IPC-7095D-CHINESE NP 2019 - 第57页
IPC-7095D-W AM1 CN 2019 年 1 月 41 表 4-10 IPC-4101 FR-4 性能汇总 - 材料规格单说明 , 为更好承受无铅组装配方 性能 IPC-4101 规格表 /99 /101 /121 /124 /126 /129 最小 Tg （° C ） 150 11 0 11 0 150 170 170 最大 Tg （° C ） N/A N/A N/A N/A N/A N/A 最小 Td （° C ） 325…
IPC-7095D-WAM1 CN 2019 年 1 月
40
处理器插座中央有一个开口允许在器件底部放置电容。由于插座覆盖有用于拾取的盖子，这会造成再流焊过程
中空气流动闭塞的空间，使得最靠近此腔体的焊球温度会比外排焊球温度低。因此必须要特别注意再流曲线以
使内外排焊球之间的温度差趋于最小。较小温度差有利于再流焊过程中插座翘曲的最小化。要减少开路的另一
个方法是增加焊膏量，尤其是增加有问题区域的焊膏量。增加模板厚度并非总是可行的，所以可将增大模板开
孔尺寸作为一个替代选择。通常来说，在创建再流曲线时最好遵照焊膏制造商的建议；但是确保最高温度、保
温时间，以及高于液相线时间不处于下限值也有助于避免 HoP 开路。
4.6 BGA 构造材料
4.6.1 BGA 基板材料类型
BGA 构造中使用到几种材料。材料的选择取决于很多于因素（如成本、使用环境、
可靠性要求等）。材料选择也取决于 BGA 制造所用的工艺以及芯片 I/O 重新分配为面阵列格式时设计需要的复
杂度。基材的选择不仅依据它们的电气特性，而且要依据它们的机械属性。大部分元器件制造商要求用于 I/O
端口重新分配的材料需满足 JESD22-A102B 规定的应力测试。这项严苛的加速度应力测试，包含有压力容器中
暴露试验，因此只允许最稳健的材料用作载板。
4.6.1.1 双马来酰亚胺三嗪（BT）玻璃
与玻璃纤维增强物结合使用的 BT 树脂是 BGA 封装中基板制造的常
见选择。这种材料有许多货源并能提供良好的热性能（基于具有相对较高的 T
g
）。此外，BT 树脂的电气性能
（IPC-4101/30 T
g
范围 170°C -220°C）适用于大多集成电路封装应用。
4.6.1.2 环氧树脂玻璃（FR-4）
阻燃环氧 - 玻璃复合物可用于 BGA 封装，但此材料最常见用于印制板制造。
高 T
g
FR-4 层压板（四官能团、多官能团）主要用于多层印制板的制造，但此材料同时也适合 BGA 封装。
环氧树脂材料配方方面的进展已大大改善了其高温性能，在 T
g
方面也可与 BT 匹敌。BGA 构造中使用 FR-4 树
脂系统的另一优点是其 CTE 与其安装的印制板更匹配。
IPC-4101 包含了满足符合 RoHS 以及无铅焊接要求的材料规格表。已配方出的成分在焊接期间（可能超过
260°C 的工艺）有最小化分解率和 Z 轴过度膨胀。由于制造商使用变化多样的配方来制造环氧树脂玻璃基材
料，用单张规格表来表达不切实际。T
g
范围介于 110°C 至 170°C，分解温度（Td）的范围介于 310℃至 340℃
的 FR-4 材料其成分元素略有差异 。所有材料的 UL 阻燃等级为 V-0。表 4-10 提供了 IPC-4101 规格表的这些性
能总结。
4.6.1.3 FR-4 的阻燃剂
关于制造 FR-4 复合材料时使用的阻燃剂，RoHS 指令禁止使用某些溴化合物，但
没有禁止用于基板制造中目前作为玻璃增强基材的阻燃溴化物材料。RoHS 列为非法的含溴化合物是那些在
聚合物基体中保持独立分子的物质。这些物质包括多溴联苯醚（PBDE）或多溴联苯氧化物（PBBO）和多溴
联苯（PBB）。
符合
RoHS 的含溴化合物包括起反应成为聚合物基体化学成分一部分的那些物质，（如四溴双酚 A（TBBPA））。
符合 RoHS 并不代表基材必须无卤。某些含溴阻燃剂（包括 FR-4 中最普遍的含溴阻燃剂 TBBPA）， 已 被 RoHS
接受，十溴联苯醚也已得到了 RoHS 的豁免。
4.6.1.4 陶瓷
陶瓷是称谓一大类基于矾土或氧化铝基板的术语。陶瓷是最先以 PGA 的形式作为面阵列封装
的材料之一，同时也是最先用作构建最初期 BGA 的封装材料。陶瓷基板有较高的热传导率，且采用腔体加盖
子的形式，具有提供气密性封装的能力。
IPC-7095D-WAM1 CN2019 年 1 月
41
表 4-10 IPC-4101 FR-4 性能汇总 - 材料规格单说明 , 为更好承受无铅组装配方
性能
IPC-4101 规格表
/99 /101 /121 /124 /126 /129
最小 Tg （°C
） 150 110 110 150 170 170
最大 Tg （°C
） N/A N/A N/A N/A N/A N/A
最小 Td （°C
） 325 310 310 325 340 340
填充材料 有 有 无 无 有 无
阻燃性 RoHS BR RoHS BR RoHS BR RoHS BR RoHS BR RoHS BR
易燃性 V-0 V-0 V-0 V-0 V-0 V-0
最大 Z 轴向 CTE-alpha 1 60 60 60 60 60 60
最大 Z 轴向
CTE-alpha 2 300 300 300 300 300 300
最大 Z 轴向 CTE （
50 °C
至 260 °C）
3.5 4.0 4.0 3.5 3.0 3.5
T-260 （分钟） 30 30 30 30 30 30
T-288 （分钟） 5 5 5 5 15 15
T-300 （分钟） AABUS AABUS AABUS AABUS 2 2
UL 最大工作温度 （°C
） AABUS AABUS AABUS AABUS 130 130
表格注释 :
AABUS – 由供需双方协商
确定对陶瓷基板材料，确实有许多批评的声音，比如它通常更贵、更易碎，具有较高介电常数（Dk）而延缓
信号传播，并且 CTE 通常比它们要安装的典型印制板小得多。最后一个主要关注点是，它既要限制封装的总
体尺寸同时又要最大化焊球触点尺寸以使封装组装后获得可接受的焊点可靠性。
4.6.1.5 挠性（未加强）基膜
挠性基膜可用于 BGA 构造，最普通的基膜为聚酰亚胺，它有一些引人关注的
性质，使其成为 BGA 基板的合适选择。这些属性包括：
• 极高温度上限（~250°C）
• 相对低的 Dk（约 3.5，FR-4 约 4.5，陶瓷约 10
）
• 很薄
• 容易生产出高密度面阵列封装所普遍要求的细线条电路特征
非增强或挠性材料的主要问题一直是其尺寸稳定性。增强材料提供了用以加强 X-Y 轴向的 CTE 性质的物理特
性。当封装组装到互连产品时，X 轴和 Y 轴是影响封装焊点应力的互连方向。除此之外，聚酰亚胺膜通常比
其它加强有机基材更加昂贵并相对较易受潮。另外，由于聚酰亚胺膜更柔性，它会吸收而不是传递应力。
4.6.2 BGA 基板材料性质
对于基板材料规定并需测量许多性质，但只有很少的性质对最终 BGA 成品的性能
认为是关键的。
4.6.2.1 热膨胀系数（CTE）
CTE 是 BGA 基板的一项非常重要的物理属性，因为它定义了当温度上升时材料
的膨胀率。当 BGA 与其安装的印制板结构存在较大的 CTE 差异时，其重要性就会被放大。当 CTE 差异较大时，
焊球连接处会出现过度的应力和应变并导致焊点加速退化。
4.6.2.2 玻璃化温度（T
g
）
在温度超过 T
g
（如 SMT/ 再流焊，波峰焊，返工或可靠性应力测试）的事件中，
材料会开始丧失其强度并以较快的速率膨胀，导致其结构完整性的丧失（层和层压板的变形）。
4.6.2.3 挠曲模量
作为基板刚度或硬度的度量，挠曲模量很重要。对于 BGA 的影响通常表现为翘曲的程度。
过度的翘曲会显著地影响印制板组件良率。
IPC-7095D-WAM1 CN 2019 年 1 月
42
4.6.2.4 介电性质
介电性质总标题下包括有几个指标：
• 介电常数 Dk
• 损耗因子（Df）
• 介质耐压
• 表面绝缘电阻（SIR）
这些性质对最终产品的处理能力，信号速度和完整性是重要的。
当系统设计运行在 200MHz-300MHz 以上而继续使用 FR-4 材料时，需要 FR-4 有更高性能能力是显而易见的。
随着处理速度持续增加，有必要降低材料的介电常数和损耗因子。更加先进的基板材料系统可以提供稳健的方
案，比如，氰酸脂提供 114cm/nsec 的信号传输速度，相比较普通的 FR-4 环氧树脂材料为 100cm/nsec。在选择
先进材料技术时，必须要考虑较低 Dk 和 Df。
较低 Dk 的优点包括：
• 更快的导体信号速度
• 在相同的导体几何图形下，有更薄的信号互连
较低 Df 的优点包括：
• 改善的高频信号完整性
• 高频下较小的信号损失
表 4-11 列出了用于 BGA 基板制造一些材料的不同特性：
表 4-11 BGA 封装基板常用介电材料的典型性质
性质
材料
高性能环氧树脂 BT/ 环氧树脂 聚酰亚胺 氰酸脂树脂
Dk （纯树脂） 3.4 2.9 3.5 to 3.7 2.8
电气强度（x 10
3
V/mm） [x 10
6
V/in] 70.9 [1.8] 47.2 [1.2] 70.9 [1.8] 65.0 [1.65]
体积电阻率 （
x 10
6
Ω
-cm） 4.9 4.0 2.1 1.0
吸水性 （
wt. %） 0.3 1.3 1.3 0.8
Df 0.012 0.015 0.01 0.004
4.6.2.5 吸湿性
理想的 BGA 材料不会截留任何湿气，从封装的角度而言，应关注层压板基材会截留湿气这
一事实。截留的湿气在组装过程中会膨胀和剧烈排气，这会引起局部分层并导致封装可靠性降级。
4.6.2.6 平面度要求
必须维持 BGA 基板的平面度要求，以确保封装组装后不会出现过度翘曲和弓曲，过度
翘曲 / 拱曲会使测试和下一级组装产生问题。芯片一旦连接后，尤其是当芯片相对于封装外形有较大尺寸时，
封装组装工艺可能会改善翘曲的某些负面影响。
BGA 封装的平面度标准应该不超过 0.3%。
4.7 BGA 封装设计考量
除了芯片设计规则，基板设计人员必须要理解热和电气性能问题。BGA 封装设计人
员也必须考虑可制造性方面的问题：
• 基板制造
• 一级和二级组装良率
• 成品封装可靠性
4.7.1 电源和接地层
必须要策划封装内电源和接地分布。对于一些高速应用，整个电路层需用于电源和接地
分布。当需要受控阻抗传输线时，也会使用接地和电源电压层。此外，静音接地需要与所有存在开关动作而产
生的噪音接地分开。某些应用场合下，芯片各部分需要若干个不同电压的电源。这些层需要在 BGA 封装基板
上平衡分布以使元器件翘曲最小化。