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IPC-7095D-W AM1 CN 2019 年 1 月 132 7.7.1.4 再流温度曲线 再流焊峰值温度和 TA L 被认为是再流焊温度曲线中影响空洞的两大关键参数。一些 制造商认为增大峰值温度同时延长 TA L 会使得焊点中的空洞扩张和增长。但是 ，实验结果表明峰值温度的增 加以及 TA L 的延长对于焊点中空洞级别的影响有限。比如，将峰值温度从 235 ° C 增至 250 ° C 同时将 TA L 时间 由 35 秒增至 …
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7.7 减少空洞的工艺控制
7.7.1 工艺参数对于空洞形成的影响
为了建立起 BGA 组装的工艺控制，理解组装过程中什么工艺参数会影
响空洞的形成频率和大小是很重要的。组装后焊点中发现的空洞通常被称为制程空洞，也被称为大空洞。制程
空洞通常由助焊剂和焊膏中的挥发成分演变而来。但是，如果焊点中的大空洞在 SMT 制程后被发现，则它们
可能不只是在 SMT 制程期间产生的。
焊球与 BGA 封装基板相连的过程也会在焊球中产生空洞。因此，有必要探究 BGA 器件焊球中的空洞数量，
焊球中的空洞级别可以是非常高的。JESD217 建议 BGA 焊球空洞百分比应该小于 15%。BGA 焊球中高级别的
空洞在再流焊之后可能会在同一焊球中产生更高级别的空洞。
组装后影响焊点空洞级别的参数包括：
• 再流焊时间和温度曲线
• 焊膏配方
• 焊膏量
• 元器件和印制板污染及氧化
• 多次再流
但是，这些参数对 BGA 空洞的影响程度也是不同的。这些参数和其它参数的细节以及它们对焊点空洞影响在
7.7.1.1 至 7.7.1.8 中讨论。
7.7.1.1 焊膏配方
助焊剂用作 BGA 组装比使用焊膏在焊点中更易于产生较小的空洞。原因是在再流中焊膏
中焊粉的氧化物会与焊膏助焊剂反应并形成排气，导致 BGA 焊点中较多的空洞。
用水溶性的焊膏进行 BGA 焊点组装比使用免清洗焊膏组装更易形成空洞。这是因为水溶性焊膏和免清洗焊膏
中的助焊剂成分是不同的。水溶性焊膏中助焊剂的性质比免清洗焊膏助焊剂活性更强，与焊料粉末中的氧化物
反应更快更完全。这种反应导致再流焊中有更多的排气。
对于无铅免清洗焊膏，用不同型号 / 制造商的免清洗焊膏，它们在焊点中产生的空洞级别没有大的差异。即使
改变焊膏中的助焊剂溶剂和金属含量，在焊点中空洞级别变化不是很显著（<1%）。
焊膏中的焊料粉末类型也会影响组装后的空洞级别。焊粉越细，焊粉颗粒表面积与体积比就越大，因此氧化物
含量越高。再流焊中与助焊剂反应的氧化物越多，所产生的排气也会增多。
7.7.1.2 焊膏量
施加于印制板连接盘的焊膏量增多会导致焊点中形成更多空洞。这是由于焊膏施加得越多，
出现的助焊剂溶剂就越多，进而与焊料粉末氧化物和焊球氧化物反应形成的气体逸出越多。焊膏量对于空洞的
形成变得越来越关键，因为焊球尺寸在减小，而焊膏量和焊球体积之比在增大。
7.7.1.3 元器件，印制板和焊膏污染及氧化
焊球和连接盘表面污染会导致 SMT 制程中产生空洞。污染物可
能会在印制板连接盘上产生不可焊接的表面，这可能会使大空洞附着于连接盘，在焊接温度下污染物如分解可
能会产生挥发性气体。
如果焊膏暴露在空气或湿度较高的环境下，焊膏中的焊料粉末会被氧化。在再流焊过程中，助焊剂与焊料粉末
的氧化层反应并生成挥发性气体，进而在焊点中形成空洞。较小尺寸的粉末有较大的表面积，在 SMT 制程中
于是有更多气体逸出的可能。
暴露于高温、潮湿或室温下时间足够长的 BGA 焊球会在其表面形成一层较薄的氧化外壳。这种氧化外壳在再
流焊时会阻止气泡从熔融的焊球中逸出。
与焊球氧化相比，印制板连接盘表面的氧化不会显著影响焊点的空洞级别。这可能是因为连接盘表面积远小于
焊料粉末表面积，因此助焊剂可能无法完全与连接盘表面的氧化物反应。
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7.7.1.4 再流温度曲线
再流焊峰值温度和 TAL 被认为是再流焊温度曲线中影响空洞的两大关键参数。一些
制造商认为增大峰值温度同时延长 TAL 会使得焊点中的空洞扩张和增长。但是，实验结果表明峰值温度的增
加以及 TAL 的延长对于焊点中空洞级别的影响有限。比如，将峰值温度从 235°C 增至 250°C 同时将 TAL 时间
由 35 秒增至 85 秒，空洞级别的平均值增长小于 1%。
有两种传统再流焊温度曲线，升温 - 保温 - 峰值（RSS）以及升温到峰值（RTS）温度曲线。一些焊膏供应商
建议使用 RSS 温度曲线来控制焊点中的空洞，因为保温阶段能使助焊剂活性得到激活以消除空洞。但是，RSS
和 RTS 温度曲线对于空洞级别并没有大的差异。例如，在相同的峰值温度和 TAL 下分别使用 RSS 和 RTS 组
装 BGA，在运用同种焊膏时，空洞级别会非常类似。焊点中空洞百分比平均值十分相似（＜ 1%）。
7.7.1.5 再流气氛（氧气或氮气）
在再流焊中，含氧量较低的空气中焊球和印制板表面较少产生氧化。较少
的氧化物会导致较少的制程空洞，这是因为氧化物少水汽的产生也减少，而水汽是大空洞形成的源头之一，而
且熔融时也会减少焊球表面的薄壳氧化，而这种氧化在再流焊时会阻止气泡逸出熔融焊球。
7.7.1.6 多次再流焊循环
BGA 可能会经历多次再流焊循环，因为它贴在双面印制板组件或需要进行返工。
多次再流焊循环之后的 BGA 焊点的空洞级别远高于只进行一次再流焊的焊点空洞级别。例如，3 次再流焊之
后的焊点空洞百分比平均值大约是 1 次再流焊后焊点内空洞百分比的两倍。这是因为多次再流循环对已有焊点
的空洞在熔融时提供了额外时间进行生长和扩张，或使得小空洞合并在一起形成较大的空洞。这种生长和合并
的机理已通过每次再流循环前后的 3D CT X 射线图像得到确认。
7.7.1.7 连接盘表面处理和空洞
表面处理类型对于制程空洞的影响仍不清楚。但是，认为来自于表面处理电
镀作业时共沉积的挥发性有机化合物会产生更多 BGA 焊点中制程空洞。不同表面处理的空洞级别不会有太大
差异。
一些 SMT 工艺参数对于 BGA 焊点的空洞水平很重要。例如，如果元器件暴露在高湿度或者高温环境中，焊
球会形成氧化薄壳，这导致再流焊时在焊点中截留更多的气泡。显著影响焊点空洞水平的其它 SMT 工艺参数
包括多次再流焊和焊膏配方。检验 BGA 空洞级别对于搞清由 SMT 工艺造成的空洞百分比、大小以及位置是
很重要的。
没有数据表明 BGA 空洞和可靠性之间的关系。BGA 空洞的尺寸不足以定义焊点疲劳寿命的允收标准。在 X
射线图像中观察到的大尺寸制程空洞可能不会造成显著的可靠性影响，但是在 X 射线图像中无法观察到的
小空洞却可能会对可靠性产生负面影响。远离元器件到连接盘界面的大空洞不会影响焊点疲劳寿命，但是处
于界面的较小空洞一旦出现裂纹则空洞会慢慢生长”。焊点中的空洞，如果数量不多时，其位置比空洞尺寸
更重要。
7.7.1.8 为减少空洞的真空辅助再流焊接
追求 BGA 焊点无空洞萌发了再流焊接的革新。其中一项创新是真
空辅助再流焊。由于炉内采用了真空，焊点外的大气压力降低。这就导致焊点内的气泡膨胀并且多个较小气泡
聚集并逸出熔融的焊料。
图 7-67 说明了 BGA 焊点具体案例的原理。在再流焊中，气泡通常会在冷却和固化时滞留在焊点内部而形成
空洞。然而，在真空辅助的工艺中，焊料熔化后，在其熔融状态下施加真空，这导致熔融焊料内的气泡尺寸
增加，与其它气泡聚合并最终从熔融焊料表面逸出。当焊料冷却并固化，焊点就相对没有空洞。
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图 7-67 采用标准再流焊接（上）和真空辅助再流焊接（下）BGA 焊点的比较
A– 焊膏印刷 D– 焊料熔融时施加真空
B– 元器件贴片 E– 冷却后焊点形成
C– 再流焊接
已制造有利用真空辅助焊接的再流焊炉。在线再流焊炉紧接着再流区之后和冷却区之前有一个真空区。图 7-68
显示了这样的炉子设计。由于增加了真空区，再流工艺的循环时间也会延长，但该时间延长小于 30 秒。
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图 7-68 真空辅助对流再流炉
（图片来源 : Heller Industries）
A– 对流加热模块
B– 真空盒
C– 对流冷却模块
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