【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第92页
激 光 焊 接 是 业 界 的新 式 技术， 主要 应用于高 端 、 高 可 靠性应用 如 航 天 、 军 工 或 者 医疗 行 业。 7.1.4.1 强制热 风 对 流 对 流加热 是现 今 的 选 择 方 式 。 热 量通 过 低 速率 的 热风传递 至 印制板 组 件 （ PCA ） 。强 制热风 对 流 为 非 接 触 加热 方 式 ， 其 中 也 有一 些 热 量 是 通 过辐射传递 的。 热 量 传 送 至物 体 的 速率 …
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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激光焊接是业界的新式技术，主要应用于高端、
高可靠性应用如航天、军工或者医疗行业。
7.1.4.1 强制热风对流 对流加热是现今的选择
方式。热量通过低速率的热风传递至印制板组
件（PCA）。强制热风对流为非接触加热方式，
其中也有一些热量是通过辐射传递的。热量传
送至物体的速率与热风和PCA之间的温差直接
成正比。
在线
强制热风对流系统有三个主要部分：（1）
预热，（2）再流焊和（3）冷却。每个区都包含
多个上温区和下温区。温区的数量对于传输速
度以及用户对炉温微调能力都有直接的影响。
增加温区使得用户可以有更高的带速，同时允许
用户灵活精确设置炉温曲线。低产能的再流焊
系统有3或4个温区（一个温区包括有上、下加热
器）。中等产
能的再流焊系统有5或6温区，而高
产能系统会有7个或更多温区。通常来说，有六
个温区的系统就满足大部分再流焊要求，包括
超大PCA和相当高的传输速度（可达到60cm／
分钟）。炉温曲线的变化是通过调整传输速度，
上温区和下温区温度设定来完成的。
7.1.4.2 再流⽓氛 再流焊炉中的气氛影响焊料
润湿。在氮气环境中进行的再流焊接可改善焊
点的润
湿性，有时也可对处于可润湿边际的电
路板表面或已氧化的焊球进行补偿。为了在氮
气环境中获得焊膏的最大好处，建议对其中的
氧气含量进行监控，以控制其处于以确定的工
艺限值范围内。
随着产品转向无铅技术，无铅焊膏的可焊性并
没有锡铅焊膏那么好。如果焊膏选择不正确，
可能的情形是再流焊前用于清除焊膏、连接盘
和焊球上的氧化物
的焊膏活化剂会被耗尽。这
会造成焊点形状不均匀以及连接盘可能未被润
湿。在形成空洞时，一些焊膏成分也可能会受
到再流气氛的影响。当对OSP表面处理使用无铅
工艺时，最 好 在 氮气 环 境 中对产品进 行再流
焊接，特别是采用混合技术组件有通孔填充问
题时。通孔填充问题会在无铅工艺中出现，特
别是当使用免清洗助焊剂和第一代或第二代OSP
时。使用水溶性强活性助焊剂
和第三代OSP有助
于尽量减少通孔填充问题。
在氮气环境中对OSP板再流，不但可以为下游工
艺保持连接盘的可湿润性，同时也可尽量减小
对在线测试（ICT）测试有影响的测试点或导通
孔的氧化。
7.1.4.3 时间/温度曲线 焊接曲线，也被称为
温度曲线，是制造工艺中能够显著地影响产品良
率的关键因素之一。传送带速度和面板温度是
焊接曲线开发的
两个变量。焊接炉温曲线不仅
与特定产品有关，同时也与助焊剂有关。不同
的焊膏需要不同的曲线以优化性能，所以在开
发焊接曲线之前咨询焊膏制造商是很重要的。
在开发焊接曲线时，实装印制板对于曲线的开
发是必要的。从给定的带速开始，便用热电偶
监测板子正面温度。大部分新式再流焊炉有内置
热电偶和软件以记录温度曲线。同时，商业性
的软件和硬件
包，如MOLE、数据包和许多其它
工具已经问世，使得温度曲线开发更加简便。
使用这样的曲线开发工具对锡/铅组件一直是重
要的。如今不仅很重要，而且十分关键，因为
这类曲线工具被应用于每种产品以求达成较好
的良率，而且不会超出不同类型元器件所要求
的温度限制。表7-3提供了锡/铅和无铅组件以及
混装组件的主要再流焊温度曲线（向前和向后
兼容
性曲线）。需要注意的是对于无铅焊料和向
前兼容性的曲线是相同的。
对于锡/铅焊料，业界对该焊料成分一直有的共
识是：63%锡37%铅的共晶焊料，熔点为183°C。
对于这种成 分 ， 熔点（183°C）和峰 值温度
（220°C）之间有很大的温差。尽管推荐将整块
电路板间的温度保持在210~220°C，人们很容易
偏离而将温度维持在190~225°C之间，其温度范
围差是35°C，这种情况仍能达到良好的再流焊
结果。
IPC-7095c-7-3-cn
图7-3 BGA或其附近各位置的峰值再流温度⽰例
220°C
240°C
245°C
为无铅焊料
为无铅焊料
230°C
235°C
260°C
225°C
为锡/铅
为锡/铅
205°C 217°C
230°C
IPC-7095C-C 2013年1月
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对于无铅组件，常用的SAC（锡、银和铜）焊料
包含了3%到4%的银，0.5%到0.7%的铜以及其余的
锡。这些合金的熔 点大约为220°C。一些元器
件，如某些铝电解电容，它们有最高温度和230°C
以上耐受时间的限制。另外的约束来自于低成
本层压板、塑料连接器和如有使用的湿敏元器
件。
为了能适应这些限制，无铅组件的峰值温度应
该保持在230°C-245°C，变化量仅为15°C，的确
是一个相当严格的工艺窗口。这比之前提及的
锡/铅组件的35°C的变化下降了60%。如果高热
容量的大型元器件和小型温敏元器件贴装于同
一电路板，则要满足已定义的工艺窗口温度曲线
的开发难度会大大增加，原因显而易见。高热
容量的大型元器件需要更大的热输入，以满足
峰
值温度和液相线以上时间的工艺窗口要求。
但是，较大的热输入可能导致小型、温敏元器
件超出工艺窗口要求。要解决这个问题，必须
有非常严格的工艺控制而使整块板子上的温差
范围收窄。许多组装厂在满足这些要求时会遇
到很大的困难，特别对于复杂电路板在开发再
流焊温度曲线时没有能协调好的时间和精力。
这个问题会与之后的向后兼容性问题（一些无
铅元器件被用于锡
/铅电路板）叠加在一起。对
于这样的情况，曲线必须要同时满足锡/铅和无
铅封装要求。
图7-4至7-7展示了锡/铅、无铅组件和混合有锡/
铅和无铅元器件组件的原理图和实际的炉温曲
线。
表7-3 锡铅和锡银铜合⾦温度曲线⽐较
曲线内容 锡铅合⾦曲线 混合/向后兼容曲线
⽆铅合⾦(SAC 305)/
向前兼容曲线
合金固液相线温度 183°C 183°C/220°C 217-220°C
目标合金峰值温度范围 210-220°C 228-232°C 235-245°C
绝对最小再流峰值温度** 205°C 228°C 230°C
器件升温斜率 2-4°C/秒* 2-4°C/秒* 2-4°C/秒*
器件降温斜率 2-6°C/秒* 2-6°C/秒* 2-6°C/秒*
保温或预热活化温度 100-180°C* 100-180°C* 140-220°C*
保温或预热活化时间 60-120秒* 60-120秒* 60-150秒*
液相线以上持续时间 60-90秒 60-90秒 60-90秒
峰值温度持续时间 最多
20秒 最小20秒 最多20秒
所用焊膏 锡/铅焊膏 锡/铅焊膏 无铅(SAC 305)焊膏
SMT器件类型
所有SMT类锡/铅和无铅器件，
但无铅BGA焊球除外
所有SMT类锡/铅和无铅器件，
包括SAC无铅BGA焊球
所有器件包括BGA都是无铅，
包括含有SAC 305
无铅焊球的BGA
采用此峰值温度的理由
无铅表面处理的BGA器件在
205°C熔化没有问题。所有锡/
铅表面处理都含有90%的锡。
无铅表面
处理接近含有100%
的锡，并含有一些其它
无铅元素，如铋
需要采用一个折中的温度，使
锡铅器件不过度受热，同时具
有220°C熔点的无铅SAC BGA
器件能熔化、塌陷并完全与锡
铅焊膏熔融。较低的峰值温度
会引起SAC BGA焊球不熔化或
者只部分熔化，增加了HoP、
开路发生率以及较差的可靠性
所有器件都是无铅的，可以承
受更高温度。然而太高的峰值
温度可能引起BGA焊球脱落、
开路，退润湿和板子翘曲，
同时为了进行MSL等级评价，
大BGA器件要在最高
245°C温度下测试
* 与供应商核实
**板上的最低温度
IPC-7095c-7-4-cn
图7-4 锡/铅组件再流焊曲线原理图
预热
保温
再流
冷却
210 to 220°C
183°C
无保温时峰值曲线的爬升
100-180°C
冷却 4-8°C/秒
60-90 SEC
60-90 SEC
30~60秒降至室温
5°C/秒的最大斜率
90-120 SEC
2013年1月 IPC-7095C-C
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