PBGA為什么要向FBGA轉(zhuǎn)變

1 引言

　　從20世紀(jì)80年代中后期開始，電子產(chǎn)品正朝著便攜式、小型化、網(wǎng)絡(luò)化和多媒體化方向發(fā)展，這種市場需求對(duì)電路封裝技術(shù)提出了相應(yīng)的要求，單位體積信息的提高和單位時(shí)間處理速度的提高成為促進(jìn)微電子封裝技術(shù)發(fā)展的重要因素。

　　2 芯片封裝技術(shù)的發(fā)展

　　數(shù)十年來，芯片封裝技術(shù)一直追隨著IC的發(fā)展而發(fā)展，一代IC就有相應(yīng)一代的封裝技術(shù)相配合，而SMT的發(fā)展，更加促進(jìn)芯片封裝技術(shù)不斷達(dá)到新的水平。

　　60、70年代的中、小規(guī)模IC，曾大量使用TO型封裝，后來又開發(fā)出DIP、PDIP，并成為這個(gè)時(shí)期的主導(dǎo)產(chǎn)品形式。80年代出現(xiàn)了SMT，相應(yīng)的 IC封裝形式開發(fā)出適于表面貼裝短引線或無引線的LCCC、PLCC、SOP等結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)十多年研制開發(fā)的QFP不但解決了LSI的封裝問題，而且適于使用SMT在PCB或其他基板上表面貼裝，使QFP終于成為SMT主導(dǎo)電子產(chǎn)品并延續(xù)至今。為了適應(yīng)電路組裝密度的進(jìn)一步提高，QFP的引腳間距目前已從1.27mm發(fā)展到了 0.3mm。由于引腳間距不斷縮小，I／O數(shù)不斷增加，封裝體積也不斷加大，給電路組裝生產(chǎn)帶來了許多困難，導(dǎo)致成品率下降和組裝成本的提高。另一方面由于受器件引腳框架加工精度等制造技術(shù)的限制，0.3mm已是QFP引腳間距的極限，這都限制了組裝密度的提高。于是一種先進(jìn)的芯片封裝BGA(Ball Grid Array，焊球陣列)應(yīng)運(yùn)而生，一般使用層壓基板取代傳統(tǒng)封裝用的金屬框架。它的I／O端子以圓形的合金錫球或鉛錫球按陣列形式分布在封裝下面，引線間距大，引線長度短。BGA技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可增加I／O數(shù)和間距，消除QFP技術(shù)的高I／O數(shù)帶來的生產(chǎn)成本和可靠性問題。

　　BGA的興起和發(fā)展盡管解決了QFP面臨的困難，但它仍然不能滿足電子產(chǎn)品向更加小型、更多功能、更高可靠性對(duì)電路組件的要求，也不能滿足硅集成技術(shù)發(fā)展對(duì)進(jìn)一步提高封裝效率和進(jìn)一步接近芯片本征傳輸速率的要求，所以更新的封裝FBGA(Fine Pitch BGA、CSP、Chip Size Package)又出現(xiàn)了，它的英文含義是封裝尺寸與裸芯片相同或封裝尺寸比裸芯片稍大。FBGA(CSP)與BGA結(jié)構(gòu)基本一樣，只是錫球直徑和球中心距縮小了、更薄了，這樣在相同封裝尺寸時(shí)可有更多的I／O數(shù)，使組裝密度進(jìn)一步提高，可以說FBGA(CSP)是縮小了的BGA。

　　正是由于這些無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，才使FBGA(CSP)得以迅速發(fā)展并進(jìn)入實(shí)用化階段。從FBGA(CSP)近幾年的發(fā)展趨勢(shì)來看，F(xiàn)BGA(CSP)將取代QFP和部分BGA成為高I／O端子IC封裝的主流，而且正越來越多地應(yīng)用于移動(dòng)電話、數(shù)碼錄像機(jī)、筆記本電腦等產(chǎn)品上。

　　3 PBGA與FBGA封裝形式簡介

　　STATS ChipPAC的PBGA封裝(見圖1)利用層壓樹脂線路板作為基板，并且可提供符合JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的各種尺寸和球數(shù)，以滿足客戶要求。這種封裝形式提供給了客戶一個(gè)非常有成本效益的先進(jìn)封裝解決方案，與傳統(tǒng)的框架封裝形式相比，提供了更高的封裝密度。

　　STATS ChipPAC的先進(jìn)的設(shè)計(jì)和方針能力使得封裝優(yōu)化成為可能，以滿足客戶對(duì)電性能和熱性能的最大需求。STATS ChipPAC通過結(jié)合成熟的工藝和設(shè)備、材料清單，取得了有競爭力的合格率、產(chǎn)品可靠性和性能。PBGA封裝類型已有成熟的綠色和無鉛的材料清單可供選擇。

　　STATS ChipPAC的FBGA(見圖2)是一種以層壓樹脂線路板為基板的芯片及封裝形式。它采用的是全塑封并以低間距的錫球作為I／O口的連接。FBGA封裝減小了產(chǎn)品的外形尺寸和產(chǎn)品厚度，但是有更高的密度，這一特點(diǎn)使之成為高性能、便攜式應(yīng)用產(chǎn)品的的理想的先進(jìn)技術(shù)封裝解決方案。配之最新的材料和先進(jìn)的工藝，可生產(chǎn)出可靠的和有顯著成本效益的產(chǎn)品。現(xiàn)有無鉛和無鹵素的材料清單可供選擇。STATS ChipPAc可提供寬范圍的、符合JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品尺寸和厚度。例如：LFBGA(<1.70mm[典型的<1.40mm])、 TFBGA(<1.20mm)、VFBGA(<1.00mm)、WFBGA(<0.80mm)和UFBGA(<0.55mm) 等。

　　表1和表2分別列出了PBGA和FBGA之間的特性和應(yīng)用比較。

　　4? PBGA向FBGA封裝轉(zhuǎn)變中的挑戰(zhàn)

　　毫無疑問，同樣的產(chǎn)品，若由FBGA替代PBGA封裝，最大的挑戰(zhàn)無疑是信號(hào)線之間的短路，尤其是對(duì)于高密度的產(chǎn)品，更是如此。從經(jīng)驗(yàn)工藝水平來看，短路可能來源于三個(gè)方面。

4.1 焊線之間的短路

　　焊線之間的短路是整個(gè)項(xiàng)目的最大風(fēng)險(xiǎn)所在。由于FBGA采用的是矩陣式設(shè)計(jì)，一條層壓基板設(shè)計(jì)成了多排多列的矩陣。在層壓基板電鍍工藝時(shí)，要求每個(gè)產(chǎn)品之間互聯(lián)，雖然在做層壓基板的斷路／短路測試時(shí)，有些電鍍線會(huì)被蝕刻斷。但在焊線之后的斷路／短路檢測，仍然是一個(gè)很大的難題。所以我們從成本角度考慮，在封裝工藝中取消斷路／短路測試功能，而從封裝工藝控制的角度和材料選擇方面作了改進(jìn)。

　　(1)減小焊線線徑，選擇較硬材質(zhì)的金線。但是這兩點(diǎn)特性與其他工藝品質(zhì)互相矛盾。減小焊線直徑，可以提高線間距，但是塑封時(shí)，更容易產(chǎn)生金線搖擺 (Wire Sweep)而導(dǎo)致線與線之間的短路，并且焊線的線弧控制也會(huì)變得不穩(wěn)定。較硬材質(zhì)的金線有助于抗金線搖擺，但是焊線時(shí)，需要更大的焊接功率和焊接力。對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性都是不小的威脅；

　　(2)選擇較健壯的機(jī)器線弧參數(shù)，使用優(yōu)化參數(shù)控制線弧角度和高度；

　　(3)選擇精細(xì)填充劑的塑封樹脂，并使用優(yōu)化的塑封參數(shù)，有助于減小金線搖擺；

　　(4)焊線時(shí)，相鄰的金線采用高低線弧，以增加線間距；進(jìn)而，減小線與線之間短路風(fēng)險(xiǎn)。

　　4.2 錫球橋接

　　要相同的I／O端口，PBGA使用的錫球要比FBGA使用的錫球直徑和錫球間距大50％以上。另外，一般情況下，植球的設(shè)備在做PBGA產(chǎn)品時(shí)，每次植7顆產(chǎn)品；但做FBGA時(shí)，每次可能需要植24顆產(chǎn)品。所以，這對(duì)植球工藝提出了很大的挑戰(zhàn)。

　　解決方法：

　　(1)提高機(jī)器的真空能力，改善機(jī)器吸球的穩(wěn)定性；

　　(2)改進(jìn)Pickup Tool Ball Chamfer的設(shè)計(jì)；

　　(3)使用在線檢測功能，在植球之后，回流之前，實(shí)時(shí)地檢測球丟失和球橋接的情況。

　　4.3 PCB內(nèi)的電路短路

　　一般情況下，假設(shè)相同的端口，PBGA的層壓基板要比FBGA的層壓基板的線寬和線間距要大。這樣，F(xiàn)BGA就更可能產(chǎn)生線路之間的短路。

　　解決方法：

　　(1)采用build-up的生產(chǎn)工藝，進(jìn)行光學(xué)檢查；

　　(2)蝕刻斷電鍍總線，然后做基板級(jí)的斷路／短路測試。

　　5 PBGA向FBGA封裝形式轉(zhuǎn)變的應(yīng)用實(shí)例

　　5.1 PBGA和FBGA封裝工藝流程的比較

　　基本上，PBGA與FBGA在工藝流程和設(shè)備上，只是斷路／短路測試的差異。PBGA在塑封之前與塑封之后均可做電測試，但FBGA就只能在基板切割后做電測試了，見圖3。

　　5.2 PBGA和FBGA封裝材料的比較

　　5.3 PBGA和FBGA封裝形式的基板框架設(shè)計(jì)

　　針對(duì)此實(shí)例，F(xiàn)BGA的基板生產(chǎn)工藝要比PBGA復(fù)雜一些，單顆產(chǎn)品的工藝成本可能略高一些。但從整板的利用率來看，F(xiàn)BGA要比PBGA高3倍以上(見表4)。

　　5.4 PBGA和FBGA封裝產(chǎn)品的外形圖比較

　　兩種產(chǎn)品的外形圖分別如圖6和圖7所示。

本例中，單顆產(chǎn)品FBGA比PBGA面積上減小了73％，厚度僅為PBGA的61％(見表5)。

　　6 結(jié)論

　　經(jīng)過工藝優(yōu)化和材料的精細(xì)選擇，F(xiàn)BGA封裝的最終產(chǎn)品分別以零缺陷通過了Precon Level 4260℃，50h和100h的ubHAST，200x、500x和1000xTCB，以及500h的Bake測試。封裝和功能測試合格率分別為：99.70％和97.50％，可以進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。大批量產(chǎn)后，F(xiàn)BGA可能比PBGA封裝的產(chǎn)品合格率略低0.5％～1.0％，但從材料方面看，F(xiàn)BGA要明顯低于PBGA10％～30％。在一些工藝上，如貼片、塑封、基板切割等，機(jī)器的設(shè)備利用率也明顯高于PBGA。更有競爭力的是，F(xiàn)BGA的體積要比PBGA小70％以上。所以對(duì)于一些產(chǎn)品，F(xiàn)BGA最終可能取代PBGA。