前言(yán)
随着電(diàn)子行業(yè)小型化(hua)多功能(neng)化發展(zhǎn)的趨勢(shi)，越來越(yuè)多的☔多(duō)功能，體(ti)積小的(de)元件應(ying)用于在(zài)各種 産(chǎn)品上，例(lì)如 QFN 元件(jiàn)和 LGA 元件(jiàn)。
QFN 是一種(zhǒng)無引腳(jiao)封裝，呈(cheng)正方形(xíng)或矩形(xíng)，封裝底(dǐ)部中央(yāng)位🌈置有(you)一個大(da)面積裸(luo)露焊盤(pan)用來導(dǎo) 熱，通過(guò)大焊盤(pán)的封裝(zhuāng)外圍四(sì)周焊盤(pan)導電實(shi)現電氣(qì)連結。由(you)于無引(yǐn)腳，貼裝(zhuāng)占有面(miàn)積比 QFP 小(xiao)，高度 比(bǐ) QFP 低，加上(shang)傑出的(de)電性能(neng)和熱性(xing)能，這種(zhong)封裝越(yuè)來越😄多(duō)地應用(yong)于在電(dian)子行業(yè)。
QFN 封裝具(ju)有優異(yi)的熱性(xing)能，主要(yào)是因爲(wei)封裝底(di)部有大(dà)🔆面積散(sàn)🔞熱焊盤(pan)，爲了能(neng)有效地(di)将熱量(liàng) 從芯片(pian)傳導到(dào) PCB 上，PCB 底部(bu)必須設(shè)計與之(zhi)相對應(ying)的散熱(rè)焊盤以(yǐ)及散熱(rè)🌂過孔，散(san)熱🌈焊盤(pan)提 供了(le)可靠的(de)焊接面(mian)積，過孔(kong)提供了(le)散熱途(tú)徑。因而(er)✍️，當芯片(pian)底部♈的(de)暴露焊(hàn)盤和 PCB 上(shang)的熱 焊(han)盤進行(hang)焊接時(shí)，由于熱(rè)過孔和(hé)大尺寸(cun)焊盤上(shang)錫🏃♂️膏中(zhong)的氣體(ti)将會向(xiang)外溢出(chu)，産生一(yī)定的氣(qi)體 孔，對(dui)于 smt 工藝(yi)而言，會(huì)産生較(jiào)大的空(kong)洞，要想(xiang)消除這(zhè)些氣孔(kong)幾乎是(shì)不可能(neng)的，隻有(yǒu)将 氣孔(kong)減小到(dao)最低量(liàng)。 LGA(land grid array)即在底(di)面制作(zuò)有陣列(liè)狀态坦(tan)電極觸(chù)點的封(fēng)裝，它的(de)😍外形與(yu) BGA 元件非(fei)常 相似(si)，由于它(ta)的焊盤(pan)尺寸比(bǐ) BGA 球直徑(jing)大 2～3 倍左(zuo)右，在空(kong)洞方面(mian)同樣也(yě)很難控(kòng)制。并且(qie) 它與 QFN 元(yuan)件一樣(yang)，業界還(hai)沒有制(zhi)定相關(guan)的工藝(yì)标準，這(zhè)在一定(ding)程度上(shàng)對電子(zi)加工行(hang)業造 成(chéng)了困擾(rǎo)。
本文通(tong)過大量(liang)實驗從(cong) 鋼網 優(yōu)化，爐溫(wen)優化以(yi)及預成(chéng)型焊片(piàn)來尋找(zhǎo)空洞的(de)解決方(fang)案。
在(zai)實驗中(zhōng)所采用(yòng)的 PCB 爲闆(pǎn)厚 1.6mm 的鎳(nie)金闆， 上(shàng)的 QNF 散熱(rè)焊盤⛹🏻♀️上(shàng)共有 22 個(ge)👣過孔;PCB 如(ru)圖示
1。QFN 采(cǎi)用 Sn 進行(hang)表面處(chu)理，四周(zhou)引腳共(gong)有 48 個，每(mei)個焊盤(pan)直㊙️徑爲(wèi) 0.28mm，間 距爲(wei) 0.5mm，散熱焊(hàn)盤尺寸(cun)爲 4.1*4.1mm。
如圖(tu)示 2. 圖 1，PCB 闆(pǎn)上的 QFN 焊(hàn)盤 實驗(yàn) 1---對比兩(liang)款不同(tong)的錫膏(gāo)
圖 2，實驗(yan)所用的(de) QFN 元件 在(zài)實驗中(zhōng)，爲了對(dui)比不同(tóng)的錫膏(gāo)對空洞(dòng)的影響(xiang)，我們采(cai)🔴用了兩(liǎng)種錫膏(gāo)，一款來(lai)自日系(xi)錫膏 A， 一(yi)款爲美(mei)系錫膏(gao) B，均爲業(ye)界最爲(wèi)知名的(de)錫膏公(gong)司👌。錫膏(gāo)🌈合金✂️爲(wei) SAC305 的 4 号粉(fen)錫膏，鋼(gāng) 網厚度(dù)爲 4mil，QFN 散熱(rè)焊盤采(cǎi)用 1：1 的方(fāng)形開孔(kǒng)，對比空(kong)洞結果(guo)如下圖(tu)所示，發(fa)現兩款(kuan) 錫膏在(zài) QFN 上均表(biao)現出較(jiao)大的空(kōng)洞，這可(ke)能由于(yu)散熱焊(hàn)盤💞較大(dà)，錫膏覆(fù)蓋了整(zheng)個焊盤(pan)，影 響了(le) 助焊劑(jì) 的出氣(qì)以及過(guo)孔産生(sheng)的氣體(ti)沒辦法(fǎ)排出氣(qì)，造成☁️較(jiào)大的空(kōng)洞㊙️，即使(shǐ)采用很(hěn)好的錫(xī) 膏的無(wú)濟于事(shi)。 錫膏 A(空(kōng)洞率 35.7%) 實(shi)驗 2---采用(yong)不同的(de)回流曲(qǔ)線 錫膏(gao) B(空洞率(lü) 37.2%) 考慮到(dào)助焊劑(ji)在回流(liu)時揮發(fā)會産生(shēng)大量的(de)氣體，在(zai)實驗中(zhōng)，我們采(cǎi)用了典(dian)型的線(xiàn)性式曲(qu)線和 馬(mǎ)鞍式平(píng)台曲線(xian)，通過回(huí)流我們(men)發現，采(cai)用線性(xìng)的曲線(xiàn)，它們的(de)空洞率(lü)都在 35%～45 之(zhi)間。
大的(de)空洞較(jiào)明顯，相(xiang)對于平(ping)台式曲(qǔ)線，它的(de)空洞數(shù)量較🈲少(shǎo)。而采用(yòng)平台式(shì)的曲線(xian)，沒有很(hen)大 的空(kong)洞，但是(shì)小的空(kōng)洞數量(liang)較多。這(zhe)主要是(shi)因爲采(cǎi)用平台(tái)式曲線(xiàn)，有助于(yu)助焊劑(ji)在熔點(diǎn)前最 大(da)的揮發(fa)，大部分(fèn)揮發性(xing)物質在(zai)熔點前(qián)通過高(gāo)溫烘烤(kǎo)蒸發了(le)，所以沒(mei)有很大(dà)的空洞(dong);而線性(xing) 式的曲(qǔ)線，由于(yú)預熱到(dao)熔點的(de)時間較(jiào)短，大部(bù)分的揮(hui)發性物(wu)♊質還沒(mei)有及時(shi)揮發，到(dao)達熔點(diǎn)的 時候(hòu)，焊料融(róng)化形成(cheng)很大的(de)表面張(zhāng)力，同時(shi)許多氣(qi)✊體同時(shi)揮發🏃，所(suǒ)以形成(chéng)較大的(de)空洞且(qiě)空洞 數(shu)量較小(xiǎo)。
Profile 1
Profile 2
實驗 3---采(cǎi)用不同(tong)的焊盤(pan)開孔方(fāng)式
對于(yu)散熱焊(han)盤，由于(yú)尺寸較(jiào)大，并且(qie)有過孔(kǒng)，在回流(liú)時，過孔(kong)由于加(jiā)熱産生(sheng)的氣體(ti)以及助(zhù)焊 劑本(ben)身的出(chū)氣由于(yu)沒有通(tōng)道排出(chu)去，容易(yì)産生較(jiào)🏃♀️大⭕的空(kōng)洞。在實(shí)驗中，爲(wèi)了幫助(zhù)氣體排(pai)出去， 我(wo)們将它(tā)分割爲(wei)幾塊小(xiǎo)型的焊(hàn)盤，如下(xià)圖所示(shì)，我們采(cǎi)用三種(zhǒng)開孔方(fāng)式。
開(kai)孔 3
如下(xia)圖所示(shì)，采用 3 種(zhǒng)不同的(de)鋼網開(kai)孔方式(shì)，回流後(hou)在 x-ray 下🤟看(kàn)空洞率(lü)均差不(bu)多，都在(zai) 35% 左右，随(sui)着通道(dao)的增多(duo)，空洞的(de)大小也(yě)逐漸降(jiang)低，如圖(tu)示開孔(kong) 1 中最大(da)的空洞(dong)爲 15%，而開(kāi) 孔 3 中最(zui)大的空(kong)洞爲 5%。開(kai)孔 1 表現(xiàn)出較大(dà)個的空(kong)洞，空洞(dong)♈的數量(liàng)較少，開(kāi)孔 2 與開(kai)孔 3 的空(kong)洞率均(jun)差不多(duō)，且單個(ge)的空洞(dong)均小于(yú)開孔 1 的(de)✂️空洞🏃🏻，但(dan)小的空(kōng)洞數量(liàng)較多，開(kai)孔 3 沒有(you) 較大的(de)空洞，但(dàn)是空洞(dòng)的數量(liàng)很多，如(rú)下圖所(suo)示。
開孔(kǒng) 1
開孔 2
開(kāi)孔 3
在另(lìng)一種産(chǎn)品上，我(wo)們對 QFN 采(cǎi)用同樣(yang)的 3 種開(kai)孔方式(shi)，空洞表(biao)現與上(shàng)面的産(chan)品表現(xiàn)不一 樣(yàng)，當通道(dào)越多時(shi)空洞率(lǜ)越低，這(zhè)說明對(duì)于某些(xie) QFN 元件，減(jiǎn)少大焊(hàn)🌂盤開孔(kǒng)尺寸增(zēng)加通道(dao) 有助于(yú)改善空(kong)洞率，但(dan)是對于(yu)某些 QFN 特(te)别是有(yǒu)許多💔過(guo)孔的大(da)焊盤，更(gèng)改鋼網(wǎng)開孔方(fang)式對 于(yu)空洞而(ér)言并沒(mei)有太大(dà)的幫助(zhu)。
實驗 4----采(cai)用低助(zhù)焊劑含(hán)量的焊(hàn)料
由于(yú)空洞主(zhu)要與助(zhu)焊劑出(chū)氣有關(guan)，那麽是(shì)否可采(cǎi)用📧低助(zhu)焊劑含(hán)量的焊(han)料?在實(shí)驗中，我(wǒ)們采 用(yòng)相同合(hé)金成份(fèn)的預成(chéng)型焊片(piàn) preform---SAC305，1%助焊劑(jì)，焊片尺(chǐ)寸爲 3.67*3.67*0.05mm， 焊(hàn)片與散(sàn)熱焊盤(pan)的比例(lì)爲 89%，對比(bi)錫膏中(zhong) 11.5%的助焊(han)劑📧，在散(sàn)🌐熱焊盤(pán)上采用(yòng)預成型(xíng)焊盤， 也(ye)就是用(yong) preform 替代錫(xi)膏，期待(dài)以通過(guò)降低助(zhù)焊劑的(de)含量來(lái)📱減少出(chū)氣來得(dé)到較低(dī)的空洞(dong)率。
在鋼(gang)網開孔(kǒng)上，對于(yú)四周焊(hàn)盤并不(bu)需要進(jìn)行任何(he)的更改(gǎi)，我們隻(zhī)需對散(sàn)熱焊盤(pán)的開孔(kǒng)方式進(jin) 行更改(gǎi)，如下圖(tú)所示，散(san)熱焊盤(pán)隻需要(yao)在四周(zhōu)各開一(yi)個🔅直徑(jìng) 0.015’’的小孔(kǒng)以固定(dìng)焊盤即(ji)可。
在回(huí)流曲線(xiàn)方面，我(wǒ)們采用(yòng)産線實(shi)際生産(chan)用的曲(qǔ)🔞線🌈，不做(zuo)任何更(geng)改，過爐(lu)後通過(guo) x-ray 檢測 看(kan) QFN 元件空(kong)洞，如下(xià)圖所示(shi)，空洞率(lü)爲 3～6%，單個(ge)最大空(kong)洞才 0.7%左(zuo)右。
補充(chōng)實驗 5-----焊(han)片是否(fǒu)可解決(jue) LGA 元件空(kōng)洞?
使用(yong)錫膏回(huí)流，優化(huà)爐溫和(hé)鋼網開(kāi)孔，效果(guǒ)均不明(ming)顯，它的(de)💔空洞率(lü)大概在(zài) 25～45%左右。如(rú) 下圖所(suǒ)示。
如何(he)在 LGA 使用(yòng)焊片呢(ne)?由于它(tā)的焊盤(pan)分别爲(wei) 2mm 和 1.6mm 的圓(yuan)形，考慮(lǜ)到焊片(piàn)和 LGA 元件(jiàn)的固定(dìng)問題，我(wǒ)們在鋼(gang)網開孔(kǒng)時，将圓(yuán)形焊盤(pan)開孔設(shè)計爲 4 個(gè)小的圓(yuán)形開孔(kǒng)，焊片尺(chi)寸 與焊(han)盤比例(li)爲 0.8，以保(bǎo)證焊盤(pán)的錫膏(gāo)在固定(dìng)焊片的(de)同時還(hái)能粘住(zhu) LGA 元件。
如(rú)下圖所(suo)示，
對于(yú)實驗結(jie)果簡單(dan)描述下(xià)，在回流(liu)中我們(men)不更改(gǎi)任何的(de)回流溫(wēn)度設定(dìng)，通過 X-ray 檢(jiǎn)測空洞(dòng) 率大概(gài)在 6～14%
總結(jie)
對于大(da)焊盤元(yuán)件，例如(rú) QFN 和 LGA 類元(yuan)件，将焊(hàn)盤切割(gē)成井字(zì)形或切(qie)割成小(xiao)塊，有助(zhù)于降 低(di)較大尺(chǐ)寸的空(kong)洞，因爲(wèi)增加通(tōng)道有助(zhu)于氣體(tǐ)的釋放(fàng)☂️。在回流(liu)曲線方(fang)面，需要(yao)考慮不(bu)同錫膏(gao) 中助焊(hàn)劑揮發(fa)的溫度(du)，盡量在(zài)回流前(qian)将大部(bù)分的氣(qì)體揮發(fā)有助于(yu)降低較(jiao)大尺寸(cùn)的空洞(dòng)，而使 用(yòng)線性的(de)回流曲(qǔ)線有助(zhù)于減小(xiǎo)空洞的(de)數量。如(rú)果有過(guo)孔較大(dà)的狀态(tài)下，鋼網(wǎng)開孔和(hé)回流曲(qǔ)線 都無(wú)法降低(di)空洞時(shí)，使用焊(hàn)片可以(yi)快速有(you)效的降(jiàng)低空洞(dòng)，這主要(yào)是因爲(wèi)焊片的(de)助焊劑(ji)含量相(xiang) 對于錫(xi)膏而言(yan)降低了(le) 5 倍，錫膏(gao)中的助(zhù)焊劑含(han)有溶劑(ji)，松香，增(zēng)稠劑等(deng)造成大(dà)量的揮(hui)發物在(zài) 高溫時(shi)容易形(xing)成較大(da)的空洞(dòng)，而焊片(pian)中的助(zhù)焊劑成(chéng)份主要(yào)由🌂松香(xiang)組成，不(bu)含溶劑(ji)等物質(zhi)，所 以有(you)效地降(jiang)低了空(kōng)洞。
