【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第47页
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…
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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持热平衡以避免温度变化期间过度翘曲。陶瓷基
BGA的散热可通过热膨胀系数与氧化铝基板材
料匹配的高传导性的铜-钨合金材料替代传导性
低的氧化铝基陶瓷材料来实现。
4.8 BGA封装的接收标准和运输⽅式 关于BGA
封装接收标准存在一些问题。这些包括在鉴定
或制造过程中需要有的工艺控制方法，其中常
用抽样计划来定义产品的不合格水平。主要问
题有：
• 焊球缺失（4.8.1）
• 焊球中空洞（4.8.2）
• 焊球连接完整性（4.8.3）
• 封装与焊球共面度（4.8.4）
• 湿度敏感度（4.8.5）
• 运输介质（4.8.6）
• 焊球合金（含铅vs无铅）（4.8.7）
• 焊球尺寸与形状
• 模块平面度/封装弓曲
• 污染的存在
• 分层CSAM（C模式扫描声学显微镜）
4.8.1 焊球缺失 当BGA进料时，焊球触点的
缺失或损坏是不可接受的。图4-27提
供了BGA
封装中的焊球缺失的示例。
4.8.2 焊球空洞 焊球中的空洞应基于进料验
收标准或组装后焊点验收标准。焊球在组装前
还是在组装后出现空洞是有根本区别的。
典型的如图4-28所示的空洞在板级组装过程中可
能也可能不会消失。在进料检验时发现有焊球空
洞说明焊球中的焊料量已减少，这会使焊球塌
陷后间隙高度较低，进而可能会降低可靠性。
对于在组装后检验发现的空
洞，如果空洞过大
是由于焊料横截面和／或与中介基板和产品印
制板两者的连接面积减小而导致的，这样的焊
点可靠性可能会受到损害。因此有必要建立空洞
的可接受水平，以便产品能满足客户的期望，拥
有有效的工作寿命以及满足产品可靠性要求。
4.8.3 焊球连接完整性 BGA封装成功依赖的
因素之一为可靠的焊球连接。焊球连接需要在
可接受尺寸公
差内，连接后它们的高度和宽度需
在规定和/或可接受界限内。最重要的是焊球与
基板上的连接盘之间要形成适当的金相结合。
所有焊球需要有能保证润湿以达到最佳连接的
温度曲线。如果焊点不润湿，焊球就无法获得适
当的连接也不能保证必需的机械和电气互连。
这样的焊球会在运输和搬运时会脱落，或者在
电气测试时会出现失效或间歇性失效。图
4-29显
示了焊球和连接盘表面。左图为焊球的平整底
部，右图为认为已连接焊球的FBGA上的焊盘。
如果连接工艺温 度 不 足以形 成 适当的金相结
合，此时由于焊球和焊盘之间仅靠机械粘接维
系，所以只需要很小的力就可以将焊球从焊盘
剥离。
焊球连接完整性可通过焊球剪切来评估。人工
和自动剪切和剪切力记录仪可用于此目的。对
于剪切测试，剪切力的大小和
失效模式都同样
重要。焊接界面的失效，表明焊点从BGA树脂
图4-27 BGA器件焊球缺失⽰例
图4-28 来料检验时在共晶焊球中的空洞⽰例
IPC-7095C-C 2013年1月
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