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IPC-7095D-W AM1 CN 2019 年 1 月 165 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…

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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

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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）。

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

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指南。那里有获得多个模型可用于对产品和应用无铅焊点的可靠性进行预估。这些模型通常都是针对具体产

品的。

确认和鉴定测试应该遵循 IPC-SM-785 给定的指南。然而，对于热量耗散显著的大元器件、不对称结构的元器

件以及整体 CTE 不匹配小的元器件，温度循环测试并不足以提供所需的信息；包含外部温度和内部功率循环

的全功能循环是必要的。

8.8　筛选程序

8.8.1　焊点缺陷　

可靠性最关注的焊点缺陷是润湿不充分，导致 8.4.1 提到的缺陷。润湿良好的焊点具有足够

的强度，而没有降低抗热疲劳的能力。但没有良好润湿的焊点在机械和热循环负载作用下会过早失效。

焊点中的空洞通常不认为会对可靠性构成威胁。可能的例外有：

• 减少了焊点横截面的大空洞，足以降低所需的热传递性能

• 高频应用中，会导致信号恶化的空洞

带有非塌陷焊球的 BGA 元器件（高温焊料 PbSn10，熔点为 302°C）通常很少或没有诱发的空洞，因为焊球在

再流焊曲线期间从不熔化。

8.8.2　筛选建议　

有效的筛选程序能使潜在的焊点缺陷（即润湿不充分的薄弱焊点）失效，对高质量焊点没有

明显的损伤。最佳推荐方案为随机振动（6g-10g，10-20 分钟），最好是在低温（如，-40°C）。这种负载不会损

伤良好焊点，但对薄弱位置施加过应力。热冲击也可成功地使用，但可能会对良好焊点产生某些损伤，特别是

大型元器件。

8.9　加速可靠性测试　

确认和鉴定试验应该遵循 IPC-SM-785 和／或 IPC-9701 给定的指南。尽管通常会进行

ATC，对于某些产品，ATC 需要与机械冲击和 / 或振动测试联合。单套 ATC 测试条件或不充分的 ATC 测试条

件不可能提供有效结论。

加速可靠性测试在设计样机上进行，通常会持续到失效或直到达成预定的可靠性目标。恰当的可靠性目标可以

通过合适的加速模型确定（见 IPC-D-279）。

一旦失效发生，需要分析关于潜在失效机理的失效模式起因。如果预定目标未达成，有必要采取纠正措施。需

要改进组装工艺或重新设计产品。无论哪种情况，纠正措施执行后都需要重新测试。

考虑到 BGA 可能会集成多种应用，单个固定的鉴定计划可能是不充分或不足够的。因此，基于知识的测试

方法可能更稳健。它考虑最终用户的需求、应用要求和使用环境，来建立边界条件并识别合适的可靠性模

型。基于知识的测试方法可以比 IPC-9701 规定的测试脚本确立更实际的鉴定目标。基于知识的测试方法参考

JESD94。IPC-9701 也将按典型应用划分了九种产品类别，各类别产品关联到热、机械、大气要求以及它们在

典型的生产过程、储存和运行期间必须满足的电气性能要求。

9　工艺问题排查

　本章节识别了与 BGA 组装相关异常，异常的描述包括识别组装后与连接结构特性和所用

焊球变异相关的失效。本章节也讨论了连接金相并分析了最终焊点的结构，尤其是归结为焊点失效的特征。

9.1　阻焊膜限定（SMD）BGA 状况　

SMD 连接盘可用在相应的非关键性或功能性引脚上，因为 SMD 连接盘

有助于焊盘坑裂缺陷最小化。但是，SMD 连接盘会产生附加应力始发位置点，故应该避免在载板和连接盘上

使用。