【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第132页
更 易 发 生纹 理 边 界 滑 动， 也就 出 现蠕 动 形变 。 这 会 使 疲 劳 裂 纹 沿 着 再结 晶区域扩展 ， 如 图 8-4 所示。 8.2.2 混 合合⾦ 焊 接 在 向 无铅再流焊 接 过 渡 过 程中， 偶 尔 可能有 必 要在同一 块 PCBA 板 上 用 锡 /铅或无铅焊 料 焊 接 锡 ／铅 和 无铅 BGA 。 焊 接 混 合合金 BGA 是 不 想 出 现 的 情 况 ， 但 却 时 常 有可 能发 生…
8.1.5 机械可靠性 机械可靠性是指BGA互连
对于机械扰动的响应。这些扰动包括冲击事件，
可能会发生于运输、安装或者现场使用时；瞬
时弯曲，可能会发生在制造过程中（ICT测试、
功能测试、安装等等）或现场使用中；循环弯
曲，例如在BGA附近的重复键击，或由风扇或
在系统中（或其附近）的马达引起的振动。所
有以上扰动源（或其它）会影响BGA互连的机
械完整性
，在使用BGA时所有这些都应被考虑
到，因为它们特别易受应力弯曲的影响。
8.1.5.1 冲击 冲击具有极其高速的特征，使得
互连材料没有足够的时间对施力作出响应。冲
击可由跌落或撞击产生，并且会在产品寿命周
期中的任何时间发生，尽管运输和最终使用环境
下的冲击事件最为典型。冲击可导致BGA互连部
分或全部分离，这种分离可发生在构成BGA完
全互
连的任何界面处。即便是部分界面断裂，
在产品整个寿命中，最终也会引起BGA电气失
效。较脆的材料和界面特别容易发生由冲击而
引起的失效。
8.1.5.2 瞬时弯曲 瞬时弯曲，或屈曲，表 征为
应变低次数（典型为1至10次屈曲事件）相对较
慢的应变。这种弯曲事件可由制造过程中引发，
特别在测试装置中，
诸如ICT或使用弹簧型探针
的功能测试器，连接器插入时或将PCA螺钉拧
入机箱时。瞬时弯曲也会发生在元件维修、运
输以及终端使用过程中。如同冲击一样，这些失
效典型地发生在互连界面中，并会引起或者是完
全开路，或者是存在潜在风险的部分开裂，部
分开裂最终在实地会有完全开路的潜在风险。
8.1.5.3 循环弯曲 循环弯曲
特点是由许多的相
对低级别的应变事件。这些事件次数可达数千
甚至更多，通常由重复性的动作导致，如键盘
动作、运输和连接器插入或拔出（例如笔记本
接口）。随着时间推移，疲劳失效可能会出现。
8.1.5.4 振动 振动的特点是持续小幅度位移同
时频率相对较高（相比于上述其它机械应力）。
当BGA靠近振动子系统，例如电机、
风扇或者硬
盘驱动器时，振动会对它产生冲击。有可能，
如果互连系统所承受的应力达到界面断裂点的
程度时，振动可能加剧这种问题，导致电气开
路；但这还没有得到很好的理解。
8.2 焊料连接的损伤机理和故障 电子组件的
可靠性取决于热机各要素的总和以及这些要素
间电气界面（或连接）的可靠性。表面贴装焊接
互连，是互连界面类型的一种但又是独特的，
因为这种焊点不仅可提供了电气互连，而
且也
是电子元器件到印制电路板之间唯一的机械连
接，它通常也提供关键的热传递功能。单个焊
点没有所谓的可靠或者不可靠，只有在具体应
用状况下才有这种评估。
元器件、基板和焊点这三者的特性以及使用条
件、设计寿命和可接受故障概率决定了表面贴
装焊接互连的可靠性。
与锡/铅焊料相比，大部分无铅焊料的一般特性
包括（1）显著增加的合金
刚度，（2）显著降
低的蠕变速率、（3）较困难的适度延展性以及
（4）显著上升的焊接温度。
较大的刚度或较低的延展性以及较低的蠕变速
率所导致的后果是无论当温度变化造成热膨胀
不匹配还是当PCB/元器件翘曲或弯曲时会对整
体焊接结构产生较大的应力。这些较高的应力，
加之由于不充分润湿或界面
结构薄弱造成的焊
料到基材连接强度不够，可能会导致界面脆化
失效。
8.2.1 SAC对锡/铅BGA焊点的热疲劳裂纹⽣长
机理的⽐较 与SAC BGA焊点相比，共晶锡/铅
焊点在热疲劳试验，如温度循环期间形成为不同
的损伤机理。共晶锡/铅焊料的微观结构是多纹
理的，每个BGA焊点有许多个体富铅（黑相）
和富锡（亮色相）纹理析出，如图8-1所示。相
反地
，每个SAC BGA焊点很少有锡纹理。这些
纹理可在剖面偏振光下观察到。图8-2显示了SA
C BGA焊点的两个示例。左边的有6种纹理，然
而右边的整个焊点完全由单一纹理组成。
对于共晶锡/铅BGA焊点而言，在温度循环过程
中，纹理粗化现象发生在由于热膨胀不匹配造成
的应变积聚的焊点区域。这些粗化的纹理会比
初始硬化的纹理要
柔软，并促进了裂纹扩张，
如图8-3所示。
对于无铅SAC BGA焊点，当受到热 循环作用
时，会在热机应力较大的区域发生纹理再结晶
现象。这些再结晶纹理比原纹理的尺寸要小且
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更易发生纹理边界滑动，也就出现蠕动形变。
这会使疲劳裂纹沿着再结晶区域扩展，如图8-4
所示。
8.2.2 混合合⾦焊接 在向无铅再流焊接过渡
过程中，偶尔可能有必要在同一块PCBA板上用
锡/铅或无铅焊料焊接锡／铅和无铅BGA。焊接
混合合金BGA是不想出现的情况，但却时常有可
能发生。最可能的情况是使用锡/铅焊料来焊接
无铅BGA。这种
情况经常发生在元器件供应商
只能提供无铅BGA而锡／铅BGA已处于生命周
期结束的（EOL）状态。当面临这种情况时，
有以下几种选择：
•拒绝生产PCBA
• 用锡/铅焊球对BGA植球（可能不会被所有公
司接受）
• 说服供应商提供锡/铅版本的BGA
8.2.2.1 采⽤⽆铅温度曲线再流焊料 一些公司
已成功地进行混合合金BGA的焊接，其可靠性
图8-1 共晶锡/铅焊料形成的BGA焊点，表现出富铅相
（深⾊）和富锡相（淡⾊）纹理
图8-2 锡银铜（SAC）焊料形成的插座BGA焊点，显
⽰为6种纹理（上图）和单纹理焊点（下图）
图8-3 CBGA模块中共晶锡/铅焊点热疲劳裂纹扩展
图8-4 CBGA模块中Sn-3.8Ag-0.7Cu焊点的热疲劳裂纹
扩展
末端
末端
裂纹
裂纹
1 mil
1 mil
BGA AO-1
BGA AO-1
样品779 SAC
样品779 SAC
第二次抛光时
第二次抛光时
的偏振光
的偏振光
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结果在许多场合都是可接受的。研究表明，含铅
重量小于20%的SAC焊料的均质污染并不会使疲
劳寿命退化而低于锡/铅焊料。但要非常小心，
在 预 期 的使用环 境中 进 行 足 够 的可靠性试验
（切片、热循环、冲击测试）以确认焊点可靠
性。
在尝试焊接之前，在混合合金（使用锡铅焊料
焊接无铅BGA）PCBA上的所有元器件都应评估
无铅焊
接工艺兼容性。这项评估确保所有元器
件能够承受无铅焊接温度。尽管大部分锡/铅元
器件标明230°C的峰值温度，有证据表明许多
锡/铅元器件能够承受住无铅焊接温度，尽管不
总是这样。需要重申的是，上述工艺要特别小
心。必须要进行足够的可靠性试验来确认预期
的可靠性。使用表8-1，作为采用无铅焊接工艺
温度的元器件兼容性指南。
8.2.2.2 采⽤锡/铅曲线再流焊
料 当组件同时由
无铅SAC BGA和锡/铅BGA组成和/或当PCBA
还没有转化为无铅系统，或者不要求成为无铅
系统时，例如获得RoHS豁免权的工业领域／应
用，锡/铅共晶焊膏仍旧需要使用。
在这种的情况下，必须要采用有足够的峰值温
度、保温时间和适当的预热温度的锡/铅共晶再
流焊温度曲线。关于此情况的更多细节可见章节
7
。
8.2.2.3 低银SAC或掺杂SAC以及⾮SAC BGA
焊球合⾦的BGA实施 在最初的无铅转换期，
所用的BGA焊球合金典型地与Sn96.5Ag3.0Cu0.5
（SAC305），Sn95.5Ag3.8Cu0.7（SAC387）或Sn
95.5Ag4.0Cu0.5（SAC405）组装工艺合金相匹
配。但诸如焊球脱落、易受机械冲击和热应变等
问题已促使BGA供应商开始评估并建议采用其
它合金的焊球。对于某些封装的银含量变化从3-
4%降至1-3%。取
决于具体的银含量，银含量降低
后会使焊球熔点增加多达10°C，这对于PCBA组
装工艺有极大的负面影响。当BGA采用新合金并
对具有新合金的BGA进行组装时要特别小心。
在SAC系统中添加掺杂元素也已开展了研究，
并在一些机械性质方面得到了改善。但是，这
种添加物在很大程度上并未改变其物理性质，
尤其是没有降低该合金熔点。一些掺入元素可
能会影响焊
料过冷度，金属间化合物的形成以
及母材性质。通过采用完全不同的冶金方法获
得的其它非SAC合金可提供较低的熔点，从可
靠性角度看，这有利于组装工艺和有更好的机
械性质，但是这些合金的原材料成本更高。
8.2.2.4 ⽆铅对印制电路板组件（PCA）制造的
影响 由于熔点较高，新型无铅BGA焊球合金对
于印制电路组件（PCA）再流工艺会有影响。
一些元器件制造商 已经经历 非 预 期 的良率损
失，因为他们并没有意识到低银合金的存在。
转换为低银合金焊球需要改变PCA的再流目标
温度。比如，对于特定的BGA熔点增加10°C可
能会导致PCA其它位置超过元器件或PCB的温度
极限。
可靠性影响—不适当组装的低银部件，用太低
的再流温度组装，有极大的可靠性风险，因为它
们可能会通过电性能测试但可能仍然生产出不
可接
受的焊点（见图8-5）。一些实验数据表明，
良好组装的低银部件的跌落性能比目前的SAC
合金要好，例如SAC305、SAC405和SAC387；
但是，低银合金的疲劳寿命也比其对应的正常
含银合金要差。其它因素（BGA焊盘和PCB连
表8-1 ⽤⽆铅再流焊接的锡/铅元件的兼容性
锡/铅元件类型 兼容性
陶瓷电阻/电容 可以
模塑电容（钽） 只能使用无铅工艺温度兼容元件
铝电解电容 只能使用无铅工艺温度兼容元件
模塑封装IC(SOP, PLCC, QFP) 只能使用无铅工艺温度兼容元件
连接器，插座等只能使用无铅工艺温度兼容元件
晶振，振荡器 只能使用无铅工艺温度兼容元件
晶体管，二级管 可以
LEDs 只能使用无铅工艺温度兼容元件
BGAs 可能行或可能不行，具体案例具体
评估
DIP开关 可以
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