浅析球栅阵列封装技术及其运用

浅析 球栅阵列 封装技术及其运用

阮洋 吴信振

中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽省 合肥市 230000

前言

目前，随着电子行业的快速发展，通讯及通信技术，空间技术，海外探测技术的发展及人们生活水平的提高，给电子设备提出了向微小型化和轻量化发展的要求，电子设备的微小型化，轻型化发展使电子封装技术面临着新的挑战。这时候，微电子球栅阵列（BGA)尺寸封装的出现，也就逐渐成为高端IC封装的主流技术。

关键词：表面贴装 球栅阵列 锡球类型 BGA阵列

一 表面封装技术的发展

表面贴装技术自80年代以来，在电子工业中得到了广泛应用和发展，微电子封装技术也逐步向体积小，重量轻，厚度薄，信号传输速度快，可靠性高的方向发展，在短短几十年间，芯片封装从插装型器件到表面贴装型元件已经更新了好几代，传统的封装形式日益成为芯片技术发展的枷锁，而先进的封装技术越来越凸显出其重要的地位，一般而言，微电子封装技术的发展大概分为下面三个阶段：

第一阶段，80年代以前封装的主体技术是针脚，其特点是插孔安装到印刷电路板上，其主要类型是有单列直插封装（SIP)，双列直插封装（DIP) ，它的不足之处是密度，频率难以提高，不能满足高频率自动化生产的要求.

第二阶段，从80年代中期开始出现了表面贴装技术（SMT），它改变了传统的DIP插装形式，通过细微的引线将集成电路贴装在印制板上从而大大的改善了IC的电气特性，提高了生产的自动化程度，并且其封装密度也有所提高，体积有所减小，一举成为当时最热门的封装技术，虽然表面贴装有上述众多优点，但在封装密度，IC数以及电路频率方面还是难以满足微处理器的发展要求。

第三阶段，从90年代到目前为止，封装发展史上的第二次飞跃就器件封装而言，随着其尺寸的进一步小型化，微细化，出现了许多新型的封装技术和封装形式，这些新技术大多采用阵面引脚，封装密度大大提高，其中最具代表性的是球栅阵列封装（BGA）和芯片(QFN)和多芯片组成等技术.

二 BGA封装

1．定义：什么是球栅阵列封装（简称：BGA）？

球栅阵列是一个表面没有引线的安装设备（SMD）组件。该SMD封装采用一系列金属球，这些金属球由焊料制成，称为焊球，用于互连。这些焊球固定在封装底部的层压基板上。

BGA的芯片通过引线键合或倒装芯片技术连接到基板。 BGA的内部部分由内部导电金线组成，这些导线连接芯片与衬底的键合以及衬底与球的阵列键合。

在BGA中，引脚被替换为由焊锡球制成的金属球。金属球的球径尺寸根据焊盘与信号的需求而定。

2：BGA特征，与传统的脚型贴装器件相比，BGA封装器件具有如下特点：

1. 成品率高。采用BGA可将细间距QFP的焊点失效率200×10^-6再减小到两个数量级，且无需对工艺做大的改动。

2. 设备简单，BGA焊点的中心距一般为1.27毫米，可以利用现有smt工艺设备，而QFP引脚中心距如果小到0.3毫米是引腿间距只有0.15毫米，则需要很精密的贴装设备以及完全不同的焊接工艺，并且实施起来极为困难。

3. 引脚数量大。改进了器件引脚数和本体尺寸的比例，例如边长为31毫米的BGA当间距为1.5毫米时，有400只引脚，而当间距为一毫米时有900只引脚，相比之下，边长为32毫米，引脚间距为0.55的QFP只有208只引脚。

4. 共面损坏小，明显改善共面问题，减少共面损坏

5. 引脚牢固。BGA引脚牢固，不像QFP那样存在引腿变形的问题

6. 电性能好。BGA引腿很短时，信号路径短，减少了引线电感和电容，增强了电性能。

7. 散热性好，球形触点阵列有利于散热

8. 封装密度高，BGA适合MCM的封装需要，有利于实现MCM的高密度，高性能。

2.2.1表面封装平面图

3：焊接过程：在PCB组装过程中，首先印刷焊膏，选择合适的焊料将焊膏涂覆在PCB 上，在使用回流焊炉通过回流焊工艺将BGA焊接到电路板上。在此过程中，焊球在回流焊炉中熔化。必须施加足够的热量以确保所有球在网格中熔化足以使每个BGA焊点形成牢固的粘合。熔融球的表面张力有助于保持封装在PCB上的正确位置对齐，直到焊料冷却并凝固。固体焊点需要采用最佳温度控制BGA焊接工艺，并防止焊球相互短路。精确选择焊料合金的成分和焊接温度，使焊料不会完全熔化，但保持半液态，使每个焊球与其相邻的焊球保持分离。

印刷焊膏 贴装器件 回流焊接 检验

2.3.1BGA焊接过程

3. BGA 器件类型及工艺过程

目前BGA器件主要有陶瓷封装(Ceramic Ball Grid Array简称CBGA),和塑料封装（Plastic Ball Grid Array简称PBGA）两种类型，它们分别是采用陶瓷或塑料作为基片的集成芯片，其中陶瓷基片具有热传导性能好，热障系数小等特点，因而具有比塑料基片更好的电性能，机械性能，热问题，热稳定性能及良好的可靠性等。

3.1.1常见的BGA阵列

BGA表面封装技术的工艺可分为三部分。包括器件的制作，PCB的制作以及焊接过程，BGA器件及PCB设计和制作，一般可按半导体集成芯片和PCB的一般制作工艺方法制作:BGA器件及PCB的质量，将直接影响设备的性能，BGA的焊接过程是封装技术的关键，一般表面封装技术的焊接方式有两种，即波峰焊接和回流焊接。在BGA封装技术中，一般采用的是回流焊接，在焊接过程中回流温度和回流时间的选择对BGA的性能有较大的影响，温度太高会损坏器件的性能，并影响产品的质量，温度太低有时焊料接触不好，焊球不重熔，接触电阻增加。因此，一般我们会根据焊球的熔点（锡球：有铅锡球和无铅锡球两种情况）确定，确定焊接温度以及焊接时长。

结语：近几年随着科技的不断发展，市场上越来越多的电子产品都需要运用起SMT 技术，随之而来的，BGA的使用率也开始逐年增加，应用技术也越来越成熟，得到了越来越多人的认可，未来微电子产业也将会有一个革命性的发展和突破。

参考文献

1.BGA类元件的SMT工艺要点 中电集团电子七所 庞双枝 2003年技术论坛会

2.球珊阵列尺寸封装的有限元法模拟及焊点的寿命预测分析 20200926浙江工业大学