【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第146页
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 ，…
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
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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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靠性威胁最大的元器件进行。对于军事用途的气
密性要求因而采用陶瓷元器件，CTE调整意味着
多层板的CTE约束，这类材料如Kevlar、石墨纤
维、铜-因瓦-铜以及铜-钼-铜板。对于大多数选
择玻璃环氧树脂以及玻璃聚酰亚胺作为多层印
制板材料的商业应用来说，这种方案太昂贵了。
因此，CTE调整必须采取避免使用大尺寸元器件
的方式，这些元器件或
者是陶瓷（CGAs、MC
Ms）、带有合金42引线框架（TSOPs、SOTs）的
塑料，或者是带有刚性键合硅芯片的塑料（P
BGAs）。
增强无引线焊料连接的柔性意味着要增加焊点
高度（C4、C5、充填、点胶、10Sn90Pb焊球、
10Sn90Pb焊柱）或者切换至有引线连接技术。
对于有引线连接，增加引线柔性意味着要切换
到那些具有提升引线柔性的引线结构的供应商
或
切换至密节距技术。
DfR过程需要强调失效物理学的观点而不忽视失
效的统计分布。该过程可能包括以下步骤：
• 识别可靠性要求—预期设计寿命和设计寿命结
束时可接受的累计失效概率。
• 识别负载条件—使用环境（如IPC-SM-785）
和由于功耗而产生的热梯度，功耗可能变化且
会产生大量微循环（能源之星）。
• 识别/选择
组装结构—元件和基板选择、材料
性质（如CTE）以及连接形状。
• 评估可靠性—确定已设计组件的可靠性潜力，
并采用此处展现的方法，如“品质因数”法或
其它适宜的技术比较可靠性要求；这种过程可
能会迭代。
• 平衡性能、成本和可靠性要求。
8.7 确认和鉴定测试 IPC-9701规定了性能测
试方法和鉴定要求；IPC-9701A包括了无铅焊点
的可靠性测试指南。那里有多个模型可
用，对
于其产品和应用，人们使用它来估测无铅焊点的
可靠性。由于这些模型都是针对具体产品的，
因此并没有一个通用的协议。
确认和鉴定测试应该遵循IPC-SM-785，表面贴
装焊接连接加速可靠性测试指南，给定的指南。
然而，对于热量耗散显著的大元器件、不对称结
构的元器件以及整体CTE不匹配小的元器件，
温度循环测试并不足以提供所需的信息；全功能
循环包含外部温度和内部功率循环是必要的。
8.8 筛选程序
8.8.1 焊点缺陷 可靠性最关注的焊点缺陷是
那些无论何种原因所导致的润湿不充分。润湿
良好的焊点即使在严苛的机械负载条件下仍有
足够的强度，而没有减小抗热疲劳的能力。但
如果焊点没有良好润湿，在机械和热循环负载
作用下会过早失效。
焊点中的空洞
通常不认为对可靠性构成威胁。
可能的例外是大空洞使焊点横截面减少而足以
降低要求的热传递性能，并且在高频应用中的
空洞会导致信号恶化。
带有非塌陷焊球的BGA元器件（高温焊料90%铅
10%锡，熔点为302°C）通常很少或没有诱发的
空洞，因为焊球在再流焊曲线期间从不熔化。
8.8.2 筛选建议 有效的筛选程序能使潜在的
焊点缺陷也即润
湿不充分的薄弱焊点失效，对高
质量焊点没有明显的损伤。最佳推荐方案为随机
振动（6-10g，10-20分钟），最好是在低温，如-
40°C。这种负载不会损伤良好焊点，但它会对
薄弱连接焊点施加过应力。热冲击也可成功地
使用，但可能会对良好焊点产生某些损伤，特
别是大的元器件。
8.9 加速可靠性测试 确认和鉴定试验应该遵
循IPC-SM-785给定
的指南，表面贴装焊接加速
可靠性测试指南和／或IPC-9701，表面贴装焊
接连接的性能测试方法和鉴定要求。尽管通常
会进行加速温度循环（AT C），对于某些产品，
ATC 需要与机械冲击和/或振动测试联合。由单
套AT C测试条件或不充分的AT C测试条件不可能
提供有效结论。
加速可靠性测试在设计样机上进行，通常会持续
到
失效或直到预定的可靠性目标实现。恰当的
可靠性目标可以通过合适的加速模型确定（见
IPC-D-279，可靠表面贴装技术印制板组件设计
指南）。
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