PCB部落格 - fr4-pcb無鉛焊接的品質問題

1.孔隙的形成和響應

儘管fr4 pcb焊膏由88-90%重量的焊料合金球和10-12%的有機輔助材料組成，但兩者均勻混合的體積比為一半。 囙此，當焊點在高溫下愈合併成為焊點的主體時，在正常情况下，重量較輕的有機物會被擠出合金的主體，並與焊點分離。 然而，一旦焊點表面固化，使得內部有機物無法及時逃逸到外部，它勢必會破裂成氣體並停留在焊點中，形成無處不在的氣孔或空隙。 不幸的是，一旦焊膏吸水，情况就會更糟。 基本上，氣體膨脹形成的空隙是球形的。 這種背焊空洞不僅在數量或體積上比波焊空洞大得多，而且有不同的原因，不應混淆。

2.BGA焊盤中的孔

在BGA或CSP球引脚焊點中，各種無鉛焊膏焊點中的空隙是最大的。 一個原因是，當上游包裝廠將球種植在BGA載體板的底部時，它臨時附著了焊膏（G1ue FluX），然後被熱空氣熔化，這可能在球上形成了一個洞。 當然，在組裝廠焊接後，焊膏上會有更多的孔。 其中大多數是焊膏中的氣體上升並鑽入球體的結果，兩相流在一起有助於解决這種情況。 這種BGA球脚無法避免的洞實際上已經被國際規範所接受。 由於HDI互連科技（既指增層法，也指雷射微盲孔）的盛行，BGA或CSP與內層的互連不需要通過PTH，而只需要通過具有局部傳導的微盲孔。 這不僅會减少其他層（如地面層或電源層）的無關鑽孔，而且會提高信號完整性的質量； 此外，可以通過縮短訊號線來降低雜訊，使高速訊號工作更加完美。 然而，一旦板的BGA區域中的球焊盤配備了一個小盲孔（Viain pad），焊膏背面焊接將不可避免地在球脚處造成氣孔，這將極大地影響焊點的强度。 幸運的是，2006年的這個時候，隨著電鍍銅科技的快速進步，不僅大大小小的盲孔都可以填充銅，小直徑的PTH也可以填充。 囙此，科技好的電路板製造商不應該繼續存在焊點上吹盲孔的問題。 現時，在過渡期，當庫存的BGA仍然是帶引線63/37的球銷，但用於組裝的焊膏是無鉛SAC時，前者會先融化成液體，而後者具有更高的mp，如果在焊接過程中出現氣孔，則會上升到液體球銷中，其浮動路徑比從球中逸出要容易得多。 此外，一旦印刷的焊膏具有吸濕性，相鄰引脚競相製造短路的超大孔也就不足為奇了。 原則上，如果板上有多個BGA，則應使用長鞍型回流曲線來趕走揮發物並减少氣孔ï¼焊料氣孔ï。

3.表面處理產生的空隙

在一些PCBA表面處理膜中，那些有機物含量高的膜（I-Ag和OSP是最典型的）也容易在隨後的强加熱中破裂成小孔。 其特點是它們大多只停留在介面上。 雖然數量很大，但數量並不多。 它被稱為“介面微孔”。 這種連續薄膜微孔，無論是波焊還是背焊，都經常發生，而且浸銀更為嚴重。 解決方法是改進表面處理的配方和工藝。 當空氣中含有少量的硫氣體時，鍍銀層很容易失去光澤。 為了防止失去光澤，防止銀金屬的快速遷移（浸出），甚至損壞絕緣，在浸銀層的表面故意形成一層薄薄的有機保護膜，以阻擋此類缺陷。 然而，在焊接反應中，銀金屬會迅速溶解到液態焊料中（溶解速率43.6°in/sec），並暴露出底部的銅，使其與熔融的錫快速形成Cu6Sn5並將其焊接牢固。 不幸的是，有機膜無法及時離開，囙此它不得不留在原來的介面上進行裂化和氣體生成。 它也被稱為香檳泡沫，因為它是全面發生的。 至於新一代OSP的效能，它在薄膜的緊湊性方面也有所提高，即使0.3μm的薄膜厚度仍然可以保護底部銅在高溫下不被氧化和生銹。 囙此，如果波峰焊或回流焊中的OSP膜能及時被焊劑趕走，Cu6Sn5的生長就可以完成並牢固地焊接。 OSP膜一旦沒有及時推出，就會被强烈的熱量裂解，氣體會形成孔洞。 一個好的OSP膜不僅要耐熱，而且不能太厚，以防止在焊接時出現裂紋和氣體生成。 然而，如果在回流爐中使用氮氣，這種困境將大大改善。

4.錫粉和焊劑被氧化並通氣以形成孔

當一些大型板材被回流時，回流曲線的吸熱段（浸泡）必須延長（例如，超過90秒），以便在待焊接的板材內外充滿熱能後，峰值溫度可以衝刺。 在這種緩慢上升的150-180â的强熱量和隨後熔點以上的長時間雙沸騰中，不僅錫粉會被氧化，有時甚至焊劑也會被氧化變質。 此時，所有焊點中的孔洞將不可避免地新增。 一旦小錫球的表面被氧化得無法癒合，它將不得不被推出並引發其他問題。 雖然選擇抗氧化性好的助熔劑是一個積極的解決方案，但這並不容易。 更實用的方法是使用氮氣環境進行背面焊接，這將立即减少空洞和吃錫不良等問題。

5.PCB板表面的焊盤排斥錫並形成空隙

PCB銅焊盤的可焊性表面處理有五到六種類型。 一旦焊盤表面已經出現阻焊現象，焊膏已經完全印刷在焊盤表面上，但當純錫和局部壞基（銅或鎳）在强熱癒合過程中無法形成IMC時，分佈在那裡的焊膏會被左右兩側有好錫的鄰居搶走，從而瞬間形成真空。 此時，焊膏中一半體積的有機物不會逃逸到外界，而是會被附近的局部真空吸引，然後迅速聚集氣體吹進一個大洞。 一些BGA球墊採用噴錫處理。 一旦錫表面不平整且嚴重收縮，在隨後的焊膏通過熔爐後，焊料廢料處可能會出現大孔。 然而，由於PCB焊盤表面處理不良而形成的大孔大多出現在具有寬臺階的BGA球引脚中，而很少出現在QFP等其他窄焊點中。

6.焊膏吸水形成大孔

由於有機物不能逸出而吹出的洞不會太大。 然而，一旦使用，或者在列印糊狀物並吸入水後放置很長時間，有機物吹出的洞會很大，甚至相鄰球脚的三維空間都會被吹出並擠壓成短路。 這種添加的水分是鉛和無鉛的。 沒有其他好的方法可以改善它。通常，只要將焊膏放置在90%RH中20分鐘，它就會吸收大量的水並吹進一個大洞，這甚至可能導致熔融錫的飛濺，並導致手指上出現額外的錫點。 我們知道焊膏印刷的現場必須保持低溫和乾燥。

7.BGA上游封裝的孔

BGA不使用來自組裝廠的焊膏在包裝廠的腹部底部種植球。 為了使許多球脚具有更好的共面性，它只能使用焊膏來實現定位和焊接的雙重目的。 但是，在回流爐中完成焊球的過程中，焊膏焊接原理完全相同，焊球也會有孔洞。 囙此，在餵食檢查時，需要檢查腹部朝上的X射線透視是否有孔，避免fr4 pcb上事後出現“易斷頭難斷脚”時彼此之間產生不必要的爭執。