【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第134页
接 盘 表面 处理 ）对 于 可 靠性 是至 关 重 要的， 相 关研究 也 在 进 行 中。 8.3 焊点 和连接类型 焊点 并不 是均 质结构 。 焊点 由 一 些 不同材料 构 成， 其 中 许 多 只 是 表面 上的特 征 。 焊点 的组成为 ： 1 ） 印制板 上的 基底金属 2 ）一 个 或多 个 金属 间化 合 物 （ IMC ） 3 ） 焊 料主 体 4 ） 形 成 元器件 侧 IMC 层 而 使焊 料成 分 消耗 后 …
结果在许多场合都是可接受的。研究表明，含铅
重量小于20%的SAC焊料的均质污染并不会使疲
劳寿命退化而低于锡/铅焊料。但要非常小心，
在 预 期 的使用环 境中 进 行 足 够 的可靠性试验
（切片、热循环、冲击测试）以确认焊点可靠
性。
在尝试焊接之前，在混合合金（使用锡铅焊料
焊接无铅BGA）PCBA上的所有元器件都应评估
无铅焊
接工艺兼容性。这项评估确保所有元器
件能够承受无铅焊接温度。尽管大部分锡/铅元
器件标明230°C的峰值温度，有证据表明许多
锡/铅元器件能够承受住无铅焊接温度，尽管不
总是这样。需要重申的是，上述工艺要特别小
心。必须要进行足够的可靠性试验来确认预期
的可靠性。使用表8-1，作为采用无铅焊接工艺
温度的元器件兼容性指南。
8.2.2.2 采⽤锡/铅曲线再流焊
料 当组件同时由
无铅SAC BGA和锡/铅BGA组成和/或当PCBA
还没有转化为无铅系统，或者不要求成为无铅
系统时，例如获得RoHS豁免权的工业领域／应
用，锡/铅共晶焊膏仍旧需要使用。
在这种的情况下，必须要采用有足够的峰值温
度、保温时间和适当的预热温度的锡/铅共晶再
流焊温度曲线。关于此情况的更多细节可见章节
7
。
8.2.2.3 低银SAC或掺杂SAC以及⾮SAC BGA
焊球合⾦的BGA实施 在最初的无铅转换期，
所用的BGA焊球合金典型地与Sn96.5Ag3.0Cu0.5
（SAC305），Sn95.5Ag3.8Cu0.7（SAC387）或Sn
95.5Ag4.0Cu0.5（SAC405）组装工艺合金相匹
配。但诸如焊球脱落、易受机械冲击和热应变等
问题已促使BGA供应商开始评估并建议采用其
它合金的焊球。对于某些封装的银含量变化从3-
4%降至1-3%。取
决于具体的银含量，银含量降低
后会使焊球熔点增加多达10°C，这对于PCBA组
装工艺有极大的负面影响。当BGA采用新合金并
对具有新合金的BGA进行组装时要特别小心。
在SAC系统中添加掺杂元素也已开展了研究，
并在一些机械性质方面得到了改善。但是，这
种添加物在很大程度上并未改变其物理性质，
尤其是没有降低该合金熔点。一些掺入元素可
能会影响焊
料过冷度，金属间化合物的形成以
及母材性质。通过采用完全不同的冶金方法获
得的其它非SAC合金可提供较低的熔点，从可
靠性角度看，这有利于组装工艺和有更好的机
械性质，但是这些合金的原材料成本更高。
8.2.2.4 ⽆铅对印制电路板组件（PCA）制造的
影响 由于熔点较高，新型无铅BGA焊球合金对
于印制电路组件（PCA）再流工艺会有影响。
一些元器件制造商 已经经历 非 预 期 的良率损
失，因为他们并没有意识到低银合金的存在。
转换为低银合金焊球需要改变PCA的再流目标
温度。比如，对于特定的BGA熔点增加10°C可
能会导致PCA其它位置超过元器件或PCB的温度
极限。
可靠性影响—不适当组装的低银部件，用太低
的再流温度组装，有极大的可靠性风险，因为它
们可能会通过电性能测试但可能仍然生产出不
可接
受的焊点（见图8-5）。一些实验数据表明，
良好组装的低银部件的跌落性能比目前的SAC
合金要好，例如SAC305、SAC405和SAC387；
但是，低银合金的疲劳寿命也比其对应的正常
含银合金要差。其它因素（BGA焊盘和PCB连
表8-1 ⽤⽆铅再流焊接的锡/铅元件的兼容性
锡/铅元件类型 兼容性
陶瓷电阻/电容 可以
模塑电容（钽） 只能使用无铅工艺温度兼容元件
铝电解电容 只能使用无铅工艺温度兼容元件
模塑封装IC(SOP, PLCC, QFP) 只能使用无铅工艺温度兼容元件
连接器，插座等只能使用无铅工艺温度兼容元件
晶振，振荡器 只能使用无铅工艺温度兼容元件
晶体管，二级管 可以
LEDs 只能使用无铅工艺温度兼容元件
BGAs 可能行或可能不行，具体案例具体
评估
DIP开关 可以
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接盘表面处理）对于可靠性是至关重要的，相
关研究也在进行中。
8.3 焊点和连接类型 焊点并不是均质结构。
焊点由一些不同材料构成，其中许多只是表面
上的特征。焊点的组成为：
1）印制板上的基底金属
2）一 个 或多个金属间化合物（IMC）
3）焊料主体
4）形成元器件侧IMC层而使焊料成分消耗后的
焊点层
5）焊料成分和元器件基底金属所构成一层或多
层IMC
6）元器件的
基底金属
焊料的晶粒结构随着时间不断变化。在室温下，
共晶锡/铅焊料处于其再结晶温度之上，晶粒尺
寸会随着时间增加。晶粒结构的增长使得细晶
粒结构的内能下降。晶粒生长通过升高的温度
以及循环负载作用期间应变能量的输入而得到
加强。因此在某种程度上讲，这种晶粒的增长
过程可视作累积疲劳损伤的标志。对于遭受老
化的焊点比工作使用
的焊点迹象更为明显（循
环试验时不那么明显）。污染物诸如锡氧化物和
助焊剂残留，有时会迁移到焊料的外表面，但
主要的还是残留在晶粒的边界处。随着晶粒的
生长，这些污染物在晶粒边界的浓度会增加，
从而使焊料弱化。在经历焊料疲劳寿命的25%之
后，微型空洞会在晶粒边界交叉处出现；疲劳寿
命的40%之后，这些微型空洞会生长为微裂
纹。
这些裂纹继续增长并合并形成大裂纹，导致焊
点的全部断裂。
焊点常常连接着性质不同的材料，其中的一种
性质为整体热膨胀不匹配。焊料通常具有显著
不同于连接结构材料的性质，导致局部热膨胀
不匹配。这些热膨胀的不匹配的严重性，从而
可靠性威胁严重性，取决于组件的设计参数和
运行使用环境。对于无铅焊点，固相扩散的
差
异有更高的倾向导致柯肯达尔（Kirkendall）空
洞，也称为IMC微型空洞。更高倾向的IMC微型
空洞出现，至少一部分与无铅焊料要求较高焊
接温度有关。此外，在诸如浸银的无铅表面处
理层上可看到平面微型空洞，这通常会带来比H
ASL更复杂的焊接表面处理。
8.3.1 整体膨胀不匹配 整体膨胀不匹配起因
于电子元器件或连接器与PCB之间热膨胀不
匹
配，而这些元器件是通过表面贴装的焊点连接
的。由于CTEs和有源器件内热能耗散造成的热
梯度差异，产生了这些热膨胀差别。整体CTE
不匹配范围，典型地从CTE调整过的适用于高
可靠组件的约2ppm/°C到FR-4印制板上的陶瓷元
器件的≥14 ppm/°C。图8-6展示了由于CTE不匹
配在晶圆级别CSP上导致的焊点失效。顶部硅芯
片比底部FR-4基板膨胀低得多
，这会造成剪切
应力作用在焊点上，并当遭受温度循环应力时
最终在芯片到焊料连接界面失效。
8.3.2 局部膨胀不匹配 局部不匹配是由焊料
和元器件基材或与其焊接的PWB的热膨胀不一
IPC-7095c-8-5-cn
图8-5 以典型⼯艺窗⼝的下限对1%含焊球合⾦球进⾏
组装，形成不完整的焊点
未熔化的焊球
CSP封装
PCB
CSP封装
PCB
不可接受的焊点
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致导致的。这些热膨胀的不一致起因于热量迁
移时焊料和基材的热膨胀系数CTE的差异。局部
CTE不匹配的常见范围：从与铜的7ppm/°C到与
陶瓷18ppm/°C以及与42号合金和柯伐的20ppm/°
C。局部膨胀不匹配通常小于整体膨胀不匹配，
因为作用距离，最大润湿区尺寸要小得多：大
约在几百微级而非几千微米。
8.3.3 内部膨胀不匹配 对于锡
/铅焊料，内部
CTE不匹配是由于焊料的富铅区域和富锡区域
的CTE差异所造成。内部热膨胀不匹配通常是最
小的，因为其作用距离也即为颗粒结构尺寸，
远小于润湿长度或者元器件尺寸—大约小于25
μm。
对于无铅焊料，由于其通常是三元或四元合金
成分且集中在极富锡含量中，金相结构更为复
杂。
8.4 焊料连接失效 元器件到其表面贴装基板
之间的焊料连接失效通常定义为元器件焊料连
接组成的任何焊点的首次完全断裂。考虑到焊
点所受的负荷代表性地为剪切而非张力，焊点
的机械失效不一定与电气失效相同。电气失效
是机械失效的结果，至少在最初，当机械或热
扰动时会偶发短持续时间<1μs的高阻抗事件。
从实际的观点看，焊点失效被定义为首次观察
到这样的事件。在某些应用中，这种失效定义
可能是不
适当的。对于上升时间极快的高速信
号，在焊点机械完全失效之前，信号恶化可能
需要更加严格的失效定义。类似地，对于电子
组件遭受很大的机械振动和／或冲击负载的应
用，考虑到焊点的机械弱化是疲劳损伤累积的
结果，这样的失效定义可能是必要的。
8.4.1 焊料组装失效分类 有一些常见的BGA
失效特征。这些缺陷可在组装工艺期间引起，
或
者它们可能是潜在焊点缺陷或失效。这样的缺
陷和／或失效是由不适当的组装工艺、不合格
材料或组装过程中过大的机械应力所导致的。
这些缺陷可能是部分开路或极其微弱的连接界
面，潜在失效可能为头发丝般的裂纹、完全接
触并且部分翘起的连接盘，它们难以通过诸如X
射线以及ICT测试等传统工艺验证工具侦测到。
因为这些缺陷可能
是间歇性的，所以它们是主
要的可靠性问题。随后，它们被查出，紧接着
的是高的外场返回。
8.4.2 失效特征–1：冷焊 冷焊点产生是由于
再流焊工艺期间低的峰值温度（＜液相线温度+
20°C）。焊料合金的液相线温度是高于其时，整
个焊料体为液态时的温度。焊膏部分融化时会
形成冷焊焊点。这类焊点具有粗糙的表面，有
时在板子的
界面处会变细。焊料会呈现出如图8-
7所示的颗粒状，且BGA焊球和焊膏的颗粒结构
会有不同，表明焊膏并没有达到合适的再流温
度，在某些情况下，焊膏可能并没有融合。应
指出的是对于大部分无铅焊料，焊点的表面会
呈现颗粒状。
图8-6 由于硅与板⼦CTE不匹配引起的焊点失效
图8-7 焊点呈现的颗粒状
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