在某些方面连接BGA元器件的组装工艺比连接细节距外围元器件的组装工艺更为宽松，但是在其它方面要求则更多。工艺不良率远比外围细节距元器件低，但良好的工艺控制是必要的。

一、焊膏及其施加

表面贴装组装工艺使用 焊膏将BGA焊球连接到电路板上的连接盘。焊膏 可通过三种方式施加到连接盘上：丝印、模板印 刷和点涂。BGA通常用模板将焊膏印刷在BGA 连接盘上，模板的开孔尺寸与BGA连接盘尺寸相同或稍小。

模板厚度和开孔尺寸决定设计的焊膏量，焊膏 量对于某些BGA类型的焊点可靠性是至关重要 的。刮刀类型和工艺参数设定会影响实际沉积的 焊膏量。使用较密节距BGA元器件时需要减小模 板厚度；但减小模板厚度时需要特别小心不要 减少其它元器件焊膏量。梯形模板开孔（底部 开口稍大于顶部开口）通常作为更优先选择， 因为它们可改善焊膏释放。

焊膏由金属粉末颗粒和助焊剂的均质混合物组 成。焊膏的金属含量（通常占总质量的90%）决定 了焊点中的焊料量。最常见的焊膏合金是共晶Sn 63Pb37和无铅合金SAC305（锡96.5银3.0铜0.5）。金属粉末颗粒通常为球形状。形状均匀的颗粒 有助于印刷或点涂工艺且可通过减小表面积来 减少氧化。

助焊剂占了焊膏剩余成分的绝大部分。助焊剂 中的活化剂可将氧化物从焊料颗粒、连接盘和 BGA焊球中清除，它们提升了再流焊过程的可焊性。在再流过程中由于多种原因形成的锡珠 通常是可靠性所关心的问题，特别是包含有密 节距器件时。溶剂对于控制焊膏的粘性有重要 的作用，并且会影响流变性质。BGA焊点中空 洞的形成与焊膏中的溶剂有关。低沸点的溶剂 和/或不正常的再流参数会使BGA焊点中空洞的 发生率增加。

为了细节距BGA的成功印刷，焊膏必须能透过 模板上极小的开孔。焊膏需要在一定的时间内 保持可印刷性和粘性，同时必须在再流焊之前 或期间保持印刷的清晰度。焊膏粘度、颗粒大小和模板寿命是施加焊膏时的关键参数。

1、颗粒尺⼨和焊膏选择

市面上的焊膏种类繁多，应根据印刷特性、助焊剂种类和密节 距焊料颗粒尺寸（除了别的之外）选取焊膏。印刷特性包括印刷良好，可提供良好的印刷清晰度且不易塌陷。焊膏中的助焊剂应该有足够的 活性并能表现良好的润湿性和再流特性，且如 果使用免清洗助焊剂，应与清洗工艺或表面电 阻要求相兼容。 颗粒的直径不应超过开口宽度除以4.2的商。 这个结论是由实验经验得出的。当违反这条规定时，会影响焊膏释放和印刷清晰度。

焊料颗粒尺寸可按照J-STD-005进行分类（见表1）。

颗粒尺寸分布会影响焊膏的粘度和可印刷性。类型3焊膏是最常被使用的，且适用于大部分印刷用途。极密节距CSP应用可能需要使用类型4 焊膏。 在改为类型4焊粉时应该小心，因为由于颗粒表面积的增加从而增加了焊料颗粒氧化的 可能，使得其可焊性一般会降低。 当使用类型4 焊粉时，再流焊炉中充入氮气是有必要的。

2、模板厚度和开孔设计

对于所有元器件来说，随着元件节距减小通常有必要减小模板厚 度。对于节距范围在1.5mm至1.0mm的BGA元器件来说，模板厚度的变化范围为0.15mm[0.006 in] 至 0.18mm[0.007in]。 对于芯片尺寸封 装 （CSP）或节距小于等于 0.80mm 的 细节距 BGA，其模板厚度的推荐范围为0.1mm[0.004in] 至0.15mm[0.006in]。0.35mm的细节距BGA，基模板厚度需要到0.08mm, CSP和其它密节距面阵列封装通常并不是在印制电路组件上唯一的元器 件，所以在选择模板厚度必须要找到平衡点。薄型模板，对CSP印刷是最佳选择，但它可能不 能给其它元器件如节距较大的BGA提供足够的 焊膏。这会导致诸如枕头效应或降低关键ASIC 的热疲劳寿命等缺陷。

当要决定模板厚度和焊膏沉积量时，焊膏沉积较多比沉积较少更安全，其目标为达到桥接比 开路多六倍值左右（这是个比值，并不表示缺陷 数增加）。因为桥接很少会漏检，它们一定会在 测试中被发现（ICT或功能测试）。另一方面， 因为检测时焊点受压可能会接触，开路和间歇 性开路很容易逃过检测，但最终会导致现场失 效。所以在模板和连接盘图形设计时，目标设定 为桥接比开路更多这一简单准则是预防现场失 效性价比最好的方法。

可提供良好焊膏释放的模板开孔设计也很重 要。为了确保良好的焊膏释放，推荐使用的 宽厚比为1.5 。宽厚比是模板开孔宽度和模板厚度 的比值。另一个常用的比值是面积比。推荐使用大于 0.66的面积比 。计算面积比的公式为模板开孔的面积除以开孔壁的面积（见下图1）。使用这些强烈推荐的宽厚比和面积比的模板设计背后的理念在于允许更多的焊膏释放和将孔壁焊 膏残留降至最低，因为孔壁焊膏会部分堵塞开孔并减少后续板子上焊膏印刷量，导致焊点焊接不足甚至开路。

连接盘触点面积/模板壁面积等于开孔面积/孔 壁面积 = L*W/2*(L+W)*T >0.66

备注：在开孔设计中宽厚比比面积比更常见， 因为当连接盘长度远大于连接盘宽度时，宽厚比是面积比的一维简化形式。例：一个尺寸为 0.35mm的方形开孔，若开孔厚度为0.125mm， 则面积比为：

要达到此比值，采用套印或比连接盘大的开孔是必要的。特别是对于较细节距的BGA，模板开 孔通常为1:1或略小于连接盘以达到密封效果。如果当需要模板开孔比连接盘大时，为了达到 理想的面积比以实现更好的焊膏释放，在每次 印刷之后的模板清洗是必须的。较大的开孔会 导致焊膏泄漏至模板底部，印刷的电路板会随 后被沾污。需要注意的是，在设计用于CBGA、 CCGA和通孔内焊膏（PIH）工艺的模板时，模 板开孔应远大于连接盘。

带有圆形倒角的方形或矩形开孔也可提供更好的焊膏释放和沉积量。

3、焊膏量的重要性

对于塑封BGA，其大部分焊膏是由元件本身的焊球提供的，此时焊膏量并不是那么关键。对于节距超过0.80mm的 塑封BGA（锡铅或无铅配方），模板厚度取决于印制板组件中使用的其它类型的元器件。焊料量和模板厚度对于带有非塌陷铜焊球或高温（熔 点为302°C）90%铅/10%锡焊球的陶瓷BGA更为关键。用于陶瓷BGA的焊球在通常的再流焊过程中不会塌陷（见图2）。

对于需要较厚焊料量的带有非塌陷焊球（铜制 焊球或90％Pb/10％Sn球）的CBGA，可能需要使用阶梯式模板。阶梯尺寸通常为0.04mm至0.08 mm，它可以在电路板表面施加两种不同的焊膏 厚度。当阶梯尺寸为0.04mm时，金属刮刀可正常 使用。如果使用了阶梯模板，则阶梯线离开任何 印刷开孔的距离至少3.75mm。因为高铅含量焊 球不会塌陷，所以有充足的焊膏是很重要的。因 此除了使用阶梯式模板，模板开孔也应远比连 接盘大以满足非塌陷焊球所需的焊膏量。连接盘 和焊球之间的焊料填充取决于焊膏量。CBGA和 CGA需要有一个最低焊膏量以实现可靠焊点。许多供应商拥有此技术能为封装提供特定焊膏 量。表2展示某些陶瓷封装的焊膏使用量要求 的范例，使用了锡/铅或无铅（SAC）焊膏（见 表2）。

焊膏量要求对于锡/铅和无铅焊膏应该是相同的。另外铜制焊球或高温90%Pb/10%Sn焊球的焊 膏量要求也是相同的，因为这两种焊球在再流过程中都不发生塌陷且所有焊料填充都要求通 过焊膏来满足。

有些陶瓷BGA不使用非塌陷焊球而使用在再流 焊中会发生塌陷的无铅（SAC）焊球，它对焊点 填充的贡献如同锡/铅焊球在塑封BGA中一样。表7-2中所示数值并不适用于塑封BGA或使用可 塌陷焊球的陶瓷BGA。

为了使含有非塌陷焊球（铜或者Pb90/Sn10）的 陶瓷封装获得正确的锡膏量，需要用开孔放大 的模板套印连接盘或使用较厚的模板印刷。对 具有CBGA的电路板上的其它元器件，需要对开 孔尺寸进行修改以抵消由较厚的模板带来的影 响，或有必要时也可以使用阶梯模板。

二、元器件贴装影响

进入BGA技术阶段也 需要一些新的组装能力。取决于贴片机系统的类 型，需要对封装运载机构进行改变以将封装从矩 阵托盘转移至需要贴装的位置。基准点可帮助 视觉系统辨识BGA连接盘图形的确切位置，这 就如同在密节距外围引脚元件中所用的一样。取决于器件体的尺寸，卷带料上大型BGA元件 需要44mm和56mm的供料器，而最常见的BGA 供料器是JEDEC托盘。

三、贴装视觉系统

贴装精度是BGA工艺的 十分关键的部分。强烈建议在机器贴装之后不 要移动BGA，因为这可能会造成相邻焊点间的 桥接，而连接情况不能通过肉眼观察到。贴片 机的精度很大部分取决于视觉系统和吸嘴把持 元器件的能力。视觉系统与实际应用的匹配性 也是很重要。视觉系统在贴装之前决定了元器 件的X、Y坐标和偏移角。除了决定了元器件的 偏移程度，视觉系统也可以检测元器件的尺寸 完整性和遗漏的焊球。基于CCD（电荷耦合器 件）摄像头的系统采用了两种照明方法，被称 为二进制与灰阶。这两种方法对光亮度和对比 度的变化都是很敏感的。

灰阶系统使用前置照明，从底部照亮元器件。表面特征会反映至CCD摄像头以供处理。二进 制系统使用背光照明，从上方照亮元器件。元 器件的轮廓被投影至CCD摄像头以供处理。二 进制成像是这两种方法中较早的一种，使用黑 白图像的差异来对特征进行定位。灰度值系统 通常可以体现出256级对比。这两种系统都采用一种算法来确定元器件的中心。相对于灰阶成 像，二进制成像对于计算能力的要求较低。

灰阶成像基于焊球位置进行BGA元器件贴装， 而二进制成像则根据元器件轮廓进行BGA元器 件贴装。在某些情况下，BGA外形和焊球之间的 公差很大。因为可以减少由元器件外形变化而 导致的贴装误差，灰阶成像更适合于贴装BGA 元器件。

贴片机吸嘴设计因供应商而异。选取合适的吸嘴是很重要的，这需要有足够表面积能把持元 件同时避免在贴装过程中的偏移。吸嘴必须要紧贴元件，不允许有真空泄漏，接触感应装置是需要的，它有助于控制Z轴方向（垂直）的主 轴行程，因为它可防止元器件在真空吸嘴和基 板之间受到挤压。

四、再流焊及曲线

再流焊是具有许多变量 的复杂工艺。所有量产用的再流系统都包括对 流、传导和辐射等三种热传递方式，每种方式 的程度取决于再流系统的设计，所有设计都致 力于达成相同的基本结果。再流焊包括五个 不同的阶段，分别为： （1）焊膏中的溶剂蒸发， （2）激活助焊剂并产生助焊活性，（3）对元器 件和印制电路板进行预热，（4）融化焊料并发 生恰当润湿，（5）冷却已焊组件。

需要明白的是，不管再流焊采用的基本热传递概念是什么，BGA元器件下焊球主要是通过互连基 板的热传导受热的，其说明如图3所示。

最佳再流焊温度曲线（温度vs.时间）包括峰值温度随着特定封装和整个组件的不同而变化。 然而，当使用SAC305焊膏对带有SAC 305焊球的BGA封装进行焊接时，对复杂度一般 的PCBA，最小峰值温度应不低于约240°C。 当 使用锡/铅共晶焊膏对带有SAC305焊球的BGA 封装进行焊接时，部分情况下的最小峰值温度可低至大约为215°C（推荐恰当的再流温度，见表3）

在过去几年，再流焊设备变化频繁。采用了五 种设计概念：汽相、灯红外（IR）、面板红外、 强制热风对流和二极管激光。汽相再流技术最 先发展并流行了几年。最终红外成了首选的方 法。如今强制热风对流（提供95%的总热量）加IR 辅助（提供5%的总热量）技术是需要惰性气体 作为再流气氛的某些应用的选择方式。二极管激光焊接是业界的新式技术，主要应用于高端、 高可靠性应用如航天、军工或者医疗行业。

1、强制热风对流

对流加热是现今的选择 方式。热量通过低速率的热风传递至印制板组 件（PCA）。强制热风对流为非接触加热方式， 其中也有一些热量是通过辐射传递的。热量传 送至物体的速率与热风和PCA之间的温差直接 成正比。

在线强制热风对流系统有三个主要部分：（1） 预热，（2）再流焊和（3）冷却。每个区都包含 多个上温区和下温区。温区的数量对于传输速 度以及用户对炉温微调能力都有直接的影响。增加温区使得用户可以有更高的带速，同时允许 用户灵活精确设置炉温曲线。低产能的再流焊 系统有3或4个温区（一个温区包括有上、下加热 器）。中等产能的再流焊系统有5或6温区，而高 产能系统会有7个或更多温区。通常来说，有六 个温区的系统就满足大部分再流焊要求，包括 超大PCA和相当高的传输速度（可达到60cm／ 分钟）。炉温曲线的变化是通过调整传输速度， 上温区和下温区温度设定来完成的。

2、再流⽓氛

再流焊炉中的气氛影响焊料润湿。在氮气环境中进行的再流焊接可改善焊 点的润湿性，有时也可对处于可润湿边际的电 路板表面或已氧化的焊球进行补偿。为了在氮 气环境中获得焊膏的最大好处，建议对其中的 氧气含量进行监控，以控制其处于以确定的工 艺限值范围内。

随着产品转向无铅技术，无铅焊膏的可焊性并 没有锡铅焊膏那么好。如果焊膏选择不正确， 可能的情形是再流焊前用于清除焊膏、连接盘和焊球上的氧化物的焊膏活化剂会被耗尽。这 会造成焊点形状不均匀以及连接盘可能未被润 湿。在形成空洞时，一些焊膏成分也可能会受 到再流气氛的影响。当对OSP表面处理使用无铅 工艺时，最好在氮气环境中对产品进行再流 焊接，特别是采用混合技术组件有通孔填充问 题时。通孔填充问题会在无铅工艺中出现，特 别是当使用免清洗助焊剂和第一代或第二代OSP 时。使用水溶性强活性助焊剂和第三代OSP有助 于尽量减少通孔填充问题。

在氮气环境中对OSP板再流，不但可以为下游工 艺保持连接盘的可湿润性，同时也可尽量减小 对在线测试（ICT）测试有影响的测试点或导通 孔的氧化。

3、时间/温度曲线

焊接曲线，也被称为 温度曲线，是制造工艺中能够显著地影响产品良 率的关键因素之一。传送带速度和面板温度是 焊接曲线开发的两个变量。焊接炉温曲线不仅 与特定产品有关，同时也与助焊剂有关。不同 的焊膏需要不同的曲线以优化性能，所以在开 发焊接曲线之前咨询焊膏制造商是很重要的。

在开发焊接曲线时，实装印制板对于曲线的开 发是必要的。从给定的带速开始，便用热电偶 监测板子正面温度。大部分新式再流焊炉有内置 热电偶和软件以记录温度曲线。同时，商业性 的软件和硬件包，如MOLE、数据包和许多其它 工具已经问世，使得温度曲线开发更加简便。使用这样的曲线开发工具对锡/铅组件一直是重 要的。如今不仅很重要，而且十分关键，因为 这类曲线工具被应用于每种产品以求达成较好 的良率，而且不会超出不同类型元器件所要求 的温度限制。表7-3提供了锡/铅和无铅组件以及 混装组件的主要再流焊温度曲线（向前和向后 兼容性曲线）。需要注意的是对于无铅焊料和向 前兼容性的曲线是相同的。

对于锡/铅焊料，业界对该焊料成分一直有的共 识是：63%锡37%铅的共晶焊料，熔点为183°C。对于这 种成 分 ， 熔点（183°C）和 峰 值 温 度 （220°C）之间有很大的温差。尽管推荐将整块 电路板间的温度保持在210~220°C，人们很容易 偏离而将温度维持在190~225°C之间，其温度范 围差是35°C，这种情况仍能达到良好的再流焊 结果。

对于无铅组件，常用的SAC（锡、银和铜）焊料 包含了3%到4%的银，0.5%到0.7%的铜以及其余的 锡。这些合金的熔点大约为220°C。一些元器 件，如某些铝电解电容，它们有最高温度和230°C 以上耐受时间的限制。另外的约束来自于低成 本层压板、塑料连接器和如有使用的湿敏元器 件。

为了能适应这些限制，无铅组件的峰值温度应 该保持在230°C-245°C，变化量仅为15°C，的确 是一个相当严格的工艺窗口。这比之前提及的 锡/铅组件的35°C的变化下降了60%。如果高热 容量的大型元器件和小型温敏元器件贴装于同 一电路板，则要满足已定义的工艺窗口温度曲线 的开发难度会大大增加，原因显而易见。高热 容量的大型元器件需要更大的热输入，以满足 峰值温度和液相线以上时间的工艺窗口要求。但是，较大的热输入可能导致小型、温敏元器 件超出工艺窗口要求。要解决这个问题，必须 有非常严格的工艺控制而使整块板子上的温差 范围收窄。许多组装厂在满足这些要求时会遇 到很大的困难，特别对于复杂电路板在开发再 流焊温度曲线时没有能协调好的时间和精力。

这个问题会与之后的向后兼容性问题（一些无 铅元器件被用于锡/铅电路板）叠加在一起。对 于这样的情况，曲线必须要同时满足锡/铅和无 铅封装要求。

图4至7展示了锡/铅、无铅组件和混合有锡/ 铅和无铅元器件组件的原理图和实际的炉温曲 线。

4、预热温区

预热区域的温度范围为30- 175°C，许多元器件供应商通常建议将温度上 升速率设置为2-4°C/秒以避免热冲击温敏元器 件。这样的规范被认为是保守的，因为一些电 容是波峰焊接的，期间它们经历了由预热温度约 120°C至波峰焊料槽温度260°C的温升。快速的 温升速率会增加产生锡珠的可能，所以应该尽 可能保持低温升率；无论如何，应该考虑组件 中最敏感元器件可接受的温升速率。

5、热电偶连接

图7-8展示了电路板上推 荐的热电偶位置。将热电偶连接到小型或大型 元器件的焊点是很重要的。对于BGA，将热电 偶粘贴在封装上面也是很重要的。

在开发任何炉温曲线时，使用正确的热电偶是 很重要的。应该使用导体型号为36AWG的k型热 电偶，因为较粗的热电偶导体有较多散热。 为保证良好的精确度，热电偶导体长度不应超过3英尺。 同样为了保证精确度，热电偶的接合点必须焊接。不能绞合，应采用压接或者焊接。

当使用高温胶带诸如聚酰亚胺（kapton®）或铝制胶带时应当小心。胶带在再流焊过程中有变松的倾向，这样系统测量的是炉子中空气的温度 而非焊点的温度。确认胶带良好接触很重要， 否则，就应该使用高温焊料或导热粘合剂将热 电偶连接至焊点上。使用胶带的一大优点在于 热电偶不受损害而能重复使用。

对于BGA，在中央和角落焊球位置的印制板背面上钻孔，并将热电偶推到印制板正面以正确测量 BGA焊球温度。在同一个BGA上保证中心焊球 和角落焊球之间的温度差异在2°C之内是很重要 的。 也可将热电偶插入BGA底下，这样可省略钻 孔过程；但是，在此情况下热电偶测到的只是 该器件下面的温度。

应连接4到6个热电偶到各种元器件位置 ，以代 表最低热容至最高热容区，包括至少两个热电偶用于BGA。下图显示了BGA上热电偶的位置。

6、保温区

保温区的作用是将整块电路板 的温度提升至一个统一的温度。保温区的温度上 升速率非常慢，温度由75°C提升至220°C的曲线几乎是平的。保温区也可作为焊膏中助焊剂活化区。保温区温度过高的后果是锡珠、锡溅， 这是因为焊膏的过度氧化而耗尽了助焊剂的活 化能力。长保温区的目的是减少空洞，特别是 BGA中的。不使用保温区而使温度稳定地从预热 区温度上升至再流峰值温度也是常见的做法。但当温度稳定爬升至再流峰值温度时，出现空洞 的可能性会增加。

7、再流区

再流区域的峰值温度应该足够 高，以获得良好润湿，并产生牢固的冶金结合。但是其温度也不应高至导致元器件或电路板损 坏或变色，或更严重的电路板烧焦。如果温度过 低，可能会导致冷的和颗粒状焊点、焊料不熔融 或差的金属间连接。如表7-3所示，此区域的峰 值温度对于无铅来说应维持在230°C-245°C。液相线以上时间（TAL）应为60至90秒。高于焊料 熔点或TAL的持续时间过长会损坏温敏元器件。它也会导致过多的金属间化合物生长使得焊点 脆化，并且降低了焊点的耐疲劳性。

8、冷却区

大部分组件典型的冷却速率为 每秒4-6°C，这主要是基于产量和锡铅金属间化 合物厚度的考虑。随着转化为无铅焊料，由于 SAC焊料刚性的增加以及层压板抗弯曲能力下降。焊盘坑裂缺陷会变得更加频繁。焊盘坑裂 可在再流焊工艺后被直接识别，这也催生了设 计几个实验以理解冷却速率的影响。

在冷却阶段，焊点的y轴方向上各种材料会以不 同的速率冷却。 通常来说BGA封装会比焊点冷却得快且比印制电路板快得多。这种冷却上的差异会造成互连的薄弱位置，BGA连接盘下的层压板 处产生机械应变。 通过大幅度地减少冷却速率到低至每秒1.5°C， y轴上的所有材料的冷却速率会 变得更慢，于是层压板上的应变会减少。由联合 会完成的实验工作表明，冷却速率下降既不会 对焊点金属间化合物也不会对焊点晶粒结构产 生负面影响。如果在再流焊之后焊盘坑裂立即 被发现或可确定组件有发生坑裂的风险，则应 该减小PCA的冷却速率以减小应变。

9、反向兼容的热曲线

在处理一些无铅元 器件用在主要的锡/铅板子上的反向兼容性问题 时，开发再流焊温度曲线会变得困难。反向兼 容性是某些元器件只能买到无铅表面处理的情 况。产生这种情况是因为，对许多元器件供应 商而言同一元器件同时要提供无铅和锡铅两种 版本可能是不经济的。当使用无铅表面处理的 有引线元件，例如小外形集成电路（SOIC）、塑封引线芯片载体（PLCC）或者其它密节距元器 件时不会有问题。大部分锡/铅元器件主要是由 85%锡和15%的铅组成的表面处理。然而当元器 件制造商去除元件中的铅而电镀纯锡时，可焊 性会受到影响。为了改正这一状况，高达5%的 铋可加入镀层合金中以改善元件的润湿性和可焊性。

当在主要的锡／铅板上使用无铅BGA时会产生 实际问题。如果所用的锡/铅温度曲线的峰值温 度为220°C，无铅BGA焊球根本没再流或者只有 部分再流，造成严重的焊点可靠性问题。

如果锡/铅元器件与某些无铅BGA在同一再流焊 炉进行焊接（因为买不到锡/铅版本的BGA）， 必须采用对锡/铅元器件不造成损害且同时可保 证无铅BGA充分再流的峰值温度。使用锡/铅焊 膏是合理的，因为电路板上的大部分元器件都 是基于锡/铅焊料的。如表7-3所示，210-220°C 的峰值温度适用于锡/铅材料但对于熔点为217- 221°C的无铅BGA焊球来说是不足够的。但228- 232°C的峰值温度、液相线上时间或TAL60至90 秒时，足以再流无铅BGA，而没有严重损害同 一电路板上的全部锡/铅元器件。

如果228-232°C严格的再流温度范围难以达到， 但为了在向后兼容性情况下能同时焊接锡/铅和 无铅BGA，在其它锡铅元器件在对流再流炉中 IPC-7095c-7-9 图7-9 热电偶在BGA上的推荐位置 2013年1月 IPC-7095C-C 81 焊接后，考虑用选择性激光焊接无铅BGA，或者寻找锡/铅焊球的BGA替代资源。

10、每种印制板组件的独特的温度曲线

再流焊程序与再流焊温度曲线并不相同。程序是 机器参数设定和传送带速度的组合，而曲线则 是PCA经过再流焊炉时热电偶所测得温度对时 间变化的直观表示。每种独特的PCA都需要开 发温度曲线，以表明板上全部位置满足各种要 求而能产出可接受的焊点。单个程序对不同、 独特的PCA可生成差异很大的温度曲线。有一 些误解认为一个焊炉的温度曲线适用于所有电路板，因此不需要对每个电路板开发独特的温 度曲线。这显然是错误的，因为每个板子都有 特定的热容量或不同的加载状态（当板子装入 炉中时彼此之间的距离）。一个双面板，取决于元器件布局和铜平面的分布，每面需要有不同 的温度曲线。许多PCA的温度曲线看上去可能 相同，但是通常需要不同的机器程序来生成这 些类似的温度曲线。通常有少量的标准机器程 序，但是必须要明确特定程序产生的温度曲线 是可接受的。

一旦程序已被优化而生成所需的温度曲线，建议制造一块带有锡膏和元器件的实际产品板用 于再流焊。再流焊后检查焊点的质量以确认各 种元器件的焊点是否都满足IPC-A-610的要求和 其它任何客户的特定要求。电路板仅某个区域 中随机问题可能与可焊性有关，而电路板某个 特定区域一致的问题则可能与焊接温度曲线有 关，原因为不均匀受热（板子温差大）。也要注 意一致性问题可能也与锡膏的质量和连接盘图 形设计有关。

一旦程序已可提供想要的结果（假设设计和其 它材料变量已最优化），记录该程序。在此之后 不允许更改该程序及据此生成的温度曲线。

五、材料问题

助焊剂有两个关键属性。其 一，它必须可清除污染物；其二，它在污染物 被清除之后必须能保护可焊接表面。常见的错 误是采用这样的时间/温度曲线时，焊料融化之 前助焊剂就已耗尽。理想的情况是焊料刚开始熔 化时助焊剂才消耗。助焊剂活化时间应为90至 120秒。对于锡铅焊膏来说，助焊剂通常大约在 130°C被激活。典型地，无铅焊料的焊膏活化温度更高，大约为150°C；但还是建议在使用特定 焊膏时与焊膏供应商合作并听取建议。

元器件可能会被不正确的加热应用而损伤。所有 元器件都有热暴露极限。大部分锡/铅表面贴装 元器件应当忍受220°C的峰值温度多达60秒。无 铅BGA需要耐受更高的温度，约为240-260°C。由于快速加热所导致的热冲击会使某些元器件发生爆裂。但是，由于再流焊炉的峰值温度是变 化的，其意图是要使焊料在制定的受控温度曲 线下加热到锡铅产品的210-220°C，无铅产品的 235-245°C。

元器件引脚的表面处理会影响可焊性，目前有 许多引脚处理方式可用，包括锡/铅、金、锡和 钯。选择与使用的引脚表面处理相匹配的助焊 剂和焊料合金是很重要的。

六、汽相

汽相再流能以单流系统或利用主 流和辅流的双流系统工作。此工艺是在成批生 产设备上使用双流体方法开发的；但当前的在 线系统通常只用单流体工作。无论使用的是什 么系统，在汽相（VP）再流中组件所能达到的 最高温度取决于所选择的主要流体。主要流体有 若干温度范围，一般锡铅产品为218-222°C，无 铅产品为235-245°C。同时所有主要流体可归类 为全氟化碳，它的基本结构（环状胺或乙醚） 决定了其关键性质-使用时的稳定性、焊膏的化 学可溶性和整个工艺的经济性。流体的选择通 常基于待再流的焊料合金的熔点。

对于上述的温度范围，较低的温度适用于采用 标准连接工艺的典型锡/铅或锡/铅-银合金。该 范围的上限温度可再流高铅合金，通常用来连 接引脚到PGA封装。对需要再流特种合金的用 户，已经成功地将两种主要流体混合并将汽相系 统调整在特定且稳定的沸点。较高温度容许更 短的焊接时间，这对一些焊膏可能是有利的。

主要汽相应为惰性，且不会产生后续需要清除的 污染物。在流体中溶解的焊膏化学物被高沸点 蒸汽携带，然后沉积在电路板表面。这种残留 物往往难以去除。主要流体中焊膏残留的最小 化将使流体寿命最大化，避免由于含有熔解的 焊膏成分而使沸点升高，同时也可简化清洁。

次要流体蒸汽覆盖层最初是CFC-113，一种低沸点氟化材料，它在高成本的主要流体上面形成 IPC-7095C-CC, 2013年1月 82 低成本的自我牺牲的“盖子”。次要流体持续暴 露在高沸点主要流体上，它会在两种流体的界 面处受热引起分解而产生HCL（氯化氢）和HF （氟化氢）酸性蒸汽。这些腐蚀性蒸汽通常随 着时间的推移会腐蚀焊接设备。虽然理论上蒸 汽会被助焊剂残留物吸收并对高可靠性产品造 成问题，但相比于对设备的侵蚀，这种问题是罕 见的。随着CFC-113的逐步淘汰，一种低沸点全 氟化碳已作为替代品得到应用。这种第二代次要 覆盖流体比CFC-113更为稳定，在高沸点汽相流 体中可暴露更长的时间。

随着表面贴装技术的发展，大多数用户转到单流 体方式的高产量在线设备。汽相再流焊之后应 该清除助焊剂，方法为采用双极性溶剂配方或 可确保去除所有焊膏残留物的含水清洗配方， 同时要根据焊膏成分来选择清洗工艺。影响该 决定的次要因素为兼容性和元器件至印制线路 板表面的间隙。此外，大多数厂商会仔细考虑使 用这类设备所导致的潜在化学损失，因为许多 全氟化合物是生命周期非常长的全球变暖化合 物。

七、清洗与免清洗

焊膏/助焊剂选择的技术 有许多影响。基本的助焊剂材料类型有两种， 分别为残留物需要清洗的或可残留在PCA上而不会造成损害的。

1、需要清洗的助焊剂残留（清洗）

那些需要清洗的残留物可以通过去除残留物所必要 的化学物质来分离，典型的为溶剂／表面活性 剂，碱性水或者可清洗的去离子水。清洗溶剂 的选择应遵循技术、经济以及环境方面的考虑 仔细评估。

通常，BGA底部的清洗是困难的，因为在电路板 和元器件之间的狭小间隙可能会裹挟清洗可能 难以去除的助焊剂。需要清洗的被裹挟的助焊 剂残留通常有高腐蚀性，所以这种情况会引发严 重的可靠性问题。但如果能够慎重仔细地选择 清洗工艺和设备，同时焊接和清洗工艺能够得到 合理控制，BGA的底部清洗也能获得成功。另 外，如果使用免清洗焊膏，应清洗模板以保证 有良好的印刷质量。确实需要强调的是，使用 高活性水溶助焊剂时，良好的清洗工艺控制是必 不可少的。

当建立可水清洗焊膏的清洗工艺时，有必要验 证清洗后的清洁度，特别是针对小外形BGA或 CSP和BGA连接器。通常的做法采用诸如表面绝 缘电阻（SIR）的方法来验证助焊剂残留物完全 从焊球间被清除，从而建立起清洗工艺参数设 置。其它方法，如离子色谱法或离子谱法，经 过资格认定后也可推荐用于监控工艺。

2、不需要清洗的助焊剂残留物（免清洗）

由于使用清洗型助焊剂会带来环境问题和处理 溶剂废液和清洗设备的成本问题，使得免清洗型 助焊剂的使用已有增长。但是，免清洗并非为 普适性的工艺。免清洗助焊剂的活性通常比其 它类型的助焊剂低，因此其焊接效果可能会不 太如意，除非在工艺中采取足够的措施。一些 免清洗助焊剂需要充氮再流焊环境以产生可接 受的结果；然而，目前大部分可用的免清洗助 焊剂可在空气环境下进行再流焊。

免清洗助焊剂残留物必须有充分的惰性，才不会 损坏PCB或元器件。这些残留物通常呈轻微离 子态和／或略呈酸性，会导致产品潜在失效。这些残留物导致失效模式可能包括：

1. 对印制电路板的腐蚀。

2. 由于枝状晶生长导致的金属线条之间的短 路。

3. 由于离子污染物扩散到芯片的有源结而导致 集成电路功能的退化。

   
   

前两种失效模式为表面现象。其影响可在电路 板表面检测到且潜伏期较短。这些失效机理可 通过表面绝缘电阻（SIR）测试或电化学迁移测试（ECM）检测到。 第三种失效模式如果存在 的话，取决于外部离子要花多长时间穿过封装 密封材料扩散入芯片区。这些外部离子一旦到 达硅芯片，芯片的功能可能会受到影响。在正 常的工作环境中扩散时间通常是年的数量级。通常，需要某些加速试验，例如SIR或ECM，在合理的测试周期内来测量这种影响。另外，所 有用于PCA的免清洗助焊剂如焊膏、波峰焊助 焊剂甚至返工用助焊剂都会残留在PCA上，并 且可以互相混合。建议对这些助焊剂，既要组合在一起进行测试，也要单独测试，以了解整体清洁度的情况。

八、封装间隙⾼度

封装间隙高度是决定BGA 焊点可靠性的主要参数之一。 BGA的间隙高度定义为封装基板底部连接盘与印制板表面顶部 连接盘之间的距离。此距离随焊球类型的变化而 不同：高铅类焊球保持着非常一致的尺寸；共晶焊球则会使封装间隙高度减小。这也被称为焊 球塌陷高度。举例来说，当1.27mm锡/铅BGA焊 接至封装时塌陷0.1mm，而当焊接到板子时，焊 球则有0.2mm的额外“塌陷”。所以总的来说， 对于1.27mm的焊球可以预 期比再流前的值会减 少0.25mm至0.30mm。 高铅和铜焊球不塌陷，因 为它们不熔化。在建立工艺期间应该验证无铅 BGA的间隙高度。建议建立工艺来重现具体元器件的间隙高度。

在再流焊之后，决定BGA封装与电路板间隙高度的因素包括球BGA封装重量、焊球尺寸、焊球 材料、连接盘尺寸和连接盘构造（阻焊膜限定或 非阻焊膜限定）。间隙高度会随着封装重量增加 而减小。 然而，对于有较高焊球数的封装，封 装重量对于间隙高度的影响可能会较小。有关 这两种参数之间关系的一项研究发现，对于615 个焊球、1.27mm球节距的BGA封装，封装重量 增加5倍，间隙高度只下降约0.05mm。

由于每个焊球有较大的焊料量， 较大的焊球尺 寸导致有较大封装间隙高度。 间隙高度与连接盘直径成反比，对于非阻焊膜限定（NSMD） 连接盘，连接盘外围没有阻焊膜而使间隙高度 减小，这是因为焊料会沿着导体和连接盘边缘 向外润湿。 如图10所示。