【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第95页
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…
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
IPC-7095c-7-6-cn
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
IPC-7095c-7-9
图7-9 热电偶在BGA上的推荐位置
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焊接后，考虑用选择性激光焊接无铅BGA，或者
寻找锡/铅焊球的BGA替代资源。
7.1.4.10 每种印制板组件的独特的温度曲线 再
流焊程序与再流焊温度曲线并不相同。程序是
机器参数设定和传送带速度的组合，而曲线则
是PCA经过再流焊炉时热电偶所测得温度对时
间变化的直观表示。每种独特的PCA都需要开
发温度曲线，以表明板上全部位置满足
各种要
求而能产出可接受的焊点。单个程序对不同、
独特的PCA可生成差异很大的温度曲线。有一
些误解认为一个焊炉的温度曲线适用于所有电
路板，因此不需要对每个电路板开发独特的温
度曲线。这显然是错误的，因为每个板子都有
特定的热容量或不同的加载状态（当板子装入
炉中时彼此之间的距离）。一个双面板，取决于
元器件布局和铜平
面的分布，每面需要有不同
的温度曲线。许多PCA的温度曲线看上去可能
相同，但是通常需要不同的机器程序来生成这
些类似的温度曲线。通常有少量的标准机器程
序，但是必须要明确特定程序产生的温度曲线
是可接受的。
一旦程序已被优化而生成所需的温度曲线，建
议制造一块带有锡膏和元器件的实际产品板用
于再流焊。再流焊后检查焊点的质
量以确认各
种元器件的焊点是否都满足IPC-A-610的要求和
其它任何客户的特定要求。电路板仅某个区域
中随机问题可能与可焊性有关，而电路板某个
特定区域一致的问题则可能与焊接温度曲线有
关，原因为不均匀受热（板子温差大）。也要注
意一致性问题可能也与锡膏的质量和连接盘图
形设计有关。
一旦程序已可提供想要的结果（假设设计和其
它材料变量已最优化）
，记录该程序。在此之后
不允许更改该程序及据此生成的温度曲线。
7.1.5 材料问题 助焊剂有两个关键属性。其
一，它必须可清除污染物；其二，它在污染物
被清除之后必须能保护可焊接表面。常见的错
误是采用这样的时间/温度曲线时，焊料融化之
前助焊剂就已耗尽。理想的情况是焊料刚开始熔
化时助焊剂才 消耗。助焊剂活化时间应为90至
120
秒。对于锡铅焊膏来说，助焊剂通常大约在
130°C被激活。典型地，无铅焊料的焊膏活化温
度更高，大约为150°C；但还是建议在使用特定
焊膏时与焊膏供应商合作并听取建议。
元器件可能会被不正确的加热应用而损伤。所有
元器件都有热暴露极限。大部分锡/铅表面贴装
元器件应当忍受220°C的峰值温度多达60秒。无
铅BGA需要耐受更高的
温度，约为240-260°C。
由于快速加热所导致的热冲击会使某些元器件
发生爆裂。但是，由于再流焊炉的峰值温度是变
化的，其意图是要使焊料在制定的受控温度曲
线下加热到锡铅产品的210-220°C，无铅产品的
235-245°C。
元器件引脚的表面处理会影响可焊性，目前有
许多引脚处理方式可用，包括锡/铅、金、锡和
钯。选择与使用的引脚表面处理相匹配的助焊
剂和焊料合金是很重要的。
7.1.6 汽相 汽相再流能以单流系统或利用主
流和辅流的双流系统工作。此工艺是在成批生
产设备上使用双流体方法开发的；但当前的在
线系统通常只用单流体工作。无论使用的是什
么系统，在汽相（VP）再流中组件所能达到的
最高温度取决于所选择的主要流体。主要流体有
若干温度范围，一般锡铅产品为218-222°C，无
铅产品为235-245°C。同时所有主要流体可归类
为全
氟化碳，它的基本结构（环状胺或乙醚）
决定了其关键性质-使用时的稳定性、焊膏的化
学可溶性和整个工艺的经济性。流体的选择通
常基于待再流的焊料合金的熔点。
对于上述的温度范围，较低的温度适用于采用
标准连接工艺的典型锡/铅或锡/铅-银合金。该
范围的上限温度可再流高铅合金，通常用来连
接引脚到PGA封装。对需要
再流特种合金的用
户，已经成功地将两种主要流体混合并将汽相系
统调整在特定且稳定的沸点。较高温度容许更
短的焊接时间，这对一些焊膏可能是有利的。
主要汽相应为惰性，且不会产生后续需要清除的
污染物。在流体中溶解的焊膏化学物被高沸点
蒸汽携带，然后沉积在电路板表面。这种残留
物往往难以去除。主要流体中焊膏残留的最小
化将使流体寿命最大化，避免由于含有熔解的
焊膏成分而使沸点升高，同时也可简化清洁。
次要流体蒸汽覆盖层最初是CFC-113，一种低沸
点氟化材料，它在高成本的主要流体上面形成
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