前言
随(sui)着電子行業(yè)小型化多功(gong)能化發展的(de)趨勢，越來越(yuè)🏃♀️多🤩的多功✏️能(neng)，體積小的元(yuan)件應用于在(zài)各種 産品上(shàng)，例如 QFN 元件和(he) LGA 元件。
QFN 是一種(zhǒng)無引腳封裝(zhuāng)，呈正方形或(huò)矩形，封裝底(dǐ)部中✔️央位置(zhi)有一個大面(mian)積裸露焊盤(pán)用來導 熱，通(tong)過大焊盤的(de)封裝外圍四(sì)周焊盤導電(dian)實現電氣㊙️連(lián)結💞。由于無引(yin)腳，貼裝占有(yǒu)面積比 QFP 小，高(gāo)度 比 QFP 低，加上(shàng)傑出的電性(xing)能和熱性能(néng)，這種封裝越(yuè)來越多✊地應(ying)用于在電子(zi)行業。
QFN 封裝具(jù)有優異的熱(rè)性能，主要是(shi)因爲封裝底(dǐ)部有大面積(ji)散熱焊盤，爲(wei)了能有效地(dì)将熱量 從芯(xīn)片傳導到 PCB 上(shang)，PCB 底部必須設(shè)計與之相對(dui)應的散熱焊(hàn)盤以及散熱(rè)過孔，散熱焊(hàn)盤提 供了可(kě)靠的焊接面(mian)積，過孔提供(gong)了散熱途徑(jing)。因而，當芯片(pian)底💜部的暴露(lù)焊盤和 PCB 上的(de)熱 焊盤進行(háng)焊接時，由于(yu)熱過孔和大(dà)尺寸焊盤上(shàng)錫膏中的氣(qì)🏒體将會向外(wài)溢出，産生一(yi)定的氣體 孔(kong)，對于 smt 工藝而(ér)言，會産生較(jiào)大的空洞，要(yào)想消除這些(xiē)氣孔幾乎📐是(shì)不💰可能的，隻(zhī)有将 氣孔減(jiǎn)小到最低量(liang)。 LGA(land grid array)即在底面制(zhi)作有陣列狀(zhuàng)态坦電極觸(chù)點的封裝，它(ta)的外形♋與 BGA 元(yuán)件非常 相似(sì)，由于它的焊(han)盤尺寸比 BGA 球(qiu)直徑大 2～3 倍左(zuo)右，在空洞方(fāng)面同樣也很(hěn)難控制。并且(qiě) 它與 QFN 元件一(yi)樣，業界還沒(méi)有制定相關(guān)的工藝标準(zhǔn)，這在✨一定💛程(cheng)度上對電子(zi)加工行業造(zào) 成了困擾。
本(ben)文通過大量(liang)實驗從 鋼網(wǎng) 優化，爐溫優(you)化以及預成(chéng)型焊片來尋(xun)找空洞的解(jiě)🤞決方案。
實驗(yan)設計
在實驗(yàn)中所采用的(de) PCB 爲闆厚 1.6mm 的鎳(nie)金闆， 上的 QNF 散(sàn)熱焊🌈盤上🥰共(gòng)有💃 22 個🐆過孔;PCB 如(ru)圖示
1。QFN 采用 Sn 進(jin)行表面處理(lǐ)，四周引腳共(gòng)有 48 個，每個焊(han)盤直徑爲🌈 0.28mm，間(jian) 距爲 0.5mm，散熱焊(han)盤尺寸爲 4.1*4.1mm。
如(ru)圖示 2. 圖 1，PCB 闆上(shàng)的 QFN 焊盤 實驗(yàn) 1---對比兩款不(bú)同的錫膏
圖(tu) 2，實驗所用的(de) QFN 元件 在實驗(yàn)中，爲了對比(bǐ)不同的錫膏(gāo)對空洞的影(ying)響，我們采♉用(yong)了兩種錫膏(gāo)，一款來自日(ri)系錫膏 A， 一款(kuǎn)爲美系錫膏(gao) B，均爲業界最(zui)爲知名的錫(xi)膏公司。錫膏(gao)合❌金爲 SAC305 的 4 号(hào)粉錫膏，鋼 網(wǎng)厚度爲 4mil，QFN 散熱(rè)焊盤采用 1：1 的(de)方形開孔，對(dui)比空洞結果(guǒ)💋如下圖👉所示(shì)，發現兩款 錫(xī)膏在 QFN 上均表(biao)現出較大的(de)空洞，這可能(neng)由于散熱焊(hàn)🌈盤較大，錫膏(gāo)覆蓋了整個(ge)焊盤，影 響了(le) 助焊劑 的出(chū)氣以及過孔(kǒng)産生的氣體(ti)沒辦法排出(chu)氣，造成較大(dà)📐的空洞，即使(shi)采用很好的(de)錫 膏的無濟(jì)于事。 錫膏 A(空(kōng)洞率 35.7%) 實驗 2---采(cai)用不同的回(huí)流曲線 錫膏(gāo) B(空洞率 37.2%) 考慮(lü)到助焊劑在(zài)回流時揮發(fā)會産生大量(liàng)的氣體，在實(shi)驗中，我💚們采(cǎi)用了典型的(de)線性式曲線(xian)和 馬鞍式平(ping)台曲線，通過(guò)回流我們發(fā)現，采用線性(xing)的曲線，它🐆們(men)的空洞率都(dou)在 35%～45 之間。
大的(de)空洞較明顯(xiǎn)，相對于平台(tai)式曲線，它的(de)空洞數量較(jiào)少。而采用平(píng)台式的曲線(xian)，沒有很大 的(de)空洞，但是小(xiǎo)的空洞數量(liang)較多。這主要(yao)是因爲采用(yong)平🐆台式曲🔴線(xiàn)，有助于助焊(hàn)劑在熔點前(qian)最 大的揮發(fā)，大部分揮發(fa)性物質在熔(rong)點前通過高(gao)溫烘烤蒸發(fā)了，所以沒有(yǒu)很大的空洞(dong);而線性 式的(de)曲線，由于預(yù)熱到熔點的(de)時間較短，大(dà)部分的揮發(fā)性物質還沒(méi)有及時揮發(fā)，到達熔點的(de) 時候，焊料融(rong)化形成很大(dà)的表面張力(lì)，同時許多氣(qì)體同㊙️時揮發(fā)，所以形成較(jiào)大的空洞且(qie)空洞 數量較(jiào)小。
Profile 1
實驗 3---采用(yòng)不同的焊盤(pán)開孔方式
開孔 1
開孔(kǒng) 2
開孔 3
如下圖(tú)所示，采用 3 種(zhǒng)不同的鋼網(wang)開孔方式，回(huí)流後💚在 x-ray 下看(kan)空洞率均差(cha)不多，都在 35% 左(zuo)右，随着通道(dào)的增多，空洞(dong)的大小也逐(zhú)漸降低，如圖(tu)示開孔 1 中最(zuì)大的空洞爲(wèi) 15%，而開 孔 3 中最(zui)大的空洞爲(wèi) 5%。開孔 1 表現出(chū)較大個的空(kōng)洞，空洞的數(shù)⛹🏻♀️量較少，開孔(kong) 2 與開孔 3 的空(kōng)洞率均差不(bú)多，且單個的(de)空洞均小于(yu)開孔 1 的🚶空洞(dong)，但小💛的❗空洞(dong)數量較多，開(kai)孔 3 沒有 較大(da)的空洞，但是(shì)空洞的數量(liàng)很多，如下圖(tú)所示。
開孔 1
開(kai)孔 2
開孔 3
在另(ling)一種産品上(shang)，我們對 QFN 采用(yòng)同樣的 3 種開(kai)孔方式，空🌈洞(dòng)表現❗與上面(mian)的産品表現(xian)不一 樣，當通(tong)道越多時空(kong)洞率越低，這(zhè)說明對于某(mǒu)些 QFN 元件，減少(shao)大焊盤開孔(kǒng)尺寸增加通(tōng)道 有助于改(gai)善空洞率，但(dàn)是對于某些(xie) QFN 特别是有許(xu)多☎️過孔的大(da)焊🌂盤，更改鋼(gang)網開孔方式(shì)對 于空洞而(er)言并沒有太(tai)大的幫助。
實(shi)驗 4----采用低助(zhù)焊劑含量的(de)焊料
由于空(kōng)洞主要與助(zhù)焊劑出氣有(yǒu)關，那麽是否(fǒu)可采用低助(zhù)焊♻️劑含量的(de)焊料?在實驗(yàn)中，我們采 用(yong)相同合金成(cheng)份的預成型(xing)焊片 preform---SAC305，1%助焊劑(jì)，焊片尺寸❗爲(wèi) 3.67*3.67*0.05mm， 焊片與散熱(re)焊盤的比例(lì)爲 89%，對比錫膏(gāo)中 11.5%的助焊劑(jì)，在散熱焊盤(pan)上采用預成(cheng)型焊盤， 也就(jiù)是用 preform 替代錫(xi)膏，期待以通(tōng)過降低助焊(hàn)劑的含量來(lai)🏃減少出氣來(lái)得到較低的(de)空洞率。
在鋼(gāng)網開孔上，對(dui)于四周焊盤(pán)并不需要進(jìn)行任何👉的更(geng)改，我們隻需(xu)對散熱焊盤(pán)的開孔方式(shi)進 行更改，如(rú)下圖所示，散(san)熱焊盤隻需(xū)要在四周各(gè)開一個直徑(jing) 0.015’’的小孔以固(gu)定焊盤即可(kě)。
在回流曲線(xiàn)方面，我們采(cǎi)用産線實際(jì)生産用的曲(qu)線🏃，不做任何(he)🌈更改，過爐後(hou)通過 x-ray 檢測 看(kan) QFN 元件空洞，如(rú)下圖所示，空(kong)洞率爲 3～6%，單個(gè)最大空洞才(cai)🌈 0.7%左右。
由于 LGA 元(yuan)件焊盤同樣(yang)較大，在空洞(dong)方面也比較(jiào)難控制，那麽(me)焊片是否可(ke)用于 LGA 降低空(kong) 洞?如下圖所(suo)示，LGA 上共有 2 種(zhǒng)不同尺寸的(de)焊盤，58 個 2mm 直徑(jing)的圓形焊👄盤(pán)和 76 個 1.6mm 直徑的(de)圓形焊盤，焊(hàn)盤下同樣有(you)過孔。
使用錫(xī)膏回流，優化(huà)爐溫和鋼網(wǎng)開孔，效果均(jun1)不明顯，它的(de)空洞率大概(gài)在 25～45%左右。如 下(xià)圖所示。
如何(hé)在 LGA 使用焊片(pian)呢?由于它的(de)焊盤分别爲(wèi) 2mm 和 1.6mm 的圓形🈲，考(kao)🌈慮到焊片和(hé) LGA 元件的固定(ding)問題，我們在(zài)鋼網開孔時(shí)，将圓形焊盤(pán)開孔設⭐計✔️爲(wei) 4 個小的圓形(xíng)開孔，焊片尺(chi)寸 與焊盤比(bi)例爲 0.8，以保證(zheng)焊盤的錫膏(gao)在固定焊片(piàn)的同🌈時還能(néng)粘住 LGA 元件。
如(rú)下圖所示，
總結(jié)
對于大焊盤(pan)元件，例如 QFN 和(hé) LGA 類元件，将焊(han)盤切割成井(jing)字🐉形或切🔞割(gē)成小塊，有助(zhù)于降 低較大(da)尺寸的空洞(dong)，因爲增加通(tōng)道有助于氣(qì)體的😄釋放。在(zài)回流曲線方(fang)面，需要考慮(lü)不同錫膏 中(zhong)助焊劑揮發(fa)的溫度，盡量(liàng)在回流前将(jiāng)大部分的🎯氣(qi)體揮發💃有助(zhu)于降低較大(dà)尺寸的空洞(dong)，而使 用線性(xìng)的回流曲線(xian)有助于減小(xiao)空洞的數量(liang)。如果🎯有🙇♀️過孔(kǒng)較大的狀态(tài)下，鋼網開孔(kong)和回流曲線(xian) 都無法降低(dī)空洞時，使用(yong)焊片可以快(kuài)速有效的降(jiàng)低空洞，這主(zhu)要是因爲焊(han)片的助焊劑(ji)含量相 對于(yú)錫膏而言降(jiang)低了 5 倍，錫膏(gāo)中的助焊劑(ji)含有溶🌈劑，松(sōng)香，增稠劑等(deng)造成大量的(de)揮發物在 高(gao)溫時容易形(xíng)成較大的空(kōng)洞，而焊片中(zhōng)的助焊劑成(chéng)份主要由松(song)香組成，不含(han)溶劑等物質(zhì)，所 以有效地(dì)降低了空洞(dong)。
