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BGA 、QFN 、CSP 器件焊点空洞分析 计景春、伏 政 (广东技术师范学院工业实训中心 SMT 培训) 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現一些在所难 免的空洞（气泡）现象的产生。焊点內部发生空洞的主要成因是FLUX 中的有机物经 过高溫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，导致高溫裂解后的气泡无法 及时的逸出，被包围在锡球中，冷却后就形成空洞現象。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狀況。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-610D 8.2.12.4 ）， 因此在检验时沒有引起足够的重视。 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4.60 ×10-3 N/260 ℃）,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 。80 -3 ×10 N / 260 ℃,Sn63-Pb37 ，m.p 为 183 ℃）。已经陷入高温裂解的气泡，在有铅焊料 密度较大（约 8.44 g/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 34 ℃之多（Sn63-Pb37,熔点为 183 ℃，SAC305 熔点约为 217 ℃），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 表面安装阵列-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