Bereits in den 1990er Jahren haben sich elektronische Produkte in Richtung Tragbarkeit, Miniaturisierung, Vernetzung und Multimedia entwickelt, was wiederum entsprechende Anforderungen anElektronikmontageTechnologie
• Verbesserung des Informationsgehalts pro Volumeneinheit, das heißt hohe Dichte;
• Verbesserung der Verarbeitungsgeschwindigkeit pro Zeiteinheit, das heißt höhere Geschwindigkeit.
Um die oben genannten Anforderungen zu erfüllen, muss die Funktionsdichte der Schaltungsanordnung erhöht werden, was zum entscheidenden Faktor wird, der die Gehäusetechnologie für elektronische Bauelemente weiter vorantreibt.
Mit abnehmender Gehäusegröße steigt anschließend die Verbindungseffizienz. Verbindungseffizienz bezeichnet das Verhältnis zwischen der maximalen Chipgröße und der Gehäusegröße. Anfang der 1990er Jahre konnte die Verbindungseffizienz von PQFP (Plastic Quad Flat Package) höchstens 0,3 betragen. Danach lag das Verbindungsverhältnis von CSP (Chip Scale Package) bei 0,8 bis 0,9. Inzwischen ist das Verbindungsverhältnis der neuesten Gehäusegeneration höher als das von COB (Chip on Board) und entspricht dem von FC- (Flip-Chip-)Gehäusen.
In Zukunft wird sich die Verpackungstechnologie in folgende Richtungen entwickeln:
• Teilweise CSP wird standardisiert und in Massenproduktion hergestellt;
• Die CSP-Industrie wird aufgebaut, wobei einige grundlegende Industriezweige in Bezug auf Materialien, Montage, Prüfung und Onboard-Montage usw. gegründet werden.
• Die FC-Packaging-Technologie und die entsprechende Basisindustrie werden weiterentwickelt werden;
• WLCSP (Wafer-Level-Chip-Scale-Gehäuse) wird sich mit dem Aufschwung der entsprechenden Branchen entwickeln.
Pins, die sich von der Peripherie bis zum Array erstrecken
Über Jahrzehnte hinweg hat sich die Gehäusetechnologie für Bauelemente kontinuierlich weiterentwickelt, im Einklang mit dem Fortschritt der ICs (integrierte Schaltungen). Jede Generation von ICs erfordert eine bestimmte Generation von Gehäusetechnologie, und der Fortschritt der SMT (Surface-Mount-Technologie) treibt die Gehäusetechnologie für Bauelemente auf ein neues Niveau. Mittel- und kleinskalige ICs, die in den 60er- oder 70er-Jahren eingesetzt wurden, waren in hohem Maße von TO-Gehäusen (Transistor Outline) abhängig; anschließend wurden DIP (Dual In-line Package) und PDIP (Plastic Dual In-line Package) entwickelt, die später in dieser Zeit eine führende Rolle spielten.
Mit dem Aufkommen der SMT in den 1980er Jahren bevorzugten IC‑Gehäuse LCC (Leadless Ceramic Carrier), PLCC (Plastic Leadless Ceramic Carrier) und SOP (Small Outline Package), da sie besser mit SMT kompatibel waren, das kurze oder keine Anschlüsse erforderte. Anschließend hat das QFP (Quad Flat Package) nach jahrzehntelanger Forschung und Entwicklung nicht nur die Gehäuseprobleme des LSI‑Packages gelöst, sondern lässt sich auch reibungslos mit der SMT‑Bestückung auf Leiterplatten (Printed Circuit Board, PCB) kombinieren. Alle oben genannten Vorteile des QFP machen es in elektronischen Produkten mit SMT herausragend, und das gilt bis heute. Die QFP‑Anschlüsse sind auf vier Seiten wie Möwenflügel ausgeführt und enthalten deutlich mehr I/O‑Pins als SOP, das Möwenflügel‑Anschlüsse nur auf zwei Seiten besitzt. Um mit dem weiteren Fortschritt der Bestückungsdichte in der Elektronik kompatibel zu sein, hat sich der Anschlussabstand von QFP von 1,27 mm auf 0,3 mm entwickelt, was wiederum eine stetige Erhöhung der I/O‑Pin‑Anzahl und eine Verkleinerung des Gehäusevolumens mit sich bringt. Dadurch entstehen jedoch größere Schwierigkeiten bei der elektronischen Bestückung, was zu einer Verringerung der Durchlaufquote und zu höheren Bestückungskosten führt. Zudem ist aufgrund der Grenzen der Fertigungstechnologien hinsichtlich der Präzision bei der Herstellung von Anschlussrahmen 0,3 mm zur Untergrenze für den QFP‑Anschlussabstand geworden, was die weitere Erhöhung der Bestückungsdichte stark ausbremst. Daher lässt sich voraussehen, dass die Weiterentwicklung des QFP an ihr Ende gelangt ist. Aus diesem Grund beginnt man, nach anderen Gehäusetypen wie BGA (Ball Grid Array) zu suchen. Die I/O‑Pins von BGA‑Gehäusen sind als Kugeln oder Säulen in einem Raster unter dem Gehäuse angeordnet. Darüber hinaus zeichnen sich BGA‑Gehäuse durch große Anschlussabstände und kurze Anschlüsse aus, was zur Lösung von Ebenheits‑ und Verzugproblemen beiträgt, die von Anschlüssen in Fine‑Pitch‑Bauteilen herrühren. Die Vorteile der BGA‑Technologie liegen in ihrer Fähigkeit, I/O‑Pin‑Anzahl und ‑Abstand zu erhöhen, wodurch die hohen Kosten und die geringe Zuverlässigkeit, die aus der hohen I/O‑Pin‑Anzahl der QFP‑Technologie resultieren, behoben werden.
Das Aufkommen von BGA kann als ein Durchbruch in der Verpackungstechnologie angesehen werden, da es nicht nur in der Lage ist, mehr I/O-Pins aufzunehmen, sondern auch so ausgelegt werden kann, dass es in zwei oder mehreren Lagen aufgebaut ist, um den Funktionen der ICs zu entsprechen. Dadurch ist es möglich, den Widerstand zu optimieren, zwei oder mehr Chips auf derselben Grundplatine zur Verbindung anzuordnen und sie anschließend im selben Gehäuse zu verpacken, was als MCM (Multiple Chip Module) bezeichnet wird. Wenn FC-Technologie eingesetzt wird, ist die Beteiligung von Metalldrähten für die Verbindung nicht erforderlich. Dies trägt dazu bei, die Arbeitsgeschwindigkeit der ICs zu erhöhen und den Komplexitätsgrad sowie den Stromverbrauch zu verringern.
Entwicklung von BGA
BGA ist eine Art von Oberflächenarray-Gehäuse, das sich hervorragend für SMT eignet. In den 1960er Jahren begann die Forschung zu BGA, während seine praktische Anwendung nach 1989 Fahrt aufnahm. Seitdem das Kunststoffgehäuse 1989 von Motorola und Citizen entwickelt wurde, wurden Entwicklung und Anwendung von BGA stark gefördert. 1991 wurde PBGA (Plastic Ball Grid Array) mit einem Harzsubstrat entwickelt, das sich gut für Funk-Sendeempfänger und Computer eignet. 1993 begann PBGA auf dem Markt zu erscheinen und war bereit für den praktischen Einsatz. Bereits 1995 wurden BGA-Gehäuse weit verbreitet eingesetzt. Bis heute werden PBGA-Bauteile vor allem in Telekommunikationsprodukten, Fernkommunikationsgeräten, Computersystemen und Workstations eingesetzt.
Unter all den Vorteilen des BGA-Gehäuses liegt der wesentliche in der Anwendung einer Matrixanordnung der Lötbälle, wodurch es einen großen Abstand zwischen den Pins aufweist, was die Montageleistung erheblich steigert. Dadurch kann das BGA-Gehäuse entwickelt und eingesetzt werden. Nichtsdestotrotz weist PBGA ebenfalls einige Probleme auf. Zum Beispiel neigt das Kunststoffgehäuse dazu, Feuchtigkeit zu absorbieren; die Trägerplatte neigt dazu, sich zu verziehen; alle Arten von BGA-Bauteilen sind nach dem Löten schwer zu inspizieren und nachzuarbeiten. Alle genannten Probleme führen dazu, dass BGA-Gehäuse in extremen Umgebungen mit Zuverlässigkeitsherausforderungen konfrontiert sind. Diese Probleme sind jedoch bis zu einem gewissen Grad gelöst worden. So hilft beispielsweise CBGA (Ceramic Ball Grid Array), das Problem der Feuchtigkeitsaufnahme zu überwinden; TBGA (Tape Ball Grid Array) kann das Problem der Feuchtigkeitsaufnahme ebenfalls überwinden und gilt als kostengünstiges Gehäuse mit hoher Anzahl von I/O-Pins und hoher Leistung. Da nun zahlreiche Arten von BGA-Bauteilen entwickelt wurden und die technischen Probleme überwunden sind, begann BGA bereits im Jahr 1998 weit verbreitet eingesetzt zu werden. QFP wird vorrangig für Anwendungen mit weniger als 200 I/O-Pins ausgewählt, während BGA vorrangig für Anwendungen mit mehr als 200 I/O-Pins ausgewählt wird.
Bonding von BGA und FC
Die Verbindung von BGA-Gehäuse und FC-Technologie bietet folgende Vorteile:
• Die Anzahl der I/O-Pins kann sehr hoch sein (1.000 bis 2.000), und fortschrittliche MCMs erfordern viele I/O-Pins;
• Parasitäre elektrische Parameter können reduziert werden, und Impedanz sowie Übersprechen können um das 5- bis 10‑Fache verringert werden;
• Die Lötzeit von Metalldrähten kann verkürzt werden.
• Höhere Wärmeableitungsleistung;
• Kleinere Größe.
CSP
Obwohl das Aufkommen und die Weiterentwicklung von BGA die Schwierigkeiten, mit denen QFP konfrontiert ist, erfolgreich gelöst haben, kann das BGA-Gehäuse dennoch die Anforderungen elektronischer Produkte in Bezug auf Miniaturisierung, Multifunktionalität und höhere Zuverlässigkeit nicht vollständig erfüllen und auch nicht weiter den Anforderungen an eine Steigerung der Verpackungseffizienz oder das Erreichen der intrinsischen Übertragungsrate genügen. Daher tritt CSP auf den Plan.
Bei einer mit BGA vergleichbaren Struktur liegt der Unterschied zwischen CSP und BGA in seinem kleineren Lotkugeldurchmesser, der feineren Teilung und der geringeren Dicke, sodass innerhalb derselben Gehäusefläche mehr I/O-Pins zur Verfügung stehen, das heißt, die Bestückungsdichte steigt. Mit anderen Worten, CSP ist eine verkleinerte Version von BGA.
Bislang ist das am weitesten verbreitete CSP das WLCSP mit den folgenden Vorteilen:
• Sowohl Wafer als auch WLCSP‑Bauteile können in derselben Produktionslinie und nach demselben Produktionsplan gefertigt werden, und die Produktionsumsetzung kann optimiert werden;
• Silizium‑Fertigungstechnologie und anschließende Verpackungsprüfung können am selben Ort durchgeführt werden, wodurch der Automatisierungsgrad der Waferfertigung verbessert wird;
• Testkosten und Investitionskosten können reduziert werden;
• Logistikarbeiten können optimiert werden.
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Hilfreiche Ressourcen
•Einführung in die SMT-Verpackungstechnologie
•Eine Einführung in die BGA-Verpackungstechnologie
•Eine kurze Einführung in BGA-Gehäusetypen
•Faktoren, die die Qualität der BGA-Bestückung beeinflussen
•Vergleich zwischen Ultra-Fine-Pitch-QFP und BGA und deren Entwicklungstrend
