【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第139页
8.4.8 失效特 征 - 7 ： 不 充 分 再流 当 BGA 焊 球 没 有 充分 受 热使焊 料达到 高于 液 相线 温 度 时， 这种 失 效 特 征 就 会发 生 。 当 发 生 时， 未充分 的 再流焊点 通 常 见 于 BGA 中心部 分 的下方， 因 为 这些区域 在 焊 接 过 程中的 受 热最 慢 ， 最 有 倾向 达不到 足 够 的 焊 接 温 度 。 有时，不 充分再流焊点 出 现是由 于元器件 特 征 的 存 …
8.4.7 失效特征-6：机械失效 来自于在线测试
中板子弯曲而导致的机械应力在PCB组装中并
不少见。随着BGA尺寸增加，角落焊点所承受的
应力变得更加显著。即使需要的探测是在BGA
的底部和周边。由探针和真空吸附力造成的机
械应力有时被忽略，重要的是要注意由机械应
力引起的过度单调应力会导致焊点失
效。
因为最薄弱界面是发生断裂处，这种失效特征
可能是不同的。裂纹可能在BGA焊球内、在PCB
或封装界面或在PCB连接盘内如铜翘起的焊盘
（焊盘“坑裂”）。图8-16显示的是两种由过度
机械应力造成的翘起的角落连接盘，这种缺陷
也被称为焊盘坑裂。
焊盘坑裂会由于电气开路而造成焊点失效。最
初的裂纹会减弱焊点的机械连接。随着扩张，
裂
纹可能会切断电气线路而造成开路，这种情
况如图8-17所示。这种特征的失效，会随着无铅
再流温度的更高温度、更硬的层压板和连接盘
或线路密度的增加而增加。
BGA焊点抗机械应力的稳健性与下列因素有关:
• BGA的位置
• PCB的厚度
• 叠装
• 连接盘尺寸
• 加固机制
• 焊料体积
• 焊料机械特性
• 焊料蠕变性质
• 焊点界面的质量
作为一种补救
措施，一些设计人员，特别是手
机行业，已采用较大的角落连接盘、拉长的连
接盘以及底部填充以增强其稳健性。从组装的
角度来说，强制实施适当的夹具和操作是避免
焊点损伤的关键。
图8-14 可接受的凸形焊点例⼦，左上⾓图显⽰ 为焊点表⾯切线
图8-15 可接受的柱状焊点⽰例
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8.4.8 失效特征-7：不充分再流 当BGA焊球
没有充分受热使焊料达到高于液相线温度时，
这种失效特征就会发生。当发生时，未充分的
再流焊点通常见于BGA中心部分的下方，因为
这些区域在焊接过程中的受热最慢，最有倾向
达不到足够的焊接温度。
有时，不充分再流焊点出现是由于元器件特征
的存在，比如插座上的凸轮，在再流焊过程中
把区域的热量带走。下面的图8-18
列举了一个由
于此原因造成不充分熔融焊点的例子。
8.5 影响可靠性的关键因素
8.5.1 封装技术 面阵列元器件有各种各样的类
型和材料。大部分商用阵列器件使用塑料灌封
以及增强刚性的有机基板中介材料进行封装。
对于封装到电路板的互连，采用为金属化连接
盘或合金球。当封装高度有问题时，通常指定
用盘栅阵列（LGA）封装的IC，也可采用小合
金球的球栅阵列（BGA）互连系统。装备于大
部分塑封基BGA上的
触点合金是一种锡/铅（共
晶）或一种锡/银/铜（无铅）合成物。使用陶
瓷基基板的面阵列封装可配置高铅焊球或柱状
焊料，如Pb90/Sn10。面阵列封装变化不断增长
的数量使非增强介电薄膜适应于基板与不同灌
封材料的组合。微型密节距（FBGA）和芯片尺
寸封装（DSP）也已广泛使用（尤其是便携或手
持电子产品），同时许多较高功率应用整合了封
装内置散热器或散热层（见
第4章）。
当焊接至传统印制板时，面阵列封装焊料连接
的长期可靠性成为主要问题。材料的热膨胀系
数（CTE）差异会对焊接界面产生不适当的应
力。面阵列封装连接的完整性会变化，这取决
于焊点所受负载条件以及产品的可靠性要求。
当大硅芯片用不适宜的环氧化合物连接到有机
基板时，CTE不匹配会进一步加剧。硅的CTE大
约为3ppm/°C，而有机基板则接近于
16ppm/°C。
在组装过程中的封装翘曲，甚至封装内的功率
耗散都会使焊点受到显著的拉伸应力。在焊接
界面的过度应力和应变会导致焊点失效，甚至
金属连接盘的分离。
当芯片通过刚性环氧树脂连接至封装基板时，
直接位于芯片下方的基板材料限制其CTE到接
近于芯片的CTE。当焊球位于同一区域且暴露
于宽幅变化的工作温度时，焊接界面会受
到过
度应变。对于“腔体朝上”的元器件（连接的
芯片面向远离于封装基板），仅用一薄介电层将
图8-16 焊盘坑裂两个⽰例（位于BGA⾓落）
图8-17 1.0mm节距⽆铅焊球的焊盘坑裂。连接到连接
盘的⾦属线路断裂明显；但是这种焊盘坑裂在亮场景的
显微镜下很难看出来。
BGA焊盘蚀刻
线边缘的断裂
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焊点从芯片分开。芯片越大，焊料连接可靠性
问题就越严重。此外，当BGA焊点开裂时，其
通常在焊球至封装界面。这是焊料和受限制的
芯片BGA基板之间局部膨胀不匹配的结果。
较大BGA封装轮廓的目前趋势是将触点移至封
装周边，可能的例外是某些散热焊球和导通孔
需保留在封装的中央区域。无法将焊球触点移
出芯片连接
区域外的一些制造商已采用更柔顺
的芯片连接材料。柔顺的芯片至封装连接界面
稍厚，并且展现出焊料到板子界面应力的明显
减少，从而提供了疲劳寿命的实质性增加。
8.5.2 托⾼⾼度 托高高度会显著影响焊点可靠
性。托高越高，焊点可靠性就越好。用Sn63Pb37
焊球连接的BGA导致焊点高度难以受控且更低
（400至640μm），而Sn10Pb90焊球（直径为760
至890μm）则
会形成相同尺寸的、一致的焊点高
度，因为Sn10Pb90焊料具有远高于近共晶锡/铅
焊料的液相温度，并且在通常的再流焊工艺中
不会融化。表8-2提供了锡/铅焊球和焊膏冶金封
装的典型托高高度信息。
封装重量也会影响焊点可靠性，因为它影响焊
点或托高高度。决定托高高度的关键因素为连
接盘尺寸、可用焊料量以及元器件重量。重量
越轻，连接盘尺寸越小，焊料量越多，托高越
高。
8.5.3 PCB设计考量
另一个影响可靠性的因
素为焊点几何形状和连接盘金属化。如果采用
覆盖连接盘镀层的阻焊膜限定（SMD），则会带
来负面影响，因为阻焊膜在金属化连接盘上，
影响了焊点几何形状。由SMD焊点几何形状产
生的应力集中会成为焊点失效的源头并降低其
可靠性。此外，阻焊膜形状和厚度也会影响焊
点可靠性。图8-19展示了由于阻焊膜上应
力集中
而产生的裂纹。
对于相等的焊点高度，使用非阻焊膜限定连接
盘（SMD）与阻焊膜限定(SMD)相比，预期
疲劳寿命增加1.25至3倍，对于更严酷的荷载条
件下的焊点，改善更大。PCB表面处理在BGA
焊点可靠性中也扮演着关键的作用。HASL，一
种常用的表面处理，其厚度可能会过厚或过薄。
不足的焊锡厚度可能被消耗为不可焊的
金属间
化合物。在化学镍层上浸金容易产生黑焊盘缺
图8-18 切⽚图⽰再流焊过程中未充分熔融的焊点。这些焊点位于插座凸轮的下⾯
表8-2 锡/铅焊球的典型托⾼⾼度（mm）
焊球节距 托⾼⾼度
再流前焊球
直径
PCB连接盘
尺⼨
1.27 0.40-0.60 0.75 0.65
1.00
0.45-0.55 0.60 0.45
0.35-0.45 0.50 0.40
0.30-0.40 0.45 0.35
0.80
0.35-0.45 0.50 0.40
0.30-0.40 0.45 0.35
0.28-0.35 0.40 0.35
0.18-0.25 0.30 0.25
0.50
0.18-0.26 0.25 0.25
0.08-0.15 0.17 0.25
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