用于高速光電組件的光焊球陣列封裝技術(shù)

張瑞君(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所，重慶 400060)

摘 要：本文介紹了用于高速光電組件的表面安裝型焊球陣列(BGA)封裝技術(shù)。

關(guān)鍵詞：焊球陣列(BGA)；封裝；光電組件

中圖分類號(hào)：TN305．94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

最近，光電組件正在向類似于電子元器件的表面安裝封裝方向發(fā)展。在上世紀(jì)90年代中期，為實(shí)現(xiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)所需求的低成本和小尺寸封裝，已開(kāi)發(fā)了C-CSP(陶瓷-芯片規(guī)模封裝)，以使C-CSP替代薄型小外形封裝(TSOP)、四側(cè)引腳扁平封裝(QFP)等，適應(yīng)封裝市場(chǎng)需要的CSP要具備以下條件：

①?gòu)默F(xiàn)有的封裝生產(chǎn)方式中獲得大容量的利用率；

②好的板級(jí)可靠性，TCT達(dá)1000次(-25-125℃)；

③月產(chǎn)量為1百萬(wàn)只，每個(gè)低成本插件為0．8美分。

C-CSP則符合上述全部條件，并已應(yīng)用于許多消費(fèi)類電子產(chǎn)品，如數(shù)字視頻便攜式攝像機(jī)、移動(dòng)手機(jī)等。然而，由于光組件一般比電子部件大得多，所以具有印刷布線板(PWB)的光組件組裝在可靠性方面不太穩(wěn)定；又由于傳統(tǒng)的封裝結(jié)構(gòu)在管殼中有金屬導(dǎo)線。為提高板級(jí)的可靠性，則用焊料將金屬導(dǎo)線與PWB連接在一起。實(shí)用化的表面安裝形式是第二級(jí)組裝與基板的焊接片互連，諸如平面柵格陣列(LGA)和球面柵格陣列(BGA)封裝。

2 光BGA概念

光BGA封裝是在管殼的下部表面陣列式排布許多球形焊接凸點(diǎn)，集成電路芯片可采用倒裝焊或引線鍵合載帶自動(dòng)焊(TAB)安裝在管殼上部表面上，如圖1所示。

光BGA封裝是高密度、高I／O數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中的重大突破，是最實(shí)用、最便宜、可靠性高、性能好的一種封裝形式，已成為上世紀(jì)90年代封裝的主流技術(shù)。光BGA封裝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：

●減少了封裝部件的數(shù)量，封裝尺寸小，I／O數(shù)密度高；

●適合于采用SMT，與通常線焊相比無(wú)引線損傷問(wèn)題；

●引腳短，縮短了信號(hào)路徑，減小了引線電感和電容，改善了電氣性能；特別適合于多引線器件封裝；

●RF線可直接與低插入損耗的PWB焊片連接，熱沉位于PWB焊片下面，可直接散熱，獲得良好的熱特性。

●封裝成品率高，效率高，降低了成本；

●安裝與焊接方便，焊接可靠性高；

●有自對(duì)準(zhǔn)效應(yīng)，對(duì)準(zhǔn)精度要求低，生產(chǎn)效率高；

●適合于多芯片組件(MCM)封裝需要，有利于實(shí)現(xiàn)MCM的高密度、高性能。

光BGA封裝技術(shù)可滿足微型化、低成本的高速信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)需要。BGA封裝不僅優(yōu)化了表面安裝技術(shù)，并對(duì)MCM的發(fā)展也起到重要作用。光BGA封裝技術(shù)有待于解決的問(wèn)題有：BGA與基板材料間的熱膨脹系數(shù)匹配問(wèn)題；有采用PWB的光組件可靠性不太穩(wěn)定的問(wèn)題。

3 光BGA封裝材料

光BGA封裝管殼常采用陶瓷材料，這種堅(jiān)固耐用的陶瓷材料有許多優(yōu)點(diǎn)，如具有微型設(shè)計(jì)規(guī)則的設(shè)計(jì)靈活性、簡(jiǎn)易的工藝技術(shù)、高性能和高可靠性，一般通過(guò)改變管殼的物理結(jié)構(gòu)即可進(jìn)行光BGA封裝設(shè)計(jì)。

陶瓷材料還具有氣密性和良好的一級(jí)可靠性。這是由于陶瓷材料的熱擴(kuò)散系數(shù)與GaAs器件材料的熱擴(kuò)散系數(shù)非常相近。而且，由于陶瓷材料可采用重疊的通道進(jìn)行三維布線，將減小整個(gè)封裝尺寸。

在一般情況下，由于熱量可使管殼變形，所以安裝光器件時(shí)必須控制熱量。光器件與光纖的最后對(duì)準(zhǔn)還可產(chǎn)生移動(dòng)，這將改變光特性。采用陶瓷材料則熱變形很小。因此，陶瓷材料很適合于光電組件封裝，并對(duì)光通信傳輸網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)產(chǎn)生重大影響。

4 光BGA封裝特性

光BGA封裝有兩個(gè)主要特性：電特性和熱特性。

4.1 電特性

為了獲得高速傳輸(10Gb／s)性能，關(guān)鍵是從激光二極管(LD)的焊片到焊接凸點(diǎn)通道要進(jìn)行最佳化的電子設(shè)計(jì)。高速表面安裝封裝必須將通路孔設(shè)計(jì)、內(nèi)部圖形和用于焊接凸點(diǎn)的焊片這三個(gè)重要部分最佳化，以便獲得最佳阻抗匹配。傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)的電信號(hào)連接是從管殼的上部直接到下部，無(wú)阻抗匹配控制。在陶瓷的每個(gè)面上完成信號(hào)圖形和接地圖形，再通過(guò)通道孑L進(jìn)行連接。當(dāng)傳輸高速信號(hào)時(shí)，這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定。而改進(jìn)后的光BGA封裝結(jié)構(gòu)則有良好的阻抗匹配控制，可獲得穩(wěn)定的高速信號(hào)。圖2示出傳統(tǒng)的封裝結(jié)構(gòu)與改進(jìn)后的光BGA封裝結(jié)構(gòu)的比較。

為實(shí)現(xiàn)高速傳輸，光BGA封裝結(jié)構(gòu)必須最佳化:

●通路孔最佳化

為使與LD連接的上部圖形最佳化，可采用共平面連線。為使通路孔最佳化，設(shè)置了接地通道以便控制阻抗。通過(guò)調(diào)節(jié)控制信號(hào)與接地線之間距離便可控制阻抗。

●內(nèi)部圖形最佳化

內(nèi)層設(shè)計(jì)也必須進(jìn)行阻抗匹配。圖3為改進(jìn)后BGA封裝結(jié)構(gòu)的內(nèi)部圖形，在信號(hào)線周圍設(shè)置了一個(gè)信號(hào)通路和多個(gè)接地通道。為獲得阻抗匹配，還要將接地通道位置的距離和角度進(jìn)行最佳化。

●焊球焊片最佳化

焊球與接地線之間的電容值是一個(gè)重要參數(shù)。一般在減小面積的同時(shí)還要控制阻抗。為減小尺寸而減小焊接片與信號(hào)通道間的距離，則可導(dǎo)致高電容和低阻抗。所以，為控制阻抗，內(nèi)部接地層的間隙必須大于信號(hào)焊片直徑。

4．2 熱特性

傳統(tǒng)的封裝結(jié)構(gòu)在管殼中有金屬導(dǎo)線。為提高可靠性，則用焊料進(jìn)行金屬導(dǎo)線與PWB之間的連接，但其缺點(diǎn)是所產(chǎn)生的熱量可導(dǎo)致管殼變形，所以安裝光器件時(shí)必須控制熱量。此外，為獲得最小化和低成本，光BGA的封裝中包括驅(qū)動(dòng)器集成電路(1C)，然而，該驅(qū)動(dòng)器IC可產(chǎn)生1．5W的熱量，并可影響LD性能，對(duì)LD的光功率和板極可靠性有較大影響。通常速率為2．4Gb／s的DFB-LD所要求的工作溫度為0-70℃，因此驅(qū)動(dòng)器IC所產(chǎn)生的熱量必須控制在該溫度范圍以內(nèi)。采用Cu-W制成的熱沉有極好的散熱能力。已設(shè)計(jì)了用于大規(guī)模集成電路(LSI)組件區(qū)和DFB-LD組件區(qū)的熱沉。圖4中示出了模擬組件，并在表1中示出其測(cè)量數(shù)據(jù)。光BGA封裝具有良好的熱特性。盡管LSI產(chǎn)生1．5W的熱量，但LD組件區(qū)卻可保持在70℃以下，以保證LD性能不會(huì)下降。

在圖5中示出了典型的最佳化光BGA封裝特性的測(cè)量結(jié)果。在傳輸速率為2．5GHz時(shí)，回波損耗為-20．83dB、插入損耗為-0．09dB；在傳輸速率為10GHz時(shí)，回波損耗為-19．00dB、插入損耗為-0．96dB。此外，在300次無(wú)故障中進(jìn)行二級(jí)組件可靠性測(cè)試，證明在苛刻環(huán)境中，采用光BGA封裝的LD性能沒(méi)有下降。

5 發(fā)展趨勢(shì)

目前，由于對(duì)更高數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本和系統(tǒng)微型化的需求，正在促進(jìn)用戶系統(tǒng)的傳輸容量大幅度增長(zhǎng)。隨著因特網(wǎng)容量的急劇擴(kuò)大，需要高速率傳輸系統(tǒng)。目前，2．4Gb／s速率傳輸網(wǎng)絡(luò)和10Gb／s速率數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域市場(chǎng)正在增長(zhǎng)。在圖6中示出了短距離局域網(wǎng)絡(luò)的光電組件封裝發(fā)展趨勢(shì)：光電組件將從分離型轉(zhuǎn)向MCM型、從導(dǎo)線型轉(zhuǎn)向球形連接型。而且，由于非致冷組件的出現(xiàn)，在2004年將可實(shí)現(xiàn)40GHz的定向調(diào)制器。為了向MCM封裝方向發(fā)展，不僅要開(kāi)發(fā)光電器件技術(shù)，也要開(kāi)發(fā)光電器件封裝技術(shù)。此外，MCM封裝技術(shù)的發(fā)展也決定了光電子器件市場(chǎng)的發(fā)展。

目前，光BGA以其性能和價(jià)格優(yōu)勢(shì)正成為封裝的主流技術(shù)。為滿足高速信號(hào)傳輸、微型化和低成本光傳輸網(wǎng)絡(luò)需要，光BGA封裝技術(shù)還在不斷發(fā)展。未來(lái)將進(jìn)行高頻封裝的高密度設(shè)計(jì)，不斷開(kāi)發(fā)包括低損耗布線和低介電陶瓷材料在內(nèi)的新型材料，并將按照系統(tǒng)級(jí)可靠性進(jìn)行2nd組件可靠性測(cè)試。