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          技術天地

          DFM面向制造生產做設計

            盡管職業界許多人認為球柵列陣(BGA)與芯片規劃包裝(CSP)仍是新涌現的技能,但是一些主導的電子制作商現已引入或改裝了一種或兩種CSP的變異技能。
            BGA包裝現已開展成與現在的焊接安裝技能徹底兼容。CSP或密距離的BGA具有的柵極距離為0.5,0.65,0.80mm,與其比較,塑料或陶瓷的BGA具有相對較寬的接觸距離(1.50,1.27,1.0mm)。粗和密距離的BGA都比密距離的引腳包裝IC較不容易受損壞。BGA規范答應挑選地去掉接觸點以滿意特定的I/O要求。當建立為BGA現已建立接觸點布局和引腳散布時,包裝的開發者有必要考慮芯片規劃以及電路芯片(die)的尺度和形狀。在計劃引腳散布時要遇上的其它問題是電路芯片的方向。當供貨商運用板上芯片(chip-on-board)技能時,一般選用電路芯片面朝上的辦法。
            元件的結構在工業規范和指引中沒有規定。每個制作商都將努力使其特定的結構滿意顧客界說的運用。要看選作制作BGA的資料的物理特性而定,或許運用倒裝芯片(flipchip)或線綁定(wirebond)技能。由于電路芯片附著結構是一種剛性資料,所以芯片綁定或附著座一般坐落中心,導線將信號從芯片綁帶焊盤引出到球形接觸點的擺放矩陣。
           
            列陣元件的總的概括標準答應許多的靈活性:如引腳距離、接觸點矩陣辦法和結構。JEDECMO-151界說了一大族類的塑料BGA。方形概括包含了7.0~50.0mm的尺度規模和三種接觸點距離:1.50,1.27,和1.0mm。球形接觸點可按偶數或奇數列和行擺放的一致辦法散布。盡管擺放有必要堅持一切包裝外形的對稱性,但是答應元件制作上去掉接觸點的位置或一個區域的觸點。
           
            密距離BGA的變量
            聯合電子元件工程委員會(JEDEC,JointElectronicDeviceEngineeringCouncil)的BGA指引手冊提出了許多物理特性和供給對包裝供貨商的辦法上的靈活性。JEDECJC-11同意的第一份有關密距離BGA的文件是以注冊外形MO-195(theRegisteredOutlineMO-195),根本的0.50mm距離觸點擺放的一致方形包裝類。包裝尺度規模為4.0~21mm,從貼裝外表的總高度限定在1.20mm。下表是考慮中的其它的變量。CSP規范的變量擺放距離0.40,0.50,0.65,0.75,0.80mm觸點直徑0.20,0.25,0.30,0.40,0.50mm概括(高度)變量(L)低概括最大1.70mm(T)薄概括最大1.20mm(V)十分薄的概括最大1.00mm(W)十分十分薄的概括最大0.80mm(U)超薄概括最大0.65mm
            密距離BGA觸點擺放計劃
            球的距離和尺度將影響電路的走線功率。許多公司現已決定對較低I/O的CSP運用不選用0.5mm的距離。挑選一種較松散的觸點,較粗的球距離可舒緩終究用戶選用更復雜PCB技能的需求。
            0.50mm的擺放觸點距離是JEDEC引薦的最小的。觸點直徑規定為0.30mm,答應差錯規模為0.25~0.25mm。但是,大多數選用0.50mm距離的BGA運用將決定于次外表電路的走線。在0.25mm焊盤之間的空間只夠單個0.08mm寬線路的連線。將很多的電源和地線的觸點散布在擺放和部分,或空地的的周圍,去掉觸點(depopulation)將供給擺放矩陣的有限的貫穿。這些較高的I/O運用將依靠多層、盲通路孔、或關閉電鍍焊盤內通路孔(via-on-pad)技能。
            元件性能或許如包裝尺度一樣相差很大。用于高密度、高I/O運用的包裝技能有必要首要滿意周圍的條件。那些運用由陶瓷或有機分層制成的剛性刺進式結構的元件不能密切地合作硅芯片的外形。元件周圍的引腳綁定座之間的銜接有必要向內流向。µBGA™包裝結構的一個實踐長處是它能夠供給硅芯片外形內的一切電氣銜接介面。一些µBGA運用高檔聚酰亞胺膠片(polyimidefilm)作其基底結構,半添加銅電鍍工藝來完結芯片上鋁綁定座與聚酰亞胺刺進片上球接觸座之間的銜接,詳情見圖一。不是運用一般的線綁定工藝來把芯片銜接到刺進片,布置在柔性刺進片的鍍金的銅引腳重新定形和直接綁定在芯片上。這種相依從的資料的獨特結合使元件能夠經受十分嚴苛的環境。
            這種包裝現已被幾個制作商選用。界說為面朝下的(face-down)CSP,這種元件一般不比電路芯片大。芯片上的鋁綁定焊盤是向著球接觸點和PCB外表定位的。這種結構在業界被廣泛所接受,由于資料于引腳規劃的專利體系物理上相習慣,補償了硅芯片和PCB的溫度膨脹系數的差別。選用依從資料的另一個辦法是將硅芯片面朝上安裝。面朝上(face-up)的芯片包裝為芯片附著選用了與面朝下包裝一樣的彈性體資料。兩種概念的首要不同是在芯片與柔性膠片刺進片之間的引腳端點。µBGA為電氣銜接選用傳統的金線綁定技能。盡管由幾個早期的專利保護,它的運用現已成為主流。公司要求比密距離BGA更大的包裝(圖二)的理由是更多的。在某些狀況,一般估計新的硅產品的芯片縮短以變得比期望的和其它運用愈加過火,制作商或許甘愿選用加大的接觸點距離的列陣計劃,以便利電路走線。
            選用BGA的PCB規劃指南
            在JEDEC95出版物中供給了柵格列陣包裝的外形。列陣包裝元件的總的外形標準答應很大的靈活性,包含引腳距離、觸點矩陣辦法和結構。JEDEC規范答應芯片附著在介面結構的任何一面。
            接觸點矩陣選項。接觸點能夠一致的辦法散布;但是,矩陣總是以包裝的中心線對稱的。答應不同的制作商削減接觸點,散布辦法一般描繪為:全偶矩陣(full-evenmatrix)、全奇矩陣(full-oddmatrix)、周圍矩陣(perimetermatrix)或交織矩陣(staggeredmatrix)。
            全矩陣(fullmatrix)。對一個給定的包裝尺度,有兩種全矩陣的或許性:偶數或奇數。其中之一是理論上能夠適合于包裝上的、給定尺度和觸點距離的最大矩陣。另一個矩陣是一行乘一列的較小矩陣。
            周圍矩陣(perimetermatrix)。周圍矩陣是去掉矩陣中央的觸點擺放,它不影響矩陣的中心線。一個溫度上改善的矩陣是周圍擺放矩陣,在矩陣的中心區域再添加觸點(圖三)。
            較低I/O的元件或許受惠于選用其中一種密距離BGA。經過挑選性地去掉觸點,仍然堅持根本的0.50mm柵格,這或許更實踐地使電路走線通道到達最大。在較低的I/O元件上觸點之間的空隙越寬,一般可接收電路的外表走線。
            交織矩陣(staggeredmatrix)。其界說是每隔一個去掉一個觸點的一種空地布局。它供給一個有用的最小的、全矩陣距離n倍的中心對中心距離。為了堅持A1接觸點位置,交織矩陣有必要運用全奇矩陣辦法來開發。
            挑選性削減觸點(selectivedepopulation)。除了上述的矩陣削減觸點辦法之外,觸點也能夠挑選性的去掉。挑選性的削減觸點能夠任何辦法完結,只需不把矩陣移出包裝外形的中心。
            附著座(attachmentsite)的計劃  引薦用于BGA的附著座或焊盤的幾許形狀是圓形的,其直徑應該習慣接觸點的距離和尺度改變。焊盤的直徑不應該大于調節到滿意觸點距離和尺度所要求的直徑。焊盤的直徑不應該大于包裝介面上焊盤的直徑,一般比規定的球形觸點的名義直徑小10%。在終究定出焊盤散布擺放和幾許形狀之前,參閱IPC-SM-782第14.0章和制作標準文件。兩種辦法用來界說附著座:焊盤或銅片界說和阻焊界說(圖四)。
            銅片界說焊盤布局(copperdefinedlandpattern)。腐蝕的銅片界說這些焊盤布局。阻焊距離應該距離腐蝕的銅片焊盤至少0.075mm。
            阻焊界說焊盤布局(soldermaskdefinedlandpattern)。假如運用阻焊界說布局,將焊盤直徑相應調整以確保阻焊的覆蓋
          。
            列陣元件的電路走線
            PCB次表層的信號走線通道將受保留給通孔焊盤座之間的空地的約束。規劃者可經過添加更多的電路層來挑選一種更充沛的空間,但是,當規劃要求是運用更細線寬和更近空隔的、更高密度的電路走線時,那么電路板會更難制作,添加總的生產本錢。選用微型密距離擺放元件的電路密度一般比選用較大距離塑料BGA的電路密度要高。次表層的走線應該考慮用作大部分的信號線路,由于它將為更復雜的元件供給最有用的電路走線。
            盡管能夠削減添加電路層的需求,選用更細的線和空地或許會添加本錢,由于制作功率更低。用于制作多層電路板的替換高密度和微通路孔制作技能現在只要有限的資源。當計劃內部銜接結構時應該考慮這些技能。用較寬的接觸點距離來對BGA元件布線,困難會較少。對那些選用削減擺放或寬距離的元件,電路布線的約束較少。對許多低I/O產品,電路布線常常能夠在貼裝結構的外外表供給。
            通路孔的(viahole)計劃
            為了使鉆孔的速度最大,堅持較低的鉆孔破損率,大多數電路板制作商甘愿減小終究孔的尺度,但不小于PCB總厚度的1/3。對密距離BGA元件的走線所要求的更細的幾許形狀和更密的電路密度,將鼓舞規劃者考慮小的通路孔和每個孔周圍的環,以下是一般所引薦的(表一)。表一、計劃與焊盤尺度相對應的孔的直徑電鍍孔直徑焊盤直徑圓形環的寬度0.50mm(0.020")1.00mm(0.040")0.25mm(0.010")0.50mm(0.020")0.89mm(0.035")0.19mm(0.007")0.46mm(0.018")0.76mm(0.030")0.15mm(0.006")0.38mm(0.015")0.63mm(0.025")0.12mm(0.005")0.33mm(0.013")0.50mm(0.020")0.08mm(0.003")0.25mm(0.010")0.50mm(0.020")0.13mm(0.005")0.20mm(0.008")0.50mm(0.020")0.15mm(0.006")0.20mm(0.008")0.46mm(0.018")0.13mm(0.005")0.20mm(0.008")0.40mm(0.016")0.10mm(0.004")0.20mm(0.008")0.35mm(0.014")0.075mm(0.003")  密距離BGA的焊盤辦法/通路孔的計劃
            為了接收電路走線路線,堅持在內層的通路孔焊盤可削減到0.25mm(0.010")的直徑或方形。關于高I/O的芯片規劃BGA運用,或許有必要權衡相關于較小電路特性的添加電路層的本錢。由于小于或等于0.8mm的密距離BGA包裝的焊盤擺放或許占用元件下面大部分外表,電路的走線通道受到約束。對具有高接觸點密度的元件,大部分信號走線有必要重新分配給主介面結構的其它電路層。當選用剛性多層PCB辦法時,高I/O元件的信號走線應該經過盲電鍍通路孔傳送到至少一個次外表電路層。理想地,盲通路孔是在疊層之后鉆孔的,但當電路密度很高時,盲孔和埋入式通路孔兩者都是實踐的解決計劃(表二)。在附著座內鉆的通路孔有必要密合地堵塞或電鍍。假如通路孔的鉆孔穿過整個電路結構,那么將有適當量的焊錫合金在安裝進程中從接觸座遷移走。表二、計劃微型通路孔與焊盤相習慣的直徑外層焊盤直徑通路孔名義尺度內層焊盤直徑接觸點距離線數/空隙4/4*3/3*2/2*0.50mm(0.020")0.15mm(0.006")0.25mm(0.010")1.00mm3470.40mm(0.016")0.15mm(0.006")0.25mm(0.010")0.75mm2240.30mm(0.012")0.13mm(0.005")0.20mm(0.008")0.50mm1120.30mm(0.012")0.10mm(0.004")0.18mm(0.007")0.50mm1120.25mm(0.010")0.10mm(0.004")0.18mm(0.007")0.50mm1120.25mm(0.010")0.08mm(0.003")0.15mm(0.006")0.50mm1130.20mm(0.008")0.08mm(0.003")0.15mm(0.006")0.50mm1130.20mm(0.008")0.05mm(0.002")0.10mm(0.004")0.50mm123*數字代表mil
            為了供給走線導體的跡線和確保一個可接受的空氣空隙,規劃者能夠為通路孔挑選方形的焊盤。方形結構堅持足夠的銅箔在焊盤對角線的角上以補償正方形各邊削減的環形截面。方形的通路孔能夠在必要時靠得較近。在一個移建立的柵格上,或許在焊盤之間走兩或三條導線。經過運用小的0.25mm(0.010")的方形通路孔焊盤和實心或盲通路孔,規劃者可將電路走線傳給內層,以接收CSP所需的較高走線密度。
            機械鉆孔和電鍍孔到達一個經濟上有限的最小直徑0.20~0.25mm。三種最常見的微型通路孔的制作技能是:激光鉆孔(laserdrilling)、光刻蝕法(photolithography)和等離子蝕刻(plasmaetching)。三種工藝中,激光是商業上運用最多的技能。激光鉆孔受歡迎的理由包含:不要求特殊的資料和設備,制作功率高。激光鉆孔雖快,但仍是比轉軸鉆孔(spindledrilling)慢。并且由于板是單塊地而不是疊層鉆孔,所以單價適當高許多。小型或微型通路孔的化學或等離子鉆孔也是一個考慮。小型通路孔成形的最經濟的辦法是運用照片感光和集結(添加銅)成形技能,如圖五所示。與現有的運用機械鉆孔和電鍍通路孔的PCB制作辦法比較較,微型通路孔的生產占PCB商場的較小份額。
            密距離BGA安裝工藝的開展
            假如一間公司正到達可接受的SMT安裝功率的話,它不應該再要求額定的資源來施行BGA技能。在傳統的SMT安裝工藝基礎上僅有的引薦是BGA貼裝之前的錫膏印刷查看。
            錫膏印刷、貼片和回流焊接進程和用于密腳安裝的一樣,但是,運用者都說BGA的工藝缺點較少。BGA的模板夾具將堅持用于密腳引腳運用的許多特征和技能,許多安裝也堅持密腳元件的。一項改善錫膏轉移到小型焊盤幾許形狀上的技能是錐形焊盤開口。對較大距離BGA的開口不象密距離運用的那么小,但錫膏的釋放同樣是要害。模板的開口可等于焊盤的直徑或調整到滿意特殊的要求。把模板開孔做大或許添加錫橋。
            安裝所需的特征
            有共晶焊錫接觸點的BGA和CSP在回流焊接進程中回自己定位,因而貼裝精度不象密腳引腳型元件那么要害。還有,外表安裝體系上為密腳開展起來的視覺定位技能用于BGA的運用是綽綽有余。為了提高貼裝精度,安裝專家或許在那些密腳元件的鄰近界說一或兩個基準特性?;鶞史结槾饝N裝體系補償PCB制作差錯的角度改變和縮短因素?;鶞庶c的尺度一般為1.0mm的直徑。為了確?;鶞史结樀淖R別,方針應該沒有阻焊資料。假如要選用較小的方針,如0.5mm直徑,那么先承認設備才能,由于不是一切的視覺體系可識別較小的幾許圖形?;蛟S的話,阻焊的空隔應該等于基準點的半徑。另外,基準點表里的背景應該一致。
            回流焊接進程
            強制空氣/氣體和紅外焊接兩者都可用于BGA的回流焊接。由于大多數的焊接點都是不能視覺查看的,焊錫資料液態的溫度和居留時刻是要害的。共晶焊錫要求115°C~120°C的溫升來將錫膏中的助焊劑排出和確保供給可靠焊接點所需求的熔濕特性。
            BGA的回流曲線與焊接密腳元件運用的是一樣的。
            元件定位??瓷先ザㄎ徊粶实脑诨亓髌陂g回自己對中,不應該用手去調節。
            除了與安裝有關的問題之外,有必要考慮第二個過程。許多用于引腳型外表貼裝安裝的測驗和查看技能或許不能直接用于BGA安裝。
            BGA安裝的測驗
            需求開發新的故障查找辦法和技能,由于單個觸點或網的探測是困難的。
            返工與返修。已開發出拆卸工藝。只要新元件應該用免洗助焊劑安裝。
            查看辦法??捎肵光來承認焊錫回流,百分之百的查看或許是不實踐的和沒有必要的。
            BGA焊接進程的查驗
            在工藝開發進程中,BGA下面的焊錫銜接的終究狀況或許是一個關注。產品的可靠性是個要害的問題,有必要用職業認可的辦法加以承認。焊接點的實踐丈量、概括或形狀可用破壞性的和非破壞性的技能得到。破壞性的要求穿過焊接點作元件的截面圖。在產品投入生產后,焊錫查看的其它非破壞性的辦法或許是較為實踐的,例如,X光。對安裝的要害部分作X光查看已證明是監測進程的十分有用的辦法。X光查看可容易地發現接觸點之間的錫橋、陷于元件下面的錫渣和焊錫缺乏。后者更難丈量,由于錫球的圖象本身將分配監視下的焦點。
            對焊接進程品質和一致性的操控最有利的是BGA元件貼裝之前的錫膏查看。不象翅形引腳元件,焊接返工是不容易的,將元件卸下一般是糾正嚴峻焊接缺點的僅有辦法。印刷查看應該包含厚度和覆蓋區域的丈量。運用較高檔的電路板資料和與外表處理相習慣的工藝,將對安裝功率有很大協助。PCB規劃也將影響安裝功率和產品可靠性。最重要的是,確保一致和連續的錫膏的運用。與嚴厲的進程監測一起,可削減BGA的焊接缺點到一個和高I/O密距離引腳型元件比較戲劇性低的水平。
            較小的BGA包裝外形可讓運用者滿意用引腳型元件不或許到達的尺度削減方針。由于BGA和CSP是一種徹底測驗的元件并徹底與外表貼裝技能兼容,所以該包裝或許涌現在制作的主流中,而只要很少或不需求專門的處理。運用者承認BGA和密距離CSP元件正供給一個安定的、高功率的安裝進程。盡管今日商場上大多數BGA元件具有或許大于0.80mm的接觸距離,但許多公司仍處在減小產品尺度和保持元件之間更短路線的壓力之中。當BGA元件與密距離引腳元件比較時,大多數安裝工藝專家甘愿挑選凹凸不平的錫球接觸點,而不是軟弱的引腳。

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