BGA、QFN、CSP器件焊点空洞分析
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。80×10-3 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焊料的表面张力小，那么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，气体深深的被锡球所吸住，这时候气体就很难逸出去，此时就会形成空洞现象。
从锡膏厂商我们可以了解到助焊剂活性的强弱,溶剂的沸点等等。然而，当助焊剂较多活性较强时，空洞产生的机率是相当小的，即使产生空洞现象，其产生的空洞面积也是相当少。原因是FLUX的活性较强，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强。此时待焊表面露出干净的金属层，锡膏就会有很好的扩散性和润湿性。焊接中的拒焊，缩锡现象也大大的减少，那么助焊剂的残留物被包围的机率也就不大了，当然，空洞产生的机率就会减少。如果助焊剂的活性不强，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会停留在被焊金属的表面，进而阻止合金粉末与待焊金属表面焊接，此时就会形成不良的IMC合金层。如果被焊的表面比较严重，此时根本不可能形成Cu6Sn5IMC合金层，通常我们就会认为是拒焊或者是缩锡现象。
好文章，顶一个。 2.10 与BGA腹底锡球的控制工艺有关
BGA焊球的制造工艺与回流焊接的工艺是大同小异的。因此BGA制造厂商如果不严格按照BGA焊球工艺去控制，其结果焊球本身就会存在大量的空洞，这样还没有过回流焊之前就已经产生了空洞，回流焊之后产生空洞就可想而知了。如果BGA回流工艺没有控制好，焊球空洞的比例将会增加，焊点的机械性能和电气性能将受到很大的影响，特别是机械强度。因此，在BGA上线使用之前，建议大家可以使用X-Ray进行检查BGA焊球的空洞现象，只是BGA的腹底要朝上，才能进行X-Ray检测。BGA本身空洞面积要求不超过5%。以这种方式进行原料检查，对回流焊后的气泡控制是大有好处的。
2.9 锡膏长时间暴露在空气中，过多的吸入空气中的水分所致。
锡膏要按照正确的方法去使用，锡膏从冰箱中取出时至少要放在室温（25 ℃±3 ℃）中回温4 h，在锡膏回温中切记不能提前打开锡膏的封盖，也不能以加温的方式进行锡膏回温。同时要避免吸入空气中的水分。锡膏在上线使用之前一定要进行锡膏搅拌，其目的使合金粉末和助焊剂均匀的搅拌，在搅拌的过程中时间不能太长（大约3 min），搅拌的力不能太大。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。如果锡膏粉末被氧化，回流焊之后产生空洞的机率将大大的增加。锡膏印刷后不能放在空气中太久（通常在2小时之内），应该尽块进行贴片、回流作业，否则锡膏吸入太多的水分会导致空洞产生的概率增加。由此可以看出，锡膏的正确使用是非常重要的，一定要按照锡膏的正确使用方法去执行，否则PCBA回流之后的焊接缺陷将大大的增加。所以，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。
2.8 焊垫面积大小也是影响BGA、QFN、CSP器件焊点空洞的原因之一。
当BGA的基板采用粘著性助焊剂进行植球时，如果植球的焊盘面积比较大时很容易发生空洞现象。并且球的半径<i>R</i>比较大，焊球比较扁时，空洞现象也是比较明显。因为焊盘的面积大且焊球比较扁时需要更多更强的助焊剂来帮助焊接，高温裂解后的有机物残留就更加多，有机物逸出的路径，距离也就变大了，原因是焊盘的面积变大了。所以焊垫的面积大小也会影响BGA空洞现象的产生
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