封装基板焊盘）也随之减小。BGA器件焊膏印刷模板窗口尺寸，一般采用与PCB焊盘大约1:1的尺寸比。PCB使用小的间距与焊盘，模板窗口尺寸也随之减小。模板窗口形态比（窗口宽度与孔厚比或窗口面积与孔壁面积比）表示印刷过程焊膏脱模的能力。

对于一个给定厚度的模板而言，存在一个临界窗口开孔尺寸（或窗口形态比），低于此值，焊膏将部分脱模，或全部不能脱模。因此当BGA焊盘减小，模板设计变得更加关键。设计师应与制造商及组装厂相互协调决定合适的解决方法，防止潜在的危险。

l 工艺产能

使用精细间距BGA器件，组装工艺的优化成为关键。发展可靠的组装工艺是工艺窗口缩小的最大需要。在大批量组装生产中，精细BGA器件的数量有限，BGA的产能期望值没有被表征。间距≥1.0mm的BGA器件已有许多数据，这些器件的数据分析表明组装工艺优化的结果是优良的，甚至要比其他SMT引脚器件更好。重要的是应该意识到有些贴装设备没有能力贴装精细间距BGA器件，因为这些设备视觉系统的软件与硬件不能正确对准球引脚，直接影响组装的产能。在允许的范围内，应尽可能选用最大间距的BGA器件封装，以提高获得最高产能的可能性。而且最大BGA封装尺寸，最大焊点尺寸将具有优良的焊接可靠性，且较容易进行检查。

l 共面性

由于封装‘超差’，BGA器件的球引脚的变量很大，这样在组装过程可能造成共面性问题；在球引脚阵列中，若某个球引脚尺寸要比其他球引脚小很多，此引脚就不可能形成正确的焊点，结果在再流焊后导致开路。这类缺陷可使用X射线检测系统被检查出来,整个器件需要返修,此类问题单靠设计改善，则也难以避免。

l 焊后检查

BGA器件焊后检查是很困难的，特别是BGA器件阵列的内行列的球引脚焊点是无法视觉观察到的，有些工具可检查BGA器件再流焊后的焊点，但可见视场有限。