【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第8页
4.8.5 湿度敏 感 度 （ 烘烤 、 贮存 、 操 作、 再烘烤 ） ........................................................... 36 4.8.6 运输媒介 （ 载带 、 托盘 、 管 ） ....................... 36 4.8.7 焊 球 合金 .....................................................…
⽬录
1 范围 ........................................................................... 1
1.1 目的 ..................................................................... 1
1.2 意图 ..................................................................... 1
2 适⽤⽂件 ................................................................... 1
2.1 IPC ....................................................................... 1
2.2 JEDEC ................................................................. 2
3 标准选择和BGA实施管理 ...................................... 2
3.1 基础架构说明 ..................................................... 3
3.1.1 关于连接盘图形和电路板的考量 ..................... 3
3.1.2 技术比较 ............................................................. 5
3.1.3 组装设备影响 ..................................................... 7
3.1.4 模板要求 ............................................................. 8
3.1.5 检验要求 ............................................................. 8
3.1.6 测试 ..................................................................... 8
3.2 投放市场准备 ..................................................... 9
3.3 方法 ..................................................................... 9
3.4 工艺步骤分析 ..................................................... 9
3.5 BGA的局限性和问题 ......................................... 9
3.5.1
外观检验 ............................................................. 9
3.5.2
湿敏性 ............................................................... 10
3.5.3
热非平衡BGA设计 ........................................... 10
3.5.4
返工 ................................................................... 11
3.5.5
成本 ................................................................... 11
3.5.6
可获得性
........................................................... 12
3.5.7
BGA中的空洞 ................................................... 12
3.5.8
焊盘坑裂 ........................................................... 12
3.5.9
标准化问题 ....................................................... 12
3.5.10
可靠性问题 ....................................................... 13
3.5.11
无铅技术的驱动力 ........................................... 13
4 元器件考量 ............................................................. 14
4.1
半导体封装的比较及驱动因素 ....................... 14
4.1.1
封装特点比较 ................................................... 14
4.1.2
BGA封装驱动因素 ........................................... 15
4.1.3
成本问题 ........................................................... 15
4.1.4
元器件操作 ....................................................... 15
4.1.5
热性能 ............................................................... 15
4.1.6
空间 ................................................................... 17
4.1.7
电性能 ............................................................... 17
4.1.8
机械性能 ........................................................... 17
4.2 BGA封装中的芯片安装 ................................... 17
4.2.1 金属线键合 ....................................................... 17
4.2.2 倒装芯片 ........................................................... 18
4.3 标准化 ............................................................... 19
4.3.1 BGA行业标准 ................................................... 19
4.3.2 焊球节距 ........................................................... 20
4.3.3 BGA封装外形 ................................................... 21
4.3.4 焊球尺寸关系 ................................................... 21
4.3.5 叠装BGA ........................................................... 21
4.3.6 共面度 ............................................................... 22
4.4 关于元器件封装形式的考虑 ........................... 22
4.4.1 焊球合金 ........................................................... 23
4.4.2 焊球连接工艺 ................................................... 23
4.4.3 陶瓷BGA ........................................................... 24
4.4.4 陶瓷柱栅阵列 ................................................... 25
4.4.5 载带球栅阵列 ................................................... 25
4.4.6 多芯片封装 ....................................................... 26
4.4.7 系统级封装（SiP） .......................................... 26
4.4.8 3D折叠封装技术 .............................................. 27
4.4.9 焊球堆叠，封装叠装 ....................................... 27
4.4.10 折叠和堆叠的封装组合 ................................... 27
4.4.11 叠装封装 ........................................................... 28
4.4.12 多芯片封装的优势 ........................................... 28
4.4.13 极密节距阵列封装解决方案 ........................... 28
4.5
BGA连接器
和插座 ........................................... 29
4.5.1
BGA连接器材料考量 ....................................... 29
4.5.2
BGA连接器的连接考量 ................................... 29
4.5.3
BGA材料和插座类型 ....................................... 29
4.5.4
BGA插座连接考量 ........................................... 31
4.6
BGA构造材料 ................................................... 31
4.6.1
基板材料类型 ................................................... 31
4.6.2
基板材料性质 ................................................... 32
4.7
BGA封装设计考量 ........................................... 33
4.7.1
电源和接地层 ................................................... 33
4.7.2
信号完整性 ....................................................... 33
4.7.3
封装内置散热片 ............................................... 33
4.8
BGA封装的接收标准和运输方式 ................... 34
4.8.1
焊球缺失 ........................................................... 34
4.8.2
焊球空洞 ........................................................... 34
4.8.3
焊球连接完整性 ............................................... 34
4.8.4
封装和焊球共面度
........................................... 35
2013年1月 IPC-7095C-C
v
4.8.5 湿度敏感度（烘烤、贮存、操作、
再烘烤） ........................................................... 36
4.8.6 运输媒介（载带、托盘、管） ....................... 36
4.8.7 焊球合金 ........................................................... 36
5 印制板及其它安装结构 ......................................... 36
5.1 安装结构类型 ................................................... 36
5.1.1 有机树脂系统 ................................................... 36
5.1.2 无机结构 ........................................................... 36
5.1.3 分层（多层、顺序或积层） ........................... 37
5.2 安装结构性质 ................................................... 37
5.2.1
树脂系统 ........................................................... 37
5.2.2
增强材料 ........................................................... 38
5.2.3
层压板材料性质 ............................................... 38
5.3
表面处理 ........................................................... 40
5.3.1
热风焊料整平（HASL） ................................. 40
5.3.2
有机表面保护（可焊性有机保护）OSP膜 .... 40
5.3.3
贵金属涂层 ....................................................... 41
5.4
阻焊膜 ............................................................... 45
5.4.1
湿膜和干膜阻焊膜 ...........................................
45
5.4.2
感光阻焊膜 ....................................................... 46
5.4.3
喷射式阻焊膜 ................................................... 46
5.4.4 阻焊膜涂覆时印制板对拼板胶
片的对位 ........................................................... 46
5.4.5
导通孔保护 ....................................................... 46
5.5
散热器结构整合（例：金属芯电路板） ....... 47
5.5.1
层压顺序 ........................................................... 47
5.5.2
热传递途径 ....................................................... 47
6 印制电路板组装设计考量 ..................................... 49
6.1
元器件放置和间隙 ........................................... 49
6.1.1
贴装要求 ........................................................... 49
6.1.2
维修/返工要求 ................................................. 49
6.1.3
整体布局 ........................................................... 50
6.1.4 对准图例（丝印、铜制标志、
引脚1标识符） ................................................. 50
6.2
连接位置（连接盘图形和导通孔） ............... 50
6.2.1
大/小连接盘比较及其对布线的影响 ............. 50
6.2.2 阻焊膜限定与金属限定连接
盘设
计的比较 ...........................................................
51
6.2.3
导体宽度 ........................................................... 53
6.2.4
导通孔尺寸和位置 ........................................... 53
6.3
出线和布线策略 ............................................... 54
6.3.1
出线策略 ........................................................... 56
6.3.2
表面导体细节 ................................................... 57
6.3.3 狗骨导通孔细节 ............................................... 57
6.3.4 机械应变设计 ................................................... 57
6.3.5 未遮蔽焊盘内导通孔及其对可靠性的影响 ... 58
6.3.6 密节距BGA焊盘中微导通孔策略 ................... 59
6.3.7 电源和接地连接 ............................................... 60
6.4 波峰焊接对正面BGA的影响 ........................... 60
6.4.1 正面再流焊 ....................................................... 60
6.4.2 正面再流焊的影响 ........................................... 60
6.4.3 避免正面再流的方法 ....................................... 61
6.4.4 无铅电路板的正面再流 ................................... 63
6.5 可测试性和测
试点的访问 ...............................
63
6.5.1 元器件测试 ....................................................... 63
6.5.2 测试和老化过程中对焊球的损伤 ................... 63
6.5.3 裸板测试 ........................................................... 64
6.5.4 组件测试 ........................................................... 65
6.6 其它可制造性设计问题 ................................... 67
6.6.1 在制板／拼托板设计 ....................................... 67
6.6.2 中间制程/最终产品测试附连板 ..................... 67
6.7
散热管理 ........................................................... 68
6.7.1
传导 ................................................................... 69
6.7.2
辐射 ................................................................... 69
6.7.3
对流 ................................................................... 69
6.7.4
散热界面材料 ................................................... 69
6.7.5
BGA散热片连接方法 ....................................... 71
6.8
文件和电子数据传递 ....................................... 72
6.8.1
图纸要求 ........................................................... 73
6.8.2
设备信息通讯协议 ........................................... 73
6.8.3
规范 ................................................................... 74
7 印制电路板上的BGA组装 .................................... 74
7.1
SMT组装工艺 ...................................................
74
7.1.1
焊膏及其施加 ................................................... 74
7.1.2
元器件贴装影响 ............................................... 77
7.1.3
贴装视觉系统 ................................................... 77
7.1.4
再流焊及曲线 ................................................... 77
7.1.5
材料问题 ........................................................... 82
7.1.6
汽相 ................................................................... 82
7.1.7
清洗与免清洗 ................................................... 83
7.1.8
封装间隙高度 ................................................... 84
7.2
SMT后工艺 ....................................................... 84
7.2.1
敷形涂覆 ........................................................... 84
7.2.2
底部填充和粘合剂的使用 ............................... 84
7.2.3
印制板和模块的分板 ....................................... 89
7.3
检测技术 ........................................................... 89
IPC-7095C-C 2013年1月
vi
7.3.1 X射线使用 ........................................................ 89
7.3.2 X射线图像采集 ................................................ 89
7.3.3 X射线系统术语的定义和讨论 ........................ 91
7.3.4 X射线图像的分析 ............................................ 93
7.3.5 声学扫描显微镜 ............................................... 95
7.3.6 BGA间隙高度测量 ........................................... 95
7.3.7 光学检测 ........................................................... 96
7.3.8 破坏性分析方法 ............................................... 97
7.4 测试和产品验证 ............................................... 99
7.4.1 电气测试 ........................................................... 99
7.4.2 测试覆盖 ........................................................... 99
7.4.3 老化测试 ........................................................... 99
7.4.4 产品筛选测试 ................................................... 99
7.5 空洞识别 ........................................................... 99
7.5.1 空洞的来源 ..................................................... 100
7.5.2 空洞的分类 ..................................................... 100
7.5.3 BGA焊点中的空洞 ......................................... 101
7.6 空洞测量 ......................................................... 102
7.6.1
X射线探测和测量注意事
项 .......................... 102
7.6.2
空洞的影响 ..................................................... 102
7.6.3
空洞协议开发 ................................................. 102
7.6.4
空洞评估的抽样计划 ..................................... 104
7.7
减少空洞的工艺控制 ..................................... 105
7.7.1
工艺参数对于空洞形成的影响 ..................... 105
7.7.2
焊球中空洞的工艺控制标准 ......................... 106
7.7.3
工艺控制标准 ................................................. 107
7.8
焊接缺陷 ......................................................... 107
7.8.1
焊料桥接 ......................................................... 107
7.8.2
冷焊 ................................................................. 107
7.8.3
开路 ................................................................. 107
7.8.4
受热不充分/不均匀 ....................................... 107
7.8.5
枕头效应 ......................................................... 108
7.8.6
焊球悬空/未润湿开路（WO） .................. 110
7.8.7
元器件缺陷
..................................................... 110
7.8.8
缺陷相关性/工艺改善 .................................... 111
7.9
维修工艺 .......................................................... 111
7.9.1
返工/维修理念 ................................................ 111
7.9.2
BGA的拆除 ..................................................... 112
7.9.3
替换 ................................................................. 112
8 可靠性 ................................................................... 115
8.1
BGA可靠性驱动因素 ..................................... 115
8.1.1
循环应变 ......................................................... 115
8.1.2
疲劳 ................................................................. 115
8.1.3 蠕变 ................................................................. 116
8.1.4 蠕变和疲劳的交互作用 ................................. 116
8.1.5 机械可靠性 ..................................................... 117
8.2 焊料连接的损伤机理和故障 ......................... 117
8.2.1 SAC对锡/铅BGA焊点的热疲劳裂纹
生长机理的比较 ............................................. 117
8.2.2 混合合金焊接 ................................................. 118
8.3 焊点和连接类型 ............................................. 120
8.3.1 整体
膨胀不匹配 ............................................. 120
8.3.2 局部膨胀不匹配 ............................................. 120
8.3.3 内部膨胀不匹配 ............................................. 121
8.4 焊料连接失效 ................................................. 121
8.4.1
焊料组装失效分类 ......................................... 121
8.4.2
失效特征–1：冷焊 ......................................... 121
8.4.3
失效特征–2：连接盘，不可焊 ..................... 122
8.4.4
失效特征–3：焊球脱落 ................................. 122
8.4.5
失效特征–4：缺失焊球 ................................. 122
8.4.6
失效特征-5：PCB和BGA叠装翘曲 ............. 122
8.4.7
失效特征-6：机械失效 ................................. 124
8.4.8
失效
特征-7：不充分再流 ............................. 125
8.5
影响可靠性的关键因素 ................................. 125
8.5.1
封装技术........................................................... 125
8.5.2
托高高度 ......................................................... 126
8.5.3
PCB设计考量 .................................................. 126
8.5.4
陶瓷栅阵列焊接连接的可靠性 ..................... 127
8.5.5
BGA无铅焊接 ................................................. 127
8.6
可靠性设计（DfR） ...................................... 132
8.7
确认和鉴定测试 ............................................. 133
8.8
筛选程序 ......................................................... 133
8.8.1
焊点缺陷 ......................................................... 133
8.8.2
筛选建议 ......................................................... 133
8.9
加速可靠性测试 ............................................. 133
9 缺陷及失效分析案例研究 ................................... 135
9.1
阻焊膜限定BGA状况 ..................................... 135
9.1.1
阻焊膜限定与非限定连接盘 ......................... 135
9.1.2
产品板
子上的阻焊膜限定连接盘 ................. 136
9.1.3
阻焊膜限定BGA失效 ..................................... 136
9.2
过度塌陷BGA焊球状况 ................................. 137
9.2.1
无散热块的BGA球形，500μm的托高高度 ... 137
9.2.2
有散热块的BGA球形，375μm的托高高度 ... 137
9.2.3
有散热块的BGA球形，300μm的托高高度 ... 137
9.2.4
关键的焊膏条件 ............................................. 138
9.2.5
过厚膏体沉积 ................................................. 138
2013年1月 IPC-7095C-C
vii