【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第98页
7.1.8 封装间 隙 ⾼ 度 封 装间 隙高度 是 决定 BGA 焊点 可 靠性 的主要参 数 之 一。 BGA 的间 隙高度 定义 为 封 装 基板底 部连接 盘 与 印制板 表面 顶 部 连接 盘 之 间的 距 离 。 此 距 离 随 焊 球 类型 的 变 化而 不同 ：高铅类焊 球 保 持 着 非 常 一 致 的 尺寸 ； 共 晶 焊 球 则 会 使封 装间 隙高度 减 小 。 这 也被称 为 焊 球 塌陷 高度 。 举 例 来…
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
7.1.8 封装间隙⾼度 封装间隙高度是决定BGA
焊点可靠性的主要参数之一。BGA的间隙高度
定义为封装基板底部连接盘与印制板表面顶部
连接盘之间的距离。此距离随焊球类型的变化而
不同：高铅类焊球保持着非常一致的尺寸；共
晶焊球则会使封装间隙高度减小。这也被称为焊
球塌陷高度。举例来说，当1.27mm锡/铅BGA焊
接至封装时塌陷0.1mm，而
当焊接到板子时，焊
球则有0.2mm的额外“塌陷”。所以总的来说，
对于1.27mm的焊球可以预 期比再流前的值会减
少0.25mm至0.30mm。高铅和铜焊球不塌陷，因
为它们不熔化。在建立工艺期间应该验证无铅
BGA的间隙高度。建议建立工艺来重现具体元
器件的间隙高度。
在再流焊之后，决定BGA封装与电路板间隙高
度的因素包括球BGA封装重量、焊球尺寸、
焊球
材料、连接盘尺寸和连接盘构造（阻焊膜限定或
非阻焊膜限定）。间隙高度会随着封装重量增加
而减小。然而，对于有较高焊球数的封装，封
装重量对于间隙高度的影响可能会较小。有关
这两种参数之间关系的一项研究发现，对于615
个焊球、1.27mm球节距的BGA封装，封装重量
增加5倍，间隙高度只下降约0.05mm。
由于每个焊球有较大的焊料量，较大的焊球尺
寸导致
有较大封装间隙高度。间隙高度与连接
盘直径成反比，对于非阻焊膜限定（SMD）
连接盘，连接盘外围没有阻焊膜而使间隙高度
减小，这是因为焊料会沿着导体和连接盘边缘
向外润湿。如图7-10所示。
7.2 SMT后⼯艺
7.2.1 敷形涂覆 敷形涂覆用来防止元件表面受
潮进而 腐蚀。敷形涂覆应加以规定以满足IPC-
CC-830的要求，并应在主组装图纸中予以规定。
当有UL强制要求时，涂层
应当由UL批准以供印
制板制造商使用。
设计师应当认识到兼容性问题。敷形涂覆层是
一种符合电路板及其元器件形状的电气绝缘材
料。应用它的目的是改善表面介电性能并保护
他们免受恶劣环境的影响。敷形涂敷通常不需
要施加在没有电气导体的表面或区域（见IPC-
2221，4.5.2节）。
敷形涂敷可能为五种类型中的一种。对于指定
的类型，敷形涂敷厚度应当如下：
• AR-丙烯酸树脂，
0.03至0.13mm
• ER-环氧树脂，0.03至0.13mm
• UR-聚氨酯树脂，0.03至0.13mm
• SR-硅树脂，0.05至0.21mm
• XY-对二甲苯树脂，0.01至0.05mm
主要有三种化学类型在敷形涂覆中使用。他们
是硅弹性体、聚对二甲苯和其它有机物。所有
敷形涂覆类型提供了不同层次的防护，以防止
来自溶剂、水分、腐蚀、电弧及其他危及电路
工作的环境因素。
较厚
的敷形涂覆也可用作防冲击和振动的阻尼
介质。这种形式的应用会在低温波动时给玻璃
和陶瓷密封元件带来机械应力风险。使用这种
材料会需要缓冲材料。
应当注意防止敷形涂覆材料未布满BGA。相关
测试表明当用敷形涂覆材料对BGA底部完全填
充时（对二甲苯树脂除外），由于Z轴方向上的
膨胀，焊点疲劳失效会在热循环测试中发生。
因此，不建议使用敷形涂覆
材料作为底部填充
物。
敷形涂覆不应该与密封材料相混淆。密封剂作
为芯片元件封装的一部分，主要用来保护裸芯
片。塑封材料为BGA提供外部防护。密封材料
和散热涂层的兼容性问题是非常相似的。
7.2.2 底部填充和粘合剂的使⽤ BGA可能需
要 使用粘合剂以进一 步加强 封装与PCB的互
连。近年来，无铅焊料的应用和节距的减小造
成封装结构更脆弱，特别是那些受冲击和弯曲
的区域。电子设备正变得越来越小，而较小的
设备携带机会多但跌落机会也多，使得对冲击
和跌落的规范有更多的要求。这些因素促使在
电子封装中底部填充和结构粘合十分常见。
BGA封 装的聚 合 物 加 固 材料正快速应用于许
多电子产品。这些方法的早期应用领域包括手
机、MP3播放器、PDA、相机、医疗电子、航
空电子和军事用途。一些正使用底部
填充和其
它环氧树脂的新兴市场包括笔记本电脑主板和
超便携移动PC。台式电脑的主板和服务器主板
对使用BGA聚合物加固材料有抵触。但当BGA
封装变得愈加脆弱，这些市场也可能运用这种
方法。
IPC-7095C-C 2013年1月
84
使用聚合物强化BGA与印制电路板互连市场中
常见的方法有三种。包括全毛细流底部填充、
部分毛细流底部填充和角落施加粘合剂。无流
动底部填充技术正在研发之中，但是还没有在
大批量制造（HVM）中应用这种方法。一些研
究表明，相比于没有聚合物增强，在代表性的
封装上能看到其抗冲击和弯曲性能改善大约100-
200%。BGA的聚合
物增强比许多其它已尝试过
的方法都要优越（更大的连接盘尺寸、金属限
定连接盘、改换连接盘形状等等）。
BGA封装的形状参数（即本体尺寸和／或焊球
节距）不是采用聚合物增强的主要决定因素。
使用BGA元器件的细分市场，对于决定是否需
要在角落点胶还是在底部填充更关键。产品设
计人员必须要确 定产品是 否需要对BGA进行
额外的机械保护以满足市
场特定的可靠性要求
（例如：冲击、弯曲、振动、跌落、温度循环
等等）。
图7-11表示覆盖于可靠性要求与代表性电子设备
设计寿命对比图中的一些典型粘合方法的概念
图。在此图中，按其概念分组有三种区别的胶
粘方式。
第一组用⾼性能底部填充组装，这些包含在温
度循环和冲击方面期望有最高性能的设备。此
类设备的预期寿命长达10-20年或更多，包括航
空电子设备、军
事电子设备、医疗设备和汽车
电子设备。通常使用的底部填充材料是低分子
量树脂，在流动期间可用较小颗粒尺寸的填充
材料完全充实底部以最小化空洞的形成和填充
剂的分离。这些材料可能需要较长时间固化且
不能进行返工。对于这种市场的产品，性能是
最终驱动力而不是成本。
下一组分类为⼯艺导向的底部填充。这些产品
包括手机、智能手机
、MP3播放器和平板电脑。
这种市场的产品在抗冲击方面的高性能是必需
的。温度循环性能的需求可能不苛刻，因为这
些移动设备在低功耗下运行环境更凉爽。对于
消费市场，成本很重要。因此这种底部填充剂
是由流动极快并能在较低温下快速固化的树脂
制成的。这种底部填充剂在某些情况下甚至可
以返工。这些属性可维持高生产节
拍同时使报
废最小化以降低总成本。
最后一类产品采用了角落胶粘合（角落胶粘合
在概念上类似于某些特定的制造厂商使用的角
IPC-7095c-7-10a,b,c,d
图7-10 板上BGA连接盘外围去除阻焊膜的影响
连接盘周围去除阻焊膜 ~0 mm 0.75 mm
俯视视图说明由于开口关系而
增加了有效的连接盘直径
连接盘上焊球连接的横截面视
图说明阻焊膜被去除后焊料会
沿着连接 盘边缘向外润湿
2013年1月 IPC-7095C-C
85