一、導論
全球電子業(yè)界將正式進(jìn)入無(wú)鉛焊接時(shí)代，除軍用與某些已豁免之大型機組產(chǎn)品外，其他所有商業(yè)電子品，均將正式告別品質(zhì)與可靠度都無(wú)可取代的錫鉛共熔(Eutectic Comp osition Sn63／Pb 37)焊料。往后的各種封裝組裝焊接所用到的無(wú)鉛焊料，其量產(chǎn)之易操作性、焊接完工品質(zhì)，以及長(cháng)時(shí)間老化后的可靠度，都不免令人捏把冶汗。不管是錫膏熔焊(Reflow So1dering)或者焊料波焊(wave So1dering)，目前最佳的無(wú)鉛焊料則非錫銀銅而莫屬(SAC305 OR SAC405)，其共熔點(diǎn)2 1 7℃就要比Sn63／Pb37者183℃高出3 4℃現場(chǎng)操作焊溫少說(shuō)也要提高2 5℃左右，而達熔焊平均焊溫的2 4 2℃與波焊的2 6 O-2 6 5℃對于既有F R一4板材所帶來(lái)的熱應力，零組件的熱傷害，以及現行助焊劑的無(wú)法適應等，都是難以避免的災難，且必須還要在這一兩年內加以解決。
左圖是利用特殊微蝕技術(shù)可將焊料清除，而令“三銀一錫”的板條IMC與“六銅五錫”的球狀I(lǐng)MC，均清楚呈現。右圖是經(jīng)過(guò)1750次高低溫（-55℃/+150℃）加速老化后，發(fā)現各種裂縫都是出自Ag3Sn結晶近旁

圖1、左圖是利用特殊微蝕技術(shù)可將焊料清除，而令“三銀一錫”的板條IMC與“六銅五錫”的球狀I(lǐng)MC，均清楚呈現。右圖是經(jīng)過(guò)1750次高低溫（-55℃/+150℃）加速老化后，發(fā)現各種裂縫都是出自Ag3Sn結晶近旁。
而出自S AC所形成的焊點(diǎn)，為了要使其結晶細膩與強度更好起見(jiàn)，必須要在通過(guò)峰溫后迅速加以降溫冶卻(6℃／SeCc，而不再是3℃／Sec)。如此一來(lái)勢必造成有機物逸出的不易，進(jìn)而將帶來(lái)焊點(diǎn)中更多的空洞(Voids)。一般而言，BGA或CSP等球腳焊點(diǎn)的空洞，要比其他SMT來(lái)的更多。
不管是熔焊還是波焊，無(wú)論是有鉛或為無(wú)鉛，冶卻后的焊點(diǎn)中都難免會(huì )存在著(zhù)一些空洞(Voids)，只不過(guò)當其所占體積比例不大(從截面上觀(guān)察)，或尚未出現在焊點(diǎn)之關(guān)鍵介面者，即可視之為常態(tài)。一般用即時(shí)性X光設備(Rea1 Ti me X-ray equipment)，皆可隱約看到虛無(wú)空洞的分佈。焊點(diǎn)(So1der Join t)內發(fā)生空洞的主要成因，就是殘存有機物高溫裂解后的氣泡無(wú)法及時(shí)逸出，以及吸入水氣所致，其中最主要的來(lái)源就是助焊劑陷入，又經(jīng)強熱裂解所形成。
左為BGA球腳在封裝載板上植球情形，坐下及右圖均為X光所見(jiàn)到的不太清晰畫(huà)面。

圖2、左為BGA球腳在封裝載板上植球情形，坐下及右圖均為X光所見(jiàn)到的不太清晰畫(huà)面。
但當進(jìn)一步追究成因時(shí)卻又發(fā)現，除與液態(tài)焊料本身的表面張力有著(zhù)最直接因果外，還另與其他多種因素有關(guān)。表面張力愈大者氣泡愈難脫離(無(wú)鉛焊料常達460dyne／260℃，有鉛共熔組成之焊料(S n 6 3／P b 3 7)其表面張力較小(僅80 dyne／260℃)，故已陷入的有機物或氣泡，在比重較大(約8．4 4)之合金擠壓下較有機會(huì )向外脫困而逃出(Outgassing) 。但無(wú)鉛焊料之S A C者，不但比重較小(約7．5)而且表面張力又變大，加以熔點(diǎn)溫度還高出34℃，且為了保持結晶細膩起見(jiàn)又不得不加速降溫。一旦量產(chǎn)之“溫時(shí)曲線(xiàn)”(Profi1e)尚未調整到最佳者，經(jīng)常會(huì )在焊點(diǎn)內發(fā)生空洞，通常要比有鉛者嚴重很多，成為可靠度方面的極大隱憂(yōu)。
BAG或CSP之球腳中經(jīng)常會(huì )發(fā)生大小空洞，大號空洞甚至還會(huì )將球體向四周擠出，對于CSP的近距離焊接尤為不安全。

圖3、BAG或CSP之球腳中經(jīng)常會(huì )發(fā)生大小空洞，大號空洞甚至還會(huì )將球體向四周擠出，對于CSP的近距離焊接尤為不安全。
二、PCB電路板空洞如何允收?    。
目前較具公信力的國際規范(例如IPC-A-610D或J-STD-001D)皆尚未將電路板無(wú)鉛焊接的允收標準納入規范。但幾家著(zhù)名的大公司，則對無(wú)鉛與有鉛焊接之空洞已備有自定的規格(Creteri a)，現介紹如下：
IBM：認為B GA球腳焊點(diǎn)，從截面上觀(guān)察時(shí)，其空洞面積不可超過(guò)1 5％，且認為到達2 O％時(shí)將會(huì )影響到可靠度。
Motorela：認為空洞在截面積的比例上不可超過(guò)2 4％。
Solectron：認為空洞面積比的允收上限為2 5％。
Delco：認為不管空洞的大小如何，總數均不可超過(guò)4個(gè)，截面積允收之上限比例為1 6％。
General Instruments：認為空洞的截面積比例不可大于1 5％。

圖4、左圖為BGA球腳的正常完工情形，即使在全無(wú)空洞下，加速老化之可靠度情況下亦會(huì )發(fā)生龜裂。中圖為空洞強度不足造成的破裂。右圖說(shuō)明BGA墊內盲孔所形成的球腳空洞。
三、電路板空洞的成因與避免
（一）、助焊劑活性的影響
合金焊點(diǎn)內所陷入的有機物，可能是出自錫膏中所添加的助焊劑或其他有機物。也可能是波焊中助焊劑或浮渣的包藏，經(jīng)瞬間的高溫作用中，已陷入者將會(huì )裂解成為氣體。按理說(shuō)氣泡的比重很小，一定會(huì )浮得起來(lái)逼得出去才對。但當氣泡的浮力小于液態(tài)焊料的表面張力時(shí)，則氣泡只有被吸住而逃不出來(lái)。
。當BAG植球之高粘度助焊劑，或電路板焊接時(shí)之錫膏助焊劑中，當其等活性劑較多時(shí)，空洞將會(huì )減少。

圖5、當BAG植球之高粘度助焊劑，或電路板焊接時(shí)之錫膏助焊劑中，當其等活性劑較多時(shí)，空洞將會(huì )減少。
業(yè)者們曾發(fā)現當助焊劑中的活性劑較多較強時(shí)，則空洞反而會(huì )變少。原因可能是因活性很強時(shí)，則待焊介面處的還原作用將會(huì )順利進(jìn)行而使得縮錫(D e w e tt i n g)減少，如此一來(lái)助焊劑殘渣被逮住的機會(huì )也就不大反之活性不強者，待焊面的氧化物未能迅速被還原反應所清除，則被包助焊劑想要脫身當然就不容易了。
左為BGA原件成品，在PCB板面貼裝時(shí)錫球高度的前后變化情況；右圖中可以看到右球中之空洞太大，以致擠壓無(wú)鉛焊料向左強力推出，進(jìn)而造成與左球短路的真相。

圖6、左為BGA原件成品，在PCB板面貼裝時(shí)錫球高度的前后變化情況；右圖中可以看到右球中之空洞太大，以致擠壓無(wú)鉛焊料向左強力推出，進(jìn)而造成與左球短路的真相。
（二）、焊墊面積的影響
當BGA載板採用黏著(zhù)性助焊劑(Tacky Flux)進(jìn)行植球時(shí)，發(fā)現載板 面積愈大者，可見(jiàn)到空洞的比例也會(huì )增多。且發(fā)現其球面之曲率：(Curvature R)較大者或球面較扁時(shí)，則該液錫對氣泡形成的液壓(Hydraulic Pressure)將不如半徑較小但卻較厚的球體，如此會(huì )使得氣泡傾向變多變且還不容易逃得出來(lái)了，這當然與焊料比重的大小也直接有關(guān)。

當植球或焊球時(shí)，其墊面較大者空洞也會(huì )較多。從右a圖可知大墊曲率半徑(R)較大球體較扁，其逼迫有機物逃出球外的壓力，自如R較小者，且路途也較遠逃出機會(huì )也就不多了。

圖7、當植球或焊球時(shí)，其墊面較大者空洞也會(huì )較多。從右a圖可知大墊曲率半徑(R)較大球體較扁，其逼迫有機物逃出球外的壓力，自如R較小者，且路途也較遠逃出機會(huì )也就不多了。
（三）、與助焊劑黏度關(guān)系
當助焊劑的黏滯度(Vi s c o s i t y)較高時(shí)，其中固含物的松香(R osin)也必定較多，對氧化物所表現的清除效果也會(huì )增強。同時(shí)縮錫也隨之降氣泡當然也就順理成章的為之減少了。

左圖說(shuō)明植球時(shí)，黏性助焊劑之粘滯度較大者，空洞較少；右圖說(shuō)明焊球時(shí)錫膏助焊劑粘滯度較大者，空洞也較少。

圖8、左圖說(shuō)明植球時(shí)，黏性助焊劑之粘滯度較大者，空洞較少；右圖說(shuō)明焊球時(shí)錫膏助焊劑粘滯度較大者，空洞也較少。
（四）、與焊墊表面的氧化程度有關(guān)
當焊墊或錫球表面所生成的氧化物愈厚者，焊后的空洞也會(huì )愈多。業(yè)者們曾將各種高溫與經(jīng)歷時(shí)間，予以區別為不同墊面氧化程度如下：
氧化程度
模擬高溫情況
1
100℃／1小時(shí)
2
100℃／3小時(shí)
3
100℃／9小時(shí)
4
100℃／9小時(shí)+1次熔焊

圖9、BAG植球或焊球時(shí)，墊面氧化越嚴重者，空洞也越多。
其中道理前文中已討論過(guò)，那就是當氧化層較厚時(shí)，助焊劑不易完成應有的清除反應(也就是表面張力難以降低)，以致移動(dòng)速度(Mobility)無(wú)法加快下，常使得氣泡被殘留在焊點(diǎn)中的機率增加。此種不良現象還可從切片上空洞與墊面之交界處，全未形成Cu6Sn，的IMC而加以反證
表1、相關(guān)焊面之密度比較 (g m／c m3)

圖10、此8種無(wú)鉛錫膏針對現行Sn63，在相同條件下所測得沾錫時(shí)間已延長(cháng)的不良情形。
（五）、與沾錫時(shí)間有關(guān)
6 3／3 7共熔焊料的平均沾錫時(shí)間(w e t t i n g T i m e)約為0.6秒，但S A C 405者卻接近1。5秒之久。無(wú)鉛焊料本身移動(dòng)速度太慢與表面張力太大之下，當然就會(huì )使得所形成的氣泡難以逃出(Outgassing)焊料之界外。
（六）、與溫時(shí)曲線(xiàn)有關(guān)
當生產(chǎn)線(xiàn)所用P r O fi 1 e在熔點(diǎn)以上的耗時(shí)太長(cháng)者(無(wú)鉛S A C于2 1 7℃以上約在6 0-80秒)，會(huì )讓助焊劑中可揮發(fā)的東西都將消失殆盡，致使助焊劑之黏度變大或燒乾，甚至裂解掉而無(wú)法順利移動(dòng)；沾錫太慢或無(wú)法沾錫下當然就會(huì )形成空洞。至于現行的S n 6 3，其熔點(diǎn)僅1 8 3℃，超過(guò)熔點(diǎn)的時(shí)間也僅50一60秒而已，相對之下殘留的氣泡也就自然不多了。而且無(wú)鉛焊接之操作時(shí)間拉長(cháng)，再氧化的機會(huì )也就變大，空洞機率難免上升。倘若P r O fi l e中的峰溫不太高(205℃)，其較平坦恒溫吸熱段(S O ak S t a g e)的長(cháng)短(2分鐘內)，對于空洞生成的影響尚不大，然而無(wú)鉛已完全占不到這種便宜了。說(shuō)明錫膏中發(fā)揮沸點(diǎn)越高者，發(fā)生空洞的機會(huì )也會(huì )減少。

圖11、說(shuō)明錫膏中發(fā)揮沸點(diǎn)越高者，發(fā)生空洞的機會(huì )也會(huì )減少
（七）、溶劑沸點(diǎn)的影響
不管是波焊前的助焊劑，或錫膏內的助焊劑，兩者所用溶劑的沸點(diǎn)都會(huì )影響到焊點(diǎn)中的空洞(見(jiàn)上右圖)o業(yè)者們在B G A球腳以外的其他S M T焊點(diǎn)中，也曾發(fā)現相同的事實(shí)。溶劑沸點(diǎn)越低者所形成的空洞就越多。原因是低沸點(diǎn)的溶劑，在高溫焊接中(例如有鉛波焊的2 5 0℃，或熔焊的2 2 5℃)老早就已揮發(fā)殆盡，以致所剩下已乾涸難以流動(dòng)的其他高黏度有機物，就只好死死被包圍在原地，呆呆的等待發(fā)氣罷了!無(wú)鉛者當然就更為慘不忍睹了。另一點(diǎn)需要提醒的就是，當錫膏印妥后不可在室溫環(huán)境中放置太久，以防水氣凝結與過(guò)度氧化而造成意外的空洞。最好是將溶劑的沸點(diǎn)拉高到焊料的熔點(diǎn)以上，以減少空洞的發(fā)生。
（八）、墊面處理的影響
當焊墊表面的可焊處理層不同時(shí)，在該介面附近所形成的空洞大小與數量也將不相同。業(yè)者發(fā)現有機保焊劑(O S P)處理者，其皮膜與焊墊介面的空洞最多；而且OSP愈厚者不但空洞愈多，甚至還可能因皮膜無(wú)法被助劑所推走，以致發(fā)生縮錫或拒焊的現象，O S P的厚度最好不要超過(guò)0.3 5μm，以方便助焊劑的驅 趕。至于其他如ENIG、I一Ag、I一Sn或HASL噴錫者，其彼此間之V0iding也與有機物量有關(guān)，不過(guò)相差并不多。
左圖銅墊表面為OSP處理，右圖則可能是錫膏本身有機物形成的空洞。

圖12、左圖銅墊表面為OSP處理，右圖則可能是錫膏本身有機物形成的空洞。
（九）、墊內盲孔或墊下通孔所造成的空洞
H D工手機板為了節省板面有限空間，早巳將C S P或B GA之層間互連，改掉原本通孔與球墊間之啞鈴型(D O g B O n e)互連設計，而替代為直上直下更為省地的墊內盲孔或通孔(Vi a i n p a d)。且在高速與高頻訊號之路徑變短而電感減少下，雜訊也隨之降低。但如此一來(lái)，在S M T印妥錫膏再踩上球腳與后續進(jìn)行熔焊時(shí)，不但孔內原有空氣無(wú)法趕走，再加上助焊劑有機物的額外發(fā)氣，助紂為虐下大號空洞不免就頻頻出現了。目前許多手機板的客戶(hù)們都要求  ．採用鍍銅方式將微盲孔予以填平，以減少空洞的發(fā)生以增加焊點(diǎn)強度。
左圖為BAG墊內盲孔的俯視與側視圖；中圖為一般平面球墊與盲孔球墊的區別；右圖均為盲孔球墊的空洞情形。

圖13、左圖為BAG墊內盲孔的俯視與側視圖；中圖為一般平面球墊與盲孔球墊的區別；右圖均為盲孔球墊的空洞情形
（十）、吹孔之空洞
傳統PT H之鉆孔不良與后續鍍銅欠佳以收孔璧存有破洞者，經(jīng)常會(huì )在下游組裝波焊中，造成銅壁上原有的破洞(V o i d s)向外吹氣，此等惡劣的P T H常被稱(chēng)為吹孔(B 1 O w H o l e)。由于基材經(jīng)過(guò)許多濕製程，難免會(huì )從孔璧破口處，吸入一些水氣或化學(xué)品，進(jìn)而造成游高溫焊接的孔壁張開(kāi)與氣體的噴出，致使子L內的液態(tài)填錫發(fā)生被吹后的空洞。這種P T H傳統填錫的虛洞，應與其他上述各種原因無(wú)關(guān)，是一種很古老的Voiding 。

此二圖均為PTH不良孔壁，吸入水汽，經(jīng)高溫焊接拉大缺口時(shí)，向液態(tài)填錫中吹氣而造成的空洞.

圖14、此二圖均為PTH不良孔壁，吸入水汽，經(jīng)高溫焊接拉大缺口時(shí)，向液態(tài)填錫中吹氣而造成的空洞。