對微電子封裝中關(guān)鍵性問題的探討

Key Issues of Micro-Electronic Package天水永紅器材廠　楊建生

引言


90年代前半期美國提出了第二代表面組裝技術(shù)的IC封裝技術(shù)--BGA(球柵陣列封裝)，其進一步的小型封裝為CSP(芯片規(guī)模封裝)，在20世紀90年代末成為人們關(guān)注的焦點。


球柵陣列封裝(BGA)


典型的球柵陣列封裝(BGA)是非常耐用的，如圖1所示。一旦被掉落到地板上之后，BGA可進行組裝。這對PQFP封裝來說，在某種程度上是不可能的。BGA的先進性為面積陣列形式，通常情況下較QFP在每一面積中提供較多的I/O數(shù)(如圖2所示)。當I/O數(shù)大于250時，BGA所占用的空間總是小于QFP，由于BGA的引線間距通常較類似的QFP寬松，組裝工藝較易，從而產(chǎn)生較高的效率。如果在組裝前測定與封裝相關(guān)的缺陷，那么此面積陣列封裝第一次通過的組裝效率可接近于小于1ppm/線水平。目前，BGA組裝最大的問題是與封裝相關(guān)的缺陷問題，這些問題可能起因于焊球丟失、濕敏性、裝運破壞及回流焊期間過度的翹曲。球尺寸方面存在非常大的變化，是大約從球到球的容積差異的2至3倍。一個焊點位置上雙層焊球及與金屬化相關(guān)的缺陷，諸如球和元件焊盤之間的貧焊。由于工藝問題，BGA組裝的最堅固的制造工藝提供最低的缺陷。然而，目前的組裝問題仍困擾著面積陣列封裝制造業(yè)。這不足為怪，由于BGA封裝正常的成熟周期還未完成。

BGA封裝的構(gòu)造為在通常情況下，具有比等效的QFP較短的引線長度，因此具有較好的電性能。不過BGA構(gòu)造引起的最大缺陷之一為成本問題，BGA較QFP昂貴的主要原因是與元件載體基板有關(guān)的疊層板和樹脂的成本。BT樹脂、陶瓷和聚酰亞胺樹脂載體比QFPs包含有更昂貴的原始配料，而QFPs包含有低成本的模塑樹脂和金屬薄片引線框架。面積陣列載體的生產(chǎn)成本非常昂貴，是由于細線電路和化學處理工藝的緣故。另外，QFPs能夠使用的封裝硅材料與BGA封裝工藝相比，其工藝步驟所要求的高輸出精整壓模和多腔模壓較少。一旦形成高容積，面積陣列封裝的成本將下降，但也許不會下降到QFP的成本狀況。

就BGA封裝的成本而言，有發(fā)展前景的例外情況就是適中的I/O數(shù)，即單層腔體向下型BGA封裝。在此類型的陣列中，封裝載體的焊球邊緣上，所有的電路無須通孔。因此，對每個BGA封裝而言，成本較高。BGA封裝極具優(yōu)勢的組裝效率將局部地彌補了這一差異。然而，當QFP適用時，在經(jīng)濟價值方面認為BGA只有在下列條件下將是合理的。低于200I/Os時，QFPs是適用的，相對來說易于組裝。但高于200I/Os時，情況正好是相反的。而當QFP不適用時，這種狀況將促使BGA廣泛的使用。并且極具可能的情況是高引線元件，使用高于200I/Os的BGA封裝。


BGA封裝的檢查與返修


BGA的檢查和返修也是日趨成熟的技術(shù)。雖然可進行成品的檢查，但是要求精密的設備諸如X射線成像系統(tǒng)或超聲顯微鏡系統(tǒng)。隨著整個BGA封裝生產(chǎn)周期和經(jīng)驗的不斷成熟，通過統(tǒng)計抽樣檢查所發(fā)現(xiàn)的問題會越來越少，從而使生產(chǎn)效率逐步提高。

返修也是一個值得考慮的問題，BGA的返修主要是由于與元件相關(guān)的各種缺陷，因此同完成良好的制造工藝關(guān)系重大。因為連接頭位于封裝體的下面，返修比周邊上有引線器件的明接頭困難得多。BGA返修方面的一些關(guān)鍵性的問題為：對拆卸部件的損壞，對替換部件的損壞，板與相鄰元件過熱，因局部加熱出現(xiàn)板的翹曲，適當部位的清洗和制備。返修需要考慮的問題包括：芯片溫度，返修周期內(nèi)元件上的溫度分布及板的溫度分布。如果所有需要的裝置都要購買的話，BGA返修臺的費用將是非常昂貴的。


清洗


BGA封裝的不利因素就是不能恰當?shù)匕盐挥陉嚵蟹庋b底部的板表面的焊劑廢料洗掉。目前，高管腳數(shù)的面陣列封裝在尺寸大小方面接近于45mm ，因此，清洗問題變得相當關(guān)鍵。清洗要求使用的各種焊劑和焊膏可導致電失效，并且在高功率應用中接地的性號會發(fā)生泄漏。為了減少殘存于封裝體底部未清除的焊劑廢料而導致的問題，要求在大面積陣列封裝應用中，使用免清洗焊劑/焊膏。采用各種溶劑的清洗系統(tǒng)可適當?shù)厍逑碆GA封裝體的底部，但是將面臨各種環(huán)境限制和過高的成本問題。


BGA的各種規(guī)格


目前適用的幾種規(guī)格的BGA封裝類型包括：塑料過模BGA(PBGA)，有機帶式載體BGA(TBGA)，陶瓷BGA(CBGA)，陶瓷柱狀陣列(CGA)，腔體型BGA，包括熱增強及芯片腔體朝下型，金屬體BGA(MBGA)。一般認為，TBGA、CGA、CBGA封裝使用高熔融焊料合金(10Sn/90Pb)，而大部分別的BGAs使用低熔融共晶焊料63Sn/37Pb或接近于低共熔的62Sn/36Pb/2Ag焊料合金。


有效性(利用率)


概括地說，在過去幾年中已通用的高于208個管腳、間距為0.5mm款式的QFPs ，應用范圍不夠廣泛，更高管腳數(shù)的QFPs包括256個管腳、間距0.4mm，304個管腳、間距0.4mm的各個品種，應用范圍也不夠廣泛。大部分QFPs為塑料和陶瓷殼體款式，通常各類塑料型器件適合于較高的引線數(shù)。另外，兩種較少使用的QFP類型為密封TAB型和金屬殼體型(高熱損耗)。隨著QFP封裝引線數(shù)的增加，其殼體尺寸急劇地增加，可以替代封裝尺寸增加的是更進一步縮減引線間距。一些商用的0.3mm間距的器件已獲得成功，但是有限的封裝有效性和非常密的組裝工藝已防礙著大規(guī)模的器件組裝。通用的QFPs產(chǎn)品來源很多，包括IBM、Intel、Shinko、Seiko、Olin、Swire、IPAC 和Motorola 等公司。

BGAs在高于200I/O數(shù)水平的各種各樣的類型中是通用的，在塑料BGAs中，通用的封裝規(guī)格包括225、256、313、352、361和400I/O數(shù)的各種元件。各種熱增強型面陣列封裝包括479和503個管腳的類型。腔體向下型BGAs目前適用的為204、208、240、256、312、352、432、479、560和596等各種款式。提供的TBGAs的類型的管腳數(shù)分別為：240、342、432、647和736，并且可安裝散熱片或在封裝的后背部粘附一個金屬板。CBGAs典型地使用于非常高的管腳數(shù)的各種應用，并且一般為高于1000I/O數(shù)。為了獲得高的熱損耗問題的解決，近年來已開展進行兩種金屬殼體型BGAs的嘗試。通用的BGAs封裝產(chǎn)品的供應商主要包括：IBM、Motorola 、Citizen 、LSI Logic 、Amkor、 Anam 、Cassia、SAT、AT&T、National Semiconductor 、Olin and ASE 等公司。


發(fā)展趨勢


可預見，未來一段時間里，引線數(shù)低于200的PQFP將成為主要的封裝技術(shù)。當引線數(shù)高于350時，QFPs要得到廣泛的應用是不可能的。在200到300I/O的各類器件之間，將繼續(xù)存在兩個封裝技術(shù)領(lǐng)域之間的競爭。因此，小于0.5mm的QFP封裝工藝將被極具吸引力的BGAs封裝工藝所代替。然而，與PQFPs較適中的8%的年增長率相比較，BGA的年增長率將增大為每年25%。



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