BGA封装技术

一、描述

        球栅阵列封装（BGA、Ball Grid Array）技术为应用在集成电路上的一种表面黏着封装技术，常用来永久固定如微处理器之类的装置。BGA封装能提供比其他如双列直插封装（Dual in-line package）或四侧引脚扁平封装（Quad Flat Package）所容纳更多的接脚，整个装置的底部表面可全作为接脚使用，而不是只有周围可使用，比起周围限定的封装类型还能具有更短的平均导线长度，以具备更佳的高速效能。
焊接BGA封装的装置需要精准的控制，且通常是由自动化程序的工厂设备来完成的。BGA封装装置并不适用于插槽固定方式。
        BGA封装技术是从插针网格阵列（pin grid array; PGA）改良而来，是一种将某个表面以格状排列的方式覆满（或部分覆满）引脚的封装法，在运作时即可将电子讯号从集成电路上传导至其所在的印刷电路板（PCB）。在BGA封装下，在封装底部处引脚是由锡球所取代，每个原本都是一粒小小的锡球固定其上。这些锡球可以手动或透过自动化机器配置，并透过助焊剂将它们定位。装置以表面贴焊技术固定在PCB上时，底部锡球的排列恰好对应到板子上铜箔的位置。产线接着会将其加热，无论是放入回焊炉(reflow oven) 或红外线炉，以将锡球溶解。表面张力会使得融化的锡球撑住封装点并对齐到电路板上，在正确的间隔距离下，当锡球冷却并固定后，形成的焊接接点即可连接装置与PCB。

二、优点

1.高密度
        BGA封装技术是在生产具有数百根引脚的集成电路时，针对封装必须缩小的难题所衍生出的解决方案。插针网格阵列（Pinned grid array）和双列直插封装（Dual in-line package）的表面贴焊（小型塑封集成电路; Small-outline integrated circuit; SOIC）封装生产时，由于必须加入越来越多引脚且彼此的间隙必须减少，这样却导致了焊接过程时的困难。当封装引脚彼此越来越近时，焊锡时意外地桥接到相邻的引脚风险就因此增加。BGA封装技术在工厂实作的焊接下，就没有这类的困扰。

2.导热性
        BGA封装技术的另一个优势，胜过分离式引脚（如含针脚的封装技术）的其他封装技术，那就是在封装与PCB间能有较低的热阻抗。这可以让封装内的集成电路产生的热能更容易传导至PCB，避免芯片过热。

3.低电感引脚
        更短的导体也就意味着不必要的电感度能降低，此特性在高速的电子电路中会导致不必要的信号失真。BGA封装技术，在封装与PCB之间的距离非常短，有了低电感引脚，相较于针脚装置能有更优异的电子特性。

三、缺点

1.非延展性的接点
        BGA封装的其中一个缺点，就是锡球无法像长引脚那样可以伸展，因此他们在物理特性上是不具材料刚度的。所有的表面贴焊装置，因PCB基板和BGA封装在热膨胀系数的差异而弯曲（热应力），或延展并振动（机械应力）下，就可能导致焊点断裂。热膨胀问题可透过PCB与封装两者相近的热特性配合来解决，通常塑化BGA装置可以比陶瓷BGA装置更接近符合PCB的热特性。
        普遍采用的RoHS相容无铅焊料合金产线，更显示出BGA封装所需面临的挑战，例如回焊过程时的“枕头效应”（Head-in-Pillow）、“承垫坑裂”（pad cratering）问题，相较于含铅焊料的BGA封装，由于RoHS相容焊料的低延展性，在高温、高热冲击和高G力等极端环境下，有些BGA封装的可靠度也因此降低。
        机械应力问题可透过一种叫做“底部填充”（Underfilling）的手续将装置黏合在板子上，此手续会在装置贴焊到PCB上后，在其下方注射环氧混合物，有效地将BGA装置贴合至PCB上。有数种底部填充材料可供应用，可对应各种不同应用与热传导的需求提供不同的特性。底部填充的另一个好处是，能够限制住锡须的增生。
        解决非延展性接点的另一个解决办法，就是将封装内放入一道“延展性涂层”，能允许底部的锡球能按照封装的相对应位置移动实际位置。这个技巧已成了BGA封装DRAM厂的标准之一。
        其他在PCB层级上用来增加封装可靠度的技巧，还包括了专为陶瓷BGA（CBGA）使用的低延展性PCB、封装与PCB板之间导入的中介板（interposers），或重新封装装置等。

2.检验困难
        当封装物贴焊至定位后，要找到焊接时的缺陷就变得困难。为了要检测焊接封装的底部，业界均开发了X光机、工业电脑断层扫描机、特殊显微镜、和内视镜等设备来克服这个问题。若一块BGA封装发现是贴焊失败，可以在“返修台”（通称rework station）上移除它，这是一台装有红外线灯（或热风机）的夹具，以及备有热电偶和真空装置以便吸取封装物。BGA封装可以替换另一颗新的、重工（或称“除锡植球”，英文称reballing）并重新安装在电路板上。
        由于视觉化X光的BGA检测方式所费不赀，电路测试法反而也经常被采用。常见的边界扫描测试法可透过IEEE 1149.1JTAG接口连接进行测试。

3.开发电路时的困难
        在开发阶段时，就将BGA装置焊接至定点的话其实不切实际，通常反而是先使用插槽，虽然这样比较不稳定。通常有两种常见的插槽：较可靠的类型具有弹簧针脚，可以贴紧下方的锡球，但不允许使用锡球已被移除的BGA装置，因为这样弹簧针脚可能会不够长。
        而不可靠的类型是一种叫做“ZIF插槽”（Zero Insertion Force），具有弹簧钳可以抓住锡球。但这个不容易成功，特别是当锡球太小的话。

4.设备花费
        要可靠地焊接BGA装置，需要昂贵的设备。人工焊接的BGA装置非常困难且不可靠，通常只用在少量且小型的装置。然而，由于越来越多的IC只提供在无铅（例如，四侧扁平无铅封装（quad-flat no-leads package））或BGA封装使用，已逐渐发展出各种的DIY法（重工）可使用便宜的加热源，例如热风枪、家用烤箱以及平底电热锅等。