【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第116页
7.5.3.5 IMC 微 空洞 IMC 微 空 洞 发 生 在 铜 和 高 锡 焊 料，包 括 SAC 和 锡 铅焊 料， 形 成的 金属 间 化 合 物 （ IMC ）中。 这些 IMC 微 空 洞 不会在 焊 接 工艺 后 立 即 形 成， 但 会在 高 温 老 化 后或 在 焊点 热 循环 中 产 生 。 这种现象 发 生 的 根 本 原 因 仍 在 调查 研究中， 但是 一 种 名 为 Kirkendall 的空 洞形 成 机…
以下说明识别了五种不同的空洞类型：
类型A：收料时焊球中的空洞（封装级）
类型B：收料时焊球/封装基板界面的空洞
类型C：在板级组装工艺后，焊球中的空洞
类型D：在板级组装工艺后，焊球/封装基板界
面的空洞
类型E：在板级组装工艺后，焊球/板子基板界
面的空洞
7.5.3 BGA焊点中的空洞 焊点中有六种类型
的空洞得到识别和描述。图7-43总结了每种空洞
特性，并说明了BGA焊点
这些空洞的典型尺寸
和位置。
7.5.3.1 ⼤空洞 大空洞是焊点中最广泛出现的
空洞。它们由焊接工艺中产生的挥发性化合物
所导致。这些大空洞通常不会影响焊点可靠性，
除非它们出现在裂纹常常会传播的焊点界面区
域。
7.5.3.2 平⾯微空洞 平面微空洞是位于PCB连
接盘和焊料界面的、基本处于同一平面的一系
列小空洞
。它们是由浸银（ImAg）表面处理后
涂覆连接盘下方的铜凹坑引起的。它们并不会
影响最初的产品质量，但是会影响焊点长期的
可靠性。它们可在板子表面处理电镀过程中，
通过对浸银（ImAg）表面处理电镀溶液、微蚀
化合物以及其它关键工艺参数的严格控制来消
除。
7.5.3.3 收缩空洞 收缩空洞是由凝固过程中的
收缩导致，常见于SAC和其它无铅焊料中。它
们通常
不会出现在焊料到PCB连接盘界面的附
近，并 且不会影响焊点可靠性。这些收缩空洞可
以通过增加焊接过程中的冷却速率和避免凝固
时对连接点的扰动而使其最小化。从根本上说，
这些收缩空洞是表面裂纹，不会产生任何可靠
性问题。
7.5.3.4 微导通孔空洞 微导通孔空洞由PCB连
接盘上设计有微导通孔导致。较大的微导通孔
空洞，如果它位于封装高应力
区域的焊点中，则
会影响焊点可靠性。通过电镀将微导通孔封闭
或者通过两次印刷用焊膏完全填塞微导通孔，
可以使这些空洞的产生最小化。
表7-6 空洞分类
空洞分析 焊球内的空洞 封装交界⾯的空洞 安装表⾯界⾯的空洞
连接到PWB之前焊球内的空洞 不适用
连接到PWB后焊球内的空洞
IPC-7095c-7-43-cn
图7-43 BGA焊点内各种类型空洞的典型⼤⼩ 和位置
1
1
1
1
1
2
2
2
4
6
6
1
1
1
1
1
2
2
2
3
5
4
6
6
再流焊接后的BGA焊点
高温老化后的铜-焊料金属间化合物（IMC）
Cu
6
Sn
5
Cu
6
Sn
1: 大空洞
2: 平面微空洞
3: 收缩空洞
4: 微导通孔空洞
5: IMC微空洞
6: 针孔空洞"
2013年1月 IPC-7095C-C
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7.5.3.5 IMC微空洞 IMC微空洞发生在铜和高
锡焊料，包括SAC和锡铅焊料，形成的金属间
化合物（IMC）中。这些IMC微空洞不会在焊接
工艺后立即形成，但会在高温老化后或在焊点
热循环中产生。这种现象发生的根本原因仍在
调查研究中，但是一种名为Kirkendall的空洞形
成机理可以作出部分解释。这些空洞可以影响
焊点可靠性，特别是
在焊点遭受跌落或者机械
冲击时，IMC内的脆性裂纹开始出现时。在焊料
中掺加某些元素，如锌，是一种减少这些IMC
微空洞数量的方法。
7.5.3.6 针孔空洞 针孔空洞是由PCB铜连接盘
上的针孔引起的。如果达到足够的数量，它们
会影响焊点可靠性。这些空洞由这些针孔内裹
挟的PCB制造用的化学物质并在再流焊时挥发
而导致。针孔的形成是由
PCB制造商镀铜工艺
的偏差造成，可以通过改善镀铜工艺控制系统
来消除它。
无论何时发现焊点中有空洞，首先要识别空洞
是上述分类中的哪一种，以确定它们对连接点
可靠性的影响，并评估纠正措施以尽量减少或
消除这些空洞。
7.6 空洞测量
7.6.1 X射线探测和测量注意事项 一些仍用于
检测焊料空洞的实时X射线检测系统使用了X射
线成像装置，当
电压过曝或磷光过曝时，该装置
就会表现出文献中查阅到的异常现象。理论上使
用图像增强器或平板探测器的任何系统都会过
曝。但是，使用图像增强器或平板探测器的现代
高对比X射线系统完全有能力提供理想的图像。
图7-44是旧系统中电压过曝光的例子。如果确定
在用的X射线检测系统表现出电压过曝，可 采取
下面的建议以获得较
精确的空洞尺寸测量：
• 不受电压过曝影响的X射线胶片图像，已经被
发现可提供空洞尺寸更精确的测定。
• 当通过 切片或者模拟确定了空洞的实际尺寸
后，确定X射线源电压与过曝程度之间的相互
关系。注：色调质量应足以看到穿过空洞的导
体。
• 对于1至256灰阶系统，电压和电流每次
设定，
灰阶应当复位至在120到140之间。标准化灰阶
将会维持测量的一致性。
7.6.2 空洞的影响 在不影响产品所需可靠性
的前提下，允许有多少数量及多大尺寸的空洞
呢？空洞会通过弱化焊球和降低功能性来影响
可靠性，因为横截面积的减少会降低热传递和
载流能力。
较大的空洞是更有害，但是再流前的小空洞在
再流焊中会合并形成大空洞。通常
优先考虑的
是消除空洞或至少实质性地减小空洞。在工艺
的开发阶段，应该建立使空洞最小化的工艺控
制。
有许多研究已表明观察到中等尺寸空洞在性能
方面有小的增加。这些情况常见于工艺受控时。
可靠性的增加是焊点高度的增加和焊点裂纹扩
张的暂时、局部延缓的结果。
BGA焊点空洞的确定需用X射线检测；为了确定
空洞
的影响或其位 置 和 尺寸可能需 要切片方
法。
低成本设备的原理基于透射X射线。与有引线元
器件不同，BGA不仅仅在元器件外围有焊点，
而且有无法通过通常的视觉技术检测的内部焊
点。较高成本的设备的原理基于X射线的断层合
成成像或分层成像。这两种类型的系统都可提
供有用的技术以探测和定位空洞（见7.3.1节）。
建议在发布产品前先对允收空洞的工艺进行鉴
定。
7.6.3 空洞协议开发 在许多应用场合，工程团
队会通过受控实验确定项目特性之后，建立可允
收的空洞协议。图7-45表示了空洞协议的案例，
描述了各种连接盘图形下相比于其直径的空洞
大小变化。
对于过程中控制，使用>35%的面积作为具有>50%
的空洞 直 径 阈 值 的标准。对于拒收-返工，使
用>45%的面积作为具有>65%空洞直径
阈值的标
准。
使用X射线需要小心对敏感材料或元器件的过曝
辐射，因为不同X射线系统的辐射剂量变化范围
很广。对辐射敏感元器件，需要与元器件供应
商讨论关于辐射剂量的隐含要求，同时应当与x
射线设备供应商讨论在典型的X射线检测下所能
达到的剂量率。
尽管有许多描述数据提供了对空洞的识别，但
并不总是与连接点热循环寿命关联的显著因子
IPC-7095C-C 2013年1月
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有相关性。另外，目前还没有关于返工与热循
环之间关系的数据。
正常空洞的面积百分比是投影面积的15±10%。
注：30%左右的空洞,需要制程警示，>50%的空洞
则需要进行返工（见7.5节）。
以直径为0.20mm的空洞为例，表7-7列出了不同
焊球尺寸下的空洞百分比。当焊点尺寸减小时，
探测到的空洞直径百分比会
增大；也就是说，
一个0.75mm的焊点上的27%，就会在一个0.3mm
的焊点上膨胀到67%。
缺陷的确定要根据产品可靠性要求。例如，如
果允许的最大空洞尺寸为焊球直径的31%，那么
就意味着所允许的空洞面积比为9%。这9%可以
是一个空洞，也可以是许多空洞的总和。一些
新式X射线设备使用能汇总空洞
面积的算法。X
射线断层合成成像目前所运用的算法不能够统
计空洞面积之和。
对于单个空洞，X射线断层合成成像可以识别比
预期尺寸大的空洞所引起的缺陷。
例：如果焊球尺寸 = 0.75mm，允许最大空洞尺
寸 =30%焊球直径，允许的在焊球中心的最大空
洞尺寸计算如下：
0.75mm的30%
(0.75mm)(0.3) = 0.225mm 最大空洞直径
当空
洞并非位于焊球中央，而是在电路板或者
元器件连接盘附近时，焊球的剖面直径和最大
可允许空洞直径都会减少。
IPC-7095c-7-44a,b
图7-44 在50 kV (a) 和 60 kV (b)下有空洞焊点 的X射线图像
(a)(b)
IPC-7095c-7-45
图7-45 建议的空洞协议⽰例
025"连接盘 06" 空洞
24%直径
6% 面积
0
25" 连接盘 013"空洞
5
2% 直径
2
7%面积"
.020" X .030"
.010" 空洞
50% 直径
10% 面积
20 X 40 + 10,5,5,5,5,5,5
24% 面积
20 X 40 + 10,10,5,5,3
26% 面积
.020" X .030"
.014" 空洞
70% 直径
19% 面积
.0
20" X .030"
.016"空洞
80%直径
25% 面积
.020" X .030"
.018" 空洞
90% 直径
31% 面积
025"连接盘 015"空洞
60% 直径
36% 面积
025"连接盘 010" 空洞
50% 直径
16% 面积
25 + 6,6,6,3,3
,3,3,3
24% 面积
25 + 10,10,6
38% 面积
25 + 10,6,6,6
37% 面积
25 + 6,6,6,4,3,3,3,3
25% 面积
表7-7 各种直径焊球与空洞⼤⼩图像对⽐
焊球直径/X射线图像
空洞直径0.2mm
空洞直径％ 空洞⾯积％
0.85mm 24% 6%
0.75mm 27% 7%
0.65mm 31% 9%
0.55mm 36% 13%
0.45mm 44% 20%
0.40mm 50% 25%
0.30mm 67% 44%
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