IPC-7095D-CHINESE NP 2019.pdf - 第10页
IPC-7095D-W AM1 CN 2019 年 1 月 viii 9 工艺问题排查 …………………………………… 166 9.1 阻焊膜限定（ SMD ） BGA 状况 ………… 166 9.1.1 阻焊膜限定（ SMD ）和非阻焊膜限定 （ NSMD ）连接盘 …………………………… 167 9.1.2 产品印制板上的阻焊膜限定（ SMD ） 连接盘 ……………………………………… 167 9.1.3 阻焊膜限定（ SMD ） B…
IPC-7095D-WAM1 CN2019 年 1 月
vii
7 BGA 组件
………………………………………… 86
7.1 表面贴装工艺 ……………………………… 86
7.1.1 焊膏及其施加 ……………………………… 86
7.1.2 元器件贴装影响 …………………………… 92
7.1.3 BGA 贴装视觉系统 ………………………… 92
7.1.4 再流焊接及温度曲线 ……………………… 94
7.1.5 材料对助焊剂活化、元器件损伤及可焊性
的影响 ……………………………………… 102
7.1.6 清洗与免清洗 ……………………………… 102
7.1.7 封装间隙高度 ……………………………… 103
7.2 组装后的工艺 ……………………………… 104
7.2.1 敷形涂覆 …………………………………… 104
7.2.2 底部填充和粘合剂的使用 ………………… 105
7.2.3 印制板和模块的分板 ……………………… 111
7.3 检测技术 …………………………………… 111
7.3.1 X 射线检验 ………………………………… 111
7.3.2 X 射线图像采集 …………………………… 112
7.3.3 X 射线系统术语的定义和讨论 …………… 113
7.3.4 X 射线图像分析 …………………………… 117
7.3.5 声学扫描显微镜（SAM） ………………… 119
7.3.6 BGA 间隙测量 ……………………………… 121
7.3.7 光学检测（内窥镜） ……………………… 121
7.3.8 破坏性分析方法 …………………………… 122
7.4 测试和产品验证 …………………………… 125
7.4.1 电气测试 …………………………………… 125
7.4.2 功能测试（FT）覆盖 ……………………… 125
7.4.3 老化测试 …………………………………… 125
7.4.4 产品筛选测试 ……………………………… 125
7.5 空洞识别 …………………………………… 125
7.5.1 空洞的来源
………………………………… 126
7.5.2 空洞的分类 ………………………………… 127
7.5.3 BGA 焊点中的空洞 ………………………… 127
7.6 空洞测量 …………………………………… 128
7.6.1 X 射线探测和测量注意事项 ……………… 128
7.6.2 空洞的影响 ………………………………… 128
7.6.3 空洞协议开发 ……………………………… 129
7.6.4 空洞评估的抽样计划 ……………………… 130
7.7 减少空洞的工艺控制 ……………………… 131
7.7.1 工艺参数对于空洞形成的影响 …………… 131
7.7.2 焊球中空洞的工艺控制标准 ……………… 134
7.7.3 工艺控制标准 ……………………………… 135
7.8 焊接缺陷 …………………………………… 136
7.8.1 焊料桥连 …………………………………… 136
7.8.2 冷焊 ………………………………………… 136
7.8.3 开路 ………………………………………… 136
7.8.4 受热不充分 / 不均匀 ……………………… 136
7.8.5 枕头效应（HoP） …………………………… 137
7.8.6 不润湿开路（NWO）/ 焊球悬空 ………… 139
7.8.7 元器件缺陷 ………………………………… 139
7.9 维修工艺 …………………………………… 140
7.9.1 返工和维修理念 …………………………… 140
7.9.2 BGA 的拆除 ………………………………… 140
7.9.3 替换 ………………………………………… 141
8 可靠性
…………………………………………… 143
8.1 BGA 组件的可靠性因素 …………………… 144
8.1.1 循环应变 …………………………………… 144
8.1.2 疲劳 ………………………………………… 144
8.1.3 蠕变 ………………………………………… 145
8.1.4 蠕变和疲劳的交互作用 …………………… 146
8.1.5 机械负载下的可靠性 ……………………… 146
8.2 焊料连接的损伤机理和失效 ……………… 147
8.2.1 锡银铜（SAC）对锡铅 BGA 焊点的热疲劳
裂纹生长机理的比较 ……………………… 148
8.2.2 混合合金焊接 ……………………………… 149
8.3 焊点和连接类型 …………………………… 150
8.3.1 整体膨胀不匹配 …………………………… 151
8.3.2 局部膨胀不匹配 …………………………… 151
8.3.3 内部膨胀不匹配 …………………………… 151
8.4 焊料连接失效 ……………………………… 151
8.4.1 焊料连接失效分类 ………………………… 151
8.5 影响可靠性的关键因素 …………………… 156
8.5.1 封装技术 …………………………………… 156
8.5.2 间隙高度 …………………………………… 157
8.5.3 印制板设计考量 …………………………… 158
8.5.4 陶瓷栅阵列（CGAs）焊接连接的可靠性 … 158
8.5.5 BGA 无铅焊接 ……………………………… 159
8.6 可靠性设计（DfR）流程 ………………… 165
8.7 验证和鉴定测试 …………………………… 165
8.8 筛选程序 …………………………………… 166
8.8.1 焊点缺陷 …………………………………… 166
8.8.2 筛选建议 …………………………………… 166
8.9 加速可靠性测试 …………………………… 166
IPC-7095D-WAM1 CN 2019 年 1 月
viii
9 工艺问题排查
…………………………………… 166
9.1 阻焊膜限定（SMD）BGA 状况 ………… 166
9.1.1 阻焊膜限定（SMD）和非阻焊膜限定
（NSMD）连接盘 …………………………… 167
9.1.2 产品印制板上的阻焊膜限定（SMD）
连接盘 ……………………………………… 167
9.1.3 阻焊膜限定（SMD）BGA 失效 ………… 168
9.2 BGA 焊球过度塌陷状况 …………………… 168
9.2.1 无散热块的 BGA 焊球形状，500
μ
m 的间隙
高度 ………………………………………… 168
9.2.2 有散热块的 BGA 焊球形状，375
μ
m 的间隙
高度 ………………………………………… 169
9.2.3 有散热块的 BGA 球形，300
μ
m 的间隙
高度 ………………………………………… 169
9.2.4 关键的焊膏条件 …………………………… 169
9.2.5 通过 X 射线和切片确定空洞 ……………… 169
9.2.6 空洞和非均匀焊球 ………………………… 170
9.2.7 蛋壳空洞 …………………………………… 170
9.3 BGA 翘曲 …………………………………… 170
9.3.1 BGA 翘曲 …………………………………… 171
9.3.2 由于载板翘曲导致的焊点开路 …………… 171
9.4 焊点状况 …………………………………… 172
9.4.1 目标焊接条件 ……………………………… 172
9.4.2 过度氧化的焊球 …………………………… 172
9.4.3 退润湿 ……………………………………… 173
9.4.4 不润湿 ……………………………………… 173
9.4.5 由连接盘污染引起的不完整连接 ………… 174
9.4.6 变形的焊球 ………………………………… 174
9.4.7 变形后的焊球 - 动态翘曲 ………………… 175
9.4.8 焊料和助焊剂不充足以形成适当的焊点 … 175
9.4.9 端子接触面积减少 ………………………… 176
9.4.10 焊料桥连 …………………………………… 176
9.4.11 不完全焊料再流 …………………………… 177
9.4.12 焊料缺失 …………………………………… 177
9.4.13 不润湿开路 （NWO） ……………………… 178
9.4.14 枕头效应（HoP）焊点 …………………… 178
附录 A 减少空洞发生的工艺控制特性描述
……… 179
附录 B 词汇表及首字母缩写词
…………………… 185
图
图 3-1 BGA 封装制造工艺 ………………………… 4
图 3-2 多芯片模块 (MCM) 类型 2S-L-WB ……… 5
图 3-3 导体宽度与节距关系 ……………………… 7
图 3-4 金属线键合球栅阵列 (BGA) ……………… 7
图 3-5 倒装芯片键合球栅阵列 （BGA） …………… 8
图 3-6 BGA 翘曲 …………………………………… 10
图 3-7 焊盘坑裂示例 ……………………………… 12
图 3-8 BGA 焊点各种可能的失效模式 …………… 12
图 3-9 枕头效应（HoP）焊点缺陷的角视图（左）
和切片图（右） …………………………… 13
图 3-10 枕头效应 （HoP） 开路缺陷的切片图 ……… 13
图 3-11 不润湿开路 （NWO） 缺陷的侧视和切片
视图示例 …………………………………… 14
图 4-1 面阵列封装的端子类型 …………………… 17
图 4-2 芯片上基板 （BOC） BGA 结构 …………… 19
图 4-3 BOC 类 BGA 模封后的顶部 ……………… 20
图 4-4 BGA 基板上的倒装芯片（带凸点芯片） … 20
图 4-5 采用锡铅的 BGA 焊点 …………………… 22
图 4-6 JEDEC 叠装元器件标准结构 ……………… 26
图 4-7 Dynamic Warpage Plot with Temperature for a
Flip Chip BGA Package …………………… 28
图 4-8 具有液相线温度 100 ℃到 200 ℃且不含有
Pb,Cd 或 Au 的低温合金 ………………… 28
图 4-9 锡铋相图 …………………………………… 29
图 4-10 典型的锡铋焊料合金微观结构 …………… 29
图 4-11 塑封球栅阵列 （PBGA） …………………… 30
图 4-12 热增强型陶瓷球栅阵列（CBGA）封装的
横截面 ……………………………………… 30
图 4-13 模压聚合物灌封的陶瓷球栅阵列（CBGA）
封装 ………………………………………… 31
图 4-14 典型铜带缠绕的陶瓷柱栅阵列（CCGA） … 31
图 4-15 各种焊料柱的塑封 BGA（PBGA） ……… 32
图 4-16 典型具有铜带缠绕的焊料柱 ……………… 32
图 4-17 覆盖有 SnPb40 外层、具有电镀铜层的
PbSn10 焊料柱剖视图 ……………………… 32
图 4-18 电镀 SnPb 微线圈（左）和镀金微线圈
（右） ………………………………………… 33
图 4-19 柱栅阵列（CGA1152）陶瓷 IC 封装上的
镀金微线圈弹簧 …………………………… 33
图 4-20 柱栅阵列（CGA）封装上带有 SAC305
填充的微线圈弹簧 ………………………… 33
IPC-7095D-WAM1 CN2019 年 1 月
ix
图 4-21 带 SnPb37 填充的微线圈弹簧（镀 SnPb40）
柱栅阵列（CGA1152） …………………… 33
图 4-22 聚酰亚胺膜基引线键合 uBGA 封装基板 … 35
图 4-23 单－双金属层载带基板封装内电路布线
比较 ………………………………………… 35
图 4-24 单封装芯片叠加 BGA ……………………… 36
图 4-25 定制八芯片（倒装芯片及金属线键合）
SiP 组件 …………………………………… 36
图 4-26 折叠式多芯片 BGA 封装 ………………… 36
图 4-27 八层焊球堆叠封装 ………………………… 36
图 4-28 单面小外形双排直列存储器模组
（SO-DIMM）存储卡组件 ………………… 37
图 4-29 折叠以及堆叠的多芯片 BGA 封装 ……… 37
图 4-30 叠装封装（PoP）组件 …………………… 37
图 4-31 BGA 连接器 ………………………………… 38
图 4-32 带真空帽的 BGA 连接器 ………………… 38
图 4-33 针栅阵列（PGA）插座引脚 ……………… 39
图 4-34 带有和不带有贴装盖的针栅阵列（PGA）
插座 ………………………………………… 39
图 4-35 盘栅阵列（LGA）接触引脚 ……………… 39
图 4-36 带有和不带有贴装盖的盘栅阵列（LGA）
插座 ………………………………………… 39
图 4-37 BGA 焊球缺失的示例 ……………………… 43
图 4-38 进料检验时共晶焊球中的空洞示例 ……… 44
图 4-39 焊球和连接盘表面状况示例 ……………… 44
图 4-40 建立 BGA 共面性要求 …………………… 45
图 4-41 焊球触点位置公差 ………………………… 45
图 5-1 采用激光打孔生成的 HDI 可能叠构 ……… 47
图 5-2 采用蚀刻和机械工艺生成的 HDI 可能
叠构 ………………………………………… 47
图 5-3 温度超过 Tg 的膨胀率 …………………… 48
图 5-4 热风焊料整平（HASL）表面拓扑结构
比较 ………………………………………… 51
图 5-5 化学镀镍 / 浸金（ENIG）结构说明 ……… 52
图 5-6 镍与镍锡金属间化合物层之间的显示有
裂纹黑焊盘断裂 …………………………… 52
图 5-7 黑焊盘表面典型的龟裂外貌 ……………… 52
图 5-8 浸金表面下大面积区域的黑焊盘，其严重
的腐蚀刺穿富磷层进入富镍层 …………… 53
图 5-9 金脆 ………………………………………… 53
图 5-10 化学镍 / 化学钯 / 浸金（ENEPIG）结构
说明 ………………………………………… 53
图 5-11 直接浸金（DIG）的图形描述 …………… 54
图 5-12 微空洞示例 ………………………………… 55
图 5-13 导通孔堵塞方法 …………………………… 57
图 6-1 BGA 对准标记 ……………………………… 59
图 6-2 BGA 器件的连接盘 ………………………… 61
图 6-3 金属限定连接盘连接外形 ………………… 62
图 6-4 阻焊膜应力集中 …………………………… 62
图 6-5 焊点形状对比 ……………………………… 62
图 6-6 好 / 差的阻焊膜设计 ……………………… 63
图 6-7 金属限定连接盘示例 ……………………… 63
图 6-8 差的阻焊膜定位 …………………………… 64
图 6-9 好的阻焊膜定位 …………………………… 64
图 6-10 焊球随布 BGA 器件的焊球随布连接盘图形
设计 ………………………………………… 65
图 6-11 均匀网格 BGA 连接盘图形 ……………… 65
图 6-12 BGA 象限图形 ……………………………… 66
图 6-13 方形阵列 …………………………………… 66
图 6-14 矩形阵列 …………………………………… 66
图 6-15 有空缺的矩形阵列 ………………………… 66
图 6-16 焊球缺失的方形阵列 ……………………… 67
图 6-17 散布阵列 …………………………………… 67
图 6-18 导体布线策略 ……………………………… 68
图 6-19 不同阵列节距的导体和间距宽度 ………… 69
图 6-20 单根和两根导体布线 ……………………… 69
图 6-21 典型的连接盘至导通孔（狗骨）布局 …… 69
图 6-22 连接盘至导通孔（狗骨）布线选项 ……… 69
图 6-23 BGA 连接盘至导通孔（狗骨）连接盘
图形的优先导体布线方向 ………………… 70
图 6-24 螺钉和支撑的优先布局 …………………… 70
图 6-25 连接器螺钉支撑布局 ……………………… 70
图 6-26 具有焊盘内导通孔结构的 0.75mm 焊球
切片图 ……………………………………… 71
图 6-27 显示导通孔遮蔽与焊球的焊盘内导通孔
设计的切片图示 …………………………… 71
图 6-28 焊盘内导通孔工艺描述（BGA 在顶部） … 72
图 6-29 微导通孔示例（剖面图） ………………… 72
图 6-30 微导通孔内的空洞 ………………………… 72
图 6-31 BGA 接地或电源连接 ……………………… 73
图 6-32 正面再流焊点退润湿和焊球变形案例 …… 73
图 6-33 正面元器件混装板组件，波峰焊温度
曲线 ………………………………………… 74