BGA、QFN、CSP器件焊點空洞分析

在SMT生產(chǎn)中，BGA、QFN、CSP等無引腳的元器件，在進(jìn)行焊接時，無論是回流焊接還是波峰焊接，無論是有鉛制程還是無鉛制程，冷卻之后都難免會出現(xiàn)一些在所難免的空洞（氣泡）現(xiàn)象的產(chǎn)生。焊點內(nèi)部發(fā)生空洞的主要成因是FLUX中的有機(jī)物經(jīng)過高溫裂解后產(chǎn)生的氣泡無法及時逸出。在回流區(qū)FLUX已經(jīng)被消耗殆盡，錫膏的粘度發(fā)生了較大的變化，此時錫膏之中的FLUX發(fā)生裂解，導(dǎo)致高溫裂解后的氣泡無法及時的逸出，被包圍在錫球中，冷卻后就形成空洞現(xiàn)象。目前，一般使用X-Ray設(shè)備進(jìn)行檢查空洞的面積，通過X-Ray都可以看到焊球的空洞分布狀況。只要有些器件空洞所占面積的比例不是很大，常常認(rèn)為是符合接受標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)（如IPC-A-610D 8.2.12.4），因此在檢驗時沒有引起足夠的重視。

在眾多的空洞現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生空洞現(xiàn)象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，高溫裂解的氣泡越難逸出焊料球，氣泡被團(tuán)團(tuán)包圍在錫球之中（無鉛焊料的表面張力達(dá)到4.60×10-3 N/260 ℃）,表面張力越小，高溫裂解后的氣泡就很容易逃出焊料球，被錫球團(tuán)團(tuán)包圍的機(jī)率就相當(dāng)?。ㄓ秀U焊料的表面張力達(dá)到3。80×10-3 N / 260 ℃,Sn63-Pb37，m.p為183 ℃）。已經(jīng)陷入高溫裂解的氣泡，在有鉛焊料密度較大（約8.44 g/cm3）的情況之下，焊料中的合金在相互擠壓下，有機(jī)物就會向外面逃脫，所以有機(jī)物殘留在焊點中的機(jī)率是相當(dāng)小的，但是無鉛就完全不一樣了。比重不但比有鉛小，而且無鉛的表面張力又比有鉛高出很多，同時熔點又比有鉛高出34 ℃之多（Sn63-Pb37,熔點為183 ℃，SAC305熔點約為217 ℃），在種種環(huán)境不利的情況下，無鉛焊料中的有機(jī)物就很難從焊球中分解出來，有機(jī)物常常被包圍在焊球中，冷卻后就會形成空洞現(xiàn)象。

從焊點的可靠度來講，空洞現(xiàn)象會給焊點帶來不可估計的風(fēng)險，同時空洞現(xiàn)象比較嚴(yán)重的話，還影響焊點的電氣連接，影響電路的暢通。所以空洞現(xiàn)象必須引起SMT業(yè)界人士的高度重視。

1 空洞的驗收標(biāo)準(zhǔn)

業(yè)界空洞的驗收標(biāo)準(zhǔn)大部分都沒有確定，從IPC-A-610D版本中的一些初步的定義（8.2.12.4 表面安裝陣列-空洞），我們可以得出以下一些結(jié)論：從設(shè)計上減少空洞的產(chǎn)生，即焊盤上的微孔不在此標(biāo)準(zhǔn)考慮的范圍之內(nèi)?？斩吹臉?biāo)準(zhǔn)由客戶和制造商之間協(xié)商。制造商可以利用各種實驗分析的結(jié)果，制定最終空洞的驗收標(biāo)準(zhǔn)。

可接受-1，2，3級

空洞小于25%焊球X-Ray射線圖像的面積。

缺陷-1，2，3級

空洞大于25%焊球X-Ray射線圖像的面積。

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(qiáng)的工藝去支持。但是IPC-A-610D中卻沒有對QFN的氣泡（空洞）做相應(yīng)的規(guī)定，對于這一點IPC卻沒有說明，真是遺憾！現(xiàn)階段有許多QFN器件是用在光纖通信領(lǐng)域中，這對氣泡要求是相當(dāng)高的。

2 空洞的成因與改善

2.1助焊劑活性的強(qiáng)弱影響

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(jī)物經(jīng)過高溫裂解后產(chǎn)生氣泡很難逸出，導(dǎo)致氣體被包圍在合金粉末中。從過程中可以看出，關(guān)鍵在有機(jī)物經(jīng)過高溫裂解后產(chǎn)生的氣泡，其中有機(jī)物存在的主要方式有：錫膏中的助焊劑，其它的有機(jī)物，波峰焊的助焊劑或者是浮渣的產(chǎn)生等等。以上的各種有機(jī)物經(jīng)過高溫裂解后形成氣體，由于氣體的比重是相當(dāng)小的，在回流中氣體會懸浮在焊料的表面，氣體最終會逸出去，不會停留在合金粉末的表面。但是，在焊接的時候必須考慮焊料的表面張力，被焊元器件的重力，因此，要結(jié)合錫膏的表面張力，元器件的自身重力去分析氣體為什么不能逸出合金粉末的表面，進(jìn)而形成空洞。如果有機(jī)物產(chǎn)生氣體的浮力比焊料的表面張力小，那么助焊劑中的有機(jī)物經(jīng)過高溫裂解后，氣體就會被包圍在錫球的內(nèi)部，氣體深深的被錫球所吸住，這時候氣體就很難逸出去，此時就會形成空洞現(xiàn)象。

從錫膏廠商我們可以了解到助焊劑活性的強(qiáng)弱,溶劑的沸點等等。然而，當(dāng)助焊劑較多活性較強(qiáng)時，空洞產(chǎn)生的機(jī)率是相當(dāng)小的，即使產(chǎn)生空洞現(xiàn)象，其產(chǎn)生的空洞面積也是相當(dāng)少。原因是FLUX的活性較強(qiáng)，在待焊界面的氧化能力就弱，去除焊接表面的污物和氧化物就強(qiáng)。此時待焊表面露出干凈的金屬層，錫膏就會有很好的擴(kuò)散性和潤濕性。焊接中的拒焊，縮錫現(xiàn)象也大大的減少，那么助焊劑的殘留物被包圍的機(jī)率也就不大了，當(dāng)然，空洞產(chǎn)生的機(jī)率就會減少。如果助焊劑的活性不強(qiáng)，待焊表面的污物和氧化物就不容易被去除，表面氧化物和污物就會停留在被焊金屬的表面，進(jìn)而阻止合金粉末與待焊金屬表面焊接，此時就會形成不良的IMC合金層。如果被焊的表面比較嚴(yán)重，此時根本不可能形成Cu6Sn5IMC合金層，通常我們就會認(rèn)為是拒焊或者是縮錫現(xiàn)象。

2.2與錫膏中FLUX的粘度有關(guān)

如果助焊劑的粘度比較高時，其中松香的含量也是比較高的。此時助焊劑去除表面氧化物的能力，去除表面污物的能力就越強(qiáng)，縮錫，拒焊的現(xiàn)象就大大的減少了，焊接就會形成良好的IMC合金層，氣泡也是隨之減少，焊點的機(jī)械強(qiáng)度也就提高了，同時焊點的電氣性能也隨之加強(qiáng)。

2.3與焊盤表面的氧化程度有關(guān)

當(dāng)焊盤表面的氧化程度和污物程度越高，焊接后生成的空洞也就越多。因為PAD氧化程度越大，需要極強(qiáng)的活性劑才能趕走被焊物表面的氧化物。特別是OSP（Organic  Solderability  Preservatives）表面處理，OSP焊盤上的一層有機(jī)保護(hù)膜是很難被趕走的。如果焊盤表面氧化物不能被及時驅(qū)趕走，氧化物就會停留在被焊接物的表面，此時氧化物就會阻止合金粉末與被焊接的金屬表面接觸，從而形成不良的IMC，此時就會產(chǎn)生縮錫（拒焊）現(xiàn)象。表面氧化比較嚴(yán)重，有機(jī)物經(jīng)高溫分解的氣體就會藏在合金粉末中，同時加上無鉛的表面張力大，合金的比重也是比較大，所以氣體就很難逃出，氣體就會被包圍在合金粉末中。當(dāng)然，空洞就自然就形成了。如果要避免此類現(xiàn)象的產(chǎn)生，就必須避免錫膏和被焊金屬表面的氧化物，否則，是沒有其它辦法可以減少空洞或者縮錫（拒焊）現(xiàn)象。

2.4溶劑沸點的影響

不管是波峰焊接前或者是錫膏本身的溶劑，它們兩者之間沸點的高低直接影響B(tài)GA空洞的大小和空洞形成的概率。溶劑的沸點越低，形成空洞的機(jī)率就會越多。因此大家可以選用高沸點的溶劑來避免空洞現(xiàn)象的產(chǎn)生。如果溶劑的沸點越低，在恒溫區(qū)或者是在回流區(qū)溶劑就已經(jīng)揮發(fā)完畢了，剩下的只是高粘度難以移動的有機(jī)物了，只好被團(tuán)團(tuán)包圍。同時，PCB印刷錫膏后盡量不要長時間放置在空氣中（通常2小時以內(nèi)完成作業(yè)）,避免錫膏吸收空氣中的水分或者錫膏與空氣接觸發(fā)生氧化現(xiàn)象。這樣會額外增加空洞現(xiàn)象的產(chǎn)生。所以在選用錫膏的時候盡量選用高沸點溶劑的錫膏，來減少空洞現(xiàn)象的發(fā)生。

2.5 PCB的表面處理方式不同

目前業(yè)界表面處理主要有以下6種方式：

①有機(jī)保護(hù)膜（OSP，Organic  Solderability  Preservatives）

②化鎳浸金（ENIG,  Electroless  Nickel  and  Immersion  Gold）

③浸鍍銀（I-Ag,  Immersion  Silver）

④浸鍍錫（I-Sn,  Immersion   Tin）

⑤浸鍍鉍（I-Bi,  Immersion  Bismuth）

⑥噴錫（HASL,  Hot  Air  Solder  Levelling）

以上6種為業(yè)界現(xiàn)階段的不同表面處理方式，不同的表面處理產(chǎn)生空洞的機(jī)理是一樣的，只是產(chǎn)生空洞的概率和數(shù)量不同而已。其中OSP表面處理產(chǎn)生空洞現(xiàn)象更加明顯，其保護(hù)膜與焊墊界面發(fā)生空洞的概率也最多。保護(hù)膜越厚，發(fā)生空洞的概率就越大。通常OSP的厚度為0.2μm～0.5μm之間，最好在0.35μm左右。 OSP的厚度可以用UV分光光度計或者使用掃描電子顯微鏡+能量色散譜儀（SEM+EDS）進(jìn)行測量。如果OSP的保護(hù)膜太厚，同時助焊劑的活性強(qiáng)度不夠，在回流焊接的時候是很難將保護(hù)膜驅(qū)趕走，如果回流焊的溫度曲線沒有控制好也會造成OSP保護(hù)膜在高溫環(huán)境再次氧化。保護(hù)膜沒有被驅(qū)趕走，此層膜就會阻礙IMC層的形成，如果比較嚴(yán)重就會造成縮錫或者拒焊現(xiàn)象的產(chǎn)生。如果在高溫區(qū)發(fā)生第二次氧化現(xiàn)象，其結(jié)果是令人擔(dān)憂的。發(fā)生了高溫第二次氧化現(xiàn)象，即使，在PAD上涂敷助焊劑或者是助焊膏在重新回流焊，解決拒焊或者縮錫現(xiàn)象還是不明顯。由此可見控制OSP保護(hù)膜的厚度是非常重要的，因此做PCB的廠商必須嚴(yán)格控制好OSP表面處理的工藝，以免在下游的組裝生產(chǎn)中發(fā)生不必要的爭執(zhí)。至于ENIG, HASL, I-Sn, I-Ag, I-Bi等等的表面處理同樣會產(chǎn)生空洞，只是它們產(chǎn)生空洞的概率都差不多，與此時的表面處理方式?jīng)]有太大的區(qū)別，也就是說，發(fā)生空洞現(xiàn)象是有很多因素組成的，并不是單一因素所決定的。

2.6 與回流曲線的關(guān)系（Profile）

當(dāng)生產(chǎn)線使用Profile曲線圖熔點以上的時間太長時（通常217 ℃以上的時間為30 s～60 s），會讓助焊劑中可以揮發(fā)的物質(zhì)消耗殆盡，進(jìn)而使助焊劑的粘度發(fā)生變化或者助焊劑被燒干，甚至裂解之后不能移動。這樣氣體就會被包圍從而無法移動，導(dǎo)致空洞的產(chǎn)生。如果無法沾錫或者沾錫時間比較慢，其結(jié)果空洞就更加明顯了。之前的Sn63Pb37，其熔點為183 ℃，熔點以上的時間也是相當(dāng)少的（通常在60 s以內(nèi)），這樣就大大的減少了空洞的產(chǎn)生。而相對于無鉛焊接來講，錫膏的熔點比有鉛高出34 ℃之多，其熔點以上的時間也比有鉛錫膏高出很多，再加上無鉛焊接的各段時間和各區(qū)段都比較長，對助焊劑的活性提出了新的挑戰(zhàn)，要求必須強(qiáng)的助焊劑才能幫助焊接。通常恒溫區(qū)以上的時間（150 ℃～190 ℃）控制在60 s～120 s，峰值溫度控制在235 ℃～245 ℃之間，特別是控制在240 ℃是相當(dāng)好的，這對BGA的氣泡控制是相當(dāng)有利的。當(dāng)然進(jìn)行溫度控制的同時，要注意不同的BGA的溫度控制是不一樣，要根據(jù)BGA封裝的方式，大小尺寸，BGA腹底錫球的工藝而定，不能千篇一律的概括。這樣去了解和設(shè)置溫度才算是正確合理的，也是符合邏輯的。同時，也可以參考BGA的零件承認(rèn)書。具體情況請參閱《IPC-7095 Design  and  Assembly  Process  Implementation  for  BGAs》BGA的設(shè)計和組裝工藝的實施。

2.7 與元器件的沾錫時間有關(guān)

Sn63-Pb37 焊料的沾錫時間是非常短暫的，大約在0.6 s左右，而SnAgCu焊料的沾錫時間大約在1.5 s左右。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(kuò)散性也比有鉛焊料要差。在這些情況之下，有機(jī)物經(jīng)過高溫裂解后產(chǎn)生的氣體是很難逃出去，氣體會完全被包圍在合金層中，當(dāng)然無鉛產(chǎn)生空洞的概率要比有鉛產(chǎn)生空洞現(xiàn)象的概率要大得多，這也是當(dāng)今無鉛化焊接課題面臨的一個難題，一個挑戰(zhàn)。

2.8 焊墊面積大小的影響

當(dāng)BGA的基板采用粘著性助焊劑進(jìn)行植球時，如果植球的焊盤面積比較大時很容易發(fā)生空洞現(xiàn)象。并且球的半徑R比較大，焊球比較扁時，空洞現(xiàn)象也是比較明顯。因為焊盤的面積大且焊球比較扁時需要更多更強(qiáng)的助焊劑來幫助焊接，高溫裂解后的有機(jī)物殘留就更加多，有機(jī)物逸出的路徑，距離也就變大了，原因是焊盤的面積變大了。所以焊墊的面積大小也會影響B(tài)GA空洞現(xiàn)象的產(chǎn)生。  

2.9 錫膏過多的吸入空氣中的水分所致

錫膏要按照正確的方法去使用，錫膏從冰箱中取出時至少要放在室溫（25 ℃±3 ℃）中回溫4 h，在錫膏回溫中切記不能提前打開錫膏的封蓋，也不能以加溫的方式進(jìn)行錫膏回溫。同時要避免吸入空氣中的水分。錫膏在上線使用之前一定要進(jìn)行錫膏攪拌，其目的使合金粉末和助焊劑均勻的攪拌，在攪拌的過程中時間不能太長（大約3 min），攪拌的力不能太大。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。如果錫膏粉末被氧化，回流焊之后產(chǎn)生空洞的機(jī)率將大大的增加。錫膏印刷后不能放在空氣中太久（通常在2小時之內(nèi)），應(yīng)該盡塊進(jìn)行貼片、回流作業(yè)，否則錫膏吸入太多的水分會導(dǎo)致空洞產(chǎn)生的概率增加。由此可以看出，錫膏的正確使用是非常重要的，一定要按照錫膏的正確使用方法去執(zhí)行，否則PCBA回流之后的焊接缺陷將大大的增加。所以，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。

2.10 與BGA腹底錫球的控制工藝有關(guān)

BGA焊球的制造工藝與回流焊接的工藝是大同小異的。因此BGA制造廠商如果不嚴(yán)格按照BGA焊球工藝去控制，其結(jié)果焊球本身就會存在大量的空洞，這樣還沒有過回流焊之前就已經(jīng)產(chǎn)生了空洞，回流焊之后產(chǎn)生空洞就可想而知了。如果BGA回流工藝沒有控制好，焊球空洞的比例將會增加，焊點的機(jī)械性能和電氣性能將受到很大的影響，特別是機(jī)械強(qiáng)度。因此，在BGA上線使用之前，建議大家可以使用X-Ray進(jìn)行檢查BGA焊球的空洞現(xiàn)象，只是BGA的腹底要朝上，才能進(jìn)行X-Ray檢測。BGA本身空洞面積要求不超過5%。以這種方式進(jìn)行原料檢查，對回流焊后的氣泡控制是大有好處的。

3 總結(jié)

隨著SMT行業(yè)的高速發(fā)展，組裝密度越來越高（BGA、QFN、CSP、Fine  Pitch  IC等器件的應(yīng)用），元器件越來越小型化（1005、01005元器件的應(yīng)用越來越普遍），PCB基板層數(shù)的增加 ，對SMT制造工藝提出了新的挑戰(zhàn)。隨著新工藝的引進(jìn)，新工藝的研發(fā)，對BGA、QFN、CSP這類器件提出了更高的要求。因此，嚴(yán)格控制BGA、QFN、CSP器件的空洞（氣泡、界面微洞）將變得尤為重要。一旦這些器件的空洞面積超過IPC的標(biāo)準(zhǔn)，不但影響B(tài)GA、QFN、CSP器件的機(jī)械性能，而且還影響電氣性能。所以此類器件空洞的控制就變得尤為重要了。