BGA封装：结构、类型、设计和组装指南
图1。 BGA封装
1. 引言：什么是BGA封装以及它为何重要
BGA封装（球栅阵列封装）是一种 IC封装 这种封装形式利用元件底部的焊球阵列与PCB进行电气和机械连接。与QFP或SOIC等外围引脚封装不同，BGA封装将互连线布置在整个底部表面，从而在紧凑的尺寸内实现更高的I/O数量。
这种建筑风格已经形成了 BGA封装 对于包括微处理器、FPGA、SoC 和高级 MCU 在内的高密度、高性能器件，PCB 是一种标准选择。该技术支持更快的信号传输速度、更佳的散热性能和更高的布线密度。然而，这些优势也对 PCB 设计复杂性、层数和组装工艺控制提出了更高的要求。
图2。 BGA封装结构
2. BGA封装的基本结构
了解BGA封装的内部结构对于PCB设计人员和工艺工程师都至关重要。其物理架构决定了其电气性能、热性能和可制造性。
2.1 芯片（硅芯片）
芯片是BGA封装的核心，即功能性硅集成电路。它包含定义器件运行的所有晶体管、互连线和逻辑电路。芯片通过顶面引线键合或有源面上的倒装芯片凸点与衬底连接。芯片尺寸和功率密度直接影响封装的热设计和电气设计要求。
2.2 基材
这个 基板 BGA封装内的多层电路板负责将芯片的信号重新分配到焊球阵列。常用的基板材料包括BT（双马来酰亚胺三嗪）树脂和ABF（味之素增厚膜）。基板包含内部布线层、微孔和电源/接地层。其设计决定了信号完整性、电源传输效率和封装的整体可靠性。
2.3 焊锡球
在BGA封装的底部，焊球构成互连阵列，取代了传统的引脚。焊球直径通常在0.3毫米到0.76毫米之间，具体取决于封装间距。常用材料包括用于无铅应用的SAC305（Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5）。焊球阵列间距直接对应于PCB焊盘布局，并决定了扇出布线的复杂程度。
2.4 模塑化合物
封装材料是一种环氧树脂基封装剂，用于保护芯片和引线键合免受机械损伤、潮湿和污染。它还能为BGA封装提供结构刚性。封装材料的特性——包括热膨胀系数（CTE）、导热性和吸湿性——会影响长期可靠性，必须与基板和芯片的特性相匹配。
图3。 BGA封装类型
3. BGA封装类型
BGA封装技术已发展出多种变体，分别针对不同的性能要求、制造限制和应用环境进行了优化。选择取决于I/O密度、散热需求和成本目标。
3.1 常见的BGA封装变体
PBGA（塑料BGA）： PBGA是最广泛使用的封装形式，采用层压基板和塑料模塑化合物。对于I/O数量适中的消费电子和工业应用而言，PBGA具有良好的性价比。
FC-BGA（倒装芯片BGA）： FC-BGA采用倒装芯片封装技术，通过焊球将芯片直接连接到基板上。由于互连路径更短，FC-BGA可为高速处理器、GPU和网络ASIC提供卓越的电气性能。
CBGA（陶瓷BGA）： 采用陶瓷基板以提高导热性和与硅的热膨胀系数匹配度。CBGA广泛应用于高可靠性领域，包括航空航天、军事和高性能计算。
TBGA / μBGA / CSP-BGA： 专为空间受限应用而设计的超薄和微型封装。CSP（芯片级封装）BGA 封装尺寸接近芯片本身，可最大限度地提高移动设备和可穿戴设备的封装密度。
3.2 音调和密度的差异
BGA封装间距（相邻焊球中心之间的距离）直接影响PCB设计的复杂性。标准间距选项包括1.27毫米和1.0毫米，这使得在传统的4-6层电路板上使用标准过孔结构即可实现走线。
间距为 0.8 毫米、0.65 毫米或 0.5 毫米的细间距 BGA 封装需要采用具有微孔和焊盘内通孔结构的 HDI（高密度互连）PCB 技术。间距的选择必须平衡 I/O 要求与封装性能之间的关系。 PCB制造能力 和成本。
4. BGA封装的电气和热特性
BGA封装的区域阵列互连架构相比外围引线封装具有固有的电气和热学优势。
4.1 电气性能
与引线封装相比，BGA封装互连可提供显著更短的信号路径，从而降低寄生电感和电阻。这意味着更低的阻抗不连续性，并提高高频信号完整性。
分布式的接地和电源焊球布局实现了有效的去耦和回流路径管理。这些特性使得BGA封装成为高速接口（包括DDR内存、PCIe和多千兆SerDes）的必备之选。
4.2 热性能
BGA封装中的焊球阵列可形成从芯片到PCB的多条并行热通路，与仅依赖引脚或裸露焊盘的封装相比，散热性能更佳。位于中心阵列中的专用接地焊球（即热球）可连接到大面积铜层，从而增强导热性。
这种分布式热界面降低了结到板的热阻，但高功率器件仍然需要额外的冷却解决方案，例如 PCB 中的散热片或导热孔。
图4。 BGA封装与其他IC封装的比较
5. BGA封装与其他IC封装的比较
将 BGA 封装与其他封装形式进行比较，可以明确每种技术何时适用。
5.1 BGA封装与QFP封装对比
QFP QFP（四方扁平封装）采用鸥翼式引脚，因此实际I/O数量限制在200-300个左右，超过这个数量封装尺寸就会过大。BGA封装则能在更小的空间内支持数千个I/O。QFP引脚清晰可见，便于检查，而BGA焊点则需要X射线检测。QFP适用于复杂度较低的器件，在这些器件中，目视检查和易于返工是主要考虑因素。
5.2 BGA封装与QFN封装的比较
QFN QFN（四方扁平无引脚）封装提供了一种低高度解决方案，具有裸露焊盘的散热性能，但其I/O仅限于外围触点。QFN适用于引脚数适中（通常少于100个引脚）且高度要求严格的器件。BGA封装提供更优异的I/O扩展性和更好的高速信号电气性能，但需要更复杂的PCB叠层结构。两者都需要对隐藏焊点进行X射线检测。
5.3 BGA封装与LGA封装
LGA（焊盘阵列）采用平面焊盘而非焊球，需要插座安装或精细的焊膏印刷。LGA简化了插座式应用（常见于服务器CPU）中的元件更换，但对直接焊接组装的共面性控制要求更高。BGA封装在回流焊过程中可自动对准，是永久性表面贴装应用的标准封装。
图5。 路由挑战
6. BGA封装的PCB设计注意事项
成功的 BGA 封装集成需要仔细考虑 PCB 叠层、过孔结构和布线策略。
6.1 PCB叠层结构和层数
BGA封装通常需要多层PCB来容纳信号引出布线和电源/接地分配。1.0毫米间距的BGA封装可能在6-8层PCB上就能满足布线需求，而小间距器件通常需要10层以上的PCB，并采用HDI结构。
叠层结构必须包含足够的电源层和接地层，且这些层与信号层相邻，以实现阻抗控制和电磁干扰管理。层分配应优先考虑短过孔和受控阻抗，以确保高速信号的稳定传输。
6.2 BGA封装的扇出策略
狗骨状扇形展开： 标准方法是从每个BGA焊盘引出短走线到偏移过孔。这种方法对于标准间距的外排焊盘效果很好，但会占用布线空间。
焊盘内通孔： 在BGA焊盘上直接设置过孔可以最大限度地提高布线密度，这通常是细间距器件的必要条件。过孔必须填充并进行平坦化处理（VIPPO），以防止焊料渗漏并确保可靠的焊点。
微孔： 采用激光钻孔微孔的HDI结构能够实现从内部焊球排的扇出，而这些焊球排无法通过标准通孔进行连接。堆叠或交错的微孔结构可以逐步连接多个层。
6.3 路由挑战
从高密度BGA封装中导出信号需要系统性的规划。首先将外层信号布线到内层，逐步释放通道以供内层信号使用。关键信号（时钟、高速差分对）应优先布线到具有合适参考平面的最佳层上。
电源和接地球应尽可能直接连接到电路板平面。设计规则必须考虑制造公差——在小间距下，走线宽度、间距和过孔到焊盘的间隙都会显著收紧。
图6。 BGA封装组件
7. BGA封装组装工艺概述
BGA封装组装遵循标准 SMT工艺 特别考虑了隐藏式焊点阵列。
7.1 锡膏印刷
模板设计至关重要 BGA封装组件孔径和钢网厚度必须与焊球间距和直径相匹配，才能沉积正确的焊锡量。细间距BGA通常需要更薄的钢网（0.10-0.12毫米），并优化孔径比。当BGA与需要不同焊膏量的元件共用一块电路板时，可能需要使用阶梯式钢网。印刷质量（完全填充且无桥接）直接影响焊点的可靠性。
7.2 拾取放置和回流焊
BGA封装受益于回流焊过程中的焊料自对准——即使存在轻微的放置偏差，表面张力也能将元件拉到正确的位置。然而，这要求初始放置必须非常精确，且必须在自对准窗口内（通常为焊盘宽度的±50%）。
回流焊曲线优化至关重要：峰值温度不足会导致润湿不完全，而温度或时间过高则会损坏对湿度敏感的元件。可控的升温速率能够最大限度地减少大型封装体上的热应力。
图7。 BGA X射线检测
8. BGA封装的检验和可靠性问题
BGA焊点的隐藏特性给检测和可靠性带来了独特的挑战。
8.1 检查挑战
与含铅包装不同， BGA焊点 装配后这些缺陷无法直接观察。自动光学检测 (AOI) 只能验证组件是否存在以及方向如何。X射线检测用于评估接头质量，例如检测空隙、桥接、枕形缺陷和润湿不完全等问题。二维X射线检测提供基本筛查；三维计算机断层扫描 (CT) 可在需要进行故障分析或工艺验证时，对单个接头进行详细分析。
8.2 常见故障模式
枕头焊（HIP）：焊球和焊膏未能完全融合，形成仅有表面接触的冷焊点。其成因包括氧化、翘曲或回流焊时序问题。
空洞：焊点内部的气体滞留会降低机械强度和导热/导电性。助焊剂的化学成分和回流焊工艺的优化可以最大限度地减少空洞的形成。
焊球桥接和塌陷：焊料过多或焊盘设计不当会导致相邻焊球桥接。过热导致的焊球塌陷会降低焊球间距，从而增加封装与PCB元件之间短路的风险。
图8。 用于PCB组装的BGA返修
9. BGA封装返工和维修注意事项
9.1 重做难度
BGA封装返工 需要专用设备和操作人员的技能。必须将元件均匀加热至回流焊温度，同时保护相邻元件免受热损伤。配备元件专用喷嘴和底部预热功能的热风返修台是标准配置。大型或高热容的BGA需要精确控制温度曲线，以防止PCB损坏、焊盘翘起或焊料熔化不完全。
9.2 重新植球和设计考虑因素
BGA移除后，PCB焊盘需要清洁和检查才能更换。如果原焊球在移除过程中损坏，则更换的元件可能需要重新植球。重新植球使用钢网或预成型件来放置新的焊球。设计决策可以降低返工难度：在BGA周围设置足够的禁区、在焊盘上提供足够的散热空间以及避免在附近放置对湿度敏感的元件，这些都能提高返工成功率。
10. BGA封装的典型应用
BGA封装在需要高I/O密度、高速信号传输或紧凑外形尺寸的应用中占据主导地位。
10.1 微控制器和处理器
先进的 微控制器应用处理器和CPU通常采用BGA封装，以适应大量的引脚和高速内存接口。这种封装格式支持现代处理架构所需的宽总线和多电源域。移动应用处理器、汽车MCU和嵌入式SoC通常采用BGA封装。
10.2 FPGA 和 SoC
FPGA的 复杂的SoC芯片通常拥有超过1000个I/O引脚，因此BGA封装是唯一可行的选择。用于多千兆串行接口的高速收发器需要BGA架构提供的低电感路径。这些器件通常采用细间距FC-BGA封装，并且需要HDI PCB技术才能成功实现。
10.3 网络和通信设备
网络交换机、路由器和基站设备依赖BGA封装来封装处理高带宽数据的ASIC和PHY器件。其电气性能支持25G/100G+以太网接口和高速背板连接。BGA封装的分布式散热路径有利于高功率密度网络芯片的散热管理。
10.4 高性能消费电子产品
智能手机、平板电脑、游戏机和高端消费电子设备广泛使用BGA封装。 PoP（包装上包装） 这种结构将存储器BGA封装直接堆叠在处理器封装上，以最大限度地减少占用空间。紧凑的尺寸和优异的电气性能，使其能够满足现代消费电子产品所需的特性密度。
获取快速报价
11. 总结：何时以及为何选择BGA封装
BGA封装本身并不比其他封装形式优越——它是针对特定需求进行优化的。当I/O数量过多超过外围引脚封装的限制、信号传输速度需要低电感互连，或者电路板空间受限需要最大密度时，选择BGA封装是合理的。
成功的BGA封装实施需要元器件选择与制造能力相匹配。PCB层数、过孔技术和设计规则必须支持所选的间距。组装工艺需要合适的钢网设计、贴片精度和回流焊控制。必须具备检测能力（特别是X射线检测）以进行质量验证。如果需要现场维修，则应在设计阶段考虑返工能力。
采用BGA封装需要在性能优势与更高的设计复杂性、制造要求和检测成本之间进行权衡。当应用需求与BGA的性能相匹配时，这种封装形式可提供无与伦比的密度和电气性能。而当更简单的替代方案能够满足需求时，它们可能提供更高的整体性价比。