【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第24页
有一 些 BGA 外观 检验方 法 能 够 识别 出 焊点 的 问 题 ， 从 BGA 的 外 排 焊 球，可 以看 到 陶瓷 BGA 非 塌陷 焊 球 以 及 塑 封 BGA 塌陷 焊 球的良 好 流 动的 情 况 。 外 排 目 视 检 查 结 果 可 以 作为 这些 问题 的标 志， 例 如 查 看 BGA 外 排 与连接 盘 的对 齐情 况 ， 以 及 BGA 座 落 在电路 板 的 情 况 ， 是 水 平 的 还 是 倾斜 的…
必要的，但配置足够多的测试点对所有焊点进
行完全测试可能有困难。需要一些替代测试方
案，如在BGA器件内设计边界扫描功能，减少
I/O扇出探测点的数量。为了改善测试能力，有
的BGA在其封装顶部设置了测试点。这并不是
个好方案，因为它对BGA元器件及其焊点施加
了压力。
3.2 投放市场准备 将BGA安装在产品上之前，
重要之处不仅在于解决技术问题，还要
考虑可
能的商业意义。如果产品和技术同时研发，上市
时机非常可能会受到不利影响。好的方法是，
在安装到实际产品之前，先进行研发和技术验
证。不然如果在产品和技术上出现问题，会错过
出货的截止日期。为了确保上市前准备就绪，
需要分析BGA实施方法和工艺流程。
3.3 ⽅法 在尝试平衡尺寸、成本以及功能之
间的关系而进行设计决策时，必须考虑一些因
素。除了这些考虑之外
，产品也必须在预想环
境中，在其预期生命周期之内能够可靠运行。
封装的选择会受到可靠性因素和环境条件如温
度变化、热冲击和湿度的影响。
3.4 ⼯艺步骤分析 有效地使用BGA有一些可
用的途径，每个途径的详细程度取决于公司目
前有什么设计和组装设备，以及这些设备能多
快地完成生产准备工作。下面提供了一种方法
的示例：
1. 选出使用BGA
的候选产品名单。
2. 基于计划产量，开发一份设备清单。如果公
司内部没有充分的专业知识，有必要利用有
声誉的培训中心或者咨询师以节省成本和时
间。
3. 组建有设计、制造、测试、质量管理以及采
购人员代表的一个团队，此团队负责元器件
及设备的选择和评估。
4. 开发一份强调 BGA可 制造性的详细设计指
南，尽可能采用现行的标准。
5. 设计候选产品，从已使用密节距元器件的现
有产品开
始转换。
6. 确定无铅产品的需要，这包括用于元器件上
的合金以及贴装基板所需的表面处理类型。
7. 实施严格的组装和测试评估。仔细监控元器
件采购 过程，以确保元器件符合规定的包
装、运输方法、金属化、可焊性以及在发运
容器中的定位。
8. 开发综合性工艺标准和良好的统计过程控制
系统。
9. 设计其余的候选产品。
鉴于元器件需同时满足客户要求和符合新的环
境法规
，许多客户需要列出有元器件级和完整
组件级的所有材料的报告。为了帮助厂家推进
这项工作，IPC已经制定了针对材料申报的标准
IPC-1751和IPC-1752，同时也鼓励软件供应商研
发可用 的工具 来 满 足 那 些 标准要求。已建立
一个正式申报系统，因为汽车工业已受到欧盟
“报废车辆”指令的挑战。
为表示产品中可能会出现 的各种材料性质范
围，表3-3给出了可能用于表面处理的材料以及
当二级互连时被加入组件的材料清单。
3.5 BGA的局限性和问题 尽
管BGA技术已成
为行业主流，但这项技术仍有一些需要考虑的
决策。这些是商业和技术上的问题而需要予以
解决。这些特别关注的领域为：
• 外观检验
• 湿敏性
• 返工
• 成本
• 可获得性
• BGA中的空洞
• 焊点开路（BGA或叠装BGA）
• 枕头效应现象
• 标准及其采用
• 可靠性问题
BGA问题并非无法解决，但是这需要专门的工
程资源来研发和实施稳定可靠的工艺。
3.5.1 外观检验 BGA是不
适合于厂商通过检
验和维修来保证质量的封装。除非使用X射线或
光学探测技术，否则无法对BGA的焊点进行检
验。为获得BGA所带来的优势，必须要维持稳
定的工艺控制。由于受 时间和培训限制，许多
厂商发现实施这样严格的工艺控制是一个困难
的尝试。
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有一些BGA外观检验方法能够识别出焊点的问
题，从BGA的外排焊球，可以看到陶瓷BGA非
塌陷焊球以及塑封BGA塌陷焊球的良好流动的
情况。外排目视检查结果可以作为这些问题的标
志，例如查看BGA外排与连接盘的对齐情况，
以及BGA座落在电路板的情况，是水平的还是
倾斜的。
3.5.2 湿敏性 塑料封装的BGA湿敏性极高。如
果BGA封装未进行足够烘烤或者组装前没有保
持干燥，使它们容易出现翘曲、膨胀、爆裂或
者裂纹等情况。元器件贮存和操作程序对BGA/
FBGA是至关重 要的，它对其它任何湿敏元器
件，包括有引线的表面贴装器件也是十分关键
的。
元器件的湿敏性可依据J-STD-020来测试，湿敏
性决定于封装的厚度。 每种BGA封装类型的湿
敏等级都需要分析。
了解BGA封装类型对应的适
用温度是很关键的，适用的温度分别为220°C、
235°C、245°C、250°C以及260°C。如果使用温
度更高，封装类型的湿敏性可能要下降几个等
级。
由于模塑化合物和基材系统的改善，绝大多数
基于层压板的BGA可在高于220°C温度下安装。
密封的陶瓷BGA是非湿敏器件，因此可在任一
较高温度下实现安装。因为向无铅焊接切换，
业界
需要 试 验和验证在更高温度下的工艺，
如260°C，如此高温不仅BGA会面临的严重问
题，所有其它表面贴装器件也会产生问题。
3.5.3 热⾮平衡BGA设计 塑料BGA封装也容
易出现当边缘向上弯曲时的翘曲，这可能会造
成外排焊球没有连接上。封装边缘也可能向下
弯曲，因此可用术语“哭脸”或“笑脸”BGA
来识别这两种情况。所谓的“笑脸”BGA基板
对外
排焊球施压，而“哭脸”BGA基板对内排
焊球连接位置施压。封装翘曲是返工时仅施加
助焊剂时面临的实际问题。大尺寸芯片会引起
PCB和封装层压材料之间CTE不匹配，从而造成
封装翘曲（见图3-8）。
表3-3 可能的电镀或元器件端⼦材料性质
金（Au）
金（Au），电镀
金（Au），硬质
铟 (In)
镍/金(i / Au)，化学镀镍/浸金
镍/金(i / Au)，电解
镍/金(i / Au)，
镍/钯 (i / Pd)
镍/钯/金(i/Pd/Au)
镍/钯/金(i/Pd/Au)，化镍钯浸金
有机可焊接性保护剂（OSP）
有机可焊接性保护剂（OSP-HT），高温
钯(Pd)
铂/钯/银(Pt/Pd/Ag)
银(Ag)
银(Ag)，电镀
银(Ag)，浸镀
银(Ag)，有镍(i )隔离层
银/钯(Ag/Pd)
银/钯(Ag/Pd)，有镍(i )隔离层
锡(Sn)
锡(Sn)，光亮
锡(Sn)，光亮，退火
锡(Sn)，光亮，熔化
锡(Sn)，光亮，再流
锡(Sn)，光亮
，再流覆盖镍(i )隔离层
锡(Sn)，光亮，带镍(i )隔离层
锡(Sn)，光亮，带银(Ag)隔离层
锡(Sn)，热浸镀
锡(Sn)，浸镀
锡(Sn)，亚光
锡(Sn)，亚光，退火
锡(Sn)，亚光，熔化
锡(Sn)，亚光，再流
锡(Sn)，亚光，镍(i )层上再流
锡(Sn)，亚光，带有镍(i
)隔层
锡(Sn)，亚光，带有银(Ag)隔层
锡(Sn)，再流
锡(Sn)，半亚光(Sn)
锡/铋，(SnBi), <5% Bi
锡/铋，(SnBi), =>5% Bi
锡/铋/金(Sn/Bi/Au)
锡/铜(Sn/Cu)
锡/铜(Sn/Cu)，退火
锡/铜(Sn/Cu)，热风表面整平
锡/铜(Sn/Cu)，热浸镀
锡
/铜(Sn/Cu)，亚光
锡/铅(Sn63Pb37)
锡/铅(Sn90Pb05)
锡/铅/银(Sn/Pb/Ag)
锡/银(Sn/Ag)
锡/银(Sn/Ag)，热浸镀
锡/银(Sn/Ag)，电镀
锡/银/铋(Sn/Ag/Bi)
锡/银/铋/铜(Sn/Ag/Bi/Cu)
锡/银/铜(Sn/Ag/Cu)
锡/银/铜(Sn/Ag
/Cu)，热浸镀
锡/锌(Sn/Zn)
锡/锌/铝(Sn/Zn/Al)
锡/锌/镍(Sn/Zn/i)
AC(不适用-必须提供注解)
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热非平衡封装设计，特别是在顶部有散热片设
计的封装，根据经典的双金属材料效应将会产
生弯曲。
3.5.4 返⼯ 尽管BGA并不像密节距引线框架
器件那样有很多的返工，但许多组装厂对使用
难以返工的元器件封装心存疑虑。虽然BGA返
工困难，但并不意味着不可能实现。如今有现成
的BGA返工技术和手动／自动设备，进行BGA
植球和连接盘图形修
复。在返工操作时必须考
虑一些因素，这些因素是：
• 热循环次数
• 植球时焊球塌陷
• 不要损伤BGA基板上的焊盘
• 正确进行连接盘修复，不要损伤产品电路板上
连接盘
• 基于所用的合金，再连接时合适的再流焊温度
• 除非使用免清洗助焊剂，否则需清洗以便去除
助焊剂残留
3.5.5 成本 BGA相比于被替代的密节距外围
器件封装还是有些许成本差异的。然而竞争方
面的
压力使得BGA成本持续下降以满足新的目
标。随着BGA所需的印制板层数的增加而产生
更多的成本，但采用BGA会带来互连概念和性
能特性方面的许多优点。
下面是BGA封装成本较高的一些关键原因：
• 基材成本更高（细线宽/密间距）
• 高T
g
值的BT(双马来酰亚胺三嗪)树脂
• 散热增强
• 电性能增强
• 极密外部节距
• 高温再流要求
• 薄外形高度
在过去的几年，这些问题都得到解决并且取得
了相当大的进步。
总体来说，创建BGA引脚数的设计标准是困难
的，因为每个芯片都有不同的要求，每个封装/
芯片组合都是独特的；因此，制造商在外围引
线封装上的规模经济
不一定在面阵列器件上看
得到。
表3-4表述了在将来几年，半导体工业界对于不
同技术下产生的每个引脚的期望成本。表中上
IPC-7095c-3-8
图3-8 BGA翘曲
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