【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第49页

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 …

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

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

ccc

bbb

IPC-7095c-4-30

图4-30建⽴BGA共⾯度要求

ddd

eee

b nX

IPC-7095c-4-31

图4-31 焊球触点位置公差

2013年1月 IPC-7095C-C

4.8.5 湿度敏感度（烘烤、贮存、操作、再烘

烤）J-STD-020和J-STD-033规定了湿度敏感要

求。J-STD-033提供了关于潮湿敏感元器件操作

的信息。

元器件湿敏性可分成如表4-10所示的八种级别。

这些分级定义了元器件从密封包装袋取出之后

可以存放在生产车间的时间。暴露在周围空气

中超过规定的时间的元器件，使用之前必须再

烘干，以排出过多已吸收的湿气。

许多BGA为湿度敏感器件；特别要小心载带球

栅阵列（TBGA）和倒装

芯片密节距球栅阵列元

器件（FBGA）。陶瓷BGA/CGA通常对湿气不敏

感。J-STD-020限制了允许封装吸收湿气的时

间，但建议BGA至少满足等级3的规范。站在制

造操作的角度，特别不想要湿敏等级5和等级6

的器件，因为它们需要额外的车间和元器件处

理的管控。对于湿敏等级6的器件，必须备有烘

烤炉。取决于封装的厚度

和尺寸，烘除需要在

125°C的环境下进行4至48小时或在 40°C环境

下进行5至68天。为了将湿气从BGA元器件里排

出，应该建立一个推荐的烘烤周期。需要注意

的是无铅焊料需要较高的再流温度，这需要一

个更严格的除湿烘烤周期。

4.8.6 运输媒介（载带、托盘、管）同所有

表面贴装元器件一样，BGA器件应采用满足适

当标准或规范的静电

放电（ESD）材料予以包

装。由于许多BGA为湿敏类型，BGA器件应该用

JEDEC承认的、能耐受多个烘烤循环的矩阵托

盘包装。对于不同等级的湿度敏感器件，要求

的烘烤温度和时间见4.8.5节。

为了组装周转更快，优先采购卷带包装形式的

大批量元件，如SRAM和DRAM器件。元器件大

小和湿度敏感问题使得卷带包装不适用于某些

BGA。宽达56mm卷带是可

用的，且应至少提供

200mm的卷带“料头”。烘烤卷带中的元件要小

心，因为这类包装的烘烤温度通常受限制而比

矩阵托盘的烘烤温度要低。

4.8.7 焊球合⾦随着BGA元件编号的变化，

元器件制造商应建立一种方法以清楚识别BGA

焊球采用的焊料合金的金相。J-STD-609提供了

一种方便的方法来识别BGA焊球合金。客户

可

能会通过使用诸如X-射线荧光（XRF）的筛选

方法来验证BGA合金。

5 印制板及其它安装结构

印制板（PBs）和其它类似类型的互连平台作为

BGA和其它元器件的安装结构。有多种多样的

安装结构可实现各种互连基板要求。这些结构

使用了广泛的材料：既有有机的也有无机的，

它们具有宽泛的物理性质。材料的选择通常是

基于成品价格/性能的需求。

5.1 安装结构类型以下是对一些较

常用的安

装结构基板的评估。

5.1.1 有机树脂系统有机基板最常用于构建

电子互连结构。有机类基板在全球范围内已建

立起完善的生产基地。庞大生产基地的结果使

得在各种竞争性技术中采用此结构的有机材料

的成本最低。有机材料具有内在的良好电气性

能，最显著的是其相对低的介电常数，通过选

择树脂和增强材料，其值会更低。通常用玻璃

布来

增强刚性有机基板，挠性基板通常无需增

强。

5.1.2 ⽆机结构无机基板是有机基板的替代

品，它们通常为由烧结金属氧化物构成的耐火

材料。尽管它们通常很脆，但是它们拥有一些

有机材料不具备的显著优点。

优点中首要的是出色的热性能。如同有机基材，

它们也有许多材料可供选择：陶瓷、硅片和陶

瓷金属。这些材料比有机基材表现

有更好的介

电性能。由于很脆，所以一般很容易破碎。由

于无机材料供应基地更有限，所以这些材质一

般都比较贵。

表4-10 潮湿敏感等级和车间寿命

等级

当⼯⼚环境≤30°C/60%RH或规定条件

下的车间寿命（从包装袋取出）

1 当≤30°C /85% RH时，无限制

21年

2a 4周

3 168小时

472小时

548小时

5a 24小时

6 使用前强制烘烤。烘烤后，必须在标签注明的时限

内完成再流焊

IPC-7095C-C 2013年1月