BGACCGA封装形式及相关标准的调研报告

精品文档名称BGA/CCGA封装形式及相关标准的调研报告编号共12页编写校对审核会签标检批准哈尔滨工业大学1. 概述 在当今信息时代，随着电子工业的迅猛发展，计算机、移动电话等产品日益普及。人们对电子产品的功能要求越来越多、对性能要求越来越强，而体积要求却越来越小、重量要求越来越轻。这就促使电子产品向多功能、高性能和小型化、轻型化方向发展。为实现这一目标，IC芯片的特征尺寸就要越来越小，复杂程度不断增加，于是，电路的I/O数就会越来越多，封装的I/O密度就会不断增加。为了适应这一发展要求，一些先进的高密度封装技术就应运而生，BGA(Ball Grid Array：焊球阵列封装技术)就是其中之一。目前BGA封装技术在小、轻、高性能封装中占据主要地位。与此同时，航空航天电子元器件除了向轻、小、高性能方向发展外，对可靠性的要求也日益增强，CCGA（Ceramic Column Grid Array：陶瓷柱栅阵列封装）作为一种高密度、高可靠性的面阵排布的表面贴装封装形式，近年来被广泛应用于以航空航天为代表的产品中。通过对BGA和CCGA器件功能特性和结构形式的了解，掌握器件基本信息，有助于提高器件在使用和返修过程中的可靠性。2. BGA封装技术 BGA封装出现90年代初期，现已发展成为一项成熟的高密度封装技术。但是, 到目前为止该技术仅限于高密度、高性能器件的封装, 而且该技术仍朝着细节距、高I/O端数方向发展。BGA封装技术主要适用于PC芯片组、微处理器/ 控制器、ASIC、门阵、存储器、DSP、PDA、PLD等器件的封装。与传统的脚形贴装器件(Leaded Device如QFP、PLCC等)相比, BGA封装器件具有如下特点：1) I/O数较多 BGA封装器件I/O数主要由封装体尺寸和焊球节距决定。由于BGA封装焊料球是以阵列形式排布在封装基片下面，因而可极大地提高器件的I/O数,缩小封装体尺寸, 节省组装占位空间。通常,在引线数相同的情况下,封装体尺寸可减小30%以上。例如:CBGA-49、BGA-320(节距1.27mm)分别与PLCC-44(节距为1.27mm)和MQFP-304 (节距为0.8mm)相比，封装体尺寸分别缩小了84%和47%，如图1所示。图1封装体尺寸对比2) 提高贴装成品率, 降低成本 传统的QFP、PLCC器件的引线脚均匀地分布在封装体的四周，其引线脚节距为1.27 mm、1.0mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm。当I/O数越来越多时, 其节距就必须越来越小。而当节距小于0.4mm时，SMT设备的精度就难以满足要求。加之引线脚极易变形，从而导致贴装失效率增加。其BGA器件的焊料球是以阵列形式分布在基板的底部的，可排布较多的I/O数，其标准的焊球节距为1.5mm、1.27mm、1.0mm，细节距BGA (fpBGA，也称CSP-BGA)，当焊料球的节距小于1.0mm时（可将其归为CSP封装）的节距为0.8mm、0.65mm、0.5mm，与现有的SMT工艺设备兼容，其贴装失效率小于10ppm。3) BGA的阵列焊球与基板的接触面大、短，有利于散热。4) BGA阵列焊球的引脚很短，缩短了信号的传输路径，减小了引线电感、电阻，因而可改善电路的性能。5) 明显地改善了I/O端的共面性, 极大地减小了组装过程中因共面性差而引起的损耗。6) BGA适用于MCM封装，能够实现MCM的高密度、高性能。7) BGA和fpBGA都比细节距的脚形封装的IC牢固可靠。2.1 PBGA介绍 BGA的封装类型多种多样, 其外形结构为方形或矩形。根据其焊料球的排布方式可分为周边型、交错型和全阵列型BGA；根据其基板的不同，主要分为三类:PBGA(Plastic ball grid array塑料焊球阵列)、CBGA/CCGA(ceramic ball/column grid array陶瓷焊球/柱阵列)、TBGA(tape ball grid array载带型焊球阵列)。PBGA封装，一般使用线焊或倒装焊工艺，它采用BT树脂/玻璃层压板作为基板,以塑料(环氧模塑混合物)作为密封材料，焊球为共晶焊料63Sn37Pb或准共晶焊料62Sn36Pb2Ag(目前已有部分制造商使用无铅焊料)，焊球和封装体的连接不需要另外使用焊料2。PBGA封装的结构示意图如图2。有一些PBGA封装为腔体结构，分为腔体朝上和腔体朝下两种。这种带腔体的PBGA是为了增强其散热性能，称之为热增强型BGA，简称EBGA，有的也称之为CPBGA(腔体塑料焊球阵列)。PBGA 封装主要包括塑封层、芯片、金线、贴片胶、基板、焊球、PCB 板等构成部分，其中PBGA 的基板载体是普通的印刷板基材，常见的有FR-4、BT树脂等。芯片采用环氧粘接材料进行粘接，引线键合通常是在芯片上采用金丝球焊，在基板上作为第二焊点，继而用模塑料注塑成形，利用低应力模塑料以减小封装产品的翘曲，将共晶组分的焊球阵列连接在基板的下表面。图2 PBGA几种典型封装结构PBGA封装的优点如下:1) 与PCB板(印刷线路板:通常为FR-4板)的热匹配性好。PBGA结构中的BT树脂/玻璃层压板的热膨胀系数(CTE)约为14 ppm/，PCB 板的约为17 ppm/，两种材料的CTE比较接近, 因而热匹配性好。2) 在回流焊过程中可利用焊球的自对准作用，即熔融焊球的表面张力来达到焊球与焊盘的对准要求。3) 成本低。4) 电性能良好。PBGA的缺点是：对湿气温度等较为敏感, 对于气密性要求和可靠性要求高的器件封装需要经过特殊处理和反复检测。基板或中间层是BGA封装中非常重要部分，除了用于互连布线以外，还可用于阻抗控制及用于电感/电阻/电容的集成。因此要求基板材料具有高的玻璃转化温度Tg(约175230)、高的尺寸稳定性和低的吸潮性，具有较好的电气性能和高的可靠性。金属薄膜、绝缘层和基板介质间还要具有较高的粘附性能。PBGA封装特性如表1所示：表1 PBGA封装特性封装形式PBGA基片BT环氧/玻璃层压板密封材料塑封材料典型焊球直径0.75mm焊料球材料63Sn37Pb/62Sn36Pb2Ag封装体尺寸1240mm节距mm1.51.271.0I/O范围75540功耗低芯片-基板的连接C4/WB导体铜与PCB板的CTE适配性不敏感湿气敏感性敏感典型接触点组装高度0.5mmPBGA封装工艺流程一般为：圆片减薄圆片切削芯片粘结等离子清洗引线键合等离子清洗模塑封装装配焊料球回流焊表面打标分离最终检查测试包装；芯片粘结采用充银环氧粘结剂将IC芯片粘结在基板上，然后采用金线键合实现芯片与基板的连接，接着模塑包封或液态胶灌封，以保护芯片、焊接线和焊盘。使用特殊设计的吸拾工具将熔点为183、直径为30mil(0.75mm)的焊料球63Sn37Pb或62Sn36Pb2Ag放置在焊盘上，在传统的回流焊炉内进行回流焊接, 最高加工温度不能够超过230。接着使用CFC无机清洗剂对基片实行离心清洗，以去除残留在封装体上的焊料和纤维颗粒, 其后是打标、分离、最终检查、测试和包装人库。上述即为PBGA典型的封装工艺过程。2.2 CCGA介绍 随着半导体器件的复杂程度越来越高，对封装技术提出了更高的要求。引脚数量、引脚密度工作频率以及功耗的不断增加，迫使传统的封装技术进行改进。这种趋势在逻辑和微处理器上特别明显，传统的封装在电性能和热性能方面已越来越不能满足要求。20世纪90年代初，陶瓷阵列封装技术从实验室开始走向商业化，并在生产技术和过程控制不断提高的推动下取得稳步发展。多层陶瓷基板的功能和扩展性，使芯片倒装技术得到应用，实现了器件的全阵列高密度封装，同时，陶瓷阵列器件的板级装配仍然沿用传统的SMT技术，因而这种先进的封装器件便快速得到了应用。陶瓷柱栅阵列CCGA(ceramic column grid array) 是在陶瓷球栅阵列CBGA(ceramic ball grid array)的基础上，进一步扩大了封装尺寸，增加了引脚数量，是目前为数不多的能批量生产的I/O数量超过1000的一种器件封装类型，在数字信号处理领域受到普遍欢迎。CCGA由基板、芯片、导热胶和焊柱组成，如图3所示。图3 CCGA结构示意图基板的主要材料是多层氧化铝陶瓷，这种材料在器件封装和板级装配时都没有特殊限制，因为它适应高温和化学处理。信号层、电源层和地层分别设置在单独的层上，经过打孔和丝印形成高温印制线和连接孔，叠加后在高温下烧结成型。CCGA基板的层数一般为740层，厚度为1.405.75 mm。氧化铝陶瓷的热膨胀系数CTE为6.510-6/，硅芯片的CTE为3.04.110-6/，两者较为接近。因此，芯片可以采用倒装在基板上的安装形式，这种形式缩短了信号通路，降低了寄生效应，使信号速度和品质得到提高。更重要的是，芯片正下方可以连接焊柱，实现了全阵列和引脚数量的提高，使得电性能得到提升。导热脂主要用于将芯片耗散热量传递到金属顶盖上。焊柱直径约0.5 mm，高度为1.27 mm或2.2 mm。根据材料不同，焊柱有两种形式，如图4所示。图左焊柱材料是90Pb10Sn(IBM公司专利)，图右焊柱材料是80Pb20Sn，并在焊柱外螺旋包裹了一层铜箔(Six-Sigma公司专利)。图4 CCGA焊柱的两种形式焊柱与基板有三种连接方式，分别称为焊线柱(Wire)、铸型柱(Cast)和CLASP焊柱(Column Last Attach Solder Process)，都是由IBM公司的设计团队开发的，如图5所示。图5 CCGA焊柱与基板连接的三种形式 焊料将90Pb10Sn高温焊柱焊接在基板上，90Pb10Sn高温焊柱（固态275，液态302）在PCB上装配后基本保持原来的高度。器件生产工艺流程中，焊线柱在最后的工序进行连接，这有利于降低焊柱在其他制作过程中可能造成的损伤，也适合于封装的自动化生产。但是焊线柱在器件返修时，焊柱两端的共晶焊料均会溶化，绝大部分的焊柱会留在PCB上，给返修造成困难。为了解决这一问题，IBM于1993年研发了铸型柱，它采用与焊柱相同材料的高温焊料将焊柱连接在基板上，就像铸造在一起的样子，这种结构使得器件返修后焊柱仍能保留在基板上。但是，由于高温的原因，基板必须在焊接芯片的同时，也与铸型柱进行焊接，然后再进行环氧胶填充和顶盖安装。这给自动化生产造成不利，且在芯片最后测试中如果发现问题需要返工时，铸型柱较难清除。 CLASP焊柱包含了上述两种结构的优点，它采用焊线柱的结构和工艺流程，只是用掺了少量Pd元素的共晶焊料替代原来的共晶焊料。这种焊料在183时是可以融化的，但形成钯锡金属化合物后，熔点会变为280。因此，器件生产时相当于使用标准共晶焊料，板级装配返修时相当于使用了高温焊料，问题巧妙地得到了解决。CCGA有两种封装标准：MO-158和MO-159。最常用的CCGA外形尺寸、阵列尺寸和I/O数量见表2。CCGA包装运输的理想状态是焊柱处于悬空状态，1.27mm间距器件包装盒一般采用阵列孔设计，1mm间距器件则采用敞开结构，因为阵列孔的误差足以引起干涉问题，因此，1mm间距器件的角部要各去掉6个焊柱并将阵列数减少1列，这些地方可成为包装盒设计的一部分。表2 CCGA几种典型尺寸外形尺寸S/mm21.27mm间距1mm间距阵列数I/O数n /个阵列数I/O数n /个32.532.52525625313193732.542.525338253141124742.542.53333108941411657CCGA安装过程和设备可参照标准SMT要求，关键步骤包括焊膏印刷、贴片、回流、清洗和检验。装配前应对CCGA和PCB进行检查，引脚氧化和弯曲变形是较为常见的现象，一般采用金相砂纸手工打磨去除引脚端面氧化，用拨片进行手工校正变形，操作过程中应特别注意防静电措施。CCGA区域PCB平面度范围一般要求在0.0250.150mm之间。典型的焊膏为63Sn37Pb共晶焊料，质量比为90%，体积比为50%。印刷在焊盘上成正方形或圆形，焊膏量见表3。CCGA的焊膏量比传统的细间距表面贴装器件的焊膏量更多，原因是焊柱会从焊盘上吸走更多的焊料。值得注意的是过多的焊料是不允许的，它会使焊柱刚化，降低可靠性。激光切割的模板比化学腐蚀的模板更容易控制焊膏的印刷厚度，印刷焊膏后应进行检验。表3 IBM推荐的焊接CCGA的焊膏量引脚间距b/mm最小焊膏量V/cm3最佳焊膏量V/cm3最大焊膏量V/cm31.000.0310.060.781.270.0470.0780.0880.12回流焊接是CCGA组装工艺过程中的关键步骤，回流曲线应参照焊膏供应商推荐的要求，同时兼顾CCGA的焊接工艺特点。CCGA热容量较大，且引脚密集，外层引脚和内层引脚间的温度有一定差别，要保证所有焊点同时达到良好的焊接，又不能超过允许的承受温度。Actel公司推荐的器件表面最高温度约为218，焊柱最高温度约为212，PCB表面的最高温度约为233。当PCB上有其他热敏感器件，无法同时回流焊接时，热敏感器件通常采取手工焊接的方法。CCGA检验一般采用10倍放大镜对外侧焊点进行检查，除焊点外表常规要求外，应特别注意焊料须75%覆盖焊柱表面，个别焊柱的弯曲与其他焊柱相比不能超过5，但所有焊柱倾斜不超过10是可接受的。3. BGA/CCGA器件考核标准 通过查阅关于电子元器件封装可靠性的JEDEC标准、国家军用标准、美国军用标准、NASA标准以及欧洲航天局ESCC相关标准，结合58所相关器件的考核评价体系和经验，筛选出以下考核项目作为备选，用于BGA/CCGA器件筛查检验：3.1 标准：GJB548B-2005 名称：GJB548B-2005 合格制造厂认证用半导体集成电路通用规范范围：此标准规定了军用微电子器件的环境、机械、电气试验方法和试验程序以及为保证微电子器件满足预订用途所要求的质量和可靠性而必须的控制和限制措施。相关考核项目：1） 耐溶剂性（方法2015.1）目的：验证当器件受到溶剂作用时，其标志是否会变模糊。溶剂不得引起材料或涂覆发生有害的、机械的或电的损坏或者变质。2） 内部目检和结构检查（方法2014）目的：验证内部材料、设计和结构是否符合适用的订购文件要求。本试验是破坏性试验，通常是在对特定器件型号进行鉴定或质量一致性检验时，采用抽样的方式进行，以证明是否与订购文件一致，并暴露未经文件规定的元件型号的变更。3） 键合强度（方法2011.1试验条件F）目的：测量键合强度，评估键合强度分布或测定键合强度是否符合适用的订购文件的要求。本试验可应用于采用低温焊、热压焊、超声焊或有关技术键合的、具有内引线的微电子器件封装内部的引线芯片键合、引线基板键合或内引线封装引线健合。它也可应用于器件的外部键合，如器件外引线基板或布线板的键合，或应用于不采用内引线的器件(如梁式引线或倒装片器件)中的芯片基板之间的内部键合。4） 倒装片拉脱试验（方法2031）目的：本试验的目的是测量采用面键合结构进行连接的半导体芯片与基板之间的键合强度。5） X射线照相（方法2012.1）目的：用非破坏性的方法检测封装内的缺陷，特别是密封工艺引起的缺陷和诸多如多余物、错误的内引线连接、芯片附着材料中的或采用玻璃密封时玻璃中的空洞等内部缺陷。本方法为半导体器件和混合集成电路的X射线照相检查确立了适用的方法、判据和标准。6） 超声检测（方法2030）目的：通过声学连续性测量实现非破坏性检测半导体器件芯片的粘接材料中的未粘附区域和空洞。本试验为半导体器件的超声检测规定了方法和判据。7） 外形尺寸（方法2016）目的：验证器件的外形尺寸是否符合有关文件的要求。8） 引线牢固性（方法2004.2 试验条件D）目的：测定微电子器件的引线(引出端)、焊接和密封的牢固性。9） 热冲击（方法1011）目的：确定器件在遭到温度剧变时的抵抗能力，以及温度剧变产生的作用。10） 温度循环（方法1010）目的：测定器件承受极端高温和极端低温的能力，以及极端高温与极端低温交替变化对器件的影响。11） 引线镀涂附着力（方法2025）目的：本项破坏性试验是用于确定引线主(外)涂覆层和内涂覆层的牢固性。12） 盐雾（方法1009.2 试验条件A 针对PBGA器件）目的：模拟海边空气对器件影响的一个加速的腐蚀试验。3.2 标准：GJB7677-2012 名称：GJB7677-2012 球栅阵列（BGA）试验方法范围：此标准规定了球栅阵列（BGA）的相关试验方法，适用于采用BGA封装形的器件。 相关考核项目：1） 焊球/柱共面性目的：测定BGA焊球/CCGA焊柱的共面度。2） 焊球拉脱目的：测量BGA焊球的抗拉脱能力。本试验方法适用于任何焊球成分(SnPb、SnAgCu等)或结构类型（焊球合金、外涂有机物且内为金属的焊球等）。器件的基板材料可以是有机或无机化合物。底部的焊盘有可能采用电镀、淀积、涂覆等方式进行表面处理。3） 焊球/柱剪切目的：测量BGA焊球/CCGA焊柱的抗剪切能力。3.3 标准：GJB7400-2011名称：GJB7400-2011 合格制造厂认证用半导体集成电路通用规范范围：此标准未规定具体考核项目，但规定了半导体集成电路的通用要求，包括器件应满足的质量和可靠性保证的要求，承制方列入合格制造厂目录应满足的要求。此规范是以过程基线的认证为依据，从设计、晶圆制备、封装等各个工艺过程提出具体要求，强调工艺在线监控、统计过程控制（SPC）等，以保证器件的质量和可靠性。3.4 标准：MLD-STD-883（针对PBGA器件）名称：MIL-STD-883E Test method standard microcircuits （集成电路标准试验方法）范围：此标准统一规定了微电子器件的