【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第37页
对安装在 FR-4 板 上的 陶瓷封 装的 传统焊 球和 聚 合 物 芯焊 球 两 者 进 行 温 度 循环 试 验， 并 获 得了 数 据 ，同时 也 进 行 了电气 模 拟 以 比较 聚 合 物 芯焊 球和 传统焊 球。图 4-6 展 示了 这 一工艺的 概 念 。 层压板基 BGA 和 聚酰亚胺 膜基 BGA 是 完 全 不 相 同。 层压板基 的 封 装 基 本上 是由 高 等 级 T g 的电 路 板 材料 制 成。 BGA …
认识到如果半导体能够各自进行预封装并在装
联之前进行测试，复杂的混装技术能以较高的
良率和更为经济的方式进行生产。PoP应用最常
见的解决方案是利用围绕现有的JEDEC FBGA标
准阵列封装格式设计的封装分标准（见图4-5）。
因 为单个封 装 体 在 叠装 前 都 进 行过完整的测
试，所以预封装芯片叠加的风险较小。
决定是否在PCBA级组装
前或组装中进行封装叠
装，可能会受 到 制 程中配 置 灵活性需要的影
响。举例来说，底部封装的供应商为“A”，叠加
封装的存储器则可分别由供应商“B”、“C”或
“D”提供。毕竟，存储器功能可以从更多的来
源获得，且存储器测试也是有些专业的。此外，
承担的 整体质量和可靠性的 担忧可以有所
减
轻。逻辑器件供应商负责逻辑运算功能，存储
器件制造商负责各自的存储器功能，板组装厂
仅需负责这两者的表面贴装连接。这种供替代
的选择有两个好处，它使用户可以指定多种变
化（不同的存储器功能、数据传输速率等等）
以及可选择第二供应商。
4.3.6 共⾯度 表面贴封装的一个关键问题是
触点共面度的局限。BGA封装与其它引线框封
装的表面贴元器件的共面度要求有很大不同。
任何BGA的共面度是指元器件触点面高出底座
面的距离。因此简而言之非共面度就是当封装
放置在完全平坦的平面时，最高触点与最低触
点间的最大距离。该定义表示座落在印制板上
的一个封装至少有三个位置与印制板接触。
共面度公差定义了封装最高点到底座面的距
离。此尺寸包括间隙高度、封装本体厚度和盖
子厚度（若有）。测量时不包括附属物如散热片
或其它元器件，但是集成的散热块不被认为是
附属物。如果封装刚好是层压板基BGA，由于
有要适应较大基板并在公差内维持平面性相关
的问题, 预期会带来额外的共面度问题。这就是
为什么塑封BGA封装的共面度要求是150μm的
部分原因。大多数供应商所希望的BGA共面度
的适用值大
约为200μm，但是用户则希望最大值
不要超过100μm（见4.6.2.6和4.8.4）不同种类的
BGA有不同的共面度要求。表4-6中提供了已在
JEDEC注册过的BGA外形的示例。
由于焊球金相结构不同，共面度的数值会随着
JEDEC外形的不同而变化。在低温条件下共晶
（熔点为183°C）焊球会在组装过程中会塌陷，
因此 它的共面度要求不会像高熔焊球（熔点为
302°C）那样严
格，因为它们在组装过程中不会
塌陷。
4.4 关于元器件封装形式的考虑 JEDEC关于
BGA的设计指南中没有定义特定的材料和组装
方法。针对不同的应用，各供应商会使用不同
的基材。基底结构最可能是增强 型 有 机层压
板，或为非增强型聚酰亚胺膜或陶瓷。以陶瓷
为基材的BGA封装通常由熔点为302°C的高温焊
料（90%铅，10%锡）制成的非塌陷焊球组成。
焊球尺寸随着焊球节距
和封装大小而变化。较
大的封装通常会需要较大的焊球尺寸以提高其
可靠性。由于陶瓷封装相对比较平整且焊球直
径的公差非常小，共面度要求也相对严格。陶
瓷材质封装的供应商通常会对板级组装选择适
用的焊膏成分提供建议。
为了研发新的连接方法，在上世纪90年代，一
项使用聚合物涂层焊球作为互连介质的专利得
以完成。
金属球是导电的，可用铜、银、金、
焊料等制成并在之后镀上一层导电聚合物。涂
覆方法取决于焊球制造商，且按应用所需涂层
可能有不同厚度。开发这种新式的互连方法是
为了解决由于陶瓷中介基板和有机印制板之间
CTE（热膨胀系数）不同而引发的问题。已发
表有一些技术论文讨论关于界面发热以及导电
聚合物如何连接中介基板和印制板的连接盘。
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图4-5 关于叠装封装器件的JEDEC标准结构
来源：JEDEC出版物 95-4.22
e
= 0.65 mm
0.50 mm
e
=
0.65 mm
0.80 mm
0.50 mm
表4-6 JEDEC已登记的BGA外形⽰例
登记外形 封装类型 共⾯度
MO-151 塑封BGA 0.20mm
MO-156/MO-157 陶瓷BGA 0.15mm
MO-195 密节距BGA 0.08mm
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对安装在FR-4板上的陶瓷封装的传统焊球和聚
合物芯焊球两者进行温度循环试验，并获得了数
据，同时也进行了电气模拟以比较聚合物芯焊
球和传统焊球。图4-6展示了这一工艺的概念。
层压板基BGA和聚酰亚胺膜基BGA是完全不相
同。层压板基的封装基本上是由高等级T
g
的电
路板材料制成。BGA封装应用中被一些公司采
用的高等级 T
g
树脂系统是双马来酰亚胺三嗪
（BT）。增强聚酰亚胺以及聚酰亚胺膜有更高的
温度额定值并在BGA和FBGA中也被广泛使用。
4.4.1 焊球合⾦ 焊球成分由总体印制电路组
装工艺（如锡铅或无铅）以及封装类型（如陶
瓷或层压基板）决定。增强层压板和聚酰亚胺
膜基BGA封装上选择的焊球触点合金成分差异
会很大。许多配置的是具有183°C（或对于含银
2%的共
晶焊料，179°C）熔点（液相线）的锡/
铅共晶焊料。通常 仅需使用助焊剂然后在温度
215°C-220°C下再流完成连接工艺以将焊球触点
施加到封装基板上。
4.4.1.1 锡/铅技术合⾦ 尽管没有在大多数商
业应用中广泛使用，锡/铅合金可适用于焊球及
焊接材料。一种常见的合金组成为Sn63Pb37共
晶合金，液相线温度为183°C。共晶含银合金成
分Sn63Pn36Ag2，液相线温度为179°C
，是共晶
Sn63Pb37的可接受的替代选择。当使用锡/铅技
术时，陶瓷BGA通常使用Sn10Pb90高铅合金，
以提供所需的焊点可靠性，这种合金在锡/铅再
流焊工艺期间不会熔化。用共晶Sn63Pb37与印
制电路板相连时可提供可靠的互连。
4.4.1.2 ⽆铅技术合⾦ 符合RoHS指令（关于在
电子电器设备中限制使用某些有害物质），对 于
焊球触点和封装连接基板，电气及电子组件和电
子
元器件的生产厂商必须使用无铅材料。尽管有
许多无铅合金可供使用，大多数制造商使用了将
锡作为主要成分的锡银合金或锡银铜合金。典
型的无铅合金的成分组成包括Sn96.5Ag3.0Cu0.5
(SAC305)，Sn95.5Ag3.8Cu0.7(SAC387)和Sn95.5
Ag4.0Cu0.5(SAC405)。这些焊料的液相线温度在
217-227°C的范围之内，需要的再流峰值温度范
围为240-260°C（取决于要加工组件的总质量）。
取决于具体合金规定的成分，焊球液相点的变
化范围可以达到10°C。（见表4-7）
在锡银铜系统中，也建议加入其它的合金元素；
然而这些添加物会影响焊料过冷度、各种金属间
化合物的构成以及不常见晶格性质和微结构变
化。在使用新合金到BGA以及将新合金的BGA
用于组装时必须要特别注意。除了锡银铜系统，
含有铋、铟、锑或锌等元素的合金系统也已被
研发出来。每个系统
冶金基础不相同，从而决
定了相应的物理性质和机械特性并影响了组装
工艺参数和焊点可靠性。
4.4.2 焊球连接⼯艺 封装基板通常会被制成
包含多个封装的长条状（见图4-7）。焊球置放
在金属线键合和塑封或压模工艺之后进行，对
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图4-6 聚合物包覆球互联
铜焊盘
阻焊层
封装基板
互联层基板铜焊盘
聚合物芯
焊料
表4-7 ⽆铅合⾦变化
成分 合⾦ 液相温度 再流温度
Sn96.5/Ag3.5 锡/银 221°C 240-250°C
Sn99.3/Cu0.7 锡/铜 227°C 245-255°C
Sn93.6/Ag4.
7/Cu1.7
锡/银/铜* 216°C 237-247°C
Sn95/Ag4.0/
Cu1
锡/银/铜* 218°C 238-248°C
Sn96.5/Ag3.
0/Cu0.5
锡/银/铜* 218°C 238-248°C
Sn95.5/Ag4.
0/Cu0.5
锡/银/铜 218°C 238-248°C
Sn95.5/Ag3.
8/Cu0.7
锡/银/铜 218°C 238-248°C
Sn96.3/Ag3.
2/Cu0.5
锡/银/铜 218°C 238-248°C
Sn95.75/Ag3.
5/Cu0.75
锡/银/铜＊ 218°C 238-248°C
*可能受专利保护
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于批量BGA组装，会利用自动或者半自动置球
方式。所需尺寸的合金球体（见表4-1）可以通
过成组的贴片机－采用自动化系统逐个放置，
或采用一个类似模板的夹具进行成批放置并连
接。对于研发用或者仅需小批量置球时，可以
使用简单的模板夹具来对焊球精确定位，但是
所有焊球的连接工艺都是一样的。在开始阶段
先将液态或者“粘性”焊膏助焊剂涂敷或印
刷
在触点图形上，再流焊期间助焊剂保持焊球定
位。焊球再流焊接到基板上通常在氮气环境中
进行。氮气环境可以保证焊球一致的质量同时
避免其表面在再流焊过程中被氧化。然而，封
装与PCB再流焊连接时没有必要使用氮气。共
晶焊球可以提供“可控塌陷”，从而在再流焊过
程中提升自对准能力（弥补在组装过程中的一
些偏移）。
在使用塑封BGA时需要考虑一些
问题。首先是
湿敏问题。在返工过程中，要被拆除和替换的
元器件周边的湿敏元器件必须事先进行烘烤和
／或避免它们在返工活动中受热。如果塑封BGA
需要重复使用，那么在封装从印制板组件上被
取下之后需要特别小心进行BGA的重新植球。
对于陶瓷基BGA所用的高熔点非塌陷焊球，湿
敏问题并非如此；焊球在返工过程中也不会融
化。
当暴露于焊料连接所
需的温度时，塑封BGA封
装也容易翘曲。在再流焊焊接过程中，封装边
缘会上翘或者向下弯曲，进而严重地影响封装
和印制板的电气连接界面。大封装比小封装更
容易翘曲。封装翘曲是由基板结构、模封材料
和内置硅芯片的热膨胀系数不匹配造成的。当
芯片尺寸较大或BGA有散热片时，这种问题可
能会更严峻。
4.4.3 陶瓷BGA 陶瓷封装的内部连接方式可以
是导线键合或芯片倒
装。图4-8表示封装内部的倒
装芯片键合。封装配置的芯片可安装在基板的上
表面（腔体朝上）或基板的下表面（腔体朝下）。
图4-9所示的典型陶瓷封装所用的焊球，是一种
熔点为302°C的高 温 合金（90%铅和10%锡）。然
而，焊球连接合金可以是共晶焊料（Sn63Pb37）。
尽管聚合物灌封或包覆成型被广泛应用于芯片
区域，一些陶瓷基BGA封装的器件是
密封的（不
会吸收湿气）。由于这些产品的焊球的熔点通常
较高，所以在返工时不会塌陷。陶瓷BGA的缺点
在于其高热容量，这与塑封集成电路有些许不
同，使得在开发再流焊温度曲线时的更困难。
由于陶瓷封装和电路板之间热膨胀系数的不匹
配，焊点需要进行物理加固。在焊接和清洁工
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图4-7 塑料球栅阵列（BGA）封装
芯片
封装基板
封装基板
金属线键合
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图4-8 热增强型陶瓷球栅阵列（CBGA）封装横截⾯
金属合金散热片
热界面材料
倒装芯片安装的半导体芯片
陶瓷氧化铝基板
焊球
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图4-9聚合物模压包封的陶瓷球栅阵列（CBGA）
密封材料
焊球（无铅）
陶瓷基板（双面）
键合金属线
芯片
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