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BGA基础资料介绍  

2013-05-24 16:44:27|  分类: SMT技术文章 |  标签: |举报 |字号 订阅

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BGA基础资料介绍
第一部分:IC封装技术的发展简述
随着电子技术的不断发展,电子产品不断像轻型化、小型化发展,这必然向元器件特别是IC的封装技术提出了更高的要求。
一、 DIP
   20世纪70年代,芯片封装基本都采用DIP(Dual ln-line Package,双列直插式封装)封装,此封装形式在当时具有适合PCB(印刷电路板)穿孔安装,布线和操作较为方便等特点,多用于引脚数在64只以下的器件。DIP封装的结构形式多种多样,包括多层陶瓷双列直插式DIP,单层陶瓷双列直插式DIP,引线框架式DIP等。
   但是衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比,这个比值越接近1越好。DIP的封装效率相当低,其芯片面积与封装面积之比为1:1.86。以电脑内存条为例,其PCB板的面积是固定的,封装面积越大,PCB上能安装的芯片数量越少,内存条的容量就越小。


                  
二、 SOP
20世纪80年代,芯片第二代封装技术SOP出现。SOP是“Small out-line Package”的缩写,意思是小尺寸封装。其特点是引脚在芯片的两边,引脚数多在64只以下;焊接时采用SMT技术(表面安装技术)直接附着在PCB板的表面,由于焊点和PCB的接触面小,使得芯片向PCB散热相对困难。
              
三、 QFP
   这种技术的中文含义叫方型扁平式封装技术(Plastic Quad Flat Pockage),其特点是引脚在芯片的四周,引脚之间的间距很小(极限为0.5mm),管脚很细,引脚数范围为36~208和212~304;主要适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线,适合高频使用,可靠性高,一般用于大规模集成电路。
   夏新手机电路中的射频IC一般都采用这种封装形式(如A6/A9、恒9系列)。此外,早期产品A8298系列的CPU和电源IC也采用这种封装形式。
   
四、 PGA与ZIF
   PGA,全称“Pin Grid Array Package”,其外形特点是在芯片的内外有多个方阵形的插针,每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列。根据引脚数目的多少,可以围成2-5圈。安装时,将芯片插入专门的PGA插座。
   ZIF,全称“Zero Insertion Force Socket”,是指零插拔力的插座。把这种插座上的扳手轻轻抬起,芯片就可很容易、轻松地插入插座中。然后将扳手压回原处,利用插座本身的特殊结构生成的挤压力,将芯片的引脚与插座牢牢地接触,绝对不存在接触不良的问题。而拆卸芯片只需将插座的扳手轻轻抬起,则压力解除,芯片即可轻松取出。
上述封装技术一般用于一些体积较大的电子设备(如电脑),手机电路中一般不采用。
                                   
五、 BGA与CSP
20世纪90年代随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用,芯片集成度不断提高,I / O引脚数急剧增加,功耗也随之增大,对集成电路封装的要求也更加严格。
BGA,全称“Ball Grid Array Package”,球状引脚栅格阵列封装技术,是将原来器件PLCC/QFP封装的“J”形或翼形引线,改变成球形引脚;把从器件本体四周“单线性”顺列引出的引线,改变成本体腹底之下“全平面”式的格栅阵排列。
CSP,全称“Chip Size Package”,芯片尺寸封装,是在BGA封装技术的基础上进一步发展的一种先进的封装技术,最早由日本三菱公司1999年提出。它可以容纳更多的I/O引脚数,芯球间距一般小于1.0mm,芯片面积与封装面积的比值可达1:1.14,接近1:1的理想状态。

球栅阵列封装技术可详分为五大类:
1)PBGA(Plasric BGA)基板:一般为2-4层有机材料构成的多层板。
2)CBGA(CeramicBGA)基板:即陶瓷基板,芯片与基板间的电气连接通常采用倒装芯片(FlipChip,简称FC)的安装方式。
3)FCBGA(FilpChipBGA)基板:硬质多层基板。
4)TBGA(TapeBGA)基板:基板为带状软质的1-2层PCB电路板。
5)CDPBGA(Carity Down PBGA)基板:指封装中央有方型低陷的芯片区(又称空腔区)。

球栅阵列封装的优点:
1)I/O引脚数虽然增多,但引脚之间的距离远大于QFP封装方式,提高了成品率。
2)虽然BGA的功耗增加,但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接,从而可以改善电热性能。
3)信号传输延迟小,适应频率大大提高。
4)组装可用共面焊接,可靠性大大提高。
球栅阵列封装的缺点:
1) 只能用X光或超声原理进行检查。
2) 要获得满意的内侧加热,需要延长再流焊时间或升高再流焊温度。
3) 难以保证热循环的稳定性。
4) PBGA较容易发生“吸湿”效应。
5) 增加了PCB的成本。
6) 拆卸后难以返工。
手机电路中,一般高引脚数、高速、多功能的IC皆采用BGA或CSP封装,如CPU、Memory、电源IC等。
    
六、IC封装的三大技术趋势:
1) Flip Chip技术:典型的圆晶级封装,以芯片凸块(bump)与基板(substrate)直接连接而取代打线接合(wirebonding)技术,适合I/O数在1000以上的产品,其优势在于能大幅度提高品的电性和散热性能。Flip Chip适合高引脚数、高速、多功能的器件,但其进入门槛高,技术胜出者才能占尽市场优势。
2) WLP技术:和先将晶圆切割成裸芯片再进行测封不同,WLP直接在整个晶圆上进行测试和封装之后,再切割成单颗晶粒,中间不再需要进行任何封装步骤,明显缩小了封装尺寸,亦大幅降低了封装成本。WLP的优点还在于:由于芯片与电路板间隔着锡球,因此可缩短电路传输路径,降低了分布电感和电容,故可有效减少电流损耗和电磁波干扰发生的机率,提高电路的工作效率;由于少了IC外部密封的塑胶或陶瓷包装,故IC芯片工作时所产生的热损耗,可直接从芯片背部以热传导与热辐射的方式发散,可有效解决移动电子装置的散热问题。
3) SiP技术:过去的SiP技术采用将多个裸芯片放在同一个基板平面上的2D形式为主,芯片和主板之间的连接方式采用有打线、倒装以及卷带自动接合(TAB)技术,此种封装仍有电路传输路径过长,封装面积太大等缺点,MCM(多芯片模块)封装就是采用这种封装技术。
为了改善上述缺点,目前SiP已逐渐朝向将芯片以3D形式堆叠封装的趋势发展。3D堆叠封装分为两种,一是直接先堆叠裸芯片并连接于基板后,再进行封装(chip stacked),另一种则是将多个封装好的芯片堆叠好后再组合到一起(package stacked)。前者的封装方式,最多只能重叠四层裸芯片,而且在测试上非常困难,目前3D形式的SiP仍以后者的package stacked为主,不但拥有可预行测试的优点,可堆叠的层数也较多,而且可满足轻薄短小的需求。
第二部分:SMT工艺流程简介
BGA芯片与PCB之间的电气连接通常通过SMT(表面贴装技术)来实现。
一、 SMT基本工艺构成要素
1、 丝印:其作用是将焊膏或贴片胶漏印到PCB焊盘上,为元器件的贴装做准备。所用设备为丝印机(全自动、半自动),也有手工印刷,位于SMT生产线的最前端。
2、 点胶:作用是将贴片胶点到PCB的固定位置上,为元器件的贴装做准备。所有设备为点胶机(自动)和手动点胶机,位于SMT生产线的最前端或检测设备的后面。
3、 贴装:将表面贴装元件准确贴装到PCB的固定位置上。所用设备为贴片机,位于丝印机的后面。
4、 固化:将贴片胶固化,使表面组装元件与PCB板牢固粘接在一起,完成机械连接。所用设备为固化炉,位于贴片机的后面。
5、 回流:将焊膏熔化,使表面组装元件与PCB粘接在一起,完成机械与电路连接。所用设备为回流焊炉,位于贴片机的后面。
6、 清洗:将组装好的PCB板上的对人体有害的焊接残留物清除,所用设备为清洗机,位置可以不固定。
7、 检测:对组装好的PCB板进行焊接质量和装配质量检测。所用设备有放大镜、显微镜、测试仪(ICT)、X-RAY检测仪、功能测试仪等,位置不固定,可配置在合适的地方。
8、 返修:对检测出故障的PCB板进行返工。所有工具为烙铁、返修台等,位置不固定。
二、SMT典型工艺流程
1、 单面组装工艺
a、 来料检测→焊膏丝印→贴片→回流→检测→返修
b、 来料检测→点贴片胶→贴片→固化→检测→返修
2、 单面混装工艺
a、 来料检测→PCB丝印焊膏→贴片→回流→清洗→插件→波峰焊→清洗→检测→返修
b、 来料检测→PCB点贴片胶→贴片→固化→清洗→插件→波峰焊→清洗→检测→返修
3、 双面组装工艺
a、 来料检测→PCB的A面丝印焊膏(点贴片胶)→贴片→A面回流(固化)→清洗→翻板→PCB的B面丝印焊膏(点贴片胶)→贴片→B面回流(固化)→清洗→检测→返修
此工艺适合PCB的两面皆贴装有PLCC等较大的SMD时采用。
b、 来料检测→PCB的A面丝印焊膏(点贴片胶)→贴片→A面回流(固化)→清洗→翻板→PCB的B面点贴片胶→贴片→B面固化→B面波峰焊→清洗→检测→返修
此工艺A面回流焊,B面波峰焊;B面组装的SMD皆在28引脚以下时,宜采用此工艺。
4、 双面混装工艺
a、 来料检测→B机点贴片胶→贴片→固化→清洗→翻板→A面插件→B面波峰焊→清洗→检测→返修
      先贴后插,适用于SMD元件多于插件元件的情况
b、 来料检测→A面插件→翻板→B面点贴片胶→贴片→固化→B面波峰焊→清洗→检测→返修
先插后贴,适用于插件元件多于SMD元件的情况
c、 来料检测→A面丝印→贴片→回流→插件→翻板→B面点胶→贴片→固化→B面波峰焊→清洗→检测→返修
A面混装,B面贴装
三、实装手机制造工艺流程

四、BGA芯片焊接温度曲线
 
较理想的热风回流温度曲线应接近于焊膏回流曲线,这可以从焊膏供应商那里得到。热风回流焊曲线一般可分成四个区间:预热区,加热区,回流区,冷却区。四个区间的温度、时间参数可以分别设定,通过与计算机连接,可以将这些程序存储和随时调用。

    在回流焊过程中要正确选择每个区的加热温度和时间,同时应注意升温的速度。一般在100度以前,最大的升温速度不超过6度/秒,100度以后最大的升温速度不超过3度/秒;在冷却区,最大的冷却速度不超过6度/秒。因为过高的升温和降温速度有可能损坏PCB和芯片,这种损坏有时是肉眼不能观察到的。
五、底部填充胶简介
底部填充胶,又称“Underfill”,化学类型一般为环氧树脂,主要用于加强BGA/CSP芯片与PCB之间的机械连接。其主要作用如下:
1、 改善PCB机械强度。防止焊球受碰撞、按键压力或基板扭曲等现象的影响而出现破裂。
2、 加强PCB的抗温度冲击能力。
主要技术指标:
1、 恢复能力;
2、 固化条件(温度一般不超过120°C,时间不超过30min);
3、储存温度(一般要求低温存储<5°C);
4、粘性;
5、渗透速度;
6、依附能力;底填胶的依附能力越强,保护芯片的能力也越强,可返修性则越差。
7、可靠性。跌落实验、按键实验和温度冲击实验是检验底填胶可靠性的有效手段。
点胶设备主要有手动点胶机、半自动点胶机和全自动点胶机,工序一般设置在回流焊之后。
第三部分:BGA焊接质量的检测技术
目前市场上出现的BGA封装类型主要有:PBGA(塑料BGA)、CBGA(陶瓷BGA)及TBGA(载带BGA)。需要指出的是,BGA基板上的焊球不论是通过高温焊球(90Pb/10Sn)转换,还是采用球射工艺形成,焊球都有可能掉下丢失,或者成型过大、过小,或者发生焊球桥连、缺损等情况。因此,需要对BGA焊接后质量情况的一些指标进行检测控制。
目前常用的BGA检测技术有电测试、边界扫描及X射线检测。
一、 电测试
     传统的电测试是查找开路与短路缺陷的主要方法。其唯一目的是在板的预制点进行实际的电连接,这样便可以撮合一个使信号流入测试板、数据流入ATE的接口。如果印制电路板有足够的空间设定测试点,系统就能快速、有效地查找到开路、短路及故障元件。系统也可检查元件的功能。测试仪器一般由微机控制,检测不同PCB时,需要相应的针床和软件。对于不同的测试功能,该仪器可提供相应工作单元来进行检测。例如,测试二极管、三极管时用直流电平单元;测试电容、电感时用交流单元;而测试低数值电容及电感、高阻值电阻时用高频信号单元。
二、 边界扫描检测
边界扫描技术解决了一些与复杂元件及封装密度有关的搜寻问题。采用边界扫描技术,每一个IC元件设计有一系列寄存器,将功能线路与检测线路分离开,并记录通过元件的检测数据。测试通路检查IC元件上每一个焊接点的开路、短路情况。基于边界扫描设计的检测端口,通过边缘连接器给每一个焊点提供一条通路,从而免除全节点查找的需要。电测试与边界扫描检测都主要用以测试电性能,却不能较好检测焊接的质量。为提高并保证生产过程的质量,必须找寻其它方法来检测焊接质量,尤其是不可见焊点的质量。
三、 X射线测试
有效检测不可见焊点质量的方法是X射线检测。该检测方法基于X射线不能象透过铜、硅等材料一样透过焊料的思想。换言之,X射线透视图可显示焊接厚度、形状及质量的密度分布。厚度与形状不仅是反映长期结构质量的指标,在测定开路、短路缺陷及焊接不足方面,也是很好的指标。此技术有助于收集量化的过程参数,这些补充数据有助于降低新产品开发费用,缩短投放市场的时间。
自动X射线分层系统使用了三维剖面技术。该系统能检测单面或双面表面贴装电路板,而没有传统的X射线系统的局限性。系统通过软件定义了所要检查焊点的面积和高度,把焊点剖成不同的截面,从而为全部检测建立完整的剖面图。
目前已有两种检测焊接质量的自动测试系统上市:传输X射线测试系统与断面X射线自动测试系统。传输X射线测试系统源于X射线束沿通路复合吸收的特性。对SMT的某些焊接,如单面PCB上的J型引线与微间距QFP,传输X射线系统是测定焊接质量最好的办法,但它却不能区分垂直重叠的特征。因此,在传输X射线透视图中,BGA元件的焊缝被其引线的焊球遮蔽。对于RF屏蔽之下的双面密集型PCB及元器件的不可见焊接,也存在这类问题。
    断面X射线自动测试系统克服了传输X射线测试系统的众多问题。它设计了一个聚焦断面,并通过上下平面散焦的方法,将PC的水平区域分开。该系统的成功在于只需较短的测试开发时间,就能准确检查焊接点。但断面X射线测试系统提供了一种非破坏性的测试方法,可检测所有类型的焊接质量,并获得有价值的调整装配工艺信息。
第四部分:BGA芯片的返修工艺
一、BGA返修基本工艺构成

1、 电路板预热。其作用是将电路板中的潮气去除,如果电路板和芯片的潮气很小(如芯片刚拆封),这一步可以免除。
2、 拆除芯片。利用热风或红外返修系统将芯片从电路板上取下。若拆下的芯片不需再利用,可用较高的加热温度,以获得较短的加热周期。
3、 清洁PCB焊盘。即利用镊子、刀头电烙铁等辅以合适的清洗剂将残留在PCB焊盘上的焊锡、助焊剂或焊锡膏、底填胶等清除干净。
4、 涂焊锡膏。在PCB上涂上焊锡膏,关键是要控制焊锡膏量和确保涂得均匀,不同的芯片和焊锡膏对量的要求都有所不同,需经过精确的计算。美国OK集团的MS-1微型焊锡膏印板系统,通过选用与芯片相符的模板,可以很方便地将焊锡膏涂在电路板上,也可采用手工印刷。
5、 贴片。目的是使BGA芯片上的每一个焊锡球与PCB上每一个对应的焊点对正。美国OK集团制造的BGA3000和MP-2000设备可以精确地完成这些任务,也可利用贴片机中的对位装置或手工对位来完成。
6、 热风回流焊,这是整个返修工艺的关键。芯片的返修回流曲线应与芯片的原始焊接温度曲线接近。加热方式一般有两种:一种是热风加热,通过选用与芯片形状匹配的喷嘴,可以有效地控制加热范围,但对于点有底填胶的芯片,由于喷嘴的阻挡,其内置的真空吸盘难以将芯片吸起,而且其控制温度精确度的能力难以适应无铅焊膏的工艺要求;另一种是红外加热,通过强大的软件功能,同样可以有效地控制加热范围,同时由于没有喷嘴的阻挡,即使对点有底填胶的芯片,也可用镊子轻易地将其从PCB板上取下,更重要的是,它可以更加精确地控制温度,能够适应无铅焊膏的工艺要求,是未来的发展趋势。
7、 通电检测及其后步骤。检验返修效果,加强BGA与PCB之间的机械连接。
二、BGA芯片植球基本工艺构成

1、 芯片预热。其作用是将芯片中的潮气去除,如果芯片的潮气很小(如芯片刚拆封),这一步可以免除。
2、 清洁芯片焊盘。即利用镊子、刀头电烙铁等辅以合适的清洗剂将残留在芯片上的焊锡、助焊剂或焊锡膏、底填胶等清除干净。
3、 芯片单体检测。确认即将植球的芯片为电性能良品。
4、 涂助焊膏。将助焊膏均匀地涂在芯片上。
5、 置球。通过已芯片相匹配的网状模板,将已成形的锡球对应芯片焊盘一个个放置于芯片上。
6、 热风回流焊,这是整个返修工艺的关键。芯片的返修回流曲线应与芯片的原始焊接温度曲线接近。加热方式一般有两种:一种是热风加热,由于无加热范围的限制,可以不用使用喷嘴,但在回流过程中,由于气流的影响,锡球易偏移或脱落,一次成品率较低,同样,对于无铅焊膏的工艺窗口较小;另一种是红外加热,由于不受气流的影响,锡球的偏移或脱落的概率较小,是较理想的回流焊方式。
7、 锡球检验与修正。对回流后芯片上的锡球焊接质量(如共面性,有无假焊等)进行检验,可用放大镜进行目测,也可用X射线进行检验,并对不良品进行手工修正。
8、 芯片单体检测。在将已植球芯片贴装到PCB板上之前,检测其电性能,避免不必要的返工。
三、BGA芯片的单体检测方案
 

制作一块与待测芯片功能相符的PCB板,通过一个适配器实现与待测BGA芯片的电气连接(粗略图如Page1所示)。
该适配器固定于PCB板上,其构造如Page2和Page3所示。它拥有与BGA芯片数量一样且分布相同的引脚,这些引脚形状与BGA芯片匹配,可以自由伸缩,有效地解决了由于BGA表面锡球共面性的细微差异带来的可靠接触问题。
同时,在BGA芯片的支撑钢板上方,还加了一个可下压的夹钳,通过对螺钉的调整,可以更加有效地保证电气连接的可靠性,最大限度地避免了由于接触不良可能导致的错误测试结果。
最后,只要对PCB板通电,并通过相应的测试软件予以控制,就可以进行BGA芯片的单体测试了。

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