【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第46页
具 有提 供 气 密性封 装的能力。 但是 对 陶瓷基板 材料， 确 实有 许 多 批 评 者 ， 比 如 它 通 常更 贵 、 更 易 碎 ， 具 有 较高介 电 常 数 （ 延 缓 信 号传 播 ） ， 并 且 热 膨胀 系数比 通 常 安装的 典 型 电路 板结构 要 小 得 多 。 最后 一 点 是 一个主要 问题 ， 它 既 要 限 制封 装的 总 体尺寸 同时 需 要 使焊 球 触 点尺寸 最 大化， 以 使封 装组装 后 …
4.5.4 BGA插座连接考量 如同其它BGA器件
一样，成功连接BGA插座有许多类似的要求。
在再流焊之前和再流焊过程中保持合适的焊球
共面度并对插座的翘曲进行控制是很重要的。
BGA插座操作比起其它BGA元器件更加关键，
原因在于焊球是与插座浆叶相连而并非直接与
元器件本体或基板相连。如果受到撞击，该浆
叶很容易会弯曲，使焊球无法保持对齐而导致
短
路或开路。另外一种常见缺陷类型为归属于
枕头效应类别的开路。这些开路缺陷的主要原
因为翘曲，常见于插座的角落焊球。除了采用
能在再流焊期间保持相对平坦的插座之外，还
可采取几种方法来减轻这影响。
处理器插座中央有一个开口允许在器件底部放
置电容。由于插座覆盖有用于拾取的盖子，这
会造成再流焊过程中空气有点不流通的空间，
使得
最靠近此空穴的焊球温度会比外排焊球温
度低。因此必须要特别注意再流曲线以使内外
排焊球之间的温度差趋于最小。较小温度差有
利于将再流焊过程中的插座翘曲最小化。要减
少开路的另一个方法是增加焊膏量，尤其是增
加有问题区域的焊膏量。增加模板厚度并非总
是可行的，所以增大模板开孔的尺寸可以作为
一个替代选择。通常
来说，在创建再流曲线时
最好遵照焊膏制造商的建议；但是确保最高温
度、保温时间，以及高于液相线时间不处于下
限也有助于避免枕头效应开路。
4.6 BGA构造材料
4.6.1 基板材料类型 BGA构造中使用到许多不
同的材料。材料的选择取决于很多于因素，包
括成本、使用环境、可靠性要求等等。材料选
择也取决于BGA制造所用的工艺以及将芯片I/O
以引脚面阵列形式重新分配时的设计复杂度。
基材的选择不仅依
据它们的电气特性，而且要依
据它们的机械属性。大部分元器件制造商要求
用于I/O端口重新分配的材料必须满足JEDEC标
准，JESD22测试方法A102B规定的应力测试。
这项测试包括在压力容器中暴露持续168小时。
这项严苛的加速应力测试要求只能使用最稳健
的材料作为中介基板。
4.6.1.1 双马来酰亚胺三嗪-玻璃（BT）双马来
酰亚胺三嗪树脂结合使用玻璃纤维增强物是制
造BGA封装
基材的常见选择。这种材料有多种
货源并能提供良好的散热性能（基于具有相对
较高的玻璃转化温度）。此外，BT树脂的电气性
能（IPC-4101/30 T
g
范围170-220°C）适用于大
多集成电路封装应用。
4.6.1.2 环氧树脂玻璃（FR-4）阻燃环氧-玻璃
复合物可用于BGA封装，但此材料最常用于印
制电路板制造。高T
g
FR-4层压板（四官能团、
多官能团）已主要用于多层电路板的制造，但
此材料同时也适合BGA封装。环氧树脂材料配
方的最新进展已使高温性能大大得到改善，以
及在玻璃转化温度方面可与BT匹敌。BGA构造
中使用FR-4树脂系统的另一优点是CTE更接近
匹配于其安装的电路板。IPC-4101已得到很大
的扩充以满足符合RoHS以及无铅焊接要求。已
能按组分配制出合成
物能在焊接过程中（该工
艺可能超过260°C）使分解率和Z轴过度膨胀最
小。由于制造商使用变化多样的配方来制造环
氧树脂玻璃基材料，用单张规范表单表达已不
切实际。RoHS符合性规范有六份，分别为IPC-
4101/99，/101，/121，/124，/126和/129。成分
元素略有差异，T
g
的范围介于110°C至170°C，
分解温度(Td)的范围介于310°C至340°C。所有
材料的UL阻燃等级为V-0（见表4-8）。
4.6.1.3 FR-4的阻燃剂 关于制造FR-4复合材料
时 使用的 阻 燃 剂 ，RoHS指令禁止使用某些溴
化合物，但没有禁止用于基板制造中目前作为玻
璃增强基材的阻燃溴化物材料。RoHS列为非法
的含溴化合物是那些在聚合物基体中保持
独立
分子的物质。这些物质包括多溴联苯醚（PBDE）
或多溴 联 苯 氧 化 物 （PBBO）和多 溴 联 苯
（PBB）。符合RoHS的含溴化合物包括起反应变
为聚合物基体化学成分一部分的那些物质，如
四溴双酚A（TBBPA）。符合RoHS并不代表基材
必须无卤。某些含溴阻燃剂包括FR-4中最普遍
的含溴阻燃剂
TBBPA，已被RoHS接受，十溴联
苯醚（DBDPE）也已得到了RoHS的豁免。
4.6.1.4 陶瓷 陶瓷是用作基于矾土或氧化铝基
板的通用分类术语。陶瓷是最先以针栅阵列的形
式作为面阵列封装的材料之一，同时也是最先
用作构建最早期BGA的封装材料。陶瓷基板有
较高的热传导率，且采用腔体加盖子的形式，
2013年1月 IPC-7095C-C
31
具有提供气密性封装的能力。但是对陶瓷基板
材料，确实有许多批评者，比如它通常更贵、
更易碎，具有较高介电常数（延缓信号传播），
并且热膨胀系数比通常安装的典型电路板结构
要小得多。最后一点是一个主要问题，它既要
限制封装的总体尺寸同时需要使焊球触点尺寸
最大化，以使封装组装后达到可接受的焊点可
靠性。
4.6.1.5 挠性（ 未加强）基膜
挠性基膜已逐渐成
为BGA构造中的常见选择，此类构造最普通的基
膜为聚酰亚胺。聚酰亚胺有许多吸引人的属性，
使其成为BGA基板的合适选择。聚酰亚胺薄膜
提供的正面属性为极高温度上限（~250°C）和
相对低的介电常数（约3.5，FR-4约4.5，陶瓷约
10.0）。此外，聚酰亚胺材料很薄，更容易生产
出高密度面阵列封装所普遍要求的细线电路特
征。
从负面
角度来说，非增强或挠性材料的主要问
题一直是其尺寸稳定性。
材料增强提供增加X-Y轴CTE性质的物理特性。
X轴和Y轴是当封装组装到互连产品时，影响封
装焊点应力的互连产品特定部分。除此之外，
聚酰亚胺膜通常比其它加强有机基材更加昂贵
并相对较易受潮。另一方面，由于聚酰亚胺膜
更柔和，它会吸收而不是传递应力。
4.6.2
基板材料性质 关于基板材料规定并量
测了许多性质，但只有很少的性质被认为对最终
BGA成品的性能是关键的。
4.6.2.1 热膨胀系数（CTE） 热膨胀系数是BGA
基板的一项非常重要的物理属性。热膨胀系数
定义为当温度上升时材料的膨胀率。当BGA封
装与其安装的电路板结构存在较大的CTE差异
时，其重要性就会被放大。当CTE差异较大时，
焊球连接处会出现过度的应力和应变并
导致焊
点加速退化。
4.6.2.2 玻璃化温度（T
g
）玻璃化温度是材料由
刚性玻璃态向柔性橡胶态进行转化时的温度。
同时玻璃化温度也是材料强度开始降低而以更
高的速率膨胀时的温度（也就是CTE增加）。
4.6.2.3 弯曲模量 弯曲模量作为基板刚度或硬
度的度量很重要。对于BGA的影响通常会表现
为翘曲的程度。如果翘曲过大，这会显著地影
响电路板组装良率。
4.6.2.4 介电性质 在介电性质
总标题下包括几
个指标，如介电常数、消耗因数、介质耐压和
表面绝缘电阻等，这些性质很重要。此外，对
于电脑、便携式通讯产品和需更高处理能力的
模块而言，信号速度和完整性是至关重要的。
当系统设计运行在200-300MHz以上而继续使用
FR-4材料时，更高性能能力的需求将是显而易
见的。随着处理速度持续增加，有必要降低材
料的介电常数和
损耗因子。更加先进的基板材
料系统可以提供稳健的方案，比如，氰酸脂提供
114cm/nsec的信号传输速度，相比较普通的FR-
4环氧树脂材料为100cm/nsec。在选择先进材料
表4-8 IPC-4101C FR4 属性总结 – 规范表，预计更耐受⽆铅组装
属性
IPC-4101B规格书
/99 /101 /121 /124 /126 /129
最小T
g
(°C) 150 110 110 150 170 170
最大T
g
(°C) /A/A/A/A/A/A
最小Td (°C) 325 310 310 325 340 340
填料 yes yes no no yes no
阻燃剂 RoHS BR RoHS BR RoHS BR RoHS BR RoHS BR RoHS BR
易燃性 V-0 V-0 V-0 V-0 V-0 V-0
最大Z轴向CTE – alpha 1 60 60 60 60 60 60
最大Z轴向CTE – alpha 2 300 300 300 300 300 300
最大Z轴向CTE (50-260°C) 3.5 4.0 4.0 3.5 3.0 3.5
T-260(分钟) 30 30 30 30 30 30
T-288(分钟) 5 5 5 5 15 15
T-300(分钟) AABUS AABUS AABUS AABUS 2 2
UL最大工作温度(°C) AABUS AABUS AABUS AABUS 130 130
IPC-7095C-C 2013年1月
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技术时，必须要考虑较低的介电常数（Dk）和
损耗因子（Df）：
较低介电常数（Dk）的优点包括：
• 更快的导体信号速度
• 相同的导体形状，更薄的信号连接线。
低损耗因子（Df）的优点包括：
• 高频信号完整性得到改善
• 高频下较少的信号损失
表4-9列出了制造BGA基板时使用的一些材料的
不同特性。
4.6.2.5 吸湿性 应密切关注用于
BGA构造材料
的吸湿性。理想材料不会截留任何湿气，从封装
的角度而言，应关注层压板基材会截留湿气这
一事实。截留的湿气在组装过程中会膨胀和剧
烈排出，导致局部分层、降低封装的可靠性。
4.6.2.6 平⾯度要求 必须维持BGA基板的平面
度要求，以确保封装组装后不会出现过度翘曲
和拱曲。出现这种情况会使测试和下一级组装
产生困难。芯片一旦
连接后，封装组装工艺可
能会改善一些负面影响，尤其是当芯片相对于
封装外形尺寸较大时。对于BGA封装，推荐的
平面度标准为不超过0.3%。
4.7 BGA封装设计考量 除了芯片设计规则，
基板设计人员必须要理解热和电气性能问题。
BGA封装设计人员也必要考虑可制造方面的问
题：基板制造、第一和第二级组装良率以及成
品封装可靠性。
4.7.1 电源和接地层 必须要事先策划封装内
电源和接地分布。对于一些
高速电路应用，整
个电路层需用于电源和接地分布。当需要受控
阻抗传输线时，也会使用接地和电压层。此外，
静音接地需要与所有存在开关动作而产生的噪
音接地分开。某些应用场合下，芯片各部分需
要若干个不同电压的电源。这些层需要在BGA
封装基板上均匀分布以使元器件翘曲最小化。
对于需要有稳定电源或接地层的应用，需要的
基板层数至少为四层。与双层封装相比，四
层
基板有较低的热阻抗和较高的功率耗散。对散
热加强型BGA，内部装有铜制散热片，散热片
通常可作为接地平面，通过通孔到散热片连接
接地线，散热片变成有源载流接地平面。
4.7.2 信号完整性 有三种主要的BGA封装设
计考量会影响信号的完整性：
1. 特性阻抗传输线中的不连续导致的反射。
2. 由动态线和静态线之间的耦合噪声产生的相
邻线路之间的
串扰。
3. 由多路输出同时开关而产生的开关噪声，通
常被称为ΔI噪声或SSO噪声。多路同步开关
输出（SSOS）需要电源和电源线间有一个较
低的等效电感（Leff）:
ΔI oise = L
eff
di
dt
in millivolts
BGA封装的有效电感取决于与芯片上电源和接
地焊盘相关的电源和接地引脚的数量和布置，
通过对电源和接地引脚适当分配和借助于商用
信号完整性分析工具，Leff和ΔI可以最小化。
4.7.3 封装内置散热⽚ 当芯片功率超过封装
基板所支持的最大功耗消散能力时，可在封装
内部安装散热片。由于大多数层压板材料的导
热率较低，集成电路产生的热量通过铜导体、
镀覆通孔和焊球散出。通
过在芯片安装区域下
面配置一个铜平面或铜区域，散热片会被整合
到封装中。封装设计时很重要的是要尽可能维
表4-9 BGA封装基材常⽤介电材料的典型性质
性质
材料
⾼性能环氧树脂
双马来酰亚胺三嗪/
环氧树脂 聚亚酰胺 氰酸脂树脂
介电常数（纯树脂） 3.4 2.9 3.5 – 3.7 2.8
电气强度(x 103 V/mm) [x 106 V/in] 70.9 [1.8] 47.2 [1.2] 70.9 [1.8] 65.0 [1.65]
体积电阻率(x 106 D-cm) 4.9 4.0 2.1 1.0
吸水性(wt%) 0.3 1.3 1.3 0.8
损耗因子 0.012 0.015 0.01 0.004
注：也可参考表5-1
2013年1月 IPC-7095C-C
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