一、導論
全球電子業(yè)界將正式進入無鉛焊接時代，除軍用與某些已豁免之大型機組產(chǎn)品外，其他所有商業(yè)電子品，均將正式告別品質(zhì)與可靠度都無可取代的錫鉛共熔(Eutectic Comp osition Sn63／Pb 37)焊料。往后的各種封裝組裝焊接所用到的無鉛焊料，其量產(chǎn)之易操作性、焊接完工品質(zhì)，以及長時間老化后的可靠度，都不免令人捏把冶汗。不管是錫膏熔焊(Reflow So1dering)或者焊料波焊(wave So1dering)，目前最佳的無鉛焊料則非錫銀銅而莫屬(SAC305 OR SAC405)，其共熔點2 1 7℃就要比Sn63／Pb37者183℃高出3 4℃現(xiàn)場操作焊溫少說也要提高2 5℃左右，而達熔焊平均焊溫的2 4 2℃與波焊的2 6 O-2 6 5℃對于既有F R一4板材所帶來的熱應力，零組件的熱傷害，以及現(xiàn)行助焊劑的無法適應等，都是難以避免的災難，且必須還要在這一兩年內(nèi)加以解決。
左圖是利用特殊微蝕技術(shù)可將焊料清除，而令“三銀一錫”的板條IMC與“六銅五錫”的球狀I(lǐng)MC，均清楚呈現(xiàn)。右圖是經(jīng)過1750次高低溫（-55℃/+150℃）加速老化后，發(fā)現(xiàn)各種裂縫都是出自Ag3Sn結(jié)晶近旁

圖1、左圖是利用特殊微蝕技術(shù)可將焊料清除，而令“三銀一錫”的板條IMC與“六銅五錫”的球狀I(lǐng)MC，均清楚呈現(xiàn)。右圖是經(jīng)過1750次高低溫（-55℃/+150℃）加速老化后，發(fā)現(xiàn)各種裂縫都是出自Ag3Sn結(jié)晶近旁。
而出自S AC所形成的焊點，為了要使其結(jié)晶細膩與強度更好起見，必須要在通過峰溫后迅速加以降溫冶卻(6℃／SeCc，而不再是3℃／Sec)。如此一來勢必造成有機物逸出的不易，進而將帶來焊點中更多的空洞(Voids)。一般而言，BGA或CSP等球腳焊點的空洞，要比其他SMT來的更多。
不管是熔焊還是波焊，無論是有鉛或為無鉛，冶卻后的焊點中都難免會存在著一些空洞(Voids)，只不過當其所占體積比例不大(從截面上觀察)，或尚未出現(xiàn)在焊點之關(guān)鍵介面者，即可視之為常態(tài)。一般用即時性X光設備(Rea1 Ti me X-ray equipment)，皆可隱約看到虛無空洞的分佈。焊點(So1der Join t)內(nèi)發(fā)生空洞的主要成因，就是殘存有機物高溫裂解后的氣泡無法及時逸出，以及吸入水氣所致，其中最主要的來源就是助焊劑陷入，又經(jīng)強熱裂解所形成。
左為BGA球腳在封裝載板上植球情形，坐下及右圖均為X光所見到的不太清晰畫面。

圖2、左為BGA球腳在封裝載板上植球情形，坐下及右圖均為X光所見到的不太清晰畫面。
但當進一步追究成因時卻又發(fā)現(xiàn)，除與液態(tài)焊料本身的表面張力有著最直接因果外，還另與其他多種因素有關(guān)。表面張力愈大者氣泡愈難脫離(無鉛焊料常達460dyne／260℃，有鉛共熔組成之焊料(S n 6 3／P b 3 7)其表面張力較小(僅80 dyne／260℃)，故已陷入的有機物或氣泡，在比重較大(約8．4 4)之合金擠壓下較有機會向外脫困而逃出(Outgassing) 。但無鉛焊料之S A C者，不但比重較小(約7．5)而且表面張力又變大，加以熔點溫度還高出34℃，且為了保持結(jié)晶細膩起見又不得不加速降溫。一旦量產(chǎn)之“溫時曲線”(Profi1e)尚未調(diào)整到最佳者，經(jīng)常會在焊點內(nèi)發(fā)生空洞，通常要比有鉛者嚴重很多，成為可靠度方面的極大隱憂。
BAG或CSP之球腳中經(jīng)常會發(fā)生大小空洞，大號空洞甚至還會將球體向四周擠出，對于CSP的近距離焊接尤為不安全。

圖3、BAG或CSP之球腳中經(jīng)常會發(fā)生大小空洞，大號空洞甚至還會將球體向四周擠出，對于CSP的近距離焊接尤為不安全。
二、PCB電路板空洞如何允收?    。
目前較具公信力的國際規(guī)范(例如IPC-A-610D或J-STD-001D)皆尚未將電路板無鉛焊接的允收標準納入規(guī)范。但幾家著名的大公司，則對無鉛與有鉛焊接之空洞已備有自定的規(guī)格(Creteri a)，現(xiàn)介紹如下：
IBM：認為B GA球腳焊點，從截面上觀察時，其空洞面積不可超過1 5％，且認為到達2 O％時將會影響到可靠度。
Motorela：認為空洞在截面積的比例上不可超過2 4％。
Solectron：認為空洞面積比的允收上限為2 5％。
Delco：認為不管空洞的大小如何，總數(shù)均不可超過4個，截面積允收之上限比例為1 6％。
General Instruments：認為空洞的截面積比例不可大于1 5％。

圖4、左圖為BGA球腳的正常完工情形，即使在全無空洞下，加速老化之可靠度情況下亦會發(fā)生龜裂。中圖為空洞強度不足造成的破裂。右圖說明BGA墊內(nèi)盲孔所形成的球腳空洞。
三、電路板空洞的成因與避免
（一）、助焊劑活性的影響
合金焊點內(nèi)所陷入的有機物，可能是出自錫膏中所添加的助焊劑或其他有機物。也可能是波焊中助焊劑或浮渣的包藏，經(jīng)瞬間的高溫作用中，已陷入者將會裂解成為氣體。按理說氣泡的比重很小，一定會浮得起來逼得出去才對。但當氣泡的浮力小于液態(tài)焊料的表面張力時，則氣泡只有被吸住而逃不出來。
。當BAG植球之高粘度助焊劑，或電路板焊接時之錫膏助焊劑中，當其等活性劑較多時，空洞將會減少。

圖5、當BAG植球之高粘度助焊劑，或電路板焊接時之錫膏助焊劑中，當其等活性劑較多時，空洞將會減少。
業(yè)者們曾發(fā)現(xiàn)當助焊劑中的活性劑較多較強時，則空洞反而會變少。原因可能是因活性很強時，則待焊介面處的還原作用將會順利進行而使得縮錫(D e w e tt i n g)減少，如此一來助焊劑殘渣被逮住的機會也就不大反之活性不強者，待焊面的氧化物未能迅速被還原反應所清除，則被包助焊劑想要脫身當然就不容易了。
左為BGA原件成品，在PCB板面貼裝時錫球高度的前后變化情況；右圖中可以看到右球中之空洞太大，以致擠壓無鉛焊料向左強力推出，進而造成與左球短路的真相。

圖6、左為BGA原件成品，在PCB板面貼裝時錫球高度的前后變化情況；右圖中可以看到右球中之空洞太大，以致擠壓無鉛焊料向左強力推出，進而造成與左球短路的真相。
（二）、焊墊面積的影響
當BGA載板採用黏著性助焊劑(Tacky Flux)進行植球時，發(fā)現(xiàn)載板 面積愈大者，可見到空洞的比例也會增多。且發(fā)現(xiàn)其球面之曲率：(Curvature R)較大者或球面較扁時，則該液錫對氣泡形成的液壓(Hydraulic Pressure)將不如半徑較小但卻較厚的球體，如此會使得氣泡傾向變多變且還不容易逃得出來了，這當然與焊料比重的大小也直接有關(guān)。

當植球或焊球時，其墊面較大者空洞也會較多。從右a圖可知大墊曲率半徑(R)較大球體較扁，其逼迫有機物逃出球外的壓力，自如R較小者，且路途也較遠逃出機會也就不多了。

圖7、當植球或焊球時，其墊面較大者空洞也會較多。從右a圖可知大墊曲率半徑(R)較大球體較扁，其逼迫有機物逃出球外的壓力，自如R較小者，且路途也較遠逃出機會也就不多了。
（三）、與助焊劑黏度關(guān)系
當助焊劑的黏滯度(Vi s c o s i t y)較高時，其中固含物的松香(R osin)也必定較多，對氧化物所表現(xiàn)的清除效果也會增強。同時縮錫也隨之降氣泡當然也就順理成章的為之減少了。

左圖說明植球時，黏性助焊劑之粘滯度較大者，空洞較少；右圖說明焊球時錫膏助焊劑粘滯度較大者，空洞也較少。

圖8、左圖說明植球時，黏性助焊劑之粘滯度較大者，空洞較少；右圖說明焊球時錫膏助焊劑粘滯度較大者，空洞也較少。
（四）、與焊墊表面的氧化程度有關(guān)
當焊墊或錫球表面所生成的氧化物愈厚者，焊后的空洞也會愈多。業(yè)者們曾將各種高溫與經(jīng)歷時間，予以區(qū)別為不同墊面氧化程度如下：
氧化程度
模擬高溫情況
1
100℃／1小時
2
100℃／3小時
3
100℃／9小時
4
100℃／9小時+1次熔焊

圖9、BAG植球或焊球時，墊面氧化越嚴重者，空洞也越多。
其中道理前文中已討論過，那就是當氧化層較厚時，助焊劑不易完成應有的清除反應(也就是表面張力難以降低)，以致移動速度(Mobility)無法加快下，常使得氣泡被殘留在焊點中的機率增加。此種不良現(xiàn)象還可從切片上空洞與墊面之交界處，全未形成Cu6Sn，的IMC而加以反證
表1、相關(guān)焊面之密度比較 (g m／c m3)

圖10、此8種無鉛錫膏針對現(xiàn)行Sn63，在相同條件下所測得沾錫時間已延長的不良情形。
（五）、與沾錫時間有關(guān)
6 3／3 7共熔焊料的平均沾錫時間(w e t t i n g T i m e)約為0.6秒，但S A C 405者卻接近1。5秒之久。無鉛焊料本身移動速度太慢與表面張力太大之下，當然就會使得所形成的氣泡難以逃出(Outgassing)焊料之界外。
（六）、與溫時曲線有關(guān)
當生產(chǎn)線所用P r O fi 1 e在熔點以上的耗時太長者(無鉛S A C于2 1 7℃以上約在6 0-80秒)，會讓助焊劑中可揮發(fā)的東西都將消失殆盡，致使助焊劑之黏度變大或燒乾，甚至裂解掉而無法順利移動；沾錫太慢或無法沾錫下當然就會形成空洞。至于現(xiàn)行的S n 6 3，其熔點僅1 8 3℃，超過熔點的時間也僅50一60秒而已，相對之下殘留的氣泡也就自然不多了。而且無鉛焊接之操作時間拉長，再氧化的機會也就變大，空洞機率難免上升。倘若P r O fi l e中的峰溫不太高(205℃)，其較平坦恒溫吸熱段(S O ak S t a g e)的長短(2分鐘內(nèi))，對于空洞生成的影響尚不大，然而無鉛已完全占不到這種便宜了。說明錫膏中發(fā)揮沸點越高者，發(fā)生空洞的機會也會減少。

圖11、說明錫膏中發(fā)揮沸點越高者，發(fā)生空洞的機會也會減少
（七）、溶劑沸點的影響
不管是波焊前的助焊劑，或錫膏內(nèi)的助焊劑，兩者所用溶劑的沸點都會影響到焊點中的空洞(見上右圖)o業(yè)者們在B G A球腳以外的其他S M T焊點中，也曾發(fā)現(xiàn)相同的事實。溶劑沸點越低者所形成的空洞就越多。原因是低沸點的溶劑，在高溫焊接中(例如有鉛波焊的2 5 0℃，或熔焊的2 2 5℃)老早就已揮發(fā)殆盡，以致所剩下已乾涸難以流動的其他高黏度有機物，就只好死死被包圍在原地，呆呆的等待發(fā)氣罷了!無鉛者當然就更為慘不忍睹了。另一點需要提醒的就是，當錫膏印妥后不可在室溫環(huán)境中放置太久，以防水氣凝結(jié)與過度氧化而造成意外的空洞。最好是將溶劑的沸點拉高到焊料的熔點以上，以減少空洞的發(fā)生。
（八）、墊面處理的影響
當焊墊表面的可焊處理層不同時，在該介面附近所形成的空洞大小與數(shù)量也將不相同。業(yè)者發(fā)現(xiàn)有機保焊劑(O S P)處理者，其皮膜與焊墊介面的空洞最多；而且OSP愈厚者不但空洞愈多，甚至還可能因皮膜無法被助劑所推走，以致發(fā)生縮錫或拒焊的現(xiàn)象，O S P的厚度最好不要超過0.3 5μm，以方便助焊劑的驅(qū) 趕。至于其他如ENIG、I一Ag、I一Sn或HASL噴錫者，其彼此間之V0iding也與有機物量有關(guān)，不過相差并不多。
左圖銅墊表面為OSP處理，右圖則可能是錫膏本身有機物形成的空洞。

圖12、左圖銅墊表面為OSP處理，右圖則可能是錫膏本身有機物形成的空洞。
（九）、墊內(nèi)盲孔或墊下通孔所造成的空洞
H D工手機板為了節(jié)省板面有限空間，早巳將C S P或B GA之層間互連，改掉原本通孔與球墊間之啞鈴型(D O g B O n e)互連設計，而替代為直上直下更為省地的墊內(nèi)盲孔或通孔(Vi a i n p a d)。且在高速與高頻訊號之路徑變短而電感減少下，雜訊也隨之降低。但如此一來，在S M T印妥錫膏再踩上球腳與后續(xù)進行熔焊時，不但孔內(nèi)原有空氣無法趕走，再加上助焊劑有機物的額外發(fā)氣，助紂為虐下大號空洞不免就頻頻出現(xiàn)了。目前許多手機板的客戶們都要求  ．採用鍍銅方式將微盲孔予以填平，以減少空洞的發(fā)生以增加焊點強度。
左圖為BAG墊內(nèi)盲孔的俯視與側(cè)視圖；中圖為一般平面球墊與盲孔球墊的區(qū)別；右圖均為盲孔球墊的空洞情形。

圖13、左圖為BAG墊內(nèi)盲孔的俯視與側(cè)視圖；中圖為一般平面球墊與盲孔球墊的區(qū)別；右圖均為盲孔球墊的空洞情形
（十）、吹孔之空洞
傳統(tǒng)PT H之鉆孔不良與后續(xù)鍍銅欠佳以收孔璧存有破洞者，經(jīng)常會在下游組裝波焊中，造成銅壁上原有的破洞(V o i d s)向外吹氣，此等惡劣的P T H常被稱為吹孔(B 1 O w H o l e)。由于基材經(jīng)過許多濕製程，難免會從孔璧破口處，吸入一些水氣或化學品，進而造成游高溫焊接的孔壁張開與氣體的噴出，致使子L內(nèi)的液態(tài)填錫發(fā)生被吹后的空洞。這種P T H傳統(tǒng)填錫的虛洞，應與其他上述各種原因無關(guān)，是一種很古老的Voiding 。

此二圖均為PTH不良孔壁，吸入水汽，經(jīng)高溫焊接拉大缺口時，向液態(tài)填錫中吹氣而造成的空洞.

圖14、此二圖均為PTH不良孔壁，吸入水汽，經(jīng)高溫焊接拉大缺口時，向液態(tài)填錫中吹氣而造成的空洞。