IPC-7095D-CHINESE NP 2019.pdf - 第9页

IPC-7095D-W AM1 CN 2019 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…

100%1 / 208
IPC-7095D-WAM1 CN 2019 年 1 月
vi
4.5 BGA 连接器和插座 ………………………… 38
4.5.1 BGA 连接器材料考量 ……………………… 38
4.5.2 BGA 连接器的连接考量 …………………… 38
4.5.3 BGA 材料和插座类型 ……………………… 39
4.5.4 BGA 插座连接考量 ………………………… 39
4.6 BGA 构造材料 ……………………………… 40
4.6.1 BGA 基板材料类型 ………………………… 40
4.6.2 BGA 基板材料性质 ………………………… 41
4.7 BGA 封装设计考量 ………………………… 42
4.7.1 电源和接地层 ……………………………… 42
4.7.2 信号完整性 ………………………………… 43
4.7.3 封装内置散热片 …………………………… 43
4.8 封装的接收标准和运输方式 ……………… 43
4.8.1 焊球缺失 …………………………………… 43
4.8.2 焊球空洞 …………………………………… 44
4.8.3 焊球连接完整性 …………………………… 44
4.8.4 封装和焊球共面性 ………………………… 44
4.8.5 湿度敏感性（烘烤、贮存、操作、再烘烤） 45
4.8.6 运输媒介（载带、托盘、管） …………… 46
5 印制板及其它安装结构
………………………… 46
5.1 基板 ………………………………………… 46
5.1.1 有机基板 …………………………………… 46
5.1.2 无机基板 …………………………………… 46
5.1.3 高密度互连（HDI）叠构多层 …………… 46
5.2 基材考量 …………………………………… 48
5.2.1 树脂系统 …………………………………… 48
5.2.2 层压板材料性质 …………………………… 48
5.3 印制板表面处理 …………………………… 49
5.3.1 热风焊料整平（HASL） …………………… 50
5.3.2 有机可焊性保护（OSP）涂层 …………… 51
5.3.3 贵金属涂层 ………………………………… 51
5.4 阻焊膜 ………………………………………… 55
5.4.1 湿膜和干膜阻焊膜 ………………………… 55
5.4.2 喷射式阻焊膜 ……………………………… 55
5.4.3 阻焊膜涂覆时印制板对拼板胶片的对位 … 56
5.5 导通孔保护 ………………………………… 56
5.5.1 侵入孔 ……………………………………… 56
5.5.2 导通孔掩蔽、堵塞和填塞 ………………… 56
6 印制电路组件设计考量
………………………… 58
6.1 元器件放置和间隙 ………………………… 58
6.1.1 贴片组装 …………………………………… 58
6.1.2 维修 / 返工要求 …………………………… 58
6.1.3 整体布局 …………………………………… 59
6.1.4 对准图形（丝印油墨、铜制标志、引脚 1
标识符） …………………………………… 59
6.2 连接位置（连接盘图形和导通孔） ……… 60
6.2.1 连接盘直径大小及其对布线的影响 ……… 60
6.2.2 阻焊膜限定（SMD）与金属限定连接盘
设计 ………………………………………… 61
6.2.3 导体宽度 …………………………………… 62
6.2.4 导通孔尺寸和位置 ………………………… 62
6.2.5 影响 BGA 阻焊膜的参数 ………………… 64
6.2.6 多栅格 BGA 连接盘图形阵列设计 ……… 64
6.3 出线和布线策略 …………………………… 65
6.3.1 出线策略 …………………………………… 68
6.3.2 表面导体和间距宽度 ……………………… 68
6.3.3 连接盘至导通孔（狗骨）布线图形 ……… 69
6.3.4 减轻机械应变的设计 ……………………… 70
6.3.5 未遮蔽焊盘内导通孔及其对可靠性的影响 71
6.3.6 密节距 BGA（FBGA）连接盘内微导通孔
策略 ………………………………………… 72
6.3.7 电源和接地连接 …………………………… 72
6.4 波峰焊接对正面 BGA 的影响 …………… 73
6.4.1 正面再流焊 ………………………………… 73
6.4.2 正面再流焊的影响 ………………………… 73
6.4.3 避免正面再流的方法 ……………………… 75
6.4.4 无铅印制板的正面再流 …………………… 75
6.5 可测试性和测试点的访问 ………………… 75
6.5.1 元器件测试 ………………………………… 75
6.5.2 测试和老化过程中对焊球的损伤 ………… 76
6.5.3 印制板测试 ………………………………… 77
6.5.4 印制板组件测试 …………………………… 78
6.6 其它可制造性设计（DfM）问题 ………… 79
6.6.1 在制板／拼托板设计 ……………………… 80
6.6.2 中间制程 / 最终产品测试附连板 ………… 80
6.7 散热管理 …………………………………… 82
6.7.1 传导 ………………………………………… 82
6.7.2 辐射 ………………………………………… 82
6.7.3 对流 ………………………………………… 83
6.7.4 散热界面材料 ……………………………… 83
6.7.5 BGA 散热片连接方法 ……………………… 84
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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
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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