【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第27页
由 于焊盘坑裂 已经 成为一个 问题 ， IPC 委员会开 发了测 试 程 序 以 在 用 作组装安装 结构 之前 对 印 制板 进 行 鉴 定 ， IPC-9708 提 供 了测 试 方 法 ， 用 于 评估 印制板 组装材料和表面贴装（ SMT ） 焊 盘 下 设 计的 粘 接 介 电材料 失 效 的 耐 受 性 。 这种 实验方 法 可 用于 不同 印制板 和 设 计参 数 的 排 序 和 比较 ， 但 并不 定义 为验 收 标准…
色部分深浅代表达到预测目标的困难程度。表3-
4引用于ITRS 2010 路线图，所展示的造价十分
高昂。较低成本范围对应的是外围引线封装，
而较高成本范围对应的是阵列形式的封装例如
BGA/FBGA。
许多资源专家认为，由于预测成本低，未来几
年这样的BGA价格不太可能获得盈利。
3.5.6 可获得性 节距为0.8-1.27mm的封装在
世界许多地区可大量获得。节距为0.5mm及其以
下的封装目前也可获得并应用于高档便携电子
设备。一些元器件制造商正着手研发自己的BGA
封装版本。这样做的目的一方面是为了增大设
计模仿的难度，另一方面则是为了保持市场份
额。其核心目的是防止第二家供应商进入市场，
以锁定设计人员使用由单一供应商提供的特定
非标元器件。
3.5.7 BGA中的空洞 许多厂商配合使用X射
线、在线电路测试（ICT）、自动光学检测（AOI）
来改善对BGA焊点的工艺控制能力。有些厂商
通过X射线来探测空洞，以确定一个接收/拒收
标准。任何类型的焊点都不可避免地出现某种程
度的空洞，但是对于空洞程度的可接受范围，
业界仍旧有争论。认为空洞可接受的人认为，
空洞本身并
无危害，其出现的位置才是关键。
检验空洞有许多的考量，为帮助建立工艺改进
标准，附录A中有一些表格可用于帮助制定工艺
改善目标。关于空洞的数据已经在许多可控实
验中得到了分析，结论为在热应力或机械应力
下，空洞总量与可靠性性能没有相关性。
随着BGA的节距和焊球尺寸日趋减小，焊球上
的空洞数量越来越值得注意。对
于这种情况，
建议将空洞的可接受标准与最终产品的工作环
境相联系。建议每个产品都制定一份关于空洞
的标准，并对生产过程或产品制定一个空洞目
标。
3.5.8 焊盘坑裂 使用BGA一个新的问题是焊
盘坑裂现象。焊盘坑裂的定义为连接盘与印制
板树脂/织物复合物、或连接盘下复合物内部分
离，它也被称为“层压板裂纹”。
焊盘坑裂的图例可见图3-9所示的BGA焊点截
面。这种现象形成的
原因与为满足无铅焊料的较
高温度要求而采用层压板树脂系统的新配方有
关，新材料较为坚硬而比之前所用材料更脆。
BGA焊点有若干种可能的失效模式。不同的失
效模式可参考图3-10中的描述。该图是要强调焊
盘坑裂位置与其它形式焊点失效位置之间的关
系。焊盘坑裂失效通常发生于位置5，位于焊盘
与印制电路板的层压板之间。处于元器件基材
与元器件焊盘之间（位置1）的失效模式与
焊盘
坑裂十分类似，但是这种失效模式通常归因于
元器件封装工艺而非印制板组装工艺，位置1的
失效通常会在元器件可靠性评估或3.5.2节中提
到的分类处理时被发现。
3.5.9 标准化问题 许多BGA采用传统印制板
（中介基板）材质，但是这些材料需要通过标
准的可靠性测试。许多机构，例如JEDEC、IEC
以及IPC，都开展了标准化的工作，以测试BGA
封装是否能满足大多数应用的要求极限。绝大
多数塑料材质
的封装应用在办公室设备、笔记
本电脑以及便携电子设备，这些应用场合通常
不需要像其它应用那样的产品生命周期性能要
求。
对特定应用的BGA，需要有特定应用的鉴定标
准将测试条件同产品的使用环境关联起来。许
多工业发展历程已识别了这些工作环境可为：
低成本、手持、高性能手持、高性价比、高性
能以及严苛环境中应用
等。后面的环境如宇航
和汽车电子（引擎盖下），通常需要额外的测试
如加速应力试验（HAST），用以验证在那些严
酷环境下可靠性。
表3-4 半导体成本预测⽰例
年份输⼊ 2008 2009 2010 2011 2012 2015 2018 2020
合约制造每引脚最小成本[1,2](美分/引脚)
低成本，手持式和存储器类 0.24-0.47 0.23-0.46 0.22-0.45 0.21-0.43 0.20-0.42 0.19-0.38 0.18-0.35 0.17-0.34
性价兼顾 0.63-1.00 0.62-0.96 0.61-0.94 0.60-0.92 0.58-0.90 0.55-0.85 0.52-0.80 0.50-0.79
高性能类 1.68 1.64 1.61 1.58 1.55 1.45 1.37 1.32
使用严苛 0.23-2.00 0.22-1.90 0.22-1.54 0.21-1.46 0.20-1.38 0.19-1.17 0.18-1.00 0.17-0.89
白 已有方案 黄—方案开发中 红 无已知方案
IPC-7095C-C 2013年1月
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由于焊盘坑裂已经成为一个问题，IPC委员会开
发了测试程序以在用作组装安装结构之前对印
制板进行鉴定，IPC-9708提供了测试方法，用
于评估印制板组装材料和表面贴装（SMT）焊
盘下设计的粘接介电材料失效的耐受性。这种
实验方法可用于不同印制板和设计参数的排序
和比较，但并不定义为验收标准。
3.5.10 可靠性问题 可靠性问题与BGA元器件
自身以及BGA焊接到互连基板（通常为有机印
制板）的可靠性相关。
元器件可靠性问题可以通过将芯片正确安装到
中介基板上得到缓解。金属导线键合技术已使
用多年，该项工艺为人熟知通常十分纯熟，具
有很高的良率。另一较普遍的技术是将裸芯片
正面向下以倒装芯片方式安装在中介基板上。
采用倒装芯片工艺需要严格控制中介基板上的
连接盘位置，使连接盘能够与裸芯片的键合位
置正确地对接。此外，如果中
介基板的材质为
有机材料，连接工艺需要底部填充以最大限度
的减小由于硅芯片和中介基板的热膨胀系数不
匹配而导致的疲劳损坏。
在最小化热膨胀系数CTE不匹配以及增加间隙
高度的情况下，组件级的焊点疲劳会减轻。焊
接的可靠性可通过研究并全面了解产品的操作
使用环境以及遵照IPC-D-279列出的可靠性设计
（DfR）指南来优化。在选择表面处理方式时，
需要考虑锡晶须和金脆化所带来的风险。应该尽
量避免使用厚金表面处理（厚度大于0.25μm），
以减轻焊接时金脆化所带来的风险，过厚的其
它贵金属表面处理也应尽量避免使用。
3.5.11 ⽆铅技术的驱动⼒ 将厂家产品中普遍
含有锡/铅焊料转化为无铅焊料有两大推动力，
其一来自法律法规的驱动，其二为市场趋势的
驱动。
图3-9焊盘坑裂案例
IPC-7095c-3-10-cn
图3-10 BGA焊点各种可能的失效模式
元器件基板
连接盘
PCB
元器件基板与焊盘间的
失效（位置1）
元器件基板焊盘和焊
球间的失效（位置2）
焊料内部失效，
通常在热循环后可见（位置3）
焊球和连接盘间的失效
（位置4）
焊盘与基板间的失效
（焊盘坑裂）（位置5）
焊球
2013年1月 IPC-7095C-C
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用于推动电子电气设备不能含铅的法规目前为有
害物质（RoHS）限 制使用指令（2002/95SEC）。
RoHS指令对进入欧盟市场可能会存在于电子电
气设备的铅、汞、镉、六价铬以及两种溴化阻
燃剂进行限量。现在美国和日本并没有相关法规
以限制电子产品中铅的使用。日本有回收限定
数量二手电子设备的要求，包括PC、CRT、电
视以
及白色家电等。欧盟也有相应的关于电子
电气设备废弃物（WEEE）的条例。废弃物需要
根据这项于2005年生效的条例来回收和管理。
另外一项推动力是市场驱动。厂商正在研发和
引进无铅产品作为市场的先行者。本质上讲，
作为厂商他们并不希望被竞争对手在引进无铅
或无卤素产品方面抢得先手。BGA元器件以及所
有电子组件都需
要符合法律法规和市场准则。
由于电子产品制造商需要申报产品中含有的物
质或材料，因此这项要求会向下传导至整个供
应链。
4 元器件考量
4.1 半导体封装的⽐较及驱动因素 集成电路
的封装形式有许多种，就端子形状而言却只有
四种：成排（单列或双列直排）引线、插针网
格阵列、J型引线、鸥翼型引线。就可进行表面
贴装的塑封集成电路而言，最普遍的
引线分布
形式是J型引线和鸥翼型引线。在这两者之中，
鸥翼型引线形式在塑封集成电路中使用的最为
广泛。随着引线数目的增加，密节距鸥翼型引
线最大的问题之一是它们的脆弱性，其后果是
引线易遭受损坏出现诸如不共面、引脚弯曲、
歪斜等。引线损伤是密节距鸥翼型有引线封装
缺陷的主要原因之一。尽管鸥翼型器件在低/高
引线数封装中使用最为普遍，BGA封装器件仍
然凭借其牢固的物理结构、小型的尺寸（引线
间）以及增强的电气性能获得了广泛的认可。
就性能而言，BGA的信号路径要比密节距鸥翼
型引线封装的信号路径要短得多，因此在高速
电路应用中有优势。由于在再流焊接时能自动
对齐，BGA封装集成电路已经展现出很高的板
级装配制程良率。因为阵列形式可以在小型化
空间内容纳高数量的I/
O端口，BGA也已被证明
是应对高引线数封装趋势实际的解决方法。
4.1.1 封装特点⽐较 从简单的焊球连接至封装
基板连接盘，近几年面阵列元器件的端子设计和
布局已得到了很大的发展。球栅阵列（BGA）
布局是最基础、也仍然是最为广泛使用的面阵列
封装端子设计。焊球通过助焊剂或者焊膏再流焊
接至封装基板的连接盘上。因此，这种将焊球置
于底部的封装可用标准表面贴装工艺（
SMT）
再流焊接至印制板上，焊球在形成焊点时会充
分融化与塌陷。
焊料栅阵列（SGA）端子设计去掉了焊球，直
接将焊膏印刷在封装的连接盘上。随之产生的
焊料凸点通过表面贴装焊接工艺（SMT）再流
焊接至印制板上以形成焊点。在轻薄产品设计
的推动之下，近几年焊料栅阵列端子的使用也
有增加。
用陶瓷材料制造中介基板也是用于生产栅阵列
封装的一种技术。陶瓷球栅阵列（CBGA）端子
设计与球栅阵列BGA设计类似，但采用此概念
的焊球在印制板焊接过程中并不会完全融化和
塌陷。焊球的成分通常是90%的铅-10%的锡（高
含铅量）。由于陶瓷基板和环氧树脂型层压板的
热膨胀系数严重不匹配，需要保持较高的间隙
高度以为焊点提供足够的可靠性，非塌陷型高
含铅量焊球可以满足这个要求。含铅量较高的
焊 球 已经可 被 不会塌陷的 其它无铅合金所取
代。
为了解决陶瓷封装贴装在有机印制板并能适应
各自热膨胀系数不同的需求，柱状焊料会被用作
连接端子。陶瓷柱栅阵列端子设计（CCGA）是
陶瓷球栅阵列（CBGA）的延伸。CCGA使用成
分为90%铅-10%Sn的铸柱焊料而不是高熔焊球，
以实现更高的间隙高度以及更柔性的互连，这
种设计使得可靠性显著增加。在最终电子产品
中
禁止含铅的应用场合，这种高铅合金也已经
被无铅合金所取代。
由一个插座供应商研发的SMT SC端子设计，改
善了其组装在印制板上焊点的良率以及面阵列
插座端子的可靠性。这种端子是带有焊料成分
的金属冲压插针，焊料成分取自于无铅或锡铅
合金材料。焊料成分本身超出端子的末端。随
着焊料的融化，可焊器件整体朝着PCB下降并
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