前言

   随着電(dian)子行業小型化(huà)多功能化發展(zhan)的趨勢，越來越(yue)多的多功能，體(ti)積小的元件應(ying)用于在各種 産(chan)品上，例如 QFN 元件(jian)和 LGA 元件。

   QFN 是一種(zhong)無引腳封裝，呈(chéng)正方形或矩形(xíng)，封裝底部中央(yāng)位置有❓一個大(da)面積裸露焊盤(pán)用來導 熱，通過(guo)大焊盤的封裝(zhuang)外圍四周焊盤(pán)導電實現電氣(qì)⭕連結。由于❗無引(yǐn)腳，貼裝占有面(mian)積比 QFP 小，高度 比(bi) QFP 低，加上傑出的(de)電性能和熱性(xìng)能，這種封裝越(yuè)來越多地應用(yong)于在電子行業(ye)。

   QFN 封裝具有優異(yi)的熱性能，主要(yào)是因爲封裝底(dǐ)部有大面積散(sàn)熱💜焊盤，爲了能(neng)有效地将熱量(liàng) 從芯片傳導到(dào) PCB 上，PCB 底部必須設(shè)計與之相對應(yīng)的散熱焊盤以(yi)及散熱過孔，散(sàn)熱焊盤提 供了(le)可靠的焊接面(miàn)積，過孔提供了(le)散熱途徑。因而(er)，當芯片底部的(de)暴露焊盤和 PCB 上(shàng)的熱 焊盤進行(háng)焊接時，由于熱(rè)過孔和大尺寸(cùn)焊盤上錫膏中(zhōng)的氣體将會向(xiàng)外溢出，産生一(yī)定的氣體 孔，對(duì)于 smt 工藝而言，會(hui)産生較大的空(kōng)洞，要想消除這(zhè)些氣孔幾乎是(shi)不可能的，隻有(yǒu)将 氣孔減小到(dào)最低量。 LGA(land grid array)即在底(di)面制作有陣列(liè)狀态坦電極觸(chù)點的封裝，它的(de)外形與 BGA 元件非(fēi)常 相似，由于它(ta)的焊盤尺寸比(bi) BGA 球直徑大 2～3 倍左(zuǒ)右，在空洞方面(mian)同樣也很難控(kong)制。并且 它與 QFN 元(yuán)件一樣，業界還(hai)沒有制定相關(guān)的工藝标準，這(zhè)在一定程度上(shang)對電子加工行(hang)業造 成了困擾(rǎo)。

  本文通過大量(liàng)實驗從 鋼網 優(you)化，爐溫優化以(yǐ)及預成型焊片(piàn)來尋找空洞的(de)解決方案。

  實驗(yàn)設計

  在實驗中(zhong)所采用的 PCB 爲闆(pan)厚 1.6mm 的鎳金闆， 上(shàng)的 QNF 散熱焊盤上(shang)共🍓有 22 個過孔;PCB 如(rú)圖示

1。QFN 采用 Sn 進行(háng)表面處理，四周(zhou)引腳共有 48 個，每(měi)個焊盤直徑爲(wei) 0.28mm，間 距爲 0.5mm，散熱焊(hàn)盤尺寸爲 4.1*4.1mm。

如圖(tú)示 2. 圖 1，PCB 闆上的 QFN 焊(hàn)盤 實驗 1---對比兩(liang)款不同的錫膏(gao)

   圖 2，實驗所用的(de) QFN 元件 在實驗中(zhong)，爲了對比不同(tong)的錫膏對空洞(dòng)的影響，我們🈲采(cai)用了兩種錫膏(gāo)，一款來自日系(xì)錫膏 A， 一款爲美(měi)系錫膏 B，均爲業(ye)界最爲知名的(de)錫膏公司。錫膏(gao)合金爲 SAC305 的 4 号粉(fen)錫膏，鋼 網厚度(du)爲 4mil，QFN 散熱焊盤采(cai)用 1：1 的方形開孔(kong)，對比空洞結果(guǒ)如下圖所示，發(fā)現兩款 錫膏在(zai) QFN 上均表現出較(jiào)大的空洞，這可(ke)能由于散熱焊(hàn)盤較大，錫膏覆(fù)蓋了整個焊盤(pán)，影 響了 助焊劑(ji) 的出氣以及過(guò)孔産生的氣體(ti)沒辦法排出氣(qi)，造成較大的空(kong)洞，即使采用很(hěn)好的錫 膏的無(wú)濟于事。 錫膏 A(空(kōng)洞率 35.7%) 實驗 2---采用(yòng)不同的回流曲(qǔ)線 錫膏 B(空洞率(lǜ) 37.2%) 考慮到助焊劑(ji)在回流時揮發(fā)會産生大量的(de)氣體，在實驗中(zhong)，我們采用了典(diǎn)型的線性式曲(qǔ)線和 馬鞍式平(ping)台曲線，通過回(hui)流我們發現，采(cǎi)用線性的曲線(xian)，它們的🔆空洞率(lǜ)都在 35%～45 之間。

  大的(de)空洞較明顯，相(xiang)對于平台式曲(qu)線，它的空洞數(shù)量較少。而采用(yong)平台式的曲線(xiàn)，沒有很大 的空(kong)洞，但是小的空(kōng)洞數量較多。這(zhè)主要是因爲采(cai)用平㊙️台式曲線(xian)，有助于助焊劑(jì)在熔點前最 大(dà)的揮發，大部分(fen)揮發性物質在(zài)熔點前通過高(gāo)溫烘烤蒸發了(le)，所以沒有很大(da)的空洞;而線性(xing) 式的曲線，由于(yu)預熱到熔點的(de)時間較短，大部(bù)分的揮發性物(wù)質👅還沒有及時(shí)揮發，到達熔點(diǎn)的 時候，焊料融(rong)化形成很大的(de)表面張力，同時(shí)許多氣😍體同時(shi)揮發，所以形成(chéng)較大的空洞且(qiě)空洞 數量較小(xiǎo)。

Profile 1

Profile 2

  實驗 3---采用不同(tóng)的焊盤開孔方(fāng)式

  對于散熱焊(han)盤，由于尺寸較(jiao)大，并且有過孔(kǒng)，在回流💞時，過㊙️孔(kong)由🎯于加熱産生(shēng)的氣體以及助(zhù)焊 劑本身的出(chū)氣由于沒有通(tong)道排出去，容易(yì)産生較大的空(kōng)洞。在實驗中，爲(wèi)了幫助氣體排(pai)出去， 我們将它(tā)分割爲幾塊小(xiǎo)型的焊盤，如下(xià)圖所示，我們采(cai)🚶‍♀️用三種開孔方(fang)式。

開孔 1

開孔 2

開(kai)孔 3

  如下圖所示(shì)，采用 3 種不同的(de)鋼網開孔方式(shi)，回流後在 x-ray 下看(kan)空㊙️洞🌈率均差不(bú)多，都在 35% 左右，随(sui)着通道的增多(duo)，空洞的大小也(ye)逐漸降低，如圖(tú)示開孔 1 中最大(da)的空洞爲 15%，而開(kai) 孔 3 中最大的空(kong)洞爲 5%。開孔 1 表現(xian)出較大個的空(kōng)洞，空洞的數🔴量(liàng)較少，開孔 2 與開(kāi)孔 3 的空洞率均(jun)差不多，且單個(ge)的空洞均小于(yú)開孔 1 的空💘洞，但(dàn)小的空洞數量(liàng)較多，開孔 3 沒有(you) 較大的空洞，但(dan)是空洞的數量(liang)很多，如下圖所(suǒ)示。

開孔 1

開孔 2

開(kai)孔 3

   在另一種産(chǎn)品上，我們對 QFN 采(cai)用同樣的 3 種開(kāi)孔方式，空⛱️洞表(biao)現🛀🏻與上面的産(chǎn)品表現不一 樣(yang)，當通道越多時(shí)空洞率越低，這(zhe)說明對于某些(xiē) QFN 元件，減少大焊(hàn)盤開孔尺寸增(zeng)加通道 有助于(yú)改善空洞率，但(dàn)是對于某些 QFN 特(te)别是有許多過(guo)孔🧡的👈大焊✌️盤，更(geng)改鋼網開孔方(fang)式對 于空洞而(er)言并沒有太大(da)的幫助。

實驗 4----采(cai)用低助焊劑含(han)量的焊料

  由于(yu)空洞主要與助(zhù)焊劑出氣有關(guān)，那麽是否可采(cǎi)用低助焊劑含(hán)量的焊料?在實(shí)驗中，我們采 用(yòng)相同合金成份(fen)的預成型焊片(pian) preform---SAC305，1%助焊劑，焊片尺(chi)寸爲 3.67*3.67*0.05mm， 焊片與散(san)熱焊盤的比例(li)爲 89%，對比錫膏中(zhōng) 11.5%的助焊劑，在散(sàn)熱焊🔱盤上采用(yong)預成型焊盤， 也(ye)就是用 preform 替代錫(xī)膏，期待以通過(guò)降低助焊劑的(de)含🏃‍♀️量來減少出(chu)氣來得到較低(di)的空洞率。

  在鋼(gang)網開孔上，對于(yú)四周焊盤并不(bu)需要進行任何(hé)🍉的更改，我們隻(zhi)需對散熱焊盤(pán)的開孔方式進(jìn) 行更改，如下圖(tu)所示，散熱焊盤(pan)隻需要在四周(zhōu)各開🧑🏾‍🤝‍🧑🏼一🙇🏻個直👈徑(jìng) 0.015’’的☔小孔以固定(ding)焊盤即可。

  在回(huí)流曲線方面，我(wo)們采用産線實(shi)際生産用的曲(qǔ)線，不✏️做任何更(geng)改，過爐後通過(guò) x-ray 檢測 看 QFN 元件空(kong)洞，如下圖所示(shì)，空洞率爲 3～6%，單個(ge)最大空洞才 0.7%左(zuo)右。

  補充實驗 5-----焊(hàn)片是否可解決(jué) LGA 元件空洞?

  由于(yú) LGA 元件焊盤同樣(yang)較大，在空洞方(fang)面也比較難控(kong)制♻️，那麽焊🛀片✨是(shì)否可用于 LGA 降低(di)空 洞?如下圖所(suo)示，LGA 上共有 2 種不(bú)同尺寸的焊盤(pán)，58 個 2mm 直徑的圓形(xing)㊙️焊🌈盤和 76 個 1.6mm 直徑(jing)的圓形焊盤，焊(hàn)盤下同樣有過(guò)孔。

  使用錫膏回(hui)流，優化爐溫和(he)鋼網開孔，效果(guo)均不明顯🙇🏻，它的(de)空洞率大概在(zài) 25～45%左右。如 下圖所(suo)示。

   如何在 LGA 使用(yòng)焊片呢?由于它(ta)的焊盤分别爲(wèi) 2mm 和 1.6mm 的圓🛀形，考慮(lü)到💞焊片和 LGA 元件(jiàn)的固定問題，我(wo)們在鋼網開孔(kǒng)時，将圓形焊盤(pán)開孔✌️設計爲 4 個(gè)小的圓形開孔(kong)，焊片尺寸 與焊(han)盤比例爲 0.8，以保(bǎo)證焊盤的錫膏(gāo)在固定焊片的(de)同時還♍能💋粘住(zhù) LGA 元件。

如下圖所(suǒ)示，

  對于實驗結(jie)果簡單描述下(xià)，在回流中我們(men)不更改🏒任何的(de)回流溫度設定(ding)，通過 X-ray 檢測空洞(dòng) 率大概在 6～14%

總結(jié)

   對于大焊盤元(yuan)件，例如 QFN 和 LGA 類元(yuán)件，将焊盤切割(ge)成井字形或㊙️切(qie)割成小塊，有助(zhù)于降 低較大尺(chǐ)寸的空洞，因爲(wèi)增加通道有助(zhu)于氣體的💰釋👅放(fàng)。在回流曲線方(fāng)面，需要考慮不(bú)同錫膏 中助焊(han)劑揮發的溫度(dù)，盡量在回流前(qian)将大部分的氣(qì)體揮發有助于(yu)降低較大尺寸(cùn)的空洞，而使 用(yong)線性的回流曲(qu)線有助于減小(xiao)空洞的數量。如(rú)果有過⭕孔較大(dà)的狀态下，鋼網(wang)開孔和回流曲(qu)線 都無法降低(dī)空洞時，使用焊(han)片可以快速有(yǒu)效的降低空洞(dòng)，這主要是因爲(wei)焊片的助焊劑(ji)含量相 對于錫(xī)膏而言降低了(le) 5 倍，錫膏中的助(zhù)焊劑含有溶✍️劑(jì)，松香，增稠劑等(deng)造成大量的揮(hui)發物在 高溫時(shí)容易形成較大(da)的空洞，而焊片(pian)中的助焊劑成(chéng)份主要由松香(xiāng)組成，不含溶劑(ji)等物質，所 以有(yǒu)效地降低了空(kong)洞。