BGA热疲劳仿真报告

1.1 电子封装发展过程

为了便于晶体管在电路中使用和焊接，要有外壳外接引脚；为了固定半导体芯片，要有支撑它的外壳底座；为了防护芯片不受大气环境污染，也为了使其坚固耐用，就必须有把芯片密封起来的外壳等，这样产生了微电子封装技术。概括起来，微电子封装技术经历了以下几个发展阶段：

第一阶段：20世纪60、70年代，IC芯片的制造还处于初始阶段，集成度很低，对IC封装没有更多的要求。此阶段采用了以双列直插(DIP)为主，以单列直插式(SU）与针栅阵列(PGA)为辅的封装。特点是封装尺寸大，占印刷电路板(PCB)面积大，集成度和频率难以提高。

第二阶段：进入80年代，出现了表面组装技术(SMT)，该技术以回流焊代替波峰焊，进一步提高了PCB成品率，对IC的封装提出了新要求，开发出了塑封有引线芯片载体(PLCC)、四边引出线扁平封装(QFP)的紧凑型封装。

第三阶段：90年代中前期，随着个人计算机的普遍使用，带来了计算机产业质与量上的重大变化，原有的PLCC、QFP、封装上的系统(SOP)已不能满足它的发展要求，从而进一步引入了更小更薄的封装形式：窄间距小外形封装(SSOP)、窄间距四边引出线扁平封装(SQFP)、内引线的球栅阵列(BGA)封装及壳内系统封装(SIP)。特别是BGA封装形式，使IC引出脚大大增加。至此，多年来一直大大滞后于芯片发展的微电子封装，由于BGA的开发成功而终于能够适应芯片发展的步伐。

第四阶段：IT产业的不断繁荣，促进了电子设备向高性能、高集成、高可靠性方向发展，而支持其发展的关键技术就是IC组装技术。封装技术进入了高速发展期，先进的封装技术和形式不断涌现，如多芯片组件技术(MCM)、芯片尺寸封装技术(CSP)、芯片直接贴装技术（DCA)、晶圆规模集成技术(WSI)等。其中，CSP主要是由BGA向小型化、薄型化方向发展而形成的一类崭新的封装形式。

1.2 电子封装分级

从一个晶体管到几个集成电路板，电子封装技术可以分为以下五级：

(1)零级封装。包括芯片粘接和芯片互连技术。芯片粘接只需将芯片固定安装在基板上，方法有Au-Si合金共熔法、Pb-Sn合金片焊接法、导电胶粘接法、有机树脂基粘接法；芯片互连技术包括引线键合(Wire Bonding)、载带自动焊(Tape Automated Bonding)和倒装焊腰（Flip Chip Bonding)--种。

(2)一级封装。它是将一个或多个IC芯片用适宜的材料(金属、陶瓷、塑料或

它们的组合)封装起来，同时在芯片的焊区与封装的外引脚间用上述三种芯片互连方法连接起来，使之成为有实用功能的电子元器件或组件。该级封装包括封装外壳制作在内的单芯片组件(SCM)和多芯片组（MCM)两大类，在各个不同的发展时期都有相应的封装形式．

(3)二级封装。这一级封装实际上是组装，即将上一级各种微电子封装产品、各类元器件及板上芯片(Chip On Broad)--同安装到PWB或其他基板上。该级组装技术包括通孔安装技术(THT)、表面安装技术（SMT）和芯片直接安装技术(DCA)三部分。

(4)三级封装。这是一级密度更高、功能更全、更加庞大复杂的组装技术，是由二级组装的各个插板或插卡再共同插装在一个更大的母板上构成的，是一种立体组装技术。

(5)三维(3D)封装。以上所述的几种微电子封装技术都是在xy平面内实现的二维(2D)封装。由于电子产品小型化、轻型化、薄型化等高密度封装的要求，电子封装必然要在二维的基础上向z方向发展，形成三维封装技术。3D封装主要包括三种方法：埋置型、有源基板型和叠层法。

在零级和一级封装中，倒装焊(FCB)技术得到了广泛应用，该技术是最有前途的一种芯片互连技术，它比WB和TAB的综合性能高，是正在迅速发展和应用的高新技术。

图1-1

图1-1给出了印刷电路板上的塑料球栅阵列(PBGA)、芯片尺度封装(CSP)和直接芯片贴装(DCA)结构示意图。PBGA和CSP都是高密度器件封装，而DCA 则省略了器件封装这一环节。

2.1 BGA封装简介

球形触点阵列(BGA)是近几年才迅速发展起来的最新表面安装技术中的一类封装形式。它是在基板的背面按阵列方式制出球形触点作为引脚，在基板正面装配集成电路，而形成的一种表面贴装技术。

按基板材料的类型，BGA的封装类型主要有：塑料球栅阵列(Plastic Ball Grid Array，简称PBGA)、陶瓷球栅阵列(Ceramic Ball Grid Array，简称

CBGA)、陶瓷柱栅阵列(Ceramic Column Grid Array，简称CCGA)、载带自动键合球珊阵列(Tape Automatic Ball Grid Array，简称TBGA)。BGA焊球直径有0.89mm和0.76mm等多种，间距通常由1.27mm和1.Omm。这种封装器件具有以下特点：

1．器件引脚很短，使信号路径短，减小了引线电感和电容，增强了电性能；

2．改善共面问题，再流焊时具有自对正效应；

3．能与原有的SMT贴装工艺和设备兼容，原有丝印机、贴片机和再流焊设备都能使用；

4．BGA适合MCM的封装需要，有利于实现MCM的高密度、高性能。

当然，BGA本身尚具有一些不尽人意之处：

1．焊点隐藏在封装之下，焊点质量检测困难：

2．BGA的返修需要专用设备；

3．BGA的可靠性问题。

2.2.1 CBGA

与铜或合金引脚(线)相比，球形焊点更便宜，也非常适应SMT生产技术的要求，因此各大芯片制造公司(如Motorola，IBM，Hitachi，NEC等)纷纷将PGA(Pin Grid Array)针栅阵列封装中的插针用焊球来代替，从而演变出CBGA陶瓷球栅阵列封装。陶瓷封装因其良好的气密性，而主要应用于军事领域。CBGA采用了多层陶瓷基底，并使用了两种不同的焊点连接方式。一种是在小一点的陶瓷基片上，采用了球形焊点：另一种连接方法是更大的陶瓷基片上采用柱形焊点，它现在被称为陶瓷柱形网格阵列封装(Ceramic Column Grid Array，CCGA)。

图2-1 典型CBGA结构示意图