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XSY芯师爷

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关于BGA封装,这篇你一定要看!

2018-11-02
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导语

BGA工艺一出现,便成为IC封装的最佳选择之一。发展至今,BGA封装工艺种类越来越多,不同的种类具有不同的特点,工艺流程也不尽相同。同时,伴随着BGA工艺和IC产业的发展,国产封测厂商逐渐登上历史舞台。


上世纪90年代,BGA(Ball grid array,球栅阵列或焊球阵列)封装技术发展迅速并成为主流的封装工艺之一。它是一种高密度表面装配封装技术,在封装底部,引脚都成球状并排列成一个类似于格子的图案,由此命名为BGA。



目前主板控制芯片组多采用此类封装技术,材料多为陶瓷。采用BGA技术封装的内存,可以使内存在体积不变的情况下,内存容量提高两到三倍。


本文主要内容为BGA封装的主要分类及其特点BGA封装工艺流程,以及国产封测厂商三方面


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BGA封装技术分类及特点


BGA的封装类型很多,根据焊料球的排布方式可分为周边型、交错型和全阵列型。



根据基板的不同主要分为PBGA(Plastic BGA,塑封BGA)、CBGA(Ceramic BGA,,陶瓷BGA)、FCBGA(Filpchip BGA,倒装BGA)、TBGA(Tape BGA,载带BGA)。


PBGA封装


PBGA是最常用的BGA封装形式,采用塑料材料和塑料工艺制作。其采用的基板类型为PCB基板材料(BT树脂/玻璃层压板),裸芯片经过粘接和WB技术连接到基板顶部及引脚框架后,采用注塑成型(环氧膜塑混合物)方法实现整体塑模。Intel系列CPU中,Pentium II、III、IV处理器均采用这种封装形式。



焊球材料为低熔点共晶焊料合金63Sn37Pb,直径约为1mm,间距范围1.27-2.54mm,焊球与封装体底部的连接不需要另外使用焊料。组装时焊球熔融,与PCB表面焊板接合在一起,呈现桶状。



PBGA封装特点主要表现在以下四方面:


1.制作成本低,性价比高。

2.焊球参与再流焊点形成,共面度要求宽松。

3.与环氧树脂基板热匹配性好,装配至PCB时质量高,性能好。

4.对潮气敏感,PoPCorn effect 严重,可靠性存在隐患,且封装高度之QFP高也是一技术挑战。



CBGA封装


CBGA是将裸芯片安装在陶瓷多层基板载体顶部表面形成的,金属盖板用密封焊料焊接在基板上,用以保护芯片、引线及焊盘,连接好的封装体经过气密性处理,可提高其可靠性和物理保护性能。Pentium I、II、Pentium Pro处理器均采用过这种封装形式。



CBGA采用的是多层陶瓷布线基板,焊球材料为高熔点90Pb10Sn共晶焊料,焊球和封装体的连接使用低温共晶焊料63Sn37Pb,采用封盖+玻璃气封,属于气密封装范畴。



CBGA封装特点主要表现在以下六方面:


1.对湿气不敏感,可靠性好,电、热性能优良。

2.与陶瓷基板CTE匹配性好。

3.连接芯片和元件可返修性较好。

4.裸芯片采用FCB技术,互连密度更高。

5.封装成本较高。

6.与环氧树脂等基板CTE匹配性差。



FCBGA封装


FCBGA是目前图形加速芯片最主要的封装格式,这种封装技术始于1960年代,当时IBM为了大型计算机的组装,而开发出了所谓的C4(Controlled Collapse Chip Connection)技术,随后进一步发展成可以利用熔融凸块的表面张力来支撑芯片的重量及控制凸块的高度,并成为倒装技术的发展方向。


这种封装使用小球代替原先采用的针来连接处理器。一共需要使用479个球,且直径均为0.78毫米,能提供最短的对外连接距离。FCBGA通过FCB技术与基板实现互连,与PBGA的区别就在于裸芯片面朝下。



FCBGA封装特点主要表现在以下三方面:


1.优异的电性效能,同时可以减少组件互连间的损耗及电感,降低电磁干扰的问题,并承受较高的频率。

2.提高I/O的密度,提高使用效率,有效缩小基板面积缩小30%至60%。

3.散热性好,可提高芯片在高速运行时的稳定性。



TBGA封装


TBGA又称阵列载带自动键合,是一种相对较新颖的BGA封装形式。其采用的基板类型是PI多层布线基板,焊料球材料为高熔点焊料合金,焊接时采用低熔点焊料合金。



TBGA封装特点主要表现在以下五方面:


1.与环氧树脂PCB基板热匹配性好。

2.最薄型BGA封装形式,有利于芯片薄型化。

3.相比于CBGA,成本较低。

4.对热度和湿度,较为敏感。

5.芯片轻且小,相比其他BGA类型,自校准偏差大。



2

BGA封装工艺流程


目前,许多芯片封装都为BGA型,这类封装的最大优点就是能节约板上空间。最常见的是芯片向上结构,对热处理要求较高的通畅是使用腔向下的结构。


多数封装都采用芯片键合技术将芯片与基板连接起来,并实现芯片与基板之间的电连接。BGA也如此,但更多是采用倒装芯片互连技术。采用倒装芯片设计可将散热片直接与芯片连接起来,达到更好散热的目的。


PBGA封装工艺流程


1.PBGA基板的制备


在BT树脂/玻璃芯板的两面压极薄(12-18um厚)的铜箔,然后进行钻孔和通孔金属化,通孔一般位于基板的四周;再用常规的PWB工艺(压膜、曝光、显影、蚀刻等)在基板的两面制作图形(导带、电极以及安装焊球的焊区阵列);最后形成介质阻焊膜并制作图形,露出电极及焊区。



2.封装工艺流程


圆片减薄→圆片切削→芯片粘结→清洗→引线键合→清洗→模塑封装→装配焊料球→回流焊→打标→分离→检查及测试→包装


芯片粘结:采用充银环氧树脂粘结剂(导电胶)将IC芯片粘结在镀有Ni-Au薄层的基板上

引线键合:粘结固化后用金丝球焊机将IC芯片上的焊区与基板上的镀Ni-Au的焊区以金线相连

模塑封装:用天有石英粉的环氧树脂模塑进行模塑包封,以保护芯片、焊接线及焊盘。

回流焊:固化之后,使用特设设计的吸拾工具(焊球自动拾放机)将浸有焊剂熔点为183℃、直径为30mil(0.75mm)的焊料球Sn62Pb36Ag2,或者Sn63Pb37放置在焊盘上,在传统的回流焊炉内在N2气氛下进行回流焊接(最高加工温度不超过230℃),焊球与镀Ni-Au的基板焊区焊接。


TBGA封装工艺流程


1.TBGA载带制作


TBGA载带是由聚酰亚胺PI材料制成的,在制作时,先在载带的两面覆铜,接着冲通孔和通孔金属化及制作出图形;然后镀镍、金,将带有金属化通孔和再分布图形的载带分割成单体。


封装热沉又是封装的加固体,也是管壳的芯腔基底,因此在封装前先要使用压敏粘结剂将载带粘结在热沉上。


TBGA适合于高I/O数应用的一种封装形式,I/O数可为200-1000,芯片的连接可以用倒装芯片再流,也可以用热压键合。


2.封装工艺流程


圆片减薄→圆片切割→芯片粘结→清洗→引线键合→等离子清洗→液态密封剂灌封→装配焊料球→回流焊→打标→最终检查→测试→包装



芯片粘结:全阵列型芯片,用C4工艺;周边型金凸点芯片,热压键合。

装配焊料球:用微焊技术把焊球(10Sn90Pb)焊接到载带上,焊球的顶部熔进电镀通孔内,焊接后用环氧树脂将芯片包封。


FCBGA封装工艺流程


1.FCGBA基板制作


FCGBA基板制作是将多层陶瓷片高温共烧成多层陶瓷金属化基片,再在基片上制作多层金属布线,然后进行电镀等。


2.封装工艺流程


圆片凸点的制备→圆片切割→芯片倒装及回流焊→底部填充→导热脂、密封焊料的分配→封盖→装配焊料球→回流焊→打标→分离最终检查→测试→包封


倒装焊接:克服了引线键合焊盘中心距极限的问题,在芯片的电源/地线分布设计上提供了更多便利,为高频率、大功率器件提供更完善的信号。

基板选择:关键因素在于材料的热膨胀系数(CTE)、介电常数、介质损耗、电阻率和导热率等。

凸点技术:常用的凸点材料为金凸点,95Pb5Sn、90Pb10Sn焊料球(回流焊温度约为350℃)。技术的关键在于当节距缩小时,必须保持凸点尺寸的稳定性。焊料凸点尺寸的一致性及其共面性对倒装焊的合格率有极大的影响。


CBGA封装工艺流程


相比于PBGA和TBGA,CBGA有些许不同,主要表现在三个方面:


1.CBGA的基板是多层陶瓷布线基板,PBGA的基板是BT多层布线基板,TBGA基板是加强环的聚酰亚胺(PI)多层Cu布线基板。

2.CBGA基板下面的焊球为90%Pb-10Sn%或95%Pb-5Sn%的高温焊球,而与基板和PWB焊接的焊料则为37%Pb-63Sn%的共晶低温焊球

3.CBGA的封盖为陶瓷,使之成为气密性封装;而PBGA和TBGA则为塑料封装,非气密性封装。


3

国产封测厂商


封装与测试是半导体制造不可或缺的环节。全球封测市场将继续稳步增长,其中专业代工封测市场占比逐渐扩大。


近年来随着半导体产业进入成熟期,封测行业并购不断,大者恒大的趋势越发明显。中国台湾是专业代工封测实力最强的区域,近年来中国大陆封测企业通过内生发展与外延并购实现营业收入快速增长,逐渐成为全球封测产业重要力量。


1.江苏长电科技股份有限公司


官网:http://www.cj-elec.com/


公司介绍:长电科技成立于1972年, 2003年在上交所主板成功上市。历经四十余年发展,长电科技已成为全球知名的集成电路封装测试企业。长电科技面向全球提供封装设计、产品开发及认证,以及从芯片中测、封装到成品测试及出货的全套专业生产服务。


长电科技致力于可持续发展战略,崇尚员工、企业、客户、股东和社会和谐发展,合作共赢之理念,先后被评定为国家重点高新技术企业,中国电子百强企业,集成电路封装技术创新战略联盟理事长单位,中国出口产品质量示范企业等,拥有国内高密度集成电路国家工程实验室、国家级企业技术中心、博士后科研工作站等。


2.天水华天科技股份有限公司



官网:http://www.tshtkj.com/index.html


公司介绍:天水华天科技股份有限公司成立于2003年12月25日,2007年11月20日在深圳证券交易所挂牌上市交易。股票简称:华天科技;股票代码:002185。目前,公司总股本213,111.29万股,注册资本213,111.29万元。


公司主要从事半导体集成电路封装测试业务。目前公司集成电路封装产品主要有DIP/SDIP、SOT、SOP、SSOP、TSSOP/ETSSOP、QFP/LQFP/TQFP、QFN/DFN、BGA/LGA、FC、MCM(MCP)、SiP、WLP、TSV、Bumping、MEMS等多个系列,产品主要应用于计算机、网络通讯、消费电子及智能移动终端、物联网、工业自动化控制、汽车电子等电子整机和智能化领域。公司集成电路年封装规模和销售收入均位列我国同行业上市公司第二位。


3.通富微电子股份有限公司



官网:http://www.tfme.com/


公司介绍:通富微电子股份有限公司成立于1997年10月,2007年8月在深圳证券交易所上市(股票简称:通富微电,股票代码:002156)。公司总股本115370万股,第一大股东南通华达微电子集团有限公司(占股28.35%)、国家集成电路产业投资基金股份有限公司在完成股权交割后将成为第二大股东(占股21.72%),公司总资产120多亿元。


通富微电专业从事集成电路封装测试,是国家重点高新技术企业、中国半导体行业协会副理事长单位、国家集成电路封测产业链技术创新联盟常务副理事长单位、中国电子信息百强企业、中国前三大集成电路封测企业。2017年全球封测企业排名第6位。


4.江苏省南通华达微电子集团有限公司




官网:http://www.nthuada.com/index.aspx


公司介绍:南通华达微电子集团有限公司始建于1966年,经过50多年的发展,已经成为一家以半导体器件封装、测试为主业的具有一定实力的民营企业集团公司。


公司业务涉及产业链上、下游,在半导体器件封装测试、设备制造、模具等领域处于国内领先水平。公司总资产为128亿元,2017年销售收入达76亿元。 公司为国家第一批集成电路认定企业,连续多年被评为“中国电子百强企业”、“中国十大封测企业”。


5.四川明泰电子科技有限公司



官网:http://www.mountek-sc.com/


公司介绍:四川明泰电子科技有限公司成立于2010年8月,致力于推动中国集成电路的封测产业的发展。


公司总投资1.5亿元人民币,厂房面积12000平米,封装净化面积达到6000平方米;拥有国际著名品牌DISCO、K&S 及ASM公司制造的全新全自动封装设备,以及DAGE、岛津、PVA公司制造的具有国际先进水平的推拉力计、X-RAY、分层扫描仪等检测仪器设备。


6.广东华冠半导体有限公司



官网:http://www.hgsemi.net/


公司介绍:广东华冠半导体有限公司成立于2011年,是一家专业从事半导体器件的研发,封装、测试和销售为一体的准高新技术企业,HGSEMI&HGC是华冠公司自主品牌。


企业具备实现年产值3亿人民币,年出货量20亿块集成电路能力,目前产品有电源管理,运算放大器,音频放大器,接口与驱动,逻辑器件,存储器,时基与时钟,数据采集,MOSFT以及专用电路,主要应用于汽车电子、仪器仪表、安防,网络通讯、工业自动化、LED照明、开关电源、智能家电、金卡工程、智能交通等领域。


7.深圳市晶导电子有限公司




官网:http://www.jdsemi.cn/cn/about.asp


公司介绍:深圳市晶导电子有限公司是专业的半导体分立器件封装企业,公司成立于1994年,注册资金为人民币4000万元,是集研发、生产、销售、技术服务为一体的高新技术企业,是我国较早从事规模化生产高反压、中大功率的二、三极管的企业之一,是中国半导体行业协会的会员单位。


公司拥有9800㎡的生产车间,包括1500㎡的万级超净车间,生产能力达到450万只/日,连续几年年产销值超两亿元人民币。


8.沛顿科技(深圳)有限公司



官网:http://www.payton.com.cn/index_zw.aspx


公司介绍:沛顿科技(深圳)有限公司是深圳长城开发科技股份有限公司于国内投资建设的有限责任公司,目前主要从事动态随机存储(DRAM)和闪存(FLASH)芯片封装和测试业务。


沛顿科技为世界大型DRAM和FLASH制造商提供优质的芯片封装与测试服务。企业注册资金为人民币24830万元,投资总额为1亿美元;自2004年7月成立以来,截止2015年12月份已累计完成固定资产投资约10亿元人民币。


9.深南电路股份有限公司



官网:http://www.scc.com.cn/


公司介绍:深南电路股份有限公司,成立于1984年,注册资本2.8亿元,总部坐落于中国广东省深圳市,主要生产基地位于中国深圳、江苏无锡及南通,在北美拥有技术支持与销售服务中心,在欧洲设有研发站点。


公司拥有印制电路板、封装基板及电子装联三项业务,形成了业界独特的“3-In-One”业务布局:即以互联为核心,在不断强化印制电路板业务领先地位的同时,大力发展与其“技术同根”的封装基板业务及“客户同源”的电子装联业务。公司具备提供“样品→中小批量→大批量”的综合制造能力,通过开展方案设计、制造、电子装联、微组装和测试等全价值链服务,为客户提供专业高效的一站式综合解决方案。


10.深圳佰维存储科技股份有限公司



官网:http://www.biwin.com.cn/


公司介绍:深圳佰维存储科技股份有限公司成立于1995年,专注存储与电子产品微型化品牌。佰维集研发、生产和销售和服务于一体,为客户提供全面的存储解决方案和封装测试服务,产品和服务包括SSD、 嵌入式存储芯片、SIP模块以及封装测试业务。作为国内领先的封装测试OEM/ODM供应商,我们为行业伙伴提供客制化封测服务。


11.深圳市矽格半导体科技有限公司



官网:http://www.siga.cc/about.html


公司介绍:深圳市矽格半导体科技有限公司,成立于1997年,是专业从事集成电路芯片封装、研发、生产为一体的现代化国家高新技术企业。公司自创立以来,致力于发展LED驱动集成电路、电源、通信、存储、感光集成电路等芯片封装、测试产业。


12.苏州晶方半导体科技股份有限公司




官网:http://www.wlcsp.com/who_we_are.html


公司介绍:苏州晶方半导体科技股份有限公司(SSE:603005)于2005年6月成立于苏州,是一家致力于开发与创新新技术,为客户提供可靠的,小型化,高性能和高性价比的半导体封装量产服务商。


近十年来,晶方科技已经成为技术开发与创新、提供优质量产服务的领导者。随着公司不断发展壮大,已经在美国设立了子公司Optiz Inc.。


13.上海芯哲微电子科技股份有限公司




官网:http://www.simat-sh.com/


公司介绍:上海芯哲微电子科技股份有限公司于2007年6月成立,是一家从事集成电路研发,设计,加工,制造并为国内外芯片设计公司、晶圆制造商提供封装测试一站式技术服务的高科技企业。


其产品主要用于汽车电子、医疗电子、智能手机、平板电脑、绿色能源、LED驱动、硅麦克风等电子电器设备。生产的产品50%以上用于出口海外电子市场,是目前全球最大的光电鼠标控制芯片封装公司。


14.日月光集团




官网:http://www.aseglobal.com/ch/


公司介绍:日月光集团成立于1984年,创办人是张虔生与张洪本兄弟。1989年在台湾证券交易所上市,2000年美国上市。而其子公司——福雷电子(ASE Test Limited)于1996年在美国NASDAQ上市,1998年台湾上市。


日月光集团为全球第一大半导体制造服务公司之一,长期提供全球客户最佳的服务与最先进的技术。自1984年设立至今,专注于提供半导体客户完整之封装及测试服务,包括晶片前段测试及晶圆针测至后段之封装、材料及成品测试的一元化服务。


15.力成科技



官网:http://www.pti.com.tw/ptiweb/index.aspx


公司介绍:力成科技成立于1997年,为台湾股票上市公司(股票代码:6239),是专业的记忆体IC封装测试公司,在全球集成电路的封装测试服务厂商中位居全球领导地位。


服务范围涵盖晶圆针测、封装、测试、预烧至成品的全球出货。目前在全球各地,力成科技已经拥有超过15,000名的员工以及数座世界级的厂房各自分布在台湾的新竹、竹南、中国的苏州、西安、新加坡及日本。


16.京元电子股份有限公司



官网:http://www.kyec.com.tw/cn/


公司介绍:京元电子股份有限公司成立於1987年5月,目前在全球半导体产业上下游设计、制造、封装、测试产业分工的型态中,已成为最大的专业测试公司。总公司座落在新竹市公道五路旁,生产基地则位於苗栗县竹南镇。


京元电子公司在半导体制造後段流程中,服务领域包括晶圆针测 (约占 45%)、IC成品测试 (约占46%) 及晶圆研磨/切割/晶粒挑拣(约占 9%)等。产品线涵盖Memory、Logic&Mixed-Signal、SOC、CIS /CCD、LCD Driver、RF /Wireless,测试机台总数超过 2000 台。主要客群型态上,fabless 厂约占 73% 强,foundry厂约占 3% 弱,其馀IDM厂约占 24%。


17.南茂科技股份有限公司




官网:https://www.chipmos.com/index.aspx


公司介绍:南茂科技成立于1997年8月,于2014年4月在台湾证券交易所挂牌上市(股票代码:8150),其母公司百慕达南茂科技则于2001年6月在美国纳斯达克股票上市(股票代号:IMOS),服务对象包括半导体设计公司、整合元件制造公司及半导体晶圆厂。


南茂科技主要业务为提供高密度、高层次之记忆体产品,逻辑产品与混合信号产品之封装、测试及相关之後段加工、配货服务。经由南茂提供的整体性机体电路封装、测试後,客户的产品即能顺利地应用在资讯、通讯、办公室自动化以及消费性电子等相关产业之商品上。



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