【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第10页

9.2.6 通 过 X 射线 和 切 片 确 定 空 洞 .......................... 138 9.2.7 空 洞 和 非 均匀 焊 球 ......................................... 138 9.2.8 蛋壳 空 洞 ......................................................... 139 9.3 BGA 中 介基板 的 弓 …

100%1 / 176
7.3.1 X射线使用 ........................................................ 89
7.3.2 X射线图像采集 ................................................ 89
7.3.3 X射线系统术语的定义和讨论 ........................ 91
7.3.4 X射线图像的分析 ............................................ 93
7.3.5 声学扫描显微镜 ............................................... 95
7.3.6 BGA间隙高度测量 ........................................... 95
7.3.7 光学检测 ........................................................... 96
7.3.8 破坏性分析方法 ............................................... 97
7.4 测试和产品验证 ............................................... 99
7.4.1 电气测试 ........................................................... 99
7.4.2 测试覆盖 ........................................................... 99
7.4.3 老化测试 ........................................................... 99
7.4.4 产品筛选测试 ................................................... 99
7.5 空洞识别 ........................................................... 99
7.5.1 空洞的来源 ..................................................... 100
7.5.2 空洞的分类 ..................................................... 100
7.5.3 BGA焊点中的空洞 ......................................... 101
7.6 空洞测量 ......................................................... 102
7.6.1
X射线探测和测量注意事
项 .......................... 102
7.6.2
空洞的影响 ..................................................... 102
7.6.3
空洞协议开发 ................................................. 102
7.6.4
空洞评估的抽样计划 ..................................... 104
7.7
减少空洞的工艺控制 ..................................... 105
7.7.1
工艺参数对于空洞形成的影响 ..................... 105
7.7.2
焊球中空洞的工艺控制标准 ......................... 106
7.7.3
工艺控制标准 ................................................. 107
7.8
焊接缺陷 ......................................................... 107
7.8.1
焊料桥接 ......................................................... 107
7.8.2
冷焊 ................................................................. 107
7.8.3
开路 ................................................................. 107
7.8.4
受热不充分/不均匀 ....................................... 107
7.8.5
枕头效应 ......................................................... 108
7.8.6
焊球悬空/未润湿开路（WO） .................. 110
7.8.7
元器件缺陷
..................................................... 110
7.8.8
缺陷相关性/工艺改善 .................................... 111
7.9
维修工艺 .......................................................... 111
7.9.1
返工/维修理念 ................................................ 111
7.9.2
BGA的拆除 ..................................................... 112
7.9.3
替换 ................................................................. 112
8 可靠性 ................................................................... 115
8.1
BGA可靠性驱动因素 ..................................... 115
8.1.1
循环应变 ......................................................... 115
8.1.2
疲劳 ................................................................. 115
8.1.3 蠕变 ................................................................. 116
8.1.4 蠕变和疲劳的交互作用 ................................. 116
8.1.5 机械可靠性 ..................................................... 117
8.2 焊料连接的损伤机理和故障 ......................... 117
8.2.1 SAC对锡/铅BGA焊点的热疲劳裂纹
生长机理的比较 ............................................. 117
8.2.2 混合合金焊接 ................................................. 118
8.3 焊点和连接类型 ............................................. 120
8.3.1 整体
膨胀不匹配 ............................................. 120
8.3.2 局部膨胀不匹配 ............................................. 120
8.3.3 内部膨胀不匹配 ............................................. 121
8.4 焊料连接失效 ................................................. 121
8.4.1
焊料组装失效分类 ......................................... 121
8.4.2
失效特征–1：冷焊 ......................................... 121
8.4.3
失效特征–2：连接盘，不可焊 ..................... 122
8.4.4
失效特征–3：焊球脱落 ................................. 122
8.4.5
失效特征–4：缺失焊球 ................................. 122
8.4.6
失效特征-5：PCB和BGA叠装翘曲 ............. 122
8.4.7
失效特征-6：机械失效 ................................. 124
8.4.8
失效
特征-7：不充分再流 ............................. 125
8.5
影响可靠性的关键因素 ................................. 125
8.5.1
封装技术........................................................... 125
8.5.2
托高高度 ......................................................... 126
8.5.3
PCB设计考量 .................................................. 126
8.5.4
陶瓷栅阵列焊接连接的可靠性 ..................... 127
8.5.5
BGA无铅焊接 ................................................. 127
8.6
可靠性设计（DfR） ...................................... 132
8.7
确认和鉴定测试 ............................................. 133
8.8
筛选程序 ......................................................... 133
8.8.1
焊点缺陷 ......................................................... 133
8.8.2
筛选建议 ......................................................... 133
8.9
加速可靠性测试 ............................................. 133
9 缺陷及失效分析案例研究 ................................... 135
9.1
阻焊膜限定BGA状况 ..................................... 135
9.1.1
阻焊膜限定与非限定连接盘 ......................... 135
9.1.2
产品板
子上的阻焊膜限定连接盘 ................. 136
9.1.3
阻焊膜限定BGA失效 ..................................... 136
9.2
过度塌陷BGA焊球状况 ................................. 137
9.2.1
无散热块的BGA球形，500μm的托高高度 ... 137
9.2.2
有散热块的BGA球形，375μm的托高高度 ... 137
9.2.3
有散热块的BGA球形，300μm的托高高度 ... 137
9.2.4
关键的焊膏条件 ............................................. 138
9.2.5
过厚膏体沉积 ................................................. 138
2013年1月 IPC-7095C-C
vii
9.2.6 通过X射线和切片确定空洞 .......................... 138
9.2.7 空洞和非均匀焊球 ......................................... 138
9.2.8 蛋壳空洞 ......................................................... 139
9.3 BGA中介基板的弓曲和扭曲 ......................... 139
9.3.1 BGA中介基板翘曲 ......................................... 139
9.3.2 由于中介基板翘曲导致的焊点开路 ............. 140
9.4 焊点条件 ......................................................... 140
9.4.1 目标焊接条件 ................................................. 140
9.4.2 过度氧化的焊球 ............................................. 140
9.4.3 退润湿迹象 ..................................................... 141
9.4.4 斑点状况 ......................................................... 141
9.4.5 锡/铅焊球评估 ............................................... 141
9.4.6 SAC合金 .......................................................... 141
9.4.7 冷焊点 ............................................................. 142
9.4.8 由连接盘
污染引起的不完整连接 ................. 142
9.4.9 变形焊球造成的污染 ..................................... 142
9.4.10 变形焊球 ......................................................... 142
9.4.11 对合适连接点形成而言焊料和
助焊剂不足 ..................................................... 143
9.4.12 端子接触面积减少 ......................................... 143
9.4.13 焊料桥接 ......................................................... 143
9.4.14 不完全焊料再流 ............................................. 143
9.4.15 空焊 ................................................................. 144
9.4.16 不润湿焊点开路 ............................................. 144
9.4.17 枕头效应焊点（HoP） .................................. 144
10 词汇表及⾸字母缩写词 ..................................... 145
11 参考书⽬与参考⽂献 ......................................... 149
附录A 减少空洞发⽣的⼯艺控制特性描述 .......... 151
图形
图3-1 BGA封装制造工艺 .......................................... 3
图3-2 面阵I/O位置对比 ............................................. 5
图3-3 面阵I/O位置图形 ............................................. 5
图3-4 MCM类型2S-L-WB ......................................... 6
图3-5
导体宽度与节距的关系 ................................... 7
图3-6
塑封球栅阵列，芯片金属线键合 ................... 8
图3-7
球栅阵列，倒装芯片键合 ............................... 8
图3-8
BGA翘曲 ......................................................... 11
图3-9
焊盘坑裂案例 ................................................. 13
图3-10
BGA焊点各种可能的失效模式 .................... 13
图4-1
面阵列封装的端子类型 ................................. 16
图4-2
BOC BGA 结构 .............................................. 18
图4-3 BOC类BGA模封后的顶部 ............................ 18
图4-4 BGA
基板上的倒装芯片
（带凸点的芯片） ......................................... 18
图4-5 关于叠装封装器件的JEDEC标准结构
来源：JEDEC出版物 95-4.22 ........................ 22
图4-6 聚合物包覆球互联 ......................................... 23
图4-7 塑料球栅阵列（BGA）封装 ........................ 24
图4-8 热增强型陶瓷球栅阵列（CBGA）
封装横截面 ..................................................... 24
图4-9 聚合物模压包封的陶瓷球栅阵列
（CBGA） ...................................................... 24
图4-10 陶瓷基的柱栅阵列(CCGA)封装 .................. 25
图4-11 聚酰亚胺薄膜基引线键合μBGA封
装基板，提供芯片焊盘
与焊球触点
之间的强耦合 ................................................. 25
图4-12 单金属层载带基板与双金属层载
带基板的封装内部电路布线能力对比 ......... 26
图4-13 单封装芯片叠装 BGA ................................... 26
图4-14 定制八芯片（倒装芯片和金线键合）
SiP组件 ........................................................... 26
图4-15 折叠的多芯片BGA封装 ................................ 27
图4-16 八层焊球堆叠封装 ......................................... 27
图4-17 SO-DIMM存储卡组件 ................................... 27
图4-18 折叠以及堆叠的多芯片BGA封装 ................ 27
图4-19 封装堆叠组件 ................................................. 28
图4-20
用μPILR基板封装的半导体
组件 .................. 28
图4-21 带有μPILR基板基板中介层与线路板之
间的焊料界面 ................................................. 28
图4-22
BGA连接器 .................................................... 29
图4-23
PGA插座引脚 ................................................. 29
图4-24
带有和不带有贴装盖的PGA插座 ................. 30
图4-25
LGA接触引脚 ................................................. 30
图4-26
带有和不带有贴装盖的LGA插座 ................. 30
图4-27
BGA器件焊球缺失示例 ................................ 34
图4-28
来料检验时在共晶焊球中的空洞示例 ......... 34
图4-29
焊球/连接盘表面焊接状况示例 ................... 35
图4-30
建立BGA
共面度要求 .................................... 35
图4-31
焊球触点位置公差 ......................................... 35
图5-1
不同积层结构示例 ......................................... 37
图5-2
T
g
以上温度膨胀率 ......................................... 39
图5-3 表面热风整平（HASL）表面拓扑
结构比较 ......................................................... 41
图5-4 与黑焊盘相关的断裂，镍与镍-锌金
属间化合物层之间的裂纹 ............................. 42
IPC-7095C-C 2013年1月
viii
图5-5 裂纹位置a)与黑焊盘相关的失效和
b)使用EIG表面处理的断裂界面 ............... 42
图5-6 黑焊盘表面典型的龟裂外观 ......................... 43
图5-7 具有腐蚀针刺的大区域严重黑焊盘，
针刺穿过浸金表面底下的富磷层伸
进富镍层 ......................................................... 43
图5-8 金脆 ................................................................. 44
图5-9 化学镍/化学钯/浸金的图形描述 ................. 44
图5-10 直接浸金的图形描述 ..................................... 44
图5-11 微空洞示例 ..................................................... 45
图5-12
通孔堵塞方法 ................................................. 48
图5-13 金属芯板结构示例 ......................................... 49
图6-1 BGA对准标记 ................................................ 50
图6-2 BGA器件的焊料连接盘 ................................ 52
图6-3 金属限定连接盘连接轮廓图 ......................... 52
图6-4 阻焊膜应力集中 ............................................. 52
图6-5 焊点形状对比 ................................................. 52
图6-6 好／差的阻焊膜设计 ..................................... 53
图6-7 金属限定连接盘示例 ..................................... 54
图6-8 象限狗骨BGA图形 ........................................ 54
图6-9 方形阵列 ......................................................... 55
图6-10 矩形阵列 ......................................................... 55
图6-11 焊球空缺阵列 ................................................. 55
图6-12 焊球
缺失方形阵列 ......................................... 55
图6-13 散布阵列 ......................................................... 56
图6-14 导体布线策略 ................................................. 57
图6-15 为导体布线的BGA狗骨连接盘图
形优先方向 ..................................................... 58
图6-16 螺钉和支撑的优先布局 ................................. 58
图6-17 连接器螺钉支撑布局 ..................................... 58
图6-18 具有焊盘内导通孔结构的0.75mm焊球
切片图（焊球左上角缩进是人为的） ......... 58
图6-19 焊盘内导通孔设计，显示导通孔遮蔽
与焊球的切片图示 ......................................... 59
图6-20
焊盘内导通孔设计工艺说明 ......................... 59
图6-21
微导通孔示
例 ................................................. 60
图6-22
焊盘内微导通孔的空洞 ................................. 60
图6-23
接地或电源的BGA连接 ................................ 60
图6-24
正面再流焊焊点示例 ..................................... 61
图6-25
器件混装板正面波峰焊温度曲线示例 ......... 61
图6-26
波峰焊接时BGA焊点热通道 ........................ 62
图6-27
避免BGA正面焊点再流的方法 .................... 62
图6-28
镊子类工具接触焊球侧面后图示 ................. 63
图6-29
弹簧探针与焊球底部电气接触后的压痕 ..... 64
图6-30
面阵列连接盘图形测试 ................................. 65
图6-31
板拼联
............................................................. 68
图6-32
梳状图形示例 ................................................. 69
图6-33
使用粘合剂将散热片与BGA连接 ................ 71
图6-34 用勾住BGA器件基板的卡钩，
将散热片与BGA连接 .................................... 71
图6-35 用勾住印制板通孔的卡钩，将散热
片与BGA连接 ................................................ 71
图6-36 用勾住焊接在印制板上柱子的卡钩，
将散热片与BGA连接 .................................... 72
图6-37 将散热片引脚通过波峰焊焊接在印制
板通孔中，从而将散热片与BGA连接 ........ 72
图7-1
完全焊膏释放的宽厚比和面积比
................. 76
图7-2
高铅和共晶焊球及其焊点对比 ..................... 76
图7-3 BGA或其附近各位置的峰值再流
温度示例 ......................................................... 78
图7-4
锡/铅组件再流焊曲线原理图 ....................... 79
图7-5
多个热电偶锡/铅再流焊温度曲线示例 ....... 80
图7-6
无铅组件再流焊曲线原理图 ......................... 80
图7-7 有多个热电偶的保温（正面）与升
温至峰值（反面）无铅再流焊曲线。
有保温区的炉温曲线有助于减少BGA
中的空洞 ......................................................... 80
图7-8 板上
具有大型和小型元器件，
热电偶位置 ..................................................... 80
图7-9
热电偶在BGA上的推荐位置 ........................ 81
图7-10
板上BGA连接盘外围去除阻焊膜的影响 .... 85
图7-11
BGA和其它封装底部填充粘合剂使用 ........ 86
图7-12
两平行表面间底部填充剂的流动 ................. 87
图7-13 底部填充空洞示例 – 小、中和大空
洞分别在焊球的左上、左下和左侧 ............. 87
图7-14 局部底部填充 – 将封装拆除后能看到
在各角落的黑色填充
..................................... 88
图7-15
角落施加粘合剂 ............................................. 88
图7-16
再流前角落点胶应用的关键尺寸 ................. 88
图7-17 如果点胶区域胶太少，冲击后典型的
角落点胶失效模式 – 阻焊层剥离板子
和未保护到焊点 ............................................. 89
图7-18
X-射线技术的基本原理 ................................ 90
图7-19
焊球缺失的X-射线示例 ................................ 90
图7-20
焊球触点空洞的X-射线图例 ........................ 90
图7-21
手动X-射线系统的图像质量 ........................ 91
图7-22
枕形失真和电压过曝的X-
射线例子 ............ 91
2013年1月 IPC-7095C-C
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