SMT 减少 BGA 空洞 (Void) 发生的工艺控制方法

在表面贴装技术(SMT)领域，球栅阵列封装(BGA)以其引脚数目多、I/O 端子间距大、引脚与走线间寄生电容少、散热性能优等诸多优势，成为了电子产品制造中的关键技术。然而，BGA 焊点空洞问题却严重影响着产品的质量与可靠性，是 SMT 生产过程中亟待解决的重要难题。空洞不仅会削弱焊点的机械强度，降低其导电性和热传导能力，在汽车电子、航空航天等高可靠性要求的领域，甚至可能引发灾难性的失效。因此，深入研究并有效控制 BGA 空洞的产生，对于提升电子产品的品质具有至关重要的意义。

BGA 空洞形成的原因分析

材料因素

焊膏特性：焊膏的金属含量与粒径对空洞形成影响显著。金属含量越高、焊粉粒径越细，BGA 焊点冷却后内部空洞的体积比例往往越高。这是因为高金属含量和细粒径的焊粉在熔化时会形成更为致密的结构，致使挥发气体难以从紧密的焊膏中顺利逃逸。同时，助焊剂的沸点和粘度也不容忽视。低沸点和高粘度的助焊剂可能导致更多空洞的产生，低沸点助焊剂在焊接中过早挥发，留下高粘度残留物，这些残留物难以从熔融焊料中排出，大大增加了空洞形成的风险。

助焊剂特性：助焊剂的沸点、活性及溶剂挥发性是影响 BGA 空洞的关键。沸点较低的溶剂容易挥发，形成高黏性助焊剂残留物，难以从熔融焊料中排出，从而增加空洞形成的几率。活性较高的助焊剂能更有效地去除焊盘表面的氧化物，有利于焊料的润湿和扩散，进而减少空洞的形成。而溶剂挥发性过强可能导致助焊剂过早挥发，留下高粘度的残留物，同样会增加空洞形成的风险。

焊盘设计：焊盘的设计也在 BGA 空洞形成中扮演着重要角色。例如，微孔和盲孔等特殊设计可能使 BGA 器件底部位置更容易产生空洞。这些结构可能会截留助焊剂挥发物，阻碍气体的正常排出，最终导致空洞的形成。

工艺参数因素

印刷工艺：钢网设计对焊膏的转移起着决定性作用。开口尺寸与 PCB 焊盘匹配度不足，如开口面积比小于 0.66，会导致焊膏释放不完整;钢网厚度过大，超过 150μm 时，易造成焊膏塌陷，包裹气体，为空洞形成创造条件。印刷参数同样关键，刮刀压力过高，超过 8kg，会挤压焊膏进入钢网孔壁间隙，形成微气泡;印刷速度过快，大于 50mm/s，会导致焊膏填充不均匀，影响焊接质量，增加空洞出现的可能性。

贴片与回流焊：元件贴装压力过大，如超过 2N，会挤压焊膏，破坏助焊剂挥发通道，使得气体无法顺利排出。回流温度曲线的设置直接影响焊接效果，预热升温速率过快，超过 3℃/s，会引发助焊剂剧烈挥发，气体来不及排出;液相线以上时间(TAL)不足，小于 60s，导致气体逸出时间不够;峰值温度过高，超过 250℃，会加剧金属氧化，生成氧化物夹杂，这些都可能导致 BGA 空洞的出现。

环境控制：车间湿度超标，大于 60% RH，会导致 PCB 或元件吸湿，在回流时水分汽化成蒸汽泡，形成空洞。氮气保护不足，氧含量大于 1000ppm，会加剧焊料氧化，增加空洞产生的风险。

减少 BGA 空洞发生的工艺控制方法

优化材料选择

焊膏选择：选择金属含量适中、粒径较大的焊膏，可降低焊膏的致密性，提高气体逃逸的可能性。例如，在一些对焊接质量要求较高的电子产品生产中，选用合适粒径的焊膏，能够有效减少空洞的形成。

助焊剂优化：选用沸点适中、活性适当的助焊剂，既能有效清除氧化物，又能在适当时间挥发，减少空洞形成。同时，要控制助焊剂的涂敷量，避免过多的助焊剂残留导致空洞产生。采用模板涂敷等方式，确保助焊剂涂敷均匀，减少因局部助焊剂过多而引发的空洞问题。

精准控制工艺参数

印刷工艺优化：根据 BGA 元器件的间距，合理选择模板厚度。对于不同间距的 BGA 元器件，有相应推荐的模板厚度范围。例如，较薄的模板可以减少焊膏残留，提高焊接质量，但可能会影响其他元器件的焊膏量，因此需要综合考虑各元器件的需求，找到最佳平衡点。确保模板开孔设计合理，推荐使用宽厚比为 1.5 的模板开孔，同时保证面积比大于 0.66，以改善焊膏释放效果，减少孔壁焊膏残留，降低空洞形成的风险。

贴片与回流焊参数调整：严格控制贴装精度，确保 BGA 贴装准确，使焊球与焊盘精准对齐，减少因贴装偏差导致的空洞问题。优化回流温度曲线，在预热阶段，将温度控制在 150℃ - 180℃之间，保持 60 - 120 秒，让助焊剂充分发挥作用;回流阶段，对于无铅焊料，将温度控制在 217℃ - 235℃，确保焊膏完全熔化，助焊剂有效去除焊盘表面氧化物;冷却阶段，控制冷却速率，使冷却曲线与回流区曲线呈类似镜像关系，避免冷却速度过快导致焊料收缩不均匀形成空洞。

环境控制加强：严格控制车间环境湿度，将湿度保持在 60% RH 以下，防止 PCB 和元件吸湿。确保氮气保护充足，将氧含量控制在 1000ppm 以下，减少焊料氧化，降低空洞形成的风险。

设备维护与管理

定期设备检查：定期对 SMT 设备进行全面检查，包括印刷机、贴片机、回流焊炉等。检查设备的关键部件，如印刷机的刮刀、钢网，贴片机的吸嘴、贴装头，回流焊炉的加热元件、风扇等，确保设备处于良好的运行状态，减少因设备故障导致的焊接缺陷。

设备参数校准：定期对设备参数进行校准，保证设备参数的准确性。例如，对回流焊炉的温度进行校准，确保各温区的温度与设定值一致;对贴片机的贴装精度进行校准，保证元件贴装位置的准确性。通过精确的设备参数控制，提高焊接质量，减少 BGA 空洞的产生。

引入先进检测技术

X 射线检测：在焊接完成后，利用 X 射线检测设备对 BGA 焊点进行检测。X 射线能够穿透 PCB 和 BGA 器件，清晰地显示焊点内部的情况，包括是否存在空洞、空洞的大小和位置等。通过 X 射线检测，可以及时发现 BGA 空洞问题，并对生产工艺进行调整和优化。

在线监测系统：引入在线监测系统，对 SMT 生产过程中的关键参数进行实时监测，如温度曲线、湿度、氧含量等。当参数出现异常时，系统能够及时发出警报，提醒操作人员进行调整，从而有效预防 BGA 空洞等焊接缺陷的产生。

在 SMT 生产中，减少 BGA 空洞发生需要从材料选择、工艺参数控制、设备维护管理以及检测技术应用等多个方面入手，进行全面、系统的优化。只有通过精细化的工艺控制和严格的质量管理，才能有效降低 BGA 空洞率，提高电子产品的焊接质量和可靠性，满足日益增长的市场需求。