前言(yán)

   随着電(diàn)子(zǐ)行業(yè)小型(xíng)化(huà)多功能(néng)化發展(zhǎn)的趨勢(shì)，越(yuè)來(lái)越多(duō)的多(duō)功能，體積小(xiǎo)的(de)元件(jiàn)應(yīng)用于在(zài)各種 産品上，例(lì)如 qfn 元(yuán)件和 lga 元件(jiàn)。

   qfn 是一種無引腳(jiǎo)封裝，呈正方(fāng)形(xíng)或矩形(xíng)，封裝底(dǐ)部中(zhōng)央(yāng)位置有(yǒu)一個大面(miàn)積裸(luǒ)露焊盤用來導(dǎo) 熱，通過大焊盤的封裝外(wài)圍四(sì)周焊盤導電實現電氣連結。由(yóu)于(yú)無(wú)引(yǐn)腳，貼裝占有面積比 qfp 小，高度 比 qfp 低(dī)，加上(shàng)傑出的(de)電性能(néng)和熱(rè)性能(néng)，這種封裝(zhuāng)越來越多(duō)地應用于(yú)在電(diàn)子行業。

   qfn 封(fēng)裝具(jù)有優(yōu)異的熱性(xìng)能，主(zhǔ)要是(shì)因爲(wèi)封(fēng)裝底部(bù)有大(dà)面積(jī)散熱焊盤(pán)，爲了能(néng)有效地将熱(rè)量(liàng) 從(cóng)芯片傳導到(dào) pcb 上，pcb 底部(bù)必須設計與之(zhī)相對應的散熱(rè)焊盤(pán)以及(jí)散熱(rè)過孔(kǒng)，散熱焊盤(pán)提 供(gòng)了(le)可靠的(de)焊接(jiē)面積(jī)，過孔(kǒng)提供了散熱途(tú)徑。因而，當芯片底部(bù)的暴露焊(hàn)盤和 pcb 上的(de)熱 焊(hàn)盤進(jìn)行(háng)焊(hàn)接時(shí)，由于熱過孔(kǒng)和大尺(chǐ)寸焊(hàn)盤上錫膏(gāo)中(zhōng)的氣體将會向外(wài)溢出(chū)，産生一(yī)定的氣(qì)體 孔(kǒng)，對于(yú) smt 工藝(yì)而言，會産(chǎn)生較(jiào)大的(de)空洞，要想(xiǎng)消除這(zhè)些氣孔(kǒng)幾乎是不可能(néng)的，隻(zhī)有将 氣孔減小到最低量(liàng)。 lga(land grid array)即在底面制作(zuò)有陣列狀态坦電(diàn)極(jí)觸點的封(fēng)裝，它(tā)的(de)外形與(yǔ) bga 元件非常 相似(sì)，由于(yú)它(tā)的焊盤(pán)尺寸比 bga 球直徑(jìng)大 2～3 倍(bèi)左(zuǒ)右，在空(kōng)洞方面同樣(yàng)也很難(nán)控制。并且(qiě) 它與 qfn 元(yuán)件(jiàn)一樣(yàng)，業界(jiè)還(hái)沒(méi)有制(zhì)定相關的工藝(yì)标準，這在一定(dìng)程度上對(duì)電子(zǐ)加工行業造 成(chéng)了困(kùn)擾。

  本文通過(guò)大(dà)量實驗從(cóng) 鋼網(wǎng) 優化，爐溫(wēn)優化(huà)以及預成型焊(hàn)片來尋找空洞(dòng)的解決方(fāng)案。

  實驗設計

  在(zài)實驗(yàn)中所采(cǎi)用的 pcb 爲(wèi)闆厚 1.6mm 的鎳(niè)金闆(pǎn)， 上(shàng)的 qnf 散熱(rè)焊盤(pán)上共有 22 個(gè)過孔;pcb 如(rú)圖示

1。qfn 采(cǎi)用 sn 進行表面處(chù)理，四(sì)周引(yǐn)腳共(gòng)有 48 個，每(měi)個焊盤直徑爲 0.28mm，間 距爲(wèi) 0.5mm，散(sàn)熱焊盤(pán)尺寸(cùn)爲 4.1*4.1mm。

如(rú)圖示(shì) 2. 圖 1，pcb 闆(pǎn)上的 qfn 焊盤 實驗 1---對比兩(liǎng)款(kuǎn)不同(tóng)的錫膏

   圖 2，實驗所(suǒ)用的 qfn 元件 在(zài)實驗中(zhōng)，爲(wèi)了對(duì)比不(bú)同的(de)錫膏(gāo)對空洞的影響(xiǎng)，我們(men)采用了兩(liǎng)種錫(xī)膏(gāo)，一(yī)款來(lái)自日系錫膏(gāo) a， 一(yī)款爲美系(xì)錫膏 b，均爲業界最爲知名的(de)錫(xī)膏公司。錫膏合金爲(wèi) sac305 的 4 号(hào)粉錫(xī)膏，鋼 網厚(hòu)度爲(wèi) 4mil，qfn 散熱焊盤采(cǎi)用 1：1 的方形開孔，對(duì)比空(kōng)洞結果如下圖(tú)所示，發現兩款(kuǎn) 錫膏(gāo)在 qfn 上均表(biǎo)現出(chū)較大的空(kōng)洞，這可能(néng)由于(yú)散熱焊盤(pán)較大(dà)，錫膏覆(fù)蓋(gài)了整(zhěng)個焊(hàn)盤，影(yǐng) 響了(le) 助焊劑 的出氣(qì)以及(jí)過孔産生(shēng)的氣體沒辦法排出氣，造成(chéng)較(jiào)大的(de)空(kōng)洞(dòng)，即使(shǐ)采用很(hěn)好的錫 膏的無(wú)濟于事(shì)。 錫膏(gāo) a(空洞率 35.7%) 實(shí)驗 2---采用不(bú)同的回流曲線 錫膏(gāo) b(空洞率 37.2%) 考慮到助焊劑在回流(liú)時揮發會産生(shēng)大量(liàng)的氣體，在(zài)實驗中，我(wǒ)們采(cǎi)用了典型的線(xiàn)性式曲線(xiàn)和 馬鞍式(shì)平台曲線(xiàn)，通過(guò)回流(liú)我們(men)發現，采(cǎi)用(yòng)線性(xìng)的曲線，它們的空洞(dòng)率都在 35%～45 之間。

  大的空洞較(jiào)明顯，相對于平(píng)台式(shì)曲(qǔ)線(xiàn)，它的空洞(dòng)數量較少(shǎo)。而采(cǎi)用平台式(shì)的曲(qǔ)線，沒有很(hěn)大 的空(kōng)洞，但是(shì)小的空洞數量(liàng)較多。這(zhè)主(zhǔ)要是(shì)因爲采(cǎi)用(yòng)平台(tái)式曲線，有(yǒu)助于(yú)助焊(hàn)劑在(zài)熔點(diǎn)前最 大的揮發(fā)，大部(bù)分(fèn)揮發性(xìng)物質(zhì)在熔(róng)點前(qián)通過高溫烘烤(kǎo)蒸發了，所(suǒ)以沒有很大的(de)空洞;而線性(xìng) 式(shì)的曲(qǔ)線，由于預熱到(dào)熔(róng)點的時間較短，大部分的揮(huī)發性(xìng)物質(zhì)還沒(méi)有及(jí)時揮(huī)發，到達熔(róng)點的(de) 時候，焊料融(róng)化形成(chéng)很大的表面張(zhāng)力，同(tóng)時許多氣(qì)體同時(shí)揮(huī)發，所以形(xíng)成較(jiào)大的空(kōng)洞且空洞 數(shù)量較(jiào)小。

profile 1

profile 2

  實驗 3---采(cǎi)用不同的(de)焊盤(pán)開孔方式

  對于(yú)散熱焊盤，由于尺(chǐ)寸(cùn)較(jiào)大，并且(qiě)有過孔，在回(huí)流(liú)時，過(guò)孔由(yóu)于加(jiā)熱産生的(de)氣體(tǐ)以及助焊 劑本(běn)身的出(chū)氣(qì)由于(yú)沒有(yǒu)通道(dào)排出(chū)去，容易産(chǎn)生較(jiào)大的空(kōng)洞。在實(shí)驗中，爲了幫助氣體(tǐ)排(pái)出去， 我(wǒ)們将它分割(gē)爲(wèi)幾塊小型的焊(hàn)盤，如(rú)下圖所示(shì)，我們采用三種(zhǒng)開孔方(fāng)式(shì)。

開孔 1

開孔(kǒng) 2

開(kāi)孔 3

  如下(xià)圖所示，采(cǎi)用 3 種(zhǒng)不同的(de)鋼網開(kāi)孔方式，回(huí)流後(hòu)在(zài) x-ray 下看空洞率(lǜ)均差(chà)不(bú)多，都(dōu)在(zài) 35% 左右，随着通道(dào)的增多，空洞的(de)大小也逐漸降(jiàng)低，如圖(tú)示(shì)開孔(kǒng) 1 中最(zuì)大的空洞爲 15%，而開 孔(kǒng) 3 中最(zuì)大的(de)空(kōng)洞爲 5%。開(kāi)孔 1 表(biǎo)現(xiàn)出較大(dà)個的(de)空洞，空洞(dòng)的數量較少，開(kāi)孔 2 與開孔 3 的空(kōng)洞率均差(chà)不多(duō)，且單(dān)個的空洞(dòng)均(jun1)小于開孔 1 的(de)空洞，但(dàn)小的空(kōng)洞數(shù)量較(jiào)多，開(kāi)孔 3 沒有(yǒu) 較大的(de)空洞(dòng)，但是空洞(dòng)的(de)數量很多，如(rú)下圖所示。

開孔(kǒng) 1

開孔 2

開孔(kǒng) 3

   在另(lìng)一種産(chǎn)品(pǐn)上，我們對(duì) qfn 采用(yòng)同樣(yàng)的 3 種(zhǒng)開(kāi)孔方式(shì)，空洞(dòng)表現與(yǔ)上(shàng)面的産(chǎn)品(pǐn)表現不一 樣(yàng)，當通道(dào)越多時空洞率(lǜ)越低，這說明對(duì)于某(mǒu)些 qfn 元件，減(jiǎn)少大焊盤(pán)開孔(kǒng)尺寸增加(jiā)通道(dào) 有助于改善空(kōng)洞(dòng)率，但是(shì)對于(yú)某些 qfn 特别是有(yǒu)許多(duō)過孔的大(dà)焊盤，更(gèng)改鋼網(wǎng)開孔(kǒng)方式對 于空(kōng)洞(dòng)而言并沒(méi)有太大的(de)幫助。

實驗 4----采用(yòng)低助焊劑含量的焊(hàn)料

  由(yóu)于空洞主(zhǔ)要與(yǔ)助焊劑出(chū)氣有關，那麽是(shì)否可采(cǎi)用低助(zhù)焊劑含(hán)量的焊(hàn)料?在實(shí)驗中，我們采 用相同合(hé)金成份的(de)預成(chéng)型焊(hàn)片 preform---sac305，1%助焊劑(jì)，焊片尺(chǐ)寸爲 3.67*3.67*0.05mm， 焊(hàn)片與散熱焊盤(pán)的比例(lì)爲(wèi) 89%，對比(bǐ)錫膏中 11.5%的助焊(hàn)劑，在(zài)散熱(rè)焊盤(pán)上采(cǎi)用(yòng)預成型焊盤(pán)， 也就是用(yòng) preform 替代(dài)錫膏，期待(dài)以通過降低助焊劑的含(hán)量來(lái)減少(shǎo)出(chū)氣(qì)來得(dé)到較(jiào)低的空洞(dòng)率。

  在(zài)鋼(gāng)網開孔(kǒng)上，對于四周焊盤并不需(xū)要進行任(rèn)何的更改(gǎi)，我們(men)隻需(xū)對散熱焊盤的開孔(kǒng)方式進 行(háng)更改，如下(xià)圖所(suǒ)示，散(sàn)熱焊盤(pán)隻需要在四周各(gè)開一(yī)個(gè)直徑 0.015’’的小孔以固定(dìng)焊盤即(jí)可。

  在(zài)回流(liú)曲線(xiàn)方面(miàn)，我們采用(yòng)産線實(shí)際生産用的(de)曲(qǔ)線(xiàn)，不做(zuò)任何更改，過爐後通(tōng)過 x-ray 檢測 看(kàn) qfn 元件空(kōng)洞，如下(xià)圖所示，空洞率爲 3～6%，單個(gè)最大空(kōng)洞才(cái) 0.7%左右。

  補充實驗 5-----焊片(piàn)是否(fǒu)可解(jiě)決 lga 元(yuán)件空(kōng)洞?

  由于 lga 元(yuán)件焊(hàn)盤(pán)同(tóng)樣較大，在(zài)空洞方面也比(bǐ)較難控制，那麽(me)焊片(piàn)是否可用(yòng)于 lga 降低空 洞?如(rú)下圖(tú)所示，lga 上共(gòng)有 2 種(zhǒng)不同尺寸的焊盤(pán)，58 個(gè) 2mm 直徑的圓(yuán)形焊盤和(hé) 76 個 1.6mm 直徑(jìng)的(de)圓形焊盤(pán)，焊盤(pán)下同(tóng)樣有過孔。

  使用(yòng)錫膏回流，優化(huà)爐溫和(hé)鋼網開孔，效果均不明(míng)顯，它(tā)的空洞率(lǜ)大概在 25～45%左右。如(rú) 下圖(tú)所示(shì)。

   如何在 lga 使(shǐ)用(yòng)焊(hàn)片呢(ne)?由于它的焊盤(pán)分(fèn)别(bié)爲(wèi) 2mm 和(hé) 1.6mm 的圓(yuán)形，考慮到(dào)焊片(piàn)和 lga 元件的(de)固定(dìng)問題，我們在鋼網開孔時，将圓(yuán)形(xíng)焊盤開(kāi)孔設(shè)計爲 4 個小的(de)圓形開(kāi)孔，焊片尺寸 與焊盤比例(lì)爲 0.8，以(yǐ)保證焊盤的錫膏(gāo)在固定(dìng)焊片的同時還(hái)能粘(zhān)住 lga 元件。

如(rú)下圖所(suǒ)示(shì)，

  對于實驗(yàn)結(jié)果簡單描述下，在回流(liú)中我們不更改(gǎi)任何(hé)的回(huí)流溫(wēn)度設(shè)定(dìng)，通過 x-ray 檢(jiǎn)測空(kōng)洞 率(lǜ)大概在(zài) 6～14%

總(zǒng)結(jié)

   對于大(dà)焊盤元件，例如(rú) qfn 和 lga 類元件，将焊盤切割(gē)成井字形或(huò)切割(gē)成小(xiǎo)塊(kuài)，有助于(yú)降 低較大(dà)尺寸的空(kōng)洞，因爲增(zēng)加通道有(yǒu)助于氣體(tǐ)的釋放。在回流(liú)曲線方面，需要(yào)考慮(lǜ)不(bú)同錫膏(gāo) 中助(zhù)焊劑(jì)揮發(fā)的溫度，盡量在(zài)回流(liú)前将大部(bù)分的氣體(tǐ)揮發(fā)有助于降低較大尺寸(cùn)的(de)空洞，而使 用線(xiàn)性的回流曲線有助(zhù)于減小空洞的(de)數量。如(rú)果(guǒ)有過孔較(jiào)大的狀态(tài)下，鋼網(wǎng)開孔和回流(liú)曲(qǔ)線 都無(wú)法降低(dī)空(kōng)洞時(shí)，使用焊(hàn)片可以(yǐ)快速有效的降(jiàng)低空洞(dòng)，這(zhè)主要(yào)是因(yīn)爲焊片的(de)助焊劑含量相(xiàng) 對于(yú)錫膏而(ér)言降低了 5 倍，錫膏(gāo)中的助焊劑含(hán)有溶(róng)劑(jì)，松香，增稠劑等造成大量的揮發物在(zài) 高溫時容易形成較(jiào)大的(de)空洞(dòng)，而焊(hàn)片(piàn)中的助焊劑成份主要(yào)由松香(xiāng)組(zǔ)成，不(bú)含溶劑等物質(zhì)，所 以有(yǒu)效(xiào)地降(jiàng)低了(le)空洞。