【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第135页
致 导 致 的。 这些 热 膨胀 的不一 致起 因于热 量 迁 移 时 焊 料和 基 材的 热 膨胀 系数 CTE 的 差 异 。 局 部 CTE 不 匹配 的 常 见 范 围 ： 从 与 铜 的 7ppm/°C 到与 陶瓷 18ppm/°C 以 及 与 42 号合金 和 柯伐 的 20ppm/° C 。 局 部 膨胀 不 匹配 通 常 小于整体 膨胀 不 匹配 ， 因 为作 用距 离 ， 最 大 润 湿 区 尺寸 要 小 得 多： 大…
接盘表面处理）对于可靠性是至关重要的，相
关研究也在进行中。
8.3 焊点和连接类型 焊点并不是均质结构。
焊点由一些不同材料构成，其中许多只是表面
上的特征。焊点的组成为：
1）印制板上的基底金属
2）一 个 或多个金属间化合物（IMC）
3）焊料主体
4）形成元器件侧IMC层而使焊料成分消耗后的
焊点层
5）焊料成分和元器件基底金属所构成一层或多
层IMC
6）元器件的
基底金属
焊料的晶粒结构随着时间不断变化。在室温下，
共晶锡/铅焊料处于其再结晶温度之上，晶粒尺
寸会随着时间增加。晶粒结构的增长使得细晶
粒结构的内能下降。晶粒生长通过升高的温度
以及循环负载作用期间应变能量的输入而得到
加强。因此在某种程度上讲，这种晶粒的增长
过程可视作累积疲劳损伤的标志。对于遭受老
化的焊点比工作使用
的焊点迹象更为明显（循
环试验时不那么明显）。污染物诸如锡氧化物和
助焊剂残留，有时会迁移到焊料的外表面，但
主要的还是残留在晶粒的边界处。随着晶粒的
生长，这些污染物在晶粒边界的浓度会增加，
从而使焊料弱化。在经历焊料疲劳寿命的25%之
后，微型空洞会在晶粒边界交叉处出现；疲劳寿
命的40%之后，这些微型空洞会生长为微裂
纹。
这些裂纹继续增长并合并形成大裂纹，导致焊
点的全部断裂。
焊点常常连接着性质不同的材料，其中的一种
性质为整体热膨胀不匹配。焊料通常具有显著
不同于连接结构材料的性质，导致局部热膨胀
不匹配。这些热膨胀的不匹配的严重性，从而
可靠性威胁严重性，取决于组件的设计参数和
运行使用环境。对于无铅焊点，固相扩散的
差
异有更高的倾向导致柯肯达尔（Kirkendall）空
洞，也称为IMC微型空洞。更高倾向的IMC微型
空洞出现，至少一部分与无铅焊料要求较高焊
接温度有关。此外，在诸如浸银的无铅表面处
理层上可看到平面微型空洞，这通常会带来比H
ASL更复杂的焊接表面处理。
8.3.1 整体膨胀不匹配 整体膨胀不匹配起因
于电子元器件或连接器与PCB之间热膨胀不
匹
配，而这些元器件是通过表面贴装的焊点连接
的。由于CTEs和有源器件内热能耗散造成的热
梯度差异，产生了这些热膨胀差别。整体CTE
不匹配范围，典型地从CTE调整过的适用于高
可靠组件的约2ppm/°C到FR-4印制板上的陶瓷元
器件的≥14 ppm/°C。图8-6展示了由于CTE不匹
配在晶圆级别CSP上导致的焊点失效。顶部硅芯
片比底部FR-4基板膨胀低得多
，这会造成剪切
应力作用在焊点上，并当遭受温度循环应力时
最终在芯片到焊料连接界面失效。
8.3.2 局部膨胀不匹配 局部不匹配是由焊料
和元器件基材或与其焊接的PWB的热膨胀不一
IPC-7095c-8-5-cn
图8-5 以典型⼯艺窗⼝的下限对1%含焊球合⾦球进⾏
组装，形成不完整的焊点
未熔化的焊球
CSP封装
PCB
CSP封装
PCB
不可接受的焊点
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致导致的。这些热膨胀的不一致起因于热量迁
移时焊料和基材的热膨胀系数CTE的差异。局部
CTE不匹配的常见范围：从与铜的7ppm/°C到与
陶瓷18ppm/°C以及与42号合金和柯伐的20ppm/°
C。局部膨胀不匹配通常小于整体膨胀不匹配，
因为作用距离，最大润湿区尺寸要小得多：大
约在几百微级而非几千微米。
8.3.3 内部膨胀不匹配 对于锡
/铅焊料，内部
CTE不匹配是由于焊料的富铅区域和富锡区域
的CTE差异所造成。内部热膨胀不匹配通常是最
小的，因为其作用距离也即为颗粒结构尺寸，
远小于润湿长度或者元器件尺寸—大约小于25
μm。
对于无铅焊料，由于其通常是三元或四元合金
成分且集中在极富锡含量中，金相结构更为复
杂。
8.4 焊料连接失效 元器件到其表面贴装基板
之间的焊料连接失效通常定义为元器件焊料连
接组成的任何焊点的首次完全断裂。考虑到焊
点所受的负荷代表性地为剪切而非张力，焊点
的机械失效不一定与电气失效相同。电气失效
是机械失效的结果，至少在最初，当机械或热
扰动时会偶发短持续时间<1μs的高阻抗事件。
从实际的观点看，焊点失效被定义为首次观察
到这样的事件。在某些应用中，这种失效定义
可能是不
适当的。对于上升时间极快的高速信
号，在焊点机械完全失效之前，信号恶化可能
需要更加严格的失效定义。类似地，对于电子
组件遭受很大的机械振动和／或冲击负载的应
用，考虑到焊点的机械弱化是疲劳损伤累积的
结果，这样的失效定义可能是必要的。
8.4.1 焊料组装失效分类 有一些常见的BGA
失效特征。这些缺陷可在组装工艺期间引起，
或
者它们可能是潜在焊点缺陷或失效。这样的缺
陷和／或失效是由不适当的组装工艺、不合格
材料或组装过程中过大的机械应力所导致的。
这些缺陷可能是部分开路或极其微弱的连接界
面，潜在失效可能为头发丝般的裂纹、完全接
触并且部分翘起的连接盘，它们难以通过诸如X
射线以及ICT测试等传统工艺验证工具侦测到。
因为这些缺陷可能
是间歇性的，所以它们是主
要的可靠性问题。随后，它们被查出，紧接着
的是高的外场返回。
8.4.2 失效特征–1：冷焊 冷焊点产生是由于
再流焊工艺期间低的峰值温度（＜液相线温度+
20°C）。焊料合金的液相线温度是高于其时，整
个焊料体为液态时的温度。焊膏部分融化时会
形成冷焊焊点。这类焊点具有粗糙的表面，有
时在板子的
界面处会变细。焊料会呈现出如图8-
7所示的颗粒状，且BGA焊球和焊膏的颗粒结构
会有不同，表明焊膏并没有达到合适的再流温
度，在某些情况下，焊膏可能并没有融合。应
指出的是对于大部分无铅焊料，焊点的表面会
呈现颗粒状。
图8-6 由于硅与板⼦CTE不匹配引起的焊点失效
图8-7 焊点呈现的颗粒状
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8.4.3 失效特征–2：连接盘，不可焊 PCB连接
盘上的污染物会造成PCB连接盘和BGA焊球之
间不可焊接的界面。焊料只会对BGA焊球润湿而
不会对连接盘润湿。这可能会引起电气接触 部
分或完全开路。有这种特征的失效可能是EIG
的PCB有缺陷的镍镀层造成的结果。一 种被称为
“黑焊盘”的失效类型如图8-8所示，另一种失
效类型如图8-9所示。
这种失效也有可能是PCB
供应商返工工艺以及在BGA区域重新施加阻焊
膜造成的。
8.4.4 失效特征–3：焊球脱落 这是一种在焊
料球和BGA器件基板之间形成的焊点开路。这
会导致BGA焊球脱落，从而产生具有圆顶或平
顶的拉长焊球。焊球脱落是一种由于波峰焊接
时（>液相线温度-20°C）封装顶部高温引起的失
效。焊料合金的液相线温
度为焊球体完全液化
时的温度。波峰焊接时，由于高的顶部温度BGA
焊球变软。热机械应力导致焊球从封装基板拉
脱并产生如图8-10所示的焊点开路。焊球脱落也
会由于再流焊期间高的峰值温度和保温时间引
起。
8.4.5 失效特征–4：缺失焊球 焊球连接过程
或由于操作损伤导致缺失焊球，如图8-11所示。
这种缺陷特征通常很清楚，并且
用X射线或ICT
技术很容易检测到。
8.4.6 失效特征-5：PCB和BGA叠装翘曲 随
着最近手持产品，如智能手机及平板电脑，热
潮的到来，封装基板和PCB厚度已变得更薄，
动态翘曲的幅度也随之增加。这种动态翘曲的
增加引起了新的、各种焊点形状。
当PCB和／或BGA叠装在再流焊过程出现翘曲
时，这种特征就会发生，如图8-12所示。对于倒
装芯片BGA封装，
硅芯片的膨胀远比封装基板层
压板要小。当BGA封装在再流焊焊接过程受热和
冷却时，这种膨胀不匹配会产生广义的“双金
属条”效应。这种效应会使封装产生“动态”翘
曲。当受热达到SMT再流焊温度即高于220°C时
FCBGA封装变成凹形，即负性（-）翘曲，但当
退出再流焊炉板子冷却后翘曲较小。类似地，
图8-8 不可焊连接盘（⿊焊盘）
图8-9 连接盘污染（阻焊膜残留）
图8-10 焊球跌落
图8-11 焊球缺失
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