【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第25页
热非平衡封 装 设 计，特 别 是 在 顶 部有 散热片设 计的 封 装， 根 据 经典 的 双 金属 材料 效 应 将 会 产 生 弯 曲 。 3.5.4 返⼯ 尽 管 BGA 并不 像密节距引线 框 架 器件 那 样 有 很 多 的 返 工， 但许 多 组装 厂 对 使用 难以 返 工的 元器件封 装心 存 疑 虑 。 虽 然 BGA 返 工 困 难 ， 但 并不意 味 着 不可能实 现 。 如 今 有 现 成 的 BGA 返 工技…
有一些BGA外观检验方法能够识别出焊点的问
题，从BGA的外排焊球，可以看到陶瓷BGA非
塌陷焊球以及塑封BGA塌陷焊球的良好流动的
情况。外排目视检查结果可以作为这些问题的标
志，例如查看BGA外排与连接盘的对齐情况，
以及BGA座落在电路板的情况，是水平的还是
倾斜的。
3.5.2 湿敏性 塑料封装的BGA湿敏性极高。如
果BGA封装未进行足够烘烤或者组装前没有保
持干燥，使它们容易出现翘曲、膨胀、爆裂或
者裂纹等情况。元器件贮存和操作程序对BGA/
FBGA是至关重 要的，它对其它任何湿敏元器
件，包括有引线的表面贴装器件也是十分关键
的。
元器件的湿敏性可依据J-STD-020来测试，湿敏
性决定于封装的厚度。 每种BGA封装类型的湿
敏等级都需要分析。
了解BGA封装类型对应的适
用温度是很关键的，适用的温度分别为220°C、
235°C、245°C、250°C以及260°C。如果使用温
度更高，封装类型的湿敏性可能要下降几个等
级。
由于模塑化合物和基材系统的改善，绝大多数
基于层压板的BGA可在高于220°C温度下安装。
密封的陶瓷BGA是非湿敏器件，因此可在任一
较高温度下实现安装。因为向无铅焊接切换，
业界
需要 试 验和验证在更高温度下的工艺，
如260°C，如此高温不仅BGA会面临的严重问
题，所有其它表面贴装器件也会产生问题。
3.5.3 热⾮平衡BGA设计 塑料BGA封装也容
易出现当边缘向上弯曲时的翘曲，这可能会造
成外排焊球没有连接上。封装边缘也可能向下
弯曲，因此可用术语“哭脸”或“笑脸”BGA
来识别这两种情况。所谓的“笑脸”BGA基板
对外
排焊球施压，而“哭脸”BGA基板对内排
焊球连接位置施压。封装翘曲是返工时仅施加
助焊剂时面临的实际问题。大尺寸芯片会引起
PCB和封装层压材料之间CTE不匹配，从而造成
封装翘曲（见图3-8）。
表3-3 可能的电镀或元器件端⼦材料性质
金（Au）
金（Au），电镀
金（Au），硬质
铟 (In)
镍/金(i / Au)，化学镀镍/浸金
镍/金(i / Au)，电解
镍/金(i / Au)，
镍/钯 (i / Pd)
镍/钯/金(i/Pd/Au)
镍/钯/金(i/Pd/Au)，化镍钯浸金
有机可焊接性保护剂（OSP）
有机可焊接性保护剂（OSP-HT），高温
钯(Pd)
铂/钯/银(Pt/Pd/Ag)
银(Ag)
银(Ag)，电镀
银(Ag)，浸镀
银(Ag)，有镍(i )隔离层
银/钯(Ag/Pd)
银/钯(Ag/Pd)，有镍(i )隔离层
锡(Sn)
锡(Sn)，光亮
锡(Sn)，光亮，退火
锡(Sn)，光亮，熔化
锡(Sn)，光亮，再流
锡(Sn)，光亮
，再流覆盖镍(i )隔离层
锡(Sn)，光亮，带镍(i )隔离层
锡(Sn)，光亮，带银(Ag)隔离层
锡(Sn)，热浸镀
锡(Sn)，浸镀
锡(Sn)，亚光
锡(Sn)，亚光，退火
锡(Sn)，亚光，熔化
锡(Sn)，亚光，再流
锡(Sn)，亚光，镍(i )层上再流
锡(Sn)，亚光，带有镍(i
)隔层
锡(Sn)，亚光，带有银(Ag)隔层
锡(Sn)，再流
锡(Sn)，半亚光(Sn)
锡/铋，(SnBi), <5% Bi
锡/铋，(SnBi), =>5% Bi
锡/铋/金(Sn/Bi/Au)
锡/铜(Sn/Cu)
锡/铜(Sn/Cu)，退火
锡/铜(Sn/Cu)，热风表面整平
锡/铜(Sn/Cu)，热浸镀
锡
/铜(Sn/Cu)，亚光
锡/铅(Sn63Pb37)
锡/铅(Sn90Pb05)
锡/铅/银(Sn/Pb/Ag)
锡/银(Sn/Ag)
锡/银(Sn/Ag)，热浸镀
锡/银(Sn/Ag)，电镀
锡/银/铋(Sn/Ag/Bi)
锡/银/铋/铜(Sn/Ag/Bi/Cu)
锡/银/铜(Sn/Ag/Cu)
锡/银/铜(Sn/Ag
/Cu)，热浸镀
锡/锌(Sn/Zn)
锡/锌/铝(Sn/Zn/Al)
锡/锌/镍(Sn/Zn/i)
AC(不适用-必须提供注解)
IPC-7095C-C 2013年1月
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热非平衡封装设计，特别是在顶部有散热片设
计的封装，根据经典的双金属材料效应将会产
生弯曲。
3.5.4 返⼯ 尽管BGA并不像密节距引线框架
器件那样有很多的返工，但许多组装厂对使用
难以返工的元器件封装心存疑虑。虽然BGA返
工困难，但并不意味着不可能实现。如今有现成
的BGA返工技术和手动／自动设备，进行BGA
植球和连接盘图形修
复。在返工操作时必须考
虑一些因素，这些因素是：
• 热循环次数
• 植球时焊球塌陷
• 不要损伤BGA基板上的焊盘
• 正确进行连接盘修复，不要损伤产品电路板上
连接盘
• 基于所用的合金，再连接时合适的再流焊温度
• 除非使用免清洗助焊剂，否则需清洗以便去除
助焊剂残留
3.5.5 成本 BGA相比于被替代的密节距外围
器件封装还是有些许成本差异的。然而竞争方
面的
压力使得BGA成本持续下降以满足新的目
标。随着BGA所需的印制板层数的增加而产生
更多的成本，但采用BGA会带来互连概念和性
能特性方面的许多优点。
下面是BGA封装成本较高的一些关键原因：
• 基材成本更高（细线宽/密间距）
• 高T
g
值的BT(双马来酰亚胺三嗪)树脂
• 散热增强
• 电性能增强
• 极密外部节距
• 高温再流要求
• 薄外形高度
在过去的几年，这些问题都得到解决并且取得
了相当大的进步。
总体来说，创建BGA引脚数的设计标准是困难
的，因为每个芯片都有不同的要求，每个封装/
芯片组合都是独特的；因此，制造商在外围引
线封装上的规模经济
不一定在面阵列器件上看
得到。
表3-4表述了在将来几年，半导体工业界对于不
同技术下产生的每个引脚的期望成本。表中上
IPC-7095c-3-8
图3-8 BGA翘曲
2013年1月 IPC-7095C-C
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色部分深浅代表达到预测目标的困难程度。表3-
4引用于ITRS 2010 路线图，所展示的造价十分
高昂。较低成本范围对应的是外围引线封装，
而较高成本范围对应的是阵列形式的封装例如
BGA/FBGA。
许多资源专家认为，由于预测成本低，未来几
年这样的BGA价格不太可能获得盈利。
3.5.6 可获得性 节距为0.8-1.27mm的封装在
世界许多地区可大量获得。节距为0.5mm及其以
下的封装目前也可获得并应用于高档便携电子
设备。一些元器件制造商正着手研发自己的BGA
封装版本。这样做的目的一方面是为了增大设
计模仿的难度，另一方面则是为了保持市场份
额。其核心目的是防止第二家供应商进入市场，
以锁定设计人员使用由单一供应商提供的特定
非标元器件。
3.5.7 BGA中的空洞 许多厂商配合使用X射
线、在线电路测试（ICT）、自动光学检测（AOI）
来改善对BGA焊点的工艺控制能力。有些厂商
通过X射线来探测空洞，以确定一个接收/拒收
标准。任何类型的焊点都不可避免地出现某种程
度的空洞，但是对于空洞程度的可接受范围，
业界仍旧有争论。认为空洞可接受的人认为，
空洞本身并
无危害，其出现的位置才是关键。
检验空洞有许多的考量，为帮助建立工艺改进
标准，附录A中有一些表格可用于帮助制定工艺
改善目标。关于空洞的数据已经在许多可控实
验中得到了分析，结论为在热应力或机械应力
下，空洞总量与可靠性性能没有相关性。
随着BGA的节距和焊球尺寸日趋减小，焊球上
的空洞数量越来越值得注意。对
于这种情况，
建议将空洞的可接受标准与最终产品的工作环
境相联系。建议每个产品都制定一份关于空洞
的标准，并对生产过程或产品制定一个空洞目
标。
3.5.8 焊盘坑裂 使用BGA一个新的问题是焊
盘坑裂现象。焊盘坑裂的定义为连接盘与印制
板树脂/织物复合物、或连接盘下复合物内部分
离，它也被称为“层压板裂纹”。
焊盘坑裂的图例可见图3-9所示的BGA焊点截
面。这种现象形成的
原因与为满足无铅焊料的较
高温度要求而采用层压板树脂系统的新配方有
关，新材料较为坚硬而比之前所用材料更脆。
BGA焊点有若干种可能的失效模式。不同的失
效模式可参考图3-10中的描述。该图是要强调焊
盘坑裂位置与其它形式焊点失效位置之间的关
系。焊盘坑裂失效通常发生于位置5，位于焊盘
与印制电路板的层压板之间。处于元器件基材
与元器件焊盘之间（位置1）的失效模式与
焊盘
坑裂十分类似，但是这种失效模式通常归因于
元器件封装工艺而非印制板组装工艺，位置1的
失效通常会在元器件可靠性评估或3.5.2节中提
到的分类处理时被发现。
3.5.9 标准化问题 许多BGA采用传统印制板
（中介基板）材质，但是这些材料需要通过标
准的可靠性测试。许多机构，例如JEDEC、IEC
以及IPC，都开展了标准化的工作，以测试BGA
封装是否能满足大多数应用的要求极限。绝大
多数塑料材质
的封装应用在办公室设备、笔记
本电脑以及便携电子设备，这些应用场合通常
不需要像其它应用那样的产品生命周期性能要
求。
对特定应用的BGA，需要有特定应用的鉴定标
准将测试条件同产品的使用环境关联起来。许
多工业发展历程已识别了这些工作环境可为：
低成本、手持、高性能手持、高性价比、高性
能以及严苛环境中应用
等。后面的环境如宇航
和汽车电子（引擎盖下），通常需要额外的测试
如加速应力试验（HAST），用以验证在那些严
酷环境下可靠性。
表3-4 半导体成本预测⽰例
年份输⼊ 2008 2009 2010 2011 2012 2015 2018 2020
合约制造每引脚最小成本[1,2](美分/引脚)
低成本，手持式和存储器类 0.24-0.47 0.23-0.46 0.22-0.45 0.21-0.43 0.20-0.42 0.19-0.38 0.18-0.35 0.17-0.34
性价兼顾 0.63-1.00 0.62-0.96 0.61-0.94 0.60-0.92 0.58-0.90 0.55-0.85 0.52-0.80 0.50-0.79
高性能类 1.68 1.64 1.61 1.58 1.55 1.45 1.37 1.32
使用严苛 0.23-2.00 0.22-1.90 0.22-1.54 0.21-1.46 0.20-1.38 0.19-1.17 0.18-1.00 0.17-0.89
白 已有方案 黄—方案开发中 红 无已知方案
IPC-7095C-C 2013年1月
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