第一篇 高密度(HD)電路的設計
許多人把芯片規模的ＢＧＡ封裝看作是由便攜式電子產品所需的空間限制的一個可行的解決方案，它同時滿足這些產品更高功能與性能的要求。為便攜式產品的高密度電路設計應該為裝配工藝著想。當為今天價值推動的市場開發電子產品時，性能與可靠性是最優先考慮的。為了在這個市場上競爭，開發者還必須注重裝配的效率，因為這樣可以控制製造成本。電子產品的技術進步和不斷增長的複雜性正產生對更高密度電路製造方法的需求。當設計要求表面貼裝、密間距和向量封裝的集成電路ＩＣ時，可能要求具有較細的線寬和較密間隔的更高密度電路板。可是，展望未來，一些已經在供應微型旁路孔、序列組裝電路板的公司正大量投資來擴大能力。這些公司認識到便攜式電子產品對更小封裝的目前趨勢。單是通信與個人計算產品工業就足以領導全球的市場。
高密度電子產品的開發者越來越受到幾個因素的挑戰：物理複雜元件上更密的引腳間隔、財力貼裝必須很精密、和環境許多塑料封裝吸潮，造成裝配處理期間的破裂。物理因素也包括安裝工藝的複雜性與最終產品的可靠性。進一步的財政決定必須考慮產品將如何製造和裝配設備效率。較脆弱的引腳元件，可能在維護一個持續的裝配工藝合格率方面向裝配專家提出一個挑戰。最成功的開發計劃是那些已經實行工藝認證的電路板設計指引和工藝認證的焊盤幾何形狀。
在環境上，焊盤幾何形狀可能不同，它基於所用的安裝電子零件的焊接類型。可能的時候，焊盤形狀應該以一種對使用的安裝工藝透明的方式來定義。不管零件是安裝在板的一面或兩面、經受波峰、回流或其它焊接，焊盤與零件尺寸應該優化，以保證適當的焊接點與檢查標準。雖然焊盤圖案是在尺寸上定義的，並且因為它是印製板電路幾何形狀的一部分，它們受到可生產性水平和與電鍍、腐蝕、裝配或其它條件有關的公差的限制。生產性方面也與阻焊層的使用和在阻焊與導體圖案之間的對齊定位有關。
1、焊盤的要求
國際電子技術委員會ＩＥＣ標準認識到對焊接圓角或焊盤凸起條件的不同目標的需要。這個新的國際標準確認兩個為開發焊盤形狀提供信息的基本方法：
１)．基於工業元件規格、電路板製造和元件貼裝精度能力的準確資料。這些焊盤形狀局限於一個特定的元件，有一個標識焊盤形狀的編號。
２)．一些方程式可用來改變給定的信息，以達到一個更穩健的焊接連接，這是用於一些特殊的情況，在這些情況中用於貼裝或安裝設備比在決定焊盤細節時所假設的精度有或多或少的差別。
該標準為用於貼裝各種引腳或元件端子的焊盤定義了最大、中等和最小材料情況。除非另外標明，這個標準將所有三中“希望目標”標記為一級、二級或三級。
一級：最大 － 用於低密度產品應用，“最大”焊盤條件用於波峰或流動焊接無引腳的片狀元件和有引腳的翅形元件。為這些元件以及向內的″Ｊ″型引腳元件配置的幾何形狀可以為手工焊接和回流焊接提供一個較寬的工藝窗口。
二級：中等 － 具有中等水平元件密度的產品可以考慮採用這個“中等”的焊盤幾何形狀。與ＩＰＣ－ＳＭ－７８２標準焊盤幾何形狀非常相似，為所有元件類型配置的中等焊盤將為回流焊接工藝提供一個穩健的焊接條件，並且應該為無引腳元件和翅形引腳類元件的波峰或流動焊接提供適當的條件。
三級：最小 － 具有高元件密度的產品通常是便攜式產品應用可以考慮“最小”焊盤幾何形狀。最小焊盤幾何形狀的選擇可能不適合於所有的產品。在採用最小的焊盤形狀之前，使用這應該考慮產品的限制條件，基於表格中所示的條件進行試驗。
在ＩＰＣ－ＳＭ－７８２中所提供的以及在ＩＥＣ６１１８８中所配置的焊盤幾何形狀應該接納元件公差和工藝變量。雖然在ＩＰＣ標準中的焊盤已經為使用者的多數裝配應用提供一個穩健的界面，但是一些公司已經表示了對採用最小焊盤幾何形狀的需要，以用於便攜式電子產品和其它獨特的高密度應用。
國際焊盤標準(ＩＥＣ６１１８８)了解到更高零件密度應用的要求，並提供用於特殊產品類型的焊盤幾何形狀的信息。這些信息的目的是要提供適當的表面貼裝焊盤的尺寸、形狀和公差，以保證適當焊接圓角的足夠區域，也允許對這些焊接點的檢查、測試和返工。
2、BGA與CAP ：
ＢＧＡ封裝已經發展到滿足現在的焊接安裝技術。塑料與陶瓷ＢＧＡ元件具有相對廣泛的接觸間距（１．５０，１．２７和１．００ｍｍ），而相對而言，芯片規模的ＢＧＡ柵格間距為０．５０，０．６０和０．８０ｍｍ。 ＢＧＡ與密間距ＢＧＡ元件兩者相對於密間距引腳框架封裝的ＩＣ都不容易損壞，並且ＢＧＡ標准允許選擇性地減少接觸點，以滿足特殊的輸入／輸出（Ｉ／Ｏ）要求。當為ＢＧＡ元件建立接觸點佈局和引線排列時，封裝開發者必須考慮芯片設計以及芯片塊的尺寸和形狀。在技術引線排列時的另一個要面對的問題是芯片的方向芯片模塊的焊盤向上或向下。芯片模塊“面朝上”的結構通常是當供應商正在使用ＣＯＢ（ｃｈｉｐ－ｏｎ－ｂｏａｒｄ）（內插器）技術時才採用的。
元件構造，以及在其製造中使用的材料結合，不在這個工業標準與指引中定義。每一個製造商都將企圖將其特殊的結構勝任用戶所定義的應用。例如消費產品可能有一個相對良好的工作環境，而工業或汽車應用的產品經常必須運行在更大的壓力條件下。取決於製造ＢＧＡ所選擇材料的物理特性，可能要使用到倒裝芯片或引線接合技術。因為芯片安裝結構是剛性材料，芯片模塊安裝座一般以導體定中心，信號從芯片模塊焊盤走入接觸球的排列矩陣。
在該文件中詳細敘述的柵格陣列封裝外形在ＪＥＤＥＣ的９５出版物中提供。方形ＢＧＡ，ＪＥＤＥＣ ＭＳ－０２８定義一種較小的矩形塑料ＢＧＡ元件類別，接觸點間隔為１．２７ｍｍ。該矩陣元件的總的外形規格允許很大的靈活性，如引腳間隔、接觸點矩陣佈局與構造。 ＪＥＤＥＣ ＭＯ－１５１定義各種塑料封裝的ＢＧＡ。方形輪廓覆蓋的尺寸從７．０－５０．０，三種接觸點間隔 － １．５０，１．２７和１．００ｍｍ。
球接觸點可以單一的形式分佈，行與列排列有雙數或單數。雖然排列必須保持對整個封裝外形的對稱，但是各元件製造商允許在某區域內減少接觸點的位置。
3、芯片規模的BGA變量
針對“密間距”和“真正芯片大小”的ＩＣ封裝，最近開發的ＪＥＤＥＣ ＢＧＡ指引提出許多物理屬性，並為封裝供應商提供“變量”形式的靈活性。 ＪＥＤＥＣ ＪＣ－１１批准的第一份對密間距元件類別的文件是註冊外形ＭＯ－１９５，具有基本０．５０ｍｍ間距接觸點排列的統一方形封裝系列。
封裝尺寸範圍從４．０－２１．０ｍｍ，總的高度(定義為“薄的輪廓”)限製到從貼裝表面最大為１．２０ｍｍ。下面的例子代表為將來的標准考慮的一些其它變量。
球間距與球尺寸將也會影響電路佈線效率。許多公司已經選擇對較低Ｉ／Ｏ數的ＣＳＰ不採用０．５０ｍｍ間距。較大的球間距可能減輕最終用戶對更複雜的印刷電路板(ＰＣＢ)技術的需求。
０．５０ｍｍ的接觸點排列間隔是ＪＥＤＥＣ推薦最小的。接觸點直徑規定為０．３０ｍｍ，公差範圍為最小０．２５、最大０．３５ｍｍ。可是大多數採用０．５０ｍｍ間距的ＢＧＡ應用將依靠電路的次表面佈線。直徑上小至０．２５ｍｍ的焊盤之間的間隔寬度只夠連接一根０．０８ｍｍ（０．００３″）寬度的電路。將許多多餘的電源和接地觸點分佈到矩陣的周圍，這樣將提供對排列矩陣的有限滲透。這些較高Ｉ／Ｏ數的應用更可能決定於多層、盲孔或封閉的焊盤上的電鍍旁路孔(ｖｉａ－ｏｎ－ｐａｄ)技術。
4、考慮封裝技術
元件的環境與電氣性能可能是與封裝尺寸一樣重要的問題。用於高密度、高Ｉ／Ｏ應用的封裝技術首先必須滿足環境標準。例如，那些使用剛性內插器(ｉｎｔｅｒｐｏｓｅｒ)結構的、由陶瓷或有機基板製造的不能緊密地配合矽芯片的外形。元件四周的引線接合座之間的互連必須流向內面。 μＢＧＡ* 封裝結構的一個實際優勢是它在矽芯片模塊外形內提供所有電氣界面的能力。
μＢＧＡ使用一種高級的聚酰胺薄膜作為其基體結構，並且使用半加成銅電鍍工藝來完成芯片上鋁接合座與聚酰胺內插器上球接觸座之間的互連。依順材料的獨特結合使元件能夠忍受極端惡劣的環境。這種封裝已經由一些主要的ＩＣ製造商用來滿足具有廣泛運作環境的應用。
超過２０家主要的ＩＣ製造商和封裝服務提供商已經採用了μＢＧＡ封裝。定義為“面朝下”的封裝，元件外形密切配合芯片模塊的外形，芯片上的鋁接合焊盤放於朝向球接觸點和ＰＣＢ表面的位置。這種結構在工業中有最廣泛的認同，因為其建立的基礎結構和無比的可靠性。 μＢＧＡ封裝的材料與引腳設計的獨特系統是在物理上順應的，補償了矽芯片與ＰＣＢ結構的溫度膨脹系統的較大差別。
5、安裝座計劃
推薦給ＢＧＡ元件的安裝座或焊盤的幾何形狀通常是圓形的，可以調節直徑來滿足接觸點間隔和尺寸的變化。焊盤直徑應該不大於封裝上接觸點或球的直徑，經常比球接觸點規定的正常直徑小１０％。在最後確定焊盤排列與幾何形狀之前，參考ＩＰＣ－ＳＭ－７８２第１４．０節或製造商的規格。
有兩種方法用來定義安裝座：定義焊盤或銅，定義阻焊
銅定義焊盤圖形 － 通過腐蝕的銅界定焊盤圖形。阻焊間隔應該最小離腐蝕的銅焊盤０．０７５ｍｍ。對要求間隔小於所推薦值的應用，諮詢印製板供應商。
阻焊定義焊盤圖形 － 如果使用阻焊界定的圖形，相應地調整焊盤直徑，以保證阻焊的覆蓋。
ＢＧＡ元件上的焊盤間隔活間距是“基本的”，因此是不累積的；可是，貼裝精度和ＰＣＢ製造公差必須考慮。如前面所說的，ＢＧＡ的焊盤一般是圓形的、阻焊界定或腐蝕阻焊脫離焊盤界定的。雖然較大間距的ＢＧＡ將接納電路走線的焊盤之間的間隔，較高Ｉ／Ｏ的元件將依靠電鍍旁路孔來將電路走到次表面層。表七所示的焊盤幾何形狀推荐一個與名義標準接觸點或球的直徑相等或稍小的直徑。
有些公司企圖為所有密間距的ＢＧＡ應用維持一個不變的接觸點直徑。可是，因為一些０．６５與０．８０ｍｍ接觸點間距的元件製造商允許隨意的球與接觸點直徑的變化，設計者應該在製定焊盤直徑之前參考專門的供應商規格。較大的球與焊盤的直徑可能限制較高Ｉ／Ｏ元件的電路佈線。一些ＢＧＡ元件類型的焊盤幾何形狀可能不允許寬度足夠容納不止一條或兩條電路的間隔。例如，０．５０ｍｍ間距的ＢＧＡ將不允許甚至一條大於０．００２″或０．００３″的電路。那些採用密間距ＢＧＡ封裝變量的可能發現焊盤中的旁路孔(微型旁路孔)更加實際，特別如果元件密度高，必須減少電路佈線。
6、裝配工藝效率所要求的特徵
為了採納對密間距表面貼裝元件(ＳＭＤ)的模板的精確定位，要求一些視覺或攝像機幫助的對中方法。全局定位基準點是用於準確的錫膏印刷的模板定位和在精確的ＳＭＤ貼裝中作為參考點。模板印刷機的攝相機系統自動將闆對準模板，達到準確的錫膏轉移。
對於那些使用模板到電路板的自動視覺對中的系統，電路板的設計者必須在焊盤層的設計文件中提供至少兩個全局基準點（圖四）。在組合板的每一個裝配單元內也必須提供局部基準點目標，以幫助自動元件貼裝。另外，對於每一個密間距ＱＦＰ、ＴＳＯＰ和高Ｉ／Ｏ密間距ＢＧＡ元件，通常提供一或兩個目標。
在所有位置推薦使用一個基準點的尺寸。雖然形狀和尺寸可以對不同的應用分別對待，但是大多數設備製造商都認同１．０ｍｍ（０．０４０″）直徑的實心點。該點必須沒有阻焊層，以保證攝相機可以快速識別。除了基準點目標外，電路板必須包含一些定位孔，用於二次裝配有關的操作。組合板應該提供兩或三個定位孔，每個電路板報單元提供至少兩個定位孔。通常，裝配專家規定尺寸（０．６５ｍｍ是常見的），應該指定無電鍍孔。
至於在錫膏印刷模板夾具上提供的基準點，一些系統檢測模板的定面，而另一些則檢測底面。模板上的全局基準點只是半腐蝕在模板的表面，用黑樹脂顏料填充。
7、指定表面最終塗層
為元件的安裝選擇專門類型的表面最終塗鍍方法可以提高裝配工藝的效率，但是也可能影響ＰＣＢ的製造成本。在銅箔上電鍍錫或錫／鉛合金作為抗腐蝕層是非常常見的製造方法。選擇性地去掉銅箔的減去法化學腐蝕繼續在ＰＣＢ工業廣泛使用。因為錫／鉛導線當暴露在１９５°Ｃ溫度以上時變成液體，所以大多數使用回流焊接技術的表面貼裝板都指定裸銅上的阻焊層(ＳＭＯＢＣ,ｓｏｌｄｅｒｍａｓｋ ｏｖｅｒ ｂａｒｅ ｃｏｐｐｅｒ)來保持阻焊材料下一個平坦均勻的表面。當處理ＳＭＯＢＣ板時，錫或錫／鉛是化學剝離的，只留下銅導體和沒有電鍍的元件安裝座。銅導體用環氧樹脂或聚合物阻焊層塗蓋，以防止對焊接有關工藝的暴露。雖然電路導線有阻焊層覆蓋，設計者還必須為那些不被阻焊層覆蓋的部分元件安裝座指定表面塗層。下面的例子是廣泛使用在製造工業的合金電鍍典型方法。
通常要求預處理安裝座的應用是超密間距ＱＦＰ元件。例如，ＴＡＢ(ｔａｂｌｅ ａｕｔｏｍａｔｅｄ ｂｏｎｄ)元件可能具有小於０．２５ｍｍ的引腳間距。通過在這些座上提供７００－８００μ″的錫／鉛合金，裝配專家可以上少量的助焊劑、貼裝零件和使用加熱棒、熱風、激光或軟束線光源來回流焊接該元件。在特殊的安裝座上選擇性地電鍍或保留錫／鉛合金將適用於超密間距ＴＡＢ封裝的回流焊接。
使用熱風均勻法，錫／鉛在上阻焊層之後塗鍍在電路板上。該工藝是，電鍍的板經過清洗、上助焊劑和浸入熔化的焊錫中，當合金還是液體狀態的時候，多餘的材料被吹離表面，留下合金覆蓋的表面。熱風焊錫均勻ＨＡＳＬ(ｈｏｔ ａｉｒ ｓｏｌｄｅｒ ｌｅｖｅｌｉｎｇ)電鍍工藝廣泛使用，一般適合於回流焊接裝配工藝；可是，焊錫量與平整度的不一致可能不適合於使用密間距元件的電路板。
密間距的ＳＱＦＰ、ＴＳＯＰ和ＢＧＡ元件要求非常均勻和平整的表面塗層。作為控制在密間距元件的安裝座上均勻錫膏量的方法，表面必須盡可能地平整。為了保證平整度，許多公司在銅箔上使用鎳合金，接著一層很薄的金合金塗層，來去掉氧化物。
在阻焊塗層工藝之後，在暴露的裸銅上使用無電鍍鎳／金。用這個工藝，製造商通常將使用錫／鉛電鍍圖案作為抗腐蝕層，在腐蝕之後剝離錫／鉛合金，但是不是對暴露的安裝座和孔施用焊錫合金，而是電路板浸鍍鎳／金合金。
按照ＩＰＣ－２２２１標準《印製板設計的通用標準》，推薦的無電鍍鎳厚度是２．５－５．０μｍ(至少１．３μｍ)，而推薦的浸金厚度為０．０８－０．２３μｍ。
有關金的合金與焊接工藝的一句話忠告：如果金塗層厚度超過０．８μｍ（３μ″），那麼金對錫／鉛比率可能引起最終焊接點的脆弱。脆弱將造成溫度循環中的過分開裂或裝配後的板可能暴露到的其它物理應力。
8、合金電鍍替代方案
在上阻焊層之後給板增加焊錫合金是有成本代價的，並且給基板遭受極大的應力條件。例如用錫／鉛塗層，板插入熔化的焊錫中，然後抽出和用強風將多餘的錫／鉛材料去掉。溫度衝擊可能導致基板結構的脫層、損壞電鍍孔和可能影響長期可靠性的缺陷。 Ｎｉ／Ａｕ塗鍍，雖然應力較小，但不是所有電路板製造商都有的一種技術。作為對電鍍的另一種選擇，許多公司已經找到成功的、有經濟優勢的和平整的安裝表面的方法，這就是有機保護層或在裸銅上與上助焊劑塗層。
作為阻止裸銅安裝座和旁通孔／測試焊盤上氧化增長的一個方法，將一種特殊的保護劑或阻化劑塗層應用到板上。諸如苯並三唑（Ｂｅｎｚｏｔｒｉａｚｏｌｅ）和咪唑（Ｉｍｉｄａｚｏｌｅ）這些有機／氮塗層材料被用來取代上面所描述的合金表面塗層，可從幾個渠道購買到，不同的商標名稱。在北美洲，廣泛使用的一種產品是ＥＮＴＥＫ ＰＬＵＳ ＣＵ－１０６Ａ。這種塗層適合於大多數有機助焊焊接材料，在對裝配工藝中經常遇到的三、四次高溫暴露之後仍有保護特徵。多次暴露的能力是重要的。當ＳＭＤ要焊接到裝配的主面和第二面的時候，會發生兩次對回流焊接溫度的暴露。混合技術典型的多次裝配步驟也可能包括對波峰焊接或其它焊接工藝的暴露。
9、一般成本考慮
與ＰＣＢ電鍍或塗鍍有關的成本不總是詳細界定的。一些供應商感覺方法之間的成本差別佔總的單位成本中的很小部分，所以界不界定是不重要的。其他的可能對不是其能力之內的成本有一個額外的費用，因為板必須送出去最後加工。例如，在加州的一家公司將板發送給在德州的一家公司進行Ｎｉ／Ａｕ電鍍。這個額外處理的費用可能沒有清晰地界定為對客戶的一個額外開支；可是，總的板成本受到影響。
每一個電鍍和塗鍍工藝都有其優點與缺點。設計者與製造工程師必須通過試驗或工藝效率評估仔細地權衡每一個因素。在指定ＰＣＢ製造是必須考慮的問題都有經濟以及工藝上的平衡。對於細導線、高元件密度或密間距技術與μＢＧＡ，平整的外形是必須的。焊盤表面塗層可以是電鍍的或塗敷的，但必須考慮裝配工藝與經濟性。
在所有塗敷和電鍍的選擇中，Ｎｉ／Ａｕ是最萬能的(只要金的厚度低於５μ″)。電鍍工藝比保護性塗層好的優勢是貨架壽命、永久性地覆蓋在那些不暴露到焊接工藝的旁路孔或其它電路特徵的銅上面、和抗污染。雖然表面塗層特性之間的平衡將影響最終選擇，但是可行性與總的ＰＣＢ成本最可能決定最後的選擇。在北美，ＨＡＳＬ工藝傳統上主宰ＰＣＢ工業，但是表面的均勻性難於控制。對於密間距元件的焊接，一個受控的裝配工藝取決於一個平整均勻的安裝座。密間距元件包括ＴＳＯＰ、ＳＱＦＰ和μＢＧＡ元件族。如果密間距元件在裝配中不使用，使用ＨＡＳＬ工藝是可行的選擇。
10、阻焊層（sldermask)要求
阻焊層在控制回流焊接工藝期間的焊接缺陷中的角色是重要的，ＰＣＢ設計者應該盡量減小焊盤特徵周圍的間隔或空氣間隙。雖然許多工藝工程師寧可阻焊層分開板上所有焊盤特徵，但是密間距元件的引腳間隔與焊盤尺寸將要求特殊的考慮。雖然在四邊的ＱＦＰ上不分區的阻焊層開口或窗口可能是可接受的，但是控制元件引腳之間的錫橋可能更加困難。對於ＢＧＡ的阻焊層，許多公司提供一種阻焊層，它不接觸焊盤，但是覆蓋焊盤之間的任何特徵，以防止錫橋。多數表面貼裝的ＰＣＢ以阻焊層覆蓋，但是阻焊層的塗敷，如果厚度大於０．０４ｍｍ（０．００１５″），可能影響錫膏的應用。表面貼裝ＰＣＢ，特別是那些使用密間距元件的，都要求一種低輪廓感光阻焊層。阻焊材料必須通過液體濕工藝或者乾薄膜疊層來使用。幹薄膜阻焊材料是以０．０７－０．１０ｍｍ（０．００３－０．００４″）厚度供應的，可適合於一些表面貼裝產品，但是這種材料不推薦用於密間距應用。很少公司提供薄到可以滿足密間距標準的干薄膜，但是有幾家公司可以提供液體感光阻焊材料。通常，阻焊的開口應該比焊盤大０．１５ｍｍ（０．００６″）。這允許在焊盤所有邊上０．０７ｍｍ(０．００３″)的間隙。低輪廓的液體感光阻焊材料是經濟的，通常指定用於表面貼裝應用，提供精確的特徵尺寸和間隙。
結論
密間距(ｆｉｎｅ－ｐｉｔｃｈ)、ＢＧＡ和ＣＳＰ的裝配工藝可以調整到滿足可接受的效率水平，但是彎曲的引腳和錫膏印刷的不持續性經常給裝配工藝合格率帶來麻煩。雖然使用小型的密間距元件提供佈局的靈活性，但是將很複雜的多層基板報上的元件推得更近，可能犧牲可測試性和修理。 ＢＧＡ元件的使用已經提供較高的裝配工藝合格率和更多的佈局靈活性，提供較緊密的元件間隔與較短的元件之間的電路。一些公司正企圖將幾個電路功能集成到一兩個多芯片的ＢＧＡ元件中來釋放面積的限制。用戶化的或專用的ＩＣ可以緩解ＰＣＢ的柵格限制，但是較高的Ｉ／Ｏ數與較密的引腳間距一般都會迫使設計者使用更多的電路層，因此增加ＰＣＢ製造的複雜性與成本。芯片規模的ＢＧＡ封裝被許多人看作是新一代手持與便攜式電子產品空間限制的可行答案。許多公司也正在期待改進的功能以及更高的性能。當為這些元件選擇最有效的接觸點間距時，必須考慮矽芯片模塊的尺寸、信號的數量、所要求的電源與接地點和在印製板上採用這些元件時的實際限制。雖然密間距的芯片規模(ｃｈｉｐ ｓｃａｌｅ)與芯片大小的元件被看作是新出現的技術，但是主要的元件供應商和幾家主要的電子產品製造商已經採用了一兩種ＣＳＰ的變化類型。在較小封裝概念中的這種迅速增長是必須的，它滿足產品開發商對減小產品尺寸、增加功能並且提高性能的需求。