眾所周知，在焊接大平面和低托腳高度元件時會有空洞形成，如QFN 元件。這類元件的使用正在越來越多，為了滿足IPC 標準，空洞形成使許多設計師、SMD 生產線運營商和質量控制人員都倍感頭痛。本文重點介紹一種減少空洞的新方法。
優化空洞性能的參數通常是焊膏化學成分、回流焊溫度曲線、基板和元件的涂飾以及焊盤和模板設計。然而，在實踐中，改變這些參數有明顯的局限性。盡管進行了很多努力進行優化，但是仍然經常看到過高的空洞率水平。
不同程度的空洞
當我們仔細觀察焊點和空洞時，一個主要參數似乎一直沒有引起人們的關注。這就是焊料合金。
作為一項初步測試，市場上常用的三種無鉛焊料合金都具有空洞行為的特點。
進一步的研究策略包括用錫、鉍、銀、鋅、銅等元素來調節這些合金，并觀察其對空洞行為的影響。由于這種方法很快就產生了許多合金，TGA 分析被用作初始選擇工具。采用TGA 分析，可以監控在與某種合金相結合過程中焊劑化學成分的蒸發和回流焊溫度曲線。經驗表明，更平滑的蒸發曲線一般意味著較低的空洞形成水平。從這項研究中，選擇了8 種原型焊料合金，并對其進行了空洞行為表征。
為此，每種合金涂敷的60 個QFNs分別被焊接在三個不同涂敷的基板上：NiAu（ENIG）、OSP 和I-Sn。所有合金所使用的焊膏化學成分、模板厚度和布局、基板布局都是相同的。根據合金的熔點采用焊接溫度曲線。用X 射線測定空洞率水平。其中一種合金在空洞行為中得到了最好的結果，并被選擇做進一步的機械可靠性測試。
焊點中空洞形成的機理多年來一直是研究的主題。已經確定了許多空洞類型和形成機制。最引人注目的是大空洞，大空洞形成的主要因素似乎是焊膏中的化學成分。
微空洞、收縮空洞和Kirkendall空洞也是眾所周知的和備有證據的空洞類型，但不屬于本文的討論范圍。多年來已建立了許多減少空洞形成的技術。
調整焊膏化學成分、回流焊溫度曲線、組件、PCB 和模板設計或涂飾，是當前正在廣泛使用的一些優化工具。甚至設備制造商也在提供減少空洞率的解決方案，通過掃頻或真空技術。然而，還有另一個非常重要的定義空洞形成的參數——焊接合金。
焊接合金：一個不同尋常的可疑因素，空洞形成的主要因素一直被認為是焊膏中的焊劑。設計一種能有效減少空洞的焊膏焊劑似乎是正確的方法，因為大約50% 的焊劑將在回流焊過程中會蒸發，從而產生空洞。由于焦點集中在焊膏焊劑上，直到現在，對不同焊料合金的空洞形成差異的研究一直沒有關注。
空洞水平的測定用標準的可焊合金， 建立了一個基線的空洞形成百分比， 如SnAg3Cu0.5(SAC305)、SnAg0.3Cu0.7（LowSAC0307）和Sn42Bi57Ag1。在本文中所描述的所有測試中都使用了相同的焊膏化學成分。
為了了解PCB 涂飾之間的水平差異，對業界常用的3 種涂飾進行了測試：
OSPCu、ENIG（NiAu）和I-Sn。為了有足夠的空洞產生，在焊盤沒有任何減小的情況下，使用了120 μm的模板。對每種焊膏，使用適合每一個具體焊料合金的標準加熱回流焊曲線，回流焊接60 個Sn 涂飾的QFN 元件。
測試元件實例
對每個元件進行X 光檢查和接地平面的空洞水平測定，以確定空洞百分比。通過空洞面積與接地平面面積相比計算空洞百分比。沒有考慮單個空洞的大小。試驗結果表明，SAC305 和LowSAC0307 結果相當差。Sn42Bi57Ag1獲得較好的結果。
基于這些試驗結果，從空洞性能的角度出發，建立了最佳焊接合金的研究方案。研究方案使用了TGA 分析和X- 射線分析。此外，還考慮了其他參數，如回流焊溫度曲線、屈服強度、粘性范圍、延伸率以及其他工藝參數。
研發戰略涉及從標準的無鉛焊料合金開始，并用錫、鉍、銀、鋅、銅等進行調整。這樣很快就產生了許多候選合金，TGA 分析被用作初始選擇工具。采用TGA 分析，可以監控在與某種合金相結合過程中焊劑化學成分的蒸發和回流焊溫度曲線。更平滑的蒸發曲線一般意味著較低的空洞形成水平。從這項研究中選擇了8 種原型焊料合金作為進一步的研究對象。
對8種原型焊料合金進行相同的測試設置，作為初始基準測試。這意味著在不同的PCB 涂飾上用每種焊膏焊接QFNs，用X 射線分析真實的空洞性能。初步測試結果顯示，與標準合金SAC305、LowSAC0307 和Sn42Bi57Ag1相比，空洞率水平顯著降低。試驗合金G具有最低的空洞率，以及最窄的鋪展結果。這一合金被選中做進一步的機械可靠性試驗。
圖1 空洞水平參照值
參照樣本圖片
圖2 TGA分析
圖3 原型合金空洞水平
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