羅文章 李長生 嚴(yán)來良 安國義

深圳市深聯(lián)電路有限公司

1 前言

球珊陣列封裝技術(shù)（Ball grid array，BGA）問世于20世紀(jì)90年代，該封裝形式既具有十分高的封裝密度，又具有優(yōu)良的電性能、低噪聲、低寄生電感電容等優(yōu)點，同時和現(xiàn)有的表面組裝（Surface Mount Technology，SMT）設(shè)備完全兼容，因而和芯片級封裝（Chip Scale Package，CSP）一起成為未來電子封裝的主流技術(shù)之一。

印制板組件的高密度化、高可靠性以及無鉛化的發(fā)展，使其對應(yīng)用元件的封裝尺寸性能等要求愈加苛刻（圖1）。隨著高密度互連技術(shù)（High Densing Interconnect，HDI）的進一步發(fā)展，BGA的封裝節(jié)距由1.0 mm ～1.27 mm（FineLine BGA 封裝）發(fā)展到0.5 mm（Micro FineLine BGA 封裝），甚至到0.3 mm，微精的封裝間距給PCB的設(shè)計制作帶來了更高的挑戰(zhàn)。

圖1 BGA封裝尺寸

2 BGA/CSP元件焊盤設(shè)計

2.1 焊盤阻焊層設(shè)計

按阻焊方式不同焊盤可分為兩類（示意圖如圖2）：NSMD（Non Soldermask Defind，非阻焊膜隔離）其阻焊層圍繞銅箔焊盤并留有間隙；SMD（Soldermask Defind，阻焊膜隔離）阻焊層在銅箔焊盤上，焊盤直徑比阻焊開窗大。

圖2 NSMD與SMD示意圖

2.2 焊盤連接方式的設(shè)計

BGA焊盤不僅是一個焊點的功能，更重要的是要實現(xiàn)印制板電氣性能連接的功能，其連接方式大致有以下幾種：

（1）引線式連接（圖3）

（2）狗骨式連接（圖4）

（3）盤中（內(nèi)）孔式連接（盲孔/通孔）（圖5/圖6）

圖3 引線式

圖4 狗骨式

圖5 盤中（內(nèi)）盲孔

圖6 盤中（內(nèi)）通孔

“引線式”和“狗骨式”在BGA節(jié)距較大的產(chǎn)品上比較適用，其陣列間有足夠的走線空間或狗骨排列空間，但進入HDI時代BGA焊盤節(jié)距愈來愈小已經(jīng)沒有足夠的空間走線或者交錯形成“狗骨”，再次，在高頻信號中“引線式”和“狗骨式”無疑增大了信號傳輸線的長度，對信號傳輸非常不利，因此，“盤中（內(nèi)）孔”式連接被更多的設(shè)計者運用。

盤中孔式連接在設(shè)計上不僅解決了BGA走線空間不足的問題，同時也改善了信號傳輸性能和提高PCB互連密度等，但這種高密度設(shè)計在PCB生產(chǎn)和后期焊接過程中會面臨不少的可靠性問題。

3 BGA/CSP元件焊盤設(shè)計可靠性潛在影響分析

3.1 賈凡尼效應(yīng)的影響

BGA焊盤高密度發(fā)展（焊盤間距窄、直徑?。?，在無鉛時代促使了表面處理工藝的不斷革新，其中以化銀、“ENIG+OSP”相結(jié)合等表面處理工藝在高密BGA焊盤設(shè)計上被廣泛采用，但是以上工藝在業(yè)界普遍存在一個潛在風(fēng)險－賈凡尼（電偶腐蝕）效應(yīng)，在客戶端易形成失效現(xiàn)象，因此，高密BGA焊盤設(shè)計在表面處理的選擇上要結(jié)合設(shè)計本身實際情況合理選用。

3.2 芯吸效應(yīng)的影響

BGA焊盤的高密度，促使其連接孔也密度化（間距窄、直徑小），在燈芯效應(yīng)下孔與孔之間的絕緣品質(zhì)變差，進而使“陽極導(dǎo)電絲”（CAF，Conductive Anodic Filament）（圖7）情況變得嚴(yán)重，易在客戶端演變成短路，造成失效。所以這種高密度BGA設(shè)計在選材上要優(yōu)先于耐CAF類型的板材。

圖7 離子遷移

3.3 塞（填）孔的影響

BGA位連接孔無論是哪種設(shè)計，都應(yīng)設(shè)計成可塞（填）的結(jié)構(gòu)，避免在客戶端焊接過程中焊點產(chǎn)生空洞、虛焊、短路等各種可靠性異常（見圖8）。

圖8 盲孔未塞/填，焊接時盲孔內(nèi)氣體膨脹使兩鄰焊點相連

3.4 耐熱性的影響

隨著電子元件組裝密度的提高、在無鉛時代，對PCB的尺寸穩(wěn)定性、機械強度等有了更高的要求，進而使高耐熱性能基材的應(yīng)用越來越廣泛，Tg的提高不僅可有效解決PCB在高溫焊接過程中溫度變化下引起的內(nèi)應(yīng)力對密集的元件引腳造成焊接不上或斷裂（焊點處）的問題，而且Tg的提高對過孔密集區(qū)域的可靠耐熱性能的提高作用也更加明顯，是改善解決分層、爆板異常的一個重要方向，因此，高Tg板材的應(yīng)用特別是對線路板的高密度互連設(shè)計（HDI）及其層間互連的可靠性是至關(guān)重要的。

3.5 板材CTE（熱膨脹系數(shù)）的影響

隨著精細(xì)節(jié)距SMT組裝和CSP組裝的出現(xiàn)，其引腳間距更加窄小、長度更加縮短，要求基材的CTE（X、Y方向）與元件的CTE相匹配，否則由于兩者的膨脹、收縮的差異較大，受熱后產(chǎn)生的變形造成與封裝連接處的裂紋，降低了安裝質(zhì)量和可靠性能，另一方面高密度BGA焊盤連接孔（通孔）通常情況下是板子上最小孔，使其縱橫比（Aspect Ratio）增大，在無鉛焊接時代，孔內(nèi)銅厚不僅需要良好的分布力（Throwing Power）以保證深孔內(nèi)銅厚的均勻，而且更需要優(yōu)異的延伸率（Elongation）以應(yīng)強熱中板材Z方向（板厚）的大幅熱膨脹的拉扯來避免孔壁銅層出現(xiàn)斷裂造成失效（α1常溫玻璃態(tài)＜60×10-6/℃，α2高溫高彈態(tài)＜300×10-6/℃（IPC-4101B標(biāo)準(zhǔn)）），在提升深孔內(nèi)銅厚的均勻性及延伸率的同時，降低介質(zhì)的熱膨脹系數(shù)是解決問題的有效途徑，因此改善板材三個方向（X、Y、Z）的低CTE材料應(yīng)運而生。

綜上所述，高密BGA/CSP板的發(fā)展給PCB行業(yè)帶來了極大的挑戰(zhàn)，從材料到設(shè)計、從設(shè)計到生產(chǎn)，每個環(huán)節(jié)都需要技術(shù)革新，來適應(yīng)于這種高密的發(fā)展。在實際生產(chǎn)過程中以上幾方面要特別關(guān)注，板材的選擇盡量選擇高Tg低CTE和耐CAF性的基材；BGA位連接孔無論是哪種設(shè)計，都應(yīng)設(shè)計成可塞（填）的結(jié)構(gòu)；根據(jù)實際設(shè)計選擇合適的表面處理等。

4 0.4 mm間距BGA設(shè)計方案

以本司生產(chǎn)的一款0.4 mm間距BGA線路板為例，從電氣連接設(shè)計、疊層規(guī)則、信號回流、選材、表面處理方面入手解析其從設(shè)計到制作的過程。

4.1 BGA電氣連接設(shè)計

如圖9所示，兩相鄰焊盤中心距為0.4 mm，焊盤直徑0.23 mm，邊距0.17 mm，其電氣連接應(yīng)用于何種方式才能達(dá)到最佳？按前文簡述，對照焊盤電氣連接方式來逐一分析：

（1）“引線式連接”，從BGA常規(guī)布線公式看：

P：封裝間距；

D：焊盤直徑；

N：布線數(shù)；

X：線寬。

線寬以最小0.076 mm設(shè)計，內(nèi)圍的BGA焊盤電氣連接想從0.17 mm的間距中走線顯然已是沒有空間。

（2） “狗骨式連接”，如果BGA焊盤以“狗骨式”連接一個通孔與其他層相連，通孔孔徑按最小0.15 mm設(shè)計，其焊盤直徑最小需0.35 mm，而兩對角焊盤邊距為0.34 mm，因此以狗骨式連接通孔的空間仍然不夠，這種連接方式只有設(shè)計成盲孔以縮小連接盤直徑才有空間。

（3）“盤中（內(nèi)）孔式連接”，盤中通孔是在焊盤表面下成孔與其他層相連并用填塞物質(zhì)堵孔，此設(shè)計不占平面空間，可有效的運用到這種精細(xì)高密BGA設(shè)計之中，但此設(shè)計增加了流程使其制作成本有所上升。

此款0.4 mm間距BGA設(shè)計從成本控制、工藝能力、可靠性等方面綜合考慮采用了以上三種連接方式相結(jié)合的設(shè)計方案，即BGA焊盤最外圍用“引線式連接”，內(nèi)圍采用“盤中（內(nèi)）孔式連接”，其中盤中通孔是在焊盤表面下成孔與其他層相連（采用樹脂塞孔），盤中盲孔用“狗骨式連接”在四焊盤中間引出一個0.2 mm直徑的小焊盤并在焊盤上鉆盲孔（盲孔用阻焊塞孔），再在第二層通過埋孔再與其他層相連，詳細(xì)參數(shù)見表1。

圖9 0.4mm間距BGA設(shè)計尺寸

表1 0.4mm間距 BGA設(shè)計參數(shù)

4.2 層壓結(jié)構(gòu)設(shè)計

合理的層疊設(shè)計對整個系統(tǒng)的EMC（電磁兼容）性能起著重要的作用，層數(shù)的選擇，信號層、地層、電源層三者之間的組合分布等因素在層疊設(shè)計中是非常重要的，一般都會遵循以下原則：

（1）一個信號層應(yīng)該和一個敷銅層相鄰且緊密耦合（即信號層和臨近敷銅層之間的介質(zhì)厚度很?。?；

（2）電源敷銅和地敷銅應(yīng)該緊密耦合；以盡可能的降低電源層和地層之間的阻抗同時增大電源層和地層結(jié)構(gòu)的諧振頻率。

此款0.4 mm間距BGA的疊層設(shè)計如圖10：

圖10 產(chǎn)品層壓疊構(gòu)圖（1+N+1設(shè)計）

這種疊層方案可得到較好的信號完整性，信號層與接地層相鄰，介質(zhì)厚0.075 mm，較小的介質(zhì)既滿足激光鉆孔對介質(zhì)厚度的要求又使信號與接地層實現(xiàn)很好的耦合，符合設(shè)計規(guī)則一的要求。

電源層L4和接地層L5緊密耦合，使每個走線層的阻抗都可較好控制，符合設(shè)計規(guī)則二的要求。且兩個地層都能良好的吸收磁力線，并且在電源、地層完整的情況下能為每個信號層都提供較好的回流路徑。

信號回流在設(shè)計中是一個不可忽視的問題，所有的高速信號必須有良好的回流路徑，經(jīng)由信號走線緊鄰的敷銅平面回流到驅(qū)動端，即路徑越小，對信號的串?dāng)_、輻射、EMI（電磁干擾）也越小。此板BGA位采用盲埋孔及盤中孔設(shè)計，密集的過孔在敷銅平面上形成的溝槽將會破壞了敷銅平面的完整性，可能阻斷經(jīng)過此區(qū)域的信號回流，致使信號回流不得不繞道而行，這樣形成的天線效應(yīng)將會急劇增加，對周邊信號產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，所以在布線之初就要充分考慮好這些問題，信號回流能避開這些溝槽就一定要避開，如避開不了，通常是在密集過孔形成的溝槽加以調(diào)整，使過孔之間留有一定的距離或放置旁路電容來提供回流通路。

4.3 選材及表面處理

本款0.4 mm間距BGA產(chǎn)品焊接間距小、孔位密度大、孔距小，在板材選擇上采用的是高Tg低CTE及耐CAF的材料。高Tg的選擇可以提高產(chǎn)品耐熱性能，降低密集孔位因受熱內(nèi)應(yīng)力增大出現(xiàn)的分層、爆板風(fēng)險；低CTE性能板材[CTE：(8～10)×10-6/℃]可有效改善因元件與板材CTE相距太大[元件CTE：(5～7)×10-6/℃，普通板材CTE：(13～15)×10-6/℃]而在焊接過程中由膨脹、收縮形成的剪切力造成焊接位虛焊、斷裂等異常；板材的耐CAF性能則可以減小因孔距小在燈芯效應(yīng)下出現(xiàn)離子遷移的風(fēng)險。

在表面處理的選擇上，EING工藝在較小BGA焊盤設(shè)計中易出現(xiàn)漏鍍、黑盤等異常；沉銀及“EING+OSP”又存在賈凡尼（電偶腐蝕）效應(yīng)的風(fēng)險，綜合各方面因素考慮，本產(chǎn)品選擇的是OSP（有機可焊性保護涂飾材料）工藝，其操作簡單、成本低廉，焊點可靠，不會出現(xiàn)以上問題，所以O(shè)SP工藝在本款產(chǎn)品中的應(yīng)用優(yōu)勢非常明顯。

5 結(jié)論

此款板子成品外觀、功能性及其他檢測都符合客戶要求，產(chǎn)品切片圖見圖11。

此款0.4 mm間距BGA產(chǎn)品的制作，從設(shè)計到生產(chǎn)諸多工藝都超出常規(guī)設(shè)計范圍，如0.15 mm鉆嘴使用、較小的孔環(huán)（0.04～0.05）mm及孔間距的設(shè)計等，這些都給生產(chǎn)帶來了極大的挑戰(zhàn)，難度增加的同時也提升了報廢率，再加上盲埋孔設(shè)計、低CTE耐CAF的板材的運用，使制作成本急劇攀升。

隨著科技的發(fā)展和技術(shù)的進步，各種高科技材料的新起，及相關(guān)工藝的成熟，以上潛在風(fēng)險會逐一得到解決，這種高密BGA設(shè)計一定將是最具生命力和發(fā)展前途的新一代PCB產(chǎn)品。

[1]林金堵, 龔永林. 現(xiàn)代印制電路基礎(chǔ)第四版[M], 中國:印制電路行業(yè)協(xié)會CPCA, 上海:印制電路信息雜志社PCI ,2005,75, 443.

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[3]王詠梅. 0.5mm間距BGA芯片的PCB設(shè)計[J]. 印制電路信息, 2012, 3:32-44.