【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第28页
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…
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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与焊点重合，而之前该器件距离PCB较远。同
时当插座下压时焊接部分的可伸缩头会变形，
这样可以补偿共面问题。同样地，端子尾部的
伸出部分也会在下压时通过焊膏以补偿共面问
题。在再流焊过程中，SMT SC焊料会覆盖冲压
端子并粘附于印制电路板的连接盘之上，形成
喇叭形焊料填充。此填充的确切形状是由连接
盘和SMT SC端 子可湿 润 表面的大小/形状 所
决定的。这些端子可
湿润表面受制于激光烧蚀
区，它会阻止不需要的润湿，使熔融的焊料不
再沿端子往上爬。
Pillar端子（PILR）适用于极密节距、芯片级封
装，它在封装连接盘上表现出细小实心铜触点
的特征。这项设计可以实现阵列以更细的连接
节距布局，从而提供了极大的潜能以提高I/O密
度和电路的布线效率。除此之外，μPILR端子
克
服了许多球状端子现有的限制。这些包括极小
的触点间隙（小于0.3mm是可能的）、极小的封
装外形、增强了电性能和热性能以及坚固性、
可 展现出的优 秀 的 物 理 冲击和振动可靠性结
果。图4-1展示了当下可用的多种面阵列端子设
计。
4.1.2 BGA封装驱动因素 电子系统强 调更
快、更小、更轻使得元器件、印制板以及系统
封装变得更加复杂。组装复杂度增加的部
分原
因是由于小外形表面贴封装的广泛使用，这是
电子产品小型化的关键。器件触点节距也对制造
工艺的复杂性有着重要的影响。比如，随着采
用越来越小的触点节距，各组装工序如贴片、
焊膏印刷以及再流焊所需的工艺精度会越来越
高，检验、返工以及维修也需要越来越精确。
在选择BGA器件封装时，需解决的关键问题是
热性能和电性能、基板空间的限制以及成本。
不同类型系统的元器件封
装要求也不相同。举
例来说，高端微处理器运行频率较高，因此需要
热性能和电性能优异的封装。加强散热的方法
有：散热块、散热片、散热槽、肋片风扇（安装
在散热片上的风扇）等等。加强电性能的例子
有：多层和较高引脚数封装，封装内置电容。
气密性陶瓷封装通常采用封装内置电容。对于
中端系统而言，性能和成本都是重要的（并不
是说成本对于高端系统不
重要）。
4.1.3 成本问题 引线框封装集成电路一直保
持着比较低的制造成本。这是因为大量产品采用
有限的封装结构，这使得制造商可以利用通用
的模具和成型工艺来应对多样的客户应用。另
一方面，阵列封装的形式更多设计在一些特定
的产品应用。对引线数少于200的BGA器件进行
封装的初始成本就很有可能超过引线框封装，
造成成本上升的部分原因在于其独特的单
体基
板应用设计以及额外的封装组装工艺步骤。在I/
O数为200及以上时，引线框架封装集成电路和
球栅阵列封装的成本通常是持平的。
4.1.4 元器件操作 BGA载体可使用托盘或卷
带进行包装。EIA(美国电子工业联合会)标准中
的卷带包装形式通常规定在集成电路元器件相
对较小或者需求产量较大时使用。JEDEC注册过
的托盘载体需 要满足业界开发的设计指南（见
JEDEC 95号出版物，章节4.9和4.10）所要求的
固
定长 度、宽度和厚度。塑封集成电路，包括
BGA，容易受潮而在再流焊接过程中引起封装
失效。为了使器件不过度与湿气接触或暴露于
湿气中，装有BGA的托盘需要放置于密封的抽
真空ESD防潮袋内（同时在板级组装前应该保
持密封状态（见4.8.5））。
建议用户对塑封BGA规定以托盘形式而非卷带
形式包装。放置的托盘可适应受潮时潜在的
烘
烤需求。举例来说，如果塑封BGA封装暴露于
周边环境中的时间超过其现场寿命，它们可能
需要在组装之前进行烘烤。用于烘烤的塑料托
盘能承受125°C的额定温度。另一方面，为不损
坏载带，卷带材料不能暴露在超过50°C的环境
下，因此烘烤以卷带形式放置的湿敏BGA可能
需要花费很多天的时间。
4.1.5 热性能 加强散热性能对于处理速度越
来越快的微处理器来说是
必要的。随着新一代
微处理器的导入，功耗持续上升。由于器件的时
钟速度增加，所需的功率也随之上升。幸运的
是，当代半导体工艺使电阻尺寸缩小而使“芯
片收缩”成为可能，加之有趋势使电源电压降
低，较高的功耗问题得以减轻（随着器件尺寸
的缩小场强会增加，促使降低供电电压以避免
损坏）。由于比塑料封装的导热性好，陶瓷BGA
通常用于高功率封装。然而塑料封装在此方面
2013年1月 IPC-7095C-C
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