【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第38页
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 …
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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艺之后，通常会在陶瓷中介基板和有机印制电
路板之间加入环氧树脂基底部填充材料。
4.4.4 陶瓷柱栅阵列 图4-10所示为典型柱状焊料
触点，通常用于大型陶瓷封装（32mm至45mm）。
这种封装与早期的针栅阵列类似但是触点节距
较小且引线也更为脆弱（柱状）。柱状触点的直
径大约为0.5mm,长度为1.25mm至2.0mm。柱状
引脚可通过共晶焊料（Sn63Pb37）连接到封装
或者用90%铅和10%锡的焊料铸造定位到封装。
较长的柱状引脚通常能吸收陶瓷封装和印制板
之间大量热膨胀不匹配从而提高焊点可靠性。
另一方面，较长的柱子可能会减弱电气性能并
增加总体封装高度轮廓。焊料柱不如焊球触点
牢固，操作时容易损坏。
4.4.5 载带球栅阵列 图4-11所示的载带（聚酰
亚胺膜）BGA可提供总体外形更低的封装。低
电介质
聚酰亚胺膜可提供一层或两层金属层以
便封装内电路的高密度布线。
对于图示典型的聚酰亚胺中介基板BGA，热膨
胀系数的不匹配并不是个问题，因为芯片连接粘
合剂和基板伸缩性会吸收封装结构中的应力。
载带BGA可用于倒装芯片、金属线键合或者引线
键合以实现芯片与基板的互连。单金属层载带
基板通常用于低成本和低引线数封装应用，双
金属层载带用于高引线数或性能驱动的应用。
例如，附加的铜层
能提供有效的接地回路以显
著降低电感量和开关噪声效应。接地层效应会
影响噪音降低的程度，而接地层内电流阱的数
量也会影响电感量的水平。图4-12中比较的双金
属层基板，不仅可提供较好的电气性能，也可
以显著改善封装内部电路布线能力。
单金属层材料的电路布线限制在焊球连接位置
之间狭窄的 介电间隙内。随着触点节距缩小至
0.5mm，触点外形之间的间距会减至75μm
，可
图4-10陶瓷基的柱栅阵列(CCGA)封装
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图4-11 聚酰亚胺薄膜基引线键合μBGA封装基板，提
供芯⽚焊盘与焊球触点之间的强耦合
边缘加固
焊球
密封材料
硅片
聚酰亚胺薄膜
镀金铜带
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