前言(yán)

   随着電子行業(yè)小型化多功能化發(fā)展的趨勢，越來越多的多功能，體積小的元件應用于在各種(zhǒng) 産品上，例如 QFN 元件和 LGA 元件。

   QFN 是(shì)一種無引腳封裝，呈正方形或矩形，封裝底部中央位置有一個(gè)大面積裸露焊盤用(yòng)來導(dǎo) 熱，通過大焊盤的封裝外圍四周焊盤導電實現電(diàn)氣連結。由于無引腳，貼裝(zhuāng)占有面積比 QFP 小，高度 比 QFP 低(dī)，加上(shàng)傑出的電性能(néng)和熱性能，這種封裝(zhuāng)越來越多(duō)地應用于在電子行業。

   QFN 封(fēng)裝具有優異的熱性能，主要是因爲封裝底部有大面(miàn)積散(sàn)熱焊盤，爲了能有(yǒu)效地将熱量 從芯片傳導到 PCB 上(shàng)，PCB 底部必須(xū)設計與之(zhī)相對應的散熱(rè)焊盤以及散熱過孔，散熱焊盤提 供了可靠的焊接面積，過孔提供了散(sàn)熱途徑。因而，當芯片底部的暴露焊(hàn)盤和(hé) PCB 上的熱 焊盤進行焊接時，由于(yú)熱過孔(kǒng)和大尺寸焊盤上錫膏中的(de)氣體将會(huì)向外溢出，産生一定的氣體 孔，對于 smt 工藝而言，會産生較大的空洞，要想(xiǎng)消除這些氣孔幾乎(hū)是不可能的，隻有将 氣孔減小到最低量(liàng)。 LGA(land grid array)即在底面制作有陣(zhèn)列狀态坦電極觸點的封裝，它的(de)外形與 BGA 元件非常 相似，由于(yú)它的焊盤尺寸比 BGA 球直徑大 2～3 倍左右，在空洞方面同樣也很難控制。并且 它與 QFN 元件一樣，業界還(hái)沒有制定相關(guān)的工藝(yì)标準(zhǔn)，這在一定程度上對電子加工行業造 成(chéng)了困擾。

  本文通過大量實驗從 鋼網 優化，爐溫優化以及預(yù)成(chéng)型焊片來尋找(zhǎo)空洞(dòng)的解決方(fāng)案。

  實驗設計

  在實驗(yàn)中所采用的 PCB 爲闆(pǎn)厚 1.6mm 的鎳金闆， 上的 QNF 散熱焊盤上共有 22 個過孔;PCB 如圖示

1。QFN 采(cǎi)用 Sn 進行表面處理，四周引腳共有 48 個，每個(gè)焊盤直徑爲 0.28mm，間 距爲 0.5mm，散熱焊盤(pán)尺寸(cùn)爲 4.1*4.1mm。

如圖示 2. 圖 1，PCB 闆上的 QFN 焊盤(pán) 實驗 1---對比兩款不同的(de)錫(xī)膏

   圖 2，實驗所用的 QFN 元件 在實驗中，爲(wèi)了對比不同的錫膏對空洞的影響，我們采用了兩種錫膏，一(yī)款來自(zì)日系錫膏 A， 一(yī)款爲美系錫膏 B，均爲業界最爲知名的錫(xī)膏公司。錫膏合金爲(wèi) SAC305 的 4 号粉錫膏，鋼(gāng) 網厚度爲 4mil，QFN 散熱焊盤采用 1：1 的方形開孔，對比空洞結果(guǒ)如下圖(tú)所示，發現兩款 錫膏在 QFN 上均表現出較大的空(kōng)洞，這可能由于散熱焊盤較大，錫膏覆蓋了整個焊盤，影 響了(le) 助焊劑 的(de)出氣以及過孔産生的氣體沒辦法排出氣(qì)，造成較大的空洞，即使(shǐ)采用(yòng)很好的錫 膏的無濟于事。 錫膏 A(空洞(dòng)率 35.7%) 實(shí)驗 2---采用不同(tóng)的回流(liú)曲(qǔ)線(xiàn) 錫膏(gāo) B(空洞率 37.2%) 考慮到助(zhù)焊劑在回流時揮發會産生(shēng)大量(liàng)的氣體，在實驗中，我們采用了典型的(de)線性式(shì)曲線和 馬(mǎ)鞍式平台曲線(xiàn)，通過回流我們發現，采用線性(xìng)的曲線，它們的空洞率都在 35%～45 之間。

  大的空洞較(jiào)明顯，相對于平(píng)台式曲(qǔ)線，它的空洞數量較少。而采(cǎi)用平台式的曲線，沒有很(hěn)大 的空洞，但是小的空洞數量較多。這主要是因爲采用平台(tái)式曲線，有助于(yú)助焊(hàn)劑在熔(róng)點前最 大的揮發，大部分揮發性物質在熔點前通過高溫烘烤蒸發了，所以(yǐ)沒有(yǒu)很大的空洞;而線性 式的曲線，由于預熱到熔點的時間較短，大部分的揮發性物質還沒有及時揮發，到(dào)達熔點的 時候，焊料融化形成(chéng)很大的表面張力，同時許多氣體同時揮發，所以形成較大的(de)空洞且空洞 數量較小。

Profile 1

Profile 2

  實驗 3---采用不同的焊盤開孔方式

  對于(yú)散熱焊盤，由于尺寸較大，并且有過孔，在回流(liú)時，過孔由(yóu)于加熱産生的氣體以及(jí)助焊 劑本(běn)身的出氣由于沒有通(tōng)道(dào)排出去，容易産生較大的(de)空洞。在實驗中，爲了幫助氣(qì)體排出去， 我(wǒ)們将它(tā)分割爲幾塊小型的焊盤，如下圖(tú)所示，我們采用三種(zhǒng)開孔方式。

開孔(kǒng) 1

開孔 2

開孔 3

  如下圖所示，采(cǎi)用 3 種不同(tóng)的(de)鋼網開孔方式，回流後在 x-ray 下(xià)看空洞率(lǜ)均差不多，都(dōu)在 35% 左右，随着通道(dào)的增多，空洞的(de)大小(xiǎo)也逐漸降低，如圖示開孔 1 中最大的空洞爲 15%，而開 孔(kǒng) 3 中最大的空洞爲(wèi) 5%。開孔 1 表現出較大(dà)個的空洞，空洞(dòng)的數量較少，開孔 2 與開孔 3 的空洞率均差(chà)不多，且單(dān)個的空洞均小(xiǎo)于開孔 1 的空洞，但小的空(kōng)洞數量較多，開孔 3 沒有 較大的空洞，但是空洞的數量(liàng)很多，如(rú)下圖所示(shì)。

開孔 1

開孔 2

開孔(kǒng) 3

   在另一種産品上，我們對(duì) QFN 采用同樣的 3 種開孔方式，空洞表現與上面的産品表現不一 樣，當通道越多時空(kōng)洞率越低，這說明對(duì)于某些 QFN 元件，減少大焊盤開孔尺寸增加通道 有助于改善(shàn)空(kōng)洞率，但是(shì)對于某些 QFN 特别是有許多過孔(kǒng)的大(dà)焊盤，更改鋼網開(kāi)孔方式對 于空洞(dòng)而言并沒(méi)有太大的幫助。

實驗 4----采用低助焊劑含(hán)量的焊料

  由于空洞主(zhǔ)要與助焊(hàn)劑出氣(qì)有關，那麽是否可采用低助焊劑含量的焊料?在實(shí)驗中，我們采 用相同合(hé)金成份的預成(chéng)型焊片 preform---SAC305，1%助焊劑，焊片尺寸爲 3.67*3.67*0.05mm， 焊片與散熱焊盤的比例爲 89%，對比錫膏(gāo)中 11.5%的助焊劑，在散熱焊盤上采用預成型焊盤， 也就是用 preform 替代錫膏，期待以通過降低助焊劑的含量來減少出氣(qì)來得到較低的空洞率。

  在鋼網開孔(kǒng)上，對于四周焊盤并不(bú)需(xū)要進行任何的更改(gǎi)，我們隻需對散(sàn)熱焊盤(pán)的開孔方式進 行(háng)更(gèng)改，如下圖所示，散(sàn)熱焊盤隻需(xū)要在四周各開一(yī)個直徑 0.015’’的小孔以固定(dìng)焊盤即(jí)可。

  在回流(liú)曲線(xiàn)方面，我們采用(yòng)産線實際生産用的曲線，不做任何更改，過爐後通過 x-ray 檢測(cè) 看 QFN 元件空(kōng)洞，如下圖所示，空洞率爲 3～6%，單個最大空洞才 0.7%左(zuǒ)右。

  補充(chōng)實驗 5-----焊片是否可(kě)解決 LGA 元件空洞?

  由于 LGA 元件焊盤同樣較大，在空洞方面也比較難控制，那麽(me)焊片是否可用(yòng)于 LGA 降低(dī)空 洞?如下圖所示(shì)，LGA 上共有 2 種不同尺寸的焊盤，58 個 2mm 直徑的圓形焊盤和(hé) 76 個 1.6mm 直徑的圓(yuán)形焊盤(pán)，焊盤下同樣(yàng)有過孔。

  使用錫膏回流，優化(huà)爐溫和鋼網開孔，效果均不(bú)明顯，它的空(kōng)洞率(lǜ)大概(gài)在 25～45%左(zuǒ)右。如 下圖所示。

   如何在 LGA 使(shǐ)用焊片呢?由于它的(de)焊盤分别(bié)爲 2mm 和 1.6mm 的圓形，考慮到焊片和 LGA 元件的(de)固(gù)定(dìng)問題，我們在(zài)鋼(gāng)網開孔時，将圓(yuán)形焊盤開孔設計(jì)爲 4 個小的圓(yuán)形開孔，焊(hàn)片尺寸 與焊(hàn)盤比例(lì)爲 0.8，以保(bǎo)證焊盤(pán)的錫膏在固定焊片的同時還能粘住 LGA 元件。

如(rú)下圖所示(shì)，

  對于實驗(yàn)結果簡單描述下，在回流中我們不(bú)更改(gǎi)任何的回流溫度設定，通過 X-ray 檢測空洞 率大概在 6～14%

總結(jié)

   對于大(dà)焊盤(pán)元件，例如 QFN 和 LGA 類(lèi)元件，将焊盤切割(gē)成(chéng)井字形或切割成(chéng)小(xiǎo)塊，有助于降 低(dī)較大(dà)尺寸的空(kōng)洞(dòng)，因爲增加通道有助于氣體的釋放(fàng)。在回流曲線方面，需要(yào)考慮不同錫膏 中助焊劑揮發(fā)的溫度，盡量在回流前将大部分的(de)氣體揮發有助于降低較大尺寸的空洞，而使 用線性的(de)回流曲線(xiàn)有助(zhù)于減小空洞的數(shù)量。如果有過孔較大的(de)狀态下，鋼網開(kāi)孔和回流曲線 都無(wú)法降低空洞(dòng)時(shí)，使(shǐ)用焊片可以快速有效(xiào)的降(jiàng)低空(kōng)洞，這主要是因(yīn)爲焊片(piàn)的助焊劑含量相 對于錫膏(gāo)而言降低了 5 倍(bèi)，錫(xī)膏中的助焊劑含有溶劑，松香，增(zēng)稠劑等造成大量的揮發物在 高(gāo)溫時容易形成較大的空洞，而(ér)焊片(piàn)中的助焊劑成份主(zhǔ)要由松香組成，不含溶劑等(děng)物質，所 以有效地降低了空洞。