前言(yán)

   随着電(dian)子行業(ye)小型化(huà)多功能(neng)化發展(zhan)的趨勢(shì)，越來越(yue)多❤️的多(duō)功能，體(ti)積小的(de)元件應(yīng)用于在(zài)各種 産(chan)品上，例(li)如 QFN 元件(jiàn)和 LGA 元件(jian)。

   QFN 是一種(zhǒng)無引腳(jiǎo)封裝，呈(cheng)正方形(xing)或矩形(xing)，封裝底(di)部中央(yang)🔞位⁉️置有(yǒu)一個大(dà)面積裸(luǒ)露焊盤(pán)用來導(dao) 熱，通過(guò)大焊盤(pán)的封裝(zhuāng)外圍四(sì)周焊盤(pán)導電實(shí)現電✊氣(qì)連👈結。由(yóu)于無引(yǐn)腳，貼裝(zhuāng)占有面(mian)積比 QFP 小(xiao)，高度 比(bǐ) QFP 低，加上(shang)傑出的(de)電性能(néng)和熱性(xìng)能，這種(zhong)封裝越(yuè)來越多(duo)✏️地應用(yong)于在電(diàn)子行業(yè)。

   QFN 封裝具(ju)有優異(yì)的熱性(xìng)能，主要(yào)是因爲(wei)封裝底(di)部有大(da)面🌈積💋散(san)熱焊盤(pán)，爲了能(neng)有效地(dì)将熱量(liang) 從芯片(piàn)傳導到(dào) PCB 上，PCB 底部(bù)必須設(shè)計與之(zhī)相對應(ying)的散熱(re)焊盤以(yi)及散熱(rè)過🐅孔，散(sàn)熱焊盤(pán)提 供了(le)可靠的(de)焊接面(mian)積，過孔(kǒng)提供了(le)散熱途(tu)徑。因而(er)，當芯片(piàn)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻底🐆部的(de)暴露焊(han)盤和 PCB 上(shàng)的熱 焊(hàn)盤進行(háng)焊接時(shí)，由于熱(rè)過孔和(hé)大尺寸(cùn)焊盤上(shang)錫膏中(zhōng)的氣🔞體(ti)将會向(xiang)外溢出(chū)，産生一(yi)定的氣(qì)體 孔，對(dui)于 smt 工藝(yi)而言，會(huì)産生較(jiào)大的空(kong)洞，要想(xiǎng)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(dào)最低量(liang)。 LGA(land grid array)即在底(dǐ)面制作(zuò)有陣列(lie)狀态坦(tan)電極觸(chu)點的封(fēng)裝，它的(de)外形與(yu)👉 BGA 元🚶‍♀️件非(fēi)常 相似(sì)，由于它(tā)的焊盤(pán)尺寸比(bi) BGA 球直徑(jìng)大 2～3 倍左(zuo)右，在空(kong)洞🏃‍♀️方面(mian)💃同樣也(ye)很難控(kòng)制。并且(qiě) 它與 QFN 元(yuan)件一樣(yang)，業界還(hai)沒有制(zhì)定相關(guān)的工藝(yì)标準，這(zhe)在😄一定(dìng)程♋度上(shàng)對電子(zi)加工行(háng)業造 成(cheng)了困擾(rao)。

  本文通(tōng)過大量(liàng)實驗從(cong) 鋼網 優(yōu)化，爐溫(wen)優化以(yǐ)及預成(chéng)型焊片(piàn)來尋找(zhao)空洞的(de)解🐕決方(fāng)案。

  實驗(yan)設計

  在(zai)實驗中(zhong)所采用(yòng)的 PCB 爲闆(pan)厚 1.6mm 的鎳(nie)金闆， 上(shang)的 QNF 散熱(re)焊盤上(shang)共🌏有 22 個(gè)過孔;PCB 如(rú)圖示

1。QFN 采(cai)用 Sn 進行(háng)表面處(chu)理，四周(zhōu)引腳共(gong)有 48 個，每(měi)個焊盤(pán)直徑爲(wèi) 0.28mm，間 距爲(wèi) 0.5mm，散熱焊(han)盤尺寸(cun)爲 4.1*4.1mm。

如圖(tú)示 2. 圖 1，PCB 闆(pan)上的 QFN 焊(hàn)盤 實驗(yan) 1---對比兩(liǎng)款不同(tóng)的錫膏(gao)

   圖 2，實驗(yàn)所用的(de) QFN 元件 在(zai)實驗中(zhōng)，爲了對(duì)比不同(tong)的錫膏(gāo)對空洞(dong)的影響(xiǎng)，我們采(cǎi)用了🧡兩(liang)🏃🏻種錫膏(gao)，一款來(lái)自日系(xi)錫膏 A， 一(yī)款爲美(měi)系錫膏(gāo) B，均爲業(yè)界最爲(wei)知名的(de)錫膏公(gōng)司。錫膏(gao)🔆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(cai)用 1：1 的方(fāng)形開孔(kǒng)，對比空(kōng)洞結果(guǒ)如⭐下圖(tú)❄️所示，發(fā)現兩款(kuǎn) 錫膏在(zài) QFN 上均表(biao)現出較(jiao)大的空(kōng)洞，這可(ke)能由于(yú)散熱焊(han)盤🐪較⛷️大(dà)🌈，錫膏覆(fù)蓋了整(zheng)個焊盤(pán)，影 響了(le) 助焊劑(jì) 的出氣(qi)以及過(guo)孔産生(sheng)的氣體(tǐ)沒辦法(fa)排出氣(qi)，造成較(jiao)大的空(kong)洞💚，即使(shi)采用很(hen)好的錫(xī) 膏的無(wú)濟于事(shì)。 錫膏 A(空(kōng)洞率 35.7%) 實(shi)驗 2---采用(yòng)不同的(de)回流曲(qǔ)線 錫膏(gāo) B(空洞率(lǜ) 37.2%) 考慮到(dào)助焊劑(ji)在回流(liú)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(ma)鞍式平(ping)台曲線(xian)，通過回(huí)流我們(men)發現，采(cai)用線性(xing)的曲線(xiàn)👨‍❤️‍👨，它們的(de)空洞率(lü)都在 35%～45 之(zhī)間。

  大的(de)空洞較(jiao)明顯，相(xiang)對于平(píng)台式曲(qu)線，它的(de)空洞數(shu)量較⁉️少(shao)🌏。而👈采用(yòng)平台式(shì)的曲線(xiàn)，沒有很(hěn)大 的空(kōng)洞，但是(shì)小的空(kong)洞數量(liang)較多。這(zhè)主要是(shi)因爲采(cǎi)用平台(tai)式🔞曲線(xian)，有助于(yu)助焊劑(ji)在熔點(dian)前最 大(da)的揮發(fā)，大部分(fen)揮發性(xìng)物質在(zài)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(xìng) 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(shí)揮發，到(dào)達熔點(diǎn)的 時候(hòu)，焊料融(rong)化形成(chéng)很大的(de)表面張(zhang)力，同時(shi)許多氣(qì)體同時(shí)揮發，所(suo)以形成(cheng)較大的(de)空洞且(qie)空洞 數(shu)量較小(xiǎo)。

Profile 1

Profile 2

  實驗 3---采(cǎi)用不同(tong)的焊盤(pán)開孔方(fāng)式

  對于(yú)散熱焊(hàn)盤，由于(yu)尺寸較(jiào)大，并且(qiě)有過孔(kong)，在回流(liu)時，過孔(kǒng)由于💃加(jia)熱産生(shēng)的氣體(ti)以及助(zhu)焊 劑本(ben)身的出(chu)氣由于(yu)沒有通(tong)道排出(chū)去，容易(yi)産生較(jiào)❤️大的♊空(kōng)洞。在實(shi)驗中，爲(wei)了幫助(zhù)氣體排(pái)出去， 我(wǒ)們将它(ta)分割爲(wèi)幾塊小(xiao)型的焊(hàn)盤，如下(xià)圖所示(shì)，我們采(cai)用🔴三種(zhong)開孔方(fang)式。

開孔(kǒng) 1

開孔 2

開(kāi)孔 3

  如下(xià)圖所示(shi)，采用 3 種(zhong)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(lǜ)均差不(bu)多，都在(zài) 35% 左右，随(sui)着通道(dao)的增多(duō)，空洞的(de)大小也(ye)逐漸降(jiàng)低，如圖(tu)示開孔(kǒng)❌ 1 中最大(dà)的空洞(dong)爲 15%，而開(kai) 孔 3 中最(zuì)大的空(kong)洞爲 5%。開(kai)孔 1 表現(xian)出較大(dà)個的空(kōng)洞，空洞(dòng)🆚的數量(liàng)✊較少，開(kai)孔 2 與開(kāi)孔 3 的空(kōng)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(dàn)小的空(kōng)洞數量(liàng)較多，開(kai)孔 3 沒有(yǒu) 較大的(de)空洞，但(dan)是空洞(dong)的數量(liang)很多，如(rú)下圖所(suǒ)示。

開孔(kong) 1

開孔 2

開(kai)孔 3

   在另(lìng)一種産(chan)品上，我(wǒ)們對 QFN 采(cai)用同樣(yang)的 3 種開(kai)孔方式(shì)，空洞表(biǎo)現🈲與🥵上(shang)面的産(chǎn)品表現(xian)不一 樣(yàng)，當通道(dào)越多時(shí)空洞率(lü)越低，這(zhe)說明對(duì)于某些(xiē) QFN 元件，減(jian)少♻️大焊(hàn)盤開孔(kong)尺寸增(zeng)加通道(dào) 有助于(yú)改善空(kōng)洞率，但(dan)是對于(yú)某些 QFN 特(te)别是有(yǒu)許多過(guò)孔的🤞大(dà)焊盤，更(geng)改鋼網(wang)開孔方(fāng)式對 于(yu)空洞而(er)言并沒(mei)有太大(da)的幫助(zhù)。

實驗 4----采(cai)用低助(zhu)焊劑含(han)量的焊(hàn)料

  由于(yu)空洞主(zhǔ)要與助(zhù)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(wo)們采 用(yòng)相同合(he)金成份(fen)的預成(chéng)型焊片(pian) preform---SAC305，1%助焊劑(jì)，焊片尺(chi)寸爲 3.67*3.67*0.05mm， 焊(hàn)片與散(san)熱焊盤(pan)的比例(lì)爲 89%，對比(bi)錫膏中(zhōng) 11.5%的助焊(han)劑，在散(sàn)熱焊🌈盤(pan)上采用(yòng)預成型(xing)焊盤， 也(yě)就是用(yong) preform 替代錫(xī)膏，期待(dài)以通過(guo)降低助(zhù)焊劑的(de)含量來(lai)減🔱少出(chū)氣來得(de)到較低(dī)的空洞(dong)率。

  在鋼(gang)網開孔(kǒng)上，對于(yu)四周焊(hàn)盤并不(bu)需要進(jìn)行任何(he)的更改(gai)，我們🔞隻(zhi)需對散(sàn)熱焊盤(pán)的開孔(kǒng)方式進(jìn) 行更改(gǎi)，如下圖(tu)所示，散(san)熱焊盤(pan)隻需要(yào)在四周(zhou)各開🥰一(yī)個直徑(jing) 0.015’’的小孔(kong)以固定(dìng)焊盤即(jí)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(qu)👣線，不做(zuò)任何🧑🏾‍🤝‍🧑🏼更(geng)改，過爐(lu)後通過(guo) x-ray 檢測 看(kàn) QFN 元件空(kong)洞，如下(xia)圖所示(shì)，空洞率(lü)爲 3～6%，單個(gè)最大空(kōng)洞才 0.7%左(zuo)右。

  補充(chong)實驗 5-----焊(hàn)片是否(fou)可解決(jue) LGA 元件空(kōng)洞?

  由于(yú) LGA 元件焊(han)盤同樣(yang)較大，在(zai)空洞方(fang)面也比(bǐ)較難控(kòng)制，那麽(me)⛷️焊片是(shi)否可用(yòng)于 LGA 降低(dī)空 洞?如(ru)下圖所(suo)示，LGA 上共(gòng)有 2 種不(bu)同尺寸(cun)的焊盤(pán)，58 個 2mm 直徑(jing)的圓🌈形(xing)焊盤和(hé) 76 個 1.6mm 直徑(jìng)的圓形(xing)焊盤，焊(hàn)盤下同(tóng)樣有過(guo)孔。

  使用(yòng)錫膏回(hui)流，優化(huà)爐溫和(hé)鋼網開(kai)孔，效果(guo)均不明(míng)顯，它的(de)空💋洞率(lǜ)大概在(zai) 25～45%左右。如(rú) 下圖所(suo)示。

   如何(hé)在 LGA 使用(yong)焊片呢(ne)?由于它(ta)的焊盤(pan)分别爲(wèi) 2mm 和 1.6mm 的圓(yuán)✌️形，考慮(lǜ)到焊🤟片(piàn)和 LGA 元件(jian)的固定(dìng)問題，我(wǒ)們在鋼(gāng)網開孔(kǒng)時，将圓(yuan)形焊盤(pán)🈲開孔設(shè)計爲⛷️ 4 個(gè)小的圓(yuán)形開孔(kong)，焊片尺(chi)寸 與焊(hàn)盤比例(li)爲 0.8，以保(bǎo)證焊盤(pán)的錫膏(gāo)在固定(ding)焊片的(de)同時還(hai)能粘✨住(zhu) LGA 元件。

如(rú)下圖所(suo)示，

  對于(yú)實驗結(jié)果簡單(dān)描述下(xià)，在回流(liú)中我們(men)不更改(gǎi)任何的(de)回流溫(wen)度設定(dìng)，通過 X-ray 檢(jian)測空洞(dong) 率大概(gai)在 6～14%

總結(jié)

   對于大(dà)焊盤元(yuan)件，例如(rú) QFN 和 LGA 類元(yuán)件，将焊(hàn)盤切割(gē)成井字(zi)形或切(qie)割成小(xiao)塊，有助(zhu)于降 低(dī)較大尺(chi)寸的空(kōng)洞，因爲(wei)增加通(tong)道有助(zhù)于氣體(ti)的釋放(fang)。在回流(liú)曲線方(fāng)面，需要(yào)考慮不(bú)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(qi)體揮發(fa)有助于(yú)降低較(jiào)大尺寸(cun)的空洞(dòng)，而使 用(yong)線性的(de)回流曲(qu)線有助(zhù)于減小(xiǎo)空洞的(de)數量。如(ru)果有過(guò)孔較大(dà)的狀态(tài)下，鋼網(wǎng)開孔和(he)回流曲(qǔ)線 都無(wú)法降低(dī)空洞時(shi)，使用焊(hàn)片可以(yǐ)快速有(you)效的降(jiang)低👣空洞(dòng)，這主要(yào)是因爲(wèi)焊片的(de)助焊劑(jì)含量相(xiàng) 對于錫(xī)膏而言(yan)降低了(le) 5 倍，錫膏(gao)中的助(zhu)焊劑含(han)有溶劑(jì)🌈，松香，增(zeng)稠🛀🏻劑等(děng)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(piàn)中的助(zhù)焊劑❤️成(cheng)份主📞要(yao)由松香(xiāng)組成，不(bu)含溶劑(jì)等物質(zhi)，所 以有(you)效地降(jiang)低了空(kong)洞。