【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第140页
焊点 从 芯片分 开。 芯片 越 大， 焊 料连接可 靠性 问题 就越 严重 。此 外 ， 当 BGA 焊点 开 裂 时， 其 通 常 在 焊 球 至 封 装 界 面。 这是 焊 料和 受 限 制 的 芯片 BGA 基板 之 间 局 部 膨胀 不 匹配 的 结 果 。 较 大 BGA 封 装 轮廓 的目 前 趋 势 是将触 点 移 至 封 装 周 边 ，可能的 例外 是 某 些 散热焊 球和 导 通 孔 需 保 留 在 封 装的中 央 …
8.4.8 失效特征-7：不充分再流 当BGA焊球
没有充分受热使焊料达到高于液相线温度时，
这种失效特征就会发生。当发生时，未充分的
再流焊点通常见于BGA中心部分的下方，因为
这些区域在焊接过程中的受热最慢，最有倾向
达不到足够的焊接温度。
有时，不充分再流焊点出现是由于元器件特征
的存在，比如插座上的凸轮，在再流焊过程中
把区域的热量带走。下面的图8-18
列举了一个由
于此原因造成不充分熔融焊点的例子。
8.5 影响可靠性的关键因素
8.5.1 封装技术 面阵列元器件有各种各样的类
型和材料。大部分商用阵列器件使用塑料灌封
以及增强刚性的有机基板中介材料进行封装。
对于封装到电路板的互连，采用为金属化连接
盘或合金球。当封装高度有问题时，通常指定
用盘栅阵列（LGA）封装的IC，也可采用小合
金球的球栅阵列（BGA）互连系统。装备于大
部分塑封基BGA上的
触点合金是一种锡/铅（共
晶）或一种锡/银/铜（无铅）合成物。使用陶
瓷基基板的面阵列封装可配置高铅焊球或柱状
焊料，如Pb90/Sn10。面阵列封装变化不断增长
的数量使非增强介电薄膜适应于基板与不同灌
封材料的组合。微型密节距（FBGA）和芯片尺
寸封装（DSP）也已广泛使用（尤其是便携或手
持电子产品），同时许多较高功率应用整合了封
装内置散热器或散热层（见
第4章）。
当焊接至传统印制板时，面阵列封装焊料连接
的长期可靠性成为主要问题。材料的热膨胀系
数（CTE）差异会对焊接界面产生不适当的应
力。面阵列封装连接的完整性会变化，这取决
于焊点所受负载条件以及产品的可靠性要求。
当大硅芯片用不适宜的环氧化合物连接到有机
基板时，CTE不匹配会进一步加剧。硅的CTE大
约为3ppm/°C，而有机基板则接近于
16ppm/°C。
在组装过程中的封装翘曲，甚至封装内的功率
耗散都会使焊点受到显著的拉伸应力。在焊接
界面的过度应力和应变会导致焊点失效，甚至
金属连接盘的分离。
当芯片通过刚性环氧树脂连接至封装基板时，
直接位于芯片下方的基板材料限制其CTE到接
近于芯片的CTE。当焊球位于同一区域且暴露
于宽幅变化的工作温度时，焊接界面会受
到过
度应变。对于“腔体朝上”的元器件（连接的
芯片面向远离于封装基板），仅用一薄介电层将
图8-16 焊盘坑裂两个⽰例（位于BGA⾓落）
图8-17 1.0mm节距⽆铅焊球的焊盘坑裂。连接到连接
盘的⾦属线路断裂明显；但是这种焊盘坑裂在亮场景的
显微镜下很难看出来。
BGA焊盘蚀刻
线边缘的断裂
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焊点从芯片分开。芯片越大，焊料连接可靠性
问题就越严重。此外，当BGA焊点开裂时，其
通常在焊球至封装界面。这是焊料和受限制的
芯片BGA基板之间局部膨胀不匹配的结果。
较大BGA封装轮廓的目前趋势是将触点移至封
装周边，可能的例外是某些散热焊球和导通孔
需保留在封装的中央区域。无法将焊球触点移
出芯片连接
区域外的一些制造商已采用更柔顺
的芯片连接材料。柔顺的芯片至封装连接界面
稍厚，并且展现出焊料到板子界面应力的明显
减少，从而提供了疲劳寿命的实质性增加。
8.5.2 托⾼⾼度 托高高度会显著影响焊点可靠
性。托高越高，焊点可靠性就越好。用Sn63Pb37
焊球连接的BGA导致焊点高度难以受控且更低
（400至640μm），而Sn10Pb90焊球（直径为760
至890μm）则
会形成相同尺寸的、一致的焊点高
度，因为Sn10Pb90焊料具有远高于近共晶锡/铅
焊料的液相温度，并且在通常的再流焊工艺中
不会融化。表8-2提供了锡/铅焊球和焊膏冶金封
装的典型托高高度信息。
封装重量也会影响焊点可靠性，因为它影响焊
点或托高高度。决定托高高度的关键因素为连
接盘尺寸、可用焊料量以及元器件重量。重量
越轻，连接盘尺寸越小，焊料量越多，托高越
高。
8.5.3 PCB设计考量
另一个影响可靠性的因
素为焊点几何形状和连接盘金属化。如果采用
覆盖连接盘镀层的阻焊膜限定（SMD），则会带
来负面影响，因为阻焊膜在金属化连接盘上，
影响了焊点几何形状。由SMD焊点几何形状产
生的应力集中会成为焊点失效的源头并降低其
可靠性。此外，阻焊膜形状和厚度也会影响焊
点可靠性。图8-19展示了由于阻焊膜上应
力集中
而产生的裂纹。
对于相等的焊点高度，使用非阻焊膜限定连接
盘（SMD）与阻焊膜限定(SMD)相比，预期
疲劳寿命增加1.25至3倍，对于更严酷的荷载条
件下的焊点，改善更大。PCB表面处理在BGA
焊点可靠性中也扮演着关键的作用。HASL，一
种常用的表面处理，其厚度可能会过厚或过薄。
不足的焊锡厚度可能被消耗为不可焊的
金属间
化合物。在化学镍层上浸金容易产生黑焊盘缺
图8-18 切⽚图⽰再流焊过程中未充分熔融的焊点。这些焊点位于插座凸轮的下⾯
表8-2 锡/铅焊球的典型托⾼⾼度（mm）
焊球节距 托⾼⾼度
再流前焊球
直径
PCB连接盘
尺⼨
1.27 0.40-0.60 0.75 0.65
1.00
0.45-0.55 0.60 0.45
0.35-0.45 0.50 0.40
0.30-0.40 0.45 0.35
0.80
0.35-0.45 0.50 0.40
0.30-0.40 0.45 0.35
0.28-0.35 0.40 0.35
0.18-0.25 0.30 0.25
0.50
0.18-0.26 0.25 0.25
0.08-0.15 0.17 0.25
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陷，在机械和/或热应力作用下导致脆弱的界面
焊点失效。“黑焊盘”缺陷被认为是由镀金过程
中镍过度腐蚀导致的。
在BGA焊点连接盘下面的层压板开裂也是一种
可能的失效机制。这种失效被认为是再流焊过
程中的焊点上的热机械应力和／或随后的机械
应力而导致的。盘内孔或者与焊盘紧挨的导通孔
可能会造成焊料排出。这种设计通常不推荐。
一些公司尝试盘内孔获得了成功结果。但是这
种法只适用于拥有丰富内部资源来用于验证带
有盘内孔技术的焊点可靠性的公司。BGA连接
盘中有微导通孔越来越普遍。无论何时使用微
导通孔，大多数BGA都会有空洞。研究表明大
部分空洞并不是引发裂纹的可靠性风险，但是
它们减少了焊点面积并且当裂纹扩张时缩短了
失效时间。图8-20展示了可靠性试验后的
失效，
其中空洞非常大焊球塌陷。
8.5.4 陶瓷栅阵列焊接连接的可靠性 陶瓷的
CTE大约6ppm/°C；有机基PCB的CTE处于16-20
ppm/°C的范围。因此，在陶瓷元器件和有机印
制板之间存在大约10-14ppm/°C的整体CTE不匹
配。为了弥补这种巨大的整体CTE不匹配，在
大多数应用中，陶瓷元器件通常需要焊料柱以
便可靠地运行。由于角落焊点负载大于其它焊
点（它们距离中点最远，也即DP），
它们首先
失效。
焊柱，目前只应用于陶瓷格栅阵列元器件(GAC),
是长度为1.27mm至2.29mm的10Sn/90Pb柱子，
或者铸造在CGA上或使用近共晶锡/铅焊料导体
焊接到CGA与基板上。在其它条件相同的情况
下，三种柱子高度，0.41mm[16mils]、0.76mm
[30mils]、2.29mm[90mils])，所对应的CBGA
焊点疲劳寿命之比为1:4:45。焊柱高度受到柱
纵横比要求（
高度对直径）的限制，即不产生
细长的柱子而改变了装载条件；铸造的柱子可
适应较大的高径比。
8.5.5 BGA⽆铅焊接 本节覆盖了使用无铅焊
料的BGA印制板组装的诸多方面。首先介绍各
种可用的无铅合金以及它们的选择。接下来描述
BGA印制板设计和组装考虑，包括当从锡／铅转
化为无铅封装和组装时发生的过渡技术讨论。
8.5.5.1 ⽆铅合⾦选择 在理想情况下，选择的无
铅合金应是当前使用
的锡/铅合金的直接替代。
直接替代合金不需要显著改变封装和板子组装
的材料、设备和工艺。直接替代确实存在，但
是这类直接替代品的成本与当前可获得的要求
高工艺温度（如SAC305）的在潜在无铅合金列
表中的合金成本相比并没有优势。
选择现有现有的最好无铅焊料合金这项原创性
的工作是国家制造科学中心（CMS）承担的为
期三年的研究。这项研究的成果
为一份报告，该
报告包含了对超过79种无铅焊料合金的评估。
表8-3展示了一些CMS工作组评估过的常见无
铅焊料。它们按照其熔点进行排列。这些合金
中绝大多数为富锡合金（>90%锡），其中锡分别
与其它元素，如铋、锌、锑、银和铜，构成二
元或三元系统。这些合金系统的熔点、优点、
缺点以及潜在的替代品在此表中列出。
二元或
三元富锡合金，除了锡-锌系统，比共晶
锡/铅焊料（熔点，mp=183°C）的熔点高30-40°
图8-19 阻焊膜的影响
图8-20 由于⾮常⼤的空洞，可靠性试验失效
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