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(jī)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(zhǎng)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(xiàn)場(chǎng)操作焊溫少說(shuō)也要提高2 5℃左右，而達(dá)熔焊平均焊溫的2 4 2℃與波焊的2 6 O-2 6 5℃對(duì)于既有F R一4板材所帶來(lái)的熱應(yīng)力，零組件的熱傷害，以及現(xiàn)行助焊劑的無(wú)法適應(yīng)等，都是難以避免的災(zāi)難，且必須還要在這一兩年內(nèi)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(xiàn)。右圖是經(jīng)過(guò)1750次高低溫（-55℃/+150℃）加速老化后，發(fā)現(xiàn)各種裂縫都是出自Ag3Sn結(jié)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(xiàn)。右圖是經(jīng)過(guò)1750次高低溫（-55℃/+150℃）加速老化后，發(fā)現(xiàn)各種裂縫都是出自Ag3Sn結(jié)晶近旁。
而出自S AC所形成的焊點(diǎn)，為了要使其結(jié)晶細(xì)膩與強(qiáng)度更好起見，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(shì)必造成有機(jī)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?yàn)闊o(wú)鉛，冶卻后的焊點(diǎn)中都難免會(huì)存在著一些空洞(Voids)，只不過(guò)當(dāng)其所占體積比例不大(從截面上觀察)，或尚未出現(xiàn)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(shè)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(nèi)發(fā)生空洞的主要成因，就是殘存有機(jī)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(qiáng)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光所見到的不太清晰畫面。

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光所見到的不太清晰畫面。
但當(dāng)進(jìn)一步追究成因時(shí)卻又發(fā)現(xiàn)，除與液態(tài)焊料本身的表面張力有著最直接因果外，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(dá)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(jī)物或氣泡，在比重較大(約8．4 4)之合金擠壓下較有機(jī)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(jié)晶細(xì)膩起見又不得不加速降溫。一旦量產(chǎn)之“溫時(shí)曲線”(Profi1e)尚未調(diào)整到最佳者，經(jīng)常會(huì)在焊點(diǎn)內(nèi)發(fā)生空洞，通常要比有鉛者嚴(yán)重很多，成為可靠度方面的極大隱憂。
BAG或CSP之球腳中經(jīng)常會(huì)發(fā)生大小空洞，大號(hào)空洞甚至還會(huì)將球體向四周擠出，對(duì)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(hào)空洞甚至還會(huì)將球體向四周擠出，對(duì)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(guó)際規(guī)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(biāo)準(zhǔn)納入規(guī)范。但幾家著名的大公司，則對(duì)無(wú)鉛與有鉛焊接之空洞已備有自定的規(guī)格(Creteri a)，現(xiàn)介紹如下：
IBM：認(rèn)為B GA球腳焊點(diǎn)，從截面上觀察時(shí)，其空洞面積不可超過(guò)1 5％，且認(rèn)為到達(dá)2 O％時(shí)將會(huì)影響到可靠度。
Motorela：認(rèn)為空洞在截面積的比例上不可超過(guò)2 4％。
Solectron：認(rèn)為空洞面積比的允收上限為2 5％。
Delco：認(rèn)為不管空洞的大小如何，總數(shù)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(rèn)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(qiáng)度不足造成的破裂。右圖說(shuō)明BGA墊內(nèi)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(nèi)所陷入的有機(jī)物，可能是出自錫膏中所添加的助焊劑或其他有機(jī)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(duì)。但當(dāng)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(dāng)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(dāng)其等活性劑較多時(shí)，空洞將會(huì)減少。

圖5、當(dāng)BG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(dāng)其等活性劑較多時(shí)，空洞將會(huì)減少。
業(yè)者們?cè)l(fā)現(xiàn)當(dāng)助焊劑中的活性劑較多較強(qiáng)時(shí)，則空洞反而會(huì)變少。原因可能是因活性很強(qiáng)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?jiān)淮〉臋C(jī)會(huì)也就不大反之活性不強(qiáng)者，待焊面的氧化物未能迅速被還原反應(yīng)所清除，則被包助焊劑想要脫身當(dāng)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(qiáng)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(qiáng)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(dāng)BGA載板採(cǎi)用黏著性助焊劑(Tacky Flux)進(jìn)行植球時(shí)，發(fā)現(xiàn)載板 面積愈大者，可見到空洞的比例也會(huì)增多。且發(fā)現(xiàn)其球面之曲率：(Curvature R)較大者或球面較扁時(shí)，則該液錫對(duì)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(dāng)然與焊料比重的大小也直接有關(guān)。

當(dāng)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(jī)物逃出球外的壓力，自如R較小者，且路途也較遠(yuǎn)逃出機(jī)會(huì)也就不多了。

圖7、當(dāng)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(jī)物逃出球外的壓力，自如R較小者，且路途也較遠(yuǎn)逃出機(jī)會(huì)也就不多了。
（三）、與助焊劑黏度關(guān)系
當(dāng)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(duì)氧化物所表現(xiàn)的清除效果也會(huì)增強(qiáng)。同時(shí)縮錫也隨之降氣泡當(dāng)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(dāng)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?cè)鴮⒏鞣N高溫與經(jīng)歷時(shí)間，予以區(qū)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(yán)重者，空洞也越多。
其中道理前文中已討論過(guò)，那就是當(dāng)氧化層較厚時(shí)，助焊劑不易完成應(yīng)有的清除反應(yīng)(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(jī)率增加。此種不良現(xiàn)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(duì)現(xiàn)行Sn63，在相同條件下所測(cè)得沾錫時(shí)間已延長(zhǎng)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(dāng)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)曲線有關(guān)
當(dāng)生產(chǎn)線所用P r O fi 1 e在熔點(diǎn)以上的耗時(shí)太長(zhǎng)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(dāng)然就會(huì)形成空洞。至于現(xiàn)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(duì)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(zhǎng)，再氧化的機(jī)會(huì)也就變大，空洞機(jī)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(zhǎng)短(2分鐘內(nèi))，對(duì)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(jī)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(jī)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(nèi)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(見上右圖)o業(yè)者們?cè)贐 G A球腳以外的其他S M T焊點(diǎn)中，也曾發(fā)現(xiàn)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(jī)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(dāng)然就更為慘不忍睹了。另一點(diǎn)需要提醒的就是，當(dāng)錫膏印妥后不可在室溫環(huán)境中放置太久，以防水氣凝結(jié)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(dāng)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(shù)量也將不相同。業(yè)者發(fā)現(xiàn)有機(jī)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(xiàn)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(qū) 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(jī)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(jī)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(jī)物形成的空洞。
（九）、墊內(nèi)盲孔或墊下通孔所造成的空洞
H D工手機(jī)板為了節(jié)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(shè)計(jì)，而替代為直上直下更為省地的墊內(nèi)盲孔或通孔(Vi a i n p a d)。且在高速與高頻訊號(hào)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(xù)進(jìn)行熔焊時(shí)，不但孔內(nèi)原有空氣無(wú)法趕走，再加上助焊劑有機(jī)物的額外發(fā)氣，助紂為虐下大號(hào)空洞不免就頻頻出現(xiàn)了。目前許多手機(jī)板的客戶們都要求  ．採(cǎi)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(qiáng)度。
左圖為BAG墊內(nèi)盲孔的俯視與側(cè)視圖；中圖為一般平面球墊與盲孔球墊的區(qū)別；右圖均為盲孔球墊的空洞情形。

圖13、左圖為BAG墊內(nèi)盲孔的俯視與側(cè)視圖；中圖為一般平面球墊與盲孔球墊的區(qū)別；右圖均為盲孔球墊的空洞情形
（十）、吹孔之空洞
傳統(tǒng)PT H之鉆孔不良與后續(xù)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與氣體的噴出，致使子L內(nèi)的液態(tài)填錫發(fā)生被吹后的空洞。這種P T H傳統(tǒng)填錫的虛洞，應(yīng)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。

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