球栅阵列封装
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球栅阵列封装（英语：Ball Grid Array，简称BGA）技术为应用在集成电路上的一种表面黏着封装技术，此技术常用来永久性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。
叙述
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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[1]。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，以将锡球熔化。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。
优势
[编辑]高密度
[编辑]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，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。
导热性
[编辑]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。
低电感引脚
[编辑]较长的引脚在高速的电子电路中往往会引来噪声导致信号失真，而BGA封装技术在封装与PCB之间的距离非常短，更短的导体也就意味着不必要的电感度能降低，有了低电感引脚，相较于针脚装置能有更优异的电子特性。
缺点
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非延展性的接点
[编辑]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）[2]、“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。[3]
机械应力问题可透过一种叫做“底部填充”（Underfilling）[4]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。目前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。[4]
检验困难
[编辑]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[5]、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 1149.1 JTAG接口连接进行测试。
开发电路时的困难
[编辑]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。[来源请求]
设备花费
[编辑]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。[来源请求]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。[6]
变异版
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- CABGA：Chip Array Ball Grid Array，芯片阵列BGA。
- CBGA和PBGA代表BGA所附着的基底材料为陶瓷（Ceramic）或塑料（Plastic）。
- CTBGA：Thin Chip Array Ball Grid Array，薄芯片阵列BGA。
- CVBGA：Very Thin Chip Array Ball Grid Array，特薄芯片阵列BGA。
- DSBGA：Die-Size Ball Grid Array，晶粒尺寸型BGA。
- FBGA：Fine Ball Grid Array 建构在BGA技术上。其具备更细的接点，且主要用在系统单芯片设计，也就是Altera公司所称的FineLine BGA。与Fortified BGA有所不同。[7]
- FCmBGA：Flip Chip Molded Ball Grid Array，覆晶铸模BGA。
- LBGA：Low-profile Ball Grid Array，薄型BGA。
- LFBGA：Low-profile Fine-pitch Ball Grid Array，薄型细间距BGA。
- MBGA：Micro Ball Grid Array，微型BGA。
- MCM-PBGA：Multi-Chip Module Plastic Ball Grid Array，多芯片模组塑料BGA。
- PBGA：Plastic Ball Grid Array，塑料型BGA。
- SuperBGA (SBGA)：Super Ball Grid Array，超级BGA。
- TABGA：Tape Array BGA，载带阵列BGA。
- TBGA：Thin BGA，薄型BGA。
- TEPBGA：Thermally Enhanced Plastic Ball Grid Array，热强化塑料型BGA。
- TFBGA：Thin and Fine Ball Grid Array，薄型精细BGA。
- UFBGA或UBGA：Ultra Fine Ball Grid Array，极精细BGA。
为了容易使用球栅阵列装置，大部分的BGA封装件仅在封装外围有锡球，而内部方形区域均留空。
Intel使用称作BGA1的封装法在他们的Pentium II和早期的Celeron行动型处理器上。BGA2为Intel在其Pentium III的封装法以及一些较晚期的Celeron行动型处理器上。BGA2也就是所称的FCBGA-479，用来取代它上一代的BGA1技术。
例如，“微型覆晶球栅阵列”（Micro Flip Chip Ball Grid Array，以下称Micro-FCBGA）为Intel目前[何时？]的BGA镶嵌方法供采用覆晶接合技术的行动型处理器。此技术被采用在代号Coppermine的行动型Celeron处理器。Micro-FCBGA具有479颗锡球，直径0.78 mm。 处理器透过焊接锡球方式，黏着在主板上，比起针栅阵列插槽配置法还要更轻薄，但不可移除。
479颗锡球的Micro-FCBGA封装（几乎与478针脚可插入式Micro-FCPGA封装法相同）配置出六道外围1.27 mm间距（每英寸间距内有20颗锡球）构成26x26方栅，其内部有14x14区域是留空的。[8][9]
采购
[编辑]BGA零件主要的目标使用者均为原始设备制造商（OEM, Original Equipment Manufacturer）。在电子产品DIY爱好者中也有一定的市场，例如逐渐盛行的手作加工。[10] 一般来说OEM厂会从制造厂或其批发商取得他们的元件来源，而业余爱好者通常透过电子元件的提供者或批发商在改装品市场取得BGA零件。
延伸阅读
[编辑]- 双列直插封装 (DIP)
- 插针网格阵列封装 (PGA)
- 平面网格阵列封装 (LGA)
- 薄型四侧引脚扁平封装 (TQFP)
- 小型塑封集成电路 (SOIC)
- 芯片载体
- Embedded Wafer Level Ball Grid Array
参考
[编辑]- ^ Soldering 101 - A Basic Overview. [2014-03-18]. （原始内容存档于2012-03-03）.
- ^ BGA枕頭效應(head-in-pillow)發生的可能原因. 工作熊. [2014-03-18]. （原始内容存档于2021-01-24）.
- ^ 存档副本. [2014-03-21]. （原始内容存档于2014-10-08）.
- ^ 4.0 4.1 Solid State Technology: BGA underfills - Increasing board-level solder joint reliability, 12/01/2001. [2014-03-18]. （原始内容存档于2013-07-19）.
- ^ "CT Services - Overview." Jesse Garant & Associates. August 17, 2010. 存档副本. [2010-11-24]. （原始内容存档于2010-09-23）.
- ^ Sparkfun tutorials: Reflow skillet, July 2006. [2014-03-18]. （原始内容存档于2021-03-14）.
- ^ Ryan J. Leng. "The Secrets of PC Memory: Part 2" （页面存档备份，存于互联网档案馆）. 2007.
- ^ Intel. "Mobile Intel Celeron Processor (0.13 μ) in Micro-FCBGA and Micro-FCPGA Packages". Datasheet （页面存档备份，存于互联网档案馆）. 2002.
- ^ FCBGA-479 (Micro-FCBGA). [2014-03-18]. （原始内容存档于2021-02-28）.
- ^ More than just digital quilting: The "maker" movement could change how science is taught and boost innovation. It may even herald a new industrial revolution. The Economist. Dec 3, 2011 [2014-03-18]. （原始内容存档于2018-05-14）.
