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      BGA、QFN、CSP器件焊點空洞分析

      發布日期:2020-07-27 點擊次數:9514

      在SMT生產中,BGA、QFN、CSP等無引腳的元器件,在進行焊接時,無論是回流焊接還是波峰焊接,無論是有鉛制程還是無鉛制程,冷卻之后都難免會出現一些在所難免的空洞(氣泡)現象的產生。焊點內部發生空洞的主要成因是FLUX中的有機物經過高溫裂解后產生的氣泡無法及時逸出。在回流區FLUX已經被消耗殆盡,錫膏的粘度發生了較大的變化,此時錫膏之中的FLUX發生裂解,導致高溫裂解后的氣泡無法及時的逸出,被包圍在錫球中,冷卻后就形成空洞現象。目前,一般使用X-Ray設備進行檢查空洞的面積,通過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積的比例不是很大,常常認為是符合接受標準標準(如IPC-A-610D 8.2.12.4),因此在檢驗時沒有引起足夠的重視。

      在眾多的空洞現象中發現,產生空洞現象與焊料本身的表面張力有著直接的聯系。錫膏的表面張力越大,高溫裂解的氣泡越難逸出焊料球,氣泡被團團包圍在錫球之中(無鉛焊料的表面張力達到4.60×10-3 N/260 ℃),表面張力越小,高溫裂解后的氣泡就很容易逃出焊料球,被錫球團團包圍的機率就相當?。ㄓ秀U焊料的表面張力達到3。80×10-3 N / 260 ℃,Sn63-Pb37,m.p為183 ℃)。已經陷入高溫裂解的氣泡,在有鉛焊料密度較大(約8.44 g/cm3)的情況之下,焊料中的合金在相互擠壓下,有機物就會向外面逃脫,所以有機物殘留在焊點中的機率是相當小的,但是無鉛就完全不一樣了。比重不但比有鉛小,而且無鉛的表面張力又比有鉛高出很多,同時熔點又比有鉛高出34 ℃之多(Sn63-Pb37,熔點為183 ℃,SAC305熔點約為217 ℃),在種種環境不利的情況下,無鉛焊料中的有機物就很難從焊球中分解出來,有機物常常被包圍在焊球中,冷卻后就會形成空洞現象。

      從焊點的可靠度來講,空洞現象會給焊點帶來不可估計的風險,同時空洞現象比較嚴重的話,還影響焊點的電氣連接,影響電路的暢通。所以空洞現象必須引起SMT業界人士的高度重視。

       

      1 空洞的驗收標準

      業界空洞的驗收標準大部分都沒有確定,從IPC-A-610D版本中的一些初步的定義(8.2.12.4 表面安裝陣列-空洞),我們可以得出以下一些結論:從設計上減少空洞的產生,即焊盤上的微孔不在此標準考慮的范圍之內??斩吹臉藴视煽蛻艉椭圃焐讨g協商。制造商可以利用各種實驗分析的結果,制定最終空洞的驗收標準。

      可接受-1,2,3級

      空洞小于25%焊球X-Ray射線圖像的面積。

      缺陷-1,2,3級

      空洞大于25%焊球X-Ray射線圖像的面積。

      以上IPC中只是提到BGA空洞驗收標準,但是在眾多的國際大廠中又有許多廠家是不承認此標準的,即比此標準更加嚴格,更加苛刻。例如,IBM認為BGA的空洞面積不可超過15%,如果超過了20%就會影響焊點的可靠度,影響焊點的使用壽命。當然,空洞面積越小越好,更小的空洞面積需要更強的工藝去支持。但是IPC-A-610D中卻沒有對QFN的氣泡(空洞)做相應的規定,對于這一點IPC卻沒有說明,真是遺憾!現階段有許多QFN器件是用在光纖通信領域中,這對氣泡要求是相當高的。

       

      2 空洞的成因與改善

      2.1助焊劑活性的強弱影響

      前面已經論述過,空洞現象的產生主要是助焊劑中的有機物經過高溫裂解后產生氣泡很難逸出,導致氣體被包圍在合金粉末中。從過程中可以看出,關鍵在有機物經過高溫裂解后產生的氣泡,其中有機物存在的主要方式有:錫膏中的助焊劑,其它的有機物,波峰焊的助焊劑或者是浮渣的產生等等。以上的各種有機物經過高溫裂解后形成氣體,由于氣體的比重是相當小的,在回流中氣體會懸浮在焊料的表面,氣體最終會逸出去,不會停留在合金粉末的表面。但是,在焊接的時候必須考慮焊料的表面張力,被焊元器件的重力,因此,要結合錫膏的表面張力,元器件的自身重力去分析氣體為什么不能逸出合金粉末的表面,進而形成空洞。如果有機物產生氣體的浮力比焊料的表面張力小,那么助焊劑中的有機物經過高溫裂解后,氣體就會被包圍在錫球的內部,氣體深深的被錫球所吸住,這時候氣體就很難逸出去,此時就會形成空洞現象。

      從錫膏廠商我們可以了解到助焊劑活性的強弱,溶劑的沸點等等。然而,當助焊劑較多活性較強時,空洞產生的機率是相當小的,即使產生空洞現象,其產生的空洞面積也是相當少。原因是FLUX的活性較強,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強。此時待焊表面露出干凈的金屬層,錫膏就會有很好的擴散性和潤濕性。焊接中的拒焊,縮錫現象也大大的減少,那么助焊劑的殘留物被包圍的機率也就不大了,當然,空洞產生的機率就會減少。如果助焊劑的活性不強,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會停留在被焊金屬的表面,進而阻止合金粉末與待焊金屬表面焊接,此時就會形成不良的IMC合金層。如果被焊的表面比較嚴重,此時根本不可能形成Cu6Sn5IMC合金層,通常我們就會認為是拒焊或者是縮錫現象。

       

      2.2與錫膏中FLUX的粘度有關

      如果助焊劑的粘度比較高時,其中松香的含量也是比較高的。此時助焊劑去除表面氧化物的能力,去除表面污物的能力就越強,縮錫,拒焊的現象就大大的減少了,焊接就會形成良好的IMC合金層,氣泡也是隨之減少,焊點的機械強度也就提高了,同時焊點的電氣性能也隨之加強。

       

      2.3與焊盤表面的氧化程度有關

      當焊盤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。因為PAD氧化程度越大,需要極強的活性劑才能趕走被焊物表面的氧化物。特別是OSP(Organic  Solderability  Preservatives)表面處理,OSP焊盤上的一層有機保護膜是很難被趕走的。如果焊盤表面氧化物不能被及時驅趕走,氧化物就會停留在被焊接物的表面,此時氧化物就會阻止合金粉末與被焊接的金屬表面接觸,從而形成不良的IMC,此時就會產生縮錫(拒焊)現象。表面氧化比較嚴重,有機物經高溫分解的氣體就會藏在合金粉末中,同時加上無鉛的表面張力大,合金的比重也是比較大,所以氣體就很難逃出,氣體就會被包圍在合金粉末中。當然,空洞就自然就形成了。如果要避免此類現象的產生,就必須避免錫膏和被焊金屬表面的氧化物,否則,是沒有其它辦法可以減少空洞或者縮錫(拒焊)現象。

       

      2.4溶劑沸點的影響

      不管是波峰焊接前或者是錫膏本身的溶劑,它們兩者之間沸點的高低直接影響BGA空洞的大小和空洞形成的概率。溶劑的沸點越低,形成空洞的機率就會越多。因此大家可以選用高沸點的溶劑來避免空洞現象的產生。如果溶劑的沸點越低,在恒溫區或者是在回流區溶劑就已經揮發完畢了,剩下的只是高粘度難以移動的有機物了,只好被團團包圍。同時,PCB印刷錫膏后盡量不要長時間放置在空氣中(通常2小時以內完成作業),避免錫膏吸收空氣中的水分或者錫膏與空氣接觸發生氧化現象。這樣會額外增加空洞現象的產生。所以在選用錫膏的時候盡量選用高沸點溶劑的錫膏,來減少空洞現象的發生。

       

      2.5 PCB的表面處理方式不同

      目前業界表面處理主要有以下6種方式:

      ①有機保護膜(OSP,Organic  Solderability  Preservatives)

      ②化鎳浸金(ENIG,  Electroless  Nickel  and  Immersion  Gold)

      ③浸鍍銀(I-Ag,  Immersion  Silver)

      ④浸鍍錫(I-Sn,  Immersion   Tin)

      ⑤浸鍍鉍(I-Bi,  Immersion  Bismuth)

      ⑥噴錫(HASL,  Hot  Air  Solder  Levelling)

      以上6種為業界現階段的不同表面處理方式,不同的表面處理產生空洞的機理是一樣的,只是產生空洞的概率和數量不同而已。其中OSP表面處理產生空洞現象更加明顯,其保護膜與焊墊界面發生空洞的概率也最多。保護膜越厚,發生空洞的概率就越大。通常OSP的厚度為0.2μm~0.5μm之間,最好在0.35μm左右。 OSP的厚度可以用UV分光光度計或者使用掃描電子顯微鏡+能量色散譜儀(SEM+EDS)進行測量。如果OSP的保護膜太厚,同時助焊劑的活性強度不夠,在回流焊接的時候是很難將保護膜驅趕走,如果回流焊的溫度曲線沒有控制好也會造成OSP保護膜在高溫環境再次氧化。保護膜沒有被驅趕走,此層膜就會阻礙IMC層的形成,如果比較嚴重就會造成縮錫或者拒焊現象的產生。如果在高溫區發生第二次氧化現象,其結果是令人擔憂的。發生了高溫第二次氧化現象,即使,在PAD上涂敷助焊劑或者是助焊膏在重新回流焊,解決拒焊或者縮錫現象還是不明顯。由此可見控制OSP保護膜的厚度是非常重要的,因此做PCB的廠商必須嚴格控制好OSP表面處理的工藝,以免在下游的組裝生產中發生不必要的爭執。至于ENIG, HASL, I-Sn, I-Ag, I-Bi等等的表面處理同樣會產生空洞,只是它們產生空洞的概率都差不多,與此時的表面處理方式沒有太大的區別,也就是說,發生空洞現象是有很多因素組成的,并不是單一因素所決定的。

       

      2.6 與回流曲線的關系(Profile)

      當生產線使用Profile曲線圖熔點以上的時間太長時(通常217 ℃以上的時間為30 s~60 s),會讓助焊劑中可以揮發的物質消耗殆盡,進而使助焊劑的粘度發生變化或者助焊劑被燒干,甚至裂解之后不能移動。這樣氣體就會被包圍從而無法移動,導致空洞的產生。如果無法沾錫或者沾錫時間比較慢,其結果空洞就更加明顯了。之前的Sn63Pb37,其熔點為183 ℃,熔點以上的時間也是相當少的(通常在60 s以內),這樣就大大的減少了空洞的產生。而相對于無鉛焊接來講,錫膏的熔點比有鉛高出34 ℃之多,其熔點以上的時間也比有鉛錫膏高出很多,再加上無鉛焊接的各段時間和各區段都比較長,對助焊劑的活性提出了新的挑戰,要求必須強的助焊劑才能幫助焊接。通常恒溫區以上的時間(150 ℃~190 ℃)控制在60 s~120 s,峰值溫度控制在235 ℃~245 ℃之間,特別是控制在240 ℃是相當好的,這對BGA的氣泡控制是相當有利的。當然進行溫度控制的同時,要注意不同的BGA的溫度控制是不一樣,要根據BGA封裝的方式,大小尺寸,BGA腹底錫球的工藝而定,不能千篇一律的概括。這樣去了解和設置溫度才算是正確合理的,也是符合邏輯的。同時,也可以參考BGA的零件承認書。具體情況請參閱《IPC-7095 Design  and  Assembly  Process  Implementation  for  BGAs》BGA的設計和組裝工藝的實施。

       

      2.7 與元器件的沾錫時間有關

      Sn63-Pb37 焊料的沾錫時間是非常短暫的,大約在0.6 s左右,而SnAgCu焊料的沾錫時間大約在1.5 s左右。同時無鉛焊料的表面張力大,移動速度非常慢,焊料的潤濕性,擴散性也比有鉛焊料要差。在這些情況之下,有機物經過高溫裂解后產生的氣體是很難逃出去,氣體會完全被包圍在合金層中,當然無鉛產生空洞的概率要比有鉛產生空洞現象的概率要大得多,這也是當今無鉛化焊接課題面臨的一個難題,一個挑戰。

       

      2.8 焊墊面積大小的影響

      當BGA的基板采用粘著性助焊劑進行植球時,如果植球的焊盤面積比較大時很容易發生空洞現象。并且球的半徑R比較大,焊球比較扁時,空洞現象也是比較明顯。因為焊盤的面積大且焊球比較扁時需要更多更強的助焊劑來幫助焊接,高溫裂解后的有機物殘留就更加多,有機物逸出的路徑,距離也就變大了,原因是焊盤的面積變大了。所以焊墊的面積大小也會影響BGA空洞現象的產生。  

       

      2.9 錫膏過多的吸入空氣中的水分所致

      錫膏要按照正確的方法去使用,錫膏從冰箱中取出時至少要放在室溫(25 ℃±3 ℃)中回溫4 h,在錫膏回溫中切記不能提前打開錫膏的封蓋,也不能以加溫的方式進行錫膏回溫。同時要避免吸入空氣中的水分。錫膏在上線使用之前一定要進行錫膏攪拌,其目的使合金粉末和助焊劑均勻的攪拌,在攪拌的過程中時間不能太長(大約3 min),攪拌的力不能太大。如果時間太長力量太大合金粉末很可能被粉碎,造成錫膏中的金屬粉末被氧化。如果錫膏粉末被氧化,回流焊之后產生空洞的機率將大大的增加。錫膏印刷后不能放在空氣中太久(通常在2小時之內),應該盡塊進行貼片、回流作業,否則錫膏吸入太多的水分會導致空洞產生的概率增加。由此可以看出,錫膏的正確使用是非常重要的,一定要按照錫膏的正確使用方法去執行,否則PCBA回流之后的焊接缺陷將大大的增加。所以,正確的使用錫膏將是保證各種焊接質量的前提條件,必須高度重視。

       

      2.10 與BGA腹底錫球的控制工藝有關

      BGA焊球的制造工藝與回流焊接的工藝是大同小異的。因此BGA制造廠商如果不嚴格按照BGA焊球工藝去控制,其結果焊球本身就會存在大量的空洞,這樣還沒有過回流焊之前就已經產生了空洞,回流焊之后產生空洞就可想而知了。如果BGA回流工藝沒有控制好,焊球空洞的比例將會增加,焊點的機械性能和電氣性能將受到很大的影響,特別是機械強度。因此,在BGA上線使用之前,建議大家可以使用X-Ray進行檢查BGA焊球的空洞現象,只是BGA的腹底要朝上,才能進行X-Ray檢測。BGA本身空洞面積要求不超過5%。以這種方式進行原料檢查,對回流焊后的氣泡控制是大有好處的。

       

      3 總結

      隨著SMT行業的高速發展,組裝密度越來越高(BGA、QFN、CSP、Fine  Pitch  IC等器件的應用),元器件越來越小型化(1005、01005元器件的應用越來越普遍),PCB基板層數的增加 ,對SMT制造工藝提出了新的挑戰。隨著新工藝的引進,新工藝的研發,對BGA、QFN、CSP這類器件提出了更高的要求。因此,嚴格控制BGA、QFN、CSP器件的空洞(氣泡、界面微洞)將變得尤為重要。一旦這些器件的空洞面積超過IPC的標準,不但影響BGA、QFN、CSP器件的機械性能,而且還影響電氣性能。所以此類器件空洞的控制就變得尤為重要了。

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