【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第115页
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 …
通过光晕扭曲空洞的尺寸。准确测量空洞的真
实体积是可行的，但需要有程序且需要一个已
知的参考用于X射线胶片或探测器的辐射校准。
BGA空洞的大小不一定是确定焊点疲劳寿命的
最好标准。远离焊点到元器件连接盘界面的大
的工艺空洞可能并不是个问题，然而位于界面
的小空洞，一旦裂纹开始时就会成为断裂的条
件。空洞在焊点中的位置与空洞的大小
和数量
相比是个更大的问题。通过执行本标准所建议
的设计和再流曲线，在大多数情况下最好将精
力放在识别和消除空洞形成的原因上。
7.5.1 空洞的来源 空洞可能出现在BGA焊料
球中、焊点到BGA界面中，或焊点到PCB界面
中。这些空洞有各种来源或原因。
焊点中的空洞可能来自于焊球中本身的空洞，
这是焊料球制造工艺的问题。再流焊后焊点中
的空洞可由元器件焊料球本身的空
洞诱发，或
在焊球与元器件之间的再流焊接工艺时产生。
空洞也可在BGA与PCB连接时，在PCB与球的
界面附近形成。这些空洞通常在再流焊工艺期
间，熔融焊料凝固时裹挟的助焊剂挥发物造成
的。助焊剂挥发物的来源可能是施加的助焊剂
本身（通常返工时采用），或为再流焊组装工艺
所用焊膏中含有的成分之一。
焊点空洞通常由凝固收缩、湿气和助焊剂
挥发
所致，如下文所定义：
• 收缩－在凝固时金属收缩会导致一些空洞。焊
点内部是最后凝固连接的部分，因此可能会有
空洞。
• 由湿气和污染物产生的被裹挟的气体。
• 再流焊炉温度上升时焊膏中的助焊剂分解，变
为气态。对BGA而言，气体被紧紧夹在两个
表面之间，且一般会向上升到焊点顶部形成空
洞。由于没有时间
让气体逸出焊点，温度爬升
速率高会产生更多的空洞。（温度爬升速率示
例：75°C/分钟 对比 60°C/分钟）
• 连接PBGA时，使用膏状助焊剂比焊膏产生的
空洞要少。
• 返工过程中施加过多助焊剂会引起空洞。
• 适当的炉温曲线和干净的元件可以减少焊料空
洞。
除了焊盘内导通孔结构（见6.3.5）所形成的空
洞，再流后焊点的中部至顶部（焊料球/BGA界
面）会发现一些空洞。这些是可预料到的，因为
裹挟的气泡和施加在PCB的BGA连接盘上的助
焊剂在再流焊期间会蒸发并上升。当应用的焊
膏和BGA可塌陷共晶焊球在再流焊期间融在一
起时，典型的锡/铅焊料峰值温度为210-220°C、
无铅焊料235-245°C，就会发生这种情况。
如果再流曲线循环没有足够的时间让裹挟的空
气或蒸发的助焊剂逸出，在再流焊曲线冷却区
当熔融
焊料凝固时空洞会形成。因此作为空洞
形成的贡献者，再流温度曲线的开发是极其重
要的。与焊膏制造商合作为打算导入的焊膏配
方建立再流焊曲线是重要的。
焊点中有空洞并不新奇。使用X射线设备可检测
出有引线元器件下方焊点的空洞。但是，有 引线
元器件焊点以前只是目视检查而非X射线检查，
因此隐藏的空洞从没被检测出。BGA供应商应
该在做J-STD-002表面贴装模拟测试（测试S）
前
后使用X-ray射线检查元器件，来显示可能导
致可焊性问题的异常。
空洞可能会是元器件连接盘或PCB连接盘的表
面污染、焊料球和连接盘间的金属间化合物形成
时或组装过程中助焊剂残留物未逸出的结果，
如图7-42所示。
7.5.2 空洞的分类 为了评估不同情况，基于
空洞的位置给予了特定的标识，以建立起空洞
识别的方法和为工艺改进而采取纠正措施的可
能性。细节如表
7-6所示，表中给出了BGA焊料
球结构中的空洞位置的分类标准。
IPC-7095c-7-42-cn
图7-42 ⼩空洞⼤量簇拥在焊球与连接盘间的界⾯
组装上的连
接盘图形
焊球和连接盘
界面的小空洞
IPC-7095C-C 2013年1月
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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
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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
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