BGA（球栅阵列）基板已成为集成电路 (IC)、ASIC、GPU 和其他复杂组件的广泛封装技术。BGA 能够在较小的尺寸内容纳高密度触点，从而实现各种电子产品的小型化和性能提升。然而，设计和制造 BGA 基板需要深厚的专业知识。本指南涵盖了充分利用 BGA 优势并避免陷阱所需的一切。
什么是BGA基板？
BGA基板是BGA封装的基础，提供机械支撑和电气互连。基板由绝缘材料构成，其表面或内部设有导电线路，用于在连接的硅芯片和安装BGA封装的印刷电路板 (PCB) 之间传输信号和电源。
所有 BGA 封装的显著特征是其底部以网格状排列的小焊球。在组装过程中，当 BGA 元件焊接到电路板上时，这些焊球将基板走线连接到 PCB 表面的匹配焊盘。由于焊球间距较小，这种球栅结构可实现高密度互连。
BGA基板必须专门设计，以匹配硅片和电路板，同时满足电气、热和机械要求。层压板、陶瓷、硅、玻璃和其他材料可用于制造BGA基板。基板设计取决于多种因素，例如所需的触点数量、信号速度、功率传输需求、可靠性预期以及成本。
为什么BGA基板能够实现小型化
与传统的 IC 封装方法相比，BGA 的主要优势在于能够在更小的空间内容纳更多互连。例如：
四方扁平封装 (QFP) 等外围引线封装仅在边缘处有引线，从而限制了接触密度。
引脚栅格阵列 (PGA) 使用从封装底部延伸的引脚阵列，但最小引脚间距大于焊球。
无引线芯片载体在边缘或底部有触点，但无法匹配 BGA 密度。
相比之下，BGA 的焊球间距仅为 0.5 毫米甚至 0.4 毫米及以下，因此可以实现非常高的密度。这使得在更小的封装中实现更多功能成为可能。焊球的理想球形形状也使其与引脚之间的间距更小。
更高的触点数量使其能够在 BGA 封装中集成更多功能，例如多处理器、内存、传感器、无线、电源管理和专用加速器，从而满足 5G、AI、ADAS、物联网等应用的需求。小型化也符合消费者对更紧凑电子产品的偏好。
BGA基板所用材料
虽然早期的 BGA 封装采用的是陶瓷基板，但如今新型有机基板因其成本较低、耐热冲击性、低翘曲性和柔韧性等优势而占据主导地位。常用材料包括：
BT基板 双马来酰亚胺三嗪，一种热固性树脂，通常用玻璃纤维和铜箔增强。其性能与可制造性之间实现了经济高效的平衡。广泛应用于消费电子、电信、工业和汽车领域。可耐受无铅焊接工艺。
聚酰亚胺基板 – 提供卓越的热稳定性，但成本高于BT。适用于需要极薄基板的情况。常用于移动和高可靠性应用。
CE 底物 – 玻璃纤维增强复合环氧树脂。吸湿性低。常用于高湿度环境。
柔性基板 聚酰亚胺薄膜可制成非常薄且柔韧的基材，从而提高抗冲击/振动性能。可实现轻薄、紧凑的设计。
氧化铝或氮化铝陶瓷基板在某些极高性能应用领域仍然表现出色，例如航空航天，其优异的导热性使其成本优势值得考虑。硅或玻璃中介层也正在兴起，用于实现极高密度的2.5D/3D封装。
为什么自动化 BGA 基板设计至关重要
数百或数千个芯片触点的复杂逃逸模式和走线布线非常复杂，因此需要采用自动化计算机辅助设计。手动 BGA 基板布局并不可行。
关键挑战包括：
信号完整性 – 必须匹配走线几何形状，以实现每个网络受控且一致的阻抗，同时还要设置适当的参考平面以降低噪声。这需要自动化优化。
电源完整性 – 精心设计电源层和接地层，以便高效地将电源分配到硅片，避免过大的噪声。此外，还必须正确放置去耦电容。
密度 – 从 BGA 焊盘阵列逃逸布线需要过孔和走线的交错模式以及优化的层分配，以避免拥塞和长度。
Thermal——热 – 基板必须能够充分传导从芯片到PCB和周围环境的热量。散热孔有助于散热。
可靠性 – 走线宽度/间距、通孔结构、焊盘形状和材料的设计规则必须在成本与温度循环、振动等条件下的长期稳健性之间取得平衡。
只有结合复杂的布线算法、约束管理器、设计规则检查和模拟的先进 EDA 工具才能实现满足技术挑战和可制造性要求的最佳基板设计。
BGA基板设计的关键考虑因素
以下是设计人员在开发 BGA 基板时必须考虑的一些最重要的因素：
信号完整性 – 受控阻抗走线、适当的参考和隔离、噪声抑制以及串扰避免对于清晰的信号至关重要，尤其是在高速传输下。这可以通过直角布线、参考平面、电介质选择、走线几何形状、仿真和长度匹配来实现。
电源完整性 – 需要精心设计电源平面、优化去耦电容和电源凸块阵列，以便为硅片提供稳定、低噪声的电源。应进行压降分析。
热管理 基板设计必须能够通过PCB实现芯片高效的传导和对流冷却。芯片下方的散热孔至关重要。高导热性材料有助于散热。
可靠性 – 基板和走线材料、设计规则、建模、检查测试和模拟有助于确保产品在温度循环、振动、冲击、湿度和疲劳应力下的稳健性。
逃离 从密集球阵列到外围的逃逸布线模式需要交错排列的过孔/走线，并针对布线密度、长度匹配和简单性进行优化。通常需要 HDI。
可制造性 – 整个设计过程中的 DFM 实践确保基板能够以最佳成本可靠地制造、组装、检查和测试。
密度 – 更高密度的 BGA 封装需要更薄的电介质、更细的线路和空间、更小的通孔、更多的层数和先进的材料来适应互连数量。
BGA封装中的球距
球距是指网格阵列中相邻焊球中心之间的距离。为了实现更高密度的BGA封装，球距已稳步减小。目前一些球距包括：
0.8mm – 广泛用于许多成本敏感的中等密度 BGA 封装的间距
0.65mm – 复杂 IC 的常见高密度间距，尺寸可达 35x35mm
0.5 毫米 – 被认为是采用先进 PCB 制造技术可实现的超细间距
0.4 毫米 – 极其紧密的间距，突破了制造能力的极限
更小球距的趋势使得在给定互连数量的情况下可以实现更小的封装尺寸，或者在更大的封装尺寸下实现更高的密度。然而，球距的缩小带来了组装工艺控制、焊点可靠性、返工难度以及对PCB翘曲的敏感性等方面的挑战。非常细的球距要求严格的公差。
BGA基板的关键特性
BGA 基板的一些显著特征解释了其相对于旧封装样式的优势，包括：
高互连密度 – 能够在小体积内集中数百到数千个触点，从而可以在紧凑的尺寸内集成更多功能和 I/O。
低电感 – 硅片和 PCB 之间的最小引线长度可提供卓越的电气性能，尤其是对于高频信号。
短而直接的连接 – 直接垂直连接消除了易断裂的线焊和引线。可靠性更高。
工艺兼容性 – BGA封装可以在PCB组装阶段像其他SMT元件一样进行表面贴装，从而降低成本。
热传导 – 直接芯片接触和短连接有利于热量扩散到 PCB 和周围环境，从而减轻热点。
自对准 – 回流组装时，液态焊锡的表面张力使焊球与匹配焊盘对齐。对贴装精度的敏感性较低。
可测性 – BGA 封装允许在电路板安装之前对封装的芯片进行全面的预组装测试。
BGA基板布线挑战
在 BGA 基板层内或层上布线会带来复杂的设计挑战，包括：
信号完整性 – 控制走线阻抗、串扰和信号质量需要匹配几何形状、适当的参考、短截线控制、相位匹配和模拟。
电源完整性 – 清洁电力输送依赖于低电感路径、充分的去耦、适当的平面隔离、热管理和分析。
布线密度 – 交错的逸出图案必须允许在密集矩阵阵列出口的紧密间隔的通孔/走线行之间布线通道。
制造业 – 走线宽度、间距、形状、过孔和材料的设计规则必须与制造能力相一致，同时优化成本和可靠性。
热管理 – 基板必须有效地将热量扩散到 PCB 和周围环境中，以避免密集芯片下出现热点。
可靠性 – 材料、设计规则、制造控制、建模和测试有助于确保基板在产品使用寿命内承受压力。
先进的 EDA 工具和经验丰富的工程师对于解决这些相互依存的挑战至关重要，同时还能避免过度设计增加不必要的成本。基板开发高度互动，并需要持续优化。
BGA基板材料概述
如前所述，制造BGA基板最常用的材料包括：
有机基材
BT（双马来酰亚胺三嗪）——由于成本/性能的平衡而被广泛使用
聚酰亚胺——热稳定性优良，但成本较高
FR-4 – 传统玻璃增强环氧PCB材料，性能/成本较低
CE（复合环氧树脂）——用于高湿度环境
柔性基板——聚酰亚胺或 LCP 薄膜可实现薄且可弯曲的基板
陶瓷基板
氧化铝（氧化铝）——最常见的、成本相对较低的陶瓷
氮化铝——高导热性，适用于要求极高的应用
氧化铍——毒性限制了氧化铍陶瓷的使用
其他先进基材
硅中介层——利用 TSV 实现 2.5D/3D 芯片堆叠
玻璃中介层——绝缘性能适合高密度互连
最佳材料取决于应用要求，如频率、功率水平、可靠性需求、介电特性、制造成本和产品生命周期。
BGA组装工艺问题
为了在将 BGA 封装通过 SMT 组装到 PCB 上时获得可靠的焊点，建议采取某些工艺预防措施：
施加足够的热量，可靠地回流所有焊球，而不会使敏感元件过热
确保整个 BGA 封装受热均匀，避免回流焊时产生偏移，导致封装变形
使用专为无铅 BGA 组装设计的免清洗焊膏，避免残留物滞留
精确控制温度曲线，包括升温、保温和冷却
通过适当的焊膏沉积、元件居中和轮廓分析消除墓碑现象
通过应用与球体积、孔径设计和贴装力相匹配的适当焊膏量来防止出现空隙
彻底检查是否存在润湿不良、枕头缺陷、不均匀和其他缺陷
通过实验设计 (DOE) 和测试（例如样品接头的剪切力分析）来验证流程
对于细间距 BGA，组装需要更严格的公差、先进的检测技术和非常一致的过程控制，以实现高产量和可靠性。
检测BGA焊点
与更显眼的铅基焊点不同，BGA 下方的焊点连接无法通过目视检查。因此，X 射线成像是检查 BGA 组装后内部焊点质量的最佳解决方案。
自动 X 射线检测 (AXI) 系统可生成高分辨率图像，显示：
焊球对准、支架高度和压缩
存在空隙、裂纹、润湿不足或其他缺陷
焊球变形，偏离理想形状
接头间不均匀
异物、污染物或残留物
AXI 提供全面的检测覆盖，可在产品发货前识别装配缺陷以及潜在的长期可靠性风险。3D 功能可进一步洞察接头结构。如果检测到任何缺陷，即可调整工艺以消除根本原因。
BGA返工和维修
如果组装后检查或后续测试发现与BGA安装相关的焊点、元件位置或板级互连存在缺陷，则需要返工。一些最佳实践包括：
使用配备预热器、热电偶、真空拾取器和光学对准的专用 BGA 返工系统
选择性地将集中热量仅施加到有缺陷的部件上，而不会使附近的材料过热
在整个回流过程中仔细控制升温、保温和冷却速率
使用专为 BGA 返工设计的焊膏或助焊剂，可靠地润湿电路板焊盘，避免桥接
使用与焊盘/球体积相匹配的最小焊膏量，以避免焊料过量
重新回流前目视检查是否正确对准；之后使用 AXI 确认接头完整性
返工后，使用低残留清洁剂去除所有残留助焊剂
对于细间距BGA，专业的工具、材料和工艺对于成功返工至关重要。通过稳健的工艺设计和控制来预防是最佳选择。
BGA的优势
以下是 BGA 封装在电子产品中普及的一些主要优势：
高密度 – 在小空间内集中更多 I/O 连接的能力允许集成额外的功能和特性。
高速信号完整性 – 芯片和电路板之间的短走线具有电气性能优势，尤其是对于快速数字信号。
可靠性 – 直接垂直互连可避免脆弱的线键合和容易因热应力或机械应力而断裂的引线。
热性能 – 直接芯片接触和短连接促进热量从致密的热硅传导到 PCB 和周围的环境空气中。
设计灵活性 – 可选择多种具有不同介电特性的基板材料，以满足技术和成本要求。
可测性 – 在电路板组装之前，可以对封装在 BGA 封装中的已知良好芯片进行全面测试，以提高产量。
工艺兼容性 – BGA 封装可以像其他 SMT 组件一样进行表面贴装，利用大容量 PCB 组装。
BGA封装的局限性
尽管 BGA 具有显著的优势，但它也存在一些局限性和缺点：
可检验性 – 无法目视检查内部焊点意味着需要进行 X 射线检查来验证组装的完整性。
返工难度 – 在不损坏电路板或相邻组件的情况下拆卸和更换 BGA 需要先进的工具和技能。
电路板翘曲敏感度 – 热应力会使电路板弯曲，足以破坏大型 BGA 下容易变形的焊球的连接。
成本 – 高密度互连制造和先进的基板材料使成本高于接触数较少的旧封装样式。
信号路由拥塞 – 非常高 I/O 数的 BGA 需要多个密集的布线层和复杂的逸出模式，这会增加 PCB 制造费用。
第二级互连 – 在电路板安装之前，需要单独的组装阶段将芯片安装到 BGA 基板上。
热应力 – 必须考虑硅、基板、电路板和焊料之间的 CTE 不匹配，以避免温度循环失败。
BGA基板与LGA基板
平面栅格阵列 (LGA) 封装是 BGA 的替代方案，但也存在一些明显的缺点：
可拆卸性 – LGA 使用焊盘而非焊球，允许从 PCB 上的插座连接器插入/移除。BGA 是永久焊接的。
可靠性 – LGA 避免了焊料疲劳失效模式，但许多插座互连在热循环下不如焊点可靠。
返修 – 有缺陷的 LGA 无需拆焊或加热电路板即可拆卸和更换。BGA 则需要重新回流焊。
接触擦拭 – LGA 焊盘在插入过程中与连接器针脚摩擦，去除氧化物和碎屑，从而降低接触电阻。BGA 仅依赖焊接。
路由 – LGA 要求插座引脚具有高密度镀通孔和过孔，而 BGA 则要求为走线提供逃逸布线。
简介 – LGA 至少比 BGA 高一个插座高度。BGA 尺寸更小。
成本 – 对于大批量生产，BGA 通常成本较低。对于中等批量生产，LGA 可能是更佳选择。
最佳选择取决于成本目标、生命周期预期、现场服务需求和性能要求。
BGA在各行业的应用
BGA 封装具有高性能、小尺寸和高可靠性，已得到广泛的应用：
消费类电子产品
智能手机、平板电脑、笔记本电脑
游戏机、机顶盒
数码相机、可穿戴设备
汽车
发动机控制单元、信息娱乐
ADAS模块、激光雷达
车身控制器
航天军工
航空电子计算机板
雷达和成像系统
导弹制导系统
电信和网络
交换机、路由器、基站
服务器
光纤模块
医疗行业
MRI、CT、PET 扫描仪等成像系统
病人监护和诊断
起搏器等植入物
结语
正如本指南所示，BGA 基板需要跨多个学科的周到工程设计——电气、热学、机械、材料科学、物理学、制造等。
如果设计得当，BGA基板可以提供高可靠性的互连方法，从而推动技术的持续进步。但要实现产品质量和可靠性目标，需要仔细的建模和分析，遵循合理的设计规范，并进行严格的工艺控制。