前言
随(sui)着電子行(háng)業小型化(huà)多功能化(hua)發展的趨(qū)勢，越來越(yuè)多的🤟多功(gong)能，體積小(xiǎo)的元件應(ying)用于在各(gè)種 産品上(shang)，例如 QFN 元件(jian)和 LGA 元件。
QFN 是(shi)一種無引(yin)腳封裝，呈(cheng)正方形或(huo)矩形，封裝(zhuang)底部中央(yang)位🌈置有👨❤️👨一(yi)個大面積(ji)裸露焊盤(pán)用來導 熱(rè)，通過大焊(han)盤的封裝(zhuāng)外圍四周(zhou)焊盤導電(diàn)實現電氣(qì)🔞連結。由于(yú)無引腳，貼(tiē)裝占有面(miàn)積比 QFP 小，高(gao)度 比 QFP 低，加(jiā)上傑出的(de)電性能和(hé)熱性能，這(zhè)種封裝越(yue)來越多🔴地(dì)應用于在(zài)電子行業(yè)。
QFN 封裝具有(you)優異的熱(re)性能，主要(yao)是因爲封(feng)裝底部有(you)大面積散(san)熱焊盤，爲(wei)了能有效(xiào)地将熱量(liàng) 從芯片傳(chuán)導到 PCB 上，PCB 底(dǐ)部必須設(shè)計與之相(xiàng)對應的散(sàn)熱焊盤以(yǐ)及散熱過(guò)孔👨❤️👨，散✔️熱焊(han)盤提 供了(le)可靠的焊(han)接面積，過(guò)孔提供了(le)散熱途徑(jìng)。因而，當芯(xin)片🤟底部⚽的(de)暴露焊盤(pán)和 PCB 上的熱(re) 焊盤進行(háng)焊接時，由(you)于熱過孔(kǒng)和大尺寸(cun)焊盤上錫(xi)膏中的氣(qi)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(er)言，會産生(sheng)較大的空(kong)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(dào)最低量。 LGA(land grid array)即(ji)在底面制(zhi)作有陣列(liè)狀态坦電(dian)極觸點的(de)封裝，它的(de)外☔形與🐪 BGA 元(yuan)件非常 相(xiang)似，由于它(ta)的焊盤尺(chǐ)寸比 BGA 球直(zhi)徑大 2～3 倍左(zuǒ)右，在空⭐洞(dòng)方面同樣(yang)也很難控(kong)制。并且 它(tā)與 QFN 元件一(yī)樣，業界還(hai)沒有制定(dìng)相關的工(gong)藝标準，這(zhè)在一定🤩程(cheng)度上對電(diàn)子加工行(háng)業造 成了(le)困擾。
本文(wén)通過大量(liàng)實驗從 鋼(gang)網 優化，爐(lu)溫優化以(yǐ)及預成型(xing)焊片來尋(xún)找空洞的(de)解決方案(àn)。
實驗設計(ji)
在實驗中(zhōng)所采用的(de) PCB 爲闆厚 1.6mm 的(de)鎳金闆， 上(shàng)的 QNF 散熱焊(han)盤上共🈚有(you) 22 個過孔;PCB 如(ru)圖示
1。QFN 采用(yòng) Sn 進行表面(mian)處理，四周(zhōu)引腳共有(yǒu) 48 個，每個焊(han)盤直徑🈲爲(wèi) 0.28mm，間 距爲 0.5mm，散(sàn)熱焊盤尺(chǐ)寸爲 4.1*4.1mm。
如圖(tú)示 2. 圖 1，PCB 闆上(shang)的 QFN 焊盤 實(shí)驗 1---對比兩(liang)款不同的(de)錫膏
圖 2，實(shi)驗所用的(de) QFN 元件 在實(shí)驗中，爲了(le)對比不同(tong)的錫膏對(dui)空洞的影(ying)響，我們☎️采(cai)用了兩種(zhǒng)錫膏，一款(kuan)來自日系(xi)錫膏 A， 一款(kuǎn)爲美系錫(xi)膏 B，均爲業(yè)界最爲知(zhi)名的錫膏(gao)公司。錫膏(gāo)🐅合金爲 SAC305 的(de) 4 号粉錫膏(gao)，鋼 網厚度(dù)爲 4mil，QFN 散熱焊(hàn)盤采用 1：1 的(de)方形開孔(kong)，對比空洞(dong)結果如下(xia)圖所示，發(fa)現兩款 錫(xi)膏在 QFN 上均(jun)表現出較(jiao)大的空洞(dong)，這可能由(you)于散熱焊(hàn)盤較大，錫(xi)膏覆蓋了(le)整個焊盤(pan)，影 響了 助(zhù)焊劑 的出(chū)氣以及過(guo)孔産生的(de)氣體沒辦(ban)法排出氣(qì)，造成✏️較大(dà)的💚空洞🏃🏻，即(ji)使采用很(hěn)好的錫 膏(gao)的無濟于(yú)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(kong)洞率 37.2%) 考慮(lǜ)到助焊劑(ji)在回流時(shi)揮發會産(chan)生大量的(de)氣體🤞，在實(shí)驗中🈲，我們(men)采用了典(dian)型的線性(xing)式曲線和(hé) 馬鞍式平(píng)台曲線，通(tong)過回流我(wǒ)們發現，采(cai)用線性的(de)曲線，它們(men)🌈的空洞率(lǜ)都在 35%～45 之間(jian)。
Profile 1
Profile 2
實驗 3---采用(yong)不同的焊(han)盤開孔方(fang)式
對于散(sàn)熱焊盤，由(yóu)于尺寸較(jiao)大，并且有(you)過孔，在回(huí)流時，過孔(kǒng)由于加熱(rè)産生的氣(qi)體以及助(zhù)焊 劑本身(shēn)的出氣由(you)于沒有通(tōng)道排出去(qù)，容易産生(shēng)較大的♍空(kong)🔞洞。在實驗(yan)中，爲了幫(bang)助氣體排(pái)出去， 我們(men)将它分割(gē)爲幾塊小(xiao)型的焊盤(pán)，如下圖所(suo)示，我們🈲采(cǎi)⁉️用三種開(kāi)孔方式。
開(kāi)孔 1
開孔 2
開(kai)孔 3
如下圖(tu)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(kàn)✍️空洞率均(jun1)差不多，都(dōu)在 35% 左右，随(suí)着通道的(de)增多，空洞(dòng)的大小也(ye)逐漸降低(dī)，如🏃圖示開(kāi)孔 1 中最大(da)的空洞爲(wèi) 15%，而開 孔 3 中(zhong)最大的空(kong)洞爲 5%。開孔(kǒng) 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(kāi)孔 3 的空洞(dòng)率均差不(bu)多，且單個(ge)的空洞均(jun)小于開孔(kong) 1 的空洞，但(dan)小的空洞(dong)數量較多(duo)，開孔 3 沒有(you) 較大的空(kōng)洞，但是空(kong)洞的數量(liang)很多，如下(xià)圖所示。
開(kai)孔 1
開孔 2
開(kāi)孔 3
在另一(yi)種産品上(shàng)，我們對 QFN 采(cǎi)用同樣的(de) 3 種開孔方(fang)式，空洞表(biao)現與上面(mian)的産品表(biǎo)現不一 樣(yang)，當通道越(yuè)多時空洞(dòng)率越低，這(zhè)說明對于(yu)某些 QFN 元件(jiàn)，減🛀少大焊(han)盤開孔尺(chi)寸增加通(tōng)道 有助于(yu)改善空洞(dong)率，但是對(duì)于某些 QFN 特(te)别是有許(xu)多過孔的(de)✉️大焊盤，更(gèng)改鋼網開(kāi)孔方式對(duì) 于空洞而(ér)言并沒有(yǒu)太大的幫(bāng)助。
實驗 4----采(cai)用低助焊(hàn)劑含量的(de)焊料
由于(yú)空洞主要(yào)與助焊劑(jì)出氣有關(guān)，那麽是否(fǒu)可采🌏用低(dī)助焊劑含(hán)量的焊料(liao)?在實驗中(zhōng)，我們采 用(yong)相同合金(jin)成份的預(yu)成型焊片(pian) preform---SAC305，1%助焊劑，焊(hàn)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(zhong) 11.5%的助焊劑(jì)，在散熱焊(han)盤上采用(yòng)預成型焊(han)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(jian)🧑🏾🤝🧑🏼少出💯氣來(lái)得到較低(dī)的空洞率(lǜ)。
在鋼網開(kāi)孔上，對于(yú)四周焊盤(pan)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(re)焊盤隻需(xū)要在四周(zhōu)各開一⛹🏻♀️個(gè)直徑🈲 0.015’’的👌小(xiao)孔以固定(dìng)焊盤即可(kě)。
在回流曲(qǔ)線方面，我(wǒ)們采用産(chǎn)線實際生(shēng)産用的曲(qǔ)線，不做🔴任(rèn)❗何更改，過(guò)爐後通過(guo) x-ray 檢測 看 QFN 元(yuán)件空洞，如(ru)下圖所示(shi)，空洞率爲(wèi) 3～6%，單個最大(dà)空洞才 0.7%左(zuǒ)右。
由于 LGA 元件(jiàn)焊盤同樣(yang)較大，在空(kōng)洞方面也(ye)比較難控(kòng)✨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(bu)同尺寸的(de)焊盤，58 個 2mm 直(zhí)徑的圓☎️形(xíng)焊盤和 76 個(ge) 1.6mm 直徑的圓(yuán)形焊盤，焊(hàn)盤下同樣(yàng)有過孔。
使(shǐ)用錫膏回(huí)流，優化爐(lu)溫和鋼網(wang)開孔，效果(guǒ)均不明顯(xian)，它的空洞(dòng)⛷️率大概在(zài) 25～45%左右。如 下(xia)圖所示。
如(rú)何在 LGA 使用(yòng)焊片呢?由(you)于它的焊(hàn)盤分别爲(wèi) 2mm 和 1.6mm 的圓形(xing)，考慮到✨焊(han)片和 LGA 元件(jiàn)的固定問(wèn)題，我們在(zai)鋼網開孔(kong)時，将圓形(xing)焊盤開孔(kǒng)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(shí)還能✉️粘住(zhu) LGA 元件。
如下(xià)圖所示，
對(dui)于實驗結(jié)果簡單描(miao)述下，在回(huí)流中我們(men)不更改任(rèn)何🥵的回流(liú)溫度設定(dìng)，通過 X-ray 檢測(cè)空洞 率大(dà)概在 6～14%
對于大焊(hàn)盤元件，例(lì)如 QFN 和 LGA 類元(yuan)件，将焊盤(pán)切割成井(jing)字形或切(qiē)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(fāng)面，需要考(kǎo)慮不同錫(xī)膏 中助焊(hàn)劑揮發的(de)溫度，盡量(liàng)在回流前(qian)将大部分(fèn)的氣🔴體揮(hui)發有🌈助于(yu)降低較大(dà)尺寸的空(kong)洞，而使 用(yòng)線性的回(huí)流曲線有(yǒu)助于減小(xiao)空洞的數(shù)量。如果🈚有(you)過孔較大(dà)的狀态下(xià)，鋼網開孔(kong)和回流曲(qǔ)線 都無法(fa)降低空洞(dòng)時，使用焊(han)片可以快(kuai)速有效的(de)降低空洞(dong)，這主要是(shi)因爲焊片(pian)的助焊劑(jì)含量相 對(duì)于錫膏而(er)言降低了(le) 5 倍，錫膏中(zhong)的助焊劑(jì)含有溶劑(ji)，松❤️香🏒，增稠(chou)劑等造成(chéng)大量的揮(hui)發物在 高(gāo)溫時容易(yi)形成較大(dà)的空洞，而(ér)焊片中的(de)助焊劑成(chéng)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。
