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球柵陣列

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球柵陣列(Ball Grid Array,簡稱BGA)封裝技術為應用在集成電路上的一種表面黏着技術,此技術常用來永久固定如微處理器之類的的裝置。BGA封裝能提供比其他如雙列直插封裝(Dual in-line package)或四側引腳扁平封裝(Quad Flat Package)所容納更多的接腳,整個裝置的底部表面可全作為接腳使用,而不是隻有周圍可使用,比起周圍限定的封裝類型還能具有更短的平均導線長度,以具備更佳的高速效能。
中文名
球柵陣列
外文名
Ball Grid Array
簡    稱
BGA

球柵陣列1 BGA封裝的定義

球柵陣列(Ball Grid Array,簡稱BGA)封裝是在封裝體基板的底部製作陣列,焊球作為電路的I/O端與印刷線路板(PCB)互接。採用該項技術封裝的器件是一種表面貼裝型器件。
BGA(Ball Grid Array),簡稱BGA,譯為球形觸點陣列封裝,也可譯為“球柵陣列”或“網絡焊球陣列”和“球面陣”等等。它是在基板的背面按陣列方式製出球形觸點作為引腳,在基板正面裝配LSI(部分BGA芯片與引出端在基板同一面)是多引腳LSI用的一種表面貼裝型封裝。

球柵陣列2 BGA封裝的特點

與傳統的腳形貼裝器件相比,BGA封裝器件具有如下特點:
(1)成品率高。採用BGA可將細間距QFP的焊點的失效率200x10-6再減小到兩個數量級,且無需對工藝作大的改動。
(2)設備簡單。BGA焊點的中心距一般為1.27mm,可以利用現有SMT工藝設備。而QFP的引腳中心距如果小到0.3mm時,引腳間距只有0.15mm,則需要很精密的安放設備以及完全不同的焊接工藝,並且實現起來極為困難。
(3)引腳數量大。改進了器件引出數和本體尺寸的比率。例如,邊長為31mm的BGA,當間距為1.5mm時有400只引腳;而當間距為1mm時有900只引腳。相比之下,邊長為32mm,引腳間距為0.5mm的QFP只有208只引腳。
(4)共面損壞小。明顯改善共面問題,減少了共面損壞。
(5)引腳牢固。BGA引腳牢固,不像QFP那樣存在引腳變形問題。
(6)電性能好。BGA引腳很短,使信號路徑短,減小了引線電感和電容,增強了電性能。
(7)散熱性好。球形觸點陣列有利於散熱。
(8)封裝密度高。BGA適合MCM的封裝需要,有利於實現MCM的高密度、高性能。

球柵陣列3 BGA封裝的分類

BGA的封裝類型多種多樣,其外形結構為方形或矩形。根據其焊接球的排布方式可分為周邊行、交錯型和全陣列型BGA,如圖所示。
目前市場上出現的BGA封裝,按基板材料分類,可以分為PBGA(塑料BGA)、CBGA(陶瓷BGA)和TBGA(載帶BGA)三種。

球柵陣列(1)PBGA

Plasric Ball Grid Array 簡稱PBGA做在疊層高温基板上,在芯片鏈接和絲焊後模壓。有些PBGA封裝結構中帶有空腔,空腔分為上空腔和下空腔兩種。這種帶空腔的PBGA,稱為熱強性BGA,簡稱EBGA。PBGA封裝採用的焊接材料為共晶或準共晶SnPb合金。焊球和封裝體的連接不需要另外的焊接。
PBGA封裝的優點如下:(1)與環氧樹脂電路板的熱匹配性好;(2)對焊球的共面要求寬鬆,原因是焊球參與再流焊時焊點的形成,焊球共面指標為250um是可以接受的;(3)安放時可以通過封裝體邊緣對準;(4)成本較低;(5)電性能良好。
PBGA封裝的缺點:對濕氣敏感,不適用於有氣密性要求和可靠性要求高的器件的封裝。

球柵陣列(2)陶瓷球柵陣列

(Ceramic Ball Grid Array 簡稱CBGA)封裝在BGA封裝系列中的歷史最長。它的基板是多層陶瓷,金屬蓋板用密封焊料焊接在基板上,用以保護芯片、引線及焊盤。焊球材料為高温共晶焊料10Sn90Pb,焊球和封裝體的連接需要使用低温共晶焊料。其結構如圖所示。
CBGA封裝的優點:(1)封裝組件的可靠性高;(2)共面性好,焊點成形容易;(3)對濕氣不敏感;(4)封裝密度高(焊球為全陣列分佈)。
CBGA封裝的缺點:(1)由於熱膨脹係數不同,因此和環氧樹脂印製電路板的熱匹配性差,焊點疲勞是主要失效形式;(2)焊球在封裝體邊緣的對準困難;(3)封裝成本高。
陶瓷柱柵陣列(Ceramic Column Grid Array 簡稱CCGA)器件是CBGA的改進型,如圖所示。兩者的區別主要在於:CCGA採用直徑為0.5mm、高度為1.25mm~2.2mm的焊料柱替代CBGA中的0.87直徑的焊料球,以提高其焊點的抗疲勞能力。因此柱狀結構更能緩解由熱失配引起的陶瓷載體和PCB板之間的剪切能力。 [1] 

球柵陣列(3)載帶球柵陣列

(Tape Ball Grid Array 簡稱TBGA)封裝是一種相對新穎的BGA封裝形式。TBGA封裝的芯片基板互連方式有兩種:倒裝焊鍵合和引線鍵合。倒裝焊鍵合結構示意圖如圖所示。芯片倒裝鍵合在多層佈線柔性載帶上;用作電路I/O端的周邊陣列焊料球安裝在柔性載帶下面;它的後密封蓋板又是散熱器(熱沉),同時還起到加固封裝體的作用,使柔性基片下面的焊料球具有較好的共面性。
腔體朝下的引線鍵合TBGA結構示意圖如圖所示。芯片粘結在芯腔的銅熱沉上;芯片焊盤與多層佈線柔性載帶基片焊盤用鍵合引線實現互連;用密封劑將電路芯片、引線、柔性載帶焊盤包封(灌封或塗敷)起來。 [1] 
參考資料