無鉛合金，的表面張力大于錫鉛焊錫膏。一旦形成氣泡，表面張力會阻礙氣泡從焊點(diǎn)向外逃逸。正因?yàn)槿绱耍瑴p少氣泡最有效的辦法是盡量避免氣泡產(chǎn)生。對工藝和材料進(jìn)行優(yōu)化，可以有效地防止氣泡產(chǎn)生。下面的分析說明，不管使用哪一種焊膏，只要選好溫度曲線和焊盤的表面處理，就可以得到最理想的結(jié)果。為了避免其他因素的影響，只選擇了N和W兩種焊膏。通過實(shí)驗(yàn)確定每種材料的最優(yōu)溫度曲線和焊盤表面處理。
實(shí)驗(yàn)
這項(xiàng)研究包含兩個階段。在第一階段（W焊膏），選擇一塊0.062英寸厚、6 × 4平方英寸大的標(biāo)準(zhǔn)測試電路板。使用間距為1.2 mm、256個輸入/輸出的BGA，這是用仿真芯片和SAC合金球腳做的仿真元件。有時，可以用實(shí)際的電路板和元件，但是成本很高，不切合實(shí)際。在選擇食眼見時，盡量使用相同的元件尺寸和間距。用于印刷焊錫膏的是150 μm厚的不銹鋼模板，孔是圓的，孔和焊盤比值為1:1。在實(shí)驗(yàn)中使用了四種焊盤表面處理：浸銀（ImmAg）、浸錫（ImmSn）、銅（Cu）和化學(xué)鍍鎳浸金（ENIG）。然后從三種再流焊溫度曲線中選取一條溫度曲線對電路板進(jìn)行再流焊。
電路板在再流焊后，用X射線進(jìn)行分析。
第二階段（焊膏N）比第一階段簡單，它使用尺寸較小、有132個輸入/輸出的芯片級封裝（CSP），用SAC球腳，貼裝在測試電路板上。只用一個包含預(yù)熱的溫度曲線，使用預(yù)熱溫度較低的溫度曲線和溫度線性上升的溫度曲線。然后再用X射線系統(tǒng)來分析整塊電路板。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在分析焊錫膏形成氣泡的性能時，要考慮兩個因素：氣泡的尺寸分布和氣泡總數(shù)。許多小氣泡對可靠性的影響遠(yuǎn)低于一個大氣泡。對記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得到不同表面涂層和溫度曲線的氣泡尺寸分布和氣泡總數(shù)。用簡單的統(tǒng)計(jì)方法來確定，看起來很明確的差別從統(tǒng)計(jì)的角度講是否非常大。對于W焊膏，焊盤使用不同的表面涂層、用不同的溫度曲線時氣泡尺寸的分布。檢查數(shù)據(jù)說明，在不同焊盤上、用三種溫度曲線時，氣泡尺寸分布存在根本性的差別。除銅焊盤外，用線性溫度曲線時，產(chǎn)生的氣泡比較小，大氣泡就較少。把線性溫度曲線用于銅焊盤時，所有尺寸的氣泡都比較少。對于兩條包含預(yù)熱區(qū)的溫度曲線，氣泡分布曲線非常接近，拖著長長的尾巴，一個氣泡的體積達(dá)到球腳體積的十分之一。一般說來，用預(yù)熱溫度高的溫度曲線時，所有尺寸的氣泡比用預(yù)熱溫度低的溫度曲線所產(chǎn)生的氣泡多。不過，氣泡尺寸的分布曲線不能說明焊點(diǎn)中的氣泡總數(shù)，不能對不同的溫度曲線進(jìn)行比較，應(yīng)該看看氣泡總數(shù)。
圖1 用于研究氣泡的再流焊溫度曲線。
氣泡尺寸的分布曲線非常接近，但是把氣泡數(shù)據(jù)匯總起來得到每個焊點(diǎn)的氣泡總數(shù)，就可以看出焊錫膏N和焊錫膏W在不同的溫度曲線下的差別（圖2a和b）。實(shí)驗(yàn)表明，對于焊錫膏W，用不同爐溫曲線的統(tǒng)計(jì)結(jié)果是不同的，對于焊錫膏N，線性爐溫曲線和預(yù)熱溫度底的爐溫曲線的統(tǒng)計(jì)結(jié)果差別也非常大。對于焊錫膏W，數(shù)據(jù)表明，氣泡增多是與未進(jìn)入熔化階段時溫度的升高有關(guān)。而焊錫膏N則相反。這充分地說明每一種焊錫膏都有自己的特點(diǎn)，需要區(qū)別對待。對于焊錫膏W，氣泡增多與爐溫曲線預(yù)熱溫度升高的有關(guān)，這說明，在預(yù)熱階段，粉末表面的氧化程度增大。由于微粒表面的氧化程度上升，把活性劑用完了；在焊錫膏的溫度達(dá)到熔化溫度時已經(jīng)沒有活性劑可以用來減小金屬的表面張力，因而在凝結(jié)時蒸汽跑不掉。焊錫膏N則不同，很可能是由于溫度升高，使得揮發(fā)性材料揮發(fā)掉，同時（或者是）在達(dá)到或者超過焊料熔化溫度時，材料變得不穩(wěn)定，產(chǎn)生反應(yīng)，因而氣泡減少。
圖2 a是用不同的爐溫曲線時，焊錫膏W的<氣泡總數(shù)。圖2 b是用不同的爐溫曲線時，焊錫膏N的氣泡總數(shù)。
圖3 a是焊盤用不同的表面處理時，焊錫膏W的氣泡總數(shù)。
圖3 b是焊盤用不同的表面處理時，焊錫膏N的氣泡總數(shù)。在焊盤表面處理方面，對氣泡總數(shù)的數(shù)據(jù)分析說明，它與表面處理有關(guān)--小一些，但是從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看是明顯的。用W焊錫膏的焊盤表面處理分成兩組：一組是浸錫和ENIG，一組是浸銀和銅。浸錫和ENIG相差不多，它們產(chǎn)生的氣泡總數(shù)比浸銀和銅少──浸銀和銅也相差不多。對于N焊錫膏，在ENIG/銅表面涂層上也可以看到同樣的效果，這說明可能與焊盤表面涂層的化學(xué)性質(zhì)關(guān)系大些，而焊錫膏與助焊劑的相互作用的影響小些。不同焊盤表面涂層的濕潤能力也會對結(jié)果產(chǎn)生影響。
再流焊溫度曲線對氣泡大小和數(shù)量的影響是最大的，最理想的溫度曲線與使用的助焊劑有關(guān)。需要充分了解各種助焊劑是如何隨著溫度曲線的變化而變化的，要進(jìn)行進(jìn)一步的研究來改善助焊劑的化學(xué)性質(zhì)、生產(chǎn)出更耐用、能夠承受溫度曲線變化而且氣泡總數(shù)比較低的材料。