疯狂飞艇

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              技术天地

              DFM面向制造生产做设计

                尽管职业界许多人认为球栅列阵(BGA)与芯片规划包装(CSP)仍是新涌现的技能,但是一些主导的电子制作商现已引入或改装了一种或两种CSP的变异技能。
                BGA包装现已开展成与现在的焊接安装技能彻底兼容。CSP或密距离的BGA具有的栅极距离为0.5,0.65,0.80mm,与其比较,塑料或陶瓷的BGA具有相对较宽的接触距离(1.50,1.27,1.0mm)。粗和密距离的BGA都比密距离的引脚包装IC较不容易受损坏。BGA规范答应挑选地去掉接触点以满意特定的I/O要求。当建立为BGA现已建立接触点布局和引脚散布时,包装的开发者有必要考虑芯片规划以及电路芯片(die)的尺度和形状。在计划引脚散布时要遇上的其它问题是电路芯片的方向。当供货商运用板上芯片(chip-on-board)技能时,一般选用电路芯片面朝上的办法。
                元件的结构在工业规范和指引中没有规定。每个制作商都将努力使其特定的结构满意顾客界说的运用。要看选作制作BGA的资料的物理特性而定,或许运用倒装芯片(flipchip)或线绑定(wirebond)技能。由于电路芯片附着结构是一种刚性资料,所以芯片绑定或附着座一般坐落中心,导线将信号从芯片绑带焊盘引出到球形接触点的摆放矩阵。
               
                列阵元件的总的概括标准答应许多的灵活性:如引脚距离、接触点矩阵办法和结构。JEDECMO-151界说了一大族类的塑料BGA。方形概括包含了7.0~50.0mm的尺度规模和三种接触点距离:1.50,1.27,和1.0mm。球形接触点可按偶数或奇数列和行摆放的一致办法散布。尽管摆放有必要坚持一切包装外形的对称性,但是答应元件制作上去掉接触点的位置或一个区域的触点。
               
                密距离BGA的变量
                联合电子元件工程委员会(JEDEC,JointElectronicDeviceEngineeringCouncil)的BGA指引手册提出了许多物理特性和供给对包装供货商的办法上的灵活性。JEDECJC-11同意的第一份有关密距离BGA的文件是以注册外形MO-195(theRegisteredOutlineMO-195),根本的0.50mm距离触点摆放的一致方形包装类。包装尺度规模为4.0~21mm,从贴装外表的总高度限定在1.20mm。下表是考虑中的其它的变量。CSP规范的变量摆放距离0.40,0.50,0.65,0.75,0.80mm触点直径0.20,0.25,0.30,0.40,0.50mm概括(高度)变量(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
                密距离BGA触点摆放计划
                球的距离和尺度将影响电路的走线功率。许多公司现已决定对较低I/O的CSP运用不选用0.5mm的距离。挑选一种较松散的触点,较粗的球距离可舒缓终究用户选用更复杂PCB技能的需求。
                0.50mm的摆放触点距离是JEDEC引荐的最小的。触点直径规定为0.30mm,答应差错规模为0.25~0.25mm。但是,大多数选用0.50mm距离的BGA运用将决定于次外表电路的走线。在0.25mm焊盘之间的空间只够单个0.08mm宽线路的连线。将很多的电源和地线的触点散布在摆放和部分,或空地的的周围,去掉触点(depopulation)将供给摆放矩阵的有限的贯穿。这些较高的I/O运用将依靠多层、盲通路孔、或关闭电镀焊盘内通路孔(via-on-pad)技能。
                元件性能或许如包装尺度一样相差很大。用于高密度、高I/O运用的包装技能有必要首要满意周围的条件。那些运用由陶瓷或有机分层制成的刚性刺进式结构的元件不能密切地合作硅芯片的外形。元件周围的引脚绑定座之间的衔接有必要向内流向。µBGA™包装结构的一个实践长处是它能够供给硅芯片外形内的一切电气衔接介面。一些µBGA运用高档聚酰亚胺胶片(polyimidefilm)作其基底结构,半添加铜电镀工艺来完结芯片上铝绑定座与聚酰亚胺刺进片上球接触座之间的衔接,详情见图一。不是运用一般的线绑定工艺来把芯片衔接到刺进片,布置在柔性刺进片的镀金的铜引脚重新定形和直接绑定在芯片上。这种相依从的资料的独特结合使元件能够经受十分严苛的环境。
                这种包装现已被几个制作商选用。界说为面朝下的(face-down)CSP,这种元件一般不比电路芯片大。芯片上的铝绑定焊盘是向着球接触点和PCB外表定位的。这种结构在业界被广泛所接受,由于资料于引脚规划的专利体系物理上相习惯,补偿了硅芯片和PCB的温度膨胀系数的差别。选用依从资料的另一个办法是将硅芯片面朝上安装。面朝上(face-up)的芯片包装为芯片附着选用了与面朝下包装一样的弹性体资料。两种概念的首要不同是在芯片与柔性胶片刺进片之间的引脚端点。µBGA为电气衔接选用传统的金线绑定技能。尽管由几个早期的专利保护,它的运用现已成为主流。公司要求比密距离BGA更大的包装(图二)的理由是更多的。在某些状况,一般估计新的硅产品的芯片缩短以变得比期望的和其它运用愈加过火,制作商或许甘愿选用加大的接触点距离的列阵计划,以便利电路走线。
                选用BGA的PCB规划指南
                在JEDEC95出版物中供给了栅格列阵包装的外形。列阵包装元件的总的外形标准答应很大的灵活性,包含引脚距离、触点矩阵办法和结构。JEDEC规范答应芯片附着在介面结构的任何一面。
                接触点矩阵选项。接触点能够一致的办法散布;但是,矩阵总是以包装的中心线对称的。答应不同的制作商削减接触点,散布办法一般描绘为:全偶矩阵(full-evenmatrix)、全奇矩阵(full-oddmatrix)、周围矩阵(perimetermatrix)或交织矩阵(staggeredmatrix)。
                全矩阵(fullmatrix)。对一个给定的包装尺度,有两种全矩阵的或许性:偶数或奇数。其中之一是理论上能够适合于包装上的、给定尺度和触点距离的最大矩阵。另一个矩阵是一行乘一列的较小矩阵。
                周围矩阵(perimetermatrix)。周围矩阵是去掉矩阵中央的触点摆放,它不影响矩阵的中心线。一个温度上改善的矩阵是周围摆放矩阵,在矩阵的中心区域再添加触点(图三)。
                较低I/O的元件或许受惠于选用其中一种密距离BGA。经过挑选性地去掉触点,仍然坚持根本的0.50mm栅格,这或许更实践地使电路走线通道到达最大。在较低的I/O元件上触点之间的空隙越宽,一般可接收电路的外表走线。
                交织矩阵(staggeredmatrix)。其界说是每隔一个去掉一个触点的一种空地布局。它供给一个有用的最小的、全矩阵距离n倍的中心对中心距离。为了坚持A1接触点位置,交织矩阵有必要运用全奇矩阵办法来开发。
                挑选性削减触点(selectivedepopulation)。除了上述的矩阵削减触点办法之外,触点也能够挑选性的去掉。挑选性的削减触点能够任何办法完结,只需不把矩阵移出包装外形的中心。
                附着座(attachmentsite)的计划  引荐用于BGA的附着座或焊盘的几许形状是圆形的,其直径应该习惯接触点的距离和尺度改变。焊盘的直径不应该大于调节到满意触点距离和尺度所要求的直径。焊盘的直径不应该大于包装介面上焊盘的直径,一般比规定的球形触点的名义直径小10%。在终究定出焊盘散布摆放和几许形状之前,参阅IPC-SM-782第14.0章和制作标准文件。两种办法用来界说附着座:焊盘或铜片界说和阻焊界说(图四)。
                铜片界说焊盘布局(copperdefinedlandpattern)。腐蚀的铜片界说这些焊盘布局。阻焊距离应该距离腐蚀的铜片焊盘至少0.075mm。
                阻焊界说焊盘布局(soldermaskdefinedlandpattern)。假如运用阻焊界说布局,将焊盘直径相应调整以确保阻焊的覆盖
                列阵元件的电路走线
                PCB次表层的信号走线通道将受保留给通孔焊盘座之间的空地的约束。规划者可经过添加更多的电路层来挑选一种更充沛的空间,但是,当规划要求是运用更细线宽和更近空隔的、更高密度的电路走线时,那么电路板会更难制作,添加总的生产本钱。选用微型密距离摆放元件的电路密度一般比选用较大距离塑料BGA的电路密度要高。次表层的走线应该考虑用作大部分的信号线路,由于它将为更复杂的元件供给最有用的电路走线。
                尽管能够削减添加电路层的需求,选用更细的线和空地或许会添加本钱,由于制作功率更低。用于制作多层电路板的替换高密度和微通路孔制作技能现在只要有限的资源。当计划内部衔接结构时应该考虑这些技能。用较宽的接触点距离来对BGA元件布线,困难会较少。对那些选用削减摆放或宽距离的元件,电路布线的约束较少。对许多低I/O产品,电路布线常常能够在贴装结构的外外表供给。
                通路孔的(viahole)计划
                为了使钻孔的速度最大,坚持较低的钻孔破损率,大多数电路板制作商甘愿减小终究孔的尺度,但不小于PCB总厚度的1/3。对密距离BGA元件的走线所要求的更细的几许形状和更密的电路密度,将鼓舞规划者考虑小的通路孔和每个孔周围的环,以下是一般所引荐的(表一)。表一、计划与焊盘尺度相对应的孔的直径电镀孔直径焊盘直径圆形环的宽度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")  密距离BGA的焊盘办法/通路孔的计划
                为了接收电路走线路线,坚持在内层的通路孔焊盘可削减到0.25mm(0.010")的直径或方形。关于高I/O的芯片规划BGA运用,或许有必要权衡相关于较小电路特性的添加电路层的本钱。由于小于或等于0.8mm的密距离BGA包装的焊盘摆放或许占用元件下面大部分外表,电路的走线通道受到约束。对具有高接触点密度的元件,大部分信号走线有必要重新分配给主介面结构的其它电路层。当选用刚性多层PCB办法时,高I/O元件的信号走线应该经过盲电镀通路孔传送到至少一个次外表电路层。理想地,盲通路孔是在叠层之后钻孔的,但当电路密度很高时,盲孔和埋入式通路孔两者都是实践的解决计划(表二)。在附着座内钻的通路孔有必要密合地堵塞或电镀。假如通路孔的钻孔穿过整个电路结构,那么将有适当量的焊锡合金在安装进程中从接触座迁移走。表二、计划微型通路孔与焊盘相习惯的直径外层焊盘直径通路孔名义尺度内层焊盘直径接触点距离线数/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*数字代表mil
                为了供给走线导体的迹线和确保一个可接受的空气空隙,规划者能够为通路孔挑选方形的焊盘。方形结构坚持足够的铜箔在焊盘对角线的角上以补偿正方形各边削减的环形截面。方形的通路孔能够在必要时靠得较近。在一个移建立的栅格上,或许在焊盘之间走两或三条导线。经过运用小的0.25mm(0.010")的方形通路孔焊盘和实心或盲通路孔,规划者可将电路走线传给内层,以接收CSP所需的较高走线密度。
                机械钻孔和电镀孔到达一个经济上有限的最小直径0.20~0.25mm。三种最常见的微型通路孔的制作技能是:激光钻孔(laserdrilling)、光刻蚀法(photolithography)和等离子蚀刻(plasmaetching)。三种工艺中,激光是商业上运用最多的技能。激光钻孔受欢迎的理由包含:不要求特殊的资料和设备,制作功率高。激光钻孔虽快,但仍是比转轴钻孔(spindledrilling)慢。并且由于板是单块地而不是叠层钻孔,所以单价适当高许多。小型或微型通路孔的化学或等离子钻孔也是一个考虑。小型通路孔成形的最经济的办法是运用照片感光和集结(添加铜)成形技能,如图五所示。与现有的运用机械钻孔和电镀通路孔的PCB制作办法比较较,微型通路孔的生产占PCB商场的较小份额。
                密距离BGA安装工艺的开展
                假如一间公司正到达可接受的SMT安装功率的话,它不应该再要求额定的资源来施行BGA技能。在传统的SMT安装工艺基础上仅有的引荐是BGA贴装之前的锡膏印刷查看。
                锡膏印刷、贴片和回流焊接进程和用于密脚安装的一样,但是,运用者都说BGA的工艺缺点较少。BGA的模板夹具将坚持用于密脚引脚运用的许多特征和技能,许多安装也坚持密脚元件的。一项改善锡膏转移到小型焊盘几许形状上的技能是锥形焊盘开口。对较大距离BGA的开口不象密距离运用的那么小,但锡膏的释放同样是要害。模板的开口可等于焊盘的直径或调整到满意特殊的要求。把模板开孔做大或许添加锡桥。
                安装所需的特征
                有共晶焊锡接触点的BGA和CSP在回流焊接进程中回自己定位,因而贴装精度不象密脚引脚型元件那么要害。还有,外表安装体系上为密脚开展起来的视觉定位技能用于BGA的运用是绰绰有余。为了提高贴装精度,安装专家或许在那些密脚元件的邻近界说一或两个基准特性。基准方针答应贴装体系补偿PCB制作差错的角度改变和缩短因素。基准点的尺度一般为1.0mm的直径。为了确保基准方针的识别,方针应该没有阻焊资料。假如要选用较小的方针,如0.5mm直径,那么先承认设备才能,由于不是一切的视觉体系可识别较小的几许图形。或许的话,阻焊的空隔应该等于基准点的半径。另外,基准点表里的背景应该一致。
                回流焊接进程
                强制空气/气体和红外焊接两者都可用于BGA的回流焊接。由于大多数的焊接点都是不能视觉查看的,焊锡资料液态的温度和居留时刻是要害的。共晶焊锡要求115°C~120°C的温升来将锡膏中的助焊剂排出和确保供给可靠焊接点所需求的熔湿特性。
                BGA的回流曲线与焊接密脚元件运用的是一样的。
                元件定位。看上去定位不准的元件在回流期间回自己对中,不应该用手去调节。
                除了与安装有关的问题之外,有必要考虑第二个过程。许多用于引脚型外表贴装安装的测验和查看技能或许不能直接用于BGA安装。
                BGA安装的测验
                需求开发新的故障查找办法和技能,由于单个触点或网的探测是困难的。
                返工与返修。已开发出拆卸工艺。只要新元件应该用免洗助焊剂安装。
                查看办法。可用X光来承认焊锡回流,百分之百的查看或许是不实践的和没有必要的。
                BGA焊接进程的查验
                在工艺开发进程中,BGA下面的焊锡衔接的终究状况或许是一个关注。产品的可靠性是个要害的问题,有必要用职业认可的办法加以承认。焊接点的实践丈量、概括或形状可用破坏性的和非破坏性的技能得到。破坏性的要求穿过焊接点作元件的截面图。在产品投入生产后,焊锡查看的其它非破坏性的办法或许是较为实践的,例如,X光。对安装的要害部分作X光查看已证明是监测进程的十分有用的办法。X光查看可容易地发现接触点之间的锡桥、陷于元件下面的锡渣和焊锡缺乏。后者更难丈量,由于锡球的图象本身将分配监视下的焦点。
                对焊接进程品质和一致性的操控最有利的是BGA元件贴装之前的锡膏查看。不象翅形引脚元件,焊接返工是不容易的,将元件卸下一般是纠正严峻焊接缺点的仅有办法。印刷查看应该包含厚度和覆盖区域的丈量。运用较高档的电路板资料和与外表处理相习惯的工艺,将对安装功率有很大协助。PCB规划也将影响安装功率和产品可靠性。最重要的是,确保一致和连续的锡膏的运用。与严厉的进程监测一起,可削减BGA的焊接缺点到一个和高I/O密距离引脚型元件比较戏剧性低的水平。
                较小的BGA包装外形可让运用者满意用引脚型元件不或许到达的尺度削减方针。由于BGA和CSP是一种彻底测验的元件并彻底与外表贴装技能兼容,所以该包装或许涌现在制作的主流中,而只要很少或不需求专门的处理。运用者承认BGA和密距离CSP元件正供给一个安定的、高功率的安装进程。尽管今日商场上大多数BGA元件具有或许大于0.80mm的接触距离,但许多公司仍处在减小产品尺度和保持元件之间更短路线的压力之中。当BGA元件与密距离引脚元件比较时,大多数安装工艺专家甘愿挑选凹凸不平的锡球接触点,而不是软弱的引脚。

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