【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第96页
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…
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
2013年1月 IPC-7095C-C
81
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
IPC-7095C-C 2013年1月
82
低成本的自我牺牲的“盖子”。次要流体持续暴
露在高沸点主要流体上，它会在两种流体的界
面处受热引起分解而产生HCL（氯化氢）和HF
（氟化氢）酸性蒸汽。这些腐蚀性蒸汽通常随
着时间的推移会腐蚀焊接设备。虽然理论上蒸
汽会被助焊剂残留物吸收并对高可靠性产品造
成问题，但相比于对设备的侵蚀，这种问题
是罕
见的。随着CFC-113的逐步淘汰，一种低沸点全
氟化碳已作为替代品得到应用。这种第二代次要
覆盖流体比CFC-113更为稳定，在高沸点汽相流
体中可暴露更长的时间。
随着表面贴装技术的发展，大多数用户转到单流
体方式的高产量在线设备。汽相再流焊之后应
该清除助焊剂，方法为采用双极性溶剂配方或
可确保去除所有焊膏残留物的含水清洗配方，
同时要根据焊膏
成分来选择清洗工艺。影响该
决定的次要因素为兼容性和元器件至印制线路
板表面的间隙。此外，大多数厂商会仔细考虑使
用这类设备所导致的潜在化学损失，因为许多
全氟化合物是生命周期非常长的全球变暖化合
物。
7.1.7 清洗与免清洗 焊膏/助焊剂选择的技术
有许多影响。基本的助焊剂材料类型有两种，
分别为残留物需要清洗的或可残留在PCA
上而
不会造成损害的。
7.1.7.1 需要清洗的助焊剂残留（清洗） 那些
需要清洗的残留物可以通过去除残留物所必要
的化学物质来分离，典型的为溶剂／表面活性
剂，碱性水或者可清洗的去离子水。清洗溶剂
的选择应遵循技术、经济以及环境方面的考虑
仔细评估。
通常，BGA底部的清洗是困难的，因为在电路板
和元器件
之间的狭小间隙可能会裹挟清洗可能
难以去除的助焊剂。需要清洗的被裹挟的助焊
剂残留通常有高腐蚀性，所以这种情况会引发严
重的可靠性问题。但如果能够慎重仔细地选择
清洗工艺和设备，同时焊接和清洗工艺能够得到
合理控制，BGA的底部清洗也能获得成功。另
外，如果使用免清洗焊膏，应清洗模板以保证
有良好的印刷质量。
确实需要强调的是，使用
高活性水溶助焊剂时，良好的清洗工艺控制是必
不可少的。
当建立可水清洗焊膏的清洗工艺时，有必要验
证清洗后的清洁度，特别是针对小外形BGA或
CSP和BGA连接器。通 常的做法采用诸如表面绝
缘电阻（SIR）的方法来验证助焊剂残留物完全
从焊球间被清除，从而建立起清洗工艺参数设
置。其它方法，
如离子色谱法或离子谱法，经
过资格认定后也可推荐用于监控工艺。
7.1.7.2 不需要清洗的助焊剂残留物（免清洗）
由于使用清洗型助焊剂会带来环境问题和处理
溶剂废液和清洗设备的成本问题，使得免清洗型
助焊剂的使用已有增长。但是，免清洗并非为
普适性的工艺。免清洗助焊剂的活性通常比其
它类型的助焊剂低
，因此其焊接效果可能会不
太如意，除非在工艺中采取足够的措施。一些
免清洗助焊剂需要充氮再流焊环境以产生可接
受的结果；然而，目前大部分可用的免清洗助
焊剂可在空气环境下进行再流焊。
免清洗助焊剂残留物必须有充分的惰性，才不会
损坏PCB或元器件。这些残留物通常呈轻微离
子态和／或略呈酸性，会导致产品潜在失效。
这些残留物导致失效模式可能包括：
1. 对印制电路板的腐蚀。
2. 由 于 枝 状晶生长导 致的金属线条之间的短
路。
3. 由于离子污染物扩散到芯片的有源结而导致
集成电路功能的退化。
前两种失效模式为表面现象。其影响可在电路
板表面检测到且潜伏期较短。这些失效机理可
通过表面绝缘电阻（SIR）测试或电化学迁移测
试（ECM）检测到。第三种失效模式如果存在
的话
，取决于外部离子要花多长时间穿过封装
密封材料扩散入芯片区。这些外部离子一旦到
达硅芯片，芯片的功能可能会受到影响。在正
常的工作环境中扩散时间通常是年的数量级。
通常，需要某些加速试验，例如SIR或ECM，在
合理的测试周期内来测量这种影响。另外，所
有用于PCA的免清洗助焊剂如焊膏、波峰焊助
焊剂甚至
返工用助焊剂都会残留在PCA上，并
且可以互相混合。建议对这些助焊剂，既要组
合在一起进行测试，也要单独测试，以了解整
体清洁度的情况。
2013年1月 IPC-7095C-C
83