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IPC-7095D-W AM1 CN 2019 年 1 月 160 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 TA L 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…
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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。
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8.5.5.4 BGA 无铅焊点的外观
BGA 封装本体会遮
盖其焊点。然而，某些特殊的显微镜（如内窥镜），
可以观察到外围的焊点。SAC 焊点的微观结构通常
为多相微观结构，因此焊点的表面看起来粗糙。这
与通常具有光泽表面的典型锡铅 BGA 焊点相比有很
大的不同。
图 8-20 显示了典型的 SAC BGA 焊点。
8.5.5.5 向前和向后兼容性
由锡铅焊接系统到完
全无铅焊接系统的转化需要时间和相应的准备。对
于从锡铅向无铅系统转化的组织，可能会出现锡铅
和无铅焊料在印制板组件上并存的过渡阶段。这个
过渡阶段使得要评估 SAC 中含铅对焊点良率和可
靠性的影响。
表 8-3 提供了向无铅组装转化的一些建议指南。
表 8-3 无铅组装的类型
定义 元器件端子 /BGA 焊球 焊膏 印制板表面处理
向前兼容性 含铅 无铅 有铅或无铅
向后兼容性 无铅 SnPb37 有铅或无铅
无铅 无铅 无铅 无铅
表 8-3 中第一种可能的无铅印制板组装为向前兼容。这种情形下，焊接工艺已通过改变焊膏配方的变化转化为
无铅技术，相应的再流焊温度曲线也与变化匹配。然而，对于某些元器件（如 BGA），仍是锡铅焊料。这导致
BGA 元器件的锡铅焊点被无铅焊膏中替代铅的金属污染。
表 8-3 中第二种可能的无铅印制板组装为向后兼容。这种情形下，组装厂使用共晶锡铅焊膏按照锡铅再流焊曲
线焊接无铅元器件。锡铅元器件明显更适合此类情况，但是供应商可能无法提供这种表面处理的元器件。由锡
铅焊膏和无铅焊球组合而形成的焊点将有一个混合的成分。当使用锡铅焊膏对 SAC 无铅 BGA 进行焊接时，基
于所使用的再流曲线，会产生两种不同的情形。图 8-21 比较了这两种再流曲线，同时也提供完全无铅再流曲
线作附加对比。
锡铅再流曲线，未超过 BGA SAC 焊球的熔点。当再流曲线无法使无铅焊球融化或熔解时，焊点良率和 / 或焊
点疲劳寿命将会受到影响。沉积在焊球连接盘上的锡铅焊膏熔化，但是 SAC 焊球依然没有熔化。这种材料组
合中，铅可能通过焊球晶粒边界扩散。铅从锡铅焊料中扩散到 SAC 焊球中有多高取决于达到的再流温度有多
高以及锡铅焊料熔化时间有多长。
图 8-20 SnAgCu（SAC）BGA 焊球的内窥镜照片