無(wú)鉛回流焊接BGA空洞研究

隨著歐洲環(huán)境立法，如RoHS以及PCB市場(chǎng)力量，正在推動(dòng)走向無(wú)鉛焊料的轉(zhuǎn)化。電子產(chǎn)品導(dǎo)入無(wú)鉛制程后，由于無(wú)鉛焊料的特性，如熔點(diǎn)高、潤(rùn)濕性差、工藝窗口窄等，焊接過(guò)程出現(xiàn)了無(wú)鉛焊接特有的缺陷及水平，如錫珠、焊點(diǎn)粗糙、漏焊和少錫，以及空洞等。

空洞作為焊接過(guò)程中一種有爭(zhēng)議的缺陷，在共晶Sn/Pb焊料時(shí)就普遍存在，但無(wú)鉛工藝中焊接溫度的提升會(huì)進(jìn)一步加劇空洞的形成?？斩磫?wèn)題并不是BGA獨(dú)有的，在表面貼裝及通孔插裝元件的焊點(diǎn)中都可以檢查到，只是BGA區(qū)域出現(xiàn)空洞的幾率一般比較高。PCB設(shè)計(jì)、焊料選擇、焊接工藝（尤其無(wú)鉛與混裝工藝）、回流氣氛（空氣與氮?dú)猓?、回?a target="_blank">參數(shù)等都會(huì)對(duì)空洞的形成與控制有不同程度的影響。

查閱諸多相關(guān)文獻(xiàn)，就BGA焊接空洞的分類和特征、形成機(jī)理、接收標(biāo)準(zhǔn)與判定爭(zhēng)議，影響空洞的相關(guān)因素以及對(duì)應(yīng)的預(yù)防控制進(jìn)行綜述，以期對(duì)電裝生產(chǎn)過(guò)程控制提供參考。

一、空洞的分類與特征：

為了便于分析，根據(jù)焊球中空洞的位置，可以將空洞分為以下幾類：

1.BGA側(cè)界面空洞

BGA側(cè)界面上所存在和發(fā)生的空洞，可能是由芯片原有的封裝界面空洞，在板級(jí)組裝過(guò)程中發(fā)展和擴(kuò)大而成，也可能是在回流組裝中新形成的。

2.PCB側(cè)界面空洞

該類空洞是指回流焊接過(guò)程中發(fā)生在與焊料球和PCB界面直接連接的空洞，也稱為組裝界面空洞。其產(chǎn)生是由于PCB焊盤(pán)表面氧化、有雜質(zhì)或組裝工藝中殘留未排出的助焊劑可揮發(fā)物導(dǎo)致。

3.焊球內(nèi)部空洞

在板級(jí)系統(tǒng)組裝回流焊接過(guò)程中，將在焊料球內(nèi)部所形成的且不與界面直接連通的空洞，稱為焊球內(nèi)部空洞，如圖4所示。該類空洞通常是在回流焊接過(guò)程中，由于熔融焊料在固化過(guò)程中截留了揮發(fā)物（助焊劑或水汽）而形成。由于其未受到外部因素影響，故尺寸一般較小，且氣體受垂直方向的壓迫力較大，因此，形狀大多呈橫向橢球形。

二、空洞的形成機(jī)理

焊接空洞的形成機(jī)理較為復(fù)雜，但普遍認(rèn)為可揮發(fā)物是產(chǎn)生空洞的基本條件。因此，要預(yù)防焊接空洞，要么減少氣體的發(fā)生，要么使產(chǎn)生的氣體更容易排出。

1.助焊劑揮發(fā)

一般認(rèn)為，在回流區(qū)FLUX已經(jīng)被消耗殆盡，錫膏的粘度發(fā)生了較大變化，此時(shí)FLUX中有機(jī)物高溫裂解后產(chǎn)生的氣泡無(wú)法及時(shí)逸出，被包圍在錫球中，冷卻后就形成空洞。

研究發(fā)現(xiàn)，空洞的產(chǎn)生與焊料本身的表面張力有著直接的聯(lián)系。錫膏的表面張力越大，高溫裂解的氣泡被團(tuán)團(tuán)包圍在錫球之中，就越難逸出焊球。相比有鉛焊料，無(wú)鉛焊料比重小、表面張力大（無(wú)鉛：4.60*10-3N/260℃，有鉛：3.80*10-3N/260℃），已經(jīng)陷入高溫裂解的氣泡，由于無(wú)鉛焊料顆粒小、空隙少，加之較高的表面張力，逃逸到外面的幾率就更小。這也是通常無(wú)鉛工藝空洞發(fā)生幾率及嚴(yán)重程度高于有鉛的原因。

2.水汽揮發(fā)

PCB本身吸潮或盲孔殘留的藥水，如果在加工過(guò)程中不能將其完全烘烤出來(lái)，回流焊接過(guò)程中受高溫產(chǎn)生揮發(fā)，同樣也會(huì)在盲孔上方形成空洞。

此外，如果焊膏使用方法不當(dāng)，車(chē)間溫濕度失控等，也會(huì)導(dǎo)致錫膏吸收過(guò)多空氣中的水分，從而使回流焊后產(chǎn)生空洞的幾率大大增加。

3.柯肯達(dá)爾效應(yīng)

柯肯達(dá)爾效應(yīng)指兩種擴(kuò)散速率不同的金屬在擴(kuò)散過(guò)程中會(huì)形成缺陷的現(xiàn)象，由其形成的空洞一般接近不同金屬的界面間，是由不同擴(kuò)散速率的金屬元素在生成界面合金層時(shí)所產(chǎn)生的微小空洞，通常X-Ray無(wú)法檢測(cè)，必須采用掃描電鏡才能觀察清楚。

三、空洞的接收標(biāo)準(zhǔn)

IPC-A-610E對(duì)BGA焊接空洞標(biāo)準(zhǔn)定義為，在X射線的影像區(qū)域內(nèi)，任何焊料球的空洞等于或小于25%。同時(shí)備注如下：

（1）設(shè)計(jì)導(dǎo)致的空洞，如焊盤(pán)上的微導(dǎo)通孔，可以免除此要求。這種情況下，驗(yàn)收要求應(yīng)當(dāng)由制造商和用戶協(xié)商確定。

（2）制造商可以通過(guò)測(cè)試或分析來(lái)開(kāi)發(fā)考慮了最終應(yīng)用環(huán)境的空洞驗(yàn)收要求。

以上IPC中只是提到BGA空洞驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，但是在眾多的國(guó)際大廠中又有許多廠家是不承認(rèn)此標(biāo)準(zhǔn)的，即比此標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，更加苛刻。例如，IBM認(rèn)為BGA的空洞面積不可超過(guò)15%，如果超過(guò)了20%就會(huì)影響焊點(diǎn)的可靠度，影響焊點(diǎn)的使用壽命。當(dāng)然，空洞面積越小越好，更小的空洞面積需要更強(qiáng)的工藝去支撐。

四、關(guān)于空洞的危害爭(zhēng)議

關(guān)于BGA空洞的危害，業(yè)界基本持有兩種觀點(diǎn)，一種認(rèn)為空洞是應(yīng)力的集中點(diǎn)，其存在不僅影響到焊點(diǎn)的強(qiáng)度、延展性、抗疲勞性等機(jī)械性能，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品的熱傳導(dǎo)及電流傳輸存在影響；另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為空洞的存在對(duì)焊點(diǎn)中裂紋的擴(kuò)展與蔓延具有抑制作用，特別是焊點(diǎn)在遭受外力沖擊時(shí)，其延緩了失效發(fā)生的時(shí)機(jī)與概率。

一般來(lái)說(shuō)，空洞的位置和尺寸是影響產(chǎn)品性能與焊接可靠性的兩個(gè)關(guān)鍵因素。有研究顯示，空洞距離焊接界面越近（尤其位于焊接界面上的空洞），對(duì)焊點(diǎn)的機(jī)械性能（如焊點(diǎn)開(kāi)裂）影響越大，并通過(guò)仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，空洞面積小于15%時(shí)，熱機(jī)械性能持久性隨空洞面積的增大而增長(zhǎng)；空洞面積大于15%時(shí)，則隨空洞面積的增大而減小。

IPC焊料產(chǎn)品價(jià)值委員會(huì)（SPVC）最新的研究試驗(yàn)，通過(guò)6000次溫度循環(huán)后的失效情況與空洞位置、尺寸對(duì)比，無(wú)鉛與錫鉛焊點(diǎn)的特征壽命對(duì)比等，得出的結(jié)論是，沒(méi)有證據(jù)證明無(wú)鉛合金焊點(diǎn)中的空洞會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的可靠性產(chǎn)生影響。

五、影響B(tài)GA空洞的因素

BGA在焊接過(guò)程中形成焊點(diǎn)時(shí)，一般會(huì)經(jīng)歷二次塌陷的過(guò)程。第一個(gè)過(guò)程是焊膏先熔化，元件塌落下來(lái)；第二個(gè)過(guò)程是焊料球也熔化再次塌落，最終形成一個(gè)扁圓形的焊點(diǎn)。而從實(shí)際情況看，焊點(diǎn)空洞多發(fā)生于焊球底部與焊盤(pán)之間的位置，其受焊接過(guò)程中助焊劑揮發(fā)影響較多，因此，工藝曲線與焊膏是影響焊點(diǎn)空洞形成的兩個(gè)最為重要的因素。

1.回流曲線

回流焊溫度曲線一般可分成預(yù)熱、保溫、回流、冷卻四段，各段溫度曲線需要綜合考慮助焊劑、PCB材料、器件屬性（有鉛還是無(wú)鉛）以及器件布局等因素來(lái)確定。

預(yù)熱區(qū)，是指從室溫提升到焊劑內(nèi)助焊劑發(fā)揮作用所需的活性溫度這一過(guò)程。當(dāng)PCB進(jìn)入預(yù)熱區(qū)時(shí)，焊劑中的溶劑、氣體蒸發(fā)掉，焊劑軟化后覆蓋焊盤(pán)，并將焊盤(pán)、元件焊端與氧氣隔離。

保溫區(qū)，顧名思義，目的在于減少PCB上各元器件之間的相對(duì)溫差，并使焊劑內(nèi)部的助焊劑充分地發(fā)揮作用，以提高焊接質(zhì)量。溫度和時(shí)間控制需格外關(guān)注。

回流區(qū)，是將PCB溫度提升到焊劑的熔點(diǎn)溫度以上并維持一定的時(shí)間，使焊劑、器件焊點(diǎn)、PCB焊盤(pán)之間相互形成合金，完成焊接過(guò)程。溫度設(shè)定同焊接工藝（有鉛或無(wú)鉛）有關(guān)，回流區(qū)的時(shí)間和溫度很關(guān)鍵。

PCB在回流焊的最后階段就是進(jìn)人冷卻區(qū)，使焊點(diǎn)凝固。冷卻區(qū)的冷卻速率是影響焊點(diǎn)質(zhì)量的一個(gè)重要因素。理想的冷卻曲線相對(duì)回流區(qū)曲線呈類似鏡像關(guān)系，達(dá)成鏡像關(guān)系的曲線焊點(diǎn)結(jié)合緊密，可靠性高。

2.焊料選擇

2.1助焊劑活性影響

前面已經(jīng)論述過(guò)，空洞現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是助焊劑中的有機(jī)物經(jīng)過(guò)高溫裂解后產(chǎn)生的氣泡很難逸出，導(dǎo)致氣體被包圍在合金粉末中。理論上，由于氣體比重小，在回流中氣體會(huì)懸浮在焊料的表面并最終逃逸出去，不會(huì)停留在合金粉末的表面。

實(shí)際上，要綜合考慮焊料表面張力和被焊元器件重力的影響。如果有機(jī)物產(chǎn)生氣體的浮力比焊料的表面張力小，加上被焊器件重力的影響，助焊劑中的有機(jī)物經(jīng)過(guò)高溫裂解后，氣體就會(huì)被包圍在錫球的內(nèi)部，深深的被錫球所吸住很難逸出去，此時(shí)就會(huì)形成空洞現(xiàn)象。

2.2助焊劑粘度影響

如果助焊劑的粘度比較高，其中松香的含量也是比較高。此時(shí)助焊劑去除表面氧化物、污物的能力就越強(qiáng)，縮錫、拒焊現(xiàn)象就會(huì)大大減少，焊接會(huì)形成良好的IMC合金層，氣泡也是隨之減少，空洞的幾率自然降低了。

2.3溶劑沸點(diǎn)影響

一般而言，錫膏中溶劑的沸點(diǎn)高低直接影響B(tài)GA空洞的大小和空洞形成的概率。如果溶劑的沸點(diǎn)較低，在保溫區(qū)或者回流區(qū)溶劑就已經(jīng)揮發(fā)完了，剩下的只是高粘度難以移動(dòng)的有機(jī)物，氣體被團(tuán)團(tuán)包圍在內(nèi)自然更難以逸出。因此，選用高沸點(diǎn)的溶劑也是一種選擇。

2.4焊料的使用和管理

錫膏中有很多合金粉末顆粒，這些金屬粉末顆粒很容易氧化、濕潤(rùn)不良，造成焊接出現(xiàn)虛焊，因此，要嚴(yán)格進(jìn)行使用和管理。通常錫膏要冷藏在0～10℃的冰箱中，防止助焊劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)變質(zhì)和揮發(fā)，使用前取出回溫4～24 h到常溫狀態(tài)。且由于冷藏和回溫過(guò)程中助焊劑和合金粉末的密度不一樣，容易分層，因此，使用前要進(jìn)行3～10min的均勻攪拌。需注意錫膏攪拌的時(shí)間和力度，如果時(shí)間太長(zhǎng)力量太大合金粉末很可能被粉碎，造成錫膏中的金屬粉末被氧化。一旦錫膏粉末被氧化，回流焊之后產(chǎn)生空洞的機(jī)率將大大增加。

同時(shí)，PCB印刷錫膏后盡量不要長(zhǎng)時(shí)間放置在空氣中（通常2h內(nèi)完成作業(yè)），應(yīng)盡塊進(jìn)行貼片、回流作業(yè)，避免錫膏吸收空氣中的水分或者與空氣接觸發(fā)生氧化現(xiàn)象，會(huì)額外增加空洞現(xiàn)象的產(chǎn)生。正確的使用錫膏將是保證各種焊接質(zhì)量的前提條件，必須高度重視。

3.元器件的沾錫時(shí)間

Sn63/Pb37焊料的沾錫時(shí)間非常短，大約0.6S，而SnAgCu焊料的沾錫時(shí)間約1.5S。同時(shí)無(wú)鉛焊料的表面張力大，移動(dòng)速度非常慢，焊料的潤(rùn)濕性、擴(kuò)散性也比有鉛焊料要差，有機(jī)物經(jīng)過(guò)高溫裂解后產(chǎn)生的氣體很難逃出去，氣體會(huì)完全被包圍在合金層中。因此，無(wú)鉛產(chǎn)生空洞的概率要比有鉛大得多，這也是當(dāng)今無(wú)鉛化焊接課題面臨的一個(gè)難題和挑戰(zhàn)。

4.焊盤(pán)可焊性

回流焊過(guò)程中，PCB焊盤(pán)和BGA錫球上的氧化物或有機(jī)污染物，是導(dǎo)致助焊劑消耗的主要因素。當(dāng)助焊劑揮發(fā)物無(wú)法排出去時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生空洞，因此在焊錫完全熔融前，最好能夠?qū)⒀趸锛坝袡C(jī)污染物從焊盤(pán)與錫粉中完全去除。與錫粉表面氧化物的可移動(dòng)性不同，焊盤(pán)上的氧化物無(wú)法移動(dòng)，如果焊錫熔融前沒(méi)有被助焊劑的活化劑清除，便會(huì)捕捉助焊劑，在焊盤(pán)表面被熔融焊錫包圍，并且隨著回流焊溫度的上升，排氣現(xiàn)象更加明顯，進(jìn)而導(dǎo)致空洞的產(chǎn)生。

5.PCB焊盤(pán)設(shè)計(jì)

當(dāng)PCB上BGA焊盤(pán)設(shè)計(jì)大小不一致（可能由于走線需求導(dǎo)致空間不足）時(shí)，由于實(shí)際鋼網(wǎng)開(kāi)孔大小一致，導(dǎo)致對(duì)焊盤(pán)而言錫膏“承載量”不均，出現(xiàn)短路或者空洞的幾率也是大大增加。

另一種情形是BGA焊盤(pán)設(shè)計(jì)過(guò)孔（或盲孔）時(shí)，也可能出現(xiàn)與盲孔直接相連接的空洞（本質(zhì)上屬于PCB側(cè)界面空洞的一種）。因此，BGA焊盤(pán)上盲孔最好最塞孔（填孔）處理，且將其設(shè)計(jì)在焊盤(pán)下面（如PCB制作中的樹(shù)脂塞孔工藝）。

6.焊接工藝

雖然SAC 合金的標(biāo)稱熔點(diǎn)為217 ℃，但實(shí)際上SAC 合金并不是真正的共晶合金（固相線與液相線的溫度范圍是216~220 ℃），因此，有鉛焊料工藝?yán)鋮s開(kāi)始凝固結(jié)束焊接的溫度恰好是無(wú)鉛焊料剛開(kāi)始熔化之時(shí)，并且處于固、液相共存的漿糊狀態(tài)。因此，在有鉛和無(wú)鉛焊料混合組裝過(guò)程中應(yīng)兼顧兩種焊料的溫度特性。

對(duì)于有鉛錫膏無(wú)鉛BGA的混合裝配工藝，如果溫度曲線設(shè)置不當(dāng)（比如峰溫和持續(xù)時(shí)間不足），會(huì)造成助焊劑揮發(fā)不夠充分（在助焊劑氣體尚未完全揮發(fā)時(shí)，金屬就已經(jīng)固化，導(dǎo)致形成空洞）。加之無(wú)鉛焊膏與有鉛焊膏相比有許多固有的弱點(diǎn)，因此無(wú)鉛BGA在焊接過(guò)程中形成焊點(diǎn)空洞較多。

7.焊接氣氛

采用氮?dú)夥栈亓骷夹g(shù)可以有效的保護(hù)回流焊過(guò)程焊球和合金粉末的二次氧化，使回流焊接中的冶金過(guò)程得以充分進(jìn)行，從而獲得充分熔混的優(yōu)良焊點(diǎn)。盡管其優(yōu)點(diǎn)突出，但同時(shí)也帶來(lái)一些負(fù)面問(wèn)題。例如貼裝完成的PCBA在氮?dú)夥障逻^(guò)爐，因爐腔內(nèi)氣體分壓和熔融焊料表面張力的改變，增加了焊球內(nèi)氣泡的逃逸難度，導(dǎo)致BGA焊球內(nèi)的空洞尺寸增大，在X-ray檢測(cè)時(shí)面積比超過(guò)25%的情況。

根據(jù)阿伏伽德羅定律，同溫同壓時(shí)相同體積含有的分子數(shù)相同。常態(tài)下空氣大致是由N2（80%）+ O2（20%）組成，當(dāng)再流焊接爐膛內(nèi)的空氣被純N2氣氛所置換時(shí)，則再流焊接爐腔內(nèi)的氣壓也必然要發(fā)生某種變化，這種變化應(yīng)該是導(dǎo)致BGA焊球內(nèi)空氣體積擴(kuò)張行為的驅(qū)動(dòng)力。有研究表明，當(dāng)爐膛內(nèi)由空氣改成N2后，爐膛內(nèi)氣壓下降了2.8%，即假定空氣時(shí)氣壓為1bar，換成N2后，爐膛內(nèi)氣壓降低了28hpa，故為保持空洞內(nèi)氣壓與爐膛內(nèi)氣壓的平衡，就只有增大空洞的體積予以實(shí)現(xiàn)。

六、關(guān)于BGA焊接空洞的預(yù)防與控制

BGA封裝的優(yōu)點(diǎn)使其應(yīng)用范圍愈加廣泛，但帶來(lái)的問(wèn)題同樣突出，比如嚴(yán)格的焊點(diǎn)可靠性要求，返修難度加大（芯片需植球處理）以及對(duì)溫濕度的高敏感性等?？斩粗皇荁GA焊接諸多缺陷的一種，控制空洞和提高BGA焊接可靠性的工藝改進(jìn)建議包括：

（1）PCB、芯片預(yù)熱，去除潮氣；對(duì)PBGA要在焊接前以100℃烘烤6～8 h。

（2）清潔BGA焊盤(pán)，將留在PCB表面的助焊劑、焊錫膏清理掉。

（3）選擇合適厚度和開(kāi)孔規(guī)則的鋼網(wǎng)，錫膏使用前攪拌均勻，提高焊錫膏印刷質(zhì)量，增加錫膏的粘度也是改善空洞現(xiàn)象的有效手段。

（4）貼片時(shí)確保BGA芯片上的每一個(gè)錫球與PCB上每一個(gè)對(duì)應(yīng)的焊點(diǎn)對(duì)正。

（5）回流焊過(guò)程中，要正確選擇各區(qū)的加熱溫度和時(shí)間，同時(shí)應(yīng)注意升溫的速度。一般在100℃前，最大的升溫速度不超過(guò)6℃/S，100℃以后最大的升溫速度不超過(guò)3℃/S，在冷卻區(qū)，最大的冷卻速度不超過(guò)6℃/S。因?yàn)檫^(guò)高的升溫和降溫速度都可能損壞PCB和芯片，這種損壞有時(shí)是肉眼無(wú)法觀察到的。同時(shí)，對(duì)不同的芯片、不同的焊錫膏，應(yīng)選擇不同的加熱溫度和時(shí)間，如CBGA芯片的回流溫度應(yīng)高于PBGA的回流溫度，90Pb/10Sn應(yīng)比63Sn/37Pb焊錫膏選用更高的回流溫度。對(duì)免洗焊膏，其活性低于非免洗焊膏，因此，焊接溫度不宜過(guò)高，焊接時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，以防止焊錫顆粒的氧化。

（6）PCB設(shè)計(jì)時(shí)，BGA所有焊點(diǎn)的焊盤(pán)應(yīng)大小一致，如果有過(guò)孔，則必須設(shè)計(jì)到焊盤(pán)下面，確保所有焊盤(pán)大小一致，焊盤(pán)上焊錫一樣多，高度一致。

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