IPC-7095D-CHINESE NP 2019.pdf - 第58页
IPC-7095D-W AM1 CN 2019 年 1 月 42 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…
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表 4-10 IPC-4101 FR-4 性能汇总 - 材料规格单说明 , 为更好承受无铅组装配方
性能
IPC-4101 规格表
/99 /101 /121 /124 /126 /129
最小 Tg （°C
） 150 110 110 150 170 170
最大 Tg （°C
） N/A N/A N/A N/A N/A N/A
最小 Td （°C
） 325 310 310 325 340 340
填充材料 有 有 无 无 有 无
阻燃性 RoHS BR RoHS BR RoHS BR RoHS BR RoHS BR RoHS BR
易燃性 V-0 V-0 V-0 V-0 V-0 V-0
最大 Z 轴向 CTE-alpha 1 60 60 60 60 60 60
最大 Z 轴向
CTE-alpha 2 300 300 300 300 300 300
最大 Z 轴向 CTE （
50 °C
至 260 °C）
3.5 4.0 4.0 3.5 3.0 3.5
T-260 （分钟） 30 30 30 30 30 30
T-288 （分钟） 5 5 5 5 15 15
T-300 （分钟） AABUS AABUS AABUS AABUS 2 2
UL 最大工作温度 （°C
） AABUS AABUS AABUS AABUS 130 130
表格注释 :
AABUS – 由供需双方协商
确定对陶瓷基板材料，确实有许多批评的声音，比如它通常更贵、更易碎，具有较高介电常数（Dk）而延缓
信号传播，并且 CTE 通常比它们要安装的典型印制板小得多。最后一个主要关注点是，它既要限制封装的总
体尺寸同时又要最大化焊球触点尺寸以使封装组装后获得可接受的焊点可靠性。
4.6.1.5 挠性（未加强）基膜
挠性基膜可用于 BGA 构造，最普通的基膜为聚酰亚胺，它有一些引人关注的
性质，使其成为 BGA 基板的合适选择。这些属性包括：
• 极高温度上限（~250°C）
• 相对低的 Dk（约 3.5，FR-4 约 4.5，陶瓷约 10
）
• 很薄
• 容易生产出高密度面阵列封装所普遍要求的细线条电路特征
非增强或挠性材料的主要问题一直是其尺寸稳定性。增强材料提供了用以加强 X-Y 轴向的 CTE 性质的物理特
性。当封装组装到互连产品时，X 轴和 Y 轴是影响封装焊点应力的互连方向。除此之外，聚酰亚胺膜通常比
其它加强有机基材更加昂贵并相对较易受潮。另外，由于聚酰亚胺膜更柔性，它会吸收而不是传递应力。
4.6.2 BGA 基板材料性质
对于基板材料规定并需测量许多性质，但只有很少的性质对最终 BGA 成品的性能
认为是关键的。
4.6.2.1 热膨胀系数（CTE）
CTE 是 BGA 基板的一项非常重要的物理属性，因为它定义了当温度上升时材料
的膨胀率。当 BGA 与其安装的印制板结构存在较大的 CTE 差异时，其重要性就会被放大。当 CTE 差异较大时，
焊球连接处会出现过度的应力和应变并导致焊点加速退化。
4.6.2.2 玻璃化温度（T
g
）
在温度超过 T
g
（如 SMT/ 再流焊，波峰焊，返工或可靠性应力测试）的事件中，
材料会开始丧失其强度并以较快的速率膨胀，导致其结构完整性的丧失（层和层压板的变形）。
4.6.2.3 挠曲模量
作为基板刚度或硬度的度量，挠曲模量很重要。对于 BGA 的影响通常表现为翘曲的程度。
过度的翘曲会显著地影响印制板组件良率。
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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