PBGA為什么要向FBGA轉(zhuǎn)變

PBGA為什么要向FBGA轉(zhuǎn)變

1 引言

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

　　2 芯片封裝技術的發(fā)展

　　數(shù)十年來，芯片封裝技術一直追隨著IC的發(fā)展而發(fā)展，一代IC就有相應一代的封裝技術相配合，而SMT的發(fā)展，更加促進芯片封裝技術不斷達到新的水平。

　　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，并成為這個時期的主導產(chǎn)品形式。80年代出現(xiàn)了SMT，相應的 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主導電子產(chǎn)品并延續(xù)至今。為了適應電路組裝密度的進一步提高，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。于是一種先進的芯片封裝BGA(Ball Grid Array，焊球陣列)應運而生，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技術的優(yōu)點是可增加I／O數(shù)和間距，消除QFP技術的高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、更高可靠性對電路組件的要求，也不能滿足硅集成技術發(fā)展對進一步提高封裝效率和進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可有更多的I／O數(shù)，使組裝密度進一步提高，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，才使FBGA(CSP)得以迅速發(fā)展并進入實用化階段。從FBGA(CSP)近幾年的發(fā)展趨勢來看，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用于移動電話、數(shù)碼錄像機、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標準的各種尺寸和球數(shù)，以滿足客戶要求。這種封裝形式提供給了客戶一個非常有成本效益的先進封裝解決方案，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的先進的設計和方針能力使得封裝優(yōu)化成為可能，以滿足客戶對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，這一特點使之成為高性能、便攜式應用產(chǎn)品的的理想的先進技術封裝解決方案。配之最新的材料和先進的工藝，可生產(chǎn)出可靠的和有顯著成本效益的產(chǎn)品?，F(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標準的產(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)無疑是信號線之間的短路，尤其是對于高密度的產(chǎn)品，更是如此。從經(jīng)驗工藝水平來看，短路可能來源于三個方面。

4.1 焊線之間的短路

　　焊線之間的短路是整個項目的最大風險所在。由于FBGA采用的是矩陣式設計，一條層壓基板設計成了多排多列的矩陣。在層壓基板電鍍工藝時，要求每個產(chǎn)品之間互聯(lián)，雖然在做層壓基板的斷路／短路測試時，有些電鍍線會被蝕刻斷。但在焊線之后的斷路／短路檢測，仍然是一個很大的難題。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。

　　(1)減小焊線線徑，選擇較硬材質(zhì)的金線。但是這兩點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，更容易產(chǎn)生金線搖擺 (Wire Sweep)而導致線與線之間的短路，并且焊線的線弧控制也會變得不穩(wěn)定。較硬材質(zhì)的金線有助于抗金線搖擺，但是焊線時，需要更大的焊接功率和焊接力。對產(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，相鄰的金線采用高低線弧，以增加線間距；進而，減小線與線之間短路風險。

　　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，植球的設備在做PBGA產(chǎn)品時，每次植7顆產(chǎn)品；但做FBGA時，每次可能需要植24顆產(chǎn)品。所以，這對植球工藝提出了很大的挑戰(zhàn)。

　　解決方法：

　　(1)提高機器的真空能力，改善機器吸球的穩(wěn)定性；

　　(2)改進Pickup Tool Ball Chamfer的設計；

　　(3)使用在線檢測功能，在植球之后，回流之前，實時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，進行光學檢查；

　　(2)蝕刻斷電鍍總線，然后做基板級的斷路／短路測試。

　　5 PBGA向FBGA封裝形式轉(zhuǎn)變的應用實例

　　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計

　　針對此實例，F(xiàn)BGA的基板生產(chǎn)工藝要比PBGA復雜一些，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，機器的設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。所以對于一些產(chǎn)品，F(xiàn)BGA最終可能取代PBGA。