7 種 BGA（球柵陣列）封裝類型詳解
3 分鐘
重點摘要：BGA 封裝類型
● BGA 封裝可在 HDI PCB 上實現高 I/O 密度並提升電氣性能。
● 不同 BGA 類型分別針對成本、散熱性能、訊號完整性或可靠性進行最佳化。
● 選錯 BGA 封裝可能導致回流缺陷、熱失效或 SI/PI 問題。
● 正確的封裝選擇必須與 PCB 疊構、回流曲線及應用環境相符。
球柵陣列（BGA）封裝對 高密度互連（HDI）設計 影響深遠。與傳統引線框架封裝（如 QFP、SOIC）不同，BGA 不受周邊間距與引線共面限制，而是利用整個封裝底部進行 I/O 佈線。BGA 封裝的熱、電、機械特性使其能妥善管理現代 FPGA、處理器與記憶體晶片的高接腳數。
因此，使用 JLCPCB PCB 組裝服務 的設計者必須透徹了解 BGA 封裝的熱機械特性與組裝物理，才能最佳化訊號完整性（SI）與電源完整性（PI）。
安裝於高密度互連 PCB 上的球柵陣列（BGA）封裝巨觀視圖。
認識 BGA 封裝
在深入不同 BGA 封裝類型前，必須先清楚其基本架構。核心 BGA 由五大元件組成：基板（有機或陶瓷）、晶片黏著區、互連結構（打線或覆晶凸塊）、封裝材料與焊球陣列。其中基板同時扮演機械載體與電氣介面，將訊號從晶片傳導至周邊連接。
以下關鍵參數定義 BGA 的性能特性：
● 球距：兩焊球中心距離，早期設計為 1.5 mm，極細間距可達 0.4 mm。
● 基板材料：BT（雙馬來醯亞胺三嗪）樹脂因電氣特性佳而首選，FR-4 因價格低而常用，陶瓷基板則具最佳導熱性且與矽 CTE 匹配。
焊料成分：傳統共晶 SnPb（63/37 錫鉛）已大量被無鉛替代，如 SAC305（96.5% 錫、3% 銀、0.5% 銅）與 SAC405。這些合金熔點與機械性質各異，是 JLCPCB PCB 組裝回流製程的主要考量。
| 封裝類型 | 球距範圍 | 基板材料 | 典型應用 | 散熱性能 |
|---|---|---|---|---|
| PBGA | 1.27 mm – 1.0 mm | BT 樹脂、FR-4 | 消費電子、MCU | 中等 (θJA: 25–35 ℃/W) |
| CBGA | 1.27 mm | 陶瓷 (Al₂O₃) | 航太、軍規 | 優異 (θJA: 15–20 ℃/W) |
| TBGA | 0.8 mm – 0.5 mm | 聚醯亞胺膠帶 | 行動裝置 | 良好（超薄封裝） |
| FCBGA | 1.27 mm – 0.8 mm | 有機層壓板 | 高效能處理器 | 極佳 (θJA: 10–18 ℃/W) |
| 𝜇BGA | 0.65 mm – 0.4 mm | 薄有機板 | IoT、穿戴式、感測器 | 中等（晶片尺寸受限） |
| EBGA | 1.27 mm – 1.0 mm | 有機＋散熱片 | 功率放大器、高階 FPGA | 優異 (θJA: <12–18 ℃/W) |
| MBGA | 1.27 mm – 1.0 mm | 金屬（鋁） | 工業馬達、放大器 | 優異 (θJA: <15 ℃/W) |
BGA 封裝類型綜合比較
#類型 1 塑膠 BGA（PBGA）：基板物理
● 基板組成：PBGA 採用 BT（雙馬來醯亞胺三嗪）樹脂基板，選用 BT 而非標準 FR-4 是因為其玻璃轉移溫度更高（Tg ≈ 180 ℃）且吸濕更低。
● 熱機械限制：PBGA 主要失效模式為焊點剪應變，源自矽晶片（2.6 ppm/℃）與有機層壓基板（≈13–17 ppm/℃）之間的熱膨脹係數（CTE）不匹配。
● 濕敏等級：PBGA 易吸濕，依 J-STD-020 通常為 MSL 3 與 MSL 4。若超出車間壽命，須在 125 ℃ 烘烤，否則回流時快速膨脹的水氣會造成嚴重分層（爆米花現象）。
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PBGA 結構展示打線與 BT 樹脂基板層。
#類型 2 陶瓷 BGA（CBGA）：熱與 CTE 管理
在航太、電信等嚴苛環境中，陶瓷球柵陣列（CBGA）是可靠度首選。
● 基板：採用多層共燒陶瓷 (Al₂O₃) 基板。
● CTE 匹配：陶瓷基板 (CTE ≈ 6.7 ppm/℃) 與矽晶片幾乎完美匹配，大幅降低晶片黏著介面應力，但應力轉而集中在 PCB 與封裝間的焊點。
● 「非塌陷」焊球：CBGA 常用高溫焊球 (90Pb/10Sn) 以共晶焊料固定。在標準 SAC305 回流曲線下，主球體不熔化，僅共晶介面回流，維持一致站立高度。
#類型 3 覆晶 BGA（FCBGA）：最佳化訊號完整性
高效能運算（CPU、GPU、ASIC）中，打線電感過高。覆晶 BGA（FCBGA）以 C4（可控塌陷晶片連接）凸塊取代打線。
● 電感降低：典型打線引入 2–3 nH 寄生電感，C4 凸塊降至 <0.2 nH，對 >10 Gbps SerDes 通道至關重要。
● 電源配送網路（PDN）：垂直路徑阻抗更低，顯著降低高 di/dt 切換時的電壓塌陷（Vdroop）。
● 底部填充物理：晶片以凸塊剛性固定於基板，需以毛細底部填充環氧樹脂注入晶片與基板間，重新分布熱機械應力，防止凸塊龜裂（疲勞失效）。
| 參數 | FCBGA | 打線 PBGA | 性能提升 |
|---|---|---|---|
| 寄生電感 | 0.2–0.5 nH | 2–5 nH | 降低 5–10 倍 |
| 最高頻率 | >5 GHz | 2–3 GHz | 提升 >60% |
| 熱阻 (θJC) | 0.1–0.3 °C/W | 1–3 °C/W | 改善 5–10 倍 |
| 電源配送 (PDN 阻抗) | <5 mΩ | 15–30 mΩ | 改善 3–6 倍 |
打線 BGA 與覆晶 BGA 技術的訊號路徑電感比較。
#類型 4 膠帶 BGA（TBGA）：柔性方案
膠帶球柵陣列技術採用柔性聚醯亞胺膠帶基板，厚度 25–75 μm，附銅電路層。
● 散熱性能：TBGA 通常採用「cavity-down」結構，使晶片背面直接貼合散熱片。
● 應用：適合需要中等接腳數與優異散熱的薄型行動裝置。
#類型 5 微型 BGA（𝜇BGA）/晶片級封裝（CSP）
微型 BGA（μBGA）為常見的晶片級封裝（CSP），封裝佔位不超過晶片尺寸的 1.2 倍，廣泛用於智慧型手機、穿戴式與 DDR 記憶體。
● 極細間距：球距縮至 0.5–0.3 mm，置放容錯極低。
● 焊膏物理：間距 <0.4 mm 時，4 號粉焊膏（20–38 μm）易堵孔，需改用 5 號或更細粉。
● 機械強化：焊點小，跌落易裂，可攜式裝置建議採用底部填充（毛細或四角點膠）強化 CSP 與 PCB 間機械黏著。
#類型 6 強化型 BGA（EBGA）：熱最佳化
強化球柵陣列（EBGA）為新一代封裝，支援高功耗應用（5–20 W 以上）。
● 結構：EBGA 將金屬散熱片（多為銅或鋁）直接整合於封裝，晶片貼於散熱片，熱阻極低。
● 熱阻：新設計顯著降低結至環境熱阻（θJA）。
● PCB 設計注意：使用 EBGA 時，工程師須在元件下方設計密集熱導孔群，將熱量從散熱片傳至內層地平面。
EBGA 結構整合散熱片，強化熱管理。
#類型 7 金屬 BGA（MBGA）：強健熱管理
金屬球柵陣列（MBGA）採用金屬基板（通常為陽極處理鋁），而非傳統有機或陶瓷基板。
● 結構：晶片以導熱膠黏於金屬基板，再於金屬上層壓薄膜電路層，並以打線連接。
● 熱物理：鋁核心即大型整合散熱片，使 MBGA 熱性能可比擬 CBGA，但成本更低。
● 應用：MBGA 適用於工業馬達控制器、高功率運算放大器與電信線卡等以散熱為首要考量之場合。
MBGA 封裝結構，以鋁基板散熱。
如何為高速與高可靠度 PCB 設計選擇合適 BGA 封裝
選擇合適 BGA 封裝需系統性權衡電氣、熱、機械與成本參數。
● 電氣性能：應用需多 GHz 訊號完整性？務必採用寄生電感極低的 FCBGA；一般性能 PBGA 即可。
● 熱管理：以最糟功耗估算結溫：
若被動冷卻無法維持 Tj < 100 ℃，請升級至 CBGA 或 EBGA。
● 機械可靠度：軍規/航太熱循環需 CBGA 完美 CTE 匹配；高震動可考柱柵陣列（CGA）。
● 成本 vs. 複雜度：PBGA 最經濟；𝜇BGA 與 PoP 需高階 HDI（盲埋孔）製程，板成本顯著增加。
| 應用領域 | 建議 BGA | 關鍵選型因素 | 成本等級 |
|---|---|---|---|
| 消費電子 | PBGA | 成本導向，性能足夠 | $ |
| 行動/穿戴 | TBGA、𝜇BGA | 超薄、細間距 I/O | $$ |
| 高效能運算 | FCBGA | 極致電性能、低 PDN 阻抗 | $$$ |
| 航太/軍規 | CBGA、CGA | 高可靠、CTE 匹配、抗惡劣 | $$$$ |
| IoT 感測器 | 𝜇BGA | 微型化、低高度 | $$ |
| 電力電子 | EBGA | 強化散熱 (>10 W) | $$$ |
結論
在 PBGA、CBGA 或 FCBGA 間抉擇，是熱阻 (θJA)、寄生電感與成本的權衡。然而設計僅是起點。
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常見問題
Q1：BGA 扇出用 Type VII 與 Type I 貫孔有何差異？
Type I 為覆膜貫孔，助焊劑易殘留，用於 BGA 焊盤有風險。Type VII（IPC-4761）為塞孔與蓋孔（POFV）。球距 <0.5 mm 時，必須採用 Type VII 以避免焊料吸蝕與空洞。
Q2：為何 JLCPCB 多數 BGA 應用建議 NSMD 焊盤而非 SMD？
非防焊限定（NSMD）焊盤暴露銅側壁，焊料可環抱焊盤，增加焊點表面積，熱循環疲勞壽命提升 15–20%。防焊限定（SMD）焊盤僅用於極細間距（<0.4 mm）以防焊盤剝離。
Q3：如何計算 MSL 3 BGA 的所需烘烤時間？
若超出車間壽命（168 h，≤30 ℃/60% RH），須依 J-STD-033 烘烤，通常 125 ℃ 持續 24–48 h（視封裝厚度）。未烘烤將在回流（245 ℃）時因濕氣快速膨脹導致封裝開裂或「爆米花」。
Q4：JLCPCB 能否組裝同時含 SnPb 與 SAC305 的「混合技術」板？
可以，但存在冶金挑戰。若無鉛 BGA（SAC305 球）以 SnPb 膏焊接，回流峰值須達 217 ℃ 才能完全塌陷球體。若僅升至 SnPb 峰值 205 ℃，SAC305 球未熔，將形成冷焊弱介面。建議全線採無鉛製程以確保一致。
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