原创 电路板BGA封装设计与常见缺陷

电路板BGA封装设计与常见缺陷

　　正确设计BGA封装

　　球栅数组封装(BGA)正在成为一种标准的封装形式。人们已经看到，采用0.05至0.06英寸间距的BGA，效果显著。封装发展的下一步很可能是芯片级封装(CSP)，这种封装外形更小，更易于加工。

　　BGA设计规则

　　凸点塌落技术，即回流焊时锡铅球端点下沈到基板上形成焊点，可追溯到70年代中期。但直到现在，它才开始快速发展。目前，Motorola、IBM、CiTIzen、ASAT、LSI Logic、Hestia和Amkor等公司，除了在自己的产品中使用这种封装，还提供BGA商品。

　　BGA的另一个主要优势是成品率高。Motorola和Compaq等用户声称，在其包含160至225条I/O引线的0.05英寸间距封装中，没有缺陷产生。而其它的全自动工厂中，具有相同I/O引线数的细间距器件的失效率为500或1000PPM。目前正在进一步开发具有400到700条I/O引线的BGA封装，日本甚至报道了1000条I/O引线BGA封装的研发结果。目前，标准还没有完全制定好，JEDEC文件仅对1mm、1.27mm和1.5mm间距作了基本规定。基体的尺寸范围为7至50mm，共面性小于200μm。

　　BGA的局限性

　　许多用户抱怨BGA焊点可视性差。很明显，BGA的焊点不能藉由肉眼检测。实际上，由于零配件引线数不断增加，任何现代电子组装制程都会出现这种情况。采用低成本的X射线装置，以及良好的设计规则，可以进行相对简单的检测。

　　现在的布线设计(footprint)包括印制导线组合、通孔和0.02英寸的圆形表面焊盘。器件上焊球的大小必然会影响焊盘尺寸。最初，一些工程师在焊盘表面贴上阻焊膜，以此减小回流焊期间器件的移动和焊膏的流动。采用这种方法，在加热过程中焊点容易开裂，因此不可取。

　　如果铜焊盘与阻焊膜涂层之间为标准间隙，则应采用标准阻焊膜设计规则。需要时，这种简单的布局允许在印制电路板两个表面走线。甚至间距为1或1.27mm的、I/O数较多的器件，焊球之间都会出现走线问题。选择间距较小，但中心“空白”(即无焊球)的器件，可克服这种问题。中心空白的BGA外边缘可能只有四列焊球，减少了走线问题。

　　通孔贴装

　　一些公司使用传统的通孔，作为陶瓷BGA和更常用的塑料器件的贴装焊盘。这时，通孔成了贴装焊盘和穿过印制电路板的互连体。这对于回流焊设计是理想的，但对波峰焊产品却不然。切记：波峰焊作业会引起印制电路板顶部BGA的二次回流。

　　使用通孔贴装方法时，要确保通孔的体积与焊膏的印刷量相匹配。采用这种技术，焊膏将填满通孔，并在回流焊后仍提供相同的托高(STandoff)。如果不考虑这个重要因素，焊球部份将会沈入焊点中。对于陶瓷BGA，高温焊球只能位于通孔的表面。当通孔尺寸减小时，问题就没有那么严重了。但是内部走线时，它确实会影响复杂的多层印制电路板的走线。

　　藉由与所选测试焊盘相连的通孔的顶部，可对印制电路板的底部填充物进行测试。一些情况下，零配件制造商在BGA封装基板的顶部设置测试点，以便对封装表面直接进行探测。如果在组装作业中使用通孔贴装，藉由直接探测通孔即可进行测试。

　　谨防翘曲

　　在回流焊期间，较大的塑料封装可能会产生翘曲。一些情况下，会看到覆层(over-moldingcompound)和基板产生了翘曲，这会导致外部连接点与焊盘的接触减至最小。一些工程师指出，小片(die)和玻璃环氧树脂基板均会产生翘曲。藉由改进零配件的球形端点的布局，并限制所用小片的尺寸，可在一定程度上克服这种问题。如果使用焊膏，而不只是助焊剂回流制程，发生这种特殊故障的可能性就会减少，这是因为焊膏对共面性的要求较低。

　　对于传统的玻璃/环氧树脂基板，使用无引线塑料BGA，就不会产生焊接故障。因为零配件基体也是由相似的环氧树脂制成的，并且热膨胀系数与大多数应用相匹配。在一些专门应用中，器件转角处的焊点会出现裂缝，这可能是因为此处产生了应力。

　　对于塑料BGA器件，则可能出现“爆米花”式的裂缝。因为在回流焊期间，潮气会在零配件内部扩张。此时，基板和覆层之间的器件边缘就会出现裂缝。如果在返修期间出现这种现象，就会听到器件发出“劈、啪”的爆裂声，因此称为“爆米花”。所以，必须选择适当的防潮封装，以减少爆裂的可能性。