無鉛回流焊接BGA空洞研究

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

空洞作為焊接過程中一種有爭議的缺陷，在共晶Sn/Pb焊料時就普遍存在，但無鉛工藝中焊接溫度的提升會進一步加劇空洞的形成?？斩磫栴}并不是BGA獨有的，在表面貼裝及通孔插裝元件的焊點中都可以檢查到，只是BGA區(qū)域出現(xiàn)空洞的幾率一般比較高。PCB設(shè)計、焊料選擇、焊接工藝（尤其無鉛與混裝工藝）、回流氣氛（空氣與氮氣）、回流參數(shù)等都會對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，就BGA焊接空洞的分類和特征、形成機理、接收標(biāo)準(zhǔn)與判定爭議，影響空洞的相關(guān)因素以及對應(yīng)的預(yù)防控制進行綜述，以期對電裝生產(chǎn)過程控制提供參考。

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，在板級組裝過程中發(fā)展和擴大而成，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

在板級系統(tǒng)組裝回流焊接過程中，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程中，由于熔融焊料在固化過程中截留了揮發(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、空洞的形成機理

焊接空洞的形成機理較為復(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FLUX中有機物高溫裂解后產(chǎn)生的氣泡無法及時逸出，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團包圍在錫球之中，就越難逸出焊球。相比有鉛焊料，無鉛焊料比重小、表面張力大（無鉛：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，如果在加工過程中不能將其完全烘烤出來，回流焊接過程中受高溫產(chǎn)生揮發(fā)，同樣也會在盲孔上方形成空洞。

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

3.柯肯達爾效應(yīng)

柯肯達爾效應(yīng)指兩種擴散速率不同的金屬在擴散過程中會形成缺陷的現(xiàn)象，由其形成的空洞一般接近不同金屬的界面間，是由不同擴散速率的金屬元素在生成界面合金層時所產(chǎn)生的微小空洞，通常X-Ray無法檢測，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%。同時備注如下：

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

（2）制造商可以通過測試或分析來開發(fā)考慮了最終應(yīng)用環(huán)境的空洞驗收要求。

以上IPC中只是提到BGA空洞驗收標(biāo)準(zhǔn)，但是在眾多的國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15%，如果超過了20%就會影響焊點的可靠度，影響焊點的使用壽命。當(dāng)然，空洞面積越小越好，更小的空洞面積需要更強的工藝去支撐。

四、關(guān)于空洞的危害爭議

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

一般來說，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），對焊點的機械性能（如焊點開裂）影響越大，并通過仿真計算發(fā)現(xiàn)，空洞面積小于15%時，熱機械性能持久性隨空洞面積的增大而增長；空洞面積大于15%時，則隨空洞面積的增大而減小。

IPC焊料產(chǎn)品價值委員會（SPVC）最新的研究試驗，通過6000次溫度循環(huán)后的失效情況與空洞位置、尺寸對比，無鉛與錫鉛焊點的特征壽命對比等，得出的結(jié)論是，沒有證據(jù)證明無鉛合金焊點中的空洞會對焊點的可靠性產(chǎn)生影響。

五、影響B(tài)GA空洞的因素

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

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（有鉛還是無鉛）以及器件布局等因素來確定。

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程。當(dāng)PCB進入預(yù)熱區(qū)時，焊劑中的溶劑、氣體蒸發(fā)掉，焊劑軟化后覆蓋焊盤，并將焊盤、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溫度以上并維持一定的時間，使焊劑、器件焊點、PCB焊盤之間相互形成合金，完成焊接過程。溫度設(shè)定同焊接工藝（有鉛或無鉛）有關(guān)，回流區(qū)的時間和溫度很關(guān)鍵。

PCB在回流焊的最后階段就是進人冷卻區(qū)，使焊點凝固。冷卻區(qū)的冷卻速率是影響焊點質(zhì)量的一個重要因素。理想的冷卻曲線相對回流區(qū)曲線呈類似鏡像關(guān)系，達成鏡像關(guān)系的曲線焊點結(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，空洞現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是助焊劑中的有機物經(jīng)過高溫裂解后產(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，在回流中氣體會懸浮在焊料的表面并最終逃逸出去，不會停留在合金粉末的表面。

實際上，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，助焊劑中的有機物經(jīng)過高溫裂解后，氣體就會被包圍在錫球的內(nèi)部，深深的被錫球所吸住很難逸出去，此時就會形成空洞現(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。此時助焊劑去除表面氧化物、污物的能力就越強，縮錫、拒焊現(xiàn)象就會大大減少，焊接會形成良好的IMC合金層，氣泡也是隨之減少，空洞的幾率自然降低了。

2.3溶劑沸點影響

一般而言，錫膏中溶劑的沸點高低直接影響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的有機物，氣體被團團包圍在內(nèi)自然更難以逸出。因此，選用高沸點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、濕潤不良，造成焊接出現(xiàn)虛焊，因此，要嚴(yán)格進行使用和管理。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，使用前要進行3～10min的均勻攪拌。需注意錫膏攪拌的時間和力度，如果時間太長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)生空洞的機率將大大增加。

同時，PCB印刷錫膏后盡量不要長時間放置在空氣中（通常2h內(nèi)完成作業(yè)），應(yīng)盡塊進行貼片、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.元器件的沾錫時間

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

4.焊盤可焊性

回流焊過程中，PCB焊盤和BGA錫球上的氧化物或有機污染物，是導(dǎo)致助焊劑消耗的主要因素。當(dāng)助焊劑揮發(fā)物無法排出去時，就會產(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污染物從焊盤與錫粉中完全去除。與錫粉表面氧化物的可移動性不同，焊盤上的氧化物無法移動，如果焊錫熔融前沒有被助焊劑的活化劑清除，便會捕捉助焊劑，在焊盤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，進而導(dǎo)致空洞的產(chǎn)生。

5.PCB焊盤設(shè)計

當(dāng)PCB上BGA焊盤設(shè)計大小不一致（可能由于走線需求導(dǎo)致空間不足）時，由于實際鋼網(wǎng)開孔大小一致，導(dǎo)致對焊盤而言錫膏“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焊盤設(shè)計過孔（或盲孔）時，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焊盤上盲孔最好最塞孔（填孔）處理，且將其設(shè)計在焊盤下面（如PCB制作中的樹脂塞孔工藝）。

6.焊接工藝

雖然SAC 合金的標(biāo)稱熔點為217 ℃，但實際上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開始凝固結(jié)束焊接的溫度恰好是無鉛焊料剛開始熔化之時，并且處于固、液相共存的漿糊狀態(tài)。因此，在有鉛和無鉛焊料混合組裝過程中應(yīng)兼顧兩種焊料的溫度特性。

對于有鉛錫膏無鉛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)時間不足），會造成助焊劑揮發(fā)不夠充分（在助焊劑氣體尚未完全揮發(fā)時，金屬就已經(jīng)固化，導(dǎo)致形成空洞）。加之無鉛焊膏與有鉛焊膏相比有許多固有的弱點，因此無鉛BGA在焊接過程中形成焊點空洞較多。

7.焊接氣氛

采用氮氣氛回流技術(shù)可以有效的保護回流焊過程焊球和合金粉末的二次氧化，使回流焊接中的冶金過程得以充分進行，從而獲得充分熔混的優(yōu)良焊點。盡管其優(yōu)點突出，但同時也帶來一些負(fù)面問題。例如貼裝完成的PCBA在氮氣氛下過爐，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檢測時面積比超過25%的情況。

根據(jù)阿伏伽德羅定律，同溫同壓時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，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)空氣體積擴張行為的驅(qū)動力。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)點使其應(yīng)用范圍愈加廣泛，但帶來的問題同樣突出，比如嚴(yán)格的焊點可靠性要求，返修難度加大（芯片需植球處理）以及對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建議包括：

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

（2）清潔BGA焊盤，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）貼片時確保BGA芯片上的每一個錫球與PCB上每一個對應(yīng)的焊點對正。

（5）回流焊過程中，要正確選擇各區(qū)的加熱溫度和時間，同時應(yīng)注意升溫的速度。一般在100℃前，最大的升溫速度不超過6℃/S，100℃以后最大的升溫速度不超過3℃/S，在冷卻區(qū)，最大的冷卻速度不超過6℃/S。因為過高的升溫和降溫速度都可能損壞PCB和芯片，這種損壞有時是肉眼無法觀察到的。同時，對不同的芯片、不同的焊錫膏，應(yīng)選擇不同的加熱溫度和時間，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。對免洗焊膏，其活性低于非免洗焊膏，因此，焊接溫度不宜過高，焊接時間不宜過長，以防止焊錫顆粒的氧化。

（6）PCB設(shè)計時，BGA所有焊點的焊盤應(yīng)大小一致，如果有過孔，則必須設(shè)計到焊盤下面，確保所有焊盤大小一致，焊盤上焊錫一樣多，高度一致。

責(zé)任編輯：tzh