一、空洞的形成與應(yīng)對(duì)

錫膏雖由重量比88—90％的銲錫合金小球(Powder)，與1 0—1 2％的有機(jī)輔料所組成，但兩者所均勻混合之體積比卻各占一半。因而在強(qiáng)熱中癒合成為銲點(diǎn)主體時(shí)，正常情況下比重較輕的有機(jī)物均將被擠出合金主體之外，而與銲點(diǎn)脫離關(guān)系。然而一旦銲點(diǎn)外表已經(jīng)固化，致使內(nèi)部有機(jī)物來(lái)不及逃到體外時(shí)，勢(shì)必會(huì)被裂解成為氣體而停留在銲點(diǎn)之內(nèi)，形成無(wú)所不在的氣洞或空洞(Voiding)。不幸一旦錫膏吸水后，情況將更為糟糕。基本上由氣體膨脹所形成的空N-定是圓球形的，此種回銲空洞不僅在數(shù)量上或體積上都遠(yuǎn)超過(guò)波焊，而且成因也不儘相同，不宜混爲(wèi)一談。

圖1、錫膏體積中有一半以上是有機(jī)物，回焊癒合中未能及時(shí)逸出者，一定會(huì)在銲點(diǎn)內(nèi)形成圓球狀的大小空洞，

此三圖即為X光透視輿切片所見到的銲點(diǎn)空洞。

二、BGA墊內(nèi)百孔的空洞

各種無(wú)鉛錫膏銲點(diǎn)所呈現(xiàn)的空洞，又以BGA或CSP球腳銲點(diǎn)中的空洞最多也最大。原因之一是上游封裝廠對(duì)BGA載板腹底進(jìn)行植球之初，其暫時(shí)貼著用的助焊膏(G1ue FluX)，隨后經(jīng)熱風(fēng)熔焊之際即可能已在球內(nèi)形成空洞。當(dāng)然組裝廠錫膏回焊后空洞還會(huì)更多者，多半是后來(lái)錫膏中氣體上升鉆入球體之內(nèi)，兩相合流助紂為虐的結(jié)果。此種BGA球腳無(wú)法避免的空洞，事實(shí)上國(guó)際規(guī)范已予以允收。

圖2、此等關(guān)BGA球墊空洞均出自μ-Via本身的吹氣，最新式電鍍銅填充盲孔的技術(shù)已，不算太難。

自從HDI互連技術(shù)(指增層法與雷射微盲孔兩者而言)盛行以來(lái)，BGA或CSP與內(nèi)層的互連即不必再透過(guò)PTH，而僅以局部導(dǎo)通的微盲孔進(jìn)行即可。如此不但可減少其他層次不相干的被鉆破(例如接地層或電源層)，使得訊號(hào)完整性(Signal Integrity)的品質(zhì)更好；而且訊號(hào)線縮短其雜訊也可為之降低，令高速訊號(hào)的工作更趨完美。然而一旦板面BGA區(qū)之球墊內(nèi)設(shè)有微盲孔時(shí)(Viain Pad)，則錫膏回焊中必定會(huì)造成該處球腳的吹洞(Blow Void)，致使銲點(diǎn)強(qiáng)度大受影響。幸好2006年的此刻，在電鍍銅技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步下，不但大小盲孔均可予以鍍銅填平，甚至連小直徑的PTH也可從中塞滿，因而技術(shù)良好的電路板廠商，理應(yīng)不該繼續(xù)存在盲孔對(duì)銲點(diǎn)吹洞的問(wèn)題了。

目前過(guò)渡期當(dāng)庫(kù)存BGA仍然是有鉛6 3／3 7的球腳，但組裝用錫膏卻是無(wú)鉛的SAC時(shí)，于是前者先行熔化成為液態(tài)，較高mp的后者凡于焊接中出現(xiàn)任何氣洞，均將上升進(jìn)入液態(tài)球腳，其上浮路徑比起逸出球外還要容易很多。此外一旦所印錫膏又已吸溼，則相鄰球腳之間，競(jìng)相努力吹成短路的超級(jí)大洞更是不足為奇。原則上板面裝有多枚BGA者，則宜採(cǎi)用長(zhǎng)鞍型的回流曲線，以期儘量趕走揮發(fā)份而減少吹洞。

圖3、電路板表面處理也是銲點(diǎn)空洞的成因之一，當(dāng)皮膜容易活化容易沾錫者，其空洞就會(huì)減少。

右圖中之棵銅表面已發(fā)生氧化，當(dāng)助焊劑無(wú)法予以活化時(shí)，即出現(xiàn)多洞現(xiàn)象。

至于OSP與I-Ag其本身之有機(jī)薄膜也很容易生氣成洞。

三、源自表面處理的空洞

某些PCBA的墊面處理皮膜中，有機(jī)物含量較多者(以I一A g與OSP最為典型)，也容易在后續(xù)強(qiáng)熱中裂解成小洞。其特徵是多半只停留在介面，數(shù)量雖多但體積都不很大，特稱之為“介面微洞”。此種連續(xù)性的皮膜微洞，無(wú)論是波焊或回焊都經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)，而且以浸鍍銀較為嚴(yán)重，解決辦法要從表面處理的配方與製程上去進(jìn)行改善。

圖4、化學(xué)浸銀皮膜之外表有一薄層有機(jī)保護(hù)膜，在焊接中未能逸出者，

一定會(huì)在介面間裂解發(fā)氣成洞，特稱爲(wèi)介面微洞

浸鍍銀層在空氣中碰到微量的硫氣時(shí)即容易變色(Tarnish)，為了防變色以及防止銀金屬的快速遷移(Leaching)甚至破壞絕緣起見，刻意在浸銀層表面上生成一薄層有機(jī)性保護(hù)膜，以堵絕此等缺失。然而在焊接反應(yīng)中銀金屬會(huì)迅速溶入液態(tài)銲錫(溶速43.6μ in／sec)，而露出底銅使之與融錫迅速生成C u6S n5而焊牢。不幸的是該有機(jī)薄膜卻無(wú)法及時(shí)出走，只好留在原介面處裂解發(fā)氣。由于是全面性發(fā)生的，故亦稱之香檳泡沫。

至于新一代OSP之性能，則亦已從其皮膜之緻密性方面獲得改善，即使0.3μm的膜厚仍可保護(hù)底銅不致在強(qiáng)熱中氧化生銹。于是在波焊或回焊中的OSP薄膜，若能及時(shí)被助焊劑所趕走排開時(shí)，即可完成C u6S n5的生長(zhǎng)而焊牢。一旦OSP皮膜未能及時(shí)被趕走者，則將遭到強(qiáng)熱的裂解而發(fā)氣成洞。良好的OSP皮膜不但要耐熱，而且皮膜也不能太厚，以防焊接中頑強(qiáng)不走時(shí)的裂解發(fā)氣。但若回焊爐採(cǎi)用氮?dú)鈺r(shí)，則此等窘境將大為改觀。

四、錫粉與助焊劑遭氧化發(fā)氣而成洞

某些多件大板進(jìn)行回焊時(shí)，其回焊曲線的吸熱段(Soak)常須加以延長(zhǎng)(例如90秒以上)，使待焊板裡外都吸飽熱能后方得以衝刺峰溫。在此種1 5 0一18 0℃的緩升強(qiáng)熱，與后續(xù)熔點(diǎn)以上較長(zhǎng)歷時(shí)(TAL90秒)的雙重煎熬中，不但錫粉會(huì)遭到氧化，有時(shí)連助焊劑也難逃被氧化而變質(zhì)。此時(shí)所有銲點(diǎn)中的空洞都免不了會(huì)為之增多。一旦細(xì)小錫球其外表過(guò)度氧化而難以癒合者，則只好被排擠出走而帶來(lái)其他的麻煩。選擇抗氧化性較好的助焊劑雖為正面解決之道，但卻不太容易。較務(wù)實(shí)的做法是採(cǎi)用氮?dú)猸h(huán)境的回焊，將可立即減少此類空洞與吃錫不良等問(wèn)題。

圖5、錫膏助焊劑中活化劑較強(qiáng)而易于除鏽者，焊后的空洞就會(huì)減少。

至于80八球墊之氧化情形較嚴(yán)重者，其空洞也就隨之增多。

五、板面銲墊拒錫而成空洞

PCB銅墊之可焊性表面處理有5—6種之多，一旦墊面原本就已經(jīng)呈現(xiàn)拒焊現(xiàn)象時(shí)，則錫膏雖已在墊面全數(shù)印妥，但強(qiáng)熱癒合中其純錫與局部不良基地(銅或化鎳)無(wú)法形成IMC時(shí)，則該處所分配錫膏將會(huì)被左右沾錫良好的鄰居所搶走，以致瞬間形成真空。此時(shí)錫膏半數(shù)體積有機(jī)物的發(fā)氣，將不再往外界逸走，反而就近被該處局部真空所吸引，隨即迅速聚集氣體而吹成大洞。某些BGA球墊為噴錫所處理者，一旦發(fā)生錫面高低不平嚴(yán)重縮錫時(shí)，其后續(xù)錫膏過(guò)爐之拒焊處就很容易發(fā)生大洞。不過(guò)這種PCB墊面處理不良所形成的大洞，較多發(fā)生在舞臺(tái)寬廣的BGA球腳內(nèi)，較少出現(xiàn)在其他如QFP之狹小銲點(diǎn)中。

圖6、銅面噴錫局部不良處將不會(huì)生成Cu6Sn5的IMC，其原本所分配的錫膏，回焊中卻被前后左右鄰居所搶走，

進(jìn)而形^革眞空式的空洞，容易成爲(wèi)有機(jī)物裂解成氣的集中地，最后即在墊面上形成大洞。

六、錫膏吸水形成大洞

由于有機(jī)物未能逸出所吹成的空洞都不算太大，然而，一旦用，或印膏后放置較久而吸入水份者，則其吹成的空洞就非常大了，甚至相鄰球腳的立體空間還會(huì)發(fā)生吹擠成短路的情形。此等外加水氣是有鉛與無(wú)鉛不分軒輊災(zāi)情無(wú)異。改善方法并無(wú)其他高招，唯有已。一般錫膏只要在90％RH中放置2 0分鐘，就會(huì)吸人多量的水份點(diǎn)中會(huì)吹成大洞，嚴(yán)重者甚至造成熔錫的飛濺(Spattering)，引手指上的額外錫點(diǎn)。故知錫膏印刷的現(xiàn)場(chǎng)一定要保持低溫及乾燥才行。

圖7、此二圖中所見之超級(jí)大洞，皆因錫膏吸水助虐后所大幅度吹成的大洞

七、出自BGA上游封裝的空洞

BGA在封裝廠進(jìn)行腹底之植球時(shí)，并非採(cǎi)用如組裝廠的錫膏了眾多球腳的共面性(Coplanarity)更好起見，只能採(cǎi)用助焊膏做為定位與助焊的雙重目的。然而在回焊爐完成植球的過(guò)程上，錫膏焊接道理完全一樣，植球當(dāng)然也會(huì)發(fā)生空洞。故進(jìn)料檢查時(shí)均須腹部朝上經(jīng)過(guò)X曲R ay的透視有無(wú)空洞，以免事后發(fā)生“斷頭容易斷腳難”時(shí)，彼此間的無(wú)謂爭(zhēng)執(zhí)。

圖8、上游半導(dǎo)體封裝廠在BGA腹底植球之回焊申，當(dāng)然也會(huì)困有機(jī)物未能及時(shí)逸出而發(fā)生空洞，

電路板廠家可在進(jìn)料檢查時(shí)利用x—ray透視即可發(fā)現(xiàn)。