文章来源：SMT工程师之家

一、⼯艺参数对于空洞形成的影响

为了建立起对于BGA组装的工艺控制，弄明白在印制 板组装过程中什么工艺参数影响空洞的形成频 率和大小是很重要的。组装后在焊点中发现的 空洞通常被称为制程空洞，也被称为大空洞。制程空洞通常由助焊剂和焊膏中的挥发成分演 变而来。但是，如果焊点中的大空洞在SMT制 程后被发现，则可能它们不只是在SMT制程中 产生的。

将焊球与BGA封装基板相连的球组装过程也会 产生焊球内的空洞。因此，需要研究BGA器件焊 球中的空洞数量，BGA器件焊球中的空洞级别可以是非常高的。JEDEC指南，JESD217，建议SMT前BGA已有空洞百分比应该小于15%。BGA 焊球中高级别的空洞在SMT再流焊接工艺之后 可能会导致更高级别的焊点空洞。

再流焊时间和温度曲线、焊膏配方、焊膏量、元 器件和印制电路板污染/氧化以及多次再流被认为是影响组装后焊点空洞级别的参数。但是，这 些参数对于BGA空洞的影响程度也是不同的。每种参数对焊点空洞影响的细节讨论如下：

1、焊膏配⽅

用于组装BGA器件的助焊剂 比焊膏更容易在焊点中产生更小的空洞。原因 是在再流焊过程中焊膏中焊粉的氧化物会与焊 膏助焊剂反应并形成排气，导致BGA焊点中更 多的空洞。

用水溶性的焊膏进行BGA焊点组装比使用免清洗焊膏更易形成空洞。这是因为水溶性焊膏和免 清洗焊膏中的助焊剂成分是不同的。水溶性焊 膏中助焊剂的性质比免清洗焊膏助焊剂活性更强，与焊料粉末中的氧化物反应更快更完全。这种反应导致再流焊接工艺中有更多外溢气体。

对于无铅免清洗焊膏，用不同型号/制造商提供的免清洗焊膏组装焊点中的空洞级别，没有大的差异。即使改变焊膏中的助焊剂溶剂和金属含 量，在焊点中空洞级别变化不很显著（<1%）。

焊膏中的焊料粉末类型也会影响电路板组装后的空洞级别。焊粉越细，焊粉颗粒表面积与体积比就越大，于是具有更高的氧化物含量。随后在再流焊接工艺中与助焊剂反应的氧化物越多，所产生的外溢气体也会增多。

2、焊膏量

施加于PCB连接盘的焊膏量增多会导致焊点中形成更多空洞。这是由于焊膏施加得越多，出现的助焊剂溶剂就越多，进而在与焊料粉末氧化物和焊球氧化物的反应时形成更多的气体逸出。焊膏量对于空洞的形成变 得越来越关键，因为焊球尺寸越小，焊膏量和焊球体积之比变得越大。

3、元器件/PCB/焊膏污染/氧化 

焊球和连接盘表面污染会导致SMT制程中产生空洞。污染物可能会在PCB连接盘上产生不可焊接的表 面，这可能会使大空洞附着于连接盘，在焊接温 度时下污染物如分解可能会产生挥发性气体。

如果焊膏暴露在空气或湿度较高的环境下，焊膏中的焊料粉末可能会被氧化。在再流焊过程中，助焊剂与焊料粉末的氧化层反应并生成挥发性气体，进而在焊点中形成空洞。较细尺寸的粉末有更大的表面积，于是在SMT制程更可 能产生逸出气体。

暴露于高温、潮湿环境或室温下足够久的BGA 焊球会在其表面形成一层较薄的氧化外壳。这 种氧化外壳在再流焊时会阻止空洞从熔融的焊 球中逸出。

与焊球氧化相比，PCB连接盘表面的氧化不会 显著影响焊点的空洞级别。这可能是因为连接 盘表面积远小于焊料粉末表面积，因此助焊剂 可能无法完全与连接盘表面的氧化物反应。

4、再流温度曲线

再流焊峰值温度和液相 线以上时间（TAL）被认为是再流焊温度曲线中 影响空洞的两大关键参数。一些制造商认为增 大峰值温度同时延长液相线以上时间会使得焊 点中的空洞扩张和增长。但是，实验结果表明 峰值温度的增加以及液相线以上时间的延长对 于焊点中空洞级别的影响有限。比如，将峰值 温度从235°C增至250°C同时将TAL时间由35秒 增至85秒，空洞级别的平均值只增长小于1%。

有两种传统再流焊温度曲线，升温-保温-峰值 （RSS）以及升温到峰值（RTS）温度曲线。一 些焊膏供应商建议使用RSS温度曲线来控制焊点 中的空洞，因为保温阶段能使助焊剂活性得到 激活以避免空洞形成。但是，RSS和RTS温度曲 线对于空洞级别并没有大的差异。例如，如果 在相同的峰值温度和液相线以上时间下分别使用RSS和RTS组装BGA，在运用同种焊膏时，空 洞级别会非常类似。焊点中空洞百分比平均值 为（＜1%）。

5、再流⽓氛（氧⽓或氮⽓） 

在再流焊接 工艺中，含氧量较低的空气产生较少的焊球和 PCB表面氧化。较少的氧化物会导致较少的制 程空洞，这是因为少的氧化物产生的水汽的也 减少，而水汽是大空洞形成的源头之一，并且熔 融时会减少其它表面的氧化外壳，而这种氧化 外壳在再流焊接时会阻止空洞逸出熔融焊球。

6、多次再流焊循环

有时同一BGA会经历 多次再流焊循环，因为其被贴在双面电路板或 需要进行返工。多次再流焊循环之后的BGA焊点 的空洞级别远高于只进行一次再流焊的焊点空 洞级别。例如，3次再流焊之后的焊点空洞百分 比平均值大约是一次再流焊后焊点内空洞百分 比的两倍。这是因为多次再流循环对已有焊点空 洞在熔融时提供了额外时间进行生长和扩张， 或使得小空洞合并在一起形成较大的空洞。这 种生长和合并的机理已通过每次SMT再流循环 前后的3D CT X射线图像得到确认。

7、连接盘表⾯处理

表面处理类型对于制 程空洞的影响仍不清楚。但是来自于表面处理电 镀作业时共沉积的挥发性有机化合物被认为会 产生更多BGA焊点中制程空洞。尽管不同连接 盘表面处理对空洞的影响一直有争论，但这些 不同表面处理的空洞级别并不会有太大差异。

出于对质量的担忧，BGA空洞已成为电子业界 的一大焦点。对于质量问题，一些SMT工艺参 数对于BGA焊点的空洞水平很重要。例如，如 果元器件暴露在高湿度或者高温环境中，焊球 会形成氧化壳层，这导致再流焊工艺时在焊点中 裹挟更多的气泡。显著影响焊点空洞水平的其它 SMT工艺参数包括多次再流焊和焊膏成分。为 了搞清由SMT工艺造成的空洞百分比、大小以 及位置，对BGA空洞级别的检测是很重要的。

没有数据表明 BGA空洞和可靠性之间的关系。BGA空洞的尺寸不足以定义关于焊点疲劳寿命 的可接收标准。在X射线图像中观察到的大尺寸 制程空洞可能不会造成显著的可靠性影响，但 是在X射线图像中无法观察到的小空洞却可能会对可靠性产生负面影响。远离从元器件到连接 盘界面的大空洞不会影响焊点疲劳寿命，但是 处于界面的较小空洞一旦出现裂纹则会被“拉 开”。焊点中的空洞，如果数量不多时，其位置 比空洞尺寸更重要。

二、焊球中空洞的⼯艺控制标准

持续不断地 有工艺开发和控制的需求来适应技术的变化。随着BGA连接盘尺寸、焊球尺寸和连接盘节距 持续减小，用于生产的尺寸参数需要改变。为 了满足质量和可靠性要求，可能需要新材料和 新工艺。

从研发到制造的产品寿命的各个阶段，空洞都 是很有可能碰到的问题。维持最低的可接受空洞 标准对于确保产品满足客户期望、产品寿命和 可靠性要求是必要的。制造商需要使用工艺控 制和持续的产品改善技术以控制空洞，这可能 会用到现成的统计过程控制和工艺改善工具。

空洞发生频率和大小的变化应该表明有工艺控 制以及工艺和材料改进的需要。空洞的控制基 准线常用来确定工艺调整的需求以控制空洞发 生频率和大小。另外，需要建立空洞大小限制。空洞大小的确定关系到焊球。因此大小为焊球 横截面直径25%的空洞大约是整个投影面积范围的6%（见图1）。任何这样的工艺控制限制都 应当设置在与客户约定的合同承诺中。

图1 连接盘与板⼦界⾯的空洞⾯积⽰例

当焊球超过一个空洞时，空洞的尺寸应相加以 计算焊球中总空洞。

百分比计算公式如下，所有算式都与焊球直径 或接触表面有关。

空洞直径百分比

一旦得到空洞直径和焊球图像直径之间关系， 空洞的实际数量和尺寸之间的关系就变得重 要。直径25%的差异对于较大的焊球尺寸来说并不重要，但是当连接盘直径缩减至适应一个较小的焊球或小BGA节距时，这种差异会变得更重要。当空洞已确定后，这可通过确定连接到连接盘的面积来表明。

比较焊球面积和空洞所占面积，剩余面积265073 μm2 （πr2 ）。

比较焊球图像面积和空洞图像面积，剩余面积 66268μm2（πr2 ）

附录A提供了关于来料时焊球中出现的空洞(类 型A和B空洞)及组件经过组装工艺后发现的空 洞（类型C、D和E空洞）工艺改善的建议。

三、⼯艺控制标准

J-STD-001和IPC-A-610 建立了BGA组件的接受/拒收标准。这些文件提 供了合同中所用的最终接受/拒收标准。下面章 节中识别的纠正措施是要基于空洞尺寸、空洞 位置以及空洞出现的确定方法来建立持续的工 艺改善。

空洞阐述也被定义为空洞是发生在组装到安装结构之前，或组装发生之后。基于最终使用环 境，这项有用的信息与可靠性状况有关。采用 尺寸限制结构，可制定工艺来帮助满足客户定 义的可接受性条件。