一、空洞产生原理

1.1 空洞产生的机理

1）在回流过程中，助焊剂成分蒸发和热分解、助焊反应生成气体在熔融焊料中形成气泡；

2）气泡是间歇地形成，且当气泡生长到很大、移动到焊料边缘时就会被焊料聚合力剂出；

3）焊点凝固时，有些剩余的气泡还没有逃逸出来，被冻结在焊点内，形成空洞。

1.2 验证试验

回流夹入两片铜试样之间的焊膏，然后试样被分离开，在光学显微镜下检测出现的空洞。进一步通过反射红外光谱仪检查，发现大多数空洞没有有机残留物，说明是气体。如下图所示。

1.3 空洞对不同类型元件的影响

1）BGA 、 CSP 焊点

— 降低焊点的机械性能；

— 使焊点延展性、蠕变、疲劳寿命恶化。

• 回流焊后 BGA 、 CSP 焊点的空洞

• 高温老化后的锡铜 IMC

备注：不同位置的空洞说明如下表。

2）QFN 、 LGA 、 IGBT 等功率器件 的接地大焊盘等。

— 降低焊点的机械性能；

— 使 焊点延展性 、 蠕变 性 、 疲劳寿命恶化；

— 阻碍散热性能。

二、QFN接地大焊盘空洞原因分析

2.1 助焊剂

1）助焊剂本身出气

• 在高于焊料熔点时的出气速率低，而不是累计出气量；

• 环氧树脂类助焊剂易吸附气泡。

2）助焊剂活性影响

• 截留的助焊剂会引起空洞，高活性或更好的可焊性可防止助焊剂被截留；

• 对于无铅焊接，助焊剂活性因素高于助焊剂本身出气因素。

2.2 焊料

1）表面张力

• 首要因素：低表面张力的焊料和助焊剂使焊料的扩散更容易，从而有助于气体逃逸；

• 次要因素：对于BGA焊点低表面张力又容易造成大空洞。

2）金属含量

ML越高空洞率越高。首先是由于焊粉颗粒总氧化物的增加，其次是由于更紧密的焊粉颗粒包裹并形成更大数量的高粘度金属盐，使焊剂难以逃逸。

3）焊粉颗粒尺寸

由于焊粉颗粒尺寸减少，氧化物含量增加，空洞比率随之增加。

2.3 物料

1）PCB 、元件的表面氧化物

由于助焊剂黏附在氧化物上，固定的氧化物比移动的氧化物更易产生空洞，因此，焊盘、元件上的氧化物和高熔点焊球的氧化物更容易导致空洞。

2）PCB 焊盘表面处理

• 主要 体现在润湿性（可焊性），润湿性越好，空洞率越低；

• 表面处理因素对空洞影响严重程度： OSP( 最差 非贵金属 贵金属 最好；

• 改善可焊性比 改善助焊剂活性 更有效。

3）PCB 焊盘表面处理

• Im-Ag 表面处理与香槟空洞

虽为贵金属但控制不好也会产生严重空洞。因为此镀层含有约30%的有机物杂质，当镀层在0.2um时，Ag会在零点几秒内溶入焊料，若镀层太厚就不会完全溶入焊料，回流时残留的银镀层中的有机杂质分解并排出气体，形成密集的界面空洞。

4）PCB 、元件的 出气

• BGA 是SMD设计焊盘易产生空洞。

• PCB通孔镀层不良，可能会在通孔上存在针孔，板上的挥发性物质可能会通过针孔出气散发到液态焊料中，造成空洞。

2.4 设计

1）SMD、NSMD

2）Micro via

由于微盲孔存在死角，助焊剂截留在盲孔内不易排出，导致严重的 排气形成空洞。

3）热沉焊盘和网板

随着元件下方焊膏覆盖面积的增加，空洞也会增加，这是由于排气困难造成的，在焊膏印刷或PCB焊盘设计有效的排气通道，是防止空洞的最有效方法。将大pad划分为多个小象限。把网板分成小的象限也有帮助，尽管效果不那么好。

2.5 工艺

1）熔化顺序（BGA）

若焊球熔点低于焊膏熔点，回流时焊球先熔化，将焊膏覆盖，容易截留助焊剂从而形成空洞。

2）焊膏印刷厚度

• 焊膏印刷越厚空洞越少，由于焊膏量增多提供了更强的助焊能力消除氧化物；

• 厚的焊膏使元件与焊盘间隙增大，有利于气体逃逸。

3）回流 曲线：降低出气量、改善润湿

• 短时/低峰值；

• 高温/长时间的预热+短时/低温峰值温度。

4）回流氛围

惰性气氛（氮气）通常通过减少氧化来帮助润湿来减少 排气，但这种效果对于强抗氧 化的焊膏可能不显著。

5）真空

• 减少氧化；

• 抽出气体。

三、空洞改善案例

3.1 问题描述

1）某客户生产功率半导体器件 IGBT，其DBC与基板焊接层出现空洞，空洞面积比率：单个3%，总体5%以上；

2）空洞影响散热性能，客户目标是单个<1%，总体<3%。

3.2 原因分析

1）DBC与散热基板焊接结构分析

2）生产工艺：基板印刷 -> 贴装DBC -> 回流焊接

3）可能原因分析

• 由焊接结构分析，此热沉大焊盘（31*27mm）是属于 low stand off 形式的焊接模式，DBC和散热基板间隙很小，气体排出受限；

• 但工艺已经采取了增加排气通道、真空和氮气回流等手段，仍有5% 的空洞；

• 另外不存在PCB、元件出气等因素影响，所以要从焊膏进行改善，主要改善助焊剂活性和出气性能，样品A、B、C，并与当前型号对比验证。

4）实验室分析验证

试验背景

基于以前SAC305/T4锡膏在IGBT的DBC与基板之间焊接空洞的2次试验，再做缩小排气通道试验。

实验目的

在实验室条件下，比较 A\B\C\D 的空洞情况。(D 为当前焊膏)

实验方法

1）实验材料：

• PCB：试验室样板 PCB (OSP pad)

• 元件：Ni 片

• 锡膏：A\B\C\D

• 网板：见下图

2）实验步骤

• 印刷：手动印刷

• 贴片：手贴 Ni 片

• 焊接：普通回流，无真空、无氮气

• 空洞检查方法：X-ray 目测比较

试验结果

结论

在实验室同等条件下，对比 A\B\C\D 四款的空洞，抑制空洞效果排序为：

A>C>B=D，推荐 A 款（SP645）用于客户端试样。

3.3 实施改善

客户端试样结果：

使用A款（SP645）空洞明显改善，空洞率由5%降低到1%以下。

四、如何应对QFN 侧面不爬锡问题

4.1 QFN侧面不爬锡机理分析

4.2 IPC 标准

4.3 市场的需求

• 要求QFN侧面爬锡

1） 保障SMT目检、AOI的可侦测度。

2） 提升焊接可靠性。

4.4 工艺、材料改善及验证

1） 炉温曲线

2）预涂敷助焊剂

3） QFN 侧面加可焊镀层

4.5 焊膏开发

1） 助焊剂方面 -- 提升去氧化能力，从而促进润湿

• 酸基反应

CuOn + 2nRCOOH → Cu(RCOO)n + nH2O

• 氧化还原反应

2RdH + CuO → CuRd2 + H2O

• 实验室验证

验证方法：

验证结果：

C > A = B, C > 2xD

2）抗腐蚀性 -- 目标满足IPC标准

• 铜板试验 - 符合标准

• 铜镜试验 - 符合标准

• SIR – 符合标准

4.6 产品推出及应用案例一

1）背景

适普某客户A SMT生产手机显示屏RF PCB板，使用普通锡膏，其上QFN侧面无爬锡。不但影响AOI检测直通率，更有焊接可靠性隐患，降低了品质等级和效率。客户急需提高QFN侧面爬锡的解决方案。              

2）原因分析及改善方案

针对客户QFN不爬锡的机理, 特推荐适普SP625焊锡膏以提升焊接活性,  增强侧面爬锡。 

3）结果：经验证，FQN爬锡高度明显提升, 由原来的零爬锡高度提升到70~100%。

4.7 产品推出及应用案例二

1）背景介绍

适普客户B生产笔记本电脑使用二手BGA封装的DDR芯片，由于其焊球氧化污染造成的虚焊，缺陷率为 50%，极大地影响客户的产品直通率及交货品质。

2）原因分析及改善方案

根据此深度氧化污染的焊球BGA，推荐适普SP625焊锡膏以改善焊接问题。

3）结果

验证结果：DDR焊接合格率由50%提升到99%。

五、总结

1、日益发展的电子市场和制造端的挑战包括：QFN 的侧面爬锡、二手 BGA 的焊接，都对常规基础焊料提出苛刻要求；

2、适普为满足客户需求开发的 SP625 配方采用专有还原剂，不仅 QFN 元件侧面上锡好，还有效解决二手料焊接问题，提高 DDR、CPU、EMC 焊接直通率。同时规避了可靠性方面的腐蚀性风险。