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IPC-7095D-W AM1 CN 2019 年 1 月 164 图 8-24 显示了这些技术。以下是每种技术的优点和缺点： SAC BGA 植球为锡铅合金（图 8-24A ） ；标准再流曲线（ 210 ° C 至 225 ° C ， 60 至 90 秒） • 优点： – 适用于 SnPb SMT 工艺 • 缺点： – 额外的成本 – 额外的时间 – 严格的植球工艺控制 SMT 过程中高温锡铅再流曲线 （图 8-24B ） ; 高温再…
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图 8-23 用锡铅焊膏采用向后兼容再流曲线组装至印制板上的 BGA SAC 焊球切片的显微照片
图注：
SAC 焊球已熔化。
8.5.5.5.1 SAC 焊球 BGA 用锡铅焊膏再流的向后兼容选项
一些继续使用锡铅焊接工艺的产品设计团队面临
如何使用仅可获得无铅焊球 BGA 的困境。有三种方法解决混合冶金条件下潜在的焊点完整性问题：
1） 实施植球
，去除无铅焊球并用锡铅焊球替代。如果遵循严格的工艺流程，植球工艺已证明是可靠的。使
用重新植球的 BGA 器件的优点是元器件适应锡铅焊接工艺，而缺点是 BGA 器件植球所需的成本和时间。
2） 在锡铅焊接过程中，利用再流曲线来协调 BGA 焊点的微观结构并使微观结构分离最小化。业界传统上采
用最高温度极限为 225°C 的锡铅焊膏。焊膏助焊剂配方设计师和元器件制造商已确定特性并测试其材料
不会在低于极限温度下退化。但是，典型的无铅焊料再流曲线的温度变化在 235°C ～ 260°C 范围内，容
易超过锡铅焊料工艺再流曲线极限 225°C。如果超过 225°C，许多元器件制造商将不再保证其元器件。
一些高性能产品的设计团队已经开展测试，并与元器件制造商合作，开发出可接受的、不会产生元器件
完整性困扰的热风再流曲线。使用热风曲线的优点是最小化工艺参数变化以及节拍时间影响小。采用热
风曲线的缺点是与额外尽职测试有关的时间和成本，以及为证实可接受元器件 / 焊点完整性而需生成再流
焊曲线时付出的努力。
3） 解决混合冶金问题的另一种方法是将标准锡铅焊接工艺温度曲线用于无铅 BGA 元器件，然后底部填充。
导致的 BGA 焊点将有不同程度的焊点微观结构的分离，这取决于印制板组件上的 BGA 元器件的尺寸和
密度。然而，施加底部填充通过将 BGA 元器件直接耦合至印制板减少了 CTE 不匹配应力对焊点的影响。
采用底部填充方法的优点是降低的成本，标准无铅 BGA 元器件较易获得性和最小焊接工艺变化。采用底部
填充材料的缺点是与增加器件底部填充工艺步骤相关的成本和时间，以及可能需要用到无法返工的底部填
充材料（即印制板组件成为无法维修）。
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图 8-24 显示了这些技术。以下是每种技术的优点和缺点：
SAC BGA 植球为锡铅合金（图 8-24A）；标准再流曲线（210 °C 至 225°C，60 至 90 秒）
• 优点：
– 适用于 SnPb SMT 工艺
• 缺点：
– 额外的成本
– 额外的时间
– 严格的植球工艺控制
SMT 过程中高温锡铅再流曲线 （图 8-24B）; 高温再流曲线（225 °C 至 235 °C，TAL> 90 秒 ）。
• 优点：
– 对节拍时间影响最小
• 缺点：
– 物料清单上不是所有的元器件都适用于高温再流
– 费力的再流曲线优化
标准锡铅再流，然后底部填充（图 8-24C）；标准再流曲线（210 °C 至 225 °C，60 至 90 秒）
• 优点：
– 适用于锡铅再流 SMT 工艺
• 缺点：
– 额外的材料和工艺成本
– 额外的工艺时间
A
D
FG
HJ
E
BC
IPC-7095d-8-21-cn
图 8-24 混合冶金（SAC/ 锡铅）BGA 焊点替代选项
A– SAC BGA 改植为锡铅焊球
B– SMT 过程中的高温锡铅再流曲线
C– 用标准锡铅再流曲线再流，然后有底部填充
D– SAC
E– SnPb
F– 植球前
G– 植球后
H– 与铅完全混合的匀质焊点
J– 部分混合的焊点
8.5.5.6 植球
由于锡铅焊球元器件获取有限，一些功能性设计可能需要替换（植球）BGA 元器件的焊球，
以允许与锡铅产品组件有相同的工艺。尽管常用，但这种做法有潜在的缺点，因为焊球拆除以及随后替换需要
额外的热循环。此外，焊球至元器件连接位置形成的界面合金可能无法达到想要的或预期的共晶性能。然而，
这项工艺提供了无铅 BGA 元器件采用锡铅工艺进行组装的途径。这种工艺允许调整在性能、合同约束和 / 或
与传统或生产设计兼容性上的使用策略，这种兼容性体现在无铅生产工艺需要的温度额外变动的影响。和混合
合金连接相比，重新植球工艺能够避免焊膏合金、印制板表面处理和元器件表面处理兼容性问题，然而要平衡
这些问题获得满意的生产结果是非常复杂的。
对 BGA 元器件进行植球包括采用诸如真空解焊工具、刀型烙铁头或吸锡带等局部加热源将原有焊球拆除。然
后将元器件表面清洁并准备连接新焊球，新焊球由能与元器件原始图形对准的夹具定位。随后采用典型返工加
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热源如对流再流炉或可夹持元器件并可放置替换焊球的再流焊炉，将焊球连接于元器件。作为一种备选方案，
当有许多元器件需要植球时，可以采用自动激光系统。该系统从托盘中拾取和放置焊球，然后用激光束再流
BGA 基板上就位的焊球。
无论哪种情况，热源必须受控即所采用的温度曲线适合于元器件和新焊球合金。焊球连接后，BGA 封装从夹
具上移走，然后检查、清洁焊球并准备与其余元器件安装和焊接。如同所有 BGA 工艺要求，必须考虑其湿敏
性和 ESD 敏感性。通常可用的 BGA 焊球合金和尺寸范围很大，但必须选择使得与其它工艺要素（如印制板镀
层和焊膏）相兼容。通过采用合适的焊球尺寸和布局以维持元器件设计节距和间隙，这也非常关键。
IPC7711/21 提供了 BGA 植球的具体流程。
8.6 可靠性设计（DfR）流程
作为通常的建议，应遵循 IPC-D-279 所详述的 DfR 流程。
改善格栅阵列元器件可靠性，其适当的 DfR 措施可采取以下两种形式之一，对于已改善的处于可靠性边际的，
最好联合采用它们。这些措施为：
• 调整 CTE 以减少整体膨胀的不匹配。
• 通过增大焊点高度（间隙），增加连接顺从性以适应整体膨胀不匹配。
• 旨在高可靠性的 DfR 程序还可包括：
– 采用适当的底部填充使元器件和基板机械耦合，以消除整体膨胀不匹配的影响。
– 选择芯片柔性连接以减小芯片的低 CTE（2.7 ppm/°C 至 2.8ppm/°C）对整体和局部热膨胀不匹配的影响。
CTE 调整包括选择多层印制板和／或元器件的材料或材料组合，以实现最佳的 CTE。如采用具有较大 CTE
的多层印制板，对于存在功率耗散的有源器件来说，最佳 CTE 为约 13ppm/°C-3ppm/°C（取决于具体的耗
散功率），而无源器件的 CTE 为 0ppm/°C。因为印制板组件上有大量元器件，无法实现对所有元器件全实现
CTE 的最优化，但需要对可靠性威胁最大的元器件进行优化。
对于军事用途存在气密性要求因而采用陶瓷元器件，CTE 调整意味着通过选用材料对多层印制板进行 CTE 限
制，这类材料如 Kevlar、石墨纤维、铜 - 因瓦 - 铜以及铜 - 钼 - 铜层。对于大多数选择玻璃环氧树脂以及玻璃
聚酰亚胺作为多层印制板材料的商业应用来说，这种方案太昂贵了。因此，CTE 调整必须避免采取使用大尺
寸元器件的方式，这些元器件可能是陶瓷 BGA（如 CGA、MCM）或者是带有合金 42 引线框架塑封 BGA（如
TSOP、SOT）或是带有硅芯片刚性键合的塑封 BGA（如 PBGA）。
对无铅焊料连接增加连接顺从性意味着要增加焊点高度（如受控塌陷芯片连接 /C4、受控塌陷芯片载体连接 /
C5、填充、点胶、PbSn10 焊球、PbSn10 焊柱）或切换至有铅连接技术。对于有铅连接，增加连接顺从性意味
着要切换到那些元器件供应商，它们可提供提升高铅顺从性的几何形状，或着切换至密节距技术。
DfR 过程需要强调失效物理学的观点而不忽视失效的统计分布。该过程可能包括以下步骤：
1. 识别可靠性要求—预期设计寿命和设计寿命结束时可接受的累计失效概率。
2. 识别负载条件—使用环境（如 IPC-SM-785）和由于功耗而产生的热梯度，这些条件可能会变化而产生大量
微循环（如能源之星）。
3.
识别 / 选择组装结构—元件和基板选择、材料性质（如 CTE）以及连接几何形状。
4. 评估可靠性—确定设计后组件的可靠性潜力，并采用品质因数法或其它适宜的技术来比较可靠性要求；这种
过程可能会迭代。
5. 平衡性能、成本和可靠性要求
8.7 验证和鉴定测试
IPC-9701 规定了性能测试方法和鉴定要求；IPC-9701 也包括了无铅焊点的可靠性测试