【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第145页
温 度曲线 也 已 变 化而与 之匹配 。然而，对 于 某 些 元器件 ， 比 如 焊 接 于板 上的 BGA ， 仍 是锡 /铅 焊 料， 这是由 于元器件 供 应 商 无铅 技术路 线 的 转 换 日期 晚 于板 子组装 厂 的 转 换 日期 。 这 导 致 B GA 类器件 的 锡 ／铅焊点 被 无铅焊膏 中 铅 替 代 金 属 “ 污染 ” 。 上表中列出的第 二 种 可能的 无铅板 组 件 为 “ 向 后 兼容 ” 。 当 元…
活化助焊剂的助焊剂活化区；焊料熔化，润湿
连接盘表面并形成焊点的再流区；以及最后的
冷却阶段，此间焊料凝固，板子组件从炉中退
出并由风扇将加压气流吹向板使其冷却下来。
图8-21中描述的温度曲线称为“FAT”（助焊剂
活化时间）曲线，因为该曲线在焊料再流之前
具有保温区。作为替代，也可开发“爬升”曲
线，该
曲线由预热区至再流焊接区包含一个持
续的爬升。这种爬升曲线增加了再流炉中板子
组件的产量。但应小心以避免元器件过热，特
别是在板边缘。
8.5.5.5 BGA⽆铅焊点的外观 BGA封装本体
会遮盖其焊点。然而，借助于某些特殊的显微
镜，例如内窥镜，可以观察到外围的焊点。锡
银铜焊点的微观结构通常为多相微观结构，焊
点的表面看起来粗糙。图8-22展示了典型的锡银
铜 BGA焊点。这与通常具有光泽表面的典型锡
铅BGA焊点相比有很大的不同。
8.5.5.6 ⽆铅技术的转化 由完全锡/铅焊接系
统到完全的无铅焊接系统的转化不会一夜之间
发生。可能会出现锡/铅和无铅焊料在板子组件
上并存的过渡阶段。此过渡阶段必须要评估SAC
焊料中含铅的影响以及对焊点良率和可靠性的
影响。
在此转 化 阶段中可能的无铅板组件如表8-5所
示。
在上表中列出的第一种
可能的无铅板组件为
“向前兼容”。对于向前兼容电路板组件，其焊
接工艺已转化为无铅焊膏配方，相应的再流焊
IPC-7095c-8-21-cn
图8-21 ⽆铅(SnAgCu)和锡/铅(SnPb)BGA再流 焊接温度曲线对⽐
锡铅焊料再流温度曲线
@183°C 峰值温度=
205 to 220°C
无铅焊料再流温度曲线
@217°C 峰值温度=
235 to 245°C
257
227
197
167
137
107
77
47
17
0.0
0.6
1.2
1.8 2.4 3.0 3.6 4.24.8
5.4
6.0
Temperature
Time in Minutes
预热
预热
再流
再流
保温
保温
冷却
冷却
图8-22 SnAgCu BGA焊球的内窥镜照⽚
表8-5 可能的⽆铅组件类型
定义
元件端⼦/
BGA焊球 焊膏 板⼦表⾯处理
向前兼容性 含铅无铅有铅或无铅
向后兼容性无铅63Sn37Pb 有铅或无铅
全部无铅 无铅 无铅 无铅
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温度曲线也已变化而与之匹配。然而，对于某
些元器件，比如焊接于板上的BGA，仍是锡/铅
焊料，这是由于元器件供应商无铅技术路线的
转换日期晚于板子组装厂的转换日期。这导致B
GA类器件的锡／铅焊点被无铅焊膏中铅替代金
属“污染”。
上表中列出的第二种可能的无铅板组件为“向
后兼容”。当元器件供应商引进无铅元器件时，
但不是所有使用这些元器件的板组装
厂已转化
其板组装线为无铅工艺时，向后兼容的情形就
产生了。这些组装厂仍旧会使用共晶锡/铅焊膏
按照锡/铅再流焊曲线焊接无铅元器件。锡/铅
元器件明显更适合此类情况，但是元器件供应
商可能出于经济原因，不会为同一器件运行两
条元器件线，一条为锡/铅另一条无铅。由锡铅
焊膏和无铅焊球组合而形成的焊点将有一个混
合的成分。当使用锡/铅焊膏对一种带有锡银铜
无铅焊球的球栅阵列封
装进行焊接时，基于所
使用的再流曲线，会产生两种不同的情形。这
两种再流曲线的比较如图8-23所示，完全无铅再
流曲线也体现出来以供对比。
作为目前锡/铅组件使用的例证的锡/铅再流曲
线，未超过BGA锡银铜焊球的熔点。当再流曲
线无法使无铅焊球融化或熔解时，焊点良率或
焊点疲劳寿命将会受到影响。沉积在焊球连接
盘上的锡/铅焊膏熔化，但是锡银铜焊球依然没
有
熔化。这种材料组合中，铅可能通过焊球晶
粒边界扩散。铅从锡/铅焊料中扩散到锡银铜焊
球中有多高取决于达到的再流温度有多高以及
锡/铅焊料熔化时间有多长。如图8-24所示，它
展示了采用无法熔化或熔解锡银铜焊球的再流
曲线，将一个BGA封装焊接到电路板后的锡银
铜焊球的切片显微照片，所得的焊点微观结构
是不均匀的。这会对焊点可靠性产生有害地影
响。
由于两个
原因，使得这类焊点对良率影响也是
有害的。其一是由于焊球未 熔 化引起再流焊时
BGA较差的自对准。在贴装工艺步骤中或之后
的元器件偏移到一定程度时，这会增加焊点开
路的可能性。其次，“焊球塌陷”的缺失可能
IPC-7095c-8-23-cn
图8-23 锡/铅、向后兼容和完全⽆铅板⼦组件再流焊曲线⽐较。
300
250
200
150
100
50
0
0
50
100
150 200 250
300
350 400
锡银铜合金熔点温度
锡铅合金熔点温度
锡银铜焊球不熔化对向后兼容组件不利
向后兼容性组件的锡银铜焊球熔化OK
典型的无铅焊料（锡银铜）曲线
温度
ºC
时间 , 秒
图8-24 BGA锡银铜焊球切⽚的显微照⽚，⽤锡/铅焊
膏采⽤标准锡/铅再流曲线组装在板⼦上。锡银铜焊球
没有融化；⿊/灰互连⼿指状是富铅纹理边界，杆状颗
粒是Ag3Sn IMC层；灰⾊颗粒是Cu6Sn5 IMC层。
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造成焊点开路，这源于沉积焊膏和焊球之间接
触的缺失。
因此，为了提升焊点良率和可靠性，应该采用
图8-23所示向后兼容再流焊曲线。在此再流曲线
中，锡银铜焊球也会融化，且熔融锡/铅焊膏中
的铅会与熔化的锡银铜焊球完全混合，在锡基
中形成富铅均质结构。这样的微观结构如图8-25
所示。
此外，由于锡银铜焊球熔化并塌陷，自对准过
程以及共面度减小
也发生了，因此提升了BGA
的焊点良率。
8.5.5.7 焊球替换 由于锡铅焊球元器件获取有
限，一些功能性设计可能需要BGA元器件的焊
球替换，以允许与锡铅产品组件共同加工。尽
管常用，但这种做法具有缺点，由于焊球拆除
以及随后替换需要额外的热循环。此外，在焊
球与元器件连接处形成的界面合金可能无法达
到想要的或预期
的共晶性能。然而，这项工艺
确实允许限制元器件类型的使用，以符合锡铅
在性能、合同规定、和/或与遗留产品或对无铅
产品工艺要求的额外温度变动敏感的产品设计
兼容等方面的使用策略。焊球替换工艺能够避
免焊料合金、PCB表面处理和元器件表面处理
兼容性问题，而这些问题非常复杂和难以平衡
以获得理想的生产结果。
BGA元器件进行重新植球包括用诸如真空解焊
工
具、刀型烙铁头或吸锡带的局部热源、将原
有焊球拆除。然后将元器件表面清洁，并准备
连接新焊球，新焊球由与元器件原始图形对准
的装置定位。此后焊球连接于元器件上，通过
诸如对流再流炉的典型返工加热源，或者将装
有元件和替代焊球的装置放置在再流炉中。当
有许多元器件需要重新植球时，作为一种备选
方案，可以采用自动激光系统。该系统从
托盘
中拾取和放置焊球，然后用激光束适当再流BG
A基板上的焊球。
无论哪种情况，热源必须受控，所采用的热曲线
适合于元器件和新焊球合金。焊球连接后，BGA
封装从装置上移走，并且检查、清洁焊球以准备
与组件上的剩余的元器件安装、焊接。如同所
有BGA工艺一样，必须考虑湿度和 ESD敏感。
通常可用的BGA焊球合金和大小范围很大，但
必须选
择以与其它工艺要素，例如板子表面镀
层和焊膏，相兼容。通过采用合适的焊球大小
和布局，维持元器件设计节距和间隙，这也很
关键。
BGA重新植球的详细程序见IPC-7711/21，“电
子组件的返工、修改和维修”。
8.6 可靠性设计（DfR） 作为通常的建议，应
遵循IPC-D-279所详述的可靠性设计程序。
改善格栅阵列元器件可靠性的适当的DfR措施
可
采取两种形式之一，对于已改善的处于可靠性
边缘的，最好联合采用它们。
这些措施为：
1. 调整CTE以减少整体膨胀的不匹配。
2. 通过增大焊点高度（托高），提升连接协调性
以适应整体膨胀不匹配。
3. 另外，旨在高可靠性的DfR程序也可包括：
4. 采用适当的底部填充使元器件和基板机械耦
合，以消除整体膨胀不匹配的影响。
5. 选择软芯片连接，减
小低CTE芯片（2.7至2.8
ppm/°C）对整体和 局 部 热膨胀不匹配的影
响。
CTE调整包括选择多层板和／或元器件的材料
或材料组合，以实现最佳的CTE。对于存在耗
散功率的有源器件来说，采用具有较大CTE的
多层板的最佳CTE为1-3ppm/°C（取决于具体的
耗散功率），而无源元器件的CTE为0ppm/°C。
当然，由于组件上有大量元器件，对所有元器
件实
现CTE完全最优化无法实现—但需要对可
图8-25 BGA锡银铜焊球切⽚的显微照⽚，⽤锡/铅焊膏
采⽤向后兼容再流曲线组装在板⼦上。锡银铜焊球已经
融化。
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