BGA、QFN、CSP器件焊点空洞分析

0前言在SMT生产中，BGA、QFN、CSP等无引脚的元器件，在进行焊接时，无论是回流焊接还是波峰焊接，无论是有铅制程还是无铅制程，冷却之后都难免会出现一些在所难免的空洞（气泡）现象的产生。焊点内部发生空洞的主要成因是FLUX中的有机物经过高温裂解后产生的气泡无法及时逸出。在回流区FLUX已经被消耗殆尽，锡膏的粘度发生了较大的变化，此时锡膏之中的FLUX发生裂解，导致高温裂解后的气泡无法及时的逸出，被包围在锡球中，冷却后就形成空洞现象。目前，一般使用X-Ray设备进行检查空洞的面积，通过X-Ray都可以看到焊球的空洞分布状况。只要有些器件空洞所占面积的比例不是很大，常常认为是符合接受标准标准（如IPC-A-610D8.2.12.4），因此在检验时没有引起足够的重视。在众多的空洞现象中发现，产生空洞现象与焊料本身的表面张力有着直接的联系。锡膏的表面张力越大，高温裂解的气泡越难逸出焊料球，气泡被团团包围在锡球之中（无铅焊料的表面张力达到4.60x10-3N/260°C）,表面张力越小，高温裂解后的气泡就很容易逃出焊料球，被锡球团团包围的机率就相当小（有铅焊料的表面张力达到3。80x10-3N/260C,Sn63-Pb37，m.p为183C）。已经陷入高温裂解的气泡，在有铅焊料密度较大（约8.44g/cm3）的情况之下，焊料中的合金在相互挤压下，有机物就会向外面逃脱，所以有机物残留在焊点中的机率是相当小的，但是无铅就完全不一样了。比重不但比有铅小，而且无铅的表面张力又比有铅高出很多，同时熔点又比有铅高出34C之多（Sn63-Pb37,熔点为183C，SAC305熔点约为217C），在种种环境不利的情况下，无铅焊料中的有机物就很难从焊球中分解出来，有机物常常被包围在焊球中，冷却后就会形成空洞现象。从焊点的可靠度来讲，空洞现象会给焊点带来不可估计的风险，同时空洞现象比较严重的话，还影响焊点的电气连接，影响电路的畅通。所以空洞现象必须引起SMT业界人士的高度重视。1空洞的验收标准业界空洞的验收标准大部分都没有确定，从IPC-A-610D版本中的一些初步的定义（8.2.12.4表面安装阵歹U-空洞），我们可以得出以下一些结论：从设计上减少空洞的产生，即焊盘上的微孔不在此标准考虑的范围之内。空洞的标准由客户和制造商之间协商。制造商可以利用各种实验分析的结果，制定最终空洞的验收标准。可接受-1，2,3级空洞小于25%焊球X-Ray射线图像的面积。缺陷-1，2,3级空洞大于25%焊球X-Ray射线图像的面积。以上IPC中只是提到BGA空洞验收标准，但是在众多的国际大厂中又有许多厂家是不承认此标准的，即比此标准更加严格，更加苛刻。例如，IBM认为BGA的空洞面积不可超过15%，如果超过了20%就会影响焊点的可靠度，影响焊点的使用寿命。当然，空洞面积越小越好，更小的空洞面积需要更强的工艺去支持。但是IPC-A-610D中却没有对QFN的气泡（空洞）做相应的规定，对于这一点IPC却没有说明，真是遗憾！现阶段有许多QFN器件是用在光纤通信领域中，这对气泡要求是相当高的。2空洞的成因与改善2.1助焊剂活性的强弱影响前面已经论述过，空洞现象的产生主要是助焊剂中的有机物经过高温裂解后产生气泡很难逸出，导致气体被包围在合金粉末中。从过程中可以看出，关键在有机物经过高温裂解后产生的气泡，其中有机物存在的主要方式有：锡膏中的助焊剂，其它的有机物，波峰焊的助焊剂或者是浮渣的产生等等。以上的各种有机物经过高温裂解后形成气体，由于气体的比重是相当小的，在回流中气体会悬浮在焊料的表面，气体最终会逸出去，不会停留在合金粉末的表面。但是，在焊接的时候必须考虑焊料的表面张力，被焊元器件的重力，因此，要结合锡膏的表面张力，元器件的自身重力去分析气体为什么不能逸出合金粉末的表面，进而形成空洞。如果有机物产生气体的浮力比焊料的表面张力小，那么助焊剂中的有机物经过高温裂解后，气体就会被包围在锡球的内部，气体深深的被锡球所吸住，这时候气体就很难逸出去，此时就会形成空洞现象。从锡膏厂商我们可以了解到助焊剂活性的强弱，溶剂的沸点等等。然而，当助焊剂较多活性较强时，空洞产生的机率是相当小的，即使产生空洞现象，其产生的空洞面积也是相当少。原因是FLUX的活性较强，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强。此时待焊表面露出干净的金属层，锡膏就会有很好的扩散性和润湿性。焊接中的拒焊，缩锡现象也大大的减少，那么助焊剂的残留物被包围的机率也就不大了，当然，空洞产生的机率就会减少。如果助焊剂的活性不强，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会停留在被焊金属的表面，进而阻止合金粉末与待焊金属表面焊接，此时就会形成不良的IMC合金层。如果被焊的表面比较严重，此时根本不可能形成Cu6Sn5IMC合金层，通常我们就会认为是拒焊或者是缩锡现象。2.2与锡膏中FLUX的粘度有关如果助焊剂的粘度比较高时，其中松香的含量也是比较高的。此时助焊剂去除表面氧化物的能力，去除表面污物的能力就越强，缩锡，拒焊的现象就大大的减少了，焊接就会形成良好的IMC合金层，气泡也是随之减少，焊点的机械强度也就提高了，同时焊点的电气性能也随之加强。2.3与焊盘表面的氧化程度有关当焊盘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。因为PAD氧化程度越大，需要极强的活性剂才能赶走被焊物表面的氧化物。特别是OSP(OrganicSolderabilityPreservatives)表面处理，OSP焊盘上的一层有机保护膜是很难被赶走的。如果焊盘表面氧化物不能被及时驱赶走，氧化物就会停留在被焊接物的表面，此时氧化物就会阻止合金粉末与被焊接的金属表面接触，从而形成不良的IMC，此时就会产生缩锡(拒焊)现象。表面氧化比较严重，有机物经高温分解的气体就会藏在合金粉末中，同时加上无铅的表面张力大，合金的比重也是比较大，所以气体就很难逃出，气体就会被包围在合金粉末中。当然，空洞就自然就形成了。如果要避免此类现象的产生，就必须避免锡膏和被焊金属表面的氧化物，否则，是没有其它办法可以减少空洞或者缩锡(拒焊)现象。2.4溶剂沸点的影响不管是波峰焊接前或者是锡膏本身的溶剂，它们两者之间沸点的高低直接影响BGA空洞的大小和空洞形成的概率。溶剂的沸点越低，形成空洞的机率就会越多。因此大家可以选用高沸点的溶剂来避免空洞现象的产生。如果溶剂的沸点越低，在恒温区或者是在回流区溶剂就已经挥发完毕了，剩下的只是高粘度难以移动的有机物了，只好被团团包围。同时，PCB印刷锡膏后尽量不要长时间放置在空气中(通常2小时以内完成作业)，避免锡膏吸收空气中的水分或者锡膏与空气接触发生氧化现象。这样会额外增加空洞现象的产生。所以在选用锡膏的时候尽量选用高沸点溶剂的锡膏，来减少空洞现象的发生。2.5PCB的表面处理方式不同目前业界表面处理主要有以下6种方式：有机保护膜(OSP，OrganicSolderabilityPreservatives)化镍浸金(ENIG,ElectrolessNickelandImmersionGold)浸镀银(I-Ag,ImmersionSilver)浸镀锡(I-Sn,ImmersionTin)浸镀铋(I-Bi,ImmersionBismuth)喷锡(HASL,HotAirSolderLevelling)以上6种为业界现阶段的不同表面处理方式，不同的表面处理产生空洞的机理是一样的，只是产生空洞的概率和数量不同而已。其中OSP表面处理产生空洞现象更加明显，其保护膜与焊垫界面发生空洞的概率也最多。保护膜越厚，发生空洞的概率就越大。通常OSP的厚度为0.2pm〜0.5pm之间，最好在0.35pm左右。OSP的厚度可以用UV分光光度计或者使用扫描电子显微镜+能量色散谱仪（SEM+EDS）进行测量。如果OSP的保护膜太厚，同时助焊剂的活性强度不够，在回流焊接的时候是很难将保护膜驱赶走，如果回流焊的温度曲线没有控制好也会造成OSP保护膜在高温环境再次氧化。保护膜没有被驱赶走，此层膜就会阻碍IMC层的形成，如果比较严重就会造成缩锡或者拒焊现象的产生。如果在高温区发生第二次氧化现象，其结果是令人担忧的。发生了高温第二次氧化现象，即使，在PAD上涂敷助焊剂或者是助焊膏在重新回流焊，解决拒焊或者缩锡现象还是不明显。由此可见控制OSP保护膜的厚度是非常重要的，因此做PCB的厂商必须严格控制好OSP表面处理的工艺，以免在下游的组装生产中发生不必要的争执。至于ENIG,HASL,I-Sn,I-Ag,I-Bi等等的表面处理同样会产生空洞，只是它们产生空洞的概率都差不多，与此时的表面处理方式没有太大的区别，也就是说，发生空洞现象是有很多因素组成的，并不是单一因素所决定的。2.6与回流曲线的关系（Profile）当生产线使用Profile曲线图熔点以上的时间太长时（通常217°C以上的时间为30s〜60s），会让助焊剂中可以挥发的物质消耗殆尽，进而使助焊剂的粘度发生变化或者助焊剂被烧干，甚至裂解之后不能移动。这样气体就会被包围从而无法移动，导致空洞的产生。如果无法沾锡或者沾锡时间比较慢，其结果空洞就更加明显了。之前的Sn63Pb37，其熔点为183。。熔点以上的时间也是相当少的（通常在60s以内），这样就大大的减少了空洞的产生。而相对于无铅焊接来讲，锡膏的熔点比有铅高出34C之多，其熔点以上的时间也比有铅锡膏高出很多，再加上无铅焊接的各段时间和各区段都比较长，对助焊剂的活性提出了新的挑战，要求必须强的助焊剂才能帮助焊接。通常恒温区以上的时间（150C〜190C）控制在60s〜120s，峰值温度控制在235C〜245C之间，特别是控制在240C是相当好的，这对BGA的气泡控制是相当有利的。当然进行温度控制的同时，要注意不同的BGA的温度控制是不一样，要根据BGA封装的方式，大小尺寸，BGA腹底锡球的工艺而定，不能千篇一律的概括。这样去了解和设置温度才算是正确合理的，也是符合逻辑的。同时，也可以参考BGA的零件承认书。具体情况请参阅《IPC-7095DesignandAssemblyProcessImplementationforBGAs》BGA的设计和组装工艺的实施。2.7与元器件的沾锡时间有关Sn63-Pb37焊料的沾锡时间是非常短暂的，大约在0.6s左右，而SnAgCu焊料的沾锡时间大约在1.5s左右。同时无铅焊料的表面张力大，移动速度非常慢，焊料的润湿性，扩散性也比有铅焊料要差。在这些情况之下，有机物经过高温裂解后产生的气体是很难逃出去，气体会完全被包围在合金层中，当然无铅产生空洞的概率要比有铅产生空洞现象的概率要大得多，这也是当今无铅化焊接课题面临的一个难题，一个挑战。2.8焊垫面积大小的影响当BGA的基板采用粘著性助焊剂进行植球时，如果植球的焊盘面积比较大时很容易发生空洞现象。并且球的半径R比较大，焊球比较扁时，空洞现象也是比较明显。因为焊盘的面积大且焊球比较扁时需要更多更强的助焊剂来帮助焊接，高温裂解后的有机物残留就更加多，有机物逸出的路径，距离也就变大了，原因是焊盘的面积变大了。所以焊垫的面积大小也会影响BGA空洞现象的产生。2.9锡膏过多的吸入空气中的水分所致锡膏要按照正确的方法去使用，锡膏从冰箱中取出时至少要放在室温（25C±3C）中回温4h，在锡膏回温中切记不能提前打开锡膏的封盖，也不能以加温的方式进行锡膏回温。同时要避免吸入空气中的水分。锡膏在上线使用之前一定要进行锡膏搅拌，其目的使合金粉末和助焊剂均匀的搅拌，在搅拌的过程中时间不能太长（大约3min），搅拌的力不能太大。如果时间太长力量太大合金粉末很可能被粉碎，造成锡膏中的金属粉末被氧化。如果锡膏粉末被氧化，回流焊之后产生空洞的机率将大大的增加。锡膏印刷后不能放在空气中太久（通常在2小时之内），应该尽块进行贴片、回流作业，否则锡膏吸入太多的水分会导致空洞产生的概率增加。由此可以看出，锡膏的正确使用是非常重要的，一定要按照锡膏的正确使用方法去执行，否则PCBA回流之后的焊接缺陷将大大的增加。所以，正确的使用锡膏将是保证各种焊接质量的前提条件，必须高度重视。2.10与BGA腹底锡球的控制工艺有关BGA焊球的制造工艺与回流焊接的工艺是大同小异的。因此BGA制造厂商如果不严格按照BGA焊球工艺去控制，其结果焊球本身就会存在大量的空洞，这样还没有过回流焊之前就已经产生了空洞，回流焊之后产生空洞就可想而知了。如果BGA回流工艺没有控制好，焊球空洞的比例将会增加，焊点的机械性能和电气性能将受到很大的影响，特别是机械强度。因此，在BGA上线使用之前，建议大家可以使用X-Ray进行检查BGA焊球的空洞现象，只是BGA的腹底要朝上，才能进行X-Ray检测。BGA本身空洞面积要求不超过5%。以这种方式进行原料检查，对回流焊后的