什么是BGA BGA的结构和性能

表面贴装技术（SMT）在引领电子产品朝着小型化和轻量化方面发挥着重要作用。高引脚电子封装领域曾经见过QFP（四方扁平封装）的主导作用，QFP是一种表面贴装集成电路（IC）封装，其中“鸥翼”引线从四个侧面各伸展。随着半导体集成技术和微制造技术的快速发展，随着电子产品功能的增加和体积的不断缩小，IC门数和I/O端数越来越多。因此，QFP的应用永远无法满足电子产品的发展要求。虽然QFP技术也在不断进步，并且能够处理间距低至0.3mm的元件，但是间距的减小会使组件合格率降低到一定程度。为了成功解决这个问题，BGA（球栅阵列）技术应运而生，并受到业界的广泛关注。

什么是BGA？

作为一种相对较新的表面贴装器件（SMD），BGA采用球形引线，分布在封装底部的阵列中。 BGA元件可具有大引脚间距和大量引脚。此外，BGA元件可以通过SMT的应用组装在PCB（印刷电路板）上。

BGA的结构和性能

作为一种新型SMD，BGA从PGA（针栅阵列）演变而来，通常由芯腔，基座，引线，盖子和球形引脚组成。 BGA的属性包括：
•更高的引脚数。在相同封装尺寸的SMD中，BGA可以有更多的引脚。通常，BGA组件带有400+球形引脚。例如，面积为32mm * 32mm的BGA可以承载多达576个引脚，而具有相同面积的QFP只能承载184个引脚。
•更小的装配区域。通过引脚数，BGA可以容纳更小的装配区域。例如，将带有304引脚的QFP与带有313个引脚的BGA进行比较，虽然后者带有更多引脚，但它占据的面积减少了三分之一。
•下部装配高度。 BGA的装配高度低于封装厚度和焊球高度之和。例如，具有208个引脚或304个引脚的QFP的高度为3.78mm，而具有225个或313个引脚的BGA的高度仅为2.13mm。此外，焊接后BGA的组装高度将会降低，因为焊接过程中焊球会熔化。
•更大的针脚间距。根据JEDEC发布的BGA物理标准，BGA焊球之间的引脚间距应为：1.5mm，1.27mm或1.0mm。采用相同的封装尺寸和引脚数，QFP的引脚间距为0.5mm，而BGA的引脚间距为1.5mm。
•出色的散热性能。 BGA封装电路的温度更接近环境温度，芯片的工作温度低于任何其他SMD。
•与SMT的兼容性。 BGA封装与标准SMT兼容。此外，由于BGA元件具有更大的引脚间距和出色的共面性，引脚不会出现弯曲问题，相应的组装技术比其他带引线的SMD组件更简单。
•更好的电气性能。由于BGA元件具有更短的引脚和更高的装配完整性，因此它们具有更好的电气性能，尤其适用于更高频率范围的情况。
•降低制造成本。由于BGA封装占较小的装配面积和较高的装配密度，因此制造成本将降低。特别是随着BGA封装输出的增加和更广泛的应用，降低制造成本显而易见。
•更高的可靠性和更少的质量缺陷。由于BGA封装上的焊球正在实施焊接，因此熔化的焊球将由于表面张力而自动对准。即使焊球和焊盘之间确实发生50％的误差，也可以获得优异的焊接效果。

尽管BGA封装有一些明显的优点，但在SMT组装过程中会出现一些缺点，包括：
•难以检查焊点。焊点检查要求X射线检查设备导致更高的成本。
•BGA返工需要克服更多困难。由于BGA元件通过阵列中分布的焊球组装在电路板上，因此返工将更加困难。
•部分BGA封装对湿度非常敏感，因此在应用之前需要进行脱水处理。

QFP和BGA之间的比较

在这部分中，QFP和BGA将通过几个表进行比较在互连密度，引脚间距，引脚数和组装缺陷率方面。

表1 QFP和BGA之间的互连密度比较

组件大小（QFP/BGA）	针脚间距（QFP/BGA）	每边的针数（QFP/BGA）	总引脚数（QFP/BGA）
14/13	0.65/1.27	20/10	80/100
28/27	0.65/1.27	12/21	144/441
32/31	0.65/1.27	46/24	184/576
40/40	0.65/1.27	58/31	232/961

 

表2 Pin Pitch和QFP和BGA之间的引脚数比较

	PQFP	CQFP	BGA
材料	塑料	陶瓷	陶瓷，塑料，胶带
尺寸（mm）	12-30	20-40	12-44
Pin Pitch（mm）	0.3,0.4,0.5	0.4,0.5	1.27,1.5
I/O	80-370	144-376	72-1089

 

表3 QFP与BGA之间的装配缺陷率比较

	QFP	BGA
针脚间距（mm）	0.5,0.4,0.3	1.27
行业（ppm）	200,600	0.5 -3
IBM（ppm）	75,600	0.5-3
IBM（只是桥接缺陷） （ppm）	<10，<25，<30	<1

 

表4 QFP与BGA之间的引线结构比较 （注：√ - 优秀;Ο - 良好;Δ - 普通）

	鸥翼	J形	I Shape	BGA
能够调整多条线索	Ο	Δ	Δ	√
包厚度	Ο	Δ	Δ	√
引线刚性	Δ	Ο	Δ	√
能够适应多种焊接方法	√	Δ	Δ	Δ
自我对齐能力回流焊接时的稳定性	Ο	Δ	Δ	√
焊接后的检查性	Δ	Ο	Δ	Δ
清洁难度	Δ	Ο	√	Δ
有效区域利用率	Δ	Ο	Δ	√

 

之间的比较QFP和BGA

与传统SMT组装相比，BGA共享更简单由于其大引脚间距和极佳的引脚共面性，装配技术得以实现。 BGA组装要求将在下面的这一部分讨论。

•BGA的防潮原理

有些BGA组件非常敏感BGA芯室内粘合剂中的环氧树脂会产生湿度，这会吸收日常生活中的湿气，随后在环氧树脂内产生大的应力而蒸发。水蒸气将导致底部基部产生气泡，导致核心室和基座之间出现裂缝。因此，在BGA组件应用之前必须进行除湿。由于技术的不断进步和人们对除湿的日益关注，一些BGA封装已达到合格的湿度敏感水平，可在30°C和60％RH的环境下放置48小时，焊接时不会产生裂缝。例如，一些BGA元件CBGA（陶瓷球栅阵列）不再对湿度敏感。因此，应根据BGA的分类，环境温度和湿度对BGA实施除湿程序。此外，除湿必须根据包装说明和保质期进行。

•BGA焊球涂层和印刷

BGA焊球通常为25mm * 0.0254mm高，直径为30mm * 0.0254mm。不同类型的BGA组件具有不同的合金组成。一般来说，TBGA，CBGA和CGA依赖于具有高熔点的焊料，而大多数BGA依赖于具有低熔点的焊料。主要应用高温焊球来阻止焊球过度塌陷。 BGA焊球涂层和印刷是指将焊剂或焊膏涂在焊球上然后粘在PCB上的工艺，旨在消除焊盘上的氧化物，并通过熔化在焊球和PCB之间产生良好的连接焊接。

•BGA安装

由于更大的引脚间距，BGA元件更容易安装在PCB板上。到目前为止，一些高级贴片机可以安装BGA组件。此外，由于BGA元件可以自对准甚至50％的误差仍然可以实现，因此安装精度不会受到严格监管。

•BGA的回流焊接

在回流焊炉中，BGA通过焊球或焊膏熔化形成连接。为了获得良好的连接，有必要优化烘箱内的温度曲线，优化方法与其他SMD相当。值得注意的是，应该知道焊球成分，以确定回流焊的温度曲线。

•BGA检查

BGA检查包括焊接质量检查和功能检查。前者是指焊球和PCB焊盘的焊接质量检测。 BGA的布置模式增加了目视检查的难度并且需要X射线检查。功能检查应在在线设备上实现，这相当于使用其他类型的封装进行SMD测试。

•BGA返工

与BGA检查类似，在BGA上进行返工同样困难，需要专业的返工工具和设备。在返工过程中，需要首先消除损坏的BGA，然后必须对涂有焊剂的PCB焊盘进行修改。新的BGA需要进行预处理，并且应该进行即时焊接。