BGA封装结构中芯片与基板的互连方式主要有两种:引线键合和倒装焊。BGA的I/O数主要集中在100~1000。成本、性能和可加工能力是选择使用何种方式时主要考虑因素。采用引线键合的BGA的I/O数常为50~540，采用倒装焊方式的I/O数常>540。另外，选用哪一种互连方式还取决于所使用封装体基片材料的物理特性和器件的应用条件。PBGA的互连常用引线键合方式，CBGA常用倒装焊方式，TBGA两种互连方式都有使用。

当I/O数<600时，引线键合的成本低于倒装焊。但是，倒装焊方式更适宜大批量生产，而如果圆片的成品率得到提高，那么就有利于降低每个器件的成本。并且倒装焊更能缩小封装体的体积。

引线键合方式历史悠久，具有雄厚的技术基础，它的加工灵活性、材料/基片成本占有主要的优势。其缺点是设备的焊接精度已经达到极限。

引线键合是单元化操作。每一根键合线都是单独完成的。键合过程是先将安装在基片或热沉上的IC传送到键合机上，机器的图像识别系统识别出芯片，计算和校正每一个键合点的位置，然后根据键合图用金线来键合芯片和基片上的焊盘，以实现芯片与基片的互连。它是单点、单元化操作。采用引线键合技术必须满足以下条件:

①精密距焊接技术

在100~500的高I/O数的引线键合中，IC芯片的焊盘节距非常小，其中心距通常约为70~90μm，有的更小。目前的键合机最小已能实现35 μm的中心距焊接。

②低弧度、长弧线技术

在BGA的键合中，受控弧线长度通常为3~8mm，其最大变化量约为2.5mm。弧线高度约为100~200μm，弧线高度的变化量<7μm，芯片与基片上外引线脚的高度差约为0.4~0.56mm，IC芯片厚度约为0.2~0.35mm。在高密度互连中，弧线弯曲、蹋丝、偏移是不允许的。另外，在基片上的引线焊盘外围通常有两条环状电源/地线，键合时要防止金线与其短路，其最小间隙必须>25 Llm，这就要求键合引线必须具有高的线性度和良好的弧形。

③键合强度

由于芯片和基片上的焊盘面积都比较小，所以精密距焊接时使用的劈刀是瓶颈型劈刀，头部直径也较小，而小直径的劈刀头部和窄引线脚将导致基片上焊点的横截面积较小，从而会影响键合强度。

④低温处理

塑封BGA的基片材料通常是由具有低玻璃化温度(Tg约为175℃)、高的热膨胀系数(CTE约为13ppm/℃)的聚合物树脂制成的，因此在封装过程中的芯片装片固化、焊线、模塑等都必须在较低的温度下进行。而当在低温下进行键合时，对键合强度和可靠性会产生不良影响。要解决这一问题就必须要求键合机的超声波发生器具有较高(100kHz以上)的超声频率。

因此，在制造工艺上对键合机、键合工具、键合丝都提出了挑战。

对键合机的要求:具有良好的成球控制能力，具有100kHz以上的超声频率，能在低温下实现精密距焊接，能精确地控制键合引线弧形，键合质量具有良好的重复性等。新一代的键合机都能满足上述要求。

对劈刀的要求:必须具有良好的几何形状，能适应高频键合，以提供足够高的键合强度;材质好，使用寿命长。

对键合丝的要求:必须具有好的中、低弧度长弧线性能，良好的韧性及抗拉强度。

倒装焊技术的应用急剧增长，它与引线键合技术相比，有3个特点:

●倒装焊技术克服了引线键合焊盘中心距极限的问题。

●在芯片的电源/地线分布设计上给电子设计师提供了更多的便利。

●为高频率、大功率器件提供更完善的信号。

倒装焊具有焊点牢固、信号传输路径短、电源/地分布、I/O密度高、封装体尺寸小、可靠性高等优点，其缺点是由于凸点的制备是在前工序完成的，因而成本较高。

倒装焊的凸点是在圆片上形成的，制成后再进行圆片切割，合格的芯片被吸附、浸入助焊剂中，然后放置在基片上(在芯片的移植和处理过程中，助焊剂必须有足够的粘度来粘住芯片)，接着将焊料球回流以实现芯片与基片的互连。在整个加工过程中，工艺处理的是以圆片、芯片和基片方式进行的，它不是单点操作，因而处理效率较高。

采用倒装焊方式需要考虑的几个相关问题。

①基板技术

对倒装焊而言，有许多基板可供选择，选择的关键因素在于材料的热膨胀系数(CTE)、介电常数、介质损耗、电阻率和导热率等。在基板与芯片(一级互连)之间或基板与PCB板(二级互连)之间的TCE失配是造成产品失效的主要原因。CTE失配产生的剪切应力将引起焊接点失效。通常封装体的信号的完整性与基片的绝缘电阻、介电常数、介质损耗有直接的关系。介电常数、介质损耗与工作频率关系极大，特别是在频率>1GHz时。当选择基板时应考虑上述因素。

对倒装焊而言，使用有机物基板非常流行，它是以高密度多层布线和微通孔基板技术为基础制造的，其特点是有着低的互连电阻和低的介电常数。它的局限性在于:①在芯片与基板之间高的CTE差会产生大的热失配;②在可靠性环境试验中，与同类型的陶瓷封装器件相比，可靠性较差，其主要原因是水汽的吸附。

现有的CBGA、CCGA封装采用的基板为氧化铝陶瓷基板，其局限性在于它的热膨胀系数与PCB板或卡的热膨胀系数相差较大，而热失配容易引起焊点疲劳。它的高介电常数、电阻率也不适用于高速、高频器件。

现已经开发出一种新的陶瓷基板--HITCE陶瓷基板，它有3个主要特点，12.2ppm/℃的CTE，低的介电常数5.4，低阻的铜互连系统。它综合了氧化铝陶瓷基板和有机物基板的最佳特性，其封装产品的可靠性和电性能得以提高。表3为陶瓷基板和有机物基板材料特性的比较。

② 凸点技术

也许倒装焊技术得以流行是由于有各种各样的凸点技术服务。常用的凸点材料为金凸点，95Pb5Sn、90Pbl0Sn焊料球(回流焊温度约350℃)，有的也采用63Pb37Sn焊料球(回流焊温度约220℃焊料凸点技术的关键在于当节距缩小时，必须保持凸点尺寸的稳定性。焊料凸点尺寸的一致性及其共面性对倒装焊的合格率有极大的影响。

③底部填充

在绝大多数的倒装焊产品中都采用了底部填充剂，其作用是缓解芯片和基板之间由CTE差所引起的剪切应力。

在超大规模集成电路(VLSI)和甚大规模集成电路(ULSI)的芯片与外部引线的连接方法中，过去、现在和将来引线键合仍是芯片连接的主要技术手段。集成电路引线键合也是实现集成电路芯片与封装外壳多种电连接，并传递芯片的电信号、散发芯片内产生的热量，最通用、最简单而有效的一种方式，所以键合引线已成为电子封装业四大重要结构材料之一。引线键合封装的方式如图所示:

键合引线的中心作用是将一个封装器件或两个部分焊接好并导电。因此，焊接的部分尤其是焊接点的电阻是此工艺的关键环节。在元素周期表中过渡组金属元素中银、铜、金和铝四种金属元素具有较高的导电性能。此外，封装设计中键合引线在焊接所需要的间隙主要取决于丝的直径，对键合引线的单位体积导电率有很高的要求，所以可能的选择被局限在集中金属元素中。另外，所选择金属必须具有足够的延伸率，以便于能够被拉伸到0.015~0.050mm;为了避免被破坏晶片，这种金属必须能够在足够低的温度下进行热压焊接和超声焊接;它的化学性能、抗腐蚀性能和冶金特性必须与它所焊接的材料向熔合，不会对集成电路造成严重影响。在集成电路的键合引线中，主要应用的键合引线有键合金丝、硅铝丝、单晶铜键合丝等。

金丝作为应用最广泛的键合引线来说，在引线键合中存在以下几个方面的问题:

1)在硅片铝金属化层上采用金丝键合，Au-AI金属学系统易产生有害的金属间化合物，这些金属间化合物晶格常数不同，机械性能和热性能也不同，反应会产生物质迁移，从而在交接层形成可见的柯肯德尔空洞(Kirkendall Void)，使键合处产生空腔，电阻急剧增大，破坏了集成电路的欧姆联结，致使导电性严重下降，或易产生裂缝，引起器件焊点脱开而失效。2)金丝的耐热性差，金的再结晶温度较低(150℃)，导致高温强度较低，球焊时，焊球附近的金丝由于受热而形成再结晶组织，若金丝过硬会造成球颈部折曲，焊球加热时，金丝晶粒粗大化会造成球颈部断裂;另外，金丝还易造成塌丝现象和拖尾现象，严重影响了键合质量。

3)金丝的价格不断攀升，特别昂贵，导致封装成本过高，企业过重承受。

硅铝丝作为一种低成本的键合引线受到人们的广泛重视，国内外很多科研单位都在通过改变生产工艺来生产各种替代金丝的硅铝丝，但仍存在较多的问题。

1)普通硅铝丝在球焊是加热易氧化，生产一层硬的氧化膜，此膜阻碍球的形成，而球形的稳定性是硅铝丝键合强度的主要特性，实验证明，金丝球焊在空气中焊点圆度高，硅铝丝球焊由于表面氧化的影响，空气中焊点圆度低。

2)硅铝丝的拉伸强度和耐热性不如金丝，容易发生引线下垂和塌丝。

3)同轴硅铝丝的性能不稳定，特别是延伸率波动大，同批次产品性能相差大，且产品的成材率低，表面清洁度差，并较易在键合处经常产生疲劳断裂。

单晶铜键合丝(目前逐步推广使用、替代键合金丝，未来"封装焊接之星")是无氧铜的技术升级换代新材料，代号为"OCC"。单晶铜即单晶体铜材是经过"高温热铸模式连续铸造法"所制造的导体，即将普通铜材围观多晶体结构运用凝固理论，通过热型连续铸造技术改变其晶体结构获得的具有优异的导电性、导热性、机械性能及化学性能稳定的更加优越的一种新型铜材，其整根铜材仅由一个晶粒组成，不存在晶粒之间产生的"晶界"，("晶界"会对通过的信号产生折射和反射，造成信号失真和衰减)，因而具有稳定的导电性、导热性、极好的高保真信号传输性及超常的物理机械加工性能，因此损耗量极低，堪称是机电工业、微电子集成电路封装业相当完美的极具应用价值的重要材料。其物理性能接近白银。

单晶铜丝用于键合引线的优势主要表现在以下几个方面:

⑴其特性:

1)单晶粒:相对目前的普通铜材(多晶粒)，而单晶铜丝只有一个晶粒，内部无晶界。而单晶铜杆有致密的定向凝固组织，消除了横向晶界，很少有缩孔、气孔等铸造缺陷;且结晶方向拉丝方向相同，能承受更大的塑性变形能力。此外，单晶铜丝没有阻碍位错滑移的晶界，变形、冷作、硬化回复快，所以是拉制键合引线(&cent;0.03-0.016mm)的理想材料。

2)高纯度:目前，在中国的单晶铜丝(原材料)可以做到99.999%(5N)或99.9999%(6N)的纯度;

3)机械性能好:与同纯度的金丝相比具有良好的拉伸、剪切强度和延展性。单晶铜丝因其优异的机械电气性能和加工性能，可满足封装新技术工艺，将其加工至&cent;0.03-0.015mm的单晶铜超细丝代替金丝，从而使引线键合的间距更小、更稳定。4)导电性、导热性好:单晶铜丝的导电率、导热率比金丝提高20%，因此在和金丝径相同的条件下可以承载更大的电流，键合金丝直径小于0.018mm时，其阻抗或电阻特性很难满足封装要求。

5)低成本:单晶铜丝成本只有金丝的1/3-1/10，可节约键合封装材料成本90%;比重是金丝的1/2，1吨单晶铜丝可替代2吨金丝; 当今半导体行业的一些显著变化直接影响到了IC互连技术，其中成本因素也是推动互连技术发展的主要因素。目前金丝键合长度超过5mm，引线数达到400以上，其封装成本超过0.2美元。而采用单晶铜丝键合不但能降低器件制造成本，提高竞争优势。对于1密耳焊线，成本最高可降低75%，2密耳可达90%。单晶铜和金的封装成本比较

单晶铜键合引线

6)单晶铜键合丝可以再氮气气氛下键合封装，生产更安全，更可靠。单晶铜键合丝这种线性新型材料所展现出比金丝更优异的特性，而引起了国内外众多产业领域的热切关注，随着中国集成电路和分立器件产业的快速发展，中国微电子封装业需求应用正在爆发式的唤醒，中国目前主要封装企业已经意识到这一新技术的发展潜力，已经开始使用单晶铜键合丝，但产品大部分都是国外进口，进口价格昂贵。