文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了球柵陣列封裝的結(jié)構(gòu)、分類、應(yīng)用和發(fā)展趨勢。

概述

在集成電路封裝技術(shù)的演進(jìn)歷程中，球柵陣列封裝（Ball Grid Array，BGA）憑借卓越性能與顯著優(yōu)勢脫穎而出，成為當(dāng)今高集成度芯片的主流封裝形式，廣泛應(yīng)用于各類高端IC產(chǎn)品。自20世紀(jì)90年代初問世以來，BGA封裝快速發(fā)展，極大地推動了電子產(chǎn)業(yè)的變革。

球柵陣列(BGA)封裝是在PGA和OFP的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，融合了PGA（針柵陣列封裝）與QFP（四邊扁平封裝）的技術(shù)優(yōu)勢：借鑒PGA的陣列布局理念，將傳統(tǒng)針腳替換為用于鍵合的微球；采用QFP成熟的SMT（表面貼裝技術(shù)）工藝，通過回流焊實現(xiàn)可靠連接。這種創(chuàng)新設(shè)計使BGA封裝具備占用空間小、對引腳間距要求靈活的特點，能夠輕松實現(xiàn)高密度封裝，同時擁有出色的電學(xué)與機(jī)械性能。

作為高引腳數(shù)、高性能IC的理想封裝方案，BGA廣泛應(yīng)用于芯片組、圖形處理芯片、專用集成電路（ASIC）、微處理器等核心器件。其核心特征在于芯片I/O端以球形凸點呈面陣分布，凸點材料可選用Sn-Pb焊料或有機(jī)導(dǎo)電樹脂，這一技術(shù)革新為集成電路封裝帶來了重大突破，顯著提升了芯片的集成度與可靠性 。

BGA結(jié)構(gòu)圖

BGA封裝的結(jié)構(gòu)與分類

一、結(jié)構(gòu)組成

BGA封裝主要由芯片、封裝基板、焊球陣列三部分組成。芯片作為核心器件，承載著電路功能；封裝基板通常采用陶瓷、有機(jī)材料（如BT樹脂/玻璃層壓板）或柔性材料（如聚酰亞胺），起到電氣互連和機(jī)械支撐的作用；焊球陣列由錫、鉛或其他金屬合金制成，作為芯片與印刷電路板（PCB）之間的連接橋梁。在芯片與基板的連接方式上，主要有引線鍵合和倒裝焊兩種。引線鍵合是通過金屬絲將芯片引腳與基板上的焊盤連接起來；倒裝焊則是將芯片有源面朝下，通過芯片表面的導(dǎo)電凸點直接與基板相連，省略了長金屬鍵合線，進(jìn)一步縮短了信號傳輸路徑 。

BGA的焊球分布方式

二、分類及特點

根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，BGA封裝可進(jìn)行多種分類：

1. 按基板材料分類

塑料球柵陣列封裝（PBGA，Plastic Ball Grid Array）：PBGA采用塑料材料與塑封工藝，是應(yīng)用最廣泛的BGA封裝類型，也稱整體模塑陣列載體（OMPAC）封裝。它以BT樹脂/玻璃層壓板作為PCB基板，先通過芯片鍵合固定裸芯片，經(jīng)引線鍵合連接焊盤與基板焊區(qū)，再注塑成型，最后在基板底面制作焊球陣列作為外引腳。早期焊球使用63Sn - 37Pb低熔點共晶合金，直徑約1mm，間距1.27 - 2.54mm，與封裝體連接無需額外焊料。PBGA成本低、電性能好，對焊球共面度要求寬松，但對潮氣敏感，回流焊時易因受潮出現(xiàn)“爆米花”現(xiàn)象導(dǎo)致器件失效。

PBGA結(jié)構(gòu)圖

陶瓷球柵陣列封裝（CBGA，Ceramic Ball Grid Array）：CBGA將裸芯片安裝在多層陶瓷布線基板上，通過倒裝或引線鍵合實現(xiàn)電氣連接，再用金屬蓋板密封焊接保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，玻璃封接或焊料焊接的封蓋工藝可實現(xiàn)氣密封裝。其焊球采用90Pb - 10Sn等高熔點焊料，與封裝體底部連接使用63Sn - 37Pb低溫共晶焊料。CBGA具有抗潮性強(qiáng)、可靠性高、散熱與電性能優(yōu)良等優(yōu)勢，且適合倒裝芯片技術(shù)提升互連密度，但封裝成本較高，與塑料基板熱膨脹系數(shù)匹配性較差。陶瓷柱柵陣列封裝（CCGA）作為CBGA的延伸技術(shù)，以焊球柱替代焊球，在器件面積大于32mm2 時可提供更好的可靠性與抗疲勞性能。

CBGA

PBGA與CBGA焊點對比

載帶BGA（TBGA，Tape Ball Grid Array）：包含銅/聚酰亞胺撓性載帶和與載帶電性連接的芯片，具有密封蓋板，芯片貼合在密封蓋板的空腔中，芯片外圍蓋板下方的載帶底部設(shè)置有焊球陣列。載帶兩側(cè)通常有金屬層，頂部金屬層為統(tǒng)一接地層，底部金屬層為銅線路，可制成雙層或多層線路載帶，通過銅線路將芯片與焊球陣列連接。引線鍵合、回流焊或載帶自動焊（熱壓/熱超聲內(nèi)引腳鍵合）均可用于芯片與銅線路的連接。TBGA熱阻低，散熱性能好，載帶與環(huán)氧樹脂等塑料基板CTE匹配性好，電性能比PBGA優(yōu)良，封裝更薄，但不是氣密封裝，對濕氣敏感，成本高于PBGA。

一種采用倒裝芯片的TBGA

金屬BGA（MBGA，Metal Ball Grid Array）：不使用獨立的柔性層或載帶層，以鋁圓片或鋁面板作為基板。鋁表面生長18mm的陽極氧化鋁層作為介電層，沉積由銅、鎳和金組成的薄膜金屬并圖形化，特征尺寸精細(xì)。傳統(tǒng)阻焊設(shè)置在金屬薄膜表面定義焊盤位置，電介質(zhì)也可采用聚酰亞胺或苯并環(huán)丁烯（BCB）等聚合物材料，利于多層設(shè)計及使用低介電常數(shù)材料。芯片鍵合、引線鍵合以及塑封在鋁圓片或面板上進(jìn)行，封裝完成后分離成單個封裝。MBGA同TBGA一樣具有良好的散熱性和電性能，隨著薄膜加工技術(shù)進(jìn)步，成本不斷降低 。

2.按氣密性分類：陶瓷BGA可分為氣密BGA和非氣密BGA，除陶瓷BGA外，其他類型均為非氣密BGA 。

3.按芯片與基板互連方式分類：主要分為引線鍵合和倒裝焊。目前，采用引線鍵合的BGA的I/O數(shù)常為50 - 540個，采用倒裝焊方式的I/O數(shù)常大于540個。PBGA互連常用引線鍵合方式，CBGA常用倒裝焊方式，TBGA兩種互連方式均有使用 。當(dāng)I/O數(shù)小于600個時，引線鍵合成本低于倒裝焊，但倒裝焊更適宜大批量生產(chǎn)，若圓片成品率提高，可降低單個器件成本，且能進(jìn)一步縮小封裝體體積。

FCBGA

此外，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，還有一些特殊類型的BGA，如FBGA（細(xì)間距球柵陣列）、FCBGA（倒裝BGA）、EBGA（散熱增強(qiáng)BGA）等 。

BGA封裝的技術(shù)優(yōu)勢

一、高引腳密度與空間利用率

BGA封裝利用芯片的整個底部面積來布置I/O端口，相較于傳統(tǒng)封裝形式，極大地提高了芯片的引腳密度和空間利用率。在相同的芯片面積和引出端數(shù)目情況下，BGA封裝能夠提供更大的焊盤，減少了焊點間短路搭橋的故障，提高了引出電極的載流量和焊接可靠性 。例如，一些高端處理器的BGA封裝可以容納數(shù)千個引腳，滿足了大規(guī)模集成電路對信號傳輸?shù)男枨蟆?/p>

二、優(yōu)異的電氣性能

BGA封裝的引出端短，芯片和基板的互連路徑短，產(chǎn)生的寄生參數(shù)小。其寄生電感小，使得器件能夠獲得很高的工作頻率，同時降低了噪聲。與傳統(tǒng)引線鍵合封裝相比，BGA封裝的電阻降低了75%，信號傳輸延遲和失真大幅減少，能夠有效避免信號間的串?dāng)_，保證了信號傳輸?shù)耐暾院头€(wěn)定性，非常適合高頻、高速信號的傳輸 。

三、良好的散熱性能

焊料凸點作為BGA封裝的熱量導(dǎo)出路徑，有利于提高功率密度。BGA封裝與單板之間的連接點呈二維分布，連接面更廣，相當(dāng)于增大了傳熱面積，因此結(jié)板熱阻相對較低。此外，還可以通過在基板上施加熱過孔，或在基板底側(cè)正對芯片結(jié)處施加銅片等方式進(jìn)一步降低熱阻 。裸Die封裝的BGA芯片，其結(jié)直接暴露在外，最大程度地降低了結(jié)殼熱阻，為芯片提供了良好的散熱條件 。

四、小型化與輕薄化

BGA封裝器件尺寸小、體薄，占用基板面積小。以BGA封裝MOSFET為例，其封裝比達(dá)到60% - 70%，而小型表面貼裝器件的封裝比通常為25% - 30%，部分僅接近15% 。這種小型化和輕薄化的特點，使得BGA封裝非常適合應(yīng)用于對體積和重量要求苛刻的便攜式電子設(shè)備，如智能手機(jī)、平板電腦等 。

五、生產(chǎn)制造優(yōu)勢

BGA封裝具有自對準(zhǔn)效應(yīng)，對貼片精度要求相對較低，降低了生產(chǎn)過程中的難度和成本 。同時，BGA封裝廣泛應(yīng)用于微電子封裝的倒裝芯片技術(shù)和表面貼裝技術(shù)，使用回流焊接可實現(xiàn)多個焊點的一次性貼裝，大大提高了生產(chǎn)效率 。

BGA封裝的應(yīng)用領(lǐng)域

計算機(jī)領(lǐng)域：常用于CPU、GPU、芯片組等核心部件的封裝。例如，Intel和AMD的主流處理器均采用BGA封裝，以滿足高性能計算對引腳密度、電氣性能和散熱性能的嚴(yán)格要求 。

通信領(lǐng)域：應(yīng)用于高速通信芯片、網(wǎng)絡(luò)處理器等，確保信號的高速、穩(wěn)定傳輸，支持5G、數(shù)據(jù)中心等通信基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè) 。

消費電子領(lǐng)域：在智能手機(jī)、平板電腦、智能手表等設(shè)備中，BGA封裝幫助實現(xiàn)了產(chǎn)品的小型化和高性能化，提升了用戶體驗 。

航空航天領(lǐng)域：CBGA等氣密型BGA封裝由于可靠性高，常用于對環(huán)境適應(yīng)性和穩(wěn)定性要求極高的航空航天電子設(shè)備 。

其他領(lǐng)域：還廣泛應(yīng)用于FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）、ASIC（專用集成電路）等高性能集成電路，以及汽車電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域 。

挑戰(zhàn)與發(fā)展

盡管BGA封裝具有諸多優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)：

焊接與檢測難度大：BGA焊點位于封裝底部，難以直接觀察和檢測焊接質(zhì)量，需要借助X射線檢測等特殊手段 。焊接過程中，對工藝控制要求嚴(yán)格，一旦出現(xiàn)焊接不良，返修難度大，成本高 。

熱管理問題：隨著芯片集成度和功率密度不斷提高，BGA封裝的散熱需求日益增加。雖然其本身具有一定的散熱優(yōu)勢，但在一些極端工況下，仍需進(jìn)一步優(yōu)化散熱設(shè)計，以防止芯片過熱 。

成本問題：部分BGA封裝類型，如CBGA，由于采用陶瓷基板和復(fù)雜的制造工藝，成本較高，限制了其在一些對成本敏感領(lǐng)域的應(yīng)用 。

未來，BGA封裝技術(shù)將朝著更高引腳密度、更低成本、更優(yōu)散熱性能和更高可靠性的方向發(fā)展。例如，進(jìn)一步縮小焊球間距，開發(fā)新型封裝材料和工藝，以滿足不斷增長的集成電路封裝需求 。同時，與其他先進(jìn)封裝技術(shù)（如3D封裝、系統(tǒng)級封裝等）的融合也將成為重要趨勢，為電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供更強(qiáng)大的技術(shù)支持 。