芯耀
2014
尽管BGA技术已成为SMT行业主流，但这项技术仍有一些需要考虑的决策。这些是商业和技术上的问题而需要予以解决。这些特别关注的领域有如下几点：
• 外观检验 • 湿敏性 • 返工 • 成本 • 可获得性 • BGA中的空洞 • 焊点开路（BGA或叠装BGA） • 枕头效应现象 • 标准及其采用 • 可靠性问题
BGA问题并非无法解决，但是这需要专门的工程资源来研发和实施稳定可靠的工艺。
一、外观检验
BGA是不适合于厂商通过检验和维修来保证质量的封装。除非使用X射线或光学探测技术，否则无法对BGA的焊点进行检验。为获得BGA所带来的优势，必须要维持稳定的工艺控制。由于受时间和培训限制，许多厂商发现实施这样严格的工艺控制是一个困难的尝试。
BGA外观检验方法能够识别出焊点的一些问题：从BGA的外排焊球，可以看到陶瓷BGA非塌陷焊球以及塑封BGA塌陷焊球的良好流动的情况。外排目视检查结果可以作为这些问题的标志，例如查看BGA外排与连接盘的对齐情况，以及BGA座落在电路板的情况，是水平的还是倾斜的。
二、湿敏性
塑料封装的BGA湿敏性极高：如果BGA封装未进行足够烘烤或者组装前没有保持干燥，使它们容易出现翘曲、膨胀、爆裂或者裂纹等情况。元器件贮存和操作程序对BGA/FBGA是至关重要的，它对其它任何湿敏元器件，包括有引线的表面贴装器件也是十分关键的。
元器件的湿敏性可依据J-STD-020来测试：湿敏性决定于封装的厚度。每种BGA封装类型的湿敏等级都需要分析。了解BGA封装类型对应的适用温度是很关键的，适用的温度分别为220°C、235°C、245°C、250°C以及260°C。如果使用温度更高，封装类型的湿敏性可能要下降几个等级。
由于模塑化合物和基材系统的改善，绝大多数基于层压板的BGA可在高于220°C温度下安装。密封的陶瓷BGA是非湿敏器件，因此可在任一较高温度下实现安装。因为向无铅焊接切换，业界需要试验和验证在更高温度下的工艺，如260°C，如此高温不仅BGA会面临的严重问题，所有其它表面贴装器件也会产生问题。
三、热⾮平衡BGA设计
塑料BGA封装也容易出现当边缘向上弯曲时的翘曲，这可能会造成外排焊球没有连接上。封装边缘也可能向下弯曲，因此可用术语“哭脸”或“笑脸”BGA来识别这两种情况。所谓的“笑脸”BGA基板对外排焊球施压，而“哭脸”BGA基板对内排焊球连接位置施压。封装翘曲是返工时仅施加助焊剂时面临的实际问题。大尺寸芯片会引起PCB和封装层压材料之间CTE不匹配，从而造成封装翘曲（见下图1）
热非平衡封装设计，特别是在顶部有散热片设计的封装，根据经典的双金属材料效应将会产生弯曲。
四、返⼯
尽管BGA并不像密节距引线框架器件那样有很多的返工，但许多组装厂对使用难以返工的元器件封装心存疑虑。虽然BGA返工困难，但并不意味着不可能实现。如今有现成的BGA返工技术和手动／自动设备，进行BGA植球和连接盘图形修复。在返工操作时必须考虑一些因素，这些因素是：
• 热循环次数 • 植球时焊球塌陷 • 不要损伤BGA基板上的焊盘 • 正确进行连接盘修复，不要损伤产品电路板上连接盘 • 基于所用的合金，再连接时合适的再流焊温度 • 除非使用免清洗助焊剂，否则需清洗以便去除
助焊剂残留
五、成本
BGA相比于被替代的密节距外围器件封装还是有些许成本差异的。然而竞争方面的压力使得BGA成本持续下降以满足新的目标。随着BGA所需的印制板层数的增加而产生更多的成本，但采用BGA会带来互连概念和性能特性方面的许多优点。
下面是BGA封装成本较高的一些关键原因：
• 基材成本更高（细线宽/密间距） • 高Tg 值的BT(双马来酰亚胺三嗪)树脂 • 散热增强 • 电性能增强 • 极密外部节距 • 高温再流要求 • 薄外形高度
在过去的几年，这些问题都得到解决并且取得了相当大的进步。
总体来说，创建BGA引脚数的设计标准是困难的，因为每个芯片都有不同的要求，每个封装/芯片组合都是独特的；因此，制造商在外围引线封装上的规模经济不一定在面阵列器件上看得到。
下表说明了过去几年，半导体工业界对于不同技术下产生的每个引脚的期望成本。表中上色部分深浅代表达到预测目标的困难程度。下表引用于ITRS 2010 路线图，所展示的造价十分高昂。较低成本范围对应的是外围引线封装，而较高成本范围对应的是阵列形式的封装例如BGA/FBGA。许多资源专家认为，由于预测成本低，未来几年这样的BGA价格不太可能获得盈利。
六、可获得性
节距为0.8-1.27mm的封装在世界许多地区可大量获得。节距为0.5mm及其以下的封装目前也可获得并应用于高档便携电子设备。一些元器件制造商正着手研发自己的BGA封装版本。这样做的目的一方面是为了增大设计模仿的难度，另一方面则是为了保持市场份额。其核心目的是防止第二家供应商进入市场，以锁定设计人员使用由单一供应商提供的特定非标元器件。
七、 BGA中的空洞
许多厂商配合使用X射线、在线电路测试（ICT）、自动光学检测（AOI）来改善对BGA焊点的工艺控制能力。有些厂商通过X射线来探测空洞，以确定一个接收/拒收标准。任何类型的焊点都不可避免地出现某种程度的空洞，但是对于空洞程度的可接受范围，业界仍旧有争论。认为空洞可接受的人认为，空洞本身并无危害，其出现的位置才是关键。检验空洞有许多的考量，主要是帮助建立工艺改进标准，空洞的改善后续将详细介绍，请关注本公众号了解。关于空洞的数据已经在许多可控实验中得到了分析，结论为在热应力或机械应力下，空洞总量与可靠性性能没有相关性。
随着BGA的节距和焊球尺寸日趋减小，焊球上的空洞数量越来越值得注意。对于这种情况，建议将空洞的可接受标准与最终产品的工作环境相联系。建议每个产品都制定一份关于空洞的标准，并对生产过程或产品制定一个空洞目标。
八、焊盘坑裂
BGA一个新的问题是焊盘坑裂现象。焊盘坑裂的定义为连接盘与印制板树脂/织物复合物、或连接盘下复合物内部分离，它也被称为“层压板裂纹”。
焊盘坑裂的图例可见所示的BGA焊点截面。这种现象形成的原因与为满足无铅焊料的较高温度要求而采用层压板树脂系统的新配方有关，新材料较为坚硬，而比之前所用材料更脆。
BGA焊点有若干种可能的失效模式。不同的失效模式可参考下图中的描述。该图是强调焊盘坑裂位置与其它形式焊点失效位置之间的关系。焊盘坑裂失效通常发生于位置5，位于焊盘与印制电路板的层压板之间。处于元器件基材与元器件焊盘之间（位置1）的失效模式与焊盘坑裂十分类似，但是这种失效模式通常归因于元器件封装工艺而非印制板组装工艺，位置1的失效通常会在元器件可靠性评估或者分类处理时被发现。
九、标准化问题
许多BGA采用传统印制板（中介基板）材质，但是这些材料需要通过标准的可靠性测试。许多机构，例如JEDEC、IEC以及IPC，都开展了标准化的工作，以测试BGA封装是否能满足大多数应用的要求极限。绝大多数塑料材质的封装应用在办公室设备、笔记本电脑以及便携电子设备，这些应用场合通常不需要像其它应用那样的产品生命周期性能要求。
对特定应用的BGA，需要有特定应用的鉴定标准将测试条件同产品的使用环境关联起来。许多工业发展历程已识别了这些工作环境可为：低成本、手持、高性能手持、高性价比、高性能以及严苛环境中应用等。后面的环境如宇航和汽车电子（引擎盖下），通常需要额外的测试如加速应力试验（HAST），用以验证在那些严酷环境下可靠性。
由于焊盘坑裂已经成为一个问题，IPC委员会开发了测试程序以在用作组装安装结构之前对印制板进行鉴定，IPC-9708提供了测试方法，用于评估印制板组装材料和表面贴装（SMT）焊盘下设计的粘接介电材料失效的耐受性。这种实验方法可用于不同印制板和设计参数的排序和比较，但并不定义为验收标准。
十、可靠性问题
可靠性问题与BGA元器件自身以及BGA焊接到互连基板（通常为有机印制板）的可靠性相关。
元器件可靠性问题可以通过将芯片正确安装到中介基板上得到缓解。金属导线键合技术已使用多年，该项工艺为人熟知通常十分纯熟，具有很高的良率。另一较普遍的技术是将裸芯片正面向下以倒装芯片方式安装在中介基板上。采用倒装芯片工艺需要严格控制中介基板上的连接盘位置，使连接盘能够与裸芯片的键合位置正确地对接。此外，如果中介基板的材质为有机材料，连接工艺需要底部填充以最大限度的减小由于硅芯片和中介基板的热膨胀系数不匹配而导致的疲劳损坏。
在最小化热膨胀系数CTE不匹配以及增加间隙高度的情况下，组件级的焊点疲劳会减轻。焊接的可靠性可通过研究并全面了解产品的操作使用环境以及遵照IPC-D-279列出的可靠性设计（DfR）指南来优化。在选择表面处理方式时，需要考虑锡晶须和金脆化所带来的风险。应该尽量避免使用厚金表面处理（厚度大于0.25μm），以减轻焊接时金脆化所带来的风险，过厚的其它贵金属表面处理也应尽量避免使用。
十一、⽆铅技术的驱动⼒
将厂家产品中普遍含有锡/铅焊料转化为无铅焊料有两大推动力，其一来自法律法规的驱动，其二为市场趋势的驱动。
用于推动电子电气设备不能含铅的法规目前为有害物质（RoHS）限制使用指令（2002/95SEC）。RoHS指令对进入欧盟市场可能会存在于电子电气设备的铅、汞、镉、六价铬以及两种溴化阻燃剂进行限量。现在美国和日本并没有相关法规，以限制电子产品中铅的使用。日本有回收限定数量二手电子设备的要求，包括PC、CRT、电视以及白色家电等。欧盟也有相应的关于电子电气设备废弃物（WEEE）的条例。废弃物需要根据这项于2005年生效的条例来回收和管理。
另外一项推动力是市场驱动。厂商正在研发和引进无铅产品作为市场的先行者。本质上讲，作为厂商他们并不希望被竞争对手在引进无铅或无卤素产品方面抢得先手。BGA元器件以及所有电子组件都需要符合法律法规和市场准则。由于电子产品制造商需要申报产品中含有的物质或材料，因此这项要求会向下传导至整个供应链。
