用于高速光电组件的光焊球阵列封装技术

电子

张瑞君

(中国电子科技集团公司第四十四研究所，重庆 400060)

摘要：本文介绍了用于高速光电组件的表面安装型焊球阵列(BGA)封装技术。
关键词：焊球阵列(BGA)；封装；光电组件
中图分类号：TN305．94 文献标识码：A
1 引言
最近，光电组件正在向类似于电子元器件的表面安装封装方向发展。在上世纪90年代中期，为实现光通信网络市场所需求的低成本和小尺寸封装，已开发了C-CSP(陶瓷-芯片规模封装)，以使C-CSP替代薄型小外形封装(TSOP)、四侧引脚扁平封装(QFP)等，适应封装市场需要的CSP要具备以下条件：
①从现有的封装生产方式中获得大容量的利用率；
②好的板级可靠性，TCT达1000次(-25-125℃)；
③月产量为1百万只，每个低成本插件为0．8美分。
C-CSP则符合上述全部条件，并已应用于许多消费类电子产品，如数字视频便携式摄像机、移动手机等。然而，由于光组件一般比电子部件大得多，所以具有印刷布线板(PWB)的光组件组装在可靠性方面不太稳定；又由于传统的封装结构在管壳中有金属导线。为提高板级的可靠性，则用焊料将金属导线与PWB连接在一起。实用化的表面安装形式是第二级组装与基板的焊接片互连，诸如平面栅格阵列(LGA)和球面栅格阵列(BGA)封装。
2 光BGA概念
光BGA封装是在管壳的下部表面阵列式排布许多球形焊接凸点，集成电路芯片可采用倒装焊或引线键合载带自动焊(TAB)安装在管壳上部表面上，如图1所示。

光BGA封装是高密度、高I／O数应用领域中的重大突破，是最实用、最便宜、可靠性高、性能好的一种封装形式，已成为上世纪90年代封装的主流技术。光BGA封装技术的优点是：
●减少了封装部件的数量，封装尺寸小，I／O数密度高；
●适合于采用SMT，与通常线焊相比无引线损伤问题；
●引脚短，缩短了信号路径，减小了引线电感和电容，改善了电气性能；特别适合于多引线器件封装；

●RF线可直接与低插入损耗的PWB焊片连接，热沉位于PWB焊片下面，可直接散热，获得良好的热特性。
●封装成品率高，效率高，降低了成本；
●安装与焊接方便，焊接可靠性高；
●有自对准效应，对准精度要求低，生产效率高；
●适合于多芯片组件(MCM)封装需要，有利于实现MCM的高密度、高性能。
光BGA封装技术可满足微型化、低成本的高速信号传输网络市场需要。BGA封装不仅优化了表面安装技术，并对MCM的发展也起到重要作用。光BGA封装技术有待于解决的问题有：BGA与基板材料间的热膨胀系数匹配问题；有采用PWB的光组件可靠性不太稳定的问题。
3 光BGA封装材料
光BGA封装管壳常采用陶瓷材料，这种坚固耐用的陶瓷材料有许多优点，如具有微型设计规则的设计灵活性、简易的工艺技术、高性能和高可靠性，一般通过改变管壳的物理结构即可进行光BGA封装设计。
陶瓷材料还具有气密性和良好的一级可靠性。这是由于陶瓷材料的热扩散系数与GaAs器件材料的热扩散系数非常相近。而且，由于陶瓷材料可采用重叠的通道进行三维布线，将减小整个封装尺寸。
在一般情况下，由于热量可使管壳变形，所以安装光器件时必须控制热量。光器件与光纤的最后对准还可产生移动，这将改变光特性。采用陶瓷材料则热变形很小。因此，陶瓷材料很适合于光电组件封装，并对光通信传输网络市场产生重大影响。
4 光BGA封装特性
光BGA封装有两个主要特性：电特性和热特性。
4.1 电特性
为了获得高速传输(10Gb／s)性能，关键是从激光二极管(LD)的焊片到焊接凸点通道要进行最佳化的电子设计。高速表面安装封装必须将通路孔设计、内部图形和用于焊接凸点的焊片这三个重要部分最佳化，以便获得最佳阻抗匹配。传统封装结构的电信号连接是从管壳的上部直接到下部，无阻抗匹配控制。在陶瓷的每个面上完成信号图形和接地图形，再通过通道孑L进行连接。当传输高速信号时，这种传统结构很不稳定。而改进后的光BGA封装结构则有良好的阻抗匹配控制，可获得稳定的高速信号。图2示出传统的封装结构与改进后的光BGA封装结构的比较。

为实现高速传输，光BGA封装结构必须最佳化:
●通路孔最佳化
为使与LD连接的上部图形最佳化，可采用共平面连线。为使通路孔最佳化，设置了接地通道以便控制阻抗。通过调节控制信号与接地线之间距离便可控制阻抗。
●内部图形最佳化
内层设计也必须进行阻抗匹配。图3为改进后BGA封装结构的内部图形，在信号线周围设置了一个信号通路和多个接地通道。为获得阻抗匹配，还要将接地通道位置的距离和角度进行最佳化。

●焊球焊片最佳化
焊球与接地线之间的电容值是一个重要参数。一般在减小面积的同时还要控制阻抗。为减小尺寸而减小焊接片与信号通道间的距离，则可导致高电容和低阻抗。所以，为控制阻抗，内部接地层的间隙必须大于信号焊片直径。
4．2 热特性
传统的封装结构在管壳中有金属导线。为提高可靠性，则用焊料进行金属导线与PWB之间的连接，但其缺点是所产生的热量可导致管壳变形，所以安装光器件时必须控制热量。此外，为获得最小化和低成本，光BGA的封装中包括驱动器集成电路(1C)，然而，该驱动器IC可产生1．5W的热量，并可影响LD性能，对LD的光功率和板极可靠性有较大影响。通常速率为2．4Gb／s的DFB-LD所要求的工作温度为0-70℃，因此驱动器IC所产生的热量必须控制在该温度范围以内。采用Cu-W制成的热沉有极好的散热能力。已设计了用于大规模集成电路(LSI)组件区和DFB-LD组件区的热沉。图4中示出了模拟组件，并在表1中示出其测量数据。光BGA封装具有良好的热特性。尽管LSI产生1．5W的热量，但LD组件区却可保持在70℃以下，以保证LD性能不会下降。

在图5中示出了典型的最佳化光BGA封装特性的测量结果。在传输速率为2．5GHz时，回波损耗为-20．83dB、插入损耗为-0．09dB；在传输速率为10GHz时，回波损耗为-19．00dB、插入损耗为-0．96dB。此外，在300次无故障中进行二级组件可靠性测试，证明在苛刻环境中，采用光BGA封装的LD性能没有下降。

5 发展趋势
目前，由于对更高数据传输速率、低成本和系统微型化的需求，正在促进用户系统的传输容量大幅度增长。随着因特网容量的急剧扩大，需要高速率传输系统。目前，2．4Gb／s速率传输网络和10Gb／s速率数据通信网络领域市场正在增长。在图6中示出了短距离局域网络的光电组件封装发展趋势：光电组件将从分离型转向MCM型、从导线型转向球形连接型。而且，由于非致冷组件的出现，在2004年将可实现40GHz的定向调制器。为了向MCM封装方向发展，不仅要开发光电器件技术，也要开发光电器件封装技术。此外，MCM封装技术的发展也决定了光电子器件市场的发展。

目前，光BGA以其性能和价格优势正成为封装的主流技术。为满足高速信号传输、微型化和低成本光传输网络需要，光BGA封装技术还在不断发展。未来将进行高频封装的高密度设计，不断开发包括低损耗布线和低介电陶瓷材料在内的新型材料，并将按照系统级可靠性进行2nd组件可靠性测试。

本文摘自《电子与封装》

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