新一代器件—BGA的组装

摘 要 随着IC技术的不断进步，IC的封装技术也得到迅速发展，BGA器件就是顺应了集成电路多引出线的要求，并且具有良好的表面安装工艺性。因此，近两年来倍受电子工业界的青睐。本文介绍了BGA的结构，特点及其组装和返修工艺。
随着表面安装技术的发展 ，I/O数不断增加，间隙有断减小，从通常的QFP0.635mon到0.5mm、0.4mm甚至0.3mm或更小间距。一般0.5mm陶瓷QFP有304条引线，0.4mm陶瓷QFP有376条引线，估计这两种封装钭成为90年代通用封装的主流。但是由于受到器件引线框架加工精度的限制，一般认为QFP间距析限为0.3mm这大大限制了高密度封装的发展。间距QFP对组装工艺要求严格，推广应用困难。因此世界上一些公司已把注意力集中在开发和应用比QFP优越BGA上。
BGA是Ball Grid Array的缩写，SMT贴片加工按字面可直译为 球栅阵列 ，BGA是贴装IC的一种新的封装形式，其引出端矩距阵状分布在底面上，完全改变了引端分布在两侧或四边的封装形式，这样相同引出端数的BGA其焊点分布要比PLCC、QFP引出脚间距疏松的多。如果维持相同间距则BGA的引出端QFP多得多。如果一个313引出端的PBGA在电路板上占用一个有304引出脚的PQFP封装所占用的空间少34％，同时BGA的安装高度也比PQFP小，313引出端的PBGA的高约2.1mm，304引出脚的FQFP的高度为3.7mm。因此普遍认为BGA是高密度、高性能和I/O端子数的VISI封装的最佳选择。到目前为止，BGA的主要类型有：OMPAC(Over molded pad array carrier)和陶瓷BGA.另外根据引出端形状的不同还有PGA(pin Grid Array直译为针栅阵列)CGA(Column Grid Array直译为柱栅阵列)、HGA(Hole Grid Array直译为孔栅阵列)等。
1 BGA的结构与特点
BGA主要结构分为三部分；主体基板、芯片和封装。基板一面焊接面，另一面为芯片封装面。焊接面上球形焊矩阵状排列。基板为特别精细的印制线路板，有双面板与多层板几种形式。对于引出端数较多的基板一般为多层板，内部为走线层与电源、接地层。对于引出数端较少的基板用双面板即可。在芯片封装面上IC芯片以COB方式与基板连接。
一般BGA具有以下一些优点：
较好的共面性。
焊球的大表面张力可以使器件在再流焊过程中自动校准中心。
引出端间距增大，减少了由于焊膏印刷而引起的焊接问题。
没有弯曲的器件引脚。
良好的电性能。
良好的热性能。
封装产量高。
较高的互连密度。
较低的器件缺陷水平。
较低的产品成本。
当然BGA也有缺点：
新型封装设计会面临一定的阻力。
对焊点的可靠性要求更严格。
检测花费很大，需要使用X光。
返修方法更困难，同时返修后不能再利用。
对温度敏感。
小批量生产成本高。
BGA器件的安装
因为人们已经习惯了使用小间距QFP,所以一种新的工艺出台，必须需要有比细间QFP更加强大的优点，人们才可能接受它。与细间距QFP封装相比，BGA封装很容易。这是因为可以使用现有的表面安装设备贴装BGA。同时BGA封装与其他多引脚封装相比，所需要的资金较低。另外BGA也与现有的其它工艺方法相兼容，而且大部分不同尺寸的BGA元件都可以用盘和带来装配，它远比QFP器件结实牢固，这大大地减少了工艺过程中的损坏。
通常在组装QFP时，OEM代工代料加工组装前必须在PCB的焊盘上施加助焊剂，以减少焊盘和焊球上的氧化物。使用BGA则必在焊盘上加焊剂，因为焊球中已含有低熔点的焊料，在再流焊中，直径为30mil的整个焊球熔化，可提供足够的焊料，按封装的尺寸和焊球分布的不同，可给出18至22mil的焊点，这个焊点是足够牢固的，甚至在提高再流温度或PCB弯曲时，器件的焊接也是足够牢固的。
贴装BGA器件比贴装细间距QFP器件简单，国为焊球至器件的边缘公差很小优于+2mil，以器件的轮廓为基准，就能把器件放准确，另外，由于BGA在再流焊中受熔化焊球的表面张力的作用，即使器件与焊盘的偏差达到50％，也会很好地自动校准。
虽然BGA与标准的SMT工艺设备相兼容，但是专门用于贴BGA的设备现在已经上市了，有的设备采用向上观看的激光器来对准球栅阵列中心。有的设备采用分光棱镜和立体显微镜或监视器组成的光学系统投影到立体显微镜或监视器内，两个影像发生重叠，通过显微镜或监视就可以观察到焊盘的相对位置。还有些机器能实现检测遗漏的焊球并判是否在一个平面上。
另外还需注意的是：通常BGA对潮湿非常敏感，尤其是OMPAC，它能使封装器件与衬底裂开。这是由于粘模片的环氧树脂吸附潮气，当器件被加热到再流温度时，它所吸附的潮气就会汽化，在环氧树脂内造成大的应力，水汽要模片下的衬底上形成气泡，这将导致炸裂。如果吸附的潮气很多，那么炸裂就会很厉害，可能会一直延伸到衬底的四周。因此最好在安装前，把器件放在1250C的烤箱中烤24小时，这种烘烤最好能在惰性气体环境中进行。
BGA再流焊
BGA再流焊可采用红外加热炉，也可采用热风对流加热炉，这一工艺与QFP表面安装工艺非常相似。焊球开始时的直径约是25mil，在再流焊中塌陷为3到7mil，这一过程也被叫做受控芯片载体塌陷连接。在BGA再流焊过程中，温度控制是必不可少的，一定要依据BGA制造商提供的数据，否则可能损坏BGA的内部结构。同时应防止由于再流时间过长而造成的器件损坏。一般再流焊条件为：最佳温度2150C，最高温度低于2400C，熔化温度下保持60到90秒。
BGA焊点的检测
因为在BGA焊接后，其焊点不容易看到，所以检查BGA的焊点就比检查其它表面安装的焊点难多了，但与BGA的极高的安装产量相比，这一缺点也就不算什么了。由于原子密度的不同，在检测漏焊、虚焊和重焊时用X射线系统来检测焊点的开路虚焊，可在板子设计时对焊盘形状做一简单的修改，如在每一焊点的园焊盘旁加一与园焊盘连接的小标记，这样在再流焊期间，如果焊点是好的，那么来自焊球的焊料会充满标记区，否则该标记上无焊料。