前言(yan)

   随着電子(zi)行業小型(xing)化多功能(neng)化發展的(de)趨勢，越來(lai)越多的🌈多(duo)功能，體積(ji)小的元件(jian)應用于在(zai)各種 産品(pin)上，例如 QFN 元(yuan)件和 LGA 元件(jian)。

   QFN 是一種無(wu)引腳封裝(zhuang)，呈正方形(xing)或矩形，封(feng)裝底部中(zhong)央位置有(you)一個大面(mian)積裸露焊(han)盤用來導(dao) 熱，通過大(da)焊盤的封(feng)裝外圍四(si)周焊盤導(dao)電實現電(dian)氣連結。由(you)于無引腳(jiao)，貼裝占有(you)面積比 QFP 小(xiao)，高度 比 QFP 低(di)，加上傑出(chu)的電性能(neng)和熱性能(neng)，這種封裝(zhuang)越來越多(duo)地應用于(yu)在電子行(hang)業。

   QFN 封裝具(ju)有優異的(de)熱性能，主(zhu)要是因爲(wei)封裝底部(bu)有大面積(ji)散熱焊盤(pan)，爲了能有(you)效地将熱(re)量 從芯片(pian)傳導到 PCB 上(shang)，PCB 底部必須(xu)設計與之(zhi)相對應的(de)散熱焊盤(pan)以及散熱(re)㊙️過孔❤️，散熱(re)焊盤提 供(gong)了可靠的(de)焊接面積(ji)，過孔提供(gong)了散熱途(tu)徑。因而㊙️，當(dang)芯片底部(bu)的暴露焊(han)盤和 PCB 上的(de)熱 焊盤進(jin)行焊接時(shi)，由于熱過(guo)孔和大尺(chi)寸焊盤上(shang)錫膏中的(de)氣體将會(hui)向外溢出(chu)，産生一定(ding)的氣體 孔(kong)，對于 smt 工藝(yi)而言，會産(chan)生較大的(de)空洞，要想(xiang)消除這些(xie)氣孔幾乎(hu)是不可能(neng)的，隻有将(jiang) 氣孔減小(xiao)到最低量(liang)。 LGA(land grid array)即在底面(mian)制作有陣(zhen)列狀态坦(tan)電極觸點(dian)的封裝，它(ta)的🏃🏻外形與(yu) BGA 元件非常(chang) 相似，由于(yu)它的焊盤(pan)尺寸比 BGA 球(qiu)直徑大 2～3 倍(bei)左右，在空(kong)洞方面同(tong)㊙️樣也很難(nan)控制。并且(qie) 它與 QFN 元件(jian)一樣，業界(jie)還沒有制(zhi)定相關的(de)工藝标準(zhun)，這在一🆚定(ding)程度上對(dui)電子加工(gong)行業造 成(cheng)了困擾。

  本(ben)文通過大(da)量實驗從(cong) 鋼網 優化(hua)，爐溫優化(hua)以及預成(cheng)型焊片來(lai)尋找空洞(dong)的解決方(fang)案。

  實驗設(she)計

  在實驗(yan)中所采用(yong)的 PCB 爲闆厚(hou) 1.6mm 的鎳金闆(pan)， 上的 QNF 散熱(re)焊盤上共(gong)有 22 個過孔(kong);PCB 如圖示

1。QFN 采(cai)用 Sn 進行表(biao)面處理，四(si)周引腳共(gong)有 48 個，每個(ge)焊盤直徑(jing)☁️爲 0.28mm，間 距爲(wei) 0.5mm，散熱焊盤(pan)尺寸爲 4.1*4.1mm。

如(ru)圖示 2. 圖 1，PCB 闆(pan)上的 QFN 焊盤(pan) 實驗 1---對比(bi)兩款不同(tong)的錫膏

   圖(tu) 2，實驗所用(yong)的 QFN 元件 在(zai)實驗中，爲(wei)了對比不(bu)同的錫膏(gao)對空洞的(de)影響，我們(men)🌈采用了兩(liang)種錫膏，一(yi)款來自日(ri)系錫膏 A， 一(yi)款爲美系(xi)錫膏 B，均爲(wei)業界最爲(wei)知名的錫(xi)膏公司😘。錫(xi)膏✂️合金🌏爲(wei)🌂 SAC305 的 4 号粉錫(xi)膏，鋼 網厚(hou)度爲 4mil，QFN 散熱(re)焊盤采用(yong) 1：1 的方形開(kai)孔，對比空(kong)洞結果如(ru)下圖所示(shi)，發現兩款(kuan) 錫膏在 QFN 上(shang)均表現出(chu)較大的空(kong)洞，這可能(neng)由于散熱(re)焊盤較🔞大(da)，錫膏覆蓋(gai)了整個焊(han)盤，影 響了(le) 助焊劑 的(de)出氣以及(ji)過孔産生(sheng)的氣體沒(mei)辦法排出(chu)氣，造成較(jiao)🚶‍♀️大的空🈲洞(dong)，即使采用(yong)很好的錫(xi) 膏的無濟(ji)于事。 錫膏(gao) A(空洞率 35.7%) 實(shi)驗 2---采用不(bu)同的回流(liu)曲線 錫膏(gao) B(空洞率 37.2%) 考(kao)慮到助焊(han)劑在回流(liu)時揮發會(hui)産生大量(liang)的氣體👄，在(zai)實驗中✏️，我(wo)🔴們采用了(le)典型的線(xian)性式曲線(xian)和 馬鞍式(shi)平台曲線(xian)，通過回流(liu)我們發現(xian)，采用線性(xing)的👄曲線⭐，它(ta)們的空洞(dong)率都在 35%～45 之(zhi)間。

  大的空(kong)洞較明顯(xian)，相對于平(ping)台式曲線(xian)，它的空洞(dong)數量較少(shao)。而采🐆用平(ping)台式的曲(qu)線，沒有很(hen)大 的空洞(dong)，但是小的(de)空洞數量(liang)較多。這主(zhu)要是因爲(wei)采用平台(tai)式🆚曲線，有(you)助于助焊(han)劑在熔點(dian)前最 大的(de)揮發，大部(bu)分揮發性(xing)物質在熔(rong)點前通過(guo)高溫烘烤(kao)蒸發了，所(suo)以沒有很(hen)大的空洞(dong);而線性 式(shi)的曲線，由(you)于預熱到(dao)熔點的時(shi)間較短，大(da)部分的揮(hui)🚶‍♀️發✂️性物質(zhi)還沒有及(ji)時揮發，到(dao)達熔點的(de) 時候，焊料(liao)融化形成(cheng)很大的表(biao)面張力，同(tong)時許多氣(qi)體同時揮(hui)發☎️，所以形(xing)成較大的(de)空洞且空(kong)洞 數量較(jiao)小。

Profile 1

Profile 2

  實驗 3---采(cai)用不同的(de)焊盤開孔(kong)方式

  對于(yu)散熱焊盤(pan)，由于尺寸(cun)較大，并且(qie)有過孔，在(zai)回流時，過(guo)孔👄由于加(jia)熱産生的(de)氣體以及(ji)助焊 劑本(ben)身的出氣(qi)由于沒有(you)通道排出(chu)去，容易産(chan)生較✊大的(de)空♻️洞。在實(shi)驗中，爲了(le)幫助氣體(ti)排出去， 我(wo)們将它分(fen)割爲幾塊(kuai)小型的焊(han)盤，如下圖(tu)所示，我🤟們(men)采用三種(zhong)開孔方式(shi)。

開孔 1

開孔(kong) 2

開孔 3

  如下(xia)圖所示，采(cai)用 3 種不同(tong)的鋼網開(kai)孔方式，回(hui)流後在 x-ray 下(xia)看💁空洞率(lü)均差不多(duo)，都在 35% 左右(you)，随着通道(dao)的增多，空(kong)洞的大小(xiao)也逐漸降(jiang)低，如圖示(shi)開🔞孔 1 中最(zui)大的空洞(dong)爲 15%，而開 孔(kong) 3 中最大的(de)空洞爲 5%。開(kai)孔 1 表現出(chu)較大個的(de)空洞，空洞(dong)的⛷️數量較(jiao)少，開孔 2 與(yu)開孔 3 的空(kong)洞率均差(cha)不多，且單(dan)個的空洞(dong)均小于開(kai)孔 1 的空洞(dong)，但小的空(kong)洞數量較(jiao)多，開孔 3 沒(mei)有 較大的(de)空洞，但是(shi)空洞的數(shu)量很多，如(ru)下圖所示(shi)。

開孔 1

開孔(kong) 2

開孔 3

   在另(ling)一種産品(pin)上，我們對(dui) QFN 采用同樣(yang)的 3 種開孔(kong)方式，空洞(dong)表現🐅與上(shang)面的産品(pin)表現不一(yi) 樣，當通道(dao)越多時空(kong)洞率越低(di)，這說明對(dui)于某些 QFN 元(yuan)件，減少大(da)焊盤開孔(kong)尺寸增加(jia)通道 有助(zhu)于改善空(kong)洞率，但是(shi)對于某些(xie) QFN 特别是有(you)許多過孔(kong)的大焊盤(pan)，更改鋼網(wang)開孔方式(shi)對 于空洞(dong)而言并沒(mei)有太大的(de)幫助。

實驗(yan) 4----采用低助(zhu)焊劑含量(liang)的焊料

  由(you)于空洞主(zhu)要與助焊(han)劑出氣有(you)關，那麽是(shi)否可采用(yong)低助焊❌劑(ji)🌈含量的焊(han)料?在實驗(yan)中，我們采(cai) 用相同合(he)金成份的(de)預成型焊(han)片 preform---SAC305，1%助焊劑(ji)，焊片尺寸(cun)爲 3.67*3.67*0.05mm， 焊片與(yu)散熱焊盤(pan)的比例爲(wei) 89%，對比錫膏(gao)中 11.5%的助焊(han)劑，在散👅熱(re)焊盤上采(cai)用預成型(xing)焊盤， 也就(jiu)是用 preform 替代(dai)錫膏，期待(dai)以通過降(jiang)低助焊劑(ji)的含量來(lai)減少出氣(qi)來得到較(jiao)低的空洞(dong)率。

  在鋼網(wang)開孔上，對(dui)于四周焊(han)盤并不需(xu)要進行任(ren)何的🚶更改(gai)，我💁們隻需(xu)對散熱焊(han)盤的開孔(kong)方式進 行(hang)更改，如下(xia)圖所示，散(san)熱焊盤隻(zhi)需要在四(si)周各開一(yi)個直徑 0.015’’的(de)小孔以固(gu)定焊盤即(ji)可。

  在回流(liu)曲線方面(mian)，我們采用(yong)産線實際(ji)生産用的(de)曲線🈲，不💁做(zuo)任何更改(gai)，過爐後通(tong)過 x-ray 檢測 看(kan) QFN 元件空洞(dong)，如下圖所(suo)示，空洞率(lü)爲 3～6%，單個最(zui)大空洞才(cai) 0.7%左右。

  補充(chong)實驗 5-----焊片(pian)是否可解(jie)決 LGA 元件空(kong)洞?

  由于 LGA 元(yuan)件焊盤同(tong)樣較大，在(zai)空洞方面(mian)也比較難(nan)控制，那麽(me)🔞焊片是否(fou)可用于 LGA 降(jiang)低空 洞?如(ru)下圖所示(shi)，LGA 上共有 2 種(zhong)不同尺寸(cun)的焊盤，58 個(ge) 2mm 直徑的圓(yuan)🍉形🌈焊盤和(he) 76 個 1.6mm 直徑的(de)圓形焊盤(pan)，焊盤下同(tong)樣有過孔(kong)。

  使用錫膏(gao)回流，優化(hua)爐溫和鋼(gang)網開孔，效(xiao)果均不明(ming)顯，它的空(kong)洞率大概(gai)在 25～45%左右。如(ru) 下圖所示(shi)。

   如何在 LGA 使(shi)用焊片呢(ne)?由于它的(de)焊盤分别(bie)爲 2mm 和 1.6mm 的圓(yuan)形，考慮到(dao)焊片和 LGA 元(yuan)件的固定(ding)問題，我們(men)在鋼網開(kai)孔時，将圓(yuan)形焊盤開(kai)孔設計爲(wei) 4 個小的圓(yuan)形開孔，焊(han)片尺寸 與(yu)焊盤比例(li)爲 0.8，以保證(zheng)焊盤的錫(xi)膏在固定(ding)焊片的同(tong)時還能✂️粘(zhan)住 LGA 元件。

如(ru)下圖所示(shi)，

  對于實驗(yan)結果簡單(dan)描述下，在(zai)回流中我(wo)們不更改(gai)任何的回(hui)流溫度設(she)定，通過 X-ray 檢(jian)測空洞 率(lü)大概在 6～14%

總(zong)結

   對于大(da)焊盤元件(jian)，例如 QFN 和 LGA 類(lei)元件，将焊(han)盤切割成(cheng)井⛷️字形或(huo)切❗割成小(xiao)塊，有助于(yu)降 低較大(da)尺寸的空(kong)洞，因爲增(zeng)加通道有(you)助于氣體(ti)的釋放。在(zai)✍️回流🥰曲線(xian)方面，需要(yao)考慮不同(tong)錫膏 中助(zhu)焊劑揮發(fa)的溫度，盡(jin)量在回流(liu)前将大部(bu)分的氣⭐體(ti)揮發有助(zhu)于降低較(jiao)大尺寸的(de)空洞，而使(shi) 用線性的(de)回流曲線(xian)有助于減(jian)小空洞的(de)數量。如果(guo)有過孔較(jiao)大的狀态(tai)下，鋼網開(kai)孔和回流(liu)曲線 都無(wu)法降低空(kong)洞時，使用(yong)焊片可以(yi)快速有效(xiao)的降低💔空(kong)🏃‍♂️洞，這主📞要(yao)是因爲焊(han)片的助焊(han)劑含量相(xiang) 對于錫膏(gao)而言降低(di)了 5 倍，錫膏(gao)中的助焊(han)劑含有溶(rong)劑，松香，增(zeng)稠🌈劑等造(zao)成大量的(de)揮發物在(zai) 高溫時容(rong)易形成較(jiao)大的空洞(dong)，而焊片中(zhong)的助焊劑(ji)🤟成份主💯要(yao)🏃‍♂️由松香組(zu)成，不含溶(rong)劑等物質(zhi)，所 以有效(xiao)地降低了(le)空洞。