【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第90页
要达到此 比 值 ， 采用 套 印或比 连接 盘 大的开 孔 是 必 要的。特 别 是 对 于较细节距 的 BGA ， 模板 开 孔 通 常 为 1 : 1 或略小于 连接 盘 以 达到 密封 效果 。 如果当 需 要 模板 开 孔比 连接 盘 大时，为了达到 理 想 的面 积比 以 实 现更好 的 焊膏 释 放 ，在 每 次 印 刷 之 后 的 模板 清 洗 是 必须 的。 较 大的开 孔 会 导 致 焊膏 泄 漏 至 模板底 部， …
焊性。在再流过程中由于多种原因形成的锡珠
通常是可靠性所关心的问题，特别是包含有密
节距器件时。溶剂对于控制焊膏的粘性有重要
的作用，并且会影响流变性质。BGA焊点中空
洞的形成与焊膏中的溶剂有关。低沸点的溶剂
和/或不正常的再流参数会使BGA焊点中空洞的
发生率增加。
为了细节距BGA的成功印刷，焊膏必须能透过
模板上极小的开孔。焊膏需
要在一定的时间内
保持可印刷性和粘性，同时必须在再流焊之前
或期间保持印刷的清晰度。焊膏粘度、颗粒大
小和模板寿命是施加焊膏时的关键参数。
7.1.1.1 颗粒尺⼨和焊膏选择 市面上的焊膏种
类繁多，应根据印刷特性、助焊剂种类和密节
距焊料颗粒尺寸（除了别的之外）选取焊膏。
印刷特性包括印刷良好，可提供良好的印
刷清晰
度且不易塌陷。焊膏中的助焊剂应该有足够的
活性并能表现良好的润湿性和再流特性，且如
果使用免清洗助焊剂，应与清洗工艺或表面电
阻要求相兼容。颗粒的直径不应超过开口宽度
除以4.2的商。这个结论是由实验经验得出的。
当违反这条规定时，会影响焊膏释放和印刷清
晰度。
焊料颗粒尺寸可按照J-STD-005进行分类（
见表
7-1）。
颗粒尺寸分布会影响焊膏的粘度和可印刷性。
类型3焊膏是最常被使用的，且适用于大部分印
刷用途。极密节距CSP应用可能需要使用类型4
焊膏。在改为类型4焊粉时应该小心，因为由于
颗粒表面积的增加从而增加了焊料颗粒氧化的
可能，使得其可焊性一般会降低。当使用类型4
焊粉时，再流焊炉中充入氮气是有必要的。
7.1.1.2 模板
厚度和开孔设计 对于所有元器件来
说，随着元件节距减小通常有必要减小模板厚
度。对于节距范围在1.5mm至1.0mm的BGA元器
件来说，模板厚度的变化范围为0.15mm[0.006
in] 至 0.18mm[0.007in]。对于芯片尺寸封装
（CSP）或节距小于等 于 0.80mm 的 细节距
BGA，其模板厚度的推荐范围为0.1mm[0.004in]
至0.15mm[0.006in]。CSP和其它密节距面阵列
封装通常并不是在印制电路组件上
唯一的元器
件，所以在选择模板厚度必须要找到平衡点。
薄型模板，对CSP印刷是最佳选择，但它可能不
能给其它元器件如节距较大的BGA提供足够的
焊膏。这会导致诸如枕头效应或降低关键ASIC
的热疲劳寿命等缺陷。
当要决定模板厚度和焊膏沉积量时，焊膏沉积
较多比沉积较少更安全，其目标为达到桥接比
开路多六倍值左右（这是个比值
，并不表示缺陷
数增加）。因为桥接很少会漏检，它们一定会在
测试中被发现（ICT或功能测试）。另一方面，
因为检测时焊点受压可能会接触，开路和间歇
性开路很容易逃过检测，但最终会导致现场失
效。所以在模板和连接盘图形设计时，目标设定
为桥接比开路更多这一简单准则是预防现场失
效性价比最好的方法。
可提供 良 好 焊膏释 放 的
模板开孔设计也很重
要。为了确保良好的焊膏释放，推荐使用的宽
厚比为1.5。宽厚比是模板开孔宽度和模板厚度
的比值。另一个常用的比值是面积比。推荐使
用大于0.66的面积比。计算面积比的公式为模板
开孔的面积除以开孔壁的面积（见图7-1）。使用
这些强烈推荐的宽厚比和面积比的模板设计背
后的理念在于
允许更多的焊膏释放和将孔壁焊
膏残留降至最低，因为孔壁焊膏会部分堵塞开
孔并减少后续板子上焊膏印刷量，导致焊点焊
接不足甚至开路。
连接盘触点面积/模板壁面积等于开孔面积/孔
壁面积 = L*W/2*(L+W)*T >0.66
LxW
2(L+W)
xT
备注：在开孔设计中宽厚比比面积比更常见，
因为当连接盘长度远大于连接盘宽度时，宽厚
比是面积比的一维简化形式。例：一个尺寸为
0.35mm的方形开孔，若开孔厚度为0.125mm，
则面积比为：
0.35x0.35
2(0.35+0.35)x0.125
=
0.1225
0.175
= 0.70
表7-1 颗粒⼤⼩对⽐
焊膏类型 ⽹⽬
最⼤颗粒⼤⼩
[μm]
类型2 -200/+325 75
类型3 -325/+500 53
类型4 -400/+500 38
类型5 -500 25
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要达到此比值，采用套印或比连接盘大的开孔是
必要的。特别是对于较细节距的BGA，模板开
孔通常为1:1或略小于连接盘以达到密封效果。
如果当需要模板开孔比连接盘大时，为了达到
理想的面积比以实现更好的焊膏释放，在每次
印刷之后的模板清洗是必须的。较大的开孔会
导致焊膏泄漏至模板底部，印刷的电路板会随
后被沾污。需要注意的是，在
设计用于CBGA、
CCGA和通孔内焊膏（PIH）工艺的模板时，模
板开孔应远大于连接盘。
带有圆形倒角的方形或矩形开孔也可提供更好
的焊膏释放和沉积量。
7.1.1.3 焊膏量的重要性 对于塑封BGA，其大
部分焊膏是由元件本身的焊球提供的，此时焊
膏量并不是那么关键。对于节距超过0.80mm的
塑封BGA（锡铅或无铅配方），模板厚度取决于
印制板组件中使用的其它类型
的元器件。焊料量
和模板厚度对于带有非塌陷铜焊球或高温（熔
点为302°C）90%铅/10%锡焊球的陶瓷BGA更为
关键。用于陶瓷BGA的焊球在通常的再流焊过
程中不会塌陷（见图7-2）。
对于需要较厚焊料量的带有非塌陷焊球（铜制
焊球或90％Pb/10％Sn球）的CBGA，可能需要
使用阶梯式模板。阶梯尺寸通常为0.04mm至0.08
mm，它
可以在电路板表面施加两种不同的焊膏
厚度。当阶梯尺寸为0.04mm时，金属刮刀可正常
使用。如果使用了阶梯模板，则阶梯线离开任何
印刷开孔的距离至少3.75mm。因为高铅含量焊
球不会塌陷，所以有充足的焊膏是很重要的。因
此除了使用阶梯式模板，模板开孔也应远比连
接盘大以满足非塌陷焊球所需的焊膏量。连接盘
和焊球
之间的焊料填充取决于焊膏量。CBGA和
CGA需要有一个最低焊膏量以实现可靠焊点。
许多供应商拥有此技术能为封装提供特定焊膏
量。表7-2展示某些陶瓷封装的焊膏使用量要求
的范例，使用了锡/铅或无铅（SAC）焊膏（见
表7-2）。
焊膏量要求对于锡/铅和无铅焊膏应该是 相 同
的。另外铜制焊球或高温90%Pb/10%Sn焊球的焊
膏量要求也是相同的，因为这两种焊球在再流
IPC-7095c-7-1-cn
图7-1 完全焊膏释放的宽厚⽐和⾯积⽐
焊料模板特征尺寸
开孔长度（L）
模板厚度（T）
开孔宽度（W）
IPC-7095c-7-2-cn
图7-2 ⾼铅和共晶焊球及其焊点对⽐
PBGA基板
PWB
62锡/36铅/2银
b)
a)
CBGA基板
PWB
共晶锡/铅90/10铅/锡球
表7-2 陶瓷阵列封装焊膏量要求⽰例
器件
节距
(mm)焊膏合⾦
焊膏体积（μm
3
）
低（最⼩） ⾼（最⼤）
CBGA/
CuBGA
1.27 锡/铅或无铅 78,660,000 163,870,000
CBGA/
CuBGA
1.00 锡/铅或无铅 40,968,000 75,380,000
CCGA/
CuCGA
1.27 锡/铅或无铅 60,632,000 124,542,000
CCGA/
CuCCGA
1.00 锡/铅或无铅 32,321,000 81,935,000
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过程中都不发生塌陷且所有焊料填充都要求通
过焊膏来满足。
有些陶瓷BGA不使用非塌陷焊球而使用在再流
焊中会发生塌陷的无铅（SAC）焊球，它对焊点
填充的贡献如同锡/铅焊球在塑封BGA中一样。
表7-2中所示数值并不适用于塑封BGA或使用可
塌陷焊球的陶瓷BGA。
为了使含有非塌陷焊球（铜或者Pb90/Sn10）的
陶瓷封装获得正确的锡膏量，需要用开孔放大
的模板套印连接盘或使用较厚的模板印刷。对
具有CBGA的电路板上的其它元器件，需要对开
孔尺寸进行修改以抵消由较厚的模板带来的影
响，或有必要时也可以使用阶梯模板。
7.1.2 元器件贴装影响 进入BGA技术阶段也
需要一些新的组装能力。取决于贴片机系统的类
型，需要对封装运载机构进行改变以将封装从矩
阵托盘转移至需要贴装的位置。基准点可帮助
视觉系统辨识BGA
连接盘图形的确切位置，这
就如同在密节距外围引脚元件中所用的一样。
取决于器件体的尺寸，卷带料上大型BGA元件
需要44mm和56mm的供料器，而最常见的BGA
供料器是JEDEC托盘。
7.1.3 贴装视觉系统 贴装精度是BGA工艺的
十分关键的部分。强烈建议在机器贴装之后不
要移动BGA，因为这可能会造成相邻焊点间的
桥接，而连接情况
不能通过肉眼观察到。贴片
机的精度很大部分取决于视觉系统和吸嘴把持
元器件的能力。视觉系统与实际应用的匹配性
也是很重要。视觉系统在贴装之前决定了元器
件的X、Y坐标和偏移角。除了决定了元器件的
偏移程度，视觉系统也可以检测元器件的尺寸
完整性和遗漏的焊球。基于CCD（电荷耦合器
件）摄像头的系统采用了两种照明方法，被称
为二进制与灰阶
。这两种方法对光亮度和对比
度的变化都是很敏感的。
灰阶系统使用前置照明，从底部照亮元器件。
表面特征会反映至CCD摄像头以供处理。二进
制系统使用背光照明，从上方照亮元器件。元
器件的轮廓被投影至CCD摄像头以供处理。二
进制成像是这两种方法中较早的一种，使用黑
白图像的差异来对特征进行定位。灰度值系统
通常可
以体现出256级对比。这两种系统都采用
一种算法来确定元器件的中心。相对于灰阶成
像，二进制成像对于计算能力的要求较低。
灰阶成像基于焊球位置进行BGA元器件贴装，
而二进制成像则根据元器件轮廓进行BGA元器
件贴装。在某些情况下，BGA外形和焊球之间的
公差很大。因为可以减少由元器件外形变化而
导致的贴装误差，灰阶成像更适合于贴装BGA
元器件。
贴片机吸嘴设计因供应商而异。选取合适的吸
嘴是很重要的，这需要有足够表面积能把持元
件同时避免在贴装过程中的偏移。吸嘴必须要
紧贴元件，不允许有真空泄漏，接触感应装置
是需要的，它有助于控制Z轴方向（垂直）的主
轴行程，因为它可防止元器件在真空吸嘴和基
板之间受到挤压。
7.1.4 再流焊及曲线 再流焊是具有许多变量
的复杂工艺。所有量产用的再流系统都包括对
流、传导和辐射等三种热传递方式，每种方式
的程度取决于再流系统的设计，所有设计都致
力 于 达成相 同的基 本 结果。再流焊包括 五个
不同的阶段，分别为：（1）焊膏中的溶剂蒸发，
（2）激活助焊剂并产生助焊活性，（3）对元器
件和印制电路板进行预热，（
4）融化焊料并发
生恰当润湿，（5）冷却已焊组件。
需要明白的是，不管再流焊采用的基本热传递概
念是什么，BGA元器件下焊球主要是通过互连基
板的热传导受热的，其说明如图7-3所示。最佳再
流焊温度曲线（温度vs.时间）包括峰值温度随
着特定封装和整个组件的不同而变化。然而，
作为一个指南，当使用SAC305焊膏对带有SAC
305焊球的BGA
封装进行焊接时，对复杂度一般
的PCBA，最小峰值温度应不低于约240°C。当
使用锡/铅共晶焊膏对带有SAC305焊球的BGA
封装进行焊接时，部分情况下的最小峰值温度可
低至大约为215°C（推荐恰当的再流温度，见表
7-3）。
在过去几年，再流焊设备变化频繁。采用了五
种设计概念：汽相、灯红外（IR）、面板红外、
强制热风
对流和二极管激光。汽相再流技术最
先发展并流行了几年。最终红外成了首选的方
法。如今强制热风对流（提供95%的总热量）加IR
辅助（提供5%的总热量）技术是需要惰性气体
作为再流气氛的某些应用的选择方式。二极管
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