IPC-7095D-CHINESE NP 2019 - 第175页
IPC-7095D-W AM1 CN 2019 年 1 月 159 8.5.5 BGA 无铅焊接 8.5.5.1 无铅合金的选择 绝大多数无铅合金为富锡合金（＞ 90% 锡） ， 其中锡分别与其它元素如铋、 锌、 锑、 银和铜，构成二元或三元系统。表 8-2 列出了这些和替代合金系统的熔点、优点、缺点。 二元或三元富锡合金（除了锡锌） ，比共晶锡铅焊料（熔点 183 ° C ）的熔点高 30 ° C-40 ° C 。具有可比熔点同时 拥…
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8.5.3 印制板设计考量
影响可靠性的其它因素为焊
点几何形状和连接盘金属化。如果阻焊膜用于 SMD 连
接盘，则会有负面影响，因为在金属化连接盘上的阻
焊膜会影响焊点几何形状。由 SMD 焊点几何形状产生
的应力集中会成为焊点失效和可靠性降低的起源。此
外，阻焊膜形状和厚度也会影响焊点可靠性。图 8-18
展示了由于阻焊膜处应力集中而产生的裂纹。
对于相等的焊点高度，使用 NSMD 与 SMD 相比，预
期疲劳寿命因子增加 1.25 至 3，对于更严酷的荷载条
件下的焊点，改善更大。
表面处理在 BGA 焊点可靠性中也扮演着关键的作用。
HASL 厚度可能会过厚或过薄。因为大多数表面处理会
被消耗为不可焊的金属间化合物，可能会出现焊锡厚
度不足。在化学镍层上浸金容易产生黑焊盘，这认为是镀金过程中由于镍过度腐蚀导致的。
黑焊盘是在焊接过程中形成的金属间化合物层，导致脆化的焊点，形成光滑、黑色或灰暗的表面。黑焊盘是由
化学镀镍槽污染造成的。这些镀槽需要不断监测，以防止污染物的积累，并确保适当的化学平衡。采用清洁不
足的抛光设备制备的铜基板会引起镍镀层呈多孔状。如果镍镀槽被污染，情况可能会严重。多孔电镀提供了铜
扩散的通道，它也会使焊点脆化。关于黑焊盘的更多信息，参见 5.3.3.1。
在 BGA 焊点连接盘下面的层压板开裂也是一种可能的
失效机制。这种失效被认为是再流焊过程中有热机应
力和／或随后作用在焊点上的机械应力而导致的。
通常不建议采用焊盘内导通孔或与连接盘相邻的导通
孔，因为它们可能造成焊料泄漏。焊盘内导通孔应该
仅为那些拥有丰富内部资源、可确认焊盘内导通孔焊
点可靠性的公司所考虑。
BGA 连接盘中有微导通孔越来越普遍。不过使用微导
通孔时，大多数 BGA 都会有空洞。研究表明大部分空
洞并不是引发裂纹的可靠性风险，但是它们减少了焊
点面积并且当裂纹扩张时缩短了达到失效的时间。图
8-19 显示了可靠性试验后的失效，其中空洞很大以致
焊球塌陷。
8.5.4 陶瓷栅阵列（CGAs）焊接连接的可靠性
陶瓷的 CTE 大约 6ppm/°C；有机基印制板 CTE 的范围为
16-20ppm/°C。因此，在陶瓷元器件和有机印制板之间存在大约 10-14ppm/°C 的整体 CTE 不匹配。为了弥补这
种巨大的整体 CTE 不匹配，在大多数应用中，陶瓷元器件通常需要配置焊料柱以便可靠地运行。由于角落焊
点所受负载大于其它焊点（它们离开中心点的距离最远，也即 DNP），它们首先失效。
PbSn10 焊料柱，只使用于 CGA, 是长度为 1.27mm 至 2.29mm 的柱子，它们铸造在 CGA 上或使用近共晶锡铅
焊料焊接到 CGA 与基板上。在其它条件相同的情况下，三种柱子高度：0.41mm、0.76mm 和 2.29mm，所对应
的 CBGA 焊点疲劳寿命之比为 1:4:45。焊料柱高度受到焊柱高径比要求（高度对直径）的限制，即不生产细长
的柱子去改变荷载条件；铸造的柱子可适应较大的高径比。
图 8-18 阻焊膜影响
图 8-19 非常大的空洞导致的可靠性测试失效
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8.5.5 BGA 无铅焊接
8.5.5.1 无铅合金的选择
绝大多数无铅合金为富锡合金（＞ 90% 锡），其中锡分别与其它元素如铋、锌、锑、
银和铜，构成二元或三元系统。表 8-2 列出了这些和替代合金系统的熔点、优点、缺点。
二元或三元富锡合金（除了锡锌），比共晶锡铅焊料（熔点 183°C）的熔点高 30°C-40°C。具有可比熔点同时
拥有期望的物理和机械性能且适合 SMT 组装的合金必须扩展到四元合金。
一些协会已经选择 SAC 合金作为无铅焊料。在确定 SAC 及其合金成分时，要考虑并评估许多因素，包括：
• 熔化温度
• 常见元器件基板和印制板表面处理的润湿性
• 与常用助焊剂，特别是免洗助焊剂的兼容性
• 元器件和印制板可靠性
• 机械、电气和热性能
• 可返工性
• 与铅的兼容性（在过渡时期）
• 从供应商处的易获得性
• 成本
• 专利问题
表 8-2 常用焊料合金的熔点，优点和缺点
合金或合金系统 熔点（°C） 优点 缺点
SnSb5 240 良好的抗疲劳强度
比铅毒性大
高熔点
8°C 半熔态范围
润湿性差
低拉伸强度
SnCu0.7 227
与其它无铅焊料相比成本低
缺铅时填充不易翘起
在空气中润湿性降低，但在惰性
气体中润湿充分
主要用于波峰焊
SnAg3.5 221
是国家制造科学中心（NCMS）研究的主要选
择之一
在某些应用上使用多年
一些加速可靠性测试结果表明疲劳特性类似于
锡铅焊料
在高锡合金中再流焊接润湿能力
最差；尽管对大多数组装操作润
湿性足够
SnAgCu 217 至 220
应用最广的无铅合金
比锡铅焊料有更好的抗蠕变性
一些可靠性加速试验结果表明其疲劳特性优于
锡铅焊料
有最佳的糊状范围利于立碑控制
银含量高的合金在冲击和跌落应
用中容易断裂
SnPb37 183 应用最广的焊料合金 含铅
SnPb36Ag2 179
更强的拉伸强度，能抗立碑的糊状范围，较好
的抗蠕变性
含铅
比锡铅合金贵
BiSn42 139
NCMS 选择靠后的合金之一
目前在低温应用中使用
在机械冲击和跌落时容易脆裂
InSn48 118 熔点最低的焊料之一
铟供应受限
对计算机应用来说熔点太低
易被腐蚀
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8.5.5.2 含银量约为 1% 合金的建议
以下是关于采用含银量约 1% 的合金的一些建议：
• 焊点必须达到至少 235°C，且 TAL 至少 60 秒。
• 当使用低银 BGA 时，某些印制板组件再流曲线可能要调整。
• 再流焊温度曲线至少需要用金相学知识进行确认，这需要额外的技术工作。
金相分析（具有统计意义上的样本量）能确认低银焊球合金 BGA 是否形成适当焊点。用于确认温度曲线的热
电偶数量应该大大增加，以表示低银 BGA 能满足上面给定的条件，同时其它元器件也可满足规范（不过热）。
1% 的银合金似乎与业界许多无铅组装规范例如 SAC30：需要最小再流峰值温度 /TAL 时间为 235°C/60 秒 5 工
艺不兼容，而此规范对于其它合金大多是足够的。会显著改变再流焊曲线下限要求的银含量实际限值还没有精
确界定，但银含量好像在 1% 至 2.3% 之间。由于其它变量也可能会影响此数值，所以对于含银量低于 3% 的
任何合金都应特别注意。
8.5.5.2.1 焊点可靠性
业界研究一致表明，低银合金的跌落特性优于亚共晶 SAC。除了合金成分之外，该结
果也取决于连接盘表面处理，但这种改善的确切原因仍无定论，可能是由于焊球本体刚度和屈服强度的减小。
这种情况下金属间化合物层的成分和 / 或焊点结构的改变是可预期的，需要减小过冷度以凝固 BGA 焊球。
低银合金的疲劳寿命低于对应的高银合金。然而针对这些合金还没有公认的加速度模型，这使得产品寿命的预
测非常困难。
8.5.5.2.2 向低银焊球合金改变的管理
由于对再流焊工艺窗口和可靠性的潜在影响，从近共晶 SAC 合金焊球
向银含量小于 3% 转变时，应该考虑其形状、安装以及功能的变化。这种情况下，即使仅变化 BGA 焊球合金，
变更 BGA 器件物料编码认为是合适的。
8.5.5.3 印制板设计注意事项
带有 BGA 的印制板设计，通常用无铅焊料组装非常类似于锡铅焊料。无铅组
件的设计应该采用与锡铅组件相同的 DfM 规则和指南。这些包括：
• 元器件方向
• 焊接
• 导通孔
• 阻焊膜
• 可维修性
• 可测试性
8.5.5.3.1 至 8.5.5.3.2 对一些内容进行具体的描述。
8.5.5.3.1
BGA 连接盘图形设计
如同锡铅焊接，SnAgCu 焊接优选的 BGA 连接盘类型是 NSMD 设计（与
SMD 连接盘形式相对），因为它给设计人员最大的灵活性，并且由阻焊膜导致的对焊点产生的应力点较少。
8.5.5.3.2 印制板上元器件贴装位置
由于 SnAgCu 焊料在元器件焊接时需要较高的再流焊温度，大型的且温
度敏感的 BGA 器件贴装位置需要仔细布局。取决于印制板尺寸、厚度和层数，靠近印制板边缘区域温度通常
会比中心位置高 5°C-15
°C。
在受到较高再流焊温度时，因为大型封装更易出现由湿气和热应力引起的缺陷，这样的封装应该尽可能限制在
印制板的中心区域。其它因素（如线条可布线性和密度）的考量可能有必要将大型 BGA 放置在印制板边缘，
在这种情况下，再流焊接工艺窗口要收窄，以保持 BGA 元器件暴露的最高温度低于可接受的限值。