常用BGA封装的动态热变形曲线

P-BGA与F-BGA热变形过程及钢网开口优化分析

在电子封装领域，BGA（球栅阵列）封装的热变形行为对封装的可靠性和焊接良率具有重要影响。热变形曲线作为描述这一行为的关键工具，以二维图的形式直观展现了BGA封装在三维空间中的变形情况。其中，纵坐标代表基于测量平面的BGA中心高度与角部或边缘高度的差值，即动态翘曲度（正值表示中心上凸，负值表示中心下凹或四角上翘）；横坐标则代表温度点。了解P-BGA和F-BGA这两种最广泛使用的BGA封装的热变形过程，对于优化钢网开口设计至关重要。

一、P-BGA热变形过程

P-BGA（塑料球栅阵列）的热变形行为呈现典型的双阶段特征，其典型热变形曲线如图1-1所示：

图1-1 P-BGA的典型热变曲线

Tg点前变形机制（BGA载板主导）

在温度未达到EMC（包封材料）的玻璃化转变温度（Tg）时，BGA载板（通常为BT树脂或FR-4材料）的线膨胀系数（CTE，约14ppm/℃）起主导作用。

由于载板平面方向CTE小于垂直方向，加热时四角区域因约束较少而率先上翘，形成负向动态翘曲度。

Tg点后变形机制（EMC主导）

当温度超过Tg后，EMC的CTE发生突变（由14ppm/℃增至55ppm/℃），其体积膨胀效应超过载板约束，导致变形方向反转为中心上凸，形成正向动态翘曲度。

焊球阵列的全阵列分布特性加剧了这种变形反转，使中心区域成为应力集中点。

二、F-BGA热变形过程

F-BGA（柔性球栅阵列）的热变形行为受Cu盖影响显著，其典型热变形曲线如图1-2所示（不带Cu盖）和图1-1中相关部分所示（带Cu盖）：

不带Cu盖的F-BGA

变形趋势与P-BGA相似，但因柔性基材的缓冲作用，四角上翘幅度较小，中心上凸量也相应降低。其典型热变形曲线如图1-2所示。

带Cu盖的F-BGA

Cu盖（CTE≈17ppm/℃）通过机械约束降低EMC的自由膨胀空间，使四角上翘幅度减少30-50%。

Cu盖与EMC的界面形成应力缓冲层，变形曲线斜率在Tg点前后更平缓，中心上凸幅度较P-BGA降低约25%。

三、钢网开口设计优化

基于P-BGA和F-BGA的热变形曲线特征，可以制定以下钢网开口优化策略：

P-BGA钢网开口设计

区域差异化开口：根据四角上翘和中心上凸的区域特征，分别采用“内缩型”和“扩展型”开口设计，以补偿焊膏的过量或不足。

阶梯厚度设计：使用组合钢网，在四角区域形成焊膏体积梯度，平衡冷却收缩应力。

F-BGA钢网开口设计

Cu盖影响区处理：在Cu盖投影区采用“窗口型”开口，利用Cu盖的平面度优势；在非覆盖区采用“密间距微孔”设计，增强焊膏释放均匀性。

热应力缓冲设计：在封装四角对应钢网区域设置应力释放槽，减少焊接残余应力。

四、协同优化与验证方法

温度曲线协同优化

通过控制预热区的升温速率和峰值温度，影响BGA封装的热变形行为，与钢网开口设计形成协同优化效应。

变形量监测

使用激光干涉仪实时采集BGA表面形貌，确保变形量在可控范围内。

焊点可靠性验证

通过剪切强度测试和热循环试验，验证优化后焊点的可靠性和稳定性。

五、工程实践建议

材料匹配性验证：建立EMC-载板-钢网开口参数数据库，针对不同Tg值EMC配置对应开口方案。

智能钢网技术：采用可变厚度钢网（VPS），通过激光雕刻实现局部厚度调节。

DFM协同设计：在PCB布局阶段预留BGA四角应力释放区，与钢网开口优化形成双重补偿机制。

六、结论

通过深入了解P-BGA和F-BGA的热变形过程，并结合热变形曲线进行钢网开口设计的优化，可以有效提高BGA封装的焊接良率和可靠性。通过文章中的图可以为工程师提供了直观的视觉指导，有助于更好地理解和优化BGA封装的制造过程。在实际工程中，应综合考虑材料特性、温度曲线和钢网开口设计等多个因素，以实现最佳的封装效果。

审核编辑 黄宇