【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第128页
反 面强 制 对 流加热 ，会 使 实 现 可接 受 的 无铅曲 线 所 需 的 喷 嘴 温 度 减至 最小 。通 常 来 说 锡 /铅产 品 ， 反 面 预 热 温 度 大 约 为 100°C 。对 于无铅产品 来 说 这 个 温 度 至少 应增加 至 130°C 。 7.9.3.6 BGA 维 修 的 激 光 系 统 激 光 系统使用 的 二 极管 激 光 器 个 数 为一 至 四个。一 些 激 光 系 统 仅限 于返 工 周 边 …
7.9.3.4 返⼯问题 封装间的间距一直在变小，
即使厂商有一些针对封装间间距的可制造性设
计（DfM）指南，但制造一线的相关人员深知
DfM指南并没有一直被遵循。因此，使用小型
模板来印刷焊膏变得越来越困难。同时，由于
每种尺寸和类型的封装器件都需要各自的小型
模板，这不仅延缓了返工进度，而且迅速增加
了维修成本。
随着封装间间距的逐步
减小，使用小型模板并不
是唯一问题。拆除不同型号和尺寸的元器件需
要使用不同的热风嘴，这也增加了返工的成本和
复杂性。另外，邻近元器件焊点可能会融化也
是个严重的问题，因为不必要的再流，除了增
加金属间化合物厚度而使焊点弱化之外，电路
板还必须在返工前烘烤而增加了循环时间。
返工的产量是十分重要的。对BGA和某些大型元
器件，每
个元器件拆除和重新贴装至少要花20
分钟。返工时另一重要的问题是PCA板翘曲。
产生翘曲的部分原因是对其局部相对长时间高
强度加热，这对拆除元器件是必不可少的。
对于BGA维修，如今有两种返工工艺：热风和
激光。热风最为普遍。拆除和更换表面贴装元
器件（包括BGA和CSP）的新工艺则是基于激
光的。
对同一位置的BGA多次返工会导致印制线
路板
孔壁开裂。因此要仔细考虑印制线路板材料及
其所能承受的热循环次数。
7.9.3.5 BGA维修的热风系统 热风系统有完
全人工或是半自动的。使用喷嘴对所要返工的
元件吹热风，当所有焊点的焊料融化时，从板上
移除该元件。用喷嘴对板子正面加热前，先要
对板子的反面进行均匀预热使整个板子达到预
设的温度，这样可以减少热
冲击。热风通常由
专门设计的喷嘴直接吹向BGA封装，封装本体由
吹向封装的热风加热，并传导到封装内部。刚开
始喷嘴应距离封装本体一段距离（通常为25mm
或更多）进行预热。紧接着喷嘴降低至封装本
体上方某一点，使其温度快速上升直至峰值温
度。在这个吹热风的过程中，即便是相距12mm
远的邻近
元器件的焊点也会发生再流，这是一
个不想要和不期望的结果。在高速气流下，诸如
CSP的小型元器件在返工时容易移动。
拆除元器件后，为重新组装而进行的焊膏施加
是最困难也是最耗时的工艺。但是，只用助焊剂
（液态或膏状）仅适用于共晶BGA重新组装。
一些应用需要额外的焊料以促成一个稳固的连
接点。通常来说，小型模板或喷涂机可用于施
加焊膏。对于每
种类型和尺寸元件的返工，热
风喷嘴和小型模板这两者都是需要的，它们都
要求在返工时有足够的封装间隔距离。电路板
图7-57 BGA/组件热屏蔽⽰例
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反面强制对流加热，会使实现可接受的无铅曲
线所需的喷嘴温度减至最小。通常来说锡/铅产
品，反面预热温度大约为100°C。对于无铅产品
来说这个温度至少应增加至130°C。
7.9.3.6 BGA维修的激光系统 激光系统使用
的二极管激光器个数为一至四个。一些激光系
统仅限于返工周边引线元器件，这些器件的引
线位于激光的瞄准线上。
但是，也有运用多个
二极管激光器的其他系统，通过快速扫描封装
顶表面而能返工诸如BGA，CSP和倒装芯片的
周边和阵列封装。如同热风返工一样，它通过
热传导将BGA/CSP/倒置芯片封装下面的焊料
球再流。某些激光系统也有内置自动热管理功
能，可对封装温度进行监控在规定的范围内以
防止过度加热。有些激光系统带有（或没有）
喷涂和贴装功能。
由于激光束很窄，即便距离仅为1mm的元器件
也不会受热。激光系统在加热封装时不会使相
邻元器件的焊点融化。
7.9.3.7 曲线要求 无论是激光还是热风系统，
返工BGA的再流焊曲线应该与对流焊炉的温度
曲线保持一致。在开始拆除或更换循环之前，将
电路板预加热到100°C应足以保持板子翘曲最小
化。这些要求总结在表7-9（针对锡铅）和表7-10
（针对无铅
）。注意不要使预热温度接近120°C，
因为这通常是某些助焊剂典型的活化温度。如
果发生这种情况，助焊剂则会在需要前就发生
活化，造成再流焊过程中可焊性差。对于无铅
焊膏，预热温度应至少为120°C至130°C。
再流焊温度曲线中应保证助焊剂有充足的时间
以 清 洁焊 球和连接盘。助焊剂应在120-150°C
维持30至120秒。助焊剂完成清洁
焊接位置后，
温度曲线可采用2至4°C的温升速率。采用热风
时，因为风嘴再流区域不应该有任何热敏感类
元器件如电容和电阻，故可修改2°C的SMT温升
速率标准。使用热风时，与热风嘴相邻的元器
件应该使用聚酰亚胺胶带或水溶性膜遮蔽，以
免受到热损伤。再流保持时间范围应为30至90
表7-9 锡铅组件的维修⼯艺温度曲线
曲线内容 温度范围 时间范围
预热 100 – 150°C; 不超出150°C /A
保温或预热活化 100 – 180°C* 60-120 秒*
器件温升率 2 – 4°C每秒
再流保持 183°C以上 60~90 秒
焊点峰值 210 – 220°C 不超出10 秒
湿敏器件最高温度 225°C 不超出20 秒
器件最高温度 230°C 60 秒
最高相邻器件温度** 170°C 0 秒
板子温度 150°C以上不超出4分钟
* 与供应商确认
** 相邻器件为5mm远
表7-10 ⽆铅组件的维修⼯艺温度曲线
曲线内容 温度范围 时间范围
预热 100 – 190°C; 不超出190°C /A
保温或预热活化 140 – 220°C* 60-150 秒*
器件温升率 2 – 4°C每秒
再流持续 220°C以上 60~90 秒
焊点峰值 230 – 245°C 不超出20 秒
湿敏器件最高温度 245°C 不超出20 秒
器件最高温度 240°C 60 秒
最高相邻组件温度** 210°C 0 秒
板子温度 190°C以上不超出4分钟
* 与供应商确认
** 相邻器件为5mm远
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秒，焊点峰值为200-220°C（对锡/铅），对无铅为
235-245°C。BGA封装中央焊球由于从再流焊过
程截留了热量，其峰值温度时间可能会超过推
荐值90秒。电路板温度在150°C以上的时间不应
超过4分钟，这项要求是出于FR-4的玻璃化温度
的需要（见J-STD-020）。
8 可靠性
可靠性是指在给定条件下，并在规定的时间内
产品以可接受置信水平提供指定功能的能力。
电子组件的可靠性需要在产品的研发阶段就开
展明确的设计工作以满足要求。可靠性在IPC-
SM-785中有定义。
短期可靠性受到早期寿命失效的威胁，这种失效
一般归结于生产质量的不充足。这些“早期失
效“可在出货前通过适当的筛选技术来减少，
但无法消除。长期失效是由组件设计不当引起
的过早磨损的结果。IPC-D-279中的设计指南是
很好的参
考。
IPC-9701中提供了可靠性鉴定要求并定义有完
善的测试方法。对于无铅焊料连接，IPC-9701A
包含加速焊点可靠性测试指南。对各种无铅焊
料，在缺乏认可的加速度模型的情况下，基于
加速热循环的可靠性要求难以确立。开发出的
已有的模型中大部分都是针对具体产品的。
8.1 BGA可靠性驱动因素 当软钎焊料（锡/
铅或无铅）被用作BGA焊点将BGA封装连接到
PCB基板时，焊点在其使用寿命期间不断“磨
损”
，这种退化过程是不可避免的。焊点可靠性
的目标是要确保在指定的服役寿命和预期使用
环境下，焊点不退化到失去它们所需功能的水
平，不管是电气、热还是机械性能。
没有其它外来原因时，焊点失效常常归因于疲劳
和蠕变的交互作用而发生热－机可靠性问题。
焊料疲劳/蠕变损伤是由于内部电路运行、电源
开与关和／或外部环境温度暴露引
起温度变化
和波动造成的。热膨胀系数不匹配的系统在电
子封装和组件使用寿命期间，这些温度变化不
可避免地造成循环热应力，进而在焊点上造成
循环应变而导致热疲劳（与机械疲劳相对应）。
由于近期手持消费品的出现，焊点的机械可靠
性已成为增加的要求。冲击、电路板的瞬时和
循环弯曲以及振动是会影响焊点功能的主要应
力的产生因素。所有这些因素描述如
下。
8.1.1 循环应变 根据著名的焦耳定律，电子
元器件和电路在系统电源接通时会产生热量。
当电源切断后，热量随后通过传导、对流和辐
射的基本传热方式逐渐耗散至外部环境中，使
系统再次达到环境温度。电子系统运行期间有
许多这样的温度循环是可预期且不可避免的。
排除其它外部因素，焊点固有的老化过程包含
两种科学现象-疲劳和蠕变。其它外
部原因包括
由润湿问题、不恰当工艺问题、在界面或其附
近由表面处理引发的问题，如金脆和其它金属
间化合物问题等所导致的非正常形成的焊点。
8.1.2 疲劳 疲劳是一种渐进的局部结构损伤
（原子以及更大量级），发生于焊点受到循环应
力作用时（加载和卸载）。当应力超过一定的阈
值时，微裂纹开始形成。这种局部损伤机理
将
疲劳从蠕变行为中分开。
随着循环应力的持续作用，裂纹会逐渐扩张并
最终达到临界尺寸，之后焊点会发生断裂。一
般疲劳过程会经历三个阶段：裂纹初现、裂纹
扩展和断裂。对于电路中充当电气、热和机械
互连作用的焊点来说，机械断裂通常不是实际
的失效标准。电气性能，由于裂纹导致测量电
阻的增加，作为失效的标准。电气失效常
发展
为机械断裂。如果系统中存在腐蚀性因素，也
会发生腐蚀增强疲劳。
疲劳强度，与疲劳寿命相关联，定义为在给定
循环次数作用后，当失效发生时的应力值。疲
劳强度不仅取决于特定的焊料合金材料、极端
高温和低温，同时也受其它因素影响：表面缺
陷、刻痕、孔洞、残余应力、空洞、气孔孔隙率
以及杂质。在疲劳环境
下，所有这些“瑕疵或
缺陷”成为应力集中的部位而诱发局部损伤。
这就是诸如空洞或表面裂纹这类缺陷不应该被
断然驳回的原因，实际上一些测试结果没有显
示出在有和没有此类缺陷之间存在性能差异。
在原子层面，焊点疲劳机理起始于错位运动，
并形成核短裂纹滑移带。在微观结构上，SEM
检查中观测到的结果通常为
晶粒粗化。晶粒尺
寸对于疲劳很重要——越小越好。然而当其它
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