随着 IC 封装技术向高密度、高性能、低成本的方向发展,陶瓷球栅阵列(CBGA,Ceramic Ball Grid Array)封装已成为解决高密度、高可靠封装的重要手段之一。艾邦建有陶瓷封装全产业链微信群,欢迎陶瓷封装产业链上下游加入,请您识别二维码加入。
一文了解陶瓷球栅阵列(CBGA)封装
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1、BGA技术的发展

 BGA 技术的研究始于上个世纪 60 年代,最早被美国IBM公司采用,但一直到 90 年代初,BGA 才真正进入实用化的阶段。BGA 技术采用的是一种全新的设计思维方式,它采用将圆型或者柱状点隐藏在封装下面的结构,引线间距大、引线长度短。这样,BGA 就消除了窄节距(QFP 系列)器件中由于引线问题而引起的共平面度和翘曲的问题。

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图 表面贴装电子封装的小型化趋势,从四边引线扁平封装 (QFP) 到球栅阵列封装 (BGA) 和芯片尺寸级封装 (CSP)
BGA 封装现已发展成为一项成熟的高密度封装技术。它的 I/O 引线以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面,引线间距大,引线长度短,这样 BGA 消除了精细间距器件中由于引线而引起的共面性和翘曲的问题。BGA 技术的优点是可增加 I/O 数和间距,消除 QFP 技术的高 I/O 数带来的生产成本和可靠性问题。

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图 典型BGA封装结构示意图
BGA 封装主要用于高密度、高性能器件的封装,主要适用于 PC 芯片组、微处理器/控制器、ASIC、门阵列、存储器、DSP、FPGA 等器件的封装。BGA 封装按基板种类与结构可分为塑封BGA(PBGA)、陶瓷 BGA (CBGA)、陶瓷焊柱 BGA(CCGA)、载带 BGA 等。

2、陶瓷球栅阵列(CBGA)的特点

作为BGA的一种封装形式,陶瓷球栅阵列(CBGA)的基板是多层陶瓷,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。焊球材料为高温共晶焊料10Sn90Pb(熔点300℃左右),焊球和封装体的连接需使用低温共晶焊料63Sn37Pb(熔点183℃),在焊接过程中,共晶钎料膏熔化,而焊球不熔化,保持接头的高度,提高了接头的可靠性。由于CBGA具有优异的热性能和电性能,同时具有良好的气密性和抗湿气性能高,是一种高可靠高性能的封装,这使其在航空、航天、兵器、船舶等领域的电子设备中广泛使用。

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图 CBGA 封装结构

CBGA 封装的主要优点有:

(1)封装与电路板互连的电感减小改善了电性能。

(2)散热效率高,热性能好。

(3)具有良好的密封性能,对湿气不敏感。

(4)封装组件的可靠性高,由于从可控塌陷芯片互连(Controcced Collapse Chip Connection,C4)直接扩展而来。为面阵式倒装互连建立的焊接疲劳的许多基本模型、方法和条件,都可直接应用于 CBGA 的互连。

(5)封装密度高(焊球为全阵列分布),适用于 I/O 数大于 250 的电子组装应用。

(6)共面性好,焊点成形容易,目前的共面性指标要求为 0.1mm。
对于陶瓷球栅阵列封装而言,由于陶瓷和印制电路板之间的热胀冷缩引起的热失配较大,从而使得在通电和断电过程中因温度变化而在焊点上引起很大的变形,其变形量受到焊点的几何参数、焊盘尺寸以及焊球体积等因素的影响。

CBGA 封装的主要缺点有:

(1)由于热膨胀系数不同。因此和环氧树脂印制电路板的热匹配性差。焊点疲劳是主要失效形式;

(2)焊球在封装体边缘的对准困难;

(3)封装成本高。

表 CBGA 与 CCGA 的优缺点对比

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由于 CBGA 封装的复杂性以及相对高的费用,使得 CBGA 被局限应用于高性能、高 I/O 数要求的电子产品。CBGA 有优异的热性能和电性能,同时气密性好,抗湿气性能高,因而封装组件的长期可靠性高,CBGA 工艺技术水平很高,系列产品化的 CBGA 产品的引脚数达 1000pin 以上,但由于 CBGA 实装中存在 PCB 和多层陶瓷载体之间的热膨胀系数不匹配问题,从而在热循环中造成封装尺寸较大的 CBGA 焊点失效,一般认为封装体的尺寸小于 32mm×32mm 的 CBGA 封装均可满足热循环实验要求,而对应较大尺寸的陶瓷封装来说,国际上一般考虑陶瓷柱栅阵列(CCGA)封装形式,CCGA 是 CBGA 的改进型,它采用焊料圆柱阵列来替代 CBGA 的焊料球阵列,以提高其焊点的抗疲劳性能,这是因为柱状结构更能缓解由热失配引起的陶瓷载体和PCB板之间的剪切应力。与 CBGA 相比,CCGA 适用于更大尺寸的封装和更多的 I/O 引脚数,而且耐高温、高压。

资料来源:

1.BGA技术成为现代组装技术的主流,鲜飞.

2.陶瓷阵列封装的两种形式及其接头可靠性,张成敬,王春青.

3.CBGA(陶瓷球栅阵列)封装关键工艺技术研究,尹学群.

4.Technology Readiness Overview: Ball Grid Array and Chip Scale Packaging,Reza Ghaffarian.
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推荐活动:【邀请函】第二届陶瓷封装产业论坛(11月·石家庄)
第二届陶瓷封装产业论坛
The 2nd Ceramic Packages Industry Forum
2024年11月

河北·石家庄

一、会议议题

序号

暂定议题

拟邀请

1

集成电路陶瓷封装的发展概况

拟邀请陶瓷封装厂商/高校研究所

2

光通信技术的发展及陶瓷封装外壳的应用趋势

拟邀请光通信企业/封装厂商/高校研究所

3

电子封装陶瓷的研究进展

拟邀请陶瓷封装厂商/高校研究所

4

陶瓷封装技术在传感器领域的应用

拟邀请陶瓷封装厂商/高校研究所

5

基于DPC的3D成型陶瓷封装技术

拟邀请陶瓷封装厂商/高校研究所

6

集成电路陶瓷封装外壳仿真设计

拟邀请陶瓷封装厂商/高校研究所

7

系统级封装用陶瓷材料研究进展和发展趋势

拟邀请陶瓷封装厂商/高校研究所

8

基于3D-SiP集成技术的新型微波模块

拟邀请陶瓷封装厂商/高校研究所

9

陶瓷封装结构优化及可靠性分析

拟邀请陶瓷封装厂商/高校研究所

10

低温玻璃-陶瓷封装技术的研究进展

拟邀请陶瓷封装厂商/高校研究所

11

低温共烧陶瓷基板及其封装应用

拟邀请陶瓷封装厂商/高校研究所

12

微电子陶瓷封装的金属化技术

拟邀请陶瓷封装厂商/高校研究所

13

高温共烧陶瓷金属化膜厚影响因素分析

拟邀请陶瓷封装厂商/高校研究所

14

铜浆在多层陶瓷封装外壳制备技术中的应用

拟邀请陶瓷封装/浆料厂商/高校研究所

15

电子陶瓷封装用玻璃粉的开发

拟邀请陶瓷封装/玻璃粉厂商/高校研究所

16

金属陶瓷胶黏剂封装工艺及可靠性研究

拟邀请陶瓷封装/材料厂商/高校研究所

17

陶瓷封装外壳钎焊工艺研究

拟邀请钎焊设备企业/高校研究所

18

高密度陶瓷封装外壳散热问题探讨

拟邀请陶瓷封装/材料厂商/高校研究所

19

陶瓷封装平行缝焊工艺与技术

拟邀请陶瓷封装/设备厂商/高校研究所

20

陶瓷封装缺陷自动检测技术

拟邀请检测方案商

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作者 gan, lanjie