【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第143页
1 % 的 银 合金 看 来与 许 多 当前 业 界 的 需 要 最小再 流峰 值温 度/ TA L 时间为 235°C / 60 秒 的 SAC305 无铅 组装 规范 不 兼容 ，而 当前 规范 对 于其它合 金 大 多 可 以 满 足 。对 应于 会 显 著 改 变再流焊曲 线 要求的下限的 银 含量实 际 限 值 还 没 有 精 确 界 定 。大 概 是 介于 1 %至 2.3 % 的 银 。 由 于其它变 量 也 可能会 影响…
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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1%的银合金看来与许多当前业界的需要最小再
流峰值温度/TAL时间为235°C/60秒的SAC305
无铅组装规范不兼容，而当前规范对于其它合
金大多可以满足。对应于会显著改变再流焊曲
线要求的下限的银含量实际限值还没有精确界
定。大 概是介于1%至2.3%的银。由于其它变量也
可能会影响此数值，所以对于任何含银量低于3%
的合金都应
特别注意。
焊点可靠性－业界研究一致表明，低银合金的跌
落特性优于近共晶SAC。除了合金成分之外，
该结果也取决于连接盘表面处理。这种改善的
确切原因仍在辩论之中。可能是由于焊球体刚
度和屈服强度的减小。众所周知这种金属间层
成分和/或焊点结构的改变是可预期的。要求减
小过冷度以坚固BGA球。
已发布
的数据表明，低银合金的疲劳寿命低于
高银对应物。然而现有的模型都是针对具体产
品的。目前还没有针对这些合金公认的加速模
型，这使得预测产品的寿命非常困难。现有可
用的研究结果与各种最终产品使用条件有关，
因此想要了解这些低银合金相对于共晶锡/铅如
何表现并不简单。
向低银焊球合金改变的管理—由
于对再流焊工
艺窗口和可靠性的潜在影响，从近共晶SAC焊
球合金向小于3%的银转变时，应考虑其形状、
安装以及功能的变化。这种情况下，即使仅有
焊球合金变化时，给BGA器件做额外的物料编
码也被认为是合适的。
8.5.5.3 电路板设计注意事项 用无铅焊料的
BGA组装的板设计通常 非 常 类似于目前使用
的 锡/铅焊料的板设计。相 同的可制造性设
计（DfM）规则和
指南应当如同应用于锡/铅
（SnPb）板那样应用于无铅板。这些包括元器
件定位、焊接、导通孔、阻焊膜、可维修性以
及可测试性等。其中部分详述如下。
BGA连接盘图形设计 – 如同锡/铅BGA焊接的情
况，锡银铜焊接优选的BGA连接盘类型是与阻焊
膜限定连接盘形式相对的非阻焊膜限定设计，
因为它给印制电路板设计人员最大的灵活性，
并且由阻焊膜对焊点产生的应力
点更少。
PCB上元器件贴装位置 – 由于锡银铜焊料在元
器件焊接时需要较高的再流焊温度，大的、温
度敏感BGA元器件的贴装位置需要仔细布局。
取决于板子尺寸、厚度和层数，靠近PCB板边
缘区域温度通常会比中心位置高5-15°C。在受
到较高再流焊温度时，因为大型封装更易出现
由湿气和热应力引起的缺陷，这样的封装应尽
可能限制在板的中心区域。其它因素
，如线条
可布线性和密度，可能必须将大BGA放置在板
子边缘。在这些情况下，再流焊接工艺窗口要
收窄，以保持BGA元器件暴露的最高温度低于
可接受的界限。
8.5.5.4 再流焊接注意事项 再流焊接通常在具
有热空气对流的IR对流炉中完成。相比于锡/铅焊
料，尽管需要高的再流温度熔化锡银铜（SAC）
焊料，对于无铅再流焊可能没必要用新设备。
之前锡/铅焊料所用的再流焊炉可以使用，只是
再流炉各加热区的设定明显增加。随着PWB板
质量的增加，若不扩展温区，会使限制最高再
流温度、整个PWB的温差以及再流时间的能力
变得更困难。
炉中的环境可以是空气或惰性气体，如氮气。
对于无铅焊接，为了在高温再流运行期间将板
子组件上的材料氧化减至最小，惰性气氛会有
帮助。许多准则取决于焊膏和焊膏制造商
以及
电子组件的热屏蔽方式。某些板子表面处理，
比如铜上的有机可焊性保护剂（OSP），在再流
焊接过程中可能需要惰性气氛，以达成可接受
的焊点良率水平。
应该对所有板子组件开发再流曲线。由于SAC
焊料需要较高的再流焊接温度，确定板上各不
同位置的最高温度很重要。因为材料类型、周
围的元器件、板上零件的位置和封
装密度不同，
元器件的温度可能会有变化。
为了避免由湿气和热机械应力对塑料元器件引
起的失效，最好要测量元器件本体的温度并检
查，以确保没有超出额定最高温度。这样，通常
在制定再流焊曲线过程中测量温度的热电偶，
应该在板子组件制定再流曲线时连接到焊点以
及各元器件本体上。大元器件在其引线/焊球与
元器件模塑化合物之间有5°C以上的温差。
BGA焊点的典型SAC再流曲线与锡/铅再流曲线
的对比在下面的图8-21中。图中显示了再流曲线
的四个不同区：焊膏媒体中的低熔点挥发成分
散发的预热区；使整板上温度趋于一致并开始
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活化助焊剂的助焊剂活化区；焊料熔化，润湿
连接盘表面并形成焊点的再流区；以及最后的
冷却阶段，此间焊料凝固，板子组件从炉中退
出并由风扇将加压气流吹向板使其冷却下来。
图8-21中描述的温度曲线称为“FAT”（助焊剂
活化时间）曲线，因为该曲线在焊料再流之前
具有保温区。作为替代，也可开发“爬升”曲
线，该
曲线由预热区至再流焊接区包含一个持
续的爬升。这种爬升曲线增加了再流炉中板子
组件的产量。但应小心以避免元器件过热，特
别是在板边缘。
8.5.5.5 BGA⽆铅焊点的外观 BGA封装本体
会遮盖其焊点。然而，借助于某些特殊的显微
镜，例如内窥镜，可以观察到外围的焊点。锡
银铜焊点的微观结构通常为多相微观结构，焊
点的表面看起来粗糙。图8-22展示了典型的锡银
铜 BGA焊点。这与通常具有光泽表面的典型锡
铅BGA焊点相比有很大的不同。
8.5.5.6 ⽆铅技术的转化 由完全锡/铅焊接系
统到完全的无铅焊接系统的转化不会一夜之间
发生。可能会出现锡/铅和无铅焊料在板子组件
上并存的过渡阶段。此过渡阶段必须要评估SAC
焊料中含铅的影响以及对焊点良率和可靠性的
影响。
在此转 化 阶段中可能的无铅板组件如表8-5所
示。
在上表中列出的第一种
可能的无铅板组件为
“向前兼容”。对于向前兼容电路板组件，其焊
接工艺已转化为无铅焊膏配方，相应的再流焊
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图8-21 ⽆铅(SnAgCu)和锡/铅(SnPb)BGA再流 焊接温度曲线对⽐
锡铅焊料再流温度曲线
@183°C 峰值温度=
205 to 220°C
无铅焊料再流温度曲线
@217°C 峰值温度=
235 to 245°C
257
227
197
167
137
107
77
47
17
0.0
0.6
1.2
1.8 2.4 3.0 3.6 4.24.8
5.4
6.0
Temperature
Time in Minutes
预热
预热
再流
再流
保温
保温
冷却
冷却
图8-22 SnAgCu BGA焊球的内窥镜照⽚
表8-5 可能的⽆铅组件类型
定义
元件端⼦/
BGA焊球 焊膏 板⼦表⾯处理
向前兼容性 含铅无铅有铅或无铅
向后兼容性无铅63Sn37Pb 有铅或无铅
全部无铅 无铅 无铅 无铅
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