一文详解球栅阵列封装技术

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

本文介绍了球栅阵列封装的结构、分类、应用和发展趋势。

概述

在集成电路封装技术的演进历程中，球栅阵列封装（Ball Grid Array，BGA）凭借卓越性能与显著优势脱颖而出，成为当今高集成度芯片的主流封装形式，广泛应用于各类高端IC产品。自20世纪90年代初问世以来，BGA封装快速发展，极大地推动了电子产业的变革。

球栅阵列(BGA)封装是在PGA和OFP的基础上发展而来的，融合了PGA（针栅阵列封装）与QFP（四边扁平封装）的技术优势：借鉴PGA的阵列布局理念，将传统针脚替换为用于键合的微球；采用QFP成熟的SMT（表面贴装技术）工艺，通过回流焊实现可靠连接。这种创新设计使BGA封装具备占用空间小、对引脚间距要求灵活的特点，能够轻松实现高密度封装，同时拥有出色的电学与机械性能。

作为高引脚数、高性能IC的理想封装方案，BGA广泛应用于芯片组、图形处理芯片、专用集成电路（ASIC）、微处理器等核心器件。其核心特征在于芯片I/O端以球形凸点呈面阵分布，凸点材料可选用Sn-Pb焊料或有机导电树脂，这一技术革新为集成电路封装带来了重大突破，显著提升了芯片的集成度与可靠性 。

BGA结构图

BGA封装的结构与分类

一、结构组成

BGA封装主要由芯片、封装基板、焊球阵列三部分组成。芯片作为核心器件，承载着电路功能；封装基板通常采用陶瓷、有机材料（如BT树脂/玻璃层压板）或柔性材料（如聚酰亚胺），起到电气互连和机械支撑的作用；焊球阵列由锡、铅或其他金属合金制成，作为芯片与印刷电路板（PCB）之间的连接桥梁。在芯片与基板的连接方式上，主要有引线键合和倒装焊两种。引线键合是通过金属丝将芯片引脚与基板上的焊盘连接起来；倒装焊则是将芯片有源面朝下，通过芯片表面的导电凸点直接与基板相连，省略了长金属键合线，进一步缩短了信号传输路径 。

BGA的焊球分布方式

二、分类及特点

根据不同的标准，BGA封装可进行多种分类：

1. 按基板材料分类

塑料球栅阵列封装（PBGA，Plastic Ball Grid Array）：PBGA采用塑料材料与塑封工艺，是应用最广泛的BGA封装类型，也称整体模塑阵列载体（OMPAC）封装。它以BT树脂/玻璃层压板作为PCB基板，先通过芯片键合固定裸芯片，经引线键合连接焊盘与基板焊区，再注塑成型，最后在基板底面制作焊球阵列作为外引脚。早期焊球使用63Sn - 37Pb低熔点共晶合金，直径约1mm，间距1.27 - 2.54mm，与封装体连接无需额外焊料。PBGA成本低、电性能好，对焊球共面度要求宽松，但对潮气敏感，回流焊时易因受潮出现“爆米花”现象导致器件失效。

PBGA结构图

陶瓷球栅阵列封装（CBGA，Ceramic Ball Grid Array）：CBGA将裸芯片安装在多层陶瓷布线基板上，通过倒装或引线键合实现电气连接，再用金属盖板密封焊接保护内部结构，玻璃封接或焊料焊接的封盖工艺可实现气密封装。其焊球采用90Pb - 10Sn等高熔点焊料，与封装体底部连接使用63Sn - 37Pb低温共晶焊料。CBGA具有抗潮性强、可靠性高、散热与电性能优良等优势，且适合倒装芯片技术提升互连密度，但封装成本较高，与塑料基板热膨胀系数匹配性较差。陶瓷柱栅阵列封装（CCGA）作为CBGA的延伸技术，以焊球柱替代焊球，在器件面积大于32mm? 时可提供更好的可靠性与抗疲劳性能。

CBGA

PBGA与CBGA焊点对比

载带BGA（TBGA，Tape Ball Grid Array）：包含铜/聚酰亚胺挠性载带和与载带电性连接的芯片，具有密封盖板，芯片贴合在密封盖板的空腔中，芯片外围盖板下方的载带底部设置有焊球阵列。载带两侧通常有金属层，顶部金属层为统一接地层，底部金属层为铜线路，可制成双层或多层线路载带，通过铜线路将芯片与焊球阵列连接。引线键合、回流焊或载带自动焊（热压/热超声内引脚键合）均可用于芯片与铜线路的连接。TBGA热阻低，散热性能好，载带与环氧树脂等塑料基板CTE匹配性好，电性能比PBGA优良，封装更薄，但不是气密封装，对湿气敏感，成本高于PBGA。

一种采用倒装芯片的TBGA

金属BGA（MBGA，Metal Ball Grid Array）：不使用独立的柔性层或载带层，以铝圆片或铝面板作为基板。铝表面生长18mm的阳极氧化铝层作为介电层，沉积由铜、镍和金组成的薄膜金属并图形化，特征尺寸精细。传统阻焊设置在金属薄膜表面定义焊盘位置，电介质也可采用聚酰亚胺或苯并环丁烯（BCB）等聚合物材料，利于多层设计及使用低介电常数材料。芯片键合、引线键合以及塑封在铝圆片或面板上进行，封装完成后分离成单个封装。MBGA同TBGA一样具有良好的散热性和电性能，随着薄膜加工技术进步，成本不断降低 。

2.按气密性分类：陶瓷BGA可分为气密BGA和非气密BGA，除陶瓷BGA外，其他类型均为非气密BGA 。

3.按芯片与基板互连方式分类：主要分为引线键合和倒装焊。目前，采用引线键合的BGA的I/O数常为50 - 540个，采用倒装焊方式的I/O数常大于540个。PBGA互连常用引线键合方式，CBGA常用倒装焊方式，TBGA两种互连方式均有使用 。当I/O数小于600个时，引线键合成本低于倒装焊，但倒装焊更适宜大批量生产，若圆片成品率提高，可降低单个器件成本，且能进一步缩小封装体体积。

FCBGA

此外，根据结构特点，还有一些特殊类型的BGA，如FBGA（细间距球栅阵列）、FCBGA（倒装BGA）、EBGA（散热增强BGA）等 。

BGA封装的技术优势

一、高引脚密度与空间利用率

BGA封装利用芯片的整个底部面积来布置I/O端口，相较于传统封装形式，极大地提高了芯片的引脚密度和空间利用率。在相同的芯片面积和引出端数目情况下，BGA封装能够提供更大的焊盘，减少了焊点间短路搭桥的故障，提高了引出电极的载流量和焊接可靠性 。例如，一些高端处理器的BGA封装可以容纳数千个引脚，满足了大规模集成电路对信号传输的需求。

二、优异的电气性能

BGA封装的引出端短，芯片和基板的互连路径短，产生的寄生参数小。其寄生电感小，使得器件能够获得很高的工作频率，同时降低了噪声。与传统引线键合封装相比，BGA封装的电阻降低了75%，信号传输延迟和失真大幅减少，能够有效避免信号间的串扰，保证了信号传输的完整性和稳定性，非常适合高频、高速信号的传输 。

三、良好的散热性能

焊料凸点作为BGA封装的热量导出路径，有利于提高功率密度。BGA封装与单板之间的连接点呈二维分布，连接面更广，相当于增大了传热面积，因此结板热阻相对较低。此外，还可以通过在基板上施加热过孔，或在基板底侧正对芯片结处施加铜片等方式进一步降低热阻 。裸Die封装的BGA芯片，其结直接暴露在外，最大程度地降低了结壳热阻，为芯片提供了良好的散热条件 。

四、小型化与轻薄化

BGA封装器件尺寸小、体薄，占用基板面积小。以BGA封装MOSFET为例，其封装比达到60% - 70%，而小型表面贴装器件的封装比通常为25% - 30%，部分仅接近15% 。这种小型化和轻薄化的特点，使得BGA封装非常适合应用于对体积和重量要求苛刻的便携式电子设备，如智能手机、平板电脑等 。

五、生产制造优势

BGA封装具有自对准效应，对贴片精度要求相对较低，降低了生产过程中的难度和成本 。同时，BGA封装广泛应用于微电子封装的倒装芯片技术和表面贴装技术，使用回流焊接可实现多个焊点的一次性贴装，大大提高了生产效率 。

BGA封装的应用领域

计算机领域：常用于CPU、GPU、芯片组等核心部件的封装。例如，Intel和AMD的主流处理器均采用BGA封装，以满足高性能计算对引脚密度、电气性能和散热性能的严格要求 。

通信领域：应用于高速通信芯片、网络处理器等，确保信号的高速、稳定传输，支持5G、数据中心等通信基础设施的建设 。

消费电子领域：在智能手机、平板电脑、智能手表等设备中，BGA封装帮助实现了产品的小型化和高性能化，提升了用户体验 。

航空航天领域：CBGA等气密型BGA封装由于可靠性高，常用于对环境适应性和稳定性要求极高的航空航天电子设备 。

其他领域：还广泛应用于FPGA（现场可编程门阵列）、ASIC（专用集成电路）等高性能集成电路，以及汽车电子、工业控制等领域 。

挑战与发展

尽管BGA封装具有诸多优势，但在实际应用中也面临一些挑战：

焊接与检测难度大：BGA焊点位于封装底部，难以直接观察和检测焊接质量，需要借助X射线检测等特殊手段 。焊接过程中，对工艺控制要求严格，一旦出现焊接不良，返修难度大，成本高 。

热管理问题：随着芯片集成度和功率密度不断提高，BGA封装的散热需求日益增加。虽然其本身具有一定的散热优势，但在一些极端工况下，仍需进一步优化散热设计，以防止芯片过热 。

成本问题：部分BGA封装类型，如CBGA，由于采用陶瓷基板和复杂的制造工艺，成本较高，限制了其在一些对成本敏感领域的应用 。

未来，BGA封装技术将朝着更高引脚密度、更低成本、更优散热性能和更高可靠性的方向发展。例如，进一步缩小焊球间距，开发新型封装材料和工艺，以满足不断增长的集成电路封装需求 。同时，与其他先进封装技术（如3D封装、系统级封装等）的融合也将成为重要趋势，为电子产业的发展提供更强大的技术支持 。