无铅回流焊接BGA空洞研究

2016-08-01 摘自王雪涛 菲尼的科技有限公司

      随着欧洲环境立法，如RoHS以及PCB市场力量，正在推动走向无铅焊料的转化。电子产品导入无铅制程后，由于无铅焊料的特性，如熔点高、润湿性差、工艺窗口窄等，焊接过程出现了无铅焊接特有的缺陷及水平，如锡珠、焊点粗糙、漏焊和少锡，以及空洞等。

      空洞作为焊接过程中一种有争议的缺陷，在共晶Sn/Pb焊料时就普遍存在，但无铅工艺中焊接温度的提升会进一步加剧空洞的形成。空洞问题并不是BGA独有的，在表面贴装及通孔插装元件的焊点中都可以检查到（图1），只是BGA区域出现空洞的几率一般比较高。PCB设计、焊料选择、焊接工艺（尤其无铅与混装工艺）、回流气氛（空气与氮气）、回流参数等都会对空洞的形成与控制有不同程度的影响。

图1 0402电容空洞与BGA空洞

      查阅诸多相关文献，就BGA焊接空洞的分类和特征、形成机理、接收标准与判定争议，影响空洞的相关因素以及对应的预防控制进行综述，以期对电装生产过程控制提供参考。

空洞的分类与特征

      为了便于分析，根据焊球中空洞的位置，可以将空洞分为以下几类：

（1）BGA侧界面空洞

      BGA侧界面上所存在和发生的空洞，可能是由芯片原有的封装界面空洞，在板级组装过程中发展和扩大而成，如图2（a），也可能是在回流组装中新形成的，如图2（b、c）类。

图2 BGA侧界面空洞

（2）PCB侧界面空洞

      该类空洞是指回流焊接过程中发生在与焊料球和PCB界面直接连接的空洞，也称为组装界面空洞。其产生是由于PCB焊盘表面氧化、有杂质或组装工艺中残留未排出的助焊剂可挥发物导致，如图3所示。

图3 PCB侧界面空洞

（3）焊球内部空洞

      在板级系统组装回流焊接过程中，将在焊料球内部所形成的且不与界面直接连通的空洞，称为焊球内部空洞，如图4所示。该类空洞通常是在回流焊接过程中，由于熔融焊料在固化过程中截留了挥发物（助焊剂或水汽）而形成。由于其未受到外部因素影响，故尺寸一般较小，且气体受垂直方向的压迫力较大，因此，形状大多呈横向椭球形。

图4焊球内部空洞

空洞的形成机理

      焊接空洞的形成机理较为复杂，但普遍认为可挥发物是产生空洞的基本条件。因此，要预防焊接空洞，要么减少气体的发生，要么使产生的气体更容易排出。

（1）助焊剂挥发

      一般认为，在回流区FLUX已经被消耗殆尽，锡膏的粘度发生了较大变化，此时FLUX中有机物高温裂解后产生的气泡无法及时逸出，被包围在锡球中，冷却后就形成空洞。

      研究发现，空洞的产生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，高温裂解的气泡被团团包围在锡球之中，就越难逸出焊球。相比有铅焊料，无铅焊料比重小、表面张力大（无铅：4.60*10-3N/260℃，有铅：3.80*10-3N/260℃），已经陷入高温裂解的气泡，由于无铅焊料颗粒小、空隙少，加之较高的表面张力，逃逸到外面的几率就更小。这也是通常无铅工艺空洞发生几率及严重程度高于有铅的原因。

（2）水汽挥发

      PCB本身吸潮或盲孔残留的药水，如果在加工过程中不能将其完全烘烤出来，回流焊接过程中受高温产生挥发，同样也会在盲孔上方形成空洞。

      此外，如果焊膏使用方法不当，车间温湿度失控等，也会导致锡膏吸收过多空气中的水分，从而使回流焊后产生空洞的几率大大增加。

（3）柯肯达尔效应

      柯肯达尔效应指两种扩散速率不同的金属在扩散过程中会形成缺陷的现象，由其形成的空洞一般接近不同金属的界面间，是由不同扩散速率的金属元素在生成界面合金层时所产生的微小空洞，通常X-Ray无法检测，必须采用扫描电镜才能观察清楚。

空洞的接收标准

      IPC-A-610E对BGA焊接空洞标准定义为，在X射线的影像区域内，任何焊料球的空洞等于或小于25%。同时备注如下：

（1）设计导致的空洞，如焊盘上的微导通孔，可以免除此要求。这种情况下，验收要求应当由制造商和用户协商确定。

（2）制造商可以通过测试或分析来开发考虑了最终应用环境的空洞验收要求。

     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撑。

关于空洞的危害争议

      关于BGA空洞的危害，业界基本持有两种观点，一种认为空洞是应力的集中点，其存在不仅影响到焊点的强度、延展性、抗疲劳性等机械性能，同时对产品的热传导及电流传输存在影响；另一种观点则认为空洞的存在对焊点中裂纹的扩展与蔓延具有抑制作用，特别是焊点在遭受外力冲击时，其延缓了失效发生的时机与概率。

一般来说，空洞的位置和尺寸是影响产品性能与焊接可靠性的两个关键因素。有研究显示，空洞距离焊接界面越近（尤其位于焊接界面上的空洞），对焊点的机械性能（如焊点开裂）影响越大，并通过仿真计算发现，空洞面积小于15%时，热机械性能持久性随空洞面积的增大而增长；空洞面积大于15%时，则随空洞面积的增大而减小。如下图：

      IPC焊料产品价值委员会（SPVC）最新的研究试验，通过6000次温度循环后的失效情况与空洞位置、尺寸对比，无铅与锡铅焊点的特征寿命对比等，得出的结论是，没有证据证明无铅合金焊点中的空洞会对焊点的可靠性产生影响。

影响BGA空洞的因素

      BGA在焊接过程中形成焊点时，一般会经历二次塌陷的过程。第一个过程是焊膏先熔化，元件塌落下来；第二个过程是焊料球也熔化再次塌落，最终形成一个扁圆形的焊点。而从实际情况看，焊点空洞多发生于焊球底部与焊盘之间的位置，其受焊接过程中助焊剂挥发影响较多，因此，工艺曲线与焊膏是影响焊点空洞形成的两个最为重要的因素。

（1）回流曲线

      如图7，回流焊温度曲线一般可分成预热、保温、回流、冷却四段，各段温度曲线需要综合考虑助焊剂、PCB材料、器件属性（有铅还是无铅）以及器件布局等因素来确定。

      预热区，是指从室温提升到焊剂内助焊剂发挥作用所需的活性温度这一过程。当PCB进入预热区时，焊剂中的溶剂、气体蒸发掉，焊剂软化后覆盖焊盘，并将焊盘、元件焊端与氧气隔离。

      保温区，顾名思义，目的在于减少PCB上各元器件之间的相对温差，并使焊剂内部的助焊剂充分地发挥作用，以提高焊接质量。温度和时间控制需格外关注。

      回流区，是将PCB温度提升到焊剂的熔点温度以上并维持一定的时间，使焊剂、器件焊点、PCB焊盘之间相互形成合金，完成焊接过程。温度设定同焊接工艺（有铅或无铅）有关，回流区的时间和温度很关键。

      PCB在回流焊的最后阶段就是进人冷却区，使焊点凝固。冷却区的冷却速率是影响焊点质量的一个重要因素。理想的冷却曲线相对回流区曲线呈类似镜像关系，达成镜像关系的曲线焊点结合紧密，可靠性高。

（2）焊料选择

a)助焊剂活性影响

      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的气泡很难逸出，导致气体被包围在合金粉末中。理论上，由于气体比重小，在回流中气体会悬浮在焊料的表面并最终逃逸出去，不会停留在合金粉末的表面。

      实际上，要综合考虑焊料表面张力和被焊元器件重力的影响。如果有机物产生气体的浮力比焊料的表面张力小，加上被焊器件重力的影响，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，深深的被锡球所吸住很难逸出去，此时就会形成空洞现象。

b)助焊剂粘度影响

      如果助焊剂的粘度比较高，其中松香的含量也是比较高。此时助焊剂去除表面氧化物、污物的能力就越强，缩锡、拒焊现象就会大大减少，焊接会形成良好的IMC合金层，气泡也是随之减少，空洞的几率自然降低了。

c)溶剂沸点影响

     一般而言，锡膏中溶剂的沸点高低直接影响BGA空洞的大小和空洞形成的概率。如果溶剂的沸点较低，在保温区或者回流区溶剂就已经挥发完了，剩下的只是高粘度难以移动的有机物，气体被团团包围在内自然更难以逸出。因此，选用高沸点的溶剂也是一种选择。

d)焊料的使用和管理

      锡膏中有很多合金粉末颗粒，这些金属粉末颗粒很容易氧化、湿润不良，造成焊接出现虚焊，因此，要严格进行使用和管理。通常锡膏要冷藏在0～10℃的冰箱中，防止助焊剂发生化学反应变质和挥发，使用前取出回温4～24 h到常温状态。且由于冷藏和回温过程中助焊剂和合金粉末的密度不一样，容易分层，因此，使用前要进行3～10min的均匀搅拌。需注意锡膏搅拌的时间和力度，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。一旦锡膏粉末被氧化，回流焊之后产生空洞的机率将大大增加。

      同时，PCB印刷锡膏后尽量不要长时间放置在空气中（通常2h内完成作业），应尽块进行贴片、回流作业，避免锡膏吸收空气中的水分或者与空气接触发生氧化现象，会额外增加空洞现象的产生。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。

（3）元器件的沾锡时间

      Sn63/Pb37焊料的沾锡时间非常短，大约0.6S，而SnAgCu焊料的沾锡时间约1.5S。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，有机物经过高温裂解后产生的气体很难逃出去，气体会完全被包围在合金层中。因此，无铅产生空洞的概率要比有铅大得多，这也是当今无铅化焊接课题面临的一个难题和挑战。

（4）焊盘可焊性

      回流焊过程中，PCB焊盘和BGA锡球上的氧化物或有机污染物，是导致助焊剂消耗的主要因素。当助焊剂挥发物无法排出去时，就会产生空洞，因此在焊锡完全熔融前，最好能够将氧化物及有机污染物从焊盘与锡粉中完全去除。与锡粉表面氧化物的可移动性不同，焊盘上的氧化物无法移动，如果焊锡熔融前没有被助焊剂的活化剂清除，便会捕捉助焊剂，在焊盘表面被熔融焊锡包围，并且随着回流焊温度的上升，排气现象更加明显，进而导致空洞的产生。

（5）PCB焊盘设计

      当PCB上BGA焊盘设计大小不一致（可能由于走线需求导致空间不足，如图8）时，由于实际钢网开孔大小一致，导致对焊盘而言锡膏“承载量”不均，出现短路或者空洞的几率也是大大增加。

      另一种情形是BGA焊盘设计过孔（或盲孔）时，也可能出现与盲孔直接相连接的空洞（本质上属于PCB侧界面空洞的一种），如图9。因此，BGA焊盘上盲孔最好最塞孔（填孔）处理，且将其设计在焊盘下面（如PCB制作中的树脂塞孔工艺）。

（6） 焊接工艺

虽然SAC 合金的标称熔点为217 ℃，但实际上SAC 合金并不是真正的共晶合金（固相线与液相线的温度范围是216~220 ℃），因此，有铅焊料工艺冷却开始凝固结束焊接的温度恰好是无铅焊料刚开始熔化之时，并且处于固、液相共存的浆糊状态。因此，在有铅和无铅焊料混合组装过程中应兼顾两种焊料的温度特性。

对于有铅锡膏无铅BGA的混合装配工艺，如果温度曲线设置不当（比如峰温和持续时间不足），会造成助焊剂挥发不够充分（在助焊剂气体尚未完全挥发时，金属就已经固化，导致形成空洞）。加之无铅焊膏与有铅焊膏相比有许多固有的弱点，因此无铅BGA在焊接过程中形成焊点空洞较多。

（7）焊接气氛

采用氮气氛回流技术可以有效的保护回流焊过程焊球和合金粉末的二次氧化，使回流焊接中的冶金过程得以充分进行，从而获得充分熔混的优良焊点。尽管其优点突出，但同时也带来一些负面问题。例如贴装完成的PCBA在氮气氛下过炉，因炉腔内气体分压和熔融焊料表面张力的改变，增加了焊球内气泡的逃逸难度，导致BGA焊球内的空洞尺寸增大，在X-ray检测时面积比超过25%的情况。

根据阿伏伽德罗定律，同温同压时相同体积含有的分子数相同。常态下空气大致是由N2（80%）+ O2（20%）组成，当再流焊接炉膛内的空气被纯N2气氛所置换时，则再流焊接炉腔内的气压也必然要发生某种变化，这种变化应该是导致BGA焊球内空气体积扩张行为的驱动力。有研究表明，当炉膛内由空气改成N2后，炉膛内气压下降了2.8%，即假定空气时气压为1bar，换成N2后，炉膛内气压降低了28hpa，故为保持空洞内气压与炉膛内气压的平衡，就只有增大空洞的体积予以实现（图10所示）。

关于BGA焊接空洞的预防与控制

      BGA封装的优点使其应用范围愈加广泛，但带来的问题同样突出，比如严格的焊点可靠性要求，返修难度加大（芯片需植球处理）以及对温湿度的高敏感性等。空洞只是BGA焊接诸多缺陷的一种，控制空洞和提高BGA焊接可靠性的工艺改进建议包括：

（1）PCB、芯片预热，去除潮气；对PBGA要在焊接前以100℃烘烤6～8 h。

（2）清洁BGA焊盘，将留在PCB表面的助焊剂、焊锡膏清理掉。

（3）选择合适厚度和开孔规则的钢网，锡膏使用前搅拌均匀，提高焊锡膏印刷质量，增加锡膏的粘度也是改善空洞现象的有效手段。

（4）贴片时确保BGA芯片上的每一个锡球与PCB上每一个对应的焊点对正。

（5）回流焊过程中，要正确选择各区的加热温度和时间，同时应注意升温的速度。一般在100℃前，最大的升温速度不超过6℃/S，100℃以后最大的升温速度不超过3℃/S，在冷却区，最大的冷却速度不超过6℃/S。因为过高的升温和降温速度都可能损坏PCB和芯片，这种损坏有时是肉眼无法观察到的。同时，对不同的芯片、不同的焊锡膏，应选择不同的加热温度和时间，如CBGA芯片的回流温度应高于PBGA的回流温度，90Pb/10Sn应比63Sn/37Pb焊锡膏选用更高的回流温度。对免洗焊膏，其活性低于非免洗焊膏，因此，焊接温度不宜过高，焊接时间不宜过长，以防止焊锡颗粒的氧化。

（6）PCB设计时，BGA所有焊点的焊盘应大小一致，如果有过孔，则必须设计到焊盘下面，确保所有焊盘大小一致，焊盘上焊锡一样多，高度一致。

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