【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第136页
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 ” …
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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PCB也会显现出动态翘曲行为，可从相对平整
变为凸形或凹形（如图8-12所示）。
FCBGA封装和电路板翘曲会影响焊点的成形。
在未优化SMT工艺的情况下，由于PCB和 /或
BGA叠装翘曲的增加，会导致在SMT再流焊过
程中发生各种焊点缺陷。这些缺陷包括枕头效
应（HoP），枕头效应开路（与HoP相似，但是
焊球没有与PCB连接盘上的焊料有任何接触），
非润湿开路（WO，PCB连接盘上没有焊料）和
焊料桥接。图8-13描述了严重翘曲的PCB和BGA
叠装，造成整个封装的焊球阵列的这些焊点缺
陷。9.4节列出了SMT工艺优化解决方案。
基于质量的观点，PCB和／或FCBGA叠装的动
态翘曲也会导致合格焊点的外形变化。图8-14说
明了可接受焊点的例子。由于沿焊点表面所有
点的切线关于任一连接盘表面所成最小角（图
8-
14左上角照片的蓝色）≤90°，大部分BGA焊点
为凸形焊点。
PCB和／或BGA叠装的动态翘曲可将一些焊点
拉伸成圆柱状。图8-15展示了一种可接受的圆柱
状焊点。对于圆柱状焊点，焊点表面与PCB连
接盘任一侧垂直。
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图8-12 倒装芯⽚封装和PCBs动态翘曲⽰例
在室温下/在再流焊接之前
PCB
相对平整
PCB
正向（+）凸形翘曲
PCB
负向（-）凹形翘曲
当加热至再流温度时
(或)
FCBGA封装
正向（+）凸形翘曲
FCBGA 封装
负向（-）凹形翘曲
FCBGA 封装
负向（-）凹形翘曲
封
装
基
板
硅
芯
片
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图8-13 未优化的SMT⼯艺，再流焊后严重翘 曲的BGA封装和印制板⽰例
芯片
封装基板
板
非润湿开路（NWO） 枕头效应（HoP）
焊料桥接 枕头效应（HoP）开路
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