电路板无铅焊接的隐忧之焊点空洞

一、导论
全球电子业界将正式进入无铅焊接时代，除军用与某些已豁免之大型机组产品外，其他所有商业电子品，均将正式告别品质与可靠度都无可取代的锡铅共熔(Eutectic Comp osition Sn63／Pb 37)焊料。往后的各种封装组装焊接所用到的无铅焊料，其量产之易操作性、焊接完工品质，以及长时间老化后的可靠度，都不免令人捏把冶汗。不管是锡膏熔焊(Reflow So1dering)或者焊料波焊(wave So1dering)，目前最佳的无铅焊料则非锡银铜而莫属(SAC305 OR SAC405)，其共熔点2 1 7℃就要比Sn63／Pb37者183℃高出3 4℃现场操作焊温少说也要提高2 5℃左右，而达熔焊平均焊温的2 4 2℃与波焊的2 6 O-2 6 5℃对于既有F R一4板材所带来的热应力，零组件的热伤害，以及现行助焊剂的无法适应等，都是难以避免的灾难，且必须还要在这一两年内加以解决。
左图是利用特殊微蚀技术可将焊料清除，而令“三银一锡”的板条IMC与“六铜五锡”的球状IMC，均清楚呈现。右图是经过1750次高低温（-55℃/+150℃）加速老化后，发现各种裂缝都是出自Ag3Sn结晶近旁

图1、左图是利用特殊微蚀技术可将焊料清除，而令“三银一锡”的板条IMC与“六铜五锡”的球状IMC，均清楚呈现。右图是经过1750次高低温（-55℃/+150℃）加速老化后，发现各种裂缝都是出自Ag3Sn结晶近旁。
而出自S AC所形成的焊点，为了要使其结晶细腻与强度更好起见，必须要在通过峰温后迅速加以降温冶却(6℃／SeCc，而不再是3℃／Sec)。如此一来势必造成有机物逸出的不易，进而将带来焊点中更多的空洞(Voids)。一般而言，BGA或CSP等球脚焊点的空洞，要比其他SMT来的更多。
不管是熔焊还是波焊，无论是有铅或为无铅，冶却后的焊点中都难免会存在著一些空洞(Voids)，只不过当其所占体积比例不大(从截面上观察)，或尚未出现在焊点之关键介面者，即可视之为常态。一般用即时性X光设备(Rea1 Ti me X-ray equipment)，皆可隐约看到虚无空洞的分佈。焊点(So1der Join t)内发生空洞的主要成因，就是残存有机物高温裂解后的气泡无法及时逸出，以及吸入水气所致，其中最主要的来源就是助焊剂陷入，又经强热裂解所形成。
左为BGA球脚在封装载板上植球情形，坐下及右图均为X光所见到的不太清晰画面。

图2、左为BGA球脚在封装载板上植球情形，坐下及右图均为X光所见到的不太清晰画面。
但当进一步追究成因时却又发现，除与液态焊料本身的表面张力有著最直接因果外，还另与其他多种因素有关。表面张力愈大者气泡愈难脱离(无铅焊料常达460dyne／260℃，有铅共熔组成之焊料(S n 6 3／P b 3 7)其表面张力较小(仅80 dyne／260℃)，故已陷入的有机物或气泡，在比重较大(约8．4 4)之合金挤压下较有机会向外脱困而逃出(Outgassing) 。但无铅焊料之S A C者，不但比重较小(约7．5)而且表面张力又变大，加以熔点温度还高出34℃，且为了保持结晶细腻起见又不得不加速降温。一旦量产之“温时曲线”(Profi1e)尚未调整到最佳者，经常会在焊点内发生空洞，通常要比有铅者严重很多，成为可靠度方面的极大隐忧。
BAG或CSP之球脚中经常会发生大小空洞，大号空洞甚至还会将球体向四周挤出，对于CSP的近距离焊接尤为不安全。

图3、BAG或CSP之球脚中经常会发生大小空洞，大号空洞甚至还会将球体向四周挤出，对于CSP的近距离焊接尤为不安全。
二、PCB电路板空洞如何允收?    。
目前较具公信力的国际规范(例如IPC-A-610D或J-STD-001D)皆尚未将电路板无铅焊接的允收标准纳入规范。但几家著名的大公司，则对无铅与有铅焊接之空洞已备有自定的规格(Creteri a)，现介绍如下：
IBM：认为B GA球脚焊点，从截面上观察时，其空洞面积不可超过1 5％，且认为到达2 O％时将会影响到可靠度。
Motorela：认为空洞在截面积的比例上不可超过2 4％。
Solectron：认为空洞面积比的允收上限为2 5％。
Delco：认为不管空洞的大小如何，总数均不可超过4个，截面积允收之上限比例为1 6％。
General Instruments：认为空洞的截面积比例不可大于1 5％。

图4、左图为BGA球脚的正常完工情形，即使在全无空洞下，加速老化之可靠度情况下亦会发生龟裂。中图为空洞强度不足造成的破裂。右图说明BGA垫内盲孔所形成的球脚空洞。
三、电路板空洞的成因与避免
（一）、助焊剂活性的影响
合金焊点内所陷入的有机物，可能是出自锡膏中所添加的助焊剂或其他有机物。也可能是波焊中助焊剂或浮渣的包藏，经瞬间的高温作用中，已陷入者将会裂解成为气体。按理说气泡的比重很小，一定会浮得起来逼得出去才对。但当气泡的浮力小于液态焊料的表面张力时，则气泡只有被吸住而逃不出来。
。当BAG植球之高粘度助焊剂，或电路板焊接时之锡膏助焊剂中，当其等活性剂较多时，空洞将会减少。

图5、当BAG植球之高粘度助焊剂，或电路板焊接时之锡膏助焊剂中，当其等活性剂较多时，空洞将会减少。
业者们曾发现当助焊剂中的活性剂较多较强时，则空洞反而会变少。原因可能是因活性很强时，则待焊介面处的还原作用将会顺利进行而使得缩锡(D e w e tt i n g)减少，如此一来助焊剂残渣被逮住的机会也就不大反之活性不强者，待焊面的氧化物未能迅速被还原反应所清除，则被包助焊剂想要脱身当然就不容易了。
左为BGA原件成品，在PCB板面贴装时锡球高度的前后变化情况；右图中可以看到右球中之空洞太大，以致挤压无铅焊料向左强力推出，进而造成与左球短路的真相。

图6、左为BGA原件成品，在PCB板面贴装时锡球高度的前后变化情况；右图中可以看到右球中之空洞太大，以致挤压无铅焊料向左强力推出，进而造成与左球短路的真相。
（二）、焊垫面积的影响
当BGA载板採用黏著性助焊剂(Tacky Flux)进行植球时，发现载板 面积愈大者，可见到空洞的比例也会增多。且发现其球面之曲率：(Curvature R)较大者或球面较扁时，则该液锡对气泡形成的液压(Hydraulic Pressure)将不如半径较小但却较厚的球体，如此会使得气泡倾向变多变且还不容易逃得出来了，这当然与焊料比重的大小也直接有关。

当植球或焊球时，其垫面较大者空洞也会较多。从右a图可知大垫曲率半径(R)较大球体较扁，其逼迫有机物逃出球外的压力，自如R较小者，且路途也较远逃出机会也就不多了。

图7、当植球或焊球时，其垫面较大者空洞也会较多。从右a图可知大垫曲率半径(R)较大球体较扁，其逼迫有机物逃出球外的压力，自如R较小者，且路途也较远逃出机会也就不多了。
（三）、与助焊剂黏度关系
当助焊剂的黏滞度(Vi s c o s i t y)较高时，其中固含物的松香(R osin)也必定较多，对氧化物所表现的清除效果也会增强。同时缩锡也随之降气泡当然也就顺理成章的为之减少了。

左图说明植球时，黏性助焊剂之粘滞度较大者，空洞较少；右图说明焊球时锡膏助焊剂粘滞度较大者，空洞也较少。

图8、左图说明植球时，黏性助焊剂之粘滞度较大者，空洞较少；右图说明焊球时锡膏助焊剂粘滞度较大者，空洞也较少。
（四）、与焊垫表面的氧化程度有关
当焊垫或锡球表面所生成的氧化物愈厚者，焊后的空洞也会愈多。业者们曾将各种高温与经历时间，予以区别为不同垫面氧化程度如下：
氧化程度
模拟高温情况
1
100℃／1小时
2
100℃／3小时
3
100℃／9小时
4
100℃／9小时+1次熔焊

图9、BAG植球或焊球时，垫面氧化越严重者，空洞也越多。
其中道理前文中已讨论过，那就是当氧化层较厚时，助焊剂不易完成应有的清除反应(也就是表面张力难以降低)，以致移动速度(Mobility)无法加快下，常使得气泡被残留在焊点中的机率增加。此种不良现象还可从切片上空洞与垫面之交界处，全未形成Cu6Sn，的IMC而加以反证
表1、相关焊面之密度比较 (g m／c m3)

图10、此8种无铅锡膏针对现行Sn63，在相同条件下所测得沾锡时间已延长的不良情形。
（五）、与沾锡时间有关
6 3／3 7共熔焊料的平均沾锡时间(w e t t i n g T i m e)约为0.6秒，但S A C 405者却接近1。5秒之久。无铅焊料本身移动速度太慢与表面张力太大之下，当然就会使得所形成的气泡难以逃出(Outgassing)焊料之界外。
（六）、与温时曲线有关
当生产线所用P r O fi 1 e在熔点以上的耗时太长者(无铅S A C于2 1 7℃以上约在6 0-80秒)，会让助焊剂中可挥发的东西都将消失殆尽，致使助焊剂之黏度变大或烧乾，甚至裂解掉而无法顺利移动；沾锡太慢或无法沾锡下当然就会形成空洞。至于现行的S n 6 3，其熔点仅1 8 3℃，超过熔点的时间也仅50一60秒而已，相对之下残留的气泡也就自然不多了。而且无铅焊接之操作时间拉长，再氧化的机会也就变大，空洞机率难免上升。倘若P r O fi l e中的峰温不太高(205℃)，其较平坦恒温吸热段(S O ak S t a g e)的长短(2分钟内)，对于空洞生成的影响尚不大，然而无铅已完全占不到这种便宜了。说明锡膏中发挥沸点越高者，发生空洞的机会也会减少。

图11、说明锡膏中发挥沸点越高者，发生空洞的机会也会减少
（七）、溶剂沸点的影响
不管是波焊前的助焊剂，或锡膏内的助焊剂，两者所用溶剂的沸点都会影响到焊点中的空洞(见上右图)o业者们在B G A球脚以外的其他S M T焊点中，也曾发现相同的事实。溶剂沸点越低者所形成的空洞就越多。原因是低沸点的溶剂，在高温焊接中(例如有铅波焊的2 5 0℃，或熔焊的2 2 5℃)老早就已挥发殆尽，以致所剩下已乾涸难以流动的其他高黏度有机物，就只好死死被包围在原地，呆呆的等待发气罢了!无铅者当然就更为惨不忍睹了。另一点需要提醒的就是，当锡膏印妥后不可在室温环境中放置太久，以防水气凝结与过度氧化而造成意外的空洞。最好是将溶剂的沸点拉高到焊料的熔点以上，以减少空洞的发生。
（八）、垫面处理的影响
当焊垫表面的可焊处理层不同时，在该介面附近所形成的空洞大小与数量也将不相同。业者发现有机保焊剂(O S P)处理者，其皮膜与焊垫介面的空洞最多；而且OSP愈厚者不但空洞愈多，甚至还可能因皮膜无法被助剂所推走，以致发生缩锡或拒焊的现象，O S P的厚度最好不要超过0.3 5μm，以方便助焊剂的驱 赶。至于其他如ENIG、I一Ag、I一Sn或HASL喷锡者，其彼此间之V0iding也与有机物量有关，不过相差并不多。
左图铜垫表面为OSP处理，右图则可能是锡膏本身有机物形成的空洞。

图12、左图铜垫表面为OSP处理，右图则可能是锡膏本身有机物形成的空洞。
（九）、垫内盲孔或垫下通孔所造成的空洞
H D工手机板为了节省板面有限空间，早巳将C S P或B GA之层间互连，改掉原本通孔与球垫间之哑铃型(D O g B O n e)互连设计，而替代为直上直下更为省地的垫内盲孔或通孔(Vi a i n p a d)。且在高速与高频讯号之路径变短而电感减少下，杂讯也随之降低。但如此一来，在S M T印妥锡膏再踩上球脚与后续进行熔焊时，不但孔内原有空气无法赶走，再加上助焊剂有机物的额外发气，助纣为虐下大号空洞不免就频频出现了。目前许多手机板的客户们都要求  ．採用镀铜方式将微盲孔予以填平，以减少空洞的发生以增加焊点强度。
左图为BAG垫内盲孔的俯视与侧视图；中图为一般平面球垫与盲孔球垫的区别；右图均为盲孔球垫的空洞情形。

图13、左图为BAG垫内盲孔的俯视与侧视图；中图为一般平面球垫与盲孔球垫的区别；右图均为盲孔球垫的空洞情形
（十）、吹孔之空洞
传统PT H之钻孔不良与后续镀铜欠佳以收孔璧存有破洞者，经常会在下游组装波焊中，造成铜壁上原有的破洞(V o i d s)向外吹气，此等恶劣的P T H常被称为吹孔(B 1 O w H o l e)。由于基材经过许多湿製程，难免会从孔璧破口处，吸入一些水气或化学品，进而造成游高温焊接的孔壁张开与气体的喷出，致使子L内的液态填锡发生被吹后的空洞。这种P T H传统填锡的虚洞，应与其他上述各种原因无关，是一种很古老的Voiding 。

此二图均为PTH不良孔壁，吸入水汽，经高温焊接拉大缺口时，向液态填锡中吹气而造成的空洞.

图14、此二图均为PTH不良孔壁，吸入水汽，经高温焊接拉大缺口时，向液态填锡中吹气而造成的空洞。