【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第119页

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 对 于 BGA 组装的工艺 控 制 ， 弄 明 白 在 印制 板 组装 过 程中 什么 工艺参 数影响 空 洞 的 形 成 频 率 和大 小 是很重 要的。组装 后 在 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 …

100%1 / 176
例：若位于连接盘的焊球直径大致与连接盘相
等，连接盘尺寸是焊球尺寸的75%（25%的减少
量），则：
0.75mm的75% = 0.56mm 连接盘上的焊球直径
0.56mm的30% = 最大空洞直径
(0.56)( 0.3)= 0.17mm 连接盘上的最大空洞直径
7.6.4 空洞评估的抽样计划 由于业界关注空
洞，本标准试图定义空洞基准线目标和工艺控
制方法。大家都
认同，丢弃好的产品或对已识
别此条件下的空洞对可靠性没有影响的产品进
行返工，是没有意的。
空洞发生的判据并不基于100%的检测，而是通
过采用抽样计划来完成的。抽样计划条件等同于
IPC-6012并重复列出于表7-8中，应该注意的是
该表是基于C=0的抽样计划。这意味着，对于所
有IPC标准，当选中的样本中有一个超出表7-7
所列的空洞尺寸
特性时，需要对整批进行100%
的评估。
根据产品等级类别和顾客要求，适当的纠正措
施可能会有所不同，最终措施是拆除并替换受
到影响的元器件；但是，这些解决方案必须要
仔细评估，因为产品应当已经被设计为包括再
评估在内的允许维修程序。在主设计图上注明
一旦关于组装允许的空洞百分比协议被建立，
就应该从生产的产品中随机抽取
样品，并评估
与协议中规定的可接受条件的符合性。关于样
本数量的确定取决于所生产产品的数量，也应
考虑作为特定组件一部分的BGA的数量。
用指数值2.5审视关于BGA组装和空洞发生的制
程能力时，是个不错的选择。水平A指数2.5可
用于评估消费类和电脑应用类的商业性产品，
也适用于电信设备。对于需要高性能长寿命、
要提
供不间断服务（但不是致命的）以及允许
某些外观不良的2类产品，应使用指数1.5。
3级产品适用于高可靠性电子产品，包括商用和
军用产品，这类产品对于持续的性能或实时需
要的性能是关键的。这类设备的停机是不能允
许的，而且必须要在需要时发挥作用，如生命
维持设备或重要武器系统。包含有BGA的这种
印制板组件适用于需要高级别保证和关
键服务
的场合；因此，该评估需要以指数1.0来抽样。
采用指数的目的是要定义接收概率，因为尽管
所有已检验的样品都满足所规定的空洞协议，
但从该指数表示的统计概率看，依然存在某些
产品可能不能满足已建立的标准。级别C指数为
1.0需要从125个组件生产批中抽取13个样品进行
检查。即便所有样品
都满足了协议要求，该批
出现不合格产品的概率仍有1.0%，估计少于两个
组件有问题，这对很多应用来说是可接受的风
险。
表7-8 C=0抽样⽅案（特定指数值的样本量*)
批量⼤⼩
1级 2级 3级
2.5* 4.0* 6.5* 1.5* 2.5* 4.0* 0.10* 1.0* 2.5* 4.0*
1–8 5 3 2 ** 53** ** 53
9–15 532853** 13 5 3
16–25 533853** 13 5 3
26–50 555855** 13 5 5
51–90 765876** 13 7 6
91 – 150 11 7 6 12 11 7 125 13 11 7
151 – 280 13 10 7 19 13 10 125 20 13 10
281 – 500 16 11 9 21 16 11 125 29 16 11
501 – 1200 19 15 11 27 19 15 125 34 19 15
1201 – 3200 23 18 13 35 23 18 125 42 23 18
3201 – 10,000 29 22 15 38 29 22 192 50 29 22
10,001-35,000 35 29 15 46 35 29 294 60 35 29
*指数值与AQL值相关。如果一个具体的产品被用户定义为“关键性的”，那么指数值就要求较小。用户应当在采购文件内指定要求，并“关键
性”的要求
**表示要整批全检
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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
立起对于BGA组装的工艺控制，弄明白在印制
板组装过程中什么工艺参数影响空洞的形成频
率和大小是很重要的。组装后在焊点中发现的
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，则可能它们不只是在SMT制程中
产生的。
将焊
球与BGA封装基板相连的球组装过程也会
产生焊球内的空洞。因此，需要研究BGA器件焊
球中的空洞数量，BGA器件焊球中的空洞级别
可以是非常高的。JEDEC指南，JESD217，建议
SMT前BGA已有空洞百分比应该小于15%。BGA
焊球中高级别的空洞在SMT再流焊接工艺之后
可能会导致更高级别的焊点空洞。
再流焊时间和温度曲线、焊膏配方、焊膏量、元
器件和印制电路板污染/氧化以及多次再流
被认
为是影响组装后焊点空洞级别的参数。但是，这
些参数对于BGA空洞的影响程度也是不同的。
每种参数对焊点空洞影响的细节讨论如下：
7.7.1.1 焊膏配⽅ 用于组装BGA器件的助焊剂
比焊膏更容易在焊点中产生更小的空洞。原因
是在再流焊过程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焊点中更
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
种反应导致再流焊接工艺中有更多外溢气体。
对于无铅免清洗焊膏，用不同型号/制造商提供
的免清洗焊膏组装焊点中的空洞级别，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很显著（<1%）。
焊膏中的焊料粉末类型也会影响电路板组装后
的空洞级别。焊粉越细，焊粉颗粒表面积与体
积比就越大，于是具有更高的氧化物含量。随
后在再流焊接工艺中与助焊剂反应的氧化物越
多，所产生的外溢气体也会增多。
7.7.1.2 焊膏量
施加于PCB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
在与焊料粉末氧化物和焊球氧化物的反应时形
成更多的气体逸出。焊膏量对于空洞的形成变
得越来越关键，因为焊球尺寸越小，焊膏量和
焊球体积之比变得越大。
7.7.1.3 元器件/PCB
/焊膏污染/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PCB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
度时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
膏中的焊料粉末可能会被氧化。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。较细尺寸
的粉末有更大的表面积，于是在SMT制程更可
能产生逸出气体。
暴露于高温、潮湿环境或室温下足够久的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空洞从熔融的焊
球中逸出。
与焊球氧化相比，PCB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。
7.7.1.4 再流温度曲线 再流焊峰值温度和液相
线以上时间（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液相线以上时间会使得焊
点中的空洞扩张和增长。但是，实验结果表明
峰值温度
的增加以及液相线以上时间的延长对
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，空洞级别的平均值只增长小于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
激活以避免空洞形成。但是，RSS和RTS温度曲
线对于空洞级别并没有大的差异。例如，如果
在相同的峰值温度和液相线以上时间下分别使
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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
为（＜1%）。
7.7.1.5 再流⽓氛（氧⽓或氮⽓） 在再流焊接
工艺中，含氧量较低的空气产生较少的焊球和
PCB表面氧化。较少的氧化物会导致较少的制
程空洞，这是因为少的氧化物产生的水汽的也
减少，而水汽是大空洞形成的源头之一，并
且熔
融时会减少其它表面的氧化外壳，而这种氧化
外壳在再流焊接时会阻止空洞逸出熔融焊球。
7.7.1.6 多次再流焊循环 有时同一BGA会经历
多次再流焊循环，因为其被贴在双面电路板或
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
比平均值大约是一次
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SMT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 表面处理类型对于制
程空洞的影响仍不清楚。但是来自于表面处理电
镀作业时共沉积
的挥发性有机化合物被认为会
产生更多BGA焊点中制程空洞。尽管不同连接
盘表面处理对空洞的影响一直有争论，但这些
不同表面处理的空洞级别并不会有太大差异。
出于对质量的担忧，BGA空洞已成为电子业界
的一大焦点。对于质量问题，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
形成氧化壳层，这导致再流焊工艺时在焊点中
裹挟更多的气泡。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成分。为
了搞清由SMT工艺造成的空洞百分比、大小以
及位置，对BGA空洞级别的检测是很重要的。
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关于焊点疲劳寿命
的可接收标准。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。远离从元器件到连接
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会被“拉
开”。焊点中的空洞，如果数量不多时，其位置
比空洞尺寸更重要。
7.7.2 焊球中空洞的⼯艺控制标准 持续不断地
有工艺开发和控制的需求来适
应技术的变化。
随着BGA连接盘尺寸、焊球尺寸和连接盘节距
持续减小，用于生产的尺寸参数需要改变。为
了满足质量和可靠性要求，可能需要新材料和
新工艺。
从研发到制造的产品寿命的各个阶段，空洞都
是很有可能碰到的问题。维持最低的可接受空洞
标准对于确保产品满足客户期望、产品寿命和
可靠性要求是必要的。制造商需要使用工艺控
制和持续的产品改善技术以控制空洞
，这可能
会用到现成的统计过程控制和工艺改善工具。
空洞发生频率和大小的变化应该表明有工艺控
制以及工艺和材料改进的需要。空洞的控制基
准线常用来确定工艺调整的需求以控制空洞发
生频率和大小。另外，需要建立空洞大小限制。
空洞大小的确定关系到焊球。因此大小为
焊球
横截面直径25%的空洞大约是整个投影面积范围
的6%（见图7-46）。任何这样的工艺控制限制都
应当设置在与客户约定的合同承诺中。
当焊球超过一个空洞时，空洞的尺寸应相加以
计算焊球中总空洞。
IPC-7095c-7-46-cn
图7-46 连接盘与板⼦界⾯的空洞⾯积⽰例
焊料轮廓线
空洞轮廓线
0.25 d
d
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