电路板无铅焊接的品质问题（一）焊点空洞

一、空洞的形成与应对

锡膏虽由重量比88—90％的銲锡合金小球(Powder)，与1 0—1 2％的有机辅料所组成，但两者所均匀混合之体积比却各占一半。因而在强热中癒合成为銲点主体时，正常情况下比重较轻的有机物均将被挤出合金主体之外，而与銲点脱离关系。然而一旦銲点外表已经固化，致使内部有机物来不及逃到体外时，势必会被裂解成为气体而停留在銲点之内，形成无所不在的气洞或空洞(Voiding)。不幸一旦锡膏吸水后，情况将更为糟糕。基本上由气体膨胀所形成的空N-定是圆球形的，此种回銲空洞不仅在数量上或体积上都远超过波焊，而且成因也不儘相同，不宜混爲一谈。

大发快盈500 图1、锡膏体积中有一半以上是有机物，回焊癒合中未能及时逸出者，一定会在銲点内形成圆球状的大小空洞，

大发快盈500 此三图即为X光透视舆切片所见到的銲点空洞。

二、BGA垫内百孔的空洞

各种无铅锡膏銲点所呈现的空洞，又以BGA或CSP球脚銲点中的空洞最多也最大。原因之一是上游封装厂对BGA载板腹底进行植球之初，其暂时贴著用的助焊膏(G1ue FluX)，随后经热风熔焊之际即可能已在球内形成空洞。当然组装厂锡膏回焊后空洞还会更多者，多半是后来锡膏中气体上升钻入球体之内，两相合流助纣为虐的结果。此种BGA球脚无法避免的空洞，事实上国际规范已予以允收。

图2、此等关BGA球垫空洞均出自μ-Via本身的吹气，最新式电镀铜填充盲孔的技术已，不算太难。

大发快盈500 自从HDI互连技术(指增层法与雷射微盲孔两者而言)盛行以来，BGA或CSP与内层的互连即不必再透过PTH，而仅以局部导通的微盲孔进行即可。如此不但可减少其他层次不相干的被钻破(例如接地层或电源层)，使得讯号完整性(Signal Integrity)的品质更好；而且讯号线缩短其杂讯也可为之降低，令高速讯号的工作更趋完美。然而一旦板面BGA区之球垫内设有微盲孔时(Viain Pad)，则锡膏回焊中必定会造成该处球脚的吹洞(Blow Void)，致使銲点强度大受影响。幸好2006年的此刻，在电镀铜技术的长足进步下，不但大小盲孔均可予以镀铜填平，甚至连小直径的PTH也可从中塞满，因而技术良好的电路板厂商，理应不该继续存在盲孔对銲点吹洞的问题了。

目前过渡期当库存BGA仍然是有铅6 3／3 7的球脚，但组装用锡膏却是无铅的SAC时，于是前者先行熔化成为液态，较高mp的后者凡于焊接中出现任何气洞，均将上升进入液态球脚，其上浮路径比起逸出球外还要容易很多。此外一旦所印锡膏又已吸溼，则相邻球脚之间，竞相努力吹成短路的超级大洞更是不足为奇。原则上板面装有多枚BGA者，则宜採用长鞍型的回流曲线，以期儘量赶走挥发份而减少吹洞。

图3、电路板表面处理也是銲点空洞的成因之一，当皮膜容易活化容易沾锡者，其空洞就会减少。

大发快盈500 右图中之棵铜表面已发生氧化，当助焊剂无法予以活化时，即出现多洞现象。

大发快盈500 至于OSP与I-Ag其本身之有机薄膜也很容易生气成洞。

三、源自表面处理的空洞

某些的垫面处理皮膜中，有机物含量较多者(以I一A g与OSP最为典型)，也容易在后续强热中裂解成小洞。其特徵是多半只停留在介面，数量虽多但体积都不很大，特称之为“介面微洞”。此种连续性的皮膜微洞，无论是波焊或回焊都经常会出现，而且以浸镀银较为严重，解决办法要从表面处理的配方与製程上去进行改善。

图4、化学浸银皮膜之外表有一薄层有机保护膜，在焊接中未能逸出者，

一定会在介面间裂解发气成洞，特称爲介面微洞

浸镀银层在空气中碰到微量的硫气时即容易变色(Tarnish)，为了防变色以及防止银金属的快速迁移(Leaching)甚至破坏绝缘起见，刻意在浸银层表面上生成一薄层有机性保护膜，以堵绝此等缺失。然而在焊接反应中银金属会迅速溶入液态銲锡(溶速43.6μ in／sec)，而露出底铜使之与融锡迅速生成C u6S n5而焊牢。不幸的是该有机薄膜却无法及时出走，只好留在原介面处裂解发气。由于是全面性发生的，故亦称之香槟泡沫。

至于新一代OSP之性能，则亦已从其皮膜之緻密性方面获得改善，即使0.3μm的膜厚仍可保护底铜不致在强热中氧化生锈。于是在波焊或回焊中的OSP薄膜，若能及时被助焊剂所赶走排开时，即可完成C u6S n5的生长而焊牢。一旦OSP皮膜未能及时被赶走者，则将遭到强热的裂解而发气成洞。良好的OSP皮膜不但要耐热，而且皮膜也不能太厚，以防焊接中顽强不走时的裂解发气。但若回焊炉採用氮气时，则此等窘境将大为改观。

四、锡粉与助焊剂遭氧化发气而成洞

大发快盈500 某些多件大板进行回焊时，其回焊曲线的吸热段(Soak)常须加以延长(例如90秒以上)，使待焊板裡外都吸饱热能后方得以衝刺峰温。在此种1 5 0一18 0℃的缓升强热，与后续熔点以上较长历时(TAL90秒)的双重煎熬中，不但锡粉会遭到氧化，有时连助焊剂也难逃被氧化而变质。此时所有銲点中的空洞都免不了会为之增多。一旦细小锡球其外表过度氧化而难以癒合者，则只好被排挤出走而带来其他的麻烦。选择抗氧化性较好的助焊剂虽为正面解决之道，但却不太容易。较务实的做法是採用氮气环境的回焊，将可立即减少此类空洞与吃锡不良等问题。

大发快盈500 图5、锡膏助焊剂中活化剂较强而易于除鏽者，焊后的空洞就会减少。

至于80八球垫之氧化情形较严重者，其空洞也就随之增多。

五、板面銲垫拒锡而成空洞

铜垫之可焊性表面处理有5—6种之多，一旦垫面原本就已经呈现拒焊现象时，则锡膏虽已在垫面全数印妥，但强热癒合中其纯锡与局部不良基地(铜或化镍)无法形成IMC时，则该处所分配锡膏将会被左右沾锡良好的邻居所抢走，以致瞬间形成真空。此时锡膏半数体积有机物的发气，将不再往外界逸走，反而就近被该处局部真空所吸引，随即迅速聚集气体而吹成大洞。某些BGA球垫为喷锡所处理者，一旦发生锡面高低不平严重缩锡时，其后续锡膏过炉之拒焊处就很容易发生大洞。不过这种PCB垫面处理不良所形成的大洞，较多发生在舞台宽广的BGA球脚内，较少出现在其他如QFP之狭小銲点中。

大发快盈500 图6、铜面喷锡局部不良处将不会生成Cu6Sn5的IMC，其原本所分配的锡膏，回焊中却被前后左右邻居所抢走，

大发快盈500 进而形^革眞空式的空洞，容易成爲有机物裂解成气的集中地，最后即在垫面上形成大洞。

六、锡膏吸水形成大洞

大发快盈500 由于有机物未能逸出所吹成的空洞都不算太大，然而，一旦用，或印膏后放置较久而吸入水份者，则其吹成的空洞就非常大了，甚至相邻球脚的立体空间还会发生吹挤成短路的情形。此等外加水气是有铅与无铅不分轩轾灾情无异。改善方法并无其他高招，唯有已。一般锡膏只要在90％RH中放置2 0分钟，就会吸人多量的水份点中会吹成大洞，严重者甚至造成熔锡的飞溅(Spattering)，引手指上的额外锡点。故知锡膏印刷的现场一定要保持低温及乾燥才行。

图7、此二图中所见之超级大洞，皆因锡膏吸水助虐后所大幅度吹成的大洞

七、出自BGA上游封裝的空洞

BGA在封装厂进行腹底之植球时，并非採用如组装厂的锡膏了众多球脚的共面性(Coplanarity)更好起见，只能採用助焊膏做为定位与助焊的双重目的。然而在回焊炉完成植球的过程上，锡膏焊接道理完全一样，植球当然也会发生空洞。故进料检查时均须腹部朝上经过X曲R ay的透视有无空洞，以免事后发生“断头容易断脚难”时，彼此间的无谓争执。

大发快盈500 图8、上游半导体封装厂在BGA腹底植球之回焊申，当然也会困有机物未能及时逸出而发生空洞，

大发快盈500可在进料检查时利用x—ray透视即可发现。