本文绍介,人们把芯片规模的BGA封装看作是由便携式电子产品所需的空间限止的一个行得通的解决方案,它同时满意这些个产品更高功能与性能的要求。为便携式产品的高精密HDI电路板设计应当为装配工艺着想。
当为今高价值推动的市场研发电子产品时,性能与靠得住性是最优先思索问题的。为了在这个市场上竞争,研发者还务必重视装配的速率,由于这么可以扼制制导致本。电子产品的技术进步提高和不断提高的复杂性正萌生对更高精密HDI电路板设计制作办法的需要。当预设要求外表贴装、密间距和矢量封装的集成电路IC时,有可能要求具备较细的线宽厚温和较密间隔的更高疏密程度电路板。可是,展望未来,一点已经在供应微型旁路孔、序列组装电路板的企业正数量多投资来扩张有经验。这些个企业意识到便携式电子产品对更小封装的到现在为止发展方向。单是通信与私人计算产品工业就完全可以上层全世界的市场。
高疏密程度电子产品的研发者越来越遭受几个因素的挑战:物理复杂元件上更密的引脚间隔 、资力贴装务必很精确 、和背景很多分子化合物塑料封装吸潮,导致装配处置时期的出现裂缝 。物理因素也涵盖安装工艺的复杂性与最后产品的靠得住性。进一步的财政表决务必思索问题产品将怎么样制作和装配设施速率。较薄弱的引脚元件,如0.50与0.40mm0.020″与0.016″ 引脚间距的SQFPshrink quad flat pack ,有可能在保护一个连续不断的装配工艺符合标准率方面向装配资深专家提出一个挑战。最成功的研发规划是那一些已经实施工艺证明的电路板预设指点引导和工艺证明的焊盘几何式样。
在背景上,焊盘几何式样有可能不一样,它基于所用的安装电子零件的烧焊类型。有可能的时刻,焊盘式样应当以一种对运用的安装工艺透明的形式来定义。无论零件是安装在板的一面或两面、禁受波峰、回流或其他烧焊,焊盘与零件尺寸应当优化,以保障合适的烧焊点与查缉标准。固然焊盘图案是在尺寸上定义的,况且由于它是印制板电路几何式样的一小批,他们遭受可出产性水准静与电镀、腐蚀、装配或其他条件相关的公差的限止。出产性方面也与阻焊层的运用和在阻焊与导体图案之间的对齐定位相关。
1、焊盘的要求
国际电子技术委员会IECInternational Eletrotechnical Commission 的61188标准意识到对烧焊圆角或焊盘凸起条件的不一样目的的需求。这个新的国际标准明确承认两个为研发焊盘式样供给信息的基本办法:
1).基于工业元件规格、电路板制作和元件贴装精密度有经验的正确资料。这些个焊盘式样限制于一个特别指定的元件,有一个标识焊盘式样的编号。
2).一点方程式可用来变更给定的信息,以达到一个更稳健的焊邻接署,这是用于一点特别的事情状况,在这些个事情状况中用于贴装或安装设施比在表决焊盘细节时所如果的精密度有或多或少的区别。
该标准为用于贴装各种引脚或元件端子的焊盘定义了最大、中常和最小材料事情状况。错非额外标示,这个标准将全部三中“期望目的”标记为一级、二级或三级。
一级:最大 - 用于低疏密程度产品应用,“最大”焊盘条件用于波峰或流动烧焊无引脚的片状元件和有引脚的翅形元件。为这些个元件以及向内的″J″型引脚元件配备布置的几何式样可以为手工烧焊和回流烧焊供给一个较宽的工艺窗户。
二级:中常 - 具备中常水准元件疏密程度的产品可以思索问题认为合适而使用这个“中常”的焊盘几何式样。与IPC-SM-782标准焊盘几何式样十分相仿,为全部元件类型配备布置的中常焊盘将为回流烧焊工艺供给一个稳健的烧焊条件,况且应当为无引脚元件和翅形引脚类元件的波峰或流动烧焊供给合适的条件。
三级:最小 - 具备高元件疏密程度的产品一般是便携式产品应用 可以思索问题“最小”焊盘几何式样。最小焊盘几何式样的挑选有可能不舒服合于全部的产品。在认为合适而使用最小的焊盘式样之前,运用这应当思索问题产品的限止条件,基于表格中所示的条件施行尝试。
在IPC-SM-782中所供给的以及在IEC61188中所配备布置的焊盘几何式样应当接受元件公差和工艺变量。固然在IPC标准中的焊盘已经为运用者的大多数装配应用供给一个稳健的界面,不过一点企业已经表达了对认为合适而使用最小焊盘几何式样的需求,以用于便携式电子产品和其他独有特别的高疏密程度应用。
国际焊盘标准(IEC61188)理解到更高零件疏密程度应用的要求,并供给用于特别产种类型的焊盘几何式样的信息。这些个信息的目标是要供给合适的外表贴装焊盘的尺寸、式样和公差,以保障合适烧焊圆角的足够地区范围,也准许对这些个烧焊点的查缉、测试和翻工。
用于焊盘的大概轮廓公差办法的形式与元件的大致相似。全部焊盘公差都是要对每一个焊盘以最大尺寸供给一个预计的焊盘图形。单向公差是要减小焊盘尺寸,因为这个允当烧焊点形成的较小地区范围。为了使开孔的尺寸示明系统容易,焊盘是跨过里外极限示明尺寸的。
在这个标准中,尺寸示明概念运用极限尺寸和几何公差来描写焊盘准许的最大与最小尺寸。当焊盘在其最大尺寸时,最后结果有可能是最小可接纳的焊盘之间的间隔;相反,当焊盘在其最小尺寸时,最后结果有可能是最小的可接纳焊盘,需求达到靠得住的烧焊点。这些个极限准许判断焊盘经过/不经过的条件。
2、BGA与CAP
BGA封装已经进展到满意如今的烧焊安装技术。分子化合物塑料与瓷陶BGA元件具备相对广泛的接触间距(1.50,1.27和1.00mm),而相对而言,芯片规模的BGA栅格间距为0.50,0.60和0.80mm。BGA与密间距BGA元件两者相对于密间距引脚框架封装的IC都不由得易毁坏,况且BGA标准准许挑选性地减损接触点,以满意特别的输入/输出(I/O)要求。当为BGA元件树立接触点布局和引线排列时,封装研发者务必思索问题芯片预设以及芯片块的尺寸和式样。在技术引线排列时的另一个要面临的问题是芯片的方向芯片板块的焊盘上进或向下 。芯片板块“面朝上”的结构一般是当供应商正在运用COB(chip-on-board)(内插器)技术时才认为合适而使用的。
元件建构,以及在其制作中运用的材料接合,不在这个工业标准与指点引导中定义。每一个制作商都将希图将其特别的结构足以担任用户所定义的应用。例如消费产品有可能有一个相对令人满意的办公背景,而工业或交通工具应用的产品常常务必运行在更大的压力条件下。决定于于制作BGA所挑选材料的物理特别的性质,有可能要运用到倒装芯片或引线结合技术。由于芯片安装结构是刚性材料,芯片板块安装座普通以导体定核心,信号从芯片板块焊盘走入接触球的排列矩阵。
在该文件中敷陈的栅格阵列封装外形在JEDEC的95出版物中供给。方形BGA,JEDEC MS-028定义一种较小的长方形分子化合物塑料BGA元件门类,接触点间隔为1.27mm。该矩阵元件的总的外形规格准许非常大的灵活性,如引脚间隔、接触点矩阵布局与建构。JEDEC MO-151定义各种分子化合物塑料封装的BGA。方形大概轮廓遮盖的尺寸从7.0-50.0,三种接触点间隔 - 1.50,1.27和1.00mm。
球接触点可以纯一的方式散布,行与列排列有偶数或奇数。固然排列务必维持对整个儿封装外形的对称,不过各元件制作商准许在某地区范围内减损接触点的位置。
3、芯片规模的BGA变量
针对“密间距”和“真正芯片体积”的IC封装,近来研发的JEDEC BGA指点引导提出很多物理属性,并为封装供应商供给“变量”方式的灵活性。JEDEC JC-11准许的第1份对密间距元件门类的文件是注册外形MO-195,具备基本0.50mm间距接触点排列的一统方形封装系列。
封装尺寸范围从4.0-21.0mm,总的高度(定义为“薄的大概轮廓”)限止到从贴装外表最大为1.20mm。下边的例子代表为日后的标准思索问题的一点其他变量。
球间距与球尺寸将也会影响电路布线速率。很多企业已经挑选对较低I/O数的CSP不认为合适而使用0.50mm间距。较大的球间距有可能减缓最后用户对更复杂的印刷电路板(PCB)技术的需要。
0.50mm的接触点排列间隔是JEDEC引荐最小的。接触点直径规定为0.30mm,公差范围为最小0.25、最大0.35mm。可是大部分数认为合适而使用0.50mm间距的BGA应用将有赖电路的次外表布线。直径上小至0.25mm的焊盘之间的间隔宽度只够连署一根0.08mm(0.003″)宽度的电路。将很多骈枝的电源和接地触点散布到矩阵的四周围,这么将供给对排列矩阵的有限渗透。这些个较高I/O数的应用更有可能取决多层、盲孔或闭合的焊盘上的电镀旁路孔(via-on-pad)技术。
4、思索问题封装技术
元件的背景与电气性能有可能是与封装尺寸同样关紧的问题。用于高疏密程度、高I/O应用的封装技术首先务必满意背景标准。例如,那一些运用刚性内插器(interposer)结构的、由瓷陶或有机基板制作的不可以紧急地合适硅芯片的外形。元件周围的引线结合座之间的互连务必流向内面。μBGA* 封装结构的一个实际优势是它在硅芯片板块外形内供给全部电气界面的有经验。
μBGA运用一种高级的聚酰胺薄膜作为其基体结构,况且运用半加成铜电镀工艺来完成芯片上铝结合座与聚酰胺内插器上球接触座之间的互连。依顺材料的独有特别接合使元件能够勉强承受极度卑劣的背景。这种封装已路程经过一点主要的IC制作商用来满意具备广泛运作背景的应用。
超过20家主要的IC制作商和封装服务供给商已经认为合适而使用了μBGA封装。定义为“面朝下”的封装,元件外形关系近合适芯片板块的外形,芯片上的铝结合焊盘放于朝向球接触点和PCB外表的位置。这种结构在工业中有最广泛的认同,由于其树立的基础结构和无比的靠得住性。μBGA封装的材料与引脚预设的独有特别系统是在物理上顺从的,偿还了硅芯片与PCB结构的温度膨胀系统的较大区别。
5、安装座规划
引荐给BGA元件的安装座或焊盘的几何式样一般是圆形的,可以调节直径来满意接触点间隔和尺寸的变动。焊盘直径应当半大于封装上接触点或球的直径,常常比球接触点规定的正常直径小10%。在最终确认焊盘排列与几何式样之前,参照IPC-SM-782第14.0节或制作商的规格。
有两种办法用来定义安装座:定义焊盘或铜,定义阻焊,如图三所示。
图三、BGA的焊盘可以经过化学腐蚀的图案来界定,
没有阻碍焊层或有阻焊重叠加在焊盘圆周上(阻焊层界定)
铜定义焊盘图形 - 经过腐蚀的铜界定焊盘图形。阻焊间隔应当最小离腐蚀的铜焊盘0.075mm。对要求间隔小于所引荐值的应用,咨询印制板供应商。
阻焊定义焊盘图形 - 假如运用阻焊界定的图形,相应地调试焊盘直径,以保障阻焊的遮盖。
BGA元件上的焊盘间隔活间距是“基本的”,因为这个是不累积的;可是,贴装精密度和PCB制作公差务必思索问题。如面前所谓,BGA的焊盘普通是圆形的、阻焊界定或腐蚀阻焊摆脱焊盘 界定的。固然较大间距的BGA将接受电路走线的焊盘之间的间隔,较高I/O的元件将有赖电镀旁路孔来将电路走到次外表层。表七所示的焊盘几何式样引荐一个与形式标准接触点或球的直径对等或稍小的直径。
表七、 BGA元件安装的焊盘图形
接触点间距(基本的) 标准球直径 焊盘直径 (mm)
最小 形式 最大 最小 - 最大
0.05 0.25 0.30 0.35 0.25-0.30
0.65 0.25 0.30 0.35 0.25-0.30
0.65 0.35 0.40 0.45 0.35-0.40
0.80 0.25 0.30 0.35 0.25-0.30
0.80 0.35 0.40 0.45 0.35-0.40
0.80 0.45 0.50 0.55 0.40-0.50
1.00 0.55 0.60 0.65 0.50-0.60
1.27 0.70 0.75 0.80 0.60-0.70
1.50 0.70 0.75 0.80 0.60-0.70
有点企业希图为全部密间距的BGA应用保持一个未变的接触点直径。可是,由于一点0.65与0.80mm接触点间距的元件制作商准许随心的球与接触点直径的变动,预设者应当在制定焊盘直径之前参照专门的供应商规格。较大的球与焊盘的直径有可能限止较高I/O元件的电路布线。一点BGA元件类型的焊盘几何式样有可能不准许宽度足够容受继续不停一条或两条电路的间隔。例如,0.50mm间距的BGA将不准许甚至于一条大于0.002″或0.003″的电路。那一些认为合适而使用密间距BGA封装变量的有可能发觉焊盘中的旁路孔(微型旁路孔)更加实际,尤其假如元件疏密程度高,务必减损电路布线。
6、装配工艺速率所要求的特点标志
为了取纳对密间距外表贴装元件(SMD)的模型板的非常准确定位,要求一点视物感觉或摄像机帮忙的对中办法。整个的局面:胸怀~定位基准点是用于正确的锡膏印刷的模型板定位和在非常准确的SMD贴装中作为参照点。模型板印刷机的摄照相机系统半自动将板瞄准模型板,达到正确的锡膏转移。
对于那一些运用模型板到电路板的半自动视物感觉对中的系统,电路板的预设者务必在焊盘层的预设文件中供给至少两个整个的局面:胸怀~基准点(图四)。在组合板的每一个装配单元内也务必供给部分基准点目的,以帮忙半自动元件贴装。额外,对于每一个密间距QFP、TSOP和高I/O密间距BGA元件,一般供给一或两个目的。
在全部位置引荐运用一个基准点的尺寸。固然式样和尺寸可以对不一样的应用作别看待,不过大部分数设施制作商都认同1.0mm(0.040″)直径的实心点。该点务必没有阻焊层,以保障摄照相机可以迅速辨别。除开基准点目的外,电路板务必里面含有一点定位孔,用于二次装配相关的操作。组合板应当供给两或三个定位孔,每个电路黑板报单元供给至少两个定位孔。一般,装配资深专家规定尺寸(0.65mm是常见的),应当指定无电镀孔。
至于在锡膏印刷模型板夹具上供给的基准点,一点系统检验测定模型板的定面,而另一点则检验测定底面。模型板上的整个的局面:胸怀~基准点只是半腐蚀在模型板的外表,用黑天然树脂颜料补充。
7、指定外表最后涂层
为元件的安装挑选专类别型的外表最后涂镀办法可以增长装配工艺的速率,不过也有可能影响PCB的制导致本。在铜箔上电镀锡或锡/铅合金作为抗腐蚀层是十分常见的制作办法。挑选性地去掉铜箔的减去法化学腐蚀 接着在PCB工业广泛运用。由于锡/铅导线当显露在195°C温度以上时成为液体,所以大部分数运用回流烧焊技术的外表贴装板都指定裸铜上的阻焊层(SMOBC,soldermask over bare copper)来维持阻焊材料下一个没有凹凸平均的外表。当处置SMOBC板时,锡或锡/铅是化学脱落的,只留下铜导体和没有电镀的元件安装座。铜导体用环氧气天然树脂或聚合物阻焊层涂盖,以避免对烧焊相关工艺的显露。固然电路导线有阻焊层遮盖,预设者还务必为那一些不被阻焊层遮盖的局部元件安装座 指定外表涂层。下边的例子是广泛运用在制作工业的合金电镀典型办法。
一般要求预处置安装座的应用是超密间距QFP元件。例如,TAB(table automated bond)元件有可能具备小于0.25mm的引脚间距。经过在这些个座上供给700-800μ″的锡/铅合金,装配资深专家可以上小量的助焊药、贴装零件和运用加热棒、热风、激光或软束线光源往返流烧焊该元件。在特别的安装座上挑选性地电镀或保存锡/铅合金将适合使用于超密间距TAB封装的回流烧焊。
运用热风平均法,锡/铅在上阻焊层在这以后涂镀在电路板上。该工艺是,电镀的板通过清洗、上助焊药和浸入熔融的焊锡中,当合金仍然液体状况的时刻,骈枝的材料被吹离外表,留下合金遮盖的外表。热风焊锡平均HASL(hot air solder leveling)电镀工艺广泛运用,普通适应于回流烧焊装配工艺;可是,焊锡量与平整度的不完全一样有可能不舒服合于运用密间距元件的电路板。
密间距的SQFP、TSOP和BGA元件要求十分平均和平整的外表涂层。作为扼制在密间距元件的安装座上平均锡膏量的办法,外表务必尽有可能地平整。为了保障平整度,很多企业在铜箔上运用镍合金,继续一层很薄的金合金涂层,来去掉氧气化物。
在阻焊涂层工艺在这以后,在显露的裸铜上运用无电镀镍/金。用这个工艺,制作商一般将运用锡/铅电镀图案作为抗腐蚀层,在腐蚀在这以后脱落锡/铅合金,不过不是对显露的安装座和孔使用焊锡合金,而是电路板浸镀镍/金合金。
依照IPC-2221标准《印制板预设的通用标准》,引荐的无电镀镍厚度是2.5-5.0μm(至少1.3μm),而引荐的浸金厚度为0.08-0.23μm。
相关金的合金与烧焊工艺的一句话忠告:假如金涂层厚度超过0.8μm(3μ″),那末金对锡/铅比值有可能引动最后烧焊点的薄弱。薄弱将导致温度循环中的不为己甚出现裂缝或装配后的板有可能显露到的其他物照理应该力。
8、合金电镀代替方案
在上阻焊层在这以后给板增加焊锡合金是有结果本代价的,况且给基板受到莫大的应力条件。例如用锡/铅涂层,板插进去熔融的焊锡中,而后抽出和用强风将骈枝的锡/铅材料去掉。温度冲击有可能造成基土地板结构的脱层、毁坏电镀孔和有可能影响长时期靠得住性的欠缺。 Ni/Au涂镀,固然应力较小,但不是全部电路板制作商都有的一种技术。作为对电镀的另一种挑选,很多企业已经找到成功的、有经济优势的和平整的安装外表的办法,这就是有机尽力照顾层或在裸铜上与上助焊药涂层。
作为阻挡裸铜安装座和旁通孔/测试焊盘上氧气化提高的一个办法,将一种特别的尽力照顾剂或阻化剂涂层应用到板上。诸如苯并三唑(Benzotriazole)和咪唑(Imidazole)这些个有机/氮涂层材料被用来代替上头所描写的合金外表涂层,可从几个渠道购买到,不一样的标志名字。在北新大陆,广泛运用的一种产品是ENTEK PLUS CU-106A。这种涂层适应于大部分数有机助焊烧焊材料,在对装配工艺中常常碰到的三、四次高温显露在这以后仍有尽力照顾特点标志。多次显露的有经验是关紧的。当SMD要烧焊到装配的主面和第二面的时刻,会发生两次对回流烧焊温度的显露。混合技术典型的多次装配步骤也有可能涵盖对波峰烧焊或其他烧焊工艺的显露。
9、普通成本思索问题
与PCB电镀或涂镀相关的成本不老是周密界定的。一点供应商感受办法之间的成本区别占总的单位成本中的细小局部,所以界不界定是不关紧的。其它的有可能对不是其有经验之内的成本有一个另外的花销,由于板务必发送去最终加工。例如,在加州的一家企业将板送出给在德州的一家企业施行Ni/Au电镀。这个另外处置的花销有可能没有清楚地界定为对客户的一个另外费用;可是,总的板成本遭受影响。
每一个电镀和涂镀工艺都有其长处与欠缺。预设者与制作工程师务必经过尝试或工艺速率评估仔细地衡量每一个因素。在指定PCB制作是务必思索问题的问题都有经济以及工艺上的均衡。对于细导线、高元件疏密程度或密间距技术与μBGA,平整的外形是务必的。焊盘外表涂层可以是电镀的或涂敷的,但务必思索问题装配工艺与经济性。
在全部涂敷和电镀的挑选中,Ni/Au是最万能的(只要金的厚度低于5μ″)。电镀工艺比尽力照顾性涂层好的优势是货架生存的年限、长久性地遮盖在那一些不显露到烧焊工艺的旁路孔或其他电路特点标志的铜上头、和抗污染。固然外表涂层特别的性质之间的均衡将影响最后挑选,不过行得通性与总的PCB成本最有可能表决最终的挑选。在北美,HASL工艺传统上主宰PCB工业,不过外表的平均性不易于扼制。对于密间距元件的烧焊,一个受控的装配工艺决定于于一个平整平均的安装座。密间距元件涵盖TSOP、SQFP和μBGA元件族。假如密间距元件在装配中不运用,运用HASL工艺是行得通的挑选。
10、阻焊层(sldermask)要求
阻焊层在扼制回流烧焊工艺时期的烧焊欠缺中的角色是关紧的,PCB预设者应当尽力减小焊盘特点标志四周围的间隔或空气空隙。固然很多工艺工程师宁愿阻焊层分开板上全部焊盘特点标志,不过密间距元件的引脚间隔与焊盘尺寸即将求特别的思索问题。固然在四面儿的QFP上不分区的阻焊层张嘴或窗户有可能是可接纳的,不过扼制元件引脚之间的锡桥有可能更加艰难。对于BGA的阻焊层,很多企业供给一种阻焊层,它不电阻焊盘,不过遮盖焊盘之间的不论什么特点标志,以避免锡桥。大多数外表贴装的PCB以阻焊层遮盖,不过阻焊层的涂敷,假如厚度大于0.04mm(0.0015″),有可能影响锡膏的应用。外表贴装PCB,尤其是那一些运用密间距元件的,都要求一种低大概轮廓感光阻焊层。阻焊材料务必经过液体湿 工艺还是干薄膜叠层来运用。干薄膜阻焊材料是以0.07-0.10mm(0.003-0.004″)厚度供应的,可适应于一点外表贴装产品,不过这种材料不引荐用于密间距应用。很少企业供给薄到可以满意密间距标准的干薄膜,不过有几家企业可以供给液体感光阻焊材料。一般,阻焊的张嘴应当比焊盘大0.15mm(0.006″)。这准许在焊盘全部边上0.07mm(0.003″)的空隙。低大概轮廓的液体感光阻焊材料是经济的,一般指定用于外表贴装应用,供给非常准确的特点标志尺寸和空隙。
论断
密间距(fine-pitch)、BGA和CSP的装配工艺可以调试到满意可接纳的速率水准,不过屈曲的引脚和锡膏印刷的不连续不断性常常给装配工艺符合标准率带来麻烦。固然运用小规模的密间距元件供给布局的灵活性,不过将很复杂的多层基黑板报上的元件推得更接近,有可能牺牲可测试性和修理。BGA元件的运用已经供给较高的装配工艺符合标准率和更多的布局灵活性,供给较紧急的元件间隔与较短的元件之间的电路。一点企业正希图将几个电路功能集成到一两个多芯片的BGA元件中来开释平面或物体表面的大小的限止。用户化的或专用的IC可以缓解PCB的栅格限止,不过较高的I/O数与较密的引脚间距普通都会强迫做预设者运用更多的电路层,因为这个增加PCB制作的复杂性与成本。
芯片规模的BGA封装被人们看作是新一代手持与便携式电子产品空间限止的行得通解答。很多企业也正在期望改进的功能以及更高的性能。当为这些个元件挑选最管用的接触点间距时,务必思索问题硅芯片板块的尺寸、信号的数目、所要求的电源与接地点和在印制板上认为合适而使用这些个元件时的实际限止。固然密间距的芯片规模(chip scale)与芯片体积的元件被看作是新显露出来的技术,不过主要的元件供应商和几家主要的电子产品制作商已经认为合适而使用了一两种CSP的变动类型。在较小封装概念中的这种迅疾提高是务必的,它满意产品研发商对减流产品尺寸、增加功能况且增长性能的需要。