BGA芯片級封裝老化測試插座的設(shè)計(jì)研究-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯BGA芯片級封裝老化測試插座的設(shè)計(jì)研究-設(shè)計(jì)應(yīng)用摘要：由球柵陣列轉(zhuǎn)向細(xì)節(jié)距BGA的行動(dòng)正在受到降低封裝尺寸要求的推動(dòng)。此外，與增加功能有關(guān)的I/O數(shù)量的增加對降低陣列的間距進(jìn)一步產(chǎn)生了壓力。BGA封裝在給定的面積當(dāng)中將I/O的數(shù)量提高至化，對越來越小腳跡的需求推動(dòng)了節(jié)距小于1.0mm封裝的發(fā)展。近三年芯片級封裝的發(fā)展是對更小封裝的興趣和需求的證言。為實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)技術(shù)商品化所需支持的"基礎(chǔ)設(shè)施",經(jīng)常就是電路板接受任何新型封裝的入門項(xiàng)目。該基礎(chǔ)設(shè)施的重要元件就是老化測試插座。

細(xì)節(jié)距BGA封裝含有的節(jié)距小于1.0mm,對印制線路板工業(yè)和老化插座設(shè)計(jì)師們提出了許多挑戰(zhàn)。如何使得接觸焊球溫度在125°C而不在接觸焊球的底部或在焊球上留下明顯的見證印記，是一個(gè)特別困難的問題。在焊球可用的空間中，為插座設(shè)計(jì)和生產(chǎn)出零件以接觸和保持封裝增加了這個(gè)問題的難度。本文將描述目前對接觸焊球所采用的某些方法，以及采用節(jié)距在1.0mm和0.75mm之間的雙臂夾捏接觸件的解決方案，并用它來說明如何克服這些挑戰(zhàn)。

今天，有些閃存器件的封裝采用0.65mm節(jié)距，DSP具有100多個(gè)I/O,采用0.5mm的細(xì)節(jié)距球柵陣列（FP–BGA）封裝。對這些器件必須研制具有成本效益的老化插座解決方案。本文將對某些概念設(shè)計(jì)進(jìn)行討論，并對Sensata公司的產(chǎn)品進(jìn)行了分析。

引言

發(fā)明晶體管和集成電路的挑戰(zhàn)一直是將更多能量和功能投入到更小的封裝當(dāng)中，同時(shí)使得封裝便于處理和與外界對接。這樣就造成了一系列按字母排列的封裝，包括：DIP（雙列直插式封裝）、PGA（針柵陣列）、PLCC（無引線芯片載體）、LCCC（無引線陶瓷芯片載體）、QFP（四邊引線扁平封裝）、TQFP（薄形四邊引線扁平封裝）和BGA（球柵陣列）等。

圖1CSP相對QFP的尺寸優(yōu)勢

個(gè)人電子工業(yè)的增長尤其在日本，為降低系統(tǒng)尺寸和重量提供了動(dòng)機(jī)，成就了愈來愈小封裝的發(fā)展。所有的封裝路線圖都指向裸芯片，然而，處理和試驗(yàn)的困難和成本已經(jīng)推遲了裸芯片這一格式的廣泛接受。作為常規(guī)封裝和裸芯片近尺寸縮小攻關(guān)的妥協(xié)結(jié)果，已經(jīng)研制出了尺寸大約為硅芯片尺寸的一類封裝，即所謂的芯片尺寸或芯片級封裝（CSP）。圖1比較了作為QFP和作為FP–BGA而封裝的產(chǎn)品尺寸的照片。英特爾公司表示，把8Mbit的閃存封裝為？BGA時(shí)較與之相當(dāng)?shù)腡SOP可減小尺寸達(dá)80%.

芯片級封裝的接受和使用似乎在日本非常流行。雖然有50多種不同的CSP結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體公司似乎都有他們自己的品種，處理和測試這些器件的困難已經(jīng)向服務(wù)后端和測試基礎(chǔ)設(shè)施的供應(yīng)商發(fā)出了挑戰(zhàn)。如果GilOlachea的預(yù)言是正確的，這將繼續(xù)成為令人關(guān)心的問題。按關(guān)于芯片密度增加的摩爾定律，Olachea已經(jīng)提出："半導(dǎo)體封裝的數(shù)量每六年將近翻番。"這暗示到2022年，將有120種不同形式的CSP.

看好的一類CSP是FP-BGA.這是BGA的邏輯發(fā)展，節(jié)距和球體尺寸減小了。FP–BGA一般歸類為BGA,其在中心的焊球小于1.0mm,已寫成或正在編寫的節(jié)距標(biāo)準(zhǔn)為0.8、0.75和0.5mm.

設(shè)計(jì)考慮

一般商業(yè)問題

對老化插座的要求涉及對機(jī)械、電、熱、可靠性和可重用性的功能考慮及商業(yè)成本問題。這些要求與試驗(yàn)插座的要求稍微有所區(qū)別。在不到1.00mm節(jié)距上接觸I/O的挑戰(zhàn)對兩種型號的插座均相同，然而，試驗(yàn)頻率、重復(fù)使用次數(shù)及高溫暴露有非常大的不同。Pfaff曾提供了涉及到研制CSP插座的商業(yè)和技術(shù)問題的極好述評。表1來自Pfaff的論文，總結(jié)了試驗(yàn)和老化插座之間的關(guān)鍵要求和區(qū)別。

表1試驗(yàn)和老化插座要求比較

批量是試驗(yàn)及老化插座所采用的制造工藝和價(jià)格差別的關(guān)鍵。在一種新型封裝的早期使用和驗(yàn)收期間，老化插座的價(jià)格會很高，這就是CSP插座的當(dāng)今。存貯器件用常規(guī)TSOP插座的價(jià)格范圍在6~15美元，具體取決于I/O的特定數(shù)量。用于0.75mmFP–BGA帶有48個(gè)I/O的插座的價(jià)格范圍在35~50美元，這個(gè)價(jià)格完全按批量的大小來決定。供應(yīng)商已經(jīng)表示，該價(jià)格將遵循常規(guī)的學(xué)習(xí)/批量坡度曲線，當(dāng)批量增加時(shí)，預(yù)計(jì)10~15美元的價(jià)格將是常見的。

人們對于CSP的各個(gè)性質(zhì)和整體封裝外形缺乏標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)表示了關(guān)心。對這個(gè)問題尚不明確的是CSP插座是否將保持定制解決方案，實(shí)現(xiàn)降低成本的機(jī)會是，能夠生產(chǎn)出銷售到許多顧客的插座。關(guān)于這種設(shè)計(jì)的考慮將在下面說明。

據(jù)報(bào)導(dǎo)，CSP的市場在2022年大約為4億只，在2022年為21億只，CAGR達(dá)15%.其它預(yù)測沒有如此有進(jìn)取心，但是也表現(xiàn)了明顯的增長機(jī)會，2022年CSP的容量在10~20億只之間。雖然不是所有的封裝都需老化插座，這一增長提供了實(shí)實(shí)在在的機(jī)會，插座供應(yīng)商們正在辛勤地工作，以研制出具有成本效益的解決方案。

機(jī)械性能

在研制老化插座的過程中必須考慮幾個(gè)設(shè)計(jì)問題，評述如下：

1.器件加載

基本上有兩種類型的插座設(shè)計(jì)：蛤殼式和開頂式。蛤殼式設(shè)計(jì)對小批量手工加載和卸載看好。對于大批量的應(yīng)用，優(yōu)選零插入力或開頂式設(shè)計(jì)，這是因?yàn)椴捎媚壳暗淖詣?dòng)化設(shè)備，器件的加載和卸載簡單易行。

圖2是開頂式插座的照片，它設(shè)計(jì)用于54腳I/O的？BGA存貯器產(chǎn)品。圖中示出了該適配器的輪廓，由適配器確定器件的位置，鎖片使封裝對準(zhǔn)。

圖2有54個(gè)I/O的BGA閃存器件開頂式插座當(dāng)按下插座的蓋子時(shí)，接觸件打開，鎖片移動(dòng)到側(cè)面。將封裝推入插座中，與適配器的側(cè)邊對齊。當(dāng)把蓋子閉合時(shí)，鎖片引導(dǎo)封裝并確保封裝正確定位，使得接觸件接住焊球。

2.插入次數(shù)

要求插座可以重復(fù)使用多次，典型的設(shè)計(jì)要求可插入1萬次或2萬次。這就對插座耐磨和耐應(yīng)力的能力及彈性元件的低循環(huán)疲勞強(qiáng)度提出了要求。這些問題當(dāng)中有許多可以運(yùn)用有限元方法及快速原型測試方法在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行評價(jià)，以便在投入硬模之前就測試基本設(shè)計(jì)。

3.接觸焊球

這是一個(gè)復(fù)雜的問題，已經(jīng)提出了許多不同的概念。設(shè)計(jì)問題包括：

A.接觸焊球而不造成任何損傷

B.穿透表面氧化層

C.如圖3所示，保護(hù)NDZ（無損區(qū)）

圖3CSP插座大客戶要求的“非損區(qū)”或探針“排外”區(qū)對于接觸焊球，已經(jīng)提出了若干種方法，分成三種基本類別。其中一些并不滿足不觸及焊球底部的要求：

A.夾捏式接觸件，運(yùn)用某種彈性元件接觸球的側(cè)面

B.探針接觸件，例如測試探針和模糊按鈕

C.薄膜接觸件，包括陶瓷體導(dǎo)電環(huán)氧樹脂、柔體粗凸點(diǎn)和硅體袋狀蝕刻

其中一些接觸件示意于圖4.為了更加全面的列舉和說明，讀者可查閱Crowley給出的CSP市場和技術(shù)分析。

圖4用于接觸焊球的某些概念設(shè)計(jì)

4.高溫暴露

老化爐工作于各種不同的溫度下。然而，典型的老化溫度為150°C,在插座的壽命期間，在高溫下的總時(shí)間可能超過1000小時(shí)。由于老化期間加載了接觸件，彈性元件經(jīng)過了應(yīng)力松弛。其中一種彈性合金為CDA-172000,它是一種鈹青銅合金。這種材料由于其兼具有可成型性、模量大、屈服強(qiáng)度高和應(yīng)力松馳性能好，已經(jīng)廣泛用于老化插座。

一種沖壓成型的接觸件由鈹青銅制成，用于0.75mm節(jié)距的插座示于圖5.這是一種具備現(xiàn)代工藝水平的金屬成型的零件，片狀材料的厚度僅為0.12mm（0.0047"）。

圖5在0.75mm插座中接觸焊球所使用的夾捏式接觸件示意夾捏式接觸件的優(yōu)點(diǎn)是：接觸荷載是由應(yīng)力懸臂梁簧片提供的，沒有荷載施加于封裝的表面。芯片上僅有的垂直荷載是通過使封裝與插座對齊的鎖片提供的。對于使用測試插針的接觸件，電鍍的凹點(diǎn)或其它種類的探針式插針必須經(jīng)過芯片才能施加垂直荷載。既然在許多CSP當(dāng)中，芯片就是封裝，這意味著直接按壓硅片，從而有可能損傷芯片。

通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和組裝技術(shù)，夾捏式接觸件可以滿足要求，而不會在焊球的底部留下探針印記。圖6是圖3所示插座的橫截面，芯片已就位，顯示了許多接觸件緊握焊球。接觸點(diǎn)高于焊球的中緯線，接觸探針標(biāo)記處于"無損傷區(qū)"之外。這一夾捏動(dòng)作具有試驗(yàn)期間將封裝保持在插座中的好處。在經(jīng)過125°C、9小時(shí)之后在焊球上留下的見證標(biāo)記示于圖7.

圖6插座的橫截面顯示接觸焊球的夾捏式接觸件

圖7在經(jīng)過125°C、9小時(shí)的老化之后，在焊球上留下的探針標(biāo)志SEM照片

與BIB（老化板）的接口

大多數(shù)的老化板為通孔，標(biāo)準(zhǔn)印制板技術(shù)很容易接納具有1.2~1.00mm節(jié)距的插座。然而，對CSP,該節(jié)距小于1.0mm,對高I/O數(shù)的器件，這會為BIB（老化板）制造商產(chǎn)生信號逃逸的問題，為I/O節(jié)距為0.75mm的插座打出通孔并非常規(guī)方法所能，今天代價(jià)更加高昂。

為降低或消除與BIB接口的問題，可以使用一個(gè)內(nèi)插器（適配器）。它也被稱為扇出板，是一種焊接到插座底部上的小子卡。這個(gè)適配器以較為常規(guī)的1.27mm節(jié)距向老化板提供了接口。此外，增加了插針的尺寸，提供了更大的強(qiáng)度且便于在BIB上裝配操作。

圖8示出了一種內(nèi)插器和插座。相比插座上的接觸件尾體，內(nèi)插器上插針的堅(jiān)固性可見一般。內(nèi)插器的腳跡大小與插座相同，因此，在BIB基板面中沒有采用內(nèi)插器的不利后果。插座的高度增加不到2mm（0.080"）。

圖8用于48個(gè)I/0的0.75mmCSP插座的內(nèi)插器照片，用來使得與BIB相接更加方便

封裝尺寸的變化

供應(yīng)商的重大挑戰(zhàn)將是在產(chǎn)品壽命期間適應(yīng)封裝尺寸變化的能力。芯片收縮是在半導(dǎo)體產(chǎn)品壽命期間降低成本計(jì)劃的組成部分，對于常規(guī)封裝的元器件，器件腳跡是在計(jì)劃的開始就規(guī)定好了，芯片的收縮包括在封裝之內(nèi)，對于插座或其它試驗(yàn)接觸器件沒有影響。對許多芯片級封裝來說，芯片尺寸規(guī)定了器件腳跡。隨著芯片的收縮，整個(gè)封裝的尺寸將減小，相當(dāng)于一個(gè)新的封裝或器件，就位的插座將無法在不經(jīng)修改的情況下處理新封裝。假定產(chǎn)品壽命期間某些芯片經(jīng)歷2或3次芯片收縮，這對基礎(chǔ)設(shè)施成本的潛在影響意義重大。

圖9為在0.5mm節(jié)距上接觸焊球而蝕刻成的硅袋SEM照片

圖10采用硅袋內(nèi)插器老化后焊球的SEM照片

Sensata的插座設(shè)計(jì)師已經(jīng)考慮到這一點(diǎn)，在圖3中所示的插座有一個(gè)可移去的適配器。這個(gè)適配器是一種精密模壓的零件，它使芯片與夾捏接觸件對齊，甚至在把插座安裝在老化板之后還可除去。這種通過替換適配器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場修整的能力，允許終用戶方便地在元件壽命期間接納封裝腳跡中的任何變化。該適配器亦允許在許多場合中使用同樣的插座，只要I/O腳跡相同，封裝適合于插座的外形性能。

未來

對節(jié)距小于0.75mm的封裝具有成本效益解決方案的需求，已經(jīng)被許多用戶指明。今天人們可利用許多技術(shù)，但是認(rèn)為它們不具有成本效益，并且不容易改裝用于大批量處理和加工設(shè)備中的裝機(jī)基礎(chǔ)之中。總之，這些技術(shù)是為測試裸芯片而研制的載體的延伸。

在柔性薄膜上的接觸焊盤

Sensata的DieMate產(chǎn)品具有MMS（大量生產(chǎn)系統(tǒng)）法生產(chǎn)的柔性薄膜，目前這一技術(shù)正在進(jìn)行CSP使用評價(jià)。

導(dǎo)電環(huán)氧凸點(diǎn)

在陶瓷或柔體上的導(dǎo)電環(huán)氧凸點(diǎn)可以用來接觸焊球。焊球的底部變形位于"無變形區(qū)"之內(nèi)，具體依賴于所采用的接觸荷載和溫度/時(shí)間。

硅內(nèi)插器

已經(jīng)建議采用的另一方法是采用蝕刻而成的硅袋，示于圖9.這是已知好芯片載體技術(shù)的另一延伸，造成的探針標(biāo)志示于圖10.可見焊球底部已經(jīng)變形。

總結(jié)

今天，商業(yè)上已可為節(jié)距為0.8mm和0.75mm