PBGA為什么要向FBGA轉變

PBGA為什么要向FBGA轉變

1 引言

　　從20世紀80年代中后期開始，電子產品正朝著便攜式、小型化、網絡化和多媒體化方向發展，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展的重要因素。

　　2 芯片封裝技術的發展

　　數十年來，芯片封裝技術一直追隨著IC的發展而發展，一代IC就有相應一代的封裝技術相配合，而SMT的發展，更加促進芯片封裝技術不斷達到新的水平。

　　60、70年代的中、小規模IC，曾大量使用TO型封裝，后來又開發出DIP、PDIP，并成為這個時期的主導產品形式。80年代出現了SMT，相應的 IC封裝形式開發出適于表面貼裝短引線或無引線的LCCC、PLCC、SOP等結構。在此基礎上，經十多年研制開發的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主導電子產品并延續至今。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發展到了 0.3mm。由于引腳間距不斷縮小，I／O數不斷增加，封裝體積也不斷加大，給電路組裝生產帶來了許多困難，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技術的優點是可增加I／O數和間距，消除QFP技術的高I／O數帶來的生產成本和可靠性問題。

　　BGA的興起和發展盡管解決了QFP面臨的困難，但它仍然不能滿足電子產品向更加小型、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結構基本一樣，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，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點，才使FBGA(CSP)得以迅速發展并進入實用化階段。從FBGA(CSP)近幾年的發展趨勢來看，FBGA(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、數碼錄像機、筆記本電腦等產品上。

　　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，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封裝減小了產品的外形尺寸和產品厚度，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，可生產出可靠的和有顯著成本效益的產品?，F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封裝轉變中的挑戰

　　毫無疑問，同樣的產品，若由FBGA替代PBGA封裝，最大的挑戰無疑是信號線之間的短路，尤其是對于高密度的產品，更是如此。從經驗工藝水平來看，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，要求每個產品之間互聯，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，選擇較硬材質的金線。但是這兩點特性與其他工藝品質互相矛盾。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定。較硬材質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。對產品的質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，使用優化參數控制線弧角度和高度；

　　(3)選擇精細填充劑的塑封樹脂，并使用優化的塑封參數，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產品時，每次植7顆產品；但做FBGA時，每次可能需要植24顆產品。所以，這對植球工藝提出了很大的挑戰。

　　解決方法：

　　(1)提高機器的真空能力，改善機器吸球的穩定性；

　　(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，FBGA就更可能產生線路之間的短路。

　　解決方法：

　　(1)采用build-up的生產工藝，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，FBGA的基板生產工藝要比PBGA復雜一些，單顆產品的工藝成本可能略高一些。但從整板的利用率來看，FBGA要比PBGA高3倍以上(見表4)。

　　5.4 PBGA和FBGA封裝產品的外形圖比較

　　兩種產品的外形圖分別如圖6和圖7所示。

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

　　6 結論

　　經過工藝優化和材料的精細選擇，FBGA封裝的最終產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％，可以進行商業化生產。大批量產后，FBGA可能比PBGA封裝的產品合格率略低0.5％～1.0％，但從材料方面看，FBGA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，FBGA的體積要比PBGA小70％以上。所以對于一些產品，FBGA最終可能取代PBGA。