【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第129页
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…
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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缺陷，如表面缺陷存在时，则该缺陷起决定作
用。
对比SAC无铅焊点和锡铅焊点，从决定其各自的
错位系统、微结构以及金相的冶金学上来说，
有明显的本质差异，而这反过来决定了相应各
种工作环境下的疲劳行为和退化机理，进而决
定疲劳寿命。
应注意在实际应用中，作用于焊点的应力通常
是随机的，而非“定期”循环，如在AT C
（加
速温度循环）测试中经常采用的参数那样。由
循环测试数据推断出在实际随机应力下的表现
是个挑战。基于内在的金相结构，与锡/铅共晶
系统相比，这种挑战性在SAC无铅系统中会升
级。
实际上，疲劳现象涉及到偶然性、随机性和概
率。这也是为何一个简单的AT C 测试几乎不能
确定结论的原因。按理说，测试数据应该符合
科学原理并要检查、平衡基本科学原
理；在这种
情况下，即是要符合基本的冶金和断裂力学。
8.1.3 蠕变 另外，对于软钎焊料而言，即便
在室温下（298±5°K），达到其同源温度也远超
0.5。因此，蠕变行为也会如预期所发生，这会
使整个退化行为和失效机理的变得复杂，因为
受到蠕变和疲劳过程的交互作用。与疲劳形成
对照，焊料
蠕变定义为时间相关变形，是不可
逆的和全面的。
当施加并保持应力时，焊料弹性和／或塑性区
域会有瞬时的应变响应。当施加并保持应力时，
焊料会在弹性和／或塑性区域以瞬时应变来响
应。理论上来说，这种时变变形可以发生在绝对
零度以上的任何温度，尽管这过程十分缓慢。
在低温区，蠕变应变是非常有限的且变形
通常不
会导致最终断裂，应变会以对数的速率累积。
在高温区域，蠕变曲线则偏离对数关系。
典型的蠕变曲线（形变对时间的关系）由三个
阶段组成：初级、第二级以及第三级。在初级阶
段，由于当焊料变形时结构发生了变化，瞬时
应变率由极高的初始值开始迅速降低。第二级
蠕变开始出现在温
度高于合金熔点的一半时，
且与自扩散过程密切相关。错位攀升或滑动通
常被认为是蠕变速率决定阶段，蠕变率在此阶
段达到一个稳定状态，它是两种抵触的冶金过
程 平衡的 结 果 -应变硬化和复原（一种软化效
应）。焊 料 塑 性形变越大，其继续形变就越困
难。加工硬化由错位缺陷的产生及其互相作用
而引起的，
其表现为阻碍助长形变过程。在较
高的温度下，加工硬化可能会被复原部分或完
全抵消掉。在这种情况下，会发生按时间的、
热活化的、应变能量释放的软化过程。当加工
硬化速率与复原速率相等时，形变会达到动态
稳定状态。
当软化效应和增加的应力克服了应变硬化，第
三阶段就开始了，此时蠕变率会不断加速直至
断裂发生。此阶段通
常与结构变化相关，如再
结晶的开始、粗化并形成内部裂纹和／或断裂
前身的空洞。
这两种现象分别与微观结构中的不同参数组和
原子级别材料性质相关联并受其控制。
8.1.4 蠕变和疲劳的交互作⽤ 现实电子产品
中的焊点通常会暴露在会同时导致疲劳和蠕变
的状况下，并且它们会有交互作用。简言之，
这种环境可被视为循环热负载下的蠕变或高温
下的疲
劳。蠕变和疲劳之间交互的本质使焊点
退化行为和潜在的失效机理复杂化。
因此，焊点固有的退化并最终导致失效，基本
不可能是单独的蠕变或疲劳失效，而是疲劳和
蠕变交互作用的结果。并且蠕变和疲劳的机理预
计是以一种竞争的、交替的或互相促进的方式
起作用，这取决于外部气候和内部电路的运行
环境两者的使用
条件。在经常采用的加速温度
循环测试中，蠕变和疲劳过程也会交互作用。
从工程角度来说，认为退化现象要么是蠕变恶
化的疲劳要么是疲劳加速的蠕变。
可靠性是一个相对的术语。系统的运行条件必须
要规定，同时功能作用的时间段也需要规定。
在工程中，可靠性是在给定的一组条件下，在
预期的时间内，系统无故障完成所需功
能的概
率。威布尔分布（Weibull distribution）是一种
广泛运用于可靠性工程和失效分析的连续概率
分布。由于Weibull图是一种计算Weibull分布参
数的简便方法，几乎所有与无铅可靠性相关的
出版物都包括有Weibull图，它用于绘制关于时
间对失效数据的经验累积分布。
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