解决回流焊接空洞率高等缺陷的新技术

1、概述

 随着BGA，CBGA、LCCC、LGA、QFN，3Dplus等复杂封装器件的广泛应用，回流焊接品质问题逾显突出， 普通回流焊工艺的瓶颈造成了许多的“归零”事件。本文针对几个典型缺陷案例进行分析，运用真空环境下进行冷凝回流焊接，通过真空装置精确的控制蒸汽密度来准确控制温度曲线，最终实现电子产品的高可靠性焊接，是高可靠电子产品生产的有效途径。

2、主要技术研究进展

日前，国内某X工企业客户要求我公司协助解决其焊接的品质问题，该单位的新型封装的元器件如图1所示，种类很多，

图1、元器件图形

我们通过新的工艺技术来解决用户单位在生产过程中遇到下面几个质量缺陷问题：

2.1，焊点尺寸大、焊料润湿不好、空洞率高。

2.2，焊点可靠性差，疲劳测试缺陷率高。

2.3，焊接过程中的二次污染（主要是助焊剂污染物）残留多，不易清洗。

助焊剂污染

助焊剂污染

2.4、IMC层缺失或者过多（冷焊，热脆）的缺陷。

三，解决途径。

要解决以上问题，首先要了解问题产生的原理再对症下药：

3.1，润湿是焊接品质的关键:

    润湿不良会直接导致焊点的不可靠。提高润湿的手段很关键。提升润湿能力，目前新工艺技术是可以借助真空焊接环境来降低焊料的表面张力，达到提升润湿能力的效果。使用了真空静态冷凝焊接工艺，可以将焊接仓抽成负压状态再对焊料进行加热融化，则焊料的润湿能力能得到大幅提升。如图：

  Pb63Sn37焊料常压下的润湿    Pb63Sn37焊料在真空负压下的润湿

不同类型回流焊接的润湿效果

通过将焊接环境变为负压的焊接环境，我们发现可以完美的解决大部分焊料润湿不良的现象，提高焊点的可靠性。

经过实验证明，将焊接舱内的负压降到300mbar以下再对PCBA进行预热和回流，焊料的润湿能力提升非常明显，润湿效果让客户满意。

3.2，金属空洞和锡珠飞溅的控制和消除:

    焊点内部填充空洞的出现与助焊剂的蒸发不完全有关。焊接过程中温度，时间以及助焊剂控制不当，很容易出现金属空洞现象。空洞的出现就会影响到焊点可靠性。

    其他类型空洞产生的机理：Cu暴露在空气中氧化生成表面氧化膜低温生成暗红色的Cu2O，高温下生成黑色的CuO。

    松香去除氧化膜—松香的主要成分是松香酸C19H29COOH，松香融点为74℃。170～175℃呈活性反应，230～250 ℃转化为不活泼的焦松香酸，300 ℃以上无活性，松香酸和Cu2O、CuO反应生成松香酸铜和水。松香在常温下和300 ℃以上不能和Cu2O、CuO起反应。

4C19H29COOH+Cu2O →2Cu（OCOC19H29）2+ H2O↑

2C19H29COOH+CuO → Cu（OCOC19H29）2+ H2O↑

其中H2O在高温下形成水蒸气，水蒸气被裹夹在焊料中冷却后就形成气泡。当气泡体积变大，就会受到周边焊锡的压力形成爆炸性排气，造成锡珠飞溅。这是其中一种的成因。

图5 焊料池周围的焊料球

3.3、要消除以上的金属空洞和锡珠飞溅的问题，我们采用两种办法一起控制。

1，精确控制温度曲线：

 在预热的时候，我们推荐2~3分钟内预热到120-150°C。对于大板卡，以及较多元器件的组装，建议时间要长些，升温要缓慢，因为各种材料吸收和散热形成差别很大，所以要一个相对较长的时间，使得各个部件，包括锡膏等最终能达到温度均匀一致。如果太快，使得最后焊接的时候温度不均匀，各部分的润湿，反应差别较大，不但会造成焊料球问题，还会导致其他的很多问题的发生。

 实验中我们使用了两种设备：十温区的热风回流焊设备和 真空静态冷凝焊接设备，因为静态冷凝回流方式的热补偿和均温性能都远远好于热风回流方式，所以没有出现润湿不良和BGA四角翘起变形等问题，元器件和板子的形变产生的应力几乎可以忽略不计，非常有利于高质量焊点的形成。而热风回流焊焊接出来的的产品变形率和气泡率都远高于对比的产品。

　　在升温区，我们从160-180°C 。时间也要严格控制，在2分钟左右，过长否则会破坏助焊剂载体的化学反应平衡。如果太短，没有充分清洗表面，焊接表面没有对整体锡膏的每个部分反应和“拉拢”而具备比焊料球形成的优先权，那么部分锡膏就容易分离出去。如果时间太长，锡膏容易塌落，焊剂容易过分挥发，最终都是锡珠飞溅发生的诱因。

　　回流焊接区温度推荐峰值215-235°C，时间60-90秒，使得焊料能充分反应，气泡也能缓慢挥发，从而减少焊料球的发生。

　　冷却速率不宜大于3°C每秒，否则容易在焊点内部积累较大的热应力，发生可靠性问题。

2，精确控制焊接仓的大气压强。

即便温度曲线控制得再好，但气泡的逃逸速度依然很难控制。这个实验只能使用 真空静态冷凝焊接设备来进行实验。

气泡不但会在加热过程中不断融合变大，还会向焊点顶部移动，焊点顶部会阻碍气泡的的逃逸速度，形成巨型金属空洞。如果巨型气泡逃逸出来，则就是我们常见的爆炸性排气，会带出很多细小锡珠。

所以，在气泡刚刚出现的时候就开始逐步降低焊接仓内的气压（视产品情况），气泡产生后体积还很小，在其周边形成负压的焊接环境，则气泡较容易逃逸且不会产生出锡珠飞溅。

随着加热的持续，气泡越来越多，气压也逐步降低到2mbar,抽真空30秒左右就可以将焊点内的金属空洞控制在1%-2%以内。整个抽真空的时间控制在30秒-50秒内，可以获得过去难以想像的良好焊点。

实验证明：让产品处于静止焊接状态后，对其焊接环境进行气压控制，在气压降低到20mbar可以有效的降低空洞率，避免锡珠飞溅的缺陷。产品的升温速率的控制也更加有效和灵活。

用户的产品有一个特点：多品种，少批量。这种特点会出现一个问题，有时候产品只有一块板子，没有机会让操作人员反复测试炉温曲线的合理性，即没有金板。这种情况下，很容易造成产品的缺陷问题。

我公司提供的新型的真空静态冷凝焊接设备具备一个功能，即可以在焊接过程中实现人工干预的功能，让用户调整焊接过程中的焊接参数，焊接过程按照用户要求的温度去改变。对于多品种少批量的产品来说，这无疑是一个好消息，因为设备不仅能让我们实时人工控制焊接仓内部的温度变化，同时还能通过摄像机让我们看到产品焊接的整个过程，设备焊接仓内有五个K型热电偶会实时将焊点温度变化传动到显示器让我们分析和判断，让我们在有充足的数据的基础上对客户的单个实验产品进行实时的判断并人工干预，最终得到完美的焊点。

经过对比实验，得到如下数据：

BGA金属空洞和失效的关系图（红色是有空洞焊点，蓝色是无空洞焊点）

3.4 对于特殊的CBGA，LCCC等陶瓷(钎料球为90PblOSn合金)高铅焊点和带有管壳的产品包括微组装的管壳类产品，真空静态冷凝回流焊设备都有着很大的优势.可以在6分钟内完成批量产品的高可靠性焊接，焊接品质远超过去客户常用的热风回流焊和真空共晶烧结炉，是21世纪尖端回流焊技术。

图2 ALCATEL ALENIA SPACE公司的一个控制器

 (a) Full step motor 6/18 axis pcb;       (b)数字处理板；

四、回流焊接原理和可靠性的关系

A、热风热传递示意图 B、蒸汽冷凝热传递示意图

   热风与蒸汽热凝的传热方式

    由上图可以看出，两种回流方式的热交换原理不同。蒸汽冷凝方式的热交换效率是热风的20-30倍，效率高，均温性好。所以可以保证不同材质产品的变形小，温差小，焊接出来的焊点中的IMC层均在0.5微米和3微米以内，扛拉拔力和剪切力达到了最优。

五，真空静态冷凝回流焊的发展情况

因为真空静态冷凝回流焊的传热特性好，所以最适合用来焊接批量大、热处理困难的组装件。对于工艺窗口较窄的无铅焊接，真空静态冷凝回流焊是理想的工艺。真空静态冷凝回流焊技术的新发展提高了工艺的灵活性并降低了运作成本。如今，欧美军工企业普遍使用了真空静态冷凝回流焊焊接设备来焊接他们产品。使得军用电子产品的寿命和可靠性能满足日益苛刻的使用要求。

六、现代电子组装高可靠性焊接研究与实践

电子组装的可靠性依赖于各个元器件的可靠性，以及这些元器件界面间的力学、热学及电学的可靠性。这些接触界面，表面安装焊接层不但提供了电连接，还提供了电子元器件与基板的机械连接，同时还有元器件严重发热时的散热功能。

当前科学技术突飞猛进的发展，特别是在高可靠性电子产品生产中，电子产品高密度面阵列封装器件（BGA、CSP 等)和微型元件(0201、01005）在产品上大量应用，“微焊接”技术对高密度组装的可靠性影响越来越大。研究特点是：

1、由于焊点的微细化在设备内进行，人手不可能直接接近，基本上属于一种“无检查工艺”。因此，必须要建立确保焊点接触可靠性的系统。焊点内任何空洞、异物等都会成为影响焊接可靠性的因素。

2、在回流焊过程中由于热引起的BGA、CSP 等器件或基板的变形翘曲均会导致焊点钎料空缺，并把大量残留应力留在钎料连接上，造成早期故障。因此，研究芯片封装和基板在回流焊接过程中的变性规律及其控制措施，对提高产品的可靠性有着重要意义。

3、在封装芯片与基板的二级互连微焊接过程中，控制其冶金物理过程，以确保生成的金属间化合物层（IMC)的厚度和成分均在焊点可靠性要求的范围之内。

4、在已焊好的BGA、CSP 等阵列封装的二级互连微焊接焊点中，为避免在应用过程中因为IMC层厚度及金相组织发生变异，导致微焊点因可靠性蜕变而失效，研究和掌握其蜕变的机理及其对策，对延长焊点的工作寿命有重大的现实意义。

5、研究采用新的设备工具和方法，在焊接工艺和方法上实现新的突破，使其焊接可靠性得以提高。

6、研究焊点在各种恶劣环境中工作的可靠性问题及其加固措施。

7、分门别类地研究各类芯片封装的微焊点与基板焊盘互连工艺的优化，及其对焊点可靠性的影响程度。

8、研究组装工作环境因素对焊点可靠性影响的统计规律。

9、研究阵列封装芯片二级互连焊盘的表面处理类型，对焊点焊接质量及可靠性蜕变的诱导作用。

10、焊盘设计：包括形状、大小和掩膜界定，对于可制造和可测试性，以及满足制造成本和可靠性等方面的要求都是至关重要的。

11、推进焊接工艺设计。也就是用计算机模拟焊接结合部的可靠性设计，从而获得实际生产线的可靠性管理措施和控制项目；对生产线可能发生的不良现象进行预测，从而获得预防不良现象发生。

   电子产品组装工艺的核心是焊接工艺技术，随着电子产业的发展，元器件向着小型化、模块化方向发展，其大小功能不同，热容量不同，焊接时焊接部位温升受到影响，所以运用先进的焊接理念和先进的焊接设备，生产高可靠的产品是非常重要的。

不同的问题需要不同的工艺去解决，顺星公司不仅提供先进的热风回流焊、真空冷凝焊设备，也提供针对特殊需求的激光焊接和超声焊接等工艺设备：

如：针对特殊焊盘的精密侧面焊料焊接：

作者/孙立军 西安顺星电子科技有限公司