【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第48页
持 热平衡 以 避免 温 度变 化 期 间 过度 翘 曲 。 陶瓷基 BGA 的 散热 可通 过热 膨胀 系数 与 氧 化 铝 基板 材 料 匹配 的 高传导性 的 铜 - 钨 合金 材料 替 代 传导性 低 的 氧 化 铝 基陶瓷 材料来实 现 。 4.8 BGA 封装的接 收 标准和 运输 ⽅ 式 关 于 BGA 封 装接 收 标准 存 在一 些 问题 。 这些 包 括 在 鉴 定 或制造过 程中 需 要有的工艺 控 制 方 法 ，…
技术时，必须要考虑较低的介电常数（Dk）和
损耗因子（Df）：
较低介电常数（Dk）的优点包括：
• 更快的导体信号速度
• 相同的导体形状，更薄的信号连接线。
低损耗因子（Df）的优点包括：
• 高频信号完整性得到改善
• 高频下较少的信号损失
表4-9列出了制造BGA基板时使用的一些材料的
不同特性。
4.6.2.5 吸湿性 应密切关注用于
BGA构造材料
的吸湿性。理想材料不会截留任何湿气，从封装
的角度而言，应关注层压板基材会截留湿气这
一事实。截留的湿气在组装过程中会膨胀和剧
烈排出，导致局部分层、降低封装的可靠性。
4.6.2.6 平⾯度要求 必须维持BGA基板的平面
度要求，以确保封装组装后不会出现过度翘曲
和拱曲。出现这种情况会使测试和下一级组装
产生困难。芯片一旦
连接后，封装组装工艺可
能会改善一些负面影响，尤其是当芯片相对于
封装外形尺寸较大时。对于BGA封装，推荐的
平面度标准为不超过0.3%。
4.7 BGA封装设计考量 除了芯片设计规则，
基板设计人员必须要理解热和电气性能问题。
BGA封装设计人员也必要考虑可制造方面的问
题：基板制造、第一和第二级组装良率以及成
品封装可靠性。
4.7.1 电源和接地层 必须要事先策划封装内
电源和接地分布。对于一些
高速电路应用，整
个电路层需用于电源和接地分布。当需要受控
阻抗传输线时，也会使用接地和电压层。此外，
静音接地需要与所有存在开关动作而产生的噪
音接地分开。某些应用场合下，芯片各部分需
要若干个不同电压的电源。这些层需要在BGA
封装基板上均匀分布以使元器件翘曲最小化。
对于需要有稳定电源或接地层的应用，需要的
基板层数至少为四层。与双层封装相比，四
层
基板有较低的热阻抗和较高的功率耗散。对散
热加强型BGA，内部装有铜制散热片，散热片
通常可作为接地平面，通过通孔到散热片连接
接地线，散热片变成有源载流接地平面。
4.7.2 信号完整性 有三种主要的BGA封装设
计考量会影响信号的完整性：
1. 特性阻抗传输线中的不连续导致的反射。
2. 由动态线和静态线之间的耦合噪声产生的相
邻线路之间的
串扰。
3. 由多路输出同时开关而产生的开关噪声，通
常被称为ΔI噪声或SSO噪声。多路同步开关
输出（SSOS）需要电源和电源线间有一个较
低的等效电感（Leff）:
ΔI oise = L
eff
di
dt
in millivolts
BGA封装的有效电感取决于与芯片上电源和接
地焊盘相关的电源和接地引脚的数量和布置，
通过对电源和接地引脚适当分配和借助于商用
信号完整性分析工具，Leff和ΔI可以最小化。
4.7.3 封装内置散热⽚ 当芯片功率超过封装
基板所支持的最大功耗消散能力时，可在封装
内部安装散热片。由于大多数层压板材料的导
热率较低，集成电路产生的热量通过铜导体、
镀覆通孔和焊球散出。通
过在芯片安装区域下
面配置一个铜平面或铜区域，散热片会被整合
到封装中。封装设计时很重要的是要尽可能维
表4-9 BGA封装基材常⽤介电材料的典型性质
性质
材料
⾼性能环氧树脂
双马来酰亚胺三嗪/
环氧树脂 聚亚酰胺 氰酸脂树脂
介电常数（纯树脂） 3.4 2.9 3.5 – 3.7 2.8
电气强度(x 103 V/mm) [x 106 V/in] 70.9 [1.8] 47.2 [1.2] 70.9 [1.8] 65.0 [1.65]
体积电阻率(x 106 D-cm) 4.9 4.0 2.1 1.0
吸水性(wt%) 0.3 1.3 1.3 0.8
损耗因子 0.012 0.015 0.01 0.004
注：也可参考表5-1
2013年1月 IPC-7095C-C
33
持热平衡以避免温度变化期间过度翘曲。陶瓷基
BGA的散热可通过热膨胀系数与氧化铝基板材
料匹配的高传导性的铜-钨合金材料替代传导性
低的氧化铝基陶瓷材料来实现。
4.8 BGA封装的接收标准和运输⽅式 关于BGA
封装接收标准存在一些问题。这些包括在鉴定
或制造过程中需要有的工艺控制方法，其中常
用抽样计划来定义产品的不合格水平。主要问
题有：
• 焊球缺失（4.8.1）
• 焊球中空洞（4.8.2）
• 焊球连接完整性（4.8.3）
• 封装与焊球共面度（4.8.4）
• 湿度敏感度（4.8.5）
• 运输介质（4.8.6）
• 焊球合金（含铅vs无铅）（4.8.7）
• 焊球尺寸与形状
• 模块平面度/封装弓曲
• 污染的存在
• 分层CSAM（C模式扫描声学显微镜）
4.8.1 焊球缺失 当BGA进料时，焊球触点的
缺失或损坏是不可接受的。图4-27提
供了BGA
封装中的焊球缺失的示例。
4.8.2 焊球空洞 焊球中的空洞应基于进料验
收标准或组装后焊点验收标准。焊球在组装前
还是在组装后出现空洞是有根本区别的。
典型的如图4-28所示的空洞在板级组装过程中可
能也可能不会消失。在进料检验时发现有焊球空
洞说明焊球中的焊料量已减少，这会使焊球塌
陷后间隙高度较低，进而可能会降低可靠性。
对于在组装后检验发现的空
洞，如果空洞过大
是由于焊料横截面和／或与中介基板和产品印
制板两者的连接面积减小而导致的，这样的焊
点可靠性可能会受到损害。因此有必要建立空洞
的可接受水平，以便产品能满足客户的期望，拥
有有效的工作寿命以及满足产品可靠性要求。
4.8.3 焊球连接完整性 BGA封装成功依赖的
因素之一为可靠的焊球连接。焊球连接需要在
可接受尺寸公
差内，连接后它们的高度和宽度需
在规定和/或可接受界限内。最重要的是焊球与
基板上的连接盘之间要形成适当的金相结合。
所有焊球需要有能保证润湿以达到最佳连接的
温度曲线。如果焊点不润湿，焊球就无法获得适
当的连接也不能保证必需的机械和电气互连。
这样的焊球会在运输和搬运时会脱落，或者在
电气测试时会出现失效或间歇性失效。图
4-29显
示了焊球和连接盘表面。左图为焊球的平整底
部，右图为认为已连接焊球的FBGA上的焊盘。
如果连接工艺温 度 不 足以形 成 适当的金相结
合，此时由于焊球和焊盘之间仅靠机械粘接维
系，所以只需要很小的力就可以将焊球从焊盘
剥离。
焊球连接完整性可通过焊球剪切来评估。人工
和自动剪切和剪切力记录仪可用于此目的。对
于剪切测试，剪切力的大小和
失效模式都同样
重要。焊接界面的失效，表明焊点从BGA树脂
图4-27 BGA器件焊球缺失⽰例
图4-28 来料检验时在共晶焊球中的空洞⽰例
IPC-7095C-C 2013年1月
34
基材或PCB连接盘处撕开，是湿润良好的积极
信号。对于良好的连接，不应有任何未被湿润
的区域。
4.8.4 封装和焊球共⾯度 封装共面度是下列
因素共同作用的结果：
1. 封装厚度、节距和散热要求
2. 基板设计、材料和制造工艺
3. 器件（芯片）数量-尺寸和厚度
4. 无源元件数量-尺寸和厚度
5. 组装材料和制造工艺
一般室温下规定的共面度不
总能保证该元器件
在SMT时形成良好的焊点。无论室温共面度怎
样，再流焊接过程中的封装行为（动态翘曲）
会导致与焊料接触或好或坏。封装的动态翘曲
取决于封装CTE（封装尺寸、芯片尺寸、封装
材料）。动态翘曲的标志可通过阴影叠纹技术来
描述，并应满足翘曲再流焊规范。
封装最终共面度是在本节开头提及的因素非常
复杂组合的结果。因素
1和因素2对于封装共面
度的影响占很大百分比（达70%）。焊球的使用
类型决定了封装成品组装至电路板期间，封装
总体共面度的可接受程度。塌陷式共晶焊料和
锡合金基焊球是最普遍的，因为它们可以弥补
较大的封装不共面的问题。
JEDEC设计指南目前以其最大直径来定义焊球
触点直径（b），如用平行于底座面即基准面
C的
平面量测。图4-30所示的细节定义了控制共面度
（ccc）的轮廓公差带以及封装顶表面（bbb）和
底座面（基准面C）之间的平行度限值。
封装的高度是从封装上表面到封装底座面（这
里是焊球与主印制板安装接触面）量测到的距
离。封 装的上表面保 持与底座面 平行是重要
的，因为它要适应元器件测试、检验和组装等
操作。平行度的双边公差带（bbb）参考封装表
面相对于基准C（底座
面）的平行度。
4.8.4.1 FBGA共⾯度⽰例 随着焊球直径增加，
共面度公差极限变化很小。下面显示的是按焊
球尺寸的可控共面度（ccc）：
焊球0.30mm，共面度(ccc)0.08mm
焊球0.40mm，共面度(ccc)0.10mm
焊球0.50mm，共面度(ccc)0.12mm
单向轮廓公差带（ccc）由底座面向上延伸，焊
球触点的最低点必须要在公差
带内。每个焊球
都有一个与其直径“b”相关的公差带，它通过
基准面A和B准确定位并与基准C垂直。每个焊
球中心必须位于公差带内。焊球触点的位置公
差通过关于封装轮廓基准A、B和C来定义，如图
4-31所示。
与焊球直径（b），基本节距的间距（e）相关的
公差带阵列控制了
焊球的位置。设计指南允许阵
列关于公差带“ddd”上下浮动；然而，焊球中
心必须同时位于两个公差带内。关于BGA测量的
更多细节，可见JEDEC JEP95，第4.17章（BGA
测量和方法）。
图4-29焊球/连接盘表⾯焊接状况⽰例
焊球的平整底部 应该已被连接焊球的FBGA上的焊盘
nX
ccc
C
bbb
C
C
A1
IPC-7095c-4-30
图4-30建⽴BGA共⾯度要求
A
B
C
C
ddd
eee
M
M
b nX
IPC-7095c-4-31
图4-31 焊球触点位置公差
2013年1月 IPC-7095C-C
35