【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第94页
7.1.4.4 预 热 温区 预 热 区域 的 温 度范 围 为 30- 175°C ， 许 多 元器件 供 应 商 通 常 建 议 将温 度 上 升速率 设置 为 2-4°C / 秒 以 避免热 冲击温 敏元器 件 。 这样 的 规范 被 认 为 是 保 守 的， 因 为一 些 电 容是 波峰焊 接的， 期 间 它 们 经 历 了 由预 热 温 度 约 120°C 至 波峰焊 料 槽 温 度 260°C 的 温升 。快 速 的 温升速…
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
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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
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7.1.4.4 预热温区 预热区域的温度范围为30-
175°C，许多元器件供 应 商 通常建议将温度上
升速率设置为2-4°C/秒以避免热冲击温敏元器
件。这样的规范被认为是保守的，因为一些电
容是波峰焊接的，期间它们经历了由预热温度约
120°C至波峰焊料槽温度260°C的温升。快速的
温升速率会增加产生锡珠的可能，所以应该尽
可能保持低温升率；无论如何，应该考虑
组件
中最敏感元器件可接受的温升速率。
7.1.4.5 热电偶连接 图7-8展示了电路板上推
荐的热电偶位置。将热电偶连接到小型或大型
元器件的焊点是很重要的。对于BGA，将热电
偶粘贴在封装上面也是很重要的。
在开发任何炉温曲线时，使用正确的热电偶是
很重要的。应该使用导体型号为36AWG的k型热
电偶，因为较粗的热电偶导体有较多散热。为
保证良好的精确度，热
电偶导体长度不应超过3
英尺。同样为了保证精确度，热电偶的接合点
必须焊接。不能绞合，应采用压接或者焊接。
当使用高温胶带诸如聚酰亚胺（kapton®）或铝
制胶带时应当小心。胶带在再流焊过程中有变松
的倾向，这样系统测量的是炉子中空气的温度
而非焊点的温度。确认胶带良好接触很重要，
否则，就应该使用高温焊料或导热粘合剂将热
电偶连接至焊点
上。使用胶带的一大优点在于
热电偶不受损害而能重复使用。
对于BGA，在中央和角落焊球位置的印制板背面
上钻孔，并将热电偶推到印制板正面以正确测量
BGA焊球温度。在同一个BGA上保证中心焊球
和角落焊球之间的温度差异在2°C之内是很重要
的。也可将热电偶插入BGA底下，这样可省略钻
孔过程；但是，在此情况下
热电偶测到的只是
该器件下面的温度。
图7-5 多个热电偶锡/铅再流焊温度曲线⽰例
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图7-6 ⽆铅组件再流焊曲线原理图
预热
保温
再流
冷却
235 to 245°C
217°C
无保温时峰值曲线的爬升
140-220°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
图7-7 有多个热电偶 的保温（正⾯）与升温⾄峰值
（反⾯）⽆铅再流焊曲线。有保温区的炉 温曲线有助
于减少BGA中的空洞
图7-8 板上具有⼤型和⼩型元器件，热电偶位置
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应连接4到6个热电偶到各种元器件位置，以代
表最低热容至最高热容区，包括至少两个热电偶
用于BGA。图7-9显示了BGA上热电偶的位置。
7.1.4.6 保温区 保温区的作用是将整块电路板
的温度提升至一个统一的温度。保温区的温度上
升速率非常慢，温度由75°C提升至220°C的曲线
几乎是平的。保温区也可作为焊膏中助焊剂活
化
区。保温区温度过高的后果是锡珠、锡溅，
这是因为焊膏的过度氧化而耗尽了助焊剂的活
化能力。长保温区的目的是减少空洞，特别是
BGA中的。不使用保温区而使温度稳定地从预热
区温度上升至再流峰值温度也是常见的做法。
但当温度稳定爬升至再流峰值温度时，出现空洞
的可能性会增加。
7.1.4.7 再流区 再流区域的峰值温度应该足够
高，以获得良好润
湿，并产生牢固的冶金结合。
但是其温度也不应高至导致元器件或电路板损
坏或变色，或更严重的电路板烧焦。如果温度过
低，可能会导致冷的和颗粒状焊点、焊料不熔融
或差的金属间连接。如表7-3所示，此区域的峰
值温度对于无铅来说应维持在230°C-245°C。液
相线以上时间（TAL）应为60至90秒。高于焊料
熔点或TAL的持续时间过长会损坏温敏元器件。
它也会导致过多
的金属间化合物生长使得焊点
脆化，并且降低了焊点的耐疲劳性。
7.1.4.8 冷却区 大部分组件典型的冷却速率为
每秒4-6°C，这主要是基于产量和锡铅金属间化
合物厚度的考虑。随着转化为无铅焊料，由于
SAC焊料刚性的增加以及层压板抗弯曲能力下
降。焊盘坑裂缺陷会变得更加频繁。焊盘坑裂
可在再流焊工艺后被直接识别，这也催生了设
计几个实验
以理解冷却速率的影响。
在冷却阶段，焊点的y轴方向上各种材料会以不
同的速率冷却。通常来说BGA封装会比焊点冷却
得快且比印制电路板快得多。这种冷却上的差异
会造成互连的薄弱位置，BGA连接盘下的层压板
处产生机械应变。通过大幅度地减少冷却速率到
低至每秒1.5°C，y轴上的所有材料的冷却速率会
变得更慢，于是层压板上的
应变会减少。由联合
会完成的实验工作表明，冷却速率下降既不会
对焊点金属间化合物也不会对焊点晶粒结构产
生负面影响。如果在再流焊之后焊盘坑裂立即
被发现或可确定组件有发生坑裂的风险，则应
该减小PCA的冷却速率以减小应变。
7.1.4.9 反向兼容的热曲线 在处理一些无铅元
器件用在主要的锡/铅板子上的反向兼容性问题
时，开发再流焊温度曲线会变得困难。反向兼
容性是
某些元器件只能买到无铅表面处理的情
况。产生这种情况是因为，对许多元器件供应
商而言同一元器件同时要提供无铅和锡铅两种
版本可能是不经济的。当使用无铅表面处理的
有引线元件，例如小外形集成电路（SOIC）、塑
封引线芯片载体（PLCC）或者其它密节距元器
件时不会有问题。大部分锡/铅元器件主要是由
85%锡和15%的铅组成的表面处理。然而当元器
件制造商去除元件中的铅而电镀纯锡时，可焊
性会受
到影响。为了改正这一状况，高达5%的
铋可加入镀层合金中以改善元件的润湿性和可
焊性。
当在主要的锡／铅板上使用无铅BGA时会产生
实际问题。如果所用的锡/铅温度曲线的峰值温
度为220°C，无铅BGA焊球根本没再流或者只有
部分再流，造成严重的焊点可靠性问题。
如果锡/铅元器件与某些无铅BGA在同一再流焊
炉进行焊接（因为买不到锡/铅版本的BGA），
必须采用对锡/铅元器件不造成损害且同时可保
证无铅BGA充分再流的峰值温度。使用锡/铅焊
膏是合理的，因为电路板上的大部分元器件都
是基于锡/铅焊料的。如表7-3所示，210-220°C
的峰值温度适用于锡/铅材料但对于熔点为217-
221°C的无铅BGA焊球来说是不足够的。但228-
232°C的峰值温度、液相线上时间或TAL60至90
秒时，足以再流无铅BGA，而没有严重损害同
一电路板上的
全部锡/铅元器件。
如果228-232°C严格的再流温度范围难以达到，
但为了在向后兼容性情况下能同时焊接锡/铅和
无铅BGA，在其它锡铅元器件在对流再流炉中
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图7-9 热电偶在BGA上的推荐位置
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