空洞形成原因及改善方法

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的气泡很难逸出，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：钎料膏中的助焊剂、其他的有机物、波峰焊的助焊剂或者是浮渣的产生等。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钎料的表面，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钎料的表面张力，被焊元器件的重力，因此，要结合钎料膏的表面张力，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钎料的表面张力小，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。

当助焊剂较多活性较强时，空洞产生的几率是相当小的，即使产生空洞现象，其产生的空洞面积也是相当少。原因是助焊剂的活性较强，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，钎料膏就会有很好的扩散性和润湿性，那么助焊剂的残留物被包围的几率也就不大了，当然，空洞产生的几率就会减少。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，从而阻止合金粉末与待焊金属表面的焊接，此时就会形成质量不良的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。

2.与钎料膏中助焊剂的粘度有关

如果助焊剂的粘度比较高时，其中松香的含量也是比较高的。此时助焊剂去除表面氧化物的能力，去除表面污物的能力就越强，焊接就会形成良好的IMC合金层，气泡也随之减少，焊点的机械强度也就提高了，同时焊点的电气性能也随之加强。

3.与焊盘表面的氧化程度有关

焊盘表面的氧化程度与污物程度越高，焊接后生成的空洞就越多。焊盘氧化程度越大，就需要极强的活性剂才能去除被焊物表面的氧化物。特别对于OSP（Or-ganic Solderability Preservatives）表面处理，OSP焊盘表面的一层有机保护膜很难被去除。如果焊盘表面氧化物没有被及时驱赶走，氧化物将停留在被焊物的表面，此时氧化物会阻止合金粉末与被焊金属表面接触，从而形成不良的IMC，产生了不润湿现象。表面氧化较严重，有机物经高温分解后产生的气体就会藏在合金粉末中，再加上无铅钎料的表面张力大，合金的比重也比较大，导致气体很难逃出，气体就会被包围在合金粉末中。因此空洞就自然形成了。要避免此类现象的产生，必须避免钎料膏与被焊金属表面的氧化物，否则，没有其他办法可以减少空洞。

4.溶剂沸点的影响

无论是波峰焊接前或者是钎料膏本身的溶剂，其两者之间沸点的高低将直接影响BGA空洞的大小与空洞形成率。溶剂的沸点越低，空洞形成的几率就会越多。因此可以选用高沸点溶剂来避免空洞现象产生。如果溶剂的沸点越低，在恒温区或是在回流区溶剂就已经完全挥发了，剩下的只是具有较高粘度的有机物，只好被团团包围。同时，由于PCB印刷钎料膏后在空气中的长时间放置，钎料膏会吸收空气中的水分而氧化或焊膏与空气接触而发生氧化，这样便会额外增加空洞现象的产生。因此在选用钎料膏的时候应尽量选用高沸点溶剂的钎料膏，从而减少空洞现象的发生。

5.PCB的表面处理方式不同

目前焊盘的表面处理主要有以下六种方式：(www.xing528.com)

1）有机保护膜（Organic Solderability Preservatives，OSP）。

2）化镍浸金（Electroless Nickel and Immersion Gold，ENIG）。

3）浸镀银（Immersion Silver，I-Ag）。

4）浸镀锡（Immersion Tin，I-Sn）。

5）浸镀铋（Immersion Bismuth，I-Bi）。

6）喷锡（Hot Air Solder Levelling，HASL）。

以上六种为现阶段的不同表面处理方式，不同的表面处理产生空洞的机理是一样的，只是产生空洞的概率和数量不同而已。其中OSP表面处理产生空洞现象更加明显，其保护膜与焊垫界面发生空洞的概率也最多。保护膜越厚，发生空洞的概率就越大。通常OSP的厚度为0.2～0.5μm之间，最好在0.35μm左右。OSP的厚度可以用UV分光光度计或者使用扫描电子显微镜+能量色散谱仪（SEM+EDS）进行测量。如果OSP的保护膜太厚，同时助焊剂的活性强度不够，在回流焊接的时候很难将保护膜驱赶走，如果回流焊的温度曲线没有控制好也会造成OSP保护膜在高温环境再次氧化。保护膜没有被驱赶走，此层膜就会阻碍IMC层的形成，如果比较严重就会造成缩锡或者拒焊现象的产生。如果在高温区发生第二次氧化现象，其结果是令人担忧的。发生了高温第二次氧化现象，即使在焊盘上涂敷助焊剂或者是助钎料膏再重新回流焊，也不能解决问题。由此可见控制OSP保护膜的厚度是非常重要的。至于ENIG、HASL、I-Sn、I-Ag、I-Bi等的表面处理同样会产生空洞，只是它们产生空洞的概率都差不多，与此时的表面处理方式没有太大的区别，也就是说，发生空洞现象是有很多因素组成的，并不是单一因素所决定的。

6.与回流曲线的关系

当工艺温度曲线在熔点以上的时间太长时（通常217℃以上的时间为30～60s），会让助焊剂中可以挥发的物质消耗殆尽，进而使助焊剂的粘度发生变化或者助焊剂被烧干，甚至裂解之后不能移动。这样气体就会被包围从而无法移动，导致空洞的产生。Sn63Pb37熔点为183℃，熔点以上的时间也是相当少的（通常在60s以内），这样就大大地减少了空洞的产生。而相对于无铅焊接来讲，钎料膏的熔点比有铅的高出34℃，其熔点以上的时间也比有铅钎料膏高出很多，再加上无铅焊接的各段时间和各区段都比较长，对助焊剂的活性提出了新的挑战，要求必须强的助焊剂才能帮助焊接过程的实现。