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IPC-7095D-W AM1 CN 2019 年 1 月 10 有一些 BGA 目视检验方法能够识别出焊点的问题。基于 BGA 的外排焊球，可以显示陶瓷 BGA 非塌陷焊球以 及塑封 BGA 塌陷焊球的良好流动情况。外排目视检查结果可以作为一些问题的警示 ，例如查看 BGA 外排与 连接盘的对齐情况，以及 BGA 座落在电路板的情况，是水平的还是倾斜的。 3.7.2 湿敏性 塑料封装的 BGA 对湿度敏感 。如果 BGA 封装在组装前…
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实施 BGA 之前，先进行研发和技术验证。否则，如果在产品和技术上出现问题，会错过出货的截止日期。为
了确保上市前准备就绪，应该要分析 BGA 实施方法和工艺流程。
3.5 方法
在平衡尺寸、成本以及功能之间的关系而进行设计决策时，必须考虑一些因素。产品也必须在预
想环境中，在其预期生命周期内能够可靠运行。封装的选择会受到可靠性因素和环境条件（如温度、振动、冲
击和湿度）的影响，此外也要考虑环境和法规的因素。
3.6 工艺步骤分析
有效使用 BGA 有一些现成的途径，每个途径的详细程度取决于公司目前有什么设计和组
装设备，以及公司能多快完成生产准备。下面提供了一种方法的示例：
1. 选出使用 BGA 的候选产品名单。
2. 基于计划产量需求，开发一份设备清单。
3. 组建有设计、制造、测试、质量管理以及采购人员代表的一个团队，此团队负责元器件及设备的选择和评估。
如果公司内部没有充分的专业知识，有必要利用有声誉的培训中心或者咨询师以节省成本和时间。
4. 开发一份强调 BGA 可制造性的详细设计指南，尽可能采用现行的标准。
5. 设计候选产品，从已使用密节距元器件的现有产品开始转换。
6. 确定无铅产品的需要，这包括用于元器件上的合金以及贴装基板所需的表面处理类型。
7. 实施严格的组装和测试评审。仔细监控元器件采购过程，以确保元器件符合规定的包装、运输方法、金属化、
可焊性以及在运输容器中的方向。
8. 开发综合性工艺标准和统计上良好的过程控制系统。
9. 设计其余的候选产品。
鉴于元器件需同时满足客户要求和符合新的环境法规，许多客户需要列出用于元器件级和完整组件级的所有材
料的报告。已有建立一个正式申报系统的要求，因为汽车工业已受到欧盟“报废车辆”指令的挑战。为了帮助
厂家推进这项工作，IPC 已经制定了针对材料申报的流程（IPC-1751 和 IPC-1752），同时也鼓励软件供应商研
发可用的工具来满足那些标准要求。
3.7 BGA 的局限性和问题
尽管 BGA 技术已成为行业主流，但依然有商业和技术上的决策和必须要解决的
问题。这些特别关注的领域为：
• 目视检验
• 湿敏性
• 返工
• 成本
• 可获得性
• BGA 中的空洞
• 焊点开路（BGA 或叠装（PoP）BGA）
• HOP 和 NWO 现象
• 标准及其采用
• 可靠性问题
采用 BGA 技术需要专门的工程资源来研发和实施稳健可靠的工艺。
3.7.1 目视检验
BGA 封装可能不适合厂商通过目视检验来保证质量和维修。除非使用 X 射线或光学检测技
术，否则无法对 BGA 的焊点阵列进行检验。为获得 BGA 所带来的优势，制造商必须维持稳健的工艺控制。
由于需配置资源（设备、时间和培训），一些厂商发现实施这样严格的工艺控制是一个困难的尝试。
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有一些 BGA 目视检验方法能够识别出焊点的问题。基于 BGA 的外排焊球，可以显示陶瓷 BGA 非塌陷焊球以
及塑封 BGA 塌陷焊球的良好流动情况。外排目视检查结果可以作为一些问题的警示，例如查看 BGA 外排与
连接盘的对齐情况，以及 BGA 座落在电路板的情况，是水平的还是倾斜的。
3.7.2 湿敏性
塑料封装的 BGA 对湿度敏感。如果 BGA 封装在组装前未进行足够烘烤或者没有保持干燥，
则容易出现翘曲、膨胀、爆裂或者开裂等情况。元器件贮存和操作程序对任何湿敏元器件，包括有引线的
SMT 器件都十分关键，而对 BGA 是至关重要的。
元器件的湿敏性可采用 J-STD-020 来测试，湿敏性决定于封装的厚度。 每种 BGA 封装类型的湿敏等级都需要
分析。了解 BGA 封装类型对应的适用温度（220°C、235°C、245°C、250°C 或 260°C）很关键。如果使用温
度更高，封装类型的湿敏性分类可能要下降几个等级。
由于模塑化合物和层压板系统的改善，绝大多数基于层压板的 BGA 可在高于 220° C 温度下安装并通过鉴定
试验。密封的陶瓷 BGA 是非湿敏器件，因此可在任一较高温度下进行安装。如果制造商使用无铅焊料，在较
高温度（如 260°C）下的测试和验证显得很重要，因为无铅应用的较高温度会对 BGA 和所有其它 SMT 器件带
来严重的问题。
3.7.3 BGA 和印制板的共面性及翘曲
塑料 BGA 封装也容易出现翘曲（封装边缘向上抬起），这可能会造成
外排焊球没有连接上。封装边缘也可能向下弯曲，因此可用术语凹面（也称作“ 哭脸”）或凸面（也称作“笑
脸”）BGA 来识别这些情况。凹面（笑脸）BGA 基板对外排焊球施压，而凸面（哭脸）BGA 基板对内排焊球
连接位置施压。封装翘曲是仅施加助焊剂返工时时面临的实际问题。大尺寸芯片会引起印制板和封装层压材料
之间 CTE 不匹配，从而造成封装翘曲（见图 3-6）。
热非平衡封装设计，特别是在顶部有散热片设计的封装，根据经典的双金属材料效应将会产生翘曲。
A
A
B
B
C
C
图 3-6 BGA 翘曲
A– 排
B– 列 C– BGA 共面性
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3.7.4 返工
尽管 BGA 并不像密节距引线框架器件那样有很多的返工，但返工 BGA 器件可能是困难的。
BGA 返工工具和技术包括手动和自动技术，对 BGA 植球和对连接盘进行图形修复。在返工操作时必须考虑一
些因素，它们是：
• 热循环次数
• 植球时焊球塌陷
• 不损伤 BGA 载板上的焊盘
• 恰当修复连接盘，不损伤印制板上的连接盘
• 基于所用的合金，再连接时采用合适的再流焊温度
• 除非使用免清洗助焊剂，否则适当地清洗以去除助焊剂残留
• 去除底部填充或角落施加的粘合剂（如果有）
• 确定返工 BGA 和 / 或板组件的成本是否值得
BGA 维修和返工的具体信息参见章节 7.9。
3.7.5 成本
BGA 相比密节距外围封装还是有些许成本差异的。然而竞争方面的压力使得 BGA 成本持续下降
以满足新的目标。随着 BGA 所需的印制板层数的增加而产生更多的成本，但采用 BGA 会带来互连概念和性
能特性方面的许多优点。
下面是 BGA 封装成本较高的一些关键原因：
• 基材成本更高（细线宽 / 间距）
• 高 Tg 值的双马来酰亚胺三嗪（BT）树脂
• 散热增强
• 电气性能增强
• 极密外部节距
• 薄外形高度
• 单一封装内多个芯片
• 采用增强板以缓解动态封装翘曲
这些问题已在业界不断得到解决并且取得了相当大的进步。
因为目前还没有建立 BGA 引脚数的设计标准，每个芯片都有不同的要求，每个封装 / 芯片组合都是独特的；
因此，制造商在外围引线封装上的规模经济不一定在面阵列器件上看得到。
3.7.6 BGA中的空洞
许多厂商采用边界扫描，在线测试（ICT）、自 动 X射线检验（AXI）和自动光学检测（AOI）
的单独或组合使用来改善对 BGA 焊点的工艺控制。有些厂商通过 X 射线来寻找空洞（见 7.3），按照接收 / 拒
收限值来识别或或验证缺陷，任何类型的焊点都不可避免地出现某种程度的空洞。热应力和机械应力下空洞数
量与可靠性性能没有相关性。其它因素如间隙高度、阻焊膜开孔、连接盘设计等对可靠性的影响更具主导性。
空洞通常是在材料和工艺的影响下，在 SMT 再流焊过程中产生的。这样的空洞被称为工艺空洞或大空洞。
但是，除了 SMT 制程之外，还有许多其它的空洞来源。这些来源将在 7.5 中详细讨论。
分别建立于 J-STD-001 和 IPC-A-610 中的要求和接受 / 拒收标准，代表了基于最佳实践的共识。设计引发的空
洞（例如，连接盘上未填充的微导通孔）可能导致高于标准限值。在这种情况下，制造商和用户在考虑最终使
用环境的基础上，建立其它的接受标准。在没有设计原因引起空洞的情况下，正常预期的空洞水平应不大于
30%。附录 A 为建立过程改进目标提供帮助。
3.7.7 焊盘坑裂
焊盘坑裂是指焊盘与印制板树脂 /
编织复合物或直接与焊盘相邻的复合物的内部分离，它也
被称为“层压板裂纹”。焊盘坑裂的图例可见图 3-7（红色箭头）所示的 BGA 焊点切片图像。