前言

   随着電子行業小型(xíng)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 産品上，例(lì)如 QFN 元件和 LGA 元件。

   QFN 是一種無引腳封裝(zhuāng)，呈正方形或矩形(xíng)，封裝底部(bù)中央位(wèi)置有一個大面積裸露焊(hàn)盤用來導 熱，通過大焊盤的封裝外(wài)圍四周焊盤導電實現電氣連(lián)結。由于無引腳(jiǎo)，貼裝占有面積比(bǐ) QFP 小，高度 比 QFP 低，加上(shàng)傑出的電性能和熱性能，這種封裝越來越多(duō)地應用于在電子行業。

   QFN 封裝具有優(yōu)異的熱性能，主要是因爲(wèi)封裝底部有大面積散熱焊盤，爲了能有(yǒu)效地将熱量 從芯片(piàn)傳導(dǎo)到(dào) PCB 上，PCB 底部必須設計與之相對應的散熱(rè)焊盤以及散熱(rè)過孔，散熱焊盤提 供(gòng)了可靠的(de)焊接面積，過孔提供了散熱途徑。因而，當(dāng)芯片底部的暴露焊盤和 PCB 上的熱 焊(hàn)盤進行焊接時(shí)，由于(yú)熱過孔和大尺(chǐ)寸焊盤上錫膏中的氣體将會向外溢出，産生一定的氣(qì)體 孔，對于 smt 工藝(yì)而言，會産(chǎn)生較大的空洞，要想(xiǎng)消除這些氣孔幾乎是不可能(néng)的，隻有将 氣孔減小到最低量(liàng)。 LGA(land grid array)即在底面制作有陣列狀态坦電極觸點(diǎn)的封(fēng)裝，它的(de)外形與(yǔ) BGA 元件非常 相似，由于(yú)它的焊盤尺寸比 BGA 球直徑大(dà) 2～3 倍左右，在空洞(dòng)方面同樣也很難(nán)控制。并且 它與 QFN 元件一樣(yàng)，業界還沒有制定相關的(de)工(gōng)藝标準，這在一定(dìng)程度上對電子加工行業造 成了困(kùn)擾。

  本文通過大量實驗從 鋼網 優化，爐溫優化以及預(yù)成(chéng)型焊片來尋找空洞的解決方案(àn)。

  實驗設計

  在實驗中所采用(yòng)的 PCB 爲闆厚 1.6mm 的鎳金闆， 上的 QNF 散熱焊盤上共有(yǒu) 22 個過孔;PCB 如圖示

1。QFN 采(cǎi)用 Sn 進行表面處理，四周引(yǐn)腳共(gòng)有 48 個，每個焊盤直徑爲 0.28mm，間 距爲(wèi) 0.5mm，散熱焊盤(pán)尺寸爲 4.1*4.1mm。

如圖(tú)示 2. 圖 1，PCB 闆上的 QFN 焊盤 實驗(yàn) 1---對比兩款不同的錫膏(gāo)

   圖 2，實驗所用(yòng)的 QFN 元件 在實驗中，爲了對比不同的(de)錫膏對空洞的影響，我們采用了兩種錫膏，一款來自日系錫膏(gāo) A， 一(yī)款爲美系錫膏 B，均爲業界最爲知名(míng)的錫膏公司。錫膏合金爲 SAC305 的 4 号粉錫膏，鋼 網厚(hòu)度爲 4mil，QFN 散熱(rè)焊盤采(cǎi)用 1：1 的方形開(kāi)孔，對比空洞結果如下圖所示，發現兩款(kuǎn) 錫膏在 QFN 上均表現出較大的空洞，這(zhè)可能由于散熱焊(hàn)盤較大，錫膏覆蓋了整個(gè)焊盤(pán)，影 響了 助焊劑 的出氣以及(jí)過孔産生(shēng)的氣體沒辦法排出氣，造成較大的空洞，即使采用很好(hǎo)的錫(xī) 膏的(de)無(wú)濟于事。 錫膏 A(空洞(dòng)率 35.7%) 實驗 2---采用不同的回流曲線 錫膏(gāo) B(空洞率 37.2%) 考慮到助(zhù)焊劑在回流(liú)時揮發會産生大量的氣體，在實驗中，我們采用了典型的線(xiàn)性式曲線和(hé) 馬(mǎ)鞍式(shì)平台曲線，通過回流我們發現(xiàn)，采用(yòng)線性(xìng)的曲線，它們的空洞(dòng)率都在 35%～45 之間。

  大(dà)的空洞(dòng)較明顯，相對于平(píng)台式曲線，它的空洞數量較少。而采(cǎi)用平台式的曲(qǔ)線，沒有很大 的空洞(dòng)，但是(shì)小的空洞數量較多。這主(zhǔ)要是(shì)因爲采用平台式曲線，有助于助焊(hàn)劑在熔點(diǎn)前最 大的揮發，大部分揮(huī)發性(xìng)物質在熔點前通過高溫烘烤(kǎo)蒸發了，所(suǒ)以沒有很大的空洞(dòng);而線(xiàn)性 式的曲線，由于預熱到(dào)熔點的時間較短，大部分的揮發性物質(zhì)還沒有及時揮發，到達(dá)熔點的 時候，焊料(liào)融化形成(chéng)很大的表面張力，同時許多氣體同時揮發，所以形成較大的空洞且空洞 數(shù)量較小。

Profile 1

Profile 2

  實驗 3---采用不同的(de)焊盤開孔方式

  對于(yú)散熱(rè)焊盤，由于尺寸較大，并且有過孔，在回流時，過孔由于加(jiā)熱産生(shēng)的氣體以及助焊 劑本身的出氣由于(yú)沒有通道(dào)排出去(qù)，容易産生較大的空洞。在實(shí)驗中，爲了幫助氣體排出去， 我們将它分割爲幾塊小型(xíng)的焊(hàn)盤，如下圖(tú)所示(shì)，我們(men)采用三(sān)種(zhǒng)開孔方式。

開孔 1

開孔 2

開孔 3

  如下圖(tú)所示，采用 3 種不同(tóng)的(de)鋼網開孔方式(shì)，回流後在 x-ray 下看空洞率均差不多，都在 35% 左右，随着(zhe)通道(dào)的增多，空洞的大小也逐漸降低，如圖示開孔 1 中最大的空洞爲 15%，而開(kāi) 孔 3 中最大的空洞爲 5%。開孔 1 表現(xiàn)出較大(dà)個的空洞，空洞(dòng)的數量較少，開孔 2 與(yǔ)開孔 3 的空洞率均差不多，且單(dān)個的空洞(dòng)均小于開孔 1 的空洞，但小的空(kōng)洞數量(liàng)較多，開孔 3 沒有 較大的空洞(dòng)，但是空洞的數量很多，如下圖所示(shì)。

開孔 1

開孔 2

開孔 3

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

實驗 4----采用低助焊劑含量的焊料

  由于空洞主要與助焊劑出(chū)氣(qì)有關，那麽是否可(kě)采用低助焊劑含量的焊料?在實驗中，我們采 用相同(tóng)合金成份的預成型(xíng)焊片 preform---SAC305，1%助焊劑，焊(hàn)片尺寸爲 3.67*3.67*0.05mm， 焊片與散熱焊盤的比例爲 89%，對比錫膏中 11.5%的(de)助焊(hàn)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(de)含量來減少出氣來得到較低(dī)的空(kōng)洞(dòng)率。

  在鋼網開孔(kǒng)上，對于四周焊盤并不需要進行任(rèn)何的更改(gǎi)，我們隻(zhī)需對散熱焊盤的開孔(kǒng)方式進 行(háng)更改，如下圖所示，散熱焊盤隻需要在四周各開一個直(zhí)徑 0.015’’的小孔(kǒng)以固定焊盤即可。

  在(zài)回流(liú)曲線方面，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(tōng)過 x-ray 檢測 看(kàn) QFN 元件空洞，如下圖所示，空(kōng)洞率爲 3～6%，單個最大(dà)空洞才 0.7%左右。

  補(bǔ)充實驗 5-----焊片是否可解決(jué) LGA 元件空洞?

  由于 LGA 元件焊盤(pán)同樣較大，在空洞方面也比(bǐ)較難控制，那麽(me)焊片是否可用于 LGA 降低空 洞?如下圖所(suǒ)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 76 個 1.6mm 直徑的圓(yuán)形焊盤，焊盤下同樣有過孔。

  使用錫膏回流，優化爐溫和鋼網開孔，效(xiào)果均不明顯，它的空(kōng)洞率(lǜ)大概在 25～45%左右。如 下圖所示。

   如何在 LGA 使(shǐ)用(yòng)焊片呢?由于它的焊盤分别爲 2mm 和 1.6mm 的圓(yuán)形，考慮到焊片和 LGA 元件的固定問題，我們在鋼網開孔時，将圓(yuán)形焊盤(pán)開孔設計爲 4 個小的圓形開孔，焊(hàn)片尺寸 與焊(hàn)盤比例爲 0.8，以保(bǎo)證焊盤的錫膏在固定(dìng)焊片的同時還(hái)能粘住 LGA 元件。

如下圖所示，

  對于實驗(yàn)結果簡單描述下(xià)，在回流中我們不更改任何的回流(liú)溫度設定，通(tōng)過 X-ray 檢(jiǎn)測空洞 率大概在 6～14%

總結

   對于大焊盤(pán)元件，例如 QFN 和 LGA 類(lèi)元件，将焊盤切割成井字形或切割成小(xiǎo)塊，有助于降 低(dī)較大尺寸的空洞，因爲增加通道有助于氣體的釋放。在回流曲線方面，需要考慮不同錫膏 中助焊劑揮發(fā)的(de)溫度，盡量在回流(liú)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(xìng)的回流曲線有助(zhù)于減小空洞的數(shù)量。如果有過孔較(jiào)大的(de)狀态下，鋼網開(kāi)孔和(hé)回流曲線 都無法降低空洞時，使用焊片可以(yǐ)快速有(yǒu)效的降低空洞，這主要(yào)是因(yīn)爲焊片的助焊劑含量相 對于錫膏而言降低了 5 倍(bèi)，錫(xī)膏(gāo)中的助焊劑含(hán)有溶(róng)劑，松香，增(zēng)稠劑等造成大(dà)量的揮發物在 高(gāo)溫時容易形成較大的空洞，而焊片中(zhōng)的助焊劑成份主(zhǔ)要(yào)由松香組成，不含(hán)溶劑等物質，所 以有(yǒu)效地降低了空洞。