前言
随着電(diàn)子行業小型化(huà)多功能化發展(zhǎn)的趨勢，越來越(yuè)多的多功能，體(ti)積小的元件應(ying)用于在各種 産(chǎn)品上，例如 QFN 元件(jian)和 LGA 元件。
QFN 是一種(zhǒng)無引腳封裝，呈(chéng)正方形或矩形(xing)，封裝底部中央(yang)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(zhuāng)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(miàn)積比 QFP 小，高度 比(bǐ) QFP 低，加上傑出的(de)電性能和熱性(xing)能，這種封裝越(yue)來越多♌地應用(yong)于在電子行業(ye)。
QFN 封裝具有優異(yì)的熱性能，主要(yào)是因爲封裝底(dǐ)部有大面積散(san)👉熱焊盤，爲了能(neng)有效地将熱量(liàng) 從芯片傳導到(dao) PCB 上，PCB 底部必須設(she)計與之相對應(ying)的散熱焊盤以(yǐ)及散熱過孔📞，散(san)熱焊盤提 供了(le)可靠的焊接面(mian)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(shang)的熱 焊盤進行(háng)焊接時，由于熱(rè)過孔和大尺寸(cun)焊盤上錫膏✨中(zhōng)的氣體将會向(xiàng)外溢出，産生一(yi)定的氣體 孔，對(duì)于 smt 工藝而言，會(hui)産生較大的空(kong)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(dao)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(tā)的焊盤尺寸比(bi) BGA 球直徑大 2～3 倍左(zuǒ)右，在空洞方🏃♂️面(miàn)同樣也很難控(kòng)制。并且 它與 QFN 元(yuan)件一樣，業界還(hái)沒有制定相關(guān)的工藝标準，這(zhe)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(yi)及預成型焊片(piàn)來尋找空洞的(de)解決方案。
在實驗中(zhōng)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(ru)圖示
1。QFN 采用 Sn 進行(hang)表面處理，四周(zhōu)引腳共有 48 個，每(mei)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(han)盤 實驗 1---對比兩(liǎng)款不同的錫膏(gāo)
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(cǎi)用了兩種錫膏(gao)，一款來自日系(xi)錫膏 A， 一款爲美(mei)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(dù)爲 4mil，QFN 散熱焊盤采(cai)用 1：1 的方形開孔(kǒng)，對比空洞結果(guo)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(han)💜盤較♊大，錫膏覆(fù)蓋了整個焊盤(pan)，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(qì)，造成㊙️較大的空(kong)洞❓，即使采用很(hen)好的錫 膏的無(wu)濟于事。 錫膏 A(空(kong)洞率 35.7%) 實驗 2---采用(yòng)不同的回流曲(qu)線 錫膏 B(空洞率(lü) 37.2%) 考慮到助焊劑(jì)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(dian)型的線性式曲(qǔ)線和 馬鞍式平(píng)台曲線，通過回(hui)流我們發現，采(cai)用線性的🤞曲✌️線(xiàn)，它😘們的空洞率(lü)都在 35%～45 之間。
大的(de)空洞較明顯，相(xiàng)對于平台式曲(qǔ)線，它的空洞數(shu)量較少。而采用(yòng)平台式的曲線(xiàn)，沒有很大 的空(kōng)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(ji)在熔點前最 大(dà)的揮發，大部分(fèn)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(dà)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(dian)的 時候，焊料融(rong)化形成很大的(de)表面張力，同時(shi)許多氣體同時(shi)揮發，所以形成(cheng)較大的空洞且(qie)空洞 數量較小(xiao)。
Profile 1
Profile 2
實驗 3---采用不同(tong)的焊盤開孔方(fang)式
對于散熱焊(hàn)盤，由于尺寸較(jiào)大，并且有過孔(kǒng)，在回流時，過孔(kǒng)❤️由🌈于加熱産生(shēng)的氣體以及助(zhù)焊 劑本身的出(chu)氣由于沒有通(tong)道排出去，容易(yi)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(xiao)型的焊盤，如下(xià)圖所示，我們采(cǎi)用三種開孔方(fāng)式。
開孔 1
開孔 2
開(kāi)孔 3
如下圖所示(shi)，采用 3 種不同的(de)鋼網開孔方式(shì)，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(yě)逐漸降低，如圖(tú)示開孔 1 中✏️最大(da)的空洞爲 15%，而開(kāi) 孔 3 中最大的空(kong)洞爲 5%。開孔 1 表現(xiàn)出較大個的空(kōng)洞，空洞📱的數🔱量(liang)較少，開孔 2 與開(kāi)孔 3 的空洞率均(jun)差不多，且單個(gè)的空洞均小于(yú)開孔 1 的空🔆洞，但(dan)❓小的🙇♀️空洞數量(liàng)較多，開孔 3 沒有(yǒu) 較大的空洞，但(dàn)是空洞的數量(liang)很多，如下圖所(suo)示。
開孔 1
開孔 2
在另一種産(chǎn)品上，我們對 QFN 采(cǎi)用同樣的 3 種開(kai)孔方式✊，空洞表(biao)現與上面的産(chǎn)品表現不一 樣(yàng)，當通道越多時(shí)空洞率越低，這(zhè)說明對于某些(xiē) QFN 元件，減少大焊(han)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(tè)别是有許多過(guò)🈲孔的大焊盤，更(gèng)改鋼網開孔方(fang)式對 于空洞而(ér)言并沒有太大(da)的幫助。
實驗 4----采(cǎi)用低助焊劑含(hán)量的焊料
由于(yu)空洞主要與助(zhu)焊劑出氣有關(guān)，那麽是否可采(cai)🌏用低助焊劑含(han)量的焊料?在實(shi)驗中，我們采 用(yòng)相同合金成份(fèn)的預成型焊片(pian) preform---SAC305，1%助焊劑，焊片尺(chǐ)寸爲 3.67*3.67*0.05mm， 焊片與散(san)熱焊盤的比例(lì)爲 89%，對比錫膏中(zhōng) 11.5%的助焊劑💞，在散(sàn)熱焊盤上采用(yòng)預成型焊盤， 也(ye)就是用 preform 替代錫(xi)膏，期待以通過(guo)降低助焊劑的(de)含量來減少出(chū)氣來得到較低(dī)的空洞率。
在鋼(gāng)網開孔上，對于(yu)四周焊盤并不(bu)需要進行任何(he)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(tú)所示，散熱焊盤(pan)隻需要在四周(zhōu)各開一個直徑(jing) 0.015’’的小孔以固定(dìng)焊盤即可。
在回(huí)流曲線方面，我(wo)們采用産線實(shí)際生産用的曲(qu)線，不🥰做🧑🏽🤝🧑🏻任何更(gèng)改，過爐後通過(guò) x-ray 檢測 看 QFN 元件空(kōng)洞，如下圖所示(shi)，空洞率爲 3～6%，單個(gè)最大空洞才 0.7%左(zuo)💁右。
補充實驗 5-----焊(han)片是否可解決(jue) LGA 元件空洞?
使用錫膏回(huí)流，優化爐溫和(hé)鋼網開孔，效果(guo)均不明顯，它的(de)空洞率大概在(zai) 25～45%左右。如 下圖所(suo)示。
如何在 LGA 使用(yong)焊片呢?由于它(tā)的焊盤分别爲(wei) 2mm 和 1.6mm 的圓形，考慮(lǜ)到焊片和 LGA 元件(jian)的固定問題，我(wo)們在鋼網開孔(kong)時，将圓形焊盤(pan)開孔🤞設計爲 4 個(ge)小的圓形開孔(kǒng)，焊片尺寸 與焊(hàn)盤比例爲 0.8，以保(bao)證焊盤的錫膏(gao)在固定焊片的(de)同時還能粘住(zhu) LGA 元件。
如下圖所(suǒ)示，
總結(jie)
對于大焊盤元(yuán)件，例如 QFN 和 LGA 類元(yuan)件，将焊盤切割(gē)成井字形或切(qiē)割成小塊，有助(zhù)于降 低較大尺(chi)寸的空洞，因爲(wèi)增加通道有助(zhù)于氣體的釋放(fang)。在回流曲線方(fang)面，需要考慮不(bu)同錫膏 中助焊(hàn)劑揮發的溫度(du)，盡量在回流前(qián)将大部分的氣(qi)體揮發有助于(yú)降低較大尺寸(cùn)的空洞，而使 用(yòng)線性的回流曲(qu)線有助于減小(xiǎo)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(di)空洞時，使用焊(hàn)片可以快速有(yǒu)效的降♈低空洞(dong)，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(zhu)焊劑含有溶劑(ji)，松香，增稠劑等(děng)造成大量的揮(huī)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(xiang)組成，不含溶劑(jì)等物質，所 以有(you)效地降低了空(kōng)洞。
