BGA和CSP的封装技术.ppt

第5章BGA和CSP的封装技术 5 1BGA的基本概念 特点和封装类型 BGA BallGridArray 即 焊球阵列 它是在基板的下面按阵列方式引出球形引脚 在基板上面装配LSI芯片 有的BGA引脚端与芯片在基板同一面 是LSI芯片用的一种表面安装型封装 5 1 1BGA的基本概念和特点 Motorola1 27mm引脚间距的CBGA BGA具有以下特点 1 失效率低 使用BGA 可将窄节距QFP的焊点失效率减小两个数量级 且无需对安装工艺作大的改动 2 BGA焊点节距一般为1 27mm和0 8mm 可以利用现有的SMT工艺设备 3 提高了封装密度 改进了器件引脚和本体尺寸的比率 1 27mm间距的CBGA器件 4 由于引脚是焊球 可明显改善共面性 大大地减少了共面失效 5 BGA引脚牢固 不像QFP那样存在引脚易变形问题 6 BGA引脚很短 使信号路径短 减小了引脚电感和电容 改善了电性能 7 焊球熔化时的表面张力具有明显的 自对准 效应 从而可大为减少安装 焊接的失效率 8 BGA有利于散热 9 BGA也适合MCM的封装 有利于实现MCM的高密度 高性能 BGA封装按基板的种类 分为 PGBA 塑封BGA CBGA 陶瓷BGA CCGA 陶瓷焊柱阵列 TBGA 载带BGA MBGA 金属BGA FCBGA 倒装芯片BGA 和EBGA 带散热器BGA 等 5 1 2BGA的封装类型和结构 PBGA封装结构如图所示 焊球做在PWB基板上 在芯片粘接和WB后模塑 采用的焊球材料为共晶或准共晶Pb Sn合金 焊球的封装体的连接不需要另外的焊料 PBGA封装的优点如下 1 和环氧树脂电路板的热匹配性好 2 对焊球的共面要求宽松 因为焊球参与再流焊时焊点的形成 3 安放时 可以通过封装体边缘对准 4 在BGA中成本最低 5 电性能良好 6 与PWB连接时 焊球焊接可以自对准 7 可用于MCM封装 PBGA封装的缺点主要是对湿气敏感 下图为CBGA封装结构 最早源于IBM公司的C4倒装芯片工艺 采用双焊料结构 用10 Sn 90 Pb高温焊料制作芯片上的焊球 用低熔点共晶焊料63 Sn 37 Pb制作封装体的焊球 此方法也称为焊球连接 SBC 工艺 CBGA封装的优点如下 1 可靠性高 电性能优良 2 共面性好 焊点成形容易 3 对湿气不敏感 4 封装密度高 焊球为全阵列分布 5 和MCM工艺相容 6 连接芯片和元件的返修性好 CBGA封装的缺点是 1 由于基板和环氧树脂印制电路板的热膨胀系数不同 因此热匹配性差 CBGA FR4基板组装时 热疲劳寿命短 2 封装成本高 如图为CCGA封装结构 CCGA是CBGA的扩展 它采用10 Sn 90 Pb焊柱代替焊球 焊柱较之焊球可降低封装部件和PWB连接时的应力 这种封装具有清洗容易 耐热性能好和可靠性高的特点 P123图5 4为TBGA封装结构 TBGA封装是载带自动焊接技术的延伸 利用TAB实现芯片的连接 TBGA封装的优点如下 TBGA封装的优点如下 1 尽管在芯片连接中局部存在应力 但总体上和环氧树脂印刷电路板热匹配性较好 2 是最薄型的BGA封装 可节省安装空间 3 是经济型的BGA封装 TBGA封装的缺点是 1 对湿气敏感 2 对热敏感 下图为FCBGA封装结构 FCBGA通过FC实现芯片与BGA衬底的连接 FCBGA有望成为发展最快的一种BGGA封装 其优点如下 1 电性能优良 如电感 延迟较小 2 热性能优良 背面可安装散热器 3 可靠性高 4 与SMT技术相容 封装密度高 5 可返修性强 6 成本低 EBGA与PBGA相比较 PBGA一般是芯片正装 而EBGA是芯片倒装 芯片背面连接散热器 因此耗散功率大 它的特点主要是性能优于PBGA 其他性能基本与PBGA相似 5 2BGA的封装技术 PBGA中的焊球做在PWB基板上 在芯片粘接和WB后模塑 下面以OMPAC为例 简要介绍BGA的制作过程 如图为Motorola公司生产的OMPAC 模塑BGA 的结构示意图 其制作过程如下 5 2 1BGA的封装技术 OMPAC基板的PWB 材料是BT树脂或玻璃 BT树脂或玻璃芯板被层层压在两层18um厚的铜箔之间 然后钻通孔和镀通孔 通孔一般位于基板的四周 用常规的PWB工艺在基板的两面制作图形 导带 电极以及安装焊球的焊区阵列 然后形成介质阻焊膜并制作图形 露出电极和焊区 基板制备完之后 首先用含银环氧树脂 导电胶 将硅芯片粘到镀有Ni Au的薄层上 粘接固化后用标准的金丝球焊机将IC芯片上的铝焊区与基板上的镀Ni Au的焊区用WB相连 然后用填有石英粉的环氧树脂模塑料进行模塑包封 固化之后 使用一个焊球自动拾放机将浸有焊剂的焊球 预先制好 安放到各个焊区 用常规的SMT再流焊工艺在N2气氛下进行再流 焊球与镀Ni Au的PWB焊区焊接 在基板上装配焊球有两种方法 球在上 和 球在下 OMPAC采用的是前者 先在基板上丝网印制焊膏 将印有焊膏的基板装在一个夹具上 用定位销将一个带筛孔的顶板与基板对准 把球放在顶板上 筛孔的中心距与阵列焊点的中心距相同 焊球通过孔对应落到基板焊区的焊膏上 多余的球则落入一个容器中 取下顶板后将部件送去再流 再流后进行清洗 球在下 方法被IBM公司用来在陶瓷基板上装焊球 其过程与 球在上 相反 先将一个带有以所需中心距排列的孔 直径小于焊球 的特殊夹具 小舟 放在一个振动 摇动装置上 放入焊球 通过振动使球定位于各个孔 在焊球位置上印焊膏 再将基板对准放在印好的焊膏上 送去再流 之后进行清洗 焊球的直径一般是0 76mm 30mil 或0 89mm 35mil PBGA焊球的成分为低熔点的63 Sn 37 Pb OMPAC为62 Sn 36 Pb 2 Ag 承载体由PI载带制成 载带上冲孔 电镀通孔 两面进行铜金属化 再镀Ni和Au 将带有金属化通孔和再分布图形的载带分割成单体 用微焊技术把焊球 10 Sn 90 Pb 焊接到载带上 焊球的顶部熔进电镀通孔内 载带外引线区粘上一个加强环 芯片的安装 面阵型芯片 用C4工艺 周边型金凸点芯片 热压键合 焊接后用环氧树脂将芯片包封 在PWB上组装TBGA 丝网印制焊膏 检查所印制的焊膏 在PWB上安放TBGA 自动安装机 再流焊 清洗 检查焊点 周边焊点用立体显微镜目检 用透射X射线可检查内部焊点缺陷 如桥连 焊球孔隙等 5 2 2TBGA的封装技术 TBGA是适于高I O数应用的一种封装形式 I O数可为200 1000 芯片的连接可以用倒装芯片焊料再流 也可以用热压键合 TBGA的安装使用标准的63 Sn 37 Pb焊膏 5 2 3CBGA和CCGA的封装技术 1 CBGA的封装技术 1 CBGA封装结构特点 CBGA封装结构如下图 与PBGA和TBGA相比 主要区别在于 CBGA的基板是多层陶瓷布线基板 PBGA的基板是BT多层布线基板 TBGA基板则是加强环的聚酰亚胺 PI 多层Cu布线基板 CBGA基板下面的焊球为90 Pb 10Sn 或95 Pb 5 Sn的高温焊球 而与基板和PWB焊接的焊料则为37 Pb 63 Sn的共晶低温焊球 CBGA的封盖为陶瓷 使之成为气密性封装 而PBGA和TBGA则为塑料封装 是非气密性封装 2 CBGA的封装技术 从CBGA与PBGA TBGA的结构比较可以看出 制作CBGA的工艺技术相对要复杂一些 以上图为例 介绍CBGA的工艺技术 如图所示是5层陶瓷基板 多层布线分成信号层 电源层和接地层 LSI芯片是用C4技术倒装焊 FCB 到陶瓷基板上层的布线焊区 陶瓷封盖的周边及基板的周边有金属化层 以便密封焊接 芯片背面与盖板填充导热树脂是为了更好地散热 陶瓷基板底部的金属焊区制作高温焊球 工艺流程 制作多层陶瓷布线基板 高温或低温共烧陶瓷基板制作技术 陶瓷基板布线焊区印制共晶低温Pb Sn焊膏 安装LSI芯片 FCB法安装焊接 芯片背面涂导热树脂 盖陶瓷封盖并密封 将高温焊球连接到多层陶瓷基板的底部金属焊区上 封装后应对其焊球的阵列完好性和每个焊球完整性进行检查 必要时应进行修补 2 CCGA的封装技术 CCGA的封装技术与CBGA的封装技术基本一样 只是将CBGA的高温Pb Sn焊球换成高温Pb Sn焊柱即可 5 3BGA的安装互连技术 BGA的焊球分布有全阵列和部分阵列两种方法 如果芯片和焊球位于基板的同一面 只能采用部分阵列分布 有时芯片和焊球不在同一面 既可采用全阵列 也可以采用部分阵列分布 BGA的焊球分布方式如下图所示 具体排列已有一系列的JEDEC标准 5 3 1BGA的焊球分布 BGA焊接用的材料目前有多家公司批量生产并对外销售 美国AIM公司研制并生产的一种无铅合金焊料 CASTIN系列产品 这种焊料可减小焊点的应力 增加焊点强度 在电子安装和返修中 CASTIN采用和普通的63 Sn 37 Pb焊料同样的设备 在大多数操作中 只需作小的工艺参数调整 5 3 2BGA焊接用材料 AIM公司研制的WS475NT水溶性焊膏采用特殊方法配制 即使在热水中无机械清洗的情况下 助焊剂残渣也易于去掉 AIM公司的NC219AX免清洗型助焊剂具有很高的面绝缘电阻和很好的粘锡性能 世界上几家主要公司生产的BGA焊球用材料如下表 BGA安装前需检查BGA焊球的共面性以及有无脱落 BGA在PWB上的安装与目前的SMT工艺设备和工艺基本兼容 安装过程为 将低熔点焊膏用丝网印刷印制到PWB上的焊区阵列 用安装设备将BGA对准放在印有焊膏的焊区上 SMT再流焊 5 3 3BGA安装与再流焊接 5 4CSP的封装技术 5 4 1概述 CSP ChipSizePackage 或ChipScalePackage 即芯片尺寸封装 目前并无确切定义 不同厂商有不同说法 JEDEC 联合电子器件工程委员会 美国协会 的JSTK 012标准规定 LSI芯片封装面积小于或等于LSI芯片面积的120 的产品称为CSP 日本松下电子工业公司将LSI芯片封装每边的宽度比其芯片大1 0mm以内的产品称为CSP 这种产品具有以下几个特点 1 体积小 CSP是目前体积最小的LSI芯片封装之一 引脚数相同的封装 CSP的面积不到0 5mm节距QFP的十分之一 只有BGA的三分之一到十分之一 CSP与BGA TCP QFP的尺寸比较下如图所示 2 可容纳的引脚数最多 相同尺寸的LSI芯片的各类封装中 CSP的引脚最多 3 电性能良好 CSP内部的布线长度比QFP或BGA的布线长度短得多 寄生电容很小 信号传输延迟时间短 即使时钟频率超过100MHz的LSI芯片也可以采用CSP CSP的存取时间比QFP或BGA改善15 20 CSP的开关噪声只有DIP的1 2左右 4 散热性能良好 大多数CSP都将芯片面向下安装 能从芯片背面散热 5 4 2CSP的主要类别和工艺 1 柔性基板封装CSP FPBGA 窄节距BGA FPBGA 窄节距BGA 日本NEC开发 结构如下图所示 主要由LSI芯片 载带 粘接层和金属凸点组成 载带由聚酰亚胺和铜箔组成 采用共晶焊料 63 Sn 37 Pb 作外部互连电极材料 2 刚性基板CSP CSTP CSTP CeramicSubstrateThinPackage 陶瓷基板薄型封装 又称刚性基板薄型封装 是日本东芝公司开发的一种薄型封装 基本结构如图所示 CSTP主要由LSI芯片 Al2O3 或AlN 基板 Au凸点和树脂等构成 通过倒装焊 树脂填充和打印等三步工艺完成 CSTP的厚度只有0 5mm 0 6mm 其中LSI芯片厚度为0 3mm 基板厚度为0 2mm 仅为TSOP 薄型SOP 厚度的一半 CSTP的封装效率 即芯片与基板面积之比 高达75 以上 而同样尺寸的TQFP的封装效率不足30 3 引线框架式CSP LOC型CSP LOC LeadOverChip 芯片上引线 型CSP是日本富士通公司开发的一种新型结构 分为Tape 带式 LOC型和MF LOC型 Multi frame LOC 引线框架式 两种形式 基本结构如图所示 两种形式的LOC型CSP都是将LSI芯片安装在引线框架上制作而成 芯片面朝下 芯片下面的引线框架仍然作为引脚暴露在该封装结构外面 因此不需制作工艺复杂的焊料凸点 可实现芯片与外部的互连 其内部布线很短 仅0 1mm左右 CSP 26的电感只有TSOP 26的1 3左右 其热阻 在相同条件下 TSOP 26为36 W 而CSP 26仅为27 W 4 焊区阵列CSP LGA型CSP LGA LandGridArray 焊区阵列 型CSP是日本松下电子工业公司开发的新型产品 基本结构如图 主要由LSI芯片 陶瓷载体 填充用环氧树脂和导电粘接剂等组成 用金丝打球法在芯片焊区上形成Au凸点 FCB时 在PCB或其他基板的焊区上印制导电胶 然后将该芯片的凸点适当加压后 对导电胶固化 就完成了芯片与基板的互连 LGA型CSP的主要特点如下 1 体积小 而引脚节距大QFP的安装面积随引脚数的增加呈平方关系增加 而LGA型CSP只是线性增加 因为LGA型CSP的引脚全部置于CSP的下面 两者的引脚数与组装面积的比较如图所示 重量为相同引脚QFP的1 10左右 2 容易安装LGA型CSP尽管体积小 但安装非常方便 主要是因为LGA型CSP的安装精度要求比QFP要低得多 3 散热性能良好LGA型CSP的背面通过0 1mm左右的焊膏固定在PWB上 与QFP相比 容易将热量传导至PWB 同时 因芯片背面裸露 可起散热片的作用 4 电性能良好LGA型CSP的尺寸很小 LSI芯片由凸点直接与载体电极互连 信号传输路径极短 其引脚电感 开关噪声和交叉干扰比QFP低得多 5 微小模塑型CSP 日本三菱电机公司开发的微小模塑型CSP结构如图所示 主要由LSI芯片 模塑的树脂和凸点等构成 因无引线框架和焊丝等 体积特别小 这种结构凸点断面如下图 LSI芯片上的焊区通过在芯片上形成的金属布线与凸点实现互连 芯片上的金属布线可在芯片制作过程中同时形成 所以可制出细线图形 作为外引脚的凸点可制作在基片上的任意部位 从而易于标准化 微小模塑型CSP的制作工艺如下 1 芯片再布线工艺再布线工艺如图所示 先在LSI芯片上制作连接焊区和外引脚的金属布线图形 制出Pb Sn焊料润湿性良好的底层金属 为提高润湿性和抗蚀性 已经开发成TiN Ni Au多层结构的凸点下金属层 制出聚酰亚胺缓冲层 主要为了缓冲封装树脂的应力 在聚酰亚胺开口区域采用蒸发光刻方法形成Pb Sn层 2 安装工艺CSP的安装工艺主要按如下四步进行 如图所示 将上述经再布线的LSI芯片倒装焊在易于移置金属凸点的框架上 使之与芯片焊区一一对应 加热加压 Pb Sn熔化后就使框架上的金属凸点 一般为Cu 移置到芯片上 此又称为移置内凸点 模塑封装 脱模并除去毛刺 形成外电极焊球 6 圆片级芯片尺寸封装 WLCSP 常规的各类CSP 都是将圆片切割成单个IC芯片后再实施后道封装的 而WLCSP则是在圆片前道工序完成后 直接对圆片利用半导体工艺进行后道封装 再切割分离成单个器件 采用此种封装 可使其产品直接从制造商转入用户手中 进行全面测试 该技术也适应现有SMT设备 而且 也解决了优质芯片问题 经封装后的芯片可以像其他任何产品一样进行测试 7 其他类型CSP 由于CSP正处于飞速发展阶段 封装种类还有很多 如微型BGA BGA 芯片叠层CSP QFN型CSP和BCC BumpingChipCarrier 等等 只要符合CSP定义的封装均可称之为CSP 下面为一些先进的CSP封装技术 FlipChipCSP 堆叠CSP MCM CSP 8 几种CSP互连比较 几种典型结构CSP的互连情况比较列于P139表5 6中 5 5BGA与CSP的返修技术 由于BGA或CSP通常是封装LSI VLSI芯片的 这些芯片往往价格较高 因此 对这类有些封装缺陷的器件应尽可能进行返修 以节约成本 BGA或CSP的返修工艺一般包括以下几步 1 确认有缺陷的BGA器件 做好标记 2 预热电路板及有缺陷的BGA器件 3 拆除BGA器件 4 清洁焊区 去掉残余物 修整焊区 5 涂覆焊膏及助焊剂 6 安装新器件 7 再流焊 8 焊接质量检查 5 5 1BGA的返修工艺 1 Air VacEngineering公司型号 DRS24C主要特性 光学对准系统 安放精度 0 0254mm 0 001in 重复精度为0 0076mm 0 0003in 2 CAPE公司型号 SniperSplitVision系列返修工作站 主要特性 适用窄节距QFP BGA CSP等 元器件之间不需复杂的调整 3 OK公司型号 FCR 2000型热风聚焦非接触式返修操作系统 主要特性 适应窄节距QFP BGA CSP等 安装精度在0 0254mm范围内 5 5 2返修设备简介 5 6BGA CSP与其他封装技术的比较 如下表所示 综合性能优于其他封装 1 引脚结构的比较 引脚数最多 外形尺寸最小 如下图所示 2 封装尺寸比较 如下表所示 相同的外形尺寸 BGA的I O数最多 安装密度最高 易于SMT规模化生产 3 各种封装结构的组装密度比较 BGA封装技术使SMT工艺得以扩展 更易于表面安装 从而强化了SMT的优势 BGA的SMT工艺流程如下图所示 4 工艺流程比较 经IBM公司实验室水平 批量生产水平以及工业化大量生产的QFP和BGA表面安装缺陷率比较 BGA缺陷率很低 可生产性更好 5 表面安装缺陷率比较 和BGA的焊膏检测相比 窄节距QFP在可靠性 EOL 检测时增加了附加成本 QFP普遍采用检测短路 开路自动系统 增加生产成本 而BGA生产效率高 缺陷率低 EOL检测通常只限于对准和定位检测 6 终检 7 返修 BGA的返修费用比QFP大得多 原因为 1 由于单个的短路或开路缺陷的修复是不可能的 对BGA应整体返修 增加了返修成本 2 BGA返修比QFP困难 返修可能还要求附加设备投资 3 价格低的BGA拆下后通常不再使用 从而增加了返修成本 而一些QFP器件 只要拆卸时足够小心 可以再次使用 BGA与QFP预留焊位差异表现在I O引脚数相同时 BGA比QFP所需板上安装面积小及由此带来板布线密度和综合性能的优势 8 封装件占据电路板面积 预留焊位 BGA和传统的SMD返修工艺的异同如下 1 返修BGA时 要充分预热 2 BGA和其他引脚SMD的最终预热温度类似 但预热升温速度不同 BGA要整体升温后才能使焊球熔化 故要缓慢升温 预热曲线较平缓 3 必须同时加热BGA封装件的所有焊球 PGA CBGA与QFP三种封装技术的性能比较见下表 10 PGA CBGA和QFP三种封装技术性能比较 四个因素影响焊点可靠性和表面安装成品率 基板焊区焊接性能 元器件引脚焊接性能 元器件引脚共面性能和焊膏量 一般认为 PWB和元器件的焊接性能对BGA和QFP表面安装成本的影响最大 9 焊点可靠性 PGA和CBGA封装在RS 6000型计算机中应用的技术经济性能比较见下表 11 PGA CBGA封装在RS 6000型计算机中应用的技术经济性能比较 不同封装技术采用的引脚节距规范见下表 12 不同的芯片封装技术采用的引脚节距规范 5 7BGA与CSP的可靠性 BGA和CSP封装件在运输过程中受到振动 在工作时受到热应力 机械力的作用 这些因素作用到焊球上 就表现为弯曲和扭曲两种形式 当焊球所能承受的作用力超过一定极限时 就发生失效现象 在研究焊点的热循环疲劳时 要区分不同结构之间的区别 疲劳取决于封装引脚 焊球 焊料量 焊球材料和几何形状 封装引脚对BGA封装件的性能影响最大 焊料的机械性能也影响组件的热循环寿命 5 7 1概述 1 桥连 BGA和CSP在安装焊接时焊球与基板的完好连接至关重要 常出现的焊球连接缺陷有如下几种 5 7 2焊球连接缺陷 焊料过量 邻近焊球之间形成桥连 这种缺陷很少 但很严重 如右图所示 2 连接不充分 焊料太少 不能在焊球和基板之间形成牢固的连接 导致早期失效 如右图所示 3 空洞 沾污及焊膏问题造成空洞 比例较大时 焊球连接强度弱化 如右图所示 4 断开