【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第36页

认识到如果半导体能够各自进行预封装并在装联之前进行测试，复杂的混装技术能以较高的良率和更为经济的方式进行生产。 PoP 应用最常见的解决方案是利用围绕现有的 JEDEC FBGA 标准阵列封装格式设计的封装分标准（见图 4-5 ）。因为单个封装体在叠装前都进行过完整的测试，所以预…

为0.1mm）。阻焊膜开窗大小就可认为是将要连

接的焊球直径，不过实际的连接盘尺寸应略大

以适应阻焊膜限定的概念。需要注意的是由于

连接盘尺寸变大，布线密度相应地就减小了。

4.3.3 BGA封装外形球栅阵列的本体尺寸可分

为以下两种系列外形：方形和矩形。方形封装系

列的尺寸范围为4mm×4mm至50mm×50mm。

对于密节距变化，封装尺寸以1.0mm的步长增

加。若尺寸大于

21mm×21mm,封装尺寸以2.0mm

至2.5mm的步长增加，并且节距在通常范围之内。

当封装尺寸大于21mmX21mm时，几乎没有密节

距器件。矩形BGA系列的尺寸范围为4.0mm至

50mm，随着不同的应用而变化。相比于方形系

列，矩形系列的变化更加丰富。矩形尺寸通常

没有固定的增长步长。该系列通常受到存储器

器件应用的驱动，并且在尺寸上会与芯片尺寸

相

近。矩形尺寸对小型应用的特定类别通常是

标准化的。节距小于等于0.8mm的密节距BGA

元器件的本体尺寸通常很少超过21mm。

密节距球栅阵列（FBGA）是节距为0.5至0.8mm

的焊球阵列封装，它有固定尺寸“D（长）”和

“E(宽)”。FBGA更多是之前提到的有固定尺寸

的塑料和陶瓷BGA系列。尽管FBGA通常会在外

形尺寸上只比芯片大20%，但不会每当芯片收缩

时它的外形就改

变。

芯片尺寸球栅阵列封装（DSBGA）是节距在0.30

至0.50mm之间的焊球阵列封装，它有可变封装

尺寸“D（长）”和“E（宽）”。DSBGA封装的

外形为长方形，与芯片相同，目前广泛应用于闪

存和动态随机存储器件。矩形芯片尺寸（RDS）

外形的“D”尺寸和“E”会随着芯片的缩小而

变化。

4.3.4 焊球尺⼨关系整个系统总变差需考虑三

个主要

问题：定位、焊球公差以及基板公差，

将这三种属性叠加在一起的可得出最差情况分

析；然而，因为本标准中有其它连接盘图形，

统计意义上的平均值用均方根的值来确定。高

引脚数IC以及小外形封装这两种趋势使得厂商

能够同时改进产品的功能和性能。表4-5可帮助

用户计算各种BGA应用中的连接盘图形尺寸变

差，并各自对本标准识别的9个焊球尺寸显示出

系统总变差。如前

面所提到的，焊球触点直径的

标准标称尺寸为0.15、0.20、0.25、0.30、0.40、

0.45、0.50、0.60以及0.70mm。阵列封装的焊球

触点尺寸会受到总体封装高度、焊球触点节距

以及想要的最大焊点可靠性限制的影响。

4.3.5 叠装BGA 叠装（PoP）创新技术正优先

用于大量单列直排封装（SIP）应用中。厂商已

表4-4 连接盘尺⼨近似值

标称焊球直

径(mm) 缩减

标称连接盘

直径(mm)

连接盘尺⼨

范围(mm)

0.75 25% 0.55 0.60 – 0.50

0.60 25% 0.45 0.50 – 0.40

0.50 20% 0.40 0.45 – 0.35

0.45 20% 0.35 0.40 – 0.30

0.40 20% 0.30 0.35 – 0.25

0.30 20% 0.25 0.25 – 0.20

0.25 20% 0.20 0.20 – 0.17

0.20 15% 0.15 0.15 – 0.12

0.15 15% 0.10 0.10-0.08

表4-5 当前与未来BGA封装连接盘－焊球间尺⼨计算（mm）

连接盘尺⼨

位置余量焊球变差

焊球尺⼨

较标称减少% 变异余量MMC LMC 标称值 MMC LMC

0.60 0.50 0.10 0.25 0.75 0.90 0.65 25% 0.25

0.50 0.40 0.10 0.20 0.60 0.70 0.50 25% 0.20

0.45 0.35 0.10 0.10 0.50 0.55 0.45 20% 0.17

0.40 0.30 0.10 0.10 0.45 0.50 0.40 20% 0.17

0.35 0.25 0.10 0.10 0.40 0.45 0.35 20% 0.17

0.25 0.20 0.05 0.10 0.30 0.35 0.25 20% 0.15

0.20 0.17 0.05 0.06 0.25 0.28 0.22 20% 0.08

0.15 0.12 0.05 0.04 0.20 0.22 0.18 15% 0.07

0.10 0.08 0.05 0.04 0.15 0.17 0.13 15% 0.07

2013年1月 IPC-7095C-C

认识到如果半导体能够各自进行预封装并在装

联之前进行测试，复杂的混装技术能以较高的

良率和更为经济的方式进行生产。PoP应用最常

见的解决方案是利用围绕现有的JEDEC FBGA标

准阵列封装格式设计的封装分标准（见图4-5）。

因为单个封装体在叠装前都进行过完整的测

试，所以预封装芯片叠加的风险较小。

决定是否在PCBA级组装

前或组装中进行封装叠

装，可能会受到制程中配置灵活性需要的影

响。举例来说，底部封装的供应商为“A”，叠加

封装的存储器则可分别由供应商“B”、“C”或

“D”提供。毕竟，存储器功能可以从更多的来

源获得，且存储器测试也是有些专业的。此外，

承担的整体质量和可靠性的担忧可以有所

减

轻。逻辑器件供应商负责逻辑运算功能，存储

器件制造商负责各自的存储器功能，板组装厂

仅需负责这两者的表面贴装连接。这种供替代

的选择有两个好处，它使用户可以指定多种变

化（不同的存储器功能、数据传输速率等等）

以及可选择第二供应商。

4.3.6 共⾯度表面贴封装的一个关键问题是

触点共面度的局限。BGA封装与其它引线框封

装的表面贴元器件的共面度要求有很大不同。

任何BGA的共面度是指元器件触点面高出底座

面的距离。因此简而言之非共面度就是当封装

放置在完全平坦的平面时，最高触点与最低触

点间的最大距离。该定义表示座落在印制板上

的一个封装至少有三个位置与印制板接触。

共面度公差定义了封装最高点到底座面的距

离。此尺寸包括间隙高度、封装本体厚度和盖

子厚度（若有）。测量时不包括附属物如散热片

或其它元器件，但是集成的散热块不被认为是

附属物。如果封装刚好是层压板基BGA，由于

有要适应较大基板并在公差内维持平面性相关

的问题, 预期会带来额外的共面度问题。这就是

为什么塑封BGA封装的共面度要求是150μm的

部分原因。大多数供应商所希望的BGA共面度

的适用值大

约为200μm，但是用户则希望最大值

不要超过100μm（见4.6.2.6和4.8.4）不同种类的

BGA有不同的共面度要求。表4-6中提供了已在

JEDEC注册过的BGA外形的示例。

由于焊球金相结构不同，共面度的数值会随着

JEDEC外形的不同而变化。在低温条件下共晶

（熔点为183°C）焊球会在组装过程中会塌陷，

因此它的共面度要求不会像高熔焊球（熔点为

302°C）那样严

格，因为它们在组装过程中不会

塌陷。

4.4 关于元器件封装形式的考虑 JEDEC关于

BGA的设计指南中没有定义特定的材料和组装

方法。针对不同的应用，各供应商会使用不同

的基材。基底结构最可能是增强型有机层压

板，或为非增强型聚酰亚胺膜或陶瓷。以陶瓷

为基材的BGA封装通常由熔点为302°C的高温焊

料（90%铅，10%锡）制成的非塌陷焊球组成。

焊球尺寸随着焊球节距

和封装大小而变化。较

大的封装通常会需要较大的焊球尺寸以提高其

可靠性。由于陶瓷封装相对比较平整且焊球直

径的公差非常小，共面度要求也相对严格。陶

瓷材质封装的供应商通常会对板级组装选择适

用的焊膏成分提供建议。

为了研发新的连接方法，在上世纪90年代，一

项使用聚合物涂层焊球作为互连介质的专利得

以完成。

金属球是导电的，可用铜、银、金、

焊料等制成并在之后镀上一层导电聚合物。涂

覆方法取决于焊球制造商，且按应用所需涂层

可能有不同厚度。开发这种新式的互连方法是

为了解决由于陶瓷中介基板和有机印制板之间

CTE（热膨胀系数）不同而引发的问题。已发

表有一些技术论文讨论关于界面发热以及导电

聚合物如何连接中介基板和印制板的连接盘。

IPC-7095c-4-5

图4-5 关于叠装封装器件的JEDEC标准结构

来源：JEDEC出版物 95-4.22

= 0.65 mm

0.50 mm

0.65 mm

0.80 mm

0.50 mm

表4-6 JEDEC已登记的BGA外形⽰例

登记外形封装类型共⾯度

MO-151 塑封BGA 0.20mm

MO-156/MO-157 陶瓷BGA 0.15mm

MO-195 密节距BGA 0.08mm

IPC-7095C-C 2013年1月

对安装在FR-4板上的陶瓷封装的传统焊球和聚

合物芯焊球两者进行温度循环试验，并获得了数

据，同时也进行了电气模拟以比较聚合物芯焊

球和传统焊球。图4-6展示了这一工艺的概念。

层压板基BGA和聚酰亚胺膜基BGA是完全不相

同。层压板基的封装基本上是由高等级T

的电

路板材料制成。BGA封装应用中被一些公司采

用的高等级 T

树脂系统是双马来酰亚胺三嗪

（BT）。增强聚酰亚胺以及聚酰亚胺膜有更高的

温度额定值并在BGA和FBGA中也被广泛使用。

4.4.1 焊球合⾦焊球成分由总体印制电路组

装工艺（如锡铅或无铅）以及封装类型（如陶

瓷或层压基板）决定。增强层压板和聚酰亚胺

膜基BGA封装上选择的焊球触点合金成分差异

会很大。许多配置的是具有183°C（或对于含银

2%的共

晶焊料，179°C）熔点（液相线）的锡/

铅共晶焊料。通常仅需使用助焊剂然后在温度

215°C-220°C下再流完成连接工艺以将焊球触点

施加到封装基板上。

4.4.1.1 锡/铅技术合⾦尽管没有在大多数商

业应用中广泛使用，锡/铅合金可适用于焊球及

焊接材料。一种常见的合金组成为Sn63Pb37共

晶合金，液相线温度为183°C。共晶含银合金成

分Sn63Pn36Ag2，液相线温度为179°C

，是共晶

Sn63Pb37的可接受的替代选择。当使用锡/铅技

术时，陶瓷BGA通常使用Sn10Pb90高铅合金，

以提供所需的焊点可靠性，这种合金在锡/铅再

流焊工艺期间不会熔化。用共晶Sn63Pb37与印

制电路板相连时可提供可靠的互连。

4.4.1.2 ⽆铅技术合⾦符合RoHS指令（关于在

电子电器设备中限制使用某些有害物质），对于

焊球触点和封装连接基板，电气及电子组件和电

子

元器件的生产厂商必须使用无铅材料。尽管有

许多无铅合金可供使用，大多数制造商使用了将

锡作为主要成分的锡银合金或锡银铜合金。典

型的无铅合金的成分组成包括Sn96.5Ag3.0Cu0.5

(SAC305)，Sn95.5Ag3.8Cu0.7(SAC387)和Sn95.5

Ag4.0Cu0.5(SAC405)。这些焊料的液相线温度在

217-227°C的范围之内，需要的再流峰值温度范

围为240-260°C（取决于要加工组件的总质量）。

取决于具体合金规定的成分，焊球液相点的变

化范围可以达到10°C。（见表4-7）

在锡银铜系统中，也建议加入其它的合金元素；

然而这些添加物会影响焊料过冷度、各种金属间

化合物的构成以及不常见晶格性质和微结构变

化。在使用新合金到BGA以及将新合金的BGA

用于组装时必须要特别注意。除了锡银铜系统，

含有铋、铟、锑或锌等元素的合金系统也已被

研发出来。每个系统

冶金基础不相同，从而决

定了相应的物理性质和机械特性并影响了组装

工艺参数和焊点可靠性。

4.4.2 焊球连接⼯艺封装基板通常会被制成

包含多个封装的长条状（见图4-7）。焊球置放

在金属线键合和塑封或压模工艺之后进行，对

IPC-7095c-4-6-cn

图4-6 聚合物包覆球互联

铜焊盘

阻焊层

封装基板

互联层基板铜焊盘

聚合物芯

焊料

表4-7 ⽆铅合⾦变化

成分合⾦液相温度再流温度

Sn96.5/Ag3.5 锡/银 221°C 240-250°C

Sn99.3/Cu0.7 锡/铜 227°C 245-255°C

Sn93.6/Ag4.

7/Cu1.7

锡/银/铜* 216°C 237-247°C

Sn95/Ag4.0/

Cu1

锡/银/铜* 218°C 238-248°C

Sn96.5/Ag3.

0/Cu0.5

锡/银/铜* 218°C 238-248°C

Sn95.5/Ag4.

0/Cu0.5

锡/银/铜 218°C 238-248°C

Sn95.5/Ag3.

8/Cu0.7

锡/银/铜 218°C 238-248°C

Sn96.3/Ag3.

2/Cu0.5

锡/银/铜 218°C 238-248°C

Sn95.75/Ag3.

5/Cu0.75

锡/银/铜＊ 218°C 238-248°C

*可能受专利保护

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