面积阵列封装_BGA和FlipChip

面积阵列封装 BGA 和Flip Chip
江南计算技术研究所 张 涛 李 莉 (无锡 214083)
摘 要 随着表面安装技术的迅速发展,新的封装技术不断出现,面积阵列封装技术成了现代封装的热门话题。

BGA 和Flip Chip 是面积阵列封装的两大类型,它们作为当今大规模集成电路
的封装形式,引起了电子组装界的关注,而且逐渐在不同领域得到应用。

BGA 和Flip Chip 的出现,适应了表面安装技术的需要,解决了高密度、高性能、多功能及高I/O 数应用的封装难题,预计随着进一步的发展,BGA 和Flip Chip 技术将成为 最终的封装技术 。

本文就BGA 和Flip Chip 的结构、类型、应用及发展等诸多方面进行了阐述。

关键词 表面安装技术 面积阵列封装 球栅阵列 倒装片
Area Array Package BGA &Flip Chip
Jiangnan Institute of Computing T echnology Zhao T ao Li Li
Abstract With the rapid development of surface mount technology,new packaging technolog ies arise continually and area array packag ing technolog y becom es the issue of contem porary package.BGA and Flip Chip are the two main categories of area array package,as a package form of larg e scale inte g rated circuit,they g ain the attention of electronic assembly industry ,and have been used in some appli cations.With BGA and Flip Chip coming forward,they accommodate to the demand of surface mount technology,and resolve the applications w ith high density ,hig h performance,multiple function and high I/O count,it is believed that w ith the further progress,BGA and Flip Chip should be the ultimate packag ing technology.in this article,m any things of BGA and Flip Chip,such as structure,type,appli cation,development etc are described.
Keywords SMT Area array package BGA Flip Chip
BGA (球栅阵列)和Flip Chip(倒装片)作为当今大规模集成电路的封装形式,逐渐引起电子组装行业的关注,并且已经在不同领域中得到应用。

随着表面安装技术的发展,器件引线间距在不断下降,传统的2 54mm 和1 27mm 间距的器件渐渐被0 5mm 的细间距器件所替代(图1),这种趋势持续至今,随之又出现有0 4mm 、0 3mm 乃至更细间距的表面安装器件。

此外,更先进的封装技术,如自动载带焊(TAB)等,可以使得引线间距降至0 2mm 或更细的间距。

随着向超细间距领域的发
展,表面安装技术受到了诸如器件间距、引线框架制造精度、设备、材料等各种因素的限制。

在芯片(die)级,为增强器件的功能和性能不得不增加I/O
数和硅片的尺寸,对于如此之高的I/O 数,如果采
DIP PLCC Q FP T AB M CP
FCA ~5DCAM
SOIC SOJ TSOP QSOP Paper-thin-Pac kage PGA BGA(Flip Chip) M CM 3D 多级组装
图1 IC 封装发展状况
张涛,男,1971年出生,1994年毕业于东南大学,工学学士,从事电子组装的研究工作。

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电子工艺技术Electronics Process T echnolog y
第20卷第1期
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用传统形式的标准间距的封装,则器件尺寸势必会相当大,而如果采用较小尺寸的封装形式,则又会引起引线间距的急剧减小。

较大尺寸封装的采用,将会使得器件在PCB上占用的面积增大,而且互联的通道会更长,难免会降低预期的使用性能,况且这些较大尺寸封装的制造并不容易,组装到PCB上的过程也并非如人们所料想的那么简单,对生产产量也会有一定的影响,从而也就增大了整个过程的组装费用。

而对于满足了较大的I/O数,但间距更小的封装,在制造和组装方面也同样存在挑战,因此,电子组装者不得不从封装尺寸、引线间距、可制造性等多方面来考虑,力求寻求更好的封装解决办法。

面积阵列封装(area array package)就是一种可以解决上述问题的封装形式,它可以在不牺牲器件可制造性的前提下提高器件的功能和性能。

QFP 器件的I/O引出端通常采用向周边走线的形式,而面积阵列封装的I/O引出端则在器件底部呈矩阵分布,I/O数的增大和封装体尺寸的减小是特别明显的,见表1和表2。

表1 封装体尺寸为20mm 20mm的不同
间距BGA和Q FP的I/O数对比
引线间距L/mm QF P器件I/O数BGA器件I/O数*
2 543264
1 2764256
0 64124961
0 501561521
0 401962401
0 253126084
注:完全分布的BGA器件I/O数
表2 I/O数为300的不同间距BGA和
Q FP的封装体尺寸对比
引线间距L/mm QF P器件封装体尺寸
L/mm
BGA器件封装体尺寸
L/mm
2 54190 5 190 545 72 45 72
1 2795 25 95 252
2 86 22 86
0 6447 625 47 62511 43 11 43
0 5038 10 38 109 144 9 144
0 4030 48 30 487 315 7 315
0 2519 05 19 057 112 7 112
从这两个表可以看出面积阵列封装在器件功能和封装尺寸方面的优点。

然而,由于面积阵列封装的I/O引出端在器件底部,所以在组装方面和QFP 又有所不同,更重要的是必须要改变相应的检测技术。

由于焊点在封装体的底部,所以传统的检测手段,如视觉检测、非向量测试、在线测试、边界扫描等都不能完全适用,到目前为止,也只有X射线才能检测出面积阵列封装焊点的大部分缺陷,而目前相应的X射线检测设备的费用一般都相当高,因此,在组装过程中,组装者都尽可能严格控制工艺参数,以期望能减少或避免焊接缺陷的形成,力求避开检测这一难题。

面积阵列封装有其不同的类型,因此也就有着不同的结构特点和组装方式。

面积阵列封装以其结构形式可分为两大类:BGA和Flip Chip。

1 BGA
BGA主要有四种基本类型:PBGA、CBGA、CC GA和TBGA,一般都是在封装体的底部连接着作为I/O引出端的焊球阵列。

这些封装的焊球阵列典型的间距为1 0mm、1 27mm、1 5mm,焊球的铅锡组份常见的主要有63Sn/37Pb和90Pb/10Sn两种,焊球的直径由于目前没有这方面相应的标准而各个公司不尽相同。

从BGA的组装技术方面来看,BGA 有着比QFP器件更优越的特点,其主要体现在BGA器件对于贴装精度的要求不太严格,理论上讲,在焊接回流过程中,即使焊球相对于焊盘的偏移量达50%之多,也会由于焊料的表面张力作用而使器件位置得以自动校正,这种情况经实验证明是相当明显的。

其次,BGA不再存在类似QFP之类器件的引脚变形问题,而且BGA还具有相对QFP等器件较良好的共面性,其引出端间距与QFP相比要大得多,可以明显减少因焊膏印刷缺陷导致焊点 桥接 的问题;另外,BGA还有良好的电性能和热特性,以及较高的互联密度。

BGA的主要缺点在于焊点的检测和返修都比较困难,对焊点的可靠性要求比较严格,使得BGA器件在很多领域的应用中受到限制。

以下就四种基本类型的BGA,从其结构特点等多方面加以阐述。

1 1 PBGA(Plastic Ball Grid Array塑封球栅阵列)
PBGA即通常所说的OM PAC(Overmolded Plastic Array Carrier),是最普通的BGA封装类型(见图2)。

PBGA的载体是普通的印制板基材,例如FR-4、BT树脂等。

硅片通过金属丝压焊方式连接到载体的上表面,然后用塑料模压成形,在载体的下表面连接有共晶组份(37Pb/63Sn)的焊球阵列。

焊球阵列在器件底面上可以呈完全分布或部分
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分布(见图3),通常的焊球尺寸0 75~0 89m m 左右,焊球节距有1 0mm 、1 27mm 、1 5mm
几种。

图2 PBGA
内部结构
图3 部分分布与完全分布示意图
PBGA 可以用现有的表面安装设备和工艺进行组装。

首先通过漏印方式把共晶组份焊膏印刷到相应的PCB 焊盘上,然后把PBGA 的焊球对应压入焊膏并进行回流,因漏印采用的焊膏和封装体的焊球均为共晶焊料,所以在回流过程中焊球和焊膏共熔,由于器件重量和表面张力的作用,焊球坍塌使得器件底部和PCB 之间的间隙减小,焊点固化后呈椭球形。

目前,PBGA169~313已有批量生产,各大公司正不断开发更高的I/O 数的PBGA 产品,预计在近两年内I/O 数可达600~1000。

PBGA 封装的主要优点:
可以利用现有的组装技术和原材料制造PB GA,整个封装的费用相对较低。

和QFP 器件相比,不易受到机械损伤。

可适用于大批量的电子组装。

PBGA 技术的主要挑战是保证封装的共面性、减少潮气的吸收和防止 popcorn 现象的产生以及解决因日趋增大的硅片尺寸引起的可靠性问题,对于更高I/O 数的封装,PBGA 技术的难度将更大。

由于载体所用材料是印制板基材,所以在组装件中PCB 和PBGA 载体的热膨胀系数(T CE)近乎相同,因此在回流焊接过程中,对焊点几乎不产生应力,对焊点的可靠性影响也较小。

目前PBGA 应用遇到的问题是如何继续减少PBGA 封装的费用,使PB
GA 能在I/O 数较低的情况下仍比QFP 节省费用。

1 2 CBGA (Ceramic Ball Grid Array 陶瓷球栅阵列)
图4 CBGA 和CCGA 的结构比较
CBGA 通常也称作SBC(Solder Ball Carrier),是BGA 封装的第二种类型(见图4)。

CBGA 的硅片连接在多层陶瓷载体的上表面,硅片与多层陶瓷载体的连接可以有两种形式,第一种是硅片线路层朝上,采用金属丝压焊的方式实现连接,另一种则是硅片的线路层朝下,采用倒装片结构方式实现硅片与载
体的连接。

硅片连接完成之后,对硅片采用环氧树脂等填充物进行包封以提高可靠性和提供必要的机械防护。

在陶瓷载体的下表面,连接有90Pb/10Sn 焊球阵列,焊球阵列的分布可以有完全分布或部分分布两种形式,焊球尺寸通常约0 89m m 左右,间距因各家公司而异,常见的为1 0mm 和1 27m m 。

PBGA 器件也可以用现有的组装设备和工艺进行组装,但由于与PBGA 的焊球组份不同,使得整个组装过程和PBGA 有所不同。

PBGA 组装采用的共晶焊膏的回流温度为183 ,而CBGA 焊球的熔化温度约为300 ,现有的表面安装回流过程大都是在220 回流,在这个回流温度下仅熔化了焊膏,但焊球没有熔化。

因此,要形成良好的焊点,漏印到焊盘上的焊膏量和PBGA 相比要多,其目的首先是要用焊膏补偿CBGA 焊球的共平面误差,其次是保证能形成可靠的焊点连接。

在回流之后,共晶焊料包容焊球形成焊点,焊球起到了刚性支撑的作用,因此器件底部与PCB 的间隙通常要比PBGA 大。

CBGA 的焊点是由两种不同的Pb/Sn 组份焊料形成的,但共晶焊料和焊球之间的界面实际上并不明显,通常焊点的金相分析,可以看到在界面区域形成一个从90Pb/10Sn 到37Pb/63Sn 的过渡区。

目前一些产品已采用了I/O 数196~625的CBGA 封装器件,但CBGA 的应用还不太广泛,更高I/O 数的CBGA 封装的发展也停滞不前,主要归咎
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于CBGA 组装中存在的PCB 和多层陶瓷载体之间的热膨胀系数(TCE)不匹配问题,这个问题的出现,使得在热循环时引起封装体尺寸较大的CBGA 焊点产生失效。

通过大量的可靠性测试,已经证实了封装体尺寸小于32mm 32mm 的CBGA 均可以满足工业标准热循环试验规范。

CBGA 的I/O 数目前限制在625以下,对于陶瓷封装体尺寸在32mm 32mm 以上的,则必须要考虑采取其它类型的BGA 。

CBGA 封装的主要优点在于:1)具有优良的电性能和热特性。

2)具有良好的密封性能。

3)和QFP 器件相比,CBGA 不易受到机械损伤。

4)适用于I/O 数大于250的电子组装应用。

此外,由于CBGA 的硅片与多层陶瓷的连接可以采用倒装片连接方式,所以可以达到比金属丝压焊连接方式更高的互联密度。

在很多情况下,尤其是在高I/O 数的应用下,ASICs 的硅片尺寸受到金属丝压焊焊盘尺寸的限制,CBGA 通过采用了更高密度的硅片互联线路,使得硅片的尺寸可以进一步减小而又不牺牲功能,从而降低了费用。

目前CBGA 技术的发展没有太大的困难,其主要的挑战在于如何使CBGA 在电子组装行业的各个领域中得到广泛应用。

首先必须要能保证CBGA 封装在大批量生产工业环境中的可靠性,其次CB GA 封装的费用必须要能和其它BGA 封装相比拟。

由于CBGA 封装的复杂性以及相对高的费用,使得CBGA 被局限应用于高性能、高I/O 数要求的电子产品。

此外,由于CBGA 封装的重量要比其它类型BGA 封装大,所以在便携式电子产品中的应用也受到限制。

1 3 CCGA(Ceramic Cloumn Grid Array 陶瓷柱栅阵列)
CCGA 也称SCC (Solder Column Carrier ),是CBGA 在陶瓷体尺寸大于32mm 32mm 时的另一种形式(见图4),和CBGA 不同的是在陶瓷载体的下表面连接的不是焊球而是90Pb/10Sn 的焊料柱,焊料柱阵列可以是完全分布或部分分布的,常见的焊料柱直径约0 5mm ,高度约为2 21mm ,柱阵列间距典型的为1 27mm 。

CCGA 有两种形式,一种
是焊料柱与陶瓷底部采用共晶焊料连接,另一种则
采用浇铸式固定结构。

CCGA 的焊料柱可以承受因PCB 和陶瓷载体的热膨胀系数TCE 不匹配产生的应力,大量的可靠性试验证实封装体尺寸小于44mm 44mm 的CCGA 均可以满足工业标准热循环试验规范。

CCGA 的优缺点和CBGA 非常相似,唯一的明显差异是CCGA 的焊料柱比CBGA 的焊球在组装过程中更容易受到机械损伤。

目前有些电子产品已经开始应用CCGA 封装,但是I/O 数在626~1225之间的CCGA 封装暂时尚未形成批量生产,I/O 数大于2000的CCGA 封装仍在开发中。

1 4 TBGA(Tape Ball Grid Array 载带球栅阵列)
图5 T BGA 内部结构
TBGA 又称为ATAB (Araay T ape Automated Bonding),是BGA 的一种相对较新的封装类型(见图5)。

TBGA 的载体是铜/聚酰亚胺/铜双金属层带,载体的上表面分布有信号传输用的铜导线,而另一面则作为地层使用。

硅片与载体之间的连接可以采用倒装片技术来实现,当硅片与载体的连接完成后,对硅片进行包封以防止受到机械损伤。

载体上的过孔起到了连通两个表面、实现信号传输的作用,焊球通过采用类似金属丝压焊的微焊接工艺连接到过孔焊盘上形成焊球阵列。

在载体的顶面用胶连接着一个加固层,用于给封装体提供刚性和保证封装体的共面性。

在倒装硅片的背面一般用导热胶连接着散热片,给封装体提供良好的热特性。

TBGA 的焊球组份为90Pb/10Sn,焊球直径约为0 65mm,典型的焊球阵列间距有1 0m m 、1 27mm 、1 5mm 几种,TBGA 与PCB 之间的组装所采用的为63Sn/37Pb 共晶焊料。

TBGA 也可以利用现有的表面安装设备和工艺,采用与CBGA 相似的组装方法进行组装。

目前常用的TBGA 封装的I/O 数小于448,TBGA736等产品已上市,国外一些大公司正在开发I/O 数大于1000的TBGA 。

TBGA 封装的优点在于:
比其它大多数BGA 封装类型更轻更小(尤其
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是I/O 数较高的封装)。

具有比QFP 和PBGA 封装更优越的电性能。

可适于批量电子组装。

此外,这种封装采用高密度的倒装片形式实现硅片与载体的连接,使TBGA 具有信号噪声小等很多优点,由于印制板和TBGA 封装中加固层的热膨胀系数TCE 基本上是相互匹配的,所以对组装后T BGA 焊点可靠性的影响并不大,TBGA 封装遇到的最主要问题是潮气的吸收对封装的影响。

T BGA 应用遇到的问题是如何才能在电子组装领域中占有一席之地,首先TBGA 的可靠性必须能在批量生产环境中予以证实,其次TBGA 封装的费用必须要能和PBGA 封装相比拟。

由于TBGA 的复杂性和相对高的封装费用,T BGA 目前主要用于高性能、高I/O 数的电子产品。

2 Flip C hip
和其它表面安装器件不同,倒装片无封装,互联阵列分布于硅片的表面,取代了金属丝压焊连接形式,硅片直接以倒扣方式安装到PCB 上。

倒装片不再需要从硅片向四周引出I/O 端,互联的长度大大缩短,减小了RC 延迟,有效地提高了电性能。

倒装片连接有三种主要类型:C4、DC4和FCAA 。

2 1 C4(Controlled Collapse Chip Connection 可控坍塌芯片连接
)
图6 C4结构形式
C4是类似超细间距BGA 的一种形式(见图6)。

与硅片连接的焊球阵列一般的间距为0 203~0 254mm,焊球直径为0 102~0 127mm,焊球组份为97Pb/3Sn,这些焊球在硅片上可以呈完全分布或部分分布。

由于陶瓷可以承受较高的回流温度,因此陶瓷被用来作为C4连接的基材,通常是在陶瓷的表面上预先分布有镀Au 或Sn 的连接盘,然后进行C4形式的倒装片连接。

C4连接不能使用目前现有的组装设备和工艺进行组装,因为97Pb/3Sn 焊球的熔化温度是
320 ,且在这种采用C4连接的互联结构中不存在
其它组份的焊料。

在C4连接中,取代了焊膏漏印,而是采用印刷高温助焊剂的方式,首先将高温助焊剂印刷到基材的焊盘或硅片的焊球上,然后硅片上
的焊球和基材上相应焊盘精确对位,通过助焊剂提供足够的粘附力来保持相对位置并直到回流焊接完成。

C4连接采用的回流温度为360 ,在该温度下焊球熔化,硅片处于 悬浮 状态,由于焊料表面张力的作用,硅片会自动校正焊球和焊盘的相对位置,最终焊料坍塌至一定的高度形成连接点。

C4连接方式主要应用于CBGA 和CCGA 封装中,此外,有些厂家在陶瓷多芯片模块(M CM C)应用中也使用这种技术。

目前采用C4连接的I/O 数在1500以下,一些公司预期开发的I/O 数将超过3000。

C4连接的优点在于:
1)具有优良的电性能和热特性。

2)在中等焊球间距的情况下,I/O 数可以很高。

3)不受焊盘尺寸的限制。

4)可以适于批量生产。

5)可大大减小尺寸和重量。

此外,C4连接在硅片和基材之间只有一个互联界面,可提供最短的、干扰最小的信号传递通道,减少的界面数量使得结构更简单,并且可靠性更高。

C4连接在技术上还存在很多挑战,真正应用于电子产品还有一定的难度。

C4连接方式只能适用于陶瓷基材,它们将在高性能、高I/O 数的产品中得到广泛的应用,例如CBGA 、CCGA 和MCM C 等。

2 2 DCA(Direct Chip Attach 直接芯片连接)DCA 和C4类似,是一种超细间距连接(见图7)。

DCA 的硅片和C4连接中的硅片结构相同,两者之间的唯一区别在于基材的选择,DCA 采用的基
材是典型的印制材料。

DCA 的焊球组份是97Pb/3Sn,连接焊接盘上的焊料是共晶焊料(37Pb/63Sn)。

对于DCA,由于间距仅为0 203~0 254mm,共晶焊料漏印到连接焊盘上相当困难,所以取
图7 DCA 结构形式
10 电子工艺技术 第20卷第1期
代焊膏漏印这种方式,在组装前给连接焊盘顶镀上铅锡焊料,焊盘上的焊料体积要求十分严格,通常要比其它超细间距元件所用的焊料多。

在连接焊盘上0 051~0 102mm厚的焊料由于是预镀的,一般略呈圆顶状,必须要在贴片前整平,否则会影响焊球和焊盘的可靠对位。

这种连接方式可以用现在的表面安装设备和工艺实现。

首先,助焊剂通过印刷方式被分配到硅片上,然后进行硅片的贴装,最后回流焊接。

DCA组装采用的回流温度约220 ,低于焊球的熔点但高于连接焊盘上的共晶焊料熔点,硅片上焊球的作用相当于刚性支撑,回流之后共晶焊料熔化,在焊球与焊盘之间形成焊点连接。

对于这种采用两种不同的Pb/Sn组份形成的焊点,在焊点中两种焊料的界面实际并不明显,而是形成从97Pb/3Sn到37Pb/63Sn 的光滑过渡区域。

由于焊球的刚性支撑作用,DCA 组装中焊球不 坍塌 ,但还具有自校正特性。

DCA 已经开始得到应用,I/O数主要在350以下,一些公司计划开发的I/O数超过500。

这种技术发展的动力不是更高的I/O数,而主要是着眼于尺寸、重量和费用的减小。

DCA的特点和C4非常相似,由于DCA可以利用现有的表面安装工艺实现与PCB的连接,所以能采用这种技术的应用很多,尤其是在便携式电子产品中的应用。

然而并不能夸大DCA技术的优点,在DCA技术的发展过程中仍有许多技术挑战。

在实际生产中使用这种技术的组装厂家为数并不多,他们都在努力提高工艺水平,以扩大DCA的应用。

由于DCA 连接把那些和高密度相关的复杂性转移到PCB上,所以给PCB的制造增加了难度,此外,专门生产带有焊球的硅片的厂家为数不多,在组装设备、工艺等各方面仍存在着很多值得关注的问题,只有这些问题得到了解决,才能推动DCA技术的发展。

2 3 FCAA(Flip Chip Adhesive Attachment倒装片胶连接)
FCAA连接存在多种形式,当前仍处于初期开发阶段。

硅片与基材之间的连接不采用焊料,而是用胶来代替。

这种连接中的硅片底部可以有焊球,也可以采用焊料凸点等结构。

FCAA所用的胶包括各向同性和各向异性等多种类型,主要取决于实际应用中的连接状况。

另外,基材的选用通常有陶瓷、印制板材料和柔性电路板等。

这种技术目前尚未成熟,在这里就不作更多的阐述。

3 结束语
综上所述,BGA和Flip Chip不仅改变了传统的引线封装形式,而且还提供了高性能、高I/O数应用中的封装解决办法,它们适应了当前表面安装技术的发展需要,必将对今后的电子组装产业产生重大的影响。

面积阵列封装技术必将发展成为一种占优势的封装技术,其在电子组装领域中的发展前景是非常广阔的。

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此项技术彻底避免了应用钎剂的不利影响,实现了在普通常用金属Cu 表面的无钎剂钎焊,具有很强的实际应用价值。

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