BGA 晶片封裝工藝流程

2021-12-29 半導體封裝工程師之家

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南京熱鏈研習社

     

在BT樹脂/玻璃芯板的兩面壓極薄(12-18um厚)的銅箔,然後進行鑽孔和通孔金屬化,通孔一般位於基板的四周;再用常規的PWB工藝(壓膜、曝光、顯影、蝕刻等)在基板的兩面製作圖形(導帶、電極以及安裝焊球的焊區陣列);最後形成介質阻焊膜並製作圖形,露出電極及焊區。

      線路形成:

      

圓片減薄→圓片切削→晶片粘結→清洗→引線鍵合→清洗→模塑封裝→裝配焊料球→回流焊→打標→分離→檢查及測試→包裝

晶片粘結:採用充銀環氧樹脂粘結劑(導電膠)將IC晶片粘結在鍍有Ni-Au薄層的基板上

引線鍵合:粘結固化後用金絲球焊機將IC晶片上的焊區與基板上的鍍Ni-Au的焊區以金線相連

模塑封裝:用石英粉的環氧樹脂模塑進行模塑包封,以保護晶片、焊接線及焊盤。

回流焊:固化之後,使用特設設計的吸拾工具(焊球自動拾放機)將浸有焊劑熔點為183℃、直徑為30mil(0.75mm)的焊料球Sn62Pb36Ag2,或者Sn63Pb37放置在焊盤上,在傳統的回流焊爐內在N2氣氛下進行回流焊接(最高加工溫度不超過230℃),焊球與鍍Ni-Au的基板焊區焊接。


裝配焊球有兩種方法:「球在上」和「球在下」


球在上:在基板上絲網印製焊膏,將印有焊膏的基板裝在一個夾具上,用定位銷將一個帶篩孔的頂板與基板對準,把球放在頂板上,篩孔的中心距與陣列焊點的中心距相同,焊球通過孔對應落到基板焊區的焊膏上,多餘的球則落入一個容器中。取下頂板後將部件送去再流,再流後進行清洗。

「球在下」:過程與「球在上」相反,先將一個帶有以所需中心距排列的孔(直徑小於焊球)的特殊夾具放在一個振動/搖動裝置上,放入焊球,通過振動使球定位於各個孔,在焊球位置上印焊膏,再將基板對準放在印好的焊膏上,送去再流,之後進行清洗。

焊球的直徑是0.76mm(30mil)或0.89mm(35mil),PBGA焊球的成分為低熔點的63Sn37Pb(62Sn36Pb2Ag)。

      

TBGA載帶是由聚醯亞胺PI材料製成的,在製作時,先在載帶的兩面覆銅,接著衝通孔和通孔金屬化及製作出圖形;然後鍍鎳、金,將帶有金屬化通孔和再分布圖形的載帶分割成單體。

封裝熱沉又是封裝的加固體,也是管殼的芯腔基底,因此在封裝前先要使用壓敏粘結劑將載帶粘結在熱沉上。

TBGA適合於高I/O數應用的一種封裝形式,I/O數可為200-1000,晶片的連接可以用倒裝晶片再流,也可以用熱壓鍵合。

圓片減薄→圓片切割→晶片粘結→清洗→引線鍵合→等離子清洗→液態密封劑灌封→裝配焊料球→回流焊→打標→最終檢查→測試→包裝

晶片粘結:全陣列型晶片,用C4工藝;周邊型金凸點晶片,熱壓鍵合。

裝配焊料球:用微焊技術把焊球(10Sn90Pb)焊接到載帶上,焊球的頂部熔進電鍍通孔內,焊接後用環氧樹脂將晶片包封。

      

FCGBA基板製作是將多層陶瓷片高溫共燒成多層陶瓷金屬化基片,再在基片上製作多層金屬布線,然後進行電鍍等。

      

圓片凸點的製備→圓片切割→晶片倒裝及回流焊→底部填充→導熱脂、密封焊料的分配→封蓋→裝配焊料球→回流焊→打標→分離最終檢查→測試→包封

倒裝焊接:


特點:

倒裝焊技術克服了引線鍵合焊盤中心距極限的問題;

      

在晶片的電源/地線分布設計上提供了更多的便利;

      

為高頻率、大功率器件提供更完善的信號。


優點:

焊點牢固、信號傳輸路徑短、電源/地分布、I/O;密度高、封裝體尺寸小、可靠性高等。

缺點:

由於凸點的製備是在前工序完成的,因而成本較高。         

倒裝焊的凸點是在圓片上形成的。在整個加工過程中,工藝處理的是以圓片、晶片和基片方式進行的,它不是單點操作,因而處理效率較高。

基板選擇:

基板選擇的關鍵因素在於材料的熱膨脹係數(CTE)、介電常數、介質損耗、電阻率和導熱率等。 

基板與晶片(一級互連)之間或基板與PCB板(二級互連)之間的CTE失配是造成產品失效的主要原因。CTE失配產生的剪切應力將引起焊接點失效。

封裝體的信號的完整性與基片的絕緣電阻、介電常數、介質損耗有直接的關係。介電常數、介質損耗與工作頻率關係極大,特別是在頻率>1GHz時。

有機物基板是以高密度多層布線和微通孔基板技術為基礎製造的。

特點:低的互連電阻和低的介電常數。

局限性:


①在晶片與基板之間高的CTE差會產生大的熱失配;

 

②可靠性較差,其主要原因是水汽的吸附。

      現有的CBGA、CCGA封裝採用的基板為氧化鋁陶瓷基板。

局限性:

①熱膨脹係數與PCB板的熱膨脹係數相差較大,而熱失配容易引起焊點疲勞。

②它的高介電常數、電阻率也不適用於高速、高頻器件。

HITCE陶瓷基板


特點:

CTE是12.2ppm/℃;

      

低的介電常數5.4;

     

低阻的銅互連繫統。

綜合了氧化鋁陶瓷基板和有機物基板的最佳特性,其封裝產品的可靠性和電性能得以提高。

 凸點技術:常用的凸點材料為金凸點,95Pb5Sn、90Pb10Sn焊料球(回流焊溫度約為350℃)。技術的關鍵在於當節距縮小時,必須保持凸點尺寸的穩定性。焊料凸點尺寸的一致性及其共面性對倒裝焊的合格率有極大的影響。

相比於PBGA和TBGA,CBGA有些許不同,主要表現在以下幾個方面:

 1.CBGA的基板是多層陶瓷布線基板,PBGA的基板是BT多層布線基板,TBGA基板是加強環的聚醯亞胺(PI)多層Cu布線基板。

 2.CBGA基板下面的焊球為90%Pb-10Sn%或95%Pb-5Sn%的高溫焊球,而與基板和PWB焊接的焊料則為37%Pb-63Sn%的共晶低溫焊球。

 3.CBGA的封蓋為陶瓷,使之成為氣密性封裝;而PBGA和TBGA則為塑料封裝,非氣密性封裝。

BGA 封裝結構中晶片與基板的互連方式主要有兩種:引線鍵合、倒裝焊。

目前BGA的I/O數主要集中在100~1000:

採用引線鍵合的BGA的I/O數常為50~540;

採用倒裝焊方式的I/O 數常>540。

目前PBGA的互連常用引線鍵合方式:


CBGA 常用倒裝焊方式;

TBGA 兩種互連方式都有使用。

當I/O數<600時,引線鍵合的成本低於倒裝焊。但是,倒裝焊方式更適宜大批量生產,如果圓片的成品率得到提高,那麼就有利於降低每個器件的成本。並且倒裝焊更能縮小封裝體的體積。

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