【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第141页
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…
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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C。具有可比的熔点，同时具有所需物理和机械
性能、适合SMT组装的合金必须扩展到四元合
金。
全世界一些联合体已经从锡-银-铜家族中挑选
了合金作为无铅焊料的选择。在确定合金家族
中的最终选择以及特定合金成分时，应考虑并
评估许多因素。包括：
• 熔化温度
• 对常见元器件基板和板在表面处理的润湿性
• 与常规助焊剂，特别是免洗助
焊剂的兼容性
• 元器件和板子可靠性
• 机械、电气和热性能
• 可返工性
• 与铅的兼容性（在过渡时期）
• 从供应商的易获性
• 成本
•专利问题
表8-4比较了三个联合体所选的合金成分。三者
的成分相互非常接近，且在再流焊工艺表现非
常类似。另外，焊料合金供应商通常注明焊料
的每种元素成 分 有±0.2%的重量公差
，这符合
ASI J-STD-006规范。当考虑这些因素时，下
列合金成分全部重叠。
8.5.5.2 含银量约为1%合⾦的建议
• 焊点必须达到至少235°C，且TAL至少60秒。
• 当使用低银合金BGA时，某些PCA再流曲线可
能要调整。
• 再流焊温度曲线至少需要用金相学知识进行确
认，这需要额外的技术工作。
除了仔细的炉温曲线，还应进行金相（具有统
计学上
相当数量的样本量）确认低银焊球合金
的元器件形成的适当的焊点。
用于确认温度曲线的热电偶数量应大大增加，
以体现低银元器件能满足上面给定的条件，同
时其它元器件也可满足现有规范（无过热）。
表8-3 常⽤焊料及其熔点、优点和缺点
合⾦或合⾦系统 熔点(°C)优点 缺点
Sn95Sb5 240 良好的抗疲劳强度。
比铅毒性大； 高熔点，8°C半熔态范围， 润湿
性差和低拉伸强度。
Sn99.3Cu0.7 227
与其它无铅焊料相比成本低；缺铅时填充不易翘
起。
在空气中润湿性降低，但在惰性气体中润湿充
分。
Sn96.5Ag3.5 221
是CMS研究的主要选择之 一；在某些应用上
使用多年；一些加速可靠性测试结果表明疲劳特
性类似于锡
/铅焊料。
在高锡合金中再流焊接润湿能力最差；尽管对大
部分板子组装操作润湿性足够。
SnAgCu 217-220
比锡/铅焊料有更好的抗蠕变性；一些可靠性加
速试验结果表明其疲劳特性好于锡/铅焊料。有
最佳的糊状范围利于立碑控制。
在高冲击场合中容易断裂；有些成分为专利保
护。
SnZnBi 191-199
熔点最接近于锡/铅合金；比锡/铅焊
料强度好；
一些 可靠性加速试验结果表明疲劳特性比锡/
铅焊料好。
非常容易氧化和腐蚀，但是少量的铝可以减轻这
些问题；要求特殊助焊剂和焊接工艺以达到可接
受的制造良率。
Sn91Zn9 199
Sn63Pb37 183 最广泛应用的焊料合金。含铅。
Sn62Pb36Ag2 179
更强的拉伸强度，能抗立碑的糊状范围，较好的
抗蠕变性。
含铅，更贵。
Bi58Sn42 139
CMS排
后选择的合金之一，目前在低温应用中
使用。
对计算机应用来说，熔点太低；受到铅的污染，
易形成低熔点的三元相。
In52Sn48 118 熔点最低的焊料之一。
铟供应受限；对计算机应用来说熔点太低；易被
腐蚀。
表8-4 各联合体选择的锡-银-铜
家族⽆铅焊料合⾦成分⽐较
联合体 %锡 %银 %铜
IDEAL 95.5 3.8 0.7
焊料产品价值
理事会
96.5 3.0 0.5
iEMI 95.5 3.9 0.6
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