前言
随(sui)着電子行(háng)業小型化(hua)多功能化(hua)發展的趨(qū)勢，越來越(yue)🔆多的多功(gong)能，體積小(xiao)的元件應(ying)用于在各(gè)種 産品上(shang)，例如 QFN 元件(jiàn)和 LGA 元件。
QFN 是(shì)一種無引(yǐn)腳封裝，呈(chéng)正方形或(huò)矩形，封裝(zhuang)底部中央(yang)😄位🌍置有一(yi)個大面積(jī)裸露焊盤(pan)用來導 熱(rè)，通過大焊(hàn)盤的封裝(zhuāng)外圍四周(zhōu)焊盤導電(diàn)實現電氣(qi)連結。由🏃♀️于(yú)無引腳，貼(tie)裝占有面(miàn)積比 QFP 小，高(gāo)度 比 QFP 低，加(jia)上傑出的(de)電性能和(he)熱性能，這(zhe)種封裝越(yuè)來㊙️越多🈚地(dì)應用于在(zai)電子行業(yè)。
QFN 封裝具有(yǒu)優異的熱(re)性能，主要(yao)是因爲封(fēng)裝底部有(yǒu)大面積散(sàn)熱焊盤，爲(wei)了能有效(xiao)地将熱量(liang) 從芯片傳(chuán)導到 PCB 上，PCB 底(dǐ)部必須設(she)計與之相(xiàng)對應的散(sàn)熱焊盤以(yi)及散熱🧡過(guò)孔，散熱焊(han)盤提 供了(le)可靠的焊(hàn)接面積，過(guò)孔提供了(le)散熱途徑(jing)。因而，當芯(xin)💁片底部的(de)暴露焊盤(pan)和 PCB 上的熱(rè) 焊盤進行(háng)焊接時，由(yóu)于熱過孔(kǒng)和大尺寸(cùn)焊盤上錫(xī)膏中的氣(qì)體将會向(xiang)外溢出，産(chan)生一定的(de)氣體 孔，對(dui)于 smt 工藝而(ér)言，會産生(shēng)較大的空(kōng)洞，要想消(xiao)除這些氣(qi)孔幾乎是(shi)📱不可能的(de)，隻有将 氣(qi)孔減小到(dao)最低量。 LGA(land grid array)即(ji)在底面制(zhi)作有陣列(lie)狀态坦電(diàn)極觸點的(de)封裝，它的(de)外形與 BGA 元(yuán)件非常 相(xiàng)似，由于它(ta)的焊盤尺(chi)寸比 BGA 球直(zhí)徑大 2～3 倍左(zuo)右，在空洞(dong)👈方面同樣(yàng)也很難控(kong)制。并且 它(ta)與 QFN 元件一(yi)樣，業界還(hái)沒有制定(dìng)相關的工(gong)藝标準，這(zhe)在一❓定💋程(chéng)度上對電(diàn)子加工行(háng)業造 成了(le)困擾。
本文(wen)通過大量(liàng)實驗從 鋼(gāng)網 優化，爐(lu)溫優化以(yǐ)及預成型(xing)焊片來尋(xun)找空洞的(de)解💔決方案(an)。
在實驗中(zhōng)所采用的(de) PCB 爲闆厚 1.6mm 的(de)鎳金闆， 上(shang)的 QNF 散熱焊(hàn)盤上共有(yǒu) 22 個過孔;PCB 如(rú)圖示
1。QFN 采用(yong) Sn 進行表面(mian)處理，四周(zhōu)引腳共有(yǒu) 48 個，每個焊(hàn)盤直徑爲(wèi) 0.28mm，間 距爲 0.5mm，散(san)熱焊盤尺(chǐ)寸爲 4.1*4.1mm。
如圖(tu)示 2. 圖 1，PCB 闆上(shang)的 QFN 焊盤 實(shí)驗 1---對比兩(liǎng)款不同的(de)錫膏
圖 2，實(shí)驗所用的(de) QFN 元件 在實(shi)驗中，爲了(le)對比不同(tóng)的錫膏對(dui)空洞的影(ying)響，我們采(cai)用🔞了兩種(zhǒng)錫膏，一款(kuǎn)來自日系(xì)錫膏 A， 一款(kuan)爲美系錫(xi)膏 B，均爲業(ye)界最爲知(zhī)名的錫膏(gao)公司❗。錫膏(gao)合金爲 SAC305 的(de) 4 号粉錫膏(gāo)，鋼 網厚度(dù)爲 4mil，QFN 散熱焊(han)盤采用 1：1 的(de)方形開孔(kong)，對比空洞(dòng)結✂️果如👅下(xia)圖⛹🏻♀️所示，發(fa)現兩款 錫(xī)膏在 QFN 上均(jun1)表現出較(jiao)大的空洞(dong)，這可能由(you)于散熱焊(han)盤較大，錫(xī)膏覆蓋了(le)整個焊盤(pán)，影 響了 助(zhù)焊劑 的出(chu)氣以及過(guo)孔産生的(de)氣體沒辦(bàn)法排出氣(qì)，造成較大(dà)的空洞，即(ji)使采用很(hěn)好的錫 膏(gāo)的無濟于(yu)事。 錫膏 A(空(kōng)洞率 35.7%) 實驗(yan) 2---采用不同(tóng)的回流曲(qǔ)線 錫膏 B(空(kōng)洞率 37.2%) 考慮(lǜ)到助焊劑(ji)在回流時(shi)揮發會産(chǎn)生大量的(de)氣體🌐，在實(shí)驗中，我⁉️們(men)采用了典(dian)型的線性(xìng)式曲線和(he) 馬鞍式平(ping)台曲線，通(tōng)過回流我(wo)們發現，采(cai)用線性的(de)曲線，它們(men)的空洞率(lü)都在 35%～45 之間(jiān)。
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實驗 3---采用(yòng)不同的焊(hàn)盤開孔方(fang)式
對于散(sàn)熱焊盤，由(you)于尺寸較(jiào)大，并且有(yǒu)過孔，在回(hui)流時，過孔(kong)由🐪于🚩加熱(rè)産生的氣(qi)體以及助(zhu)焊 劑本身(shen)的出氣由(you)于沒有通(tong)道排出去(qu)，容易産生(shēng)較大的空(kōng)洞🙇♀️。在實驗(yan)中，爲了幫(bang)助氣體排(pai)出去， 我們(men)将它分割(ge)爲幾塊小(xiao)型的焊盤(pán)，如下圖所(suo)示，我們采(cǎi)用三種開(kai)孔方式。
開(kāi)孔 1
開孔 2
開(kāi)孔 3
如下圖(tú)所示，采用(yòng) 3 種不同的(de)鋼網開孔(kǒng)方式，回流(liú)後在 x-ray 下看(kan)💋空洞率均(jun)差不多，都(dōu)在 35% 左右，随(sui)着通道的(de)增多，空洞(dong)的大小也(ye)逐漸降低(di)，如圖示開(kāi)孔 1 中最大(dà)的空洞爲(wei) 15%，而開 孔 3 中(zhong)最大的空(kōng)洞爲 5%。開孔(kong) 1 表現出較(jiào)大個的空(kōng)洞，空洞的(de)數量👣較少(shǎo)，開孔 2 與開(kai)孔 3 的空洞(dòng)率均差不(bu)多，且單個(gè)的空洞均(jun1)小于開孔(kong) 1 的空洞😘，但(dàn)小的空洞(dong)數量較多(duo)，開孔 3 沒有(yǒu) 較大的空(kong)洞，但是空(kong)洞的數量(liang)很多，如下(xia)圖所示。
開(kai)孔 1
開孔 2
開(kāi)孔 3
在另一(yī)種産品上(shang)，我們對 QFN 采(cai)用同樣的(de) 3 種開孔方(fang)式，空洞表(biǎo)現與上面(miàn)的産品表(biao)現不一 樣(yang)，當通道越(yuè)多時空洞(dòng)率越低，這(zhè)說明對于(yú)某些 QFN 元件(jian)，減少🧡大焊(hàn)盤開孔尺(chǐ)寸增加通(tong)道 有助于(yu)改善空洞(dong)率，但是對(duì)于某些 QFN 特(tè)别是有許(xǔ)多過孔的(de)大焊盤，更(geng)改鋼網開(kāi)孔方式對(duì) 于空洞而(er)言并沒有(you)太大的幫(bang)助。
實驗 4----采(cǎi)用低助焊(hàn)劑含量的(de)焊料
由于(yu)空洞主要(yào)與助焊劑(jì)出氣有關(guān)，那麽是否(fou)可采用🛀🏻低(dī)助焊劑含(han)量的焊料(liao)?在實驗中(zhong)，我們采 用(yòng)相同合金(jīn)成份的預(yu)成型焊片(piàn) preform---SAC305，1%助焊劑，焊(han)片尺寸爲(wei) 3.67*3.67*0.05mm， 焊片與散(sàn)熱焊盤的(de)比例爲 89%，對(duì)比錫膏中(zhōng) 11.5%的助焊劑(jì)，在散熱焊(han)盤上采用(yòng)預成型焊(hàn)盤， 也就是(shì)用 preform 替代錫(xi)膏，期待以(yǐ)通過降低(dī)助焊劑的(de)含量來減(jiǎn)少出氣來(lai)得到較低(dī)的空洞率(lü)。
在鋼網開(kāi)孔上，對于(yu)四周焊盤(pán)并不需要(yao)進行任何(he)的更改，我(wǒ)們隻需對(duì)散熱焊盤(pan)的開孔方(fang)式進 行更(gèng)改，如下圖(tu)所示，散熱(rè)焊盤隻需(xu)要在四周(zhou)各開一🤩個(gè)直徑 0.015’’的小(xiǎo)孔以固定(ding)焊盤即可(kě)。
在回流曲(qǔ)線方面，我(wǒ)們采用産(chan)線實際生(sheng)産用的曲(qǔ)線，不做❗任(rèn)何☂️更改，過(guò)爐後通過(guò) x-ray 檢測 看 QFN 元(yuán)件空洞，如(rú)下圖所示(shi)，空洞率爲(wèi) 3～6%，單個最大(da)空洞才 0.7%左(zuo)🌈右。
補充實(shí)驗 5-----焊片是(shì)否可解決(jué) LGA 元件空洞(dong)?
由于 LGA 元件(jiàn)焊盤同樣(yàng)較大，在空(kōng)洞方面也(ye)比較難控(kong)制，那麽🛀焊(hàn)片是否可(kě)用于 LGA 降低(di)空 洞?如下(xià)圖所示，LGA 上(shàng)共有 2 種不(bú)同尺寸的(de)焊盤，58 個 2mm 直(zhí)徑❓的圓形(xing)☁️焊盤和 76 個(ge) 1.6mm 直徑的圓(yuan)形焊盤，焊(hàn)盤下同樣(yang)有過孔。
使(shǐ)用錫膏回(hui)流，優化爐(lu)溫和鋼網(wǎng)開孔，效果(guǒ)均不明顯(xian)☎️，它㊙️的空洞(dòng)率大概在(zai) 25～45%左右。如 下(xià)圖所示。
如(rú)何在 LGA 使用(yong)焊片呢?由(yóu)于它的焊(hàn)盤分别爲(wèi) 2mm 和 1.6mm 的圓形(xíng)🏃🏻♂️，考慮到焊(hàn)片和 LGA 元件(jiàn)的固定問(wen)題，我們在(zai)鋼網開孔(kong)時，将圓形(xíng)焊盤開孔(kong)設計爲🌈 4 個(gè)小的圓形(xing)開孔，焊片(piàn)尺寸 與焊(hàn)盤比例爲(wei) 0.8，以保證焊(han)盤的錫膏(gāo)在固定焊(hàn)片的同時(shi)🙇♀️還能粘住(zhu) LGA 元件。
如下(xia)圖所示，
對(dui)于實驗結(jie)果簡單描(miáo)述下，在回(huí)流中我們(men)不更改任(ren)何的回✨流(liú)溫度設定(ding)，通過 X-ray 檢測(cè)空洞 率大(dà)概在 6～14%
對于大焊(han)盤元件，例(li)如 QFN 和 LGA 類元(yuán)件，将焊盤(pán)切割成井(jǐng)‼️字形或切(qie)割成小塊(kuai)，有助于降(jiang) 低較大尺(chǐ)寸的空洞(dong)，因爲增加(jiā)通道有助(zhu)于氣體的(de)🏃♀️釋🚶♀️放。在回(huí)流曲線方(fang)面，需要考(kǎo)慮不同錫(xi)膏 中助焊(han)劑揮發的(de)溫度，盡量(liang)在回流前(qian)将大部分(fèn)的氣體揮(hui)發🏃♀️有助于(yu)降低較大(da)尺寸的空(kōng)洞，而使 用(yòng)線性的回(huí)流曲線有(you)助于減小(xiao)空洞的數(shù)量。如果有(yǒu)過孔較🧑🏽🤝🧑🏻大(da)的狀态下(xia)，鋼網開孔(kong)和回流曲(qu)線 都無法(fǎ)降低空洞(dòng)時，使用焊(hàn)片可以快(kuai)速有效的(de)降低空🥰洞(dòng)，這🌐主要是(shi)因爲焊片(piàn)的助焊劑(ji)含量相 對(duì)于錫膏而(ér)言降低了(le) 5 倍，錫膏中(zhong)的助焊劑(ji)含有溶劑(jì)，松香⭐，增稠(chóu)劑等造成(cheng)大量的揮(huī)發物在 高(gao)溫時容易(yì)形成較大(dà)的空洞，而(er)焊片中的(de)助焊劑成(cheng)♍份主要💜由(you)松香組成(chéng)，不含溶劑(ji)等物質，所(suǒ) 以有效地(dì)降低了空(kōng)洞。
