【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第30页
再流焊 接 到 板上 之前 的端⼦ 横截 ⾯ 再流焊 接 到 板上 之后 的端⼦ 横截 ⾯封 装 名称 焊球 连接盘 阻焊层 封装基板 焊点 电路基板 连接盘 阻焊层 封装 球栅阵列 ( BGA ) 焊料凸点 封装基板 连接盘 阻焊层 焊点 封装 连接盘 阻焊层 电路基板 焊 料栅阵列（ SGA ） Package Substrate ⾼铅焊球 填充 阻焊层 连接盘 焊点 填充 封装基板 电路基板 连接盘 阻焊层 陶瓷 球栅阵列（ CB…
与焊点重合，而之前该器件距离PCB较远。同
时当插座下压时焊接部分的可伸缩头会变形，
这样可以补偿共面问题。同样地，端子尾部的
伸出部分也会在下压时通过焊膏以补偿共面问
题。在再流焊过程中，SMT SC焊料会覆盖冲压
端子并粘附于印制电路板的连接盘之上，形成
喇叭形焊料填充。此填充的确切形状是由连接
盘和SMT SC端 子可湿 润 表面的大小/形状 所
决定的。这些端子可
湿润表面受制于激光烧蚀
区，它会阻止不需要的润湿，使熔融的焊料不
再沿端子往上爬。
Pillar端子（PILR）适用于极密节距、芯片级封
装，它在封装连接盘上表现出细小实心铜触点
的特征。这项设计可以实现阵列以更细的连接
节距布局，从而提供了极大的潜能以提高I/O密
度和电路的布线效率。除此之外，μPILR端子
克
服了许多球状端子现有的限制。这些包括极小
的触点间隙（小于0.3mm是可能的）、极小的封
装外形、增强了电性能和热性能以及坚固性、
可 展现出的优 秀 的 物 理 冲击和振动可靠性结
果。图4-1展示了当下可用的多种面阵列端子设
计。
4.1.2 BGA封装驱动因素 电子系统强 调更
快、更小、更轻使得元器件、印制板以及系统
封装变得更加复杂。组装复杂度增加的部
分原
因是由于小外形表面贴封装的广泛使用，这是
电子产品小型化的关键。器件触点节距也对制造
工艺的复杂性有着重要的影响。比如，随着采
用越来越小的触点节距，各组装工序如贴片、
焊膏印刷以及再流焊所需的工艺精度会越来越
高，检验、返工以及维修也需要越来越精确。
在选择BGA器件封装时，需解决的关键问题是
热性能和电性能、基板空间的限制以及成本。
不同类型系统的元器件封
装要求也不相同。举
例来说，高端微处理器运行频率较高，因此需要
热性能和电性能优异的封装。加强散热的方法
有：散热块、散热片、散热槽、肋片风扇（安装
在散热片上的风扇）等等。加强电性能的例子
有：多层和较高引脚数封装，封装内置电容。
气密性陶瓷封装通常采用封装内置电容。对于
中端系统而言，性能和成本都是重要的（并不
是说成本对于高端系统不
重要）。
4.1.3 成本问题 引线框封装集成电路一直保
持着比较低的制造成本。这是因为大量产品采用
有限的封装结构，这使得制造商可以利用通用
的模具和成型工艺来应对多样的客户应用。另
一方面，阵列封装的形式更多设计在一些特定
的产品应用。对引线数少于200的BGA器件进行
封装的初始成本就很有可能超过引线框封装，
造成成本上升的部分原因在于其独特的单
体基
板应用设计以及额外的封装组装工艺步骤。在I/
O数为200及以上时，引线框架封装集成电路和
球栅阵列封装的成本通常是持平的。
4.1.4 元器件操作 BGA载体可使用托盘或卷
带进行包装。EIA(美国电子工业联合会)标准中
的卷带包装形式通常规定在集成电路元器件相
对较小或者需求产量较大时使用。JEDEC注册过
的托盘载体需 要满足业界开发的设计指南（见
JEDEC 95号出版物，章节4.9和4.10）所要求的
固
定长 度、宽度和厚度。塑封集成电路，包括
BGA，容易受潮而在再流焊接过程中引起封装
失效。为了使器件不过度与湿气接触或暴露于
湿气中，装有BGA的托盘需要放置于密封的抽
真空ESD防潮袋内（同时在板级组装前应该保
持密封状态（见4.8.5））。
建议用户对塑封BGA规定以托盘形式而非卷带
形式包装。放置的托盘可适应受潮时潜在的
烘
烤需求。举例来说，如果塑封BGA封装暴露于
周边环境中的时间超过其现场寿命，它们可能
需要在组装之前进行烘烤。用于烘烤的塑料托
盘能承受125°C的额定温度。另一方面，为不损
坏载带，卷带材料不能暴露在超过50°C的环境
下，因此烘烤以卷带形式放置的湿敏BGA可能
需要花费很多天的时间。
4.1.5 热性能 加强散热性能对于处理速度越
来越快的微处理器来说是
必要的。随着新一代
微处理器的导入，功耗持续上升。由于器件的时
钟速度增加，所需的功率也随之上升。幸运的
是，当代半导体工艺使电阻尺寸缩小而使“芯
片收缩”成为可能，加之有趋势使电源电压降
低，较高的功耗问题得以减轻（随着器件尺寸
的缩小场强会增加，促使降低供电电压以避免
损坏）。由于比塑料封装的导热性好，陶瓷BGA
通常用于高功率封装。然而塑料封装在此方面
2013年1月 IPC-7095C-C
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再流焊接到板上之前的端⼦横截⾯ 再流焊接到板上之后的端⼦横截⾯封装名称
焊球
连接盘
阻焊层
封装基板
焊点
电路基板
连接盘
阻焊层
封装
球栅阵列(BGA)
焊料凸点
封装基板
连接盘
阻焊层
焊点
封装
连接盘
阻焊层
电路基板
焊料栅阵列（SGA）
Package Substrate
⾼铅焊球
填充
阻焊层
连接盘
焊点
填充
封装基板
电路基板
连接盘
阻焊层
陶瓷球栅阵列（CBGA）
插座端⼦
焊点
电路基板
插座本体
连接盘
电路基板
填充
柱
陶瓷封装
陶瓷柱栅阵列（CCGA）
插座端⼦
预置焊料
插座本体
连接盘
填充
柱
陶瓷封装基板
Solder Charge™ SMT
μPLR
阻焊层
封装基板
连接盘
μPLR
阻焊层
封装基板
电路基板
PILR™
图4-1 ⾯阵列封装的端⼦类型
IPC-7095C-C 2013年1月
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也有进展，散热增强型塑料封装已经在业界被
广泛运用。散热增强型塑料封装的功率过去常
被限制在6-8W，而通过加上金属散热片，塑料
封装可以满足达到30W的运行功率。
4.1.6 空间 基板空间限制是元器件尺寸减少
的重要推动力之一。表面贴装元器件已有广泛
的使用，这不仅因为其尺寸小，并且能在印制
板两面都能贴装。随着引线数量的增加，即便
是在表面贴装，导体与导体节距也必须减
小以
使封装尺寸保持在可生产的范围之内。
随着BGA封装的触点节距的减小，在给定面积
下安装更多元器件的机会相应增加。尽管现在
的印制板空间在单位面积内可以支持更多的功
能，但诸如密节距BGA等元器件互连时可能需
要更窄的导线和更密的导线间距。对于元器件
密度较高的组件，需要较多数量的导电层来保
持较小的印制板形状因数。
4.1.7 电性能 电性能驱
动因素包括信号的完
整性、工作频率、功率以及引线数量。随着频率
的提高，改善阻抗控制的需求以及封装插入损
耗的最小化将是个问题。当进行阻抗控制时，
人们必须要考虑到防止/抑制反射的需要。如果
这些端子与临界信号的源点和／或负载点并联
连接，会使得功率消耗增加。即使其它条件相
同，高频运行本身会驱使
功率按频率的平方上
升。同样地，已增加对低功率半导体的研发以
试图减少复杂数字集成电路的平均功耗。幸运
的是，由于集成电路工艺已经相当成熟，每个
逻辑运算单元的功率会随着更小的器件外形尺
寸而减小。对于陶瓷封装的情况，即使随着高
速器件的键合连接盘的增加，也可利用内在的
高封装电容值以及运用封装内置的旁路电容，
使得电源和接地分布所需的引脚数量增长需求
保持最小。
4.1.8 机械性能 BGA组件对于由机械冲击、
振动和弯曲导致的其它失效模式的耐受性也应
被评估。IPC-9702、IPC-9703、IPC-9704、IPC-
9707以及IPC-9708中描述的程序为完成诸如机
械冲击和弯曲测试之类的评估提供了指南。由
这些暴露类型所引发的互连失效模式已超出焊
点失效模式
。通过机械试验观察到的另一个失
效模式为焊盘坑裂，具体表现为BGA焊盘下面
的印制电路板树脂层的断裂。这些裂纹开始于
BGA焊盘边缘，之后持续扩张穿过下面的树脂
层。该断裂模式会有许多种，可能是在铜焊盘
及其之下的树脂之间粘结失效，也可能是由树
脂层整体的断裂导致的粘合失效。
当 连接BGA焊盘的 线 路 断 裂时会发生电气失
效。
取决于机械荷载的位置，导线断裂会发生在
BGA底部的焊盘坑裂扩张之前或之后。这种现
象会导致潜在缺陷的风险，产生长期可靠性问
题。焊盘坑裂最初可能出现于组装过程的机械操
作，但此时的测试并不能探测到电气失效。后续
的热-机械作用暴露可能会导致裂纹扩张贯穿导
体，在随后的现场运行中引发电气失效。即使线
路没有裂纹
，层压板裂纹也可能会使更多的湿
气进入，从而导致阳极导电丝的形成（CAF）。
4.2 BGA封装中的芯⽚安装 BGA中的芯片有
许多安装方式。根据芯片至焊球阵列信号传输
的介质的不同，有三种主要变化。这三种最基
本设计中，信号分别通过导线、导电材料（倒
装芯片）或导电带状引线传递。基板材质可以
是陶瓷或有机材料。封装的性质取决于基板材
料的性质及其尺寸参数。下文会对较为常用的
一种芯片到封装组装方法进行介绍。
4.2.1 ⾦属线键合 BGA金属线键合有两种主
要形式，它们分别为板上芯片直装（COB）－芯
片主表面背对基板，还有芯片上基板(BOC)－
芯片主表面向上正对基板。对于这两种结构，
芯片上的键合焊盘都布置在外围部分，键合线
通常从芯片的周围连接到围绕芯片的基板连接
盘上。
芯片可用导电或非导电的粘合剂与基板相连。
当芯片背
面需要电气连接时规定必须使用导电
粘合剂。但缺点是当封装内电路布线时，无法使
基板面积小于或等于芯片大小。如果芯片不需
要背面的电气连接，在基板上安装芯片时可以
使用非导电粘合剂进行连接。在这种情况下，
芯片下方的区域可以用作信号布线。
为芯片连接所选用的粘合剂要保证不能对线条
的机械完整性以及电气信号的完整性有负面影
响。按照芯片连接和粘合剂固化工艺，将芯片
与基板进行电气连接。芯片上的键合焊盘与
基
板上的键合焊盘通过金线（可行时或铝线）进
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