【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第142页
C 。 具 有可 比 的 熔 点 ，同时 具 有所 需 物 理 和 机械 性 能、 适 合 SMT 组装的 合金 必须 扩展 到四 元合 金 。 全 世 界 一 些 联 合体 已经从锡 - 银 - 铜 家族 中 挑 选 了 合金 作为 无铅焊 料的 选 择 。在 确 定合金 家族 中的 最终选 择 以 及 特 定合金 成 分 时， 应考虑 并 评估许 多因素 。包 括 ： • 熔 化 温 度 • 对 常 见 元器件基板 和 板 在表面 …
陷，在机械和/或热应力作用下导致脆弱的界面
焊点失效。“黑焊盘”缺陷被认为是由镀金过程
中镍过度腐蚀导致的。
在BGA焊点连接盘下面的层压板开裂也是一种
可能的失效机制。这种失效被认为是再流焊过
程中的焊点上的热机械应力和／或随后的机械
应力而导致的。盘内孔或者与焊盘紧挨的导通孔
可能会造成焊料排出。这种设计通常不推荐。
一些公司尝试盘内孔获得了成功结果。但是这
种法只适用于拥有丰富内部资源来用于验证带
有盘内孔技术的焊点可靠性的公司。BGA连接
盘中有微导通孔越来越普遍。无论何时使用微
导通孔，大多数BGA都会有空洞。研究表明大
部分空洞并不是引发裂纹的可靠性风险，但是
它们减少了焊点面积并且当裂纹扩张时缩短了
失效时间。图8-20展示了可靠性试验后的
失效，
其中空洞非常大焊球塌陷。
8.5.4 陶瓷栅阵列焊接连接的可靠性 陶瓷的
CTE大约6ppm/°C；有机基PCB的CTE处于16-20
ppm/°C的范围。因此，在陶瓷元器件和有机印
制板之间存在大约10-14ppm/°C的整体CTE不匹
配。为了弥补这种巨大的整体CTE不匹配，在
大多数应用中，陶瓷元器件通常需要焊料柱以
便可靠地运行。由于角落焊点负载大于其它焊
点（它们距离中点最远，也即DP），
它们首先
失效。
焊柱，目前只应用于陶瓷格栅阵列元器件(GAC),
是长度为1.27mm至2.29mm的10Sn/90Pb柱子，
或者铸造在CGA上或使用近共晶锡/铅焊料导体
焊接到CGA与基板上。在其它条件相同的情况
下，三种柱子高度，0.41mm[16mils]、0.76mm
[30mils]、2.29mm[90mils])，所对应的CBGA
焊点疲劳寿命之比为1:4:45。焊柱高度受到柱
纵横比要求（
高度对直径）的限制，即不产生
细长的柱子而改变了装载条件；铸造的柱子可
适应较大的高径比。
8.5.5 BGA⽆铅焊接 本节覆盖了使用无铅焊
料的BGA印制板组装的诸多方面。首先介绍各
种可用的无铅合金以及它们的选择。接下来描述
BGA印制板设计和组装考虑，包括当从锡／铅转
化为无铅封装和组装时发生的过渡技术讨论。
8.5.5.1 ⽆铅合⾦选择 在理想情况下，选择的无
铅合金应是当前使用
的锡/铅合金的直接替代。
直接替代合金不需要显著改变封装和板子组装
的材料、设备和工艺。直接替代确实存在，但
是这类直接替代品的成本与当前可获得的要求
高工艺温度（如SAC305）的在潜在无铅合金列
表中的合金成本相比并没有优势。
选择现有现有的最好无铅焊料合金这项原创性
的工作是国家制造科学中心（CMS）承担的为
期三年的研究。这项研究的成果
为一份报告，该
报告包含了对超过79种无铅焊料合金的评估。
表8-3展示了一些CMS工作组评估过的常见无
铅焊料。它们按照其熔点进行排列。这些合金
中绝大多数为富锡合金（>90%锡），其中锡分别
与其它元素，如铋、锌、锑、银和铜，构成二
元或三元系统。这些合金系统的熔点、优点、
缺点以及潜在的替代品在此表中列出。
二元或
三元富锡合金，除了锡-锌系统，比共晶
锡/铅焊料（熔点，mp=183°C）的熔点高30-40°
图8-19 阻焊膜的影响
图8-20 由于⾮常⼤的空洞，可靠性试验失效
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C。具有可比的熔点，同时具有所需物理和机械
性能、适合SMT组装的合金必须扩展到四元合
金。
全世界一些联合体已经从锡-银-铜家族中挑选
了合金作为无铅焊料的选择。在确定合金家族
中的最终选择以及特定合金成分时，应考虑并
评估许多因素。包括：
• 熔化温度
• 对常见元器件基板和板在表面处理的润湿性
• 与常规助焊剂，特别是免洗助
焊剂的兼容性
• 元器件和板子可靠性
• 机械、电气和热性能
• 可返工性
• 与铅的兼容性（在过渡时期）
• 从供应商的易获性
• 成本
•专利问题
表8-4比较了三个联合体所选的合金成分。三者
的成分相互非常接近，且在再流焊工艺表现非
常类似。另外，焊料合金供应商通常注明焊料
的每种元素成 分 有±0.2%的重量公差
，这符合
ASI J-STD-006规范。当考虑这些因素时，下
列合金成分全部重叠。
8.5.5.2 含银量约为1%合⾦的建议
• 焊点必须达到至少235°C，且TAL至少60秒。
• 当使用低银合金BGA时，某些PCA再流曲线可
能要调整。
• 再流焊温度曲线至少需要用金相学知识进行确
认，这需要额外的技术工作。
除了仔细的炉温曲线，还应进行金相（具有统
计学上
相当数量的样本量）确认低银焊球合金
的元器件形成的适当的焊点。
用于确认温度曲线的热电偶数量应大大增加，
以体现低银元器件能满足上面给定的条件，同
时其它元器件也可满足现有规范（无过热）。
表8-3 常⽤焊料及其熔点、优点和缺点
合⾦或合⾦系统 熔点(°C)优点 缺点
Sn95Sb5 240 良好的抗疲劳强度。
比铅毒性大； 高熔点，8°C半熔态范围， 润湿
性差和低拉伸强度。
Sn99.3Cu0.7 227
与其它无铅焊料相比成本低；缺铅时填充不易翘
起。
在空气中润湿性降低，但在惰性气体中润湿充
分。
Sn96.5Ag3.5 221
是CMS研究的主要选择之 一；在某些应用上
使用多年；一些加速可靠性测试结果表明疲劳特
性类似于锡
/铅焊料。
在高锡合金中再流焊接润湿能力最差；尽管对大
部分板子组装操作润湿性足够。
SnAgCu 217-220
比锡/铅焊料有更好的抗蠕变性；一些可靠性加
速试验结果表明其疲劳特性好于锡/铅焊料。有
最佳的糊状范围利于立碑控制。
在高冲击场合中容易断裂；有些成分为专利保
护。
SnZnBi 191-199
熔点最接近于锡/铅合金；比锡/铅焊
料强度好；
一些 可靠性加速试验结果表明疲劳特性比锡/
铅焊料好。
非常容易氧化和腐蚀，但是少量的铝可以减轻这
些问题；要求特殊助焊剂和焊接工艺以达到可接
受的制造良率。
Sn91Zn9 199
Sn63Pb37 183 最广泛应用的焊料合金。含铅。
Sn62Pb36Ag2 179
更强的拉伸强度，能抗立碑的糊状范围，较好的
抗蠕变性。
含铅，更贵。
Bi58Sn42 139
CMS排
后选择的合金之一，目前在低温应用中
使用。
对计算机应用来说，熔点太低；受到铅的污染，
易形成低熔点的三元相。
In52Sn48 118 熔点最低的焊料之一。
铟供应受限；对计算机应用来说熔点太低；易被
腐蚀。
表8-4 各联合体选择的锡-银-铜
家族⽆铅焊料合⾦成分⽐较
联合体 %锡 %银 %铜
IDEAL 95.5 3.8 0.7
焊料产品价值
理事会
96.5 3.0 0.5
iEMI 95.5 3.9 0.6
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1%的银合金看来与许多当前业界的需要最小再
流峰值温度/TAL时间为235°C/60秒的SAC305
无铅组装规范不兼容，而当前规范对于其它合
金大多可以满足。对应于会显著改变再流焊曲
线要求的下限的银含量实际限值还没有精确界
定。大 概是介于1%至2.3%的银。由于其它变量也
可能会影响此数值，所以对于任何含银量低于3%
的合金都应
特别注意。
焊点可靠性－业界研究一致表明，低银合金的跌
落特性优于近共晶SAC。除了合金成分之外，
该结果也取决于连接盘表面处理。这种改善的
确切原因仍在辩论之中。可能是由于焊球体刚
度和屈服强度的减小。众所周知这种金属间层
成分和/或焊点结构的改变是可预期的。要求减
小过冷度以坚固BGA球。
已发布
的数据表明，低银合金的疲劳寿命低于
高银对应物。然而现有的模型都是针对具体产
品的。目前还没有针对这些合金公认的加速模
型，这使得预测产品的寿命非常困难。现有可
用的研究结果与各种最终产品使用条件有关，
因此想要了解这些低银合金相对于共晶锡/铅如
何表现并不简单。
向低银焊球合金改变的管理—由
于对再流焊工
艺窗口和可靠性的潜在影响，从近共晶SAC焊
球合金向小于3%的银转变时，应考虑其形状、
安装以及功能的变化。这种情况下，即使仅有
焊球合金变化时，给BGA器件做额外的物料编
码也被认为是合适的。
8.5.5.3 电路板设计注意事项 用无铅焊料的
BGA组装的板设计通常 非 常 类似于目前使用
的 锡/铅焊料的板设计。相 同的可制造性设
计（DfM）规则和
指南应当如同应用于锡/铅
（SnPb）板那样应用于无铅板。这些包括元器
件定位、焊接、导通孔、阻焊膜、可维修性以
及可测试性等。其中部分详述如下。
BGA连接盘图形设计 – 如同锡/铅BGA焊接的情
况，锡银铜焊接优选的BGA连接盘类型是与阻焊
膜限定连接盘形式相对的非阻焊膜限定设计，
因为它给印制电路板设计人员最大的灵活性，
并且由阻焊膜对焊点产生的应力
点更少。
PCB上元器件贴装位置 – 由于锡银铜焊料在元
器件焊接时需要较高的再流焊温度，大的、温
度敏感BGA元器件的贴装位置需要仔细布局。
取决于板子尺寸、厚度和层数，靠近PCB板边
缘区域温度通常会比中心位置高5-15°C。在受
到较高再流焊温度时，因为大型封装更易出现
由湿气和热应力引起的缺陷，这样的封装应尽
可能限制在板的中心区域。其它因素
，如线条
可布线性和密度，可能必须将大BGA放置在板
子边缘。在这些情况下，再流焊接工艺窗口要
收窄，以保持BGA元器件暴露的最高温度低于
可接受的界限。
8.5.5.4 再流焊接注意事项 再流焊接通常在具
有热空气对流的IR对流炉中完成。相比于锡/铅焊
料，尽管需要高的再流温度熔化锡银铜（SAC）
焊料，对于无铅再流焊可能没必要用新设备。
之前锡/铅焊料所用的再流焊炉可以使用，只是
再流炉各加热区的设定明显增加。随着PWB板
质量的增加，若不扩展温区，会使限制最高再
流温度、整个PWB的温差以及再流时间的能力
变得更困难。
炉中的环境可以是空气或惰性气体，如氮气。
对于无铅焊接，为了在高温再流运行期间将板
子组件上的材料氧化减至最小，惰性气氛会有
帮助。许多准则取决于焊膏和焊膏制造商
以及
电子组件的热屏蔽方式。某些板子表面处理，
比如铜上的有机可焊性保护剂（OSP），在再流
焊接过程中可能需要惰性气氛，以达成可接受
的焊点良率水平。
应该对所有板子组件开发再流曲线。由于SAC
焊料需要较高的再流焊接温度，确定板上各不
同位置的最高温度很重要。因为材料类型、周
围的元器件、板上零件的位置和封
装密度不同，
元器件的温度可能会有变化。
为了避免由湿气和热机械应力对塑料元器件引
起的失效，最好要测量元器件本体的温度并检
查，以确保没有超出额定最高温度。这样，通常
在制定再流焊曲线过程中测量温度的热电偶，
应该在板子组件制定再流曲线时连接到焊点以
及各元器件本体上。大元器件在其引线/焊球与
元器件模塑化合物之间有5°C以上的温差。
BGA焊点的典型SAC再流曲线与锡/铅再流曲线
的对比在下面的图8-21中。图中显示了再流曲线
的四个不同区：焊膏媒体中的低熔点挥发成分
散发的预热区；使整板上温度趋于一致并开始
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