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IPC-7095D-W AM1 CN 2019 年 1 月 9 实施 BGA 之前，先进行研发和技术验证 。否则，如果在产品和技术上出现问题，会错过出货的截 止日期。为 了确保上市前准备就绪，应该要分析 BGA 实施方法和工艺流程。 3.5 方法 在平衡尺寸、成本以及功能之间的关系而进行设计决策时 ，必须考虑一些因素。产品也必须在预 想环境中，在其预期生命周期内能够可靠运行。封装的选择会受到可靠性因素和环境条件（如温度、振动、冲 击和湿…
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电路印制板的布线带来挑战。通常需用底部填充来适应并缓和芯片与有机多层印制板热膨胀系数（CTE）不匹
配。（见图 3-5）
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FG
D
H
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图 3-5 倒装芯片键合球栅阵列 （BGA）
A– 阻焊层
B– 高温熔融焊料或 Z 轴互连材料
C– 环氧树脂底部填充
D– IC 芯片
E– 铜电路和电镀导通孔
F– 散热导通孔
G– 焊球
H– 高性能层压板
3.3.3 组装设备影响
表面贴装技术（SMT）已经发展到一个新的阶段，目前制造的大多数电子元器件只适用
于 SMT 形式。采用 SMT 的任何大批量产品制造都需要自动化。对于小批量 SMT 制造，手工操作的机器或单
台贴片机可能就够用。大批量的 SMT 制造需要特殊的焊膏沉积系统，多台不同的贴片机，在线焊料再流系统
及清洗系统。
BGA 的维修和检验相当困难，尤其是对本体尺寸较大和焊球节距较小的元器件。配置有焊膏沉积、预热及视
觉功能的返修台虽不是必须的，但却非常有帮助。X 射线和光学检测能力（内窥镜）也有助于工艺开发。
3.3.4 模板要求
模板厚度和连接盘尺寸决定了焊膏体积，这对于陶瓷 BGA 是很重要的。通常而言，对于节
距为 1.25mm 和 1mm 的大型 BGA 元器件，由于开孔足够大，使得模板堵塞、印刷定位和清晰度方面的问题比
方形扁平封装（QFP）元器件的要少。当使用密节距 BGA 元器件时，模板厚度需要减小。
为使焊膏模板开孔与密节距 BGA 的要求相匹配，需要了解模板开孔和焊膏颗粒大小之间关系。对于尺寸持续
减小而相互间放置间距越来越密的元件连接盘图形，标准 IPC-7525 提供了详细的说明以帮助做出合适的关联
性决定。
3.3.5 检验要求
同任何表面贴装元器件一样，BGA 一旦贴装完毕就不应该移动，因为这会使焊膏模糊而造
成桥连。尽管有些偏移可通过目检发现，但如果元器件的焊端与连接盘的偏移不大于 50%，许多元器件在再流
焊过程中会自动对准。如果 BGA 有严重的偏移问题，则应该在再流焊之前将其移除，并通过返工将其安装至
印制板组件。应该检验组装后的 BGA，以发现可能不会导致电气测试失效的潜在缺陷（如枕头效应 HoP）。
3.3.6 测试
使用 BGA 前要开发测试方案。由于 BGA 焊点不能直接探测到，所以应该设计测试点，但对于
高密度和复杂的 BGA，可能测试点不足以覆盖所有关键 I/O。需要一些替代测试方案，如在 BGA 元器件内设
计边界扫描功能，这可减少 I/O 扇出探测点的数量。其它如在 BGA 封装顶部创造测试点的做法已证明并不是
个好的解决方案，因为有压力作用在 BGA 及其焊球。
3.4 投放市场准备
BGA 印制板组件导入最终产品之前，重点不仅在于解决技术问题，还要考虑可能的商业
意义。如果产品和技术同时研发，整合和确认问题可能给上市时机带来不利影响。更可取的做法是，在产品上
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实施 BGA 之前，先进行研发和技术验证。否则，如果在产品和技术上出现问题，会错过出货的截止日期。为
了确保上市前准备就绪，应该要分析 BGA 实施方法和工艺流程。
3.5 方法
在平衡尺寸、成本以及功能之间的关系而进行设计决策时，必须考虑一些因素。产品也必须在预
想环境中，在其预期生命周期内能够可靠运行。封装的选择会受到可靠性因素和环境条件（如温度、振动、冲
击和湿度）的影响，此外也要考虑环境和法规的因素。
3.6 工艺步骤分析
有效使用 BGA 有一些现成的途径，每个途径的详细程度取决于公司目前有什么设计和组
装设备，以及公司能多快完成生产准备。下面提供了一种方法的示例：
1. 选出使用 BGA 的候选产品名单。
2. 基于计划产量需求，开发一份设备清单。
3. 组建有设计、制造、测试、质量管理以及采购人员代表的一个团队，此团队负责元器件及设备的选择和评估。
如果公司内部没有充分的专业知识，有必要利用有声誉的培训中心或者咨询师以节省成本和时间。
4. 开发一份强调 BGA 可制造性的详细设计指南，尽可能采用现行的标准。
5. 设计候选产品，从已使用密节距元器件的现有产品开始转换。
6. 确定无铅产品的需要，这包括用于元器件上的合金以及贴装基板所需的表面处理类型。
7. 实施严格的组装和测试评审。仔细监控元器件采购过程，以确保元器件符合规定的包装、运输方法、金属化、
可焊性以及在运输容器中的方向。
8. 开发综合性工艺标准和统计上良好的过程控制系统。
9. 设计其余的候选产品。
鉴于元器件需同时满足客户要求和符合新的环境法规，许多客户需要列出用于元器件级和完整组件级的所有材
料的报告。已有建立一个正式申报系统的要求，因为汽车工业已受到欧盟“报废车辆”指令的挑战。为了帮助
厂家推进这项工作，IPC 已经制定了针对材料申报的流程（IPC-1751 和 IPC-1752），同时也鼓励软件供应商研
发可用的工具来满足那些标准要求。
3.7 BGA 的局限性和问题
尽管 BGA 技术已成为行业主流，但依然有商业和技术上的决策和必须要解决的
问题。这些特别关注的领域为：
• 目视检验
• 湿敏性
• 返工
• 成本
• 可获得性
• BGA 中的空洞
• 焊点开路（BGA 或叠装（PoP）BGA）
• HOP 和 NWO 现象
• 标准及其采用
• 可靠性问题
采用 BGA 技术需要专门的工程资源来研发和实施稳健可靠的工艺。
3.7.1 目视检验
BGA 封装可能不适合厂商通过目视检验来保证质量和维修。除非使用 X 射线或光学检测技
术，否则无法对 BGA 的焊点阵列进行检验。为获得 BGA 所带来的优势，制造商必须维持稳健的工艺控制。
由于需配置资源（设备、时间和培训），一些厂商发现实施这样严格的工艺控制是一个困难的尝试。
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有一些 BGA 目视检验方法能够识别出焊点的问题。基于 BGA 的外排焊球，可以显示陶瓷 BGA 非塌陷焊球以
及塑封 BGA 塌陷焊球的良好流动情况。外排目视检查结果可以作为一些问题的警示，例如查看 BGA 外排与
连接盘的对齐情况，以及 BGA 座落在电路板的情况，是水平的还是倾斜的。
3.7.2 湿敏性
塑料封装的 BGA 对湿度敏感。如果 BGA 封装在组装前未进行足够烘烤或者没有保持干燥，
则容易出现翘曲、膨胀、爆裂或者开裂等情况。元器件贮存和操作程序对任何湿敏元器件，包括有引线的
SMT 器件都十分关键，而对 BGA 是至关重要的。
元器件的湿敏性可采用 J-STD-020 来测试，湿敏性决定于封装的厚度。 每种 BGA 封装类型的湿敏等级都需要
分析。了解 BGA 封装类型对应的适用温度（220°C、235°C、245°C、250°C 或 260°C）很关键。如果使用温
度更高，封装类型的湿敏性分类可能要下降几个等级。
由于模塑化合物和层压板系统的改善，绝大多数基于层压板的 BGA 可在高于 220° C 温度下安装并通过鉴定
试验。密封的陶瓷 BGA 是非湿敏器件，因此可在任一较高温度下进行安装。如果制造商使用无铅焊料，在较
高温度（如 260°C）下的测试和验证显得很重要，因为无铅应用的较高温度会对 BGA 和所有其它 SMT 器件带
来严重的问题。
3.7.3 BGA 和印制板的共面性及翘曲
塑料 BGA 封装也容易出现翘曲（封装边缘向上抬起），这可能会造成
外排焊球没有连接上。封装边缘也可能向下弯曲，因此可用术语凹面（也称作“ 哭脸”）或凸面（也称作“笑
脸”）BGA 来识别这些情况。凹面（笑脸）BGA 基板对外排焊球施压，而凸面（哭脸）BGA 基板对内排焊球
连接位置施压。封装翘曲是仅施加助焊剂返工时时面临的实际问题。大尺寸芯片会引起印制板和封装层压材料
之间 CTE 不匹配，从而造成封装翘曲（见图 3-6）。
热非平衡封装设计，特别是在顶部有散热片设计的封装，根据经典的双金属材料效应将会产生翘曲。
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图 3-6 BGA 翘曲
A– 排
B– 列 C– BGA 共面性
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