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IPC-7095D-W AM1 CN 2019 年 1 月 43 对于需要有稳定电源或接地层的应用，需要的基板层数至少为四层。与双层封装相比，四层基板有较低的热阻 抗和较高的功率耗散。对散热加强型 BGA ，内部装有铜制散热片，散热片通常可作为接地层，通过通孔到散 热片连接接地线，散热片变成有源载流接地层。 4.7.2 信号完整性 有三种会影响信号完整性的主要 BGA 封装设计考量： 1 ） 传输线中特性阻抗的不连续导致反射。 2 ） …
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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。
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对于需要有稳定电源或接地层的应用，需要的基板层数至少为四层。与双层封装相比，四层基板有较低的热阻
抗和较高的功率耗散。对散热加强型 BGA，内部装有铜制散热片，散热片通常可作为接地层，通过通孔到散
热片连接接地线，散热片变成有源载流接地层。
4.7.2 信号完整性
有三种会影响信号完整性的主要 BGA 封装设计考量：
1） 传输线中特性阻抗的不连续导致反射。
2） 由动态线和静态线之间的耦合噪声产生的相邻线路之间的串扰。
3） 由多路输出同时开关而产生的开关噪声，通常被称为 ΔI 噪声或同步开关输出（SSO）噪声。多路 SSOs 需
要电源和电源线间有一个较低的等效电感（Leff）:
BGA 的有效电感取决于与芯片上电源和接地焊盘相关的电源和接地引脚的数量和布置方式，通过对电源和接
地引脚适当分配和借助于商用信号完整性分析工具，Leff 和 ΔI 可以最小化。
4.7.3 封装内置散热片
当芯片功率超过封装基板所支持的最大功耗消散能力时，封装内部可整合安装散热
片。由于大多数层压板材料的热导率较低，集成电路产生通过铜导体、镀覆通孔和焊球散热。通过在芯片安装
区域下面配置一个铜平面或铜区域，散热片就整合到封装中了。
封装设计时很重要的是要尽可能维持热平衡以避免温度变化期间过度翘曲。对于 CBGA，它的散热可通过高导
热性 CuW 材料（其 CTE 与氧化铝基板材料匹配）替代低导热的铝基陶瓷材料来实现。
4.8 封装的接收标准和运输方式
关于 BGA 封装接收标准存在一些问题。这些包括鉴定或制造过程中采用的
工艺控制策略，鉴定时常用抽样计划来定义产品的不合格水平。主要问题有：
• 焊球缺失
• 焊球中空洞
• 焊球连接完整性
• 封装与焊球共面性
• 湿敏性
• 运输介质
• 焊球合金（含铅和无铅）
• 焊球尺寸与形状
• 模块平面度 / 封装弓曲
• 污染物的存在
• 分层（C 模式扫描声学显微镜）
4.8.1 焊球缺失
当 BGA 进料时，焊球触点的缺失或
损坏是不可接受的。图 4-37 提供了 BGA 封装中的焊球
缺失的示例。
注：
对于焊球缺失，请核对器件设计规范，以确保缺失
的互连不是空缺方案的一部分。出于电气优化、布线增
强和机械稳健性改善等目的，先进的器件设计可能在选
定的区域内有内置阵列空缺。
图 4-37 BGA 焊球缺失的示例
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4.8.2 焊球空洞
空洞可能在焊球连接工艺之前就出
现在焊料球体中（由于焊球的制造工艺），在焊球连
接工艺中引发（由助焊剂的使用造成），并在印制板
组装前出现。如图 4-38 所示，这样的空洞可能会也
可能不会在板级组装过程中消散。
附录 A 提供了工艺控制特性的一些建议，以降低组装
前的空洞发生。
对于组装后焊球空洞的工艺控制标准，参见 7.5.1。
4.8.3 焊球连接完整性
可靠的焊球连接是 BGA 封
装成功依赖的因素之一。焊球需要在可接受尺寸公差
内连接，连接后它们的高度和宽度需在规定和 / 或可
接受限值内。最重要的是，它们需要与基板上的连接
盘之间形成适当的金相结合。所有焊球需要能经受确
保润湿而达到最佳连接的温度曲线。如果焊点不润
湿，焊球将无法获得适当的连接也不能保证必需的机
械和电气互连。这样的焊球会在运输和操作时会脱
落，或者在电气测试时会出现失效或间歇性失效。
图 4-39 显示了焊球和连接盘表面。左图为焊球的平
整底部，右图为焊球连接后的 FBGA 焊盘。
如果连接工艺温度不足以形成适当的金相结合，此时
由于焊球和焊盘之间仅靠机械粘合维系，所以只需要
很小的力就可以将焊球从焊盘剥离。
焊球连接完整性可通过焊球剪切或焊球拉动来评估。可获得剪切和拉动的人工和自动剪装置。不建议手动方式
扭曲，剥离和撬动焊点，因为其产生的结果再现性不够，且失效模式不一致。对于剪切和拉动测试，脱离力（通
过剪切或拉动）和失效模式都是重要的参数。焊接界面的失效，表现为焊点从 BGA 树脂基材或印制板连接盘
处撕开，是湿润良好的积极信号。对于良好的连接，不应该有任何未被湿润的区域。焊球拉动和剪切测试方法，
分别参考 JESD22-B115 和 JESD22-B117。
4.8.4 封装和焊球共面性
封装共面性是下列因素共同作用的结果：
• 封装厚度、节距和散热要求
• 基板设计、材料和制造工艺
• 器件（芯片）数量、尺寸和厚度
• 无源元件数量、尺寸和厚度
• 组装材料和制造工艺
一般室温下规定的共面性不总能保证该元器件在 SMT 加工时形成良好的焊点。无论室温共面性怎样，再流焊
接过程中的封装行为（动态翘曲）决定了与焊料接触的好坏。封装的动态翘曲取决于封装 CTE（封装尺寸、
芯片尺寸、封装材料）。如 JESD-B112 所描述，动态翘曲的标志可通过诸如阴影叠纹技术，三维数字图像相关、
条纹投影和各种形式的线扫描或高分辨率聚焦技术等方法来表征。
A
图 4-38 进料检验时共晶焊球中的空洞示例
A – 空洞
AB
图 4-39 焊球和连接盘表面状况示例
A – 焊球平整的底部
B – 焊球连接后 FBGA 上的焊盘