如何降低大(dà)焊盤元件的(de)空洞

　　前言

 

　　随著(zhe)電子行業小型化(huà)多(duō)功能化(huà)發展的(de)趨勢，越來(lái)越多(duō)的(de)多(duō)功能，體積小的(de)元件應用(yòng)于在各種産品上，例如 QFN 元件和(hé) LGA 元件。

 

　　QFN 是一種無引腳封裝，呈正方形或矩形，封裝底部中央位置有一個(gè)大(dà)面積裸露焊盤用(yòng)來(lái)導熱(rè)，通(tōng)過大(dà)焊盤的(de)封裝外圍四周焊盤導電實現電氣連結。由于無引腳，貼裝占有面積比 QFP小，高(gāo)度 比 QFP 低，加上傑出的(de)電性能和(hé)熱(rè)性能，這(zhè)種封裝越來(lái)越多(duō)地應用(yòng)于在電子行業。QFN 封裝具有優異的(de)熱(rè)性能，主要是因爲封裝底部有大(dà)面積散熱(rè)焊盤，爲了(le)能有效地将熱(rè)量從芯片傳導到 PCB 上，PCB 底部必須設計與之相對(duì)應的(de)散熱(rè)焊盤以及散熱(rè)過孔，散熱(rè)焊盤提供了(le)可(kě)靠的(de)焊接面積，過孔提供了(le)散熱(rè)途徑。因而，當芯片底部的(de)暴露焊盤和(hé) PCB 上的(de)熱(rè)焊盤進行焊接時(shí)，由于熱(rè)過孔和(hé)大(dà)尺寸焊盤上錫膏中的(de)氣體将會向外溢出，産生一定的(de)氣體孔，對(duì)于 smt 工藝而言，會産生較大(dà)的(de)空洞，要想消除這(zhè)些氣孔幾乎是不可(kě)能的(de)，隻有将氣孔減小到最低量。

 

　　LGA(land grid array)即在底面制作有陣列狀态坦電極觸點的(de)封裝，它的(de)外形與 BGA 元件非常相似，由于它的(de)焊盤尺寸比 BGA 球直徑大(dà) 2～3 倍左右，在空洞方面同樣也(yě)很難控制。并且它與 QFN 元件一樣，業界還(hái)沒有制定相關的(de)工藝标準，這(zhè)在一定程度上對(duì)電子加工行業造成了(le)困擾。

 

　　本文通(tōng)過大(dà)量實驗從鋼網優化(huà)，爐溫優化(huà)以及預成型焊片來(lái)尋找空洞的(de)解決方案。

 

　　實驗設計

 

　　在實驗中所采用(yòng)的(de) PCB 爲闆厚 1.6mm 的(de)鎳金闆， 上的(de) QNF 散熱(rè)焊盤上共有 22 個(gè)過孔。QFN 采用(yòng) Sn 進行表面處理(lǐ)，四周引腳共有 48 個(gè)，每個(gè)焊盤直徑爲 0.28mm，間距爲 0.5mm，散熱(rè)焊盤尺寸爲 4.1*4.1mm。PCB 闆上的(de) QFN 焊盤

        實驗1---對(duì)比兩款不同的(de)錫膏
 

　　在實驗中，爲了(le)對(duì)比不同的(de)錫膏對(duì)空洞的(de)影(yǐng)響，我們采用(yòng)了(le)兩種錫膏，一款來(lái)自日系錫膏 A，一款爲美(měi)系錫膏 B，均爲業界最爲知名的(de)錫膏公司。錫膏合金爲 SAC305 的(de) 4 号粉錫膏，鋼網厚度爲 4mil，QFN 散熱(rè)焊盤采用(yòng) 1：1 的(de)方形開孔，對(duì)比空洞結果如下(xià)圖所示，發現兩款錫膏在 QFN 上均表現出較大(dà)的(de)空洞，這(zhè)可(kě)能由于散熱(rè)焊盤較大(dà)，錫膏覆蓋了(le)整個(gè)焊盤，影(yǐng)響了(le)助焊劑的(de)出氣以及過孔産生的(de)氣體沒辦法排出氣，造成較大(dà)的(de)空洞，即使采用(yòng)很好的(de)錫膏的(de)無濟于事。

 

　　錫膏 A(空洞率 35.7%)

 

　　實驗 2---采用(yòng)不同的(de)回流曲線

 

　　錫膏 B(空洞率 37.2%)

 

　　考慮到助焊劑在回流時(shí)揮發會産生大(dà)量的(de)氣體，在實驗中，我們采用(yòng)了(le)典型的(de)線性式曲線和(hé)馬鞍式平台曲線，通(tōng)過回流我們發現，采用(yòng)線性的(de)曲線，它們的(de)空洞率都在 35%～45 之間。大(dà)的(de)空洞較明(míng)顯，相對(duì)于平台式曲線，它的(de)空洞數量較少。而采用(yòng)平台式的(de)曲線，沒有很大(dà)的(de)空洞，但是小的(de)空洞數量較多(duō)。這(zhè)主要是因爲采用(yòng)平台式曲線，有助于助焊劑在熔點前最大(dà)的(de)揮發，大(dà)部分(fēn)揮發性物(wù)質在熔點前通(tōng)過高(gāo)溫烘烤蒸發了(le)，所以沒有很大(dà)的(de)空洞;而線性式的(de)曲線，由于預熱(rè)到熔點的(de)時(shí)間較短，大(dà)部分(fēn)的(de)揮發性物(wù)質還(hái)沒有及時(shí)揮發，到達熔點的(de)時(shí)候，焊料融化(huà)形成很大(dà)的(de)表面張力，同時(shí)許多(duō)氣體同時(shí)揮發，所以形成較大(dà)的(de)空洞且空洞數量較小。

 

　　Profile 1

 

　　Profile 2

 

　　實驗 3---采用(yòng)不同的(de)焊盤開孔方式

 

　　對(duì)于散熱(rè)焊盤，由于尺寸較大(dà)，并且有過孔，在回流時(shí)，過孔由于加熱(rè)産生的(de)氣體以及助焊劑本身的(de)出氣由于沒有通(tōng)道排出去，容易産生較大(dà)的(de)空洞。在實驗中，爲了(le)幫助氣體排出去，我們将它分(fēn)割爲幾塊小型的(de)焊盤，如下(xià)圖所示，我們采用(yòng)三種開孔方式。

 

　　開孔 1

 

　　開孔 2

 

　　開孔 3

 

　　如下(xià)圖所示，采用(yòng) 3 種不同的(de)鋼網開孔方式，回流後在 x-ray 下(xià)看空洞率均差不多(duō)，都在 35%左右，随著(zhe)通(tōng)道的(de)增多(duō)，空洞的(de)大(dà)小也(yě)逐漸降低，如圖示開孔 1 中最大(dà)的(de)空洞爲 15%，而開孔 3 中最大(dà)的(de)空洞爲 5%。開孔 1 表現出較大(dà)個(gè)的(de)空洞，空洞的(de)數量較少，開孔 2 與開孔 3的(de)空洞率均差不多(duō)，且單個(gè)的(de)空洞均小于開孔 1 的(de)空洞，但小的(de)空洞數量較多(duō)，開孔 3 沒有較大(dà)的(de)空洞，但是空洞的(de)數量很多(duō)，如下(xià)圖所示。

 

　　開孔 1

 

　　開孔 2

 

　　開孔 3

 

　　在另一種産品上，我們對(duì) QFN 采用(yòng)同樣的(de) 3 種開孔方式，空洞表現與上面的(de)産品表現不一樣，當通(tōng)道越多(duō)時(shí)空洞率越低，這(zhè)說明(míng)對(duì)于某些 QFN 元件，減少大(dà)焊盤開孔尺寸增加通(tōng)道有助于改善空洞率，但是對(duì)于某些 QFN 特别是有許多(duō)過孔的(de)大(dà)焊盤，更改鋼網開孔方式對(duì)于空洞而言并沒有太大(dà)的(de)幫助。

 

　　實驗 4----采用(yòng)低助焊劑含量的(de)焊料

 

　　由于空洞主要與助焊劑出氣有關，那麽是否可(kě)采用(yòng)低助焊劑含量的(de)焊料?在實驗中，我們采用(yòng)相同合金成份的(de)預成型焊片 preform---SAC305，1%助焊劑，焊片尺寸爲 3.67*3.67*0.05mm，焊片與散熱(rè)焊盤的(de)比例爲 89%，對(duì)比錫膏中 11.5%的(de)助焊劑，在散熱(rè)焊盤上采用(yòng)預成型焊盤，也(yě)就是用(yòng) preform 替代錫膏，期待以通(tōng)過降低助焊劑的(de)含量來(lái)減少出氣來(lái)得(de)到較低的(de)空洞率。在鋼網開孔上，對(duì)于四周焊盤并不需要進行任何的(de)更改，我們隻需對(duì)散熱(rè)焊盤的(de)開孔方式進行更改，如下(xià)圖所示，散熱(rè)焊盤隻需要在四周各開一個(gè)直徑 0.015’’的(de)小孔以固定焊盤即可(kě)。在回流曲線方面，我們采用(yòng)産線實際生産用(yòng)的(de)曲線，不做(zuò)任何更改，過爐後通(tōng)過 x-ray 檢測看 QFN 元件空洞，如下(xià)圖所示，空洞率爲 3～6%，單個(gè)最大(dà)空洞才 0.7%左右。

 

　　補充實驗 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(dà)，在空洞方面也(yě)比較難控制，那麽焊片是否可(kě)用(yòng)于 LGA 降低空洞?如下(xià)圖所示，LGA 上共有 2 種不同尺寸的(de)焊盤，58 個(gè) 2mm 直徑的(de)圓形焊盤和(hé) 76 個(gè)1.6mm 直徑的(de)圓形焊盤，焊盤下(xià)同樣有過孔。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，它的(de)空洞率大(dà)概在 25～45%左右。如下(xià)圖所示。

 

　　如何在 LGA 使用(yòng)焊片呢(ne)?由于它的(de)焊盤分(fēn)别爲 2mm 和(hé) 1.6mm 的(de)圓形，考慮到焊片和(hé) LGA元件的(de)固定問題，我們在鋼網開孔時(shí)，将圓形焊盤開孔設計爲 4 個(gè)小的(de)圓形開孔，焊片尺寸與焊盤比例爲 0.8，以保證焊盤的(de)錫膏在固定焊片的(de)同時(shí)還(hái)能粘住 LGA 元件。如下(xià)圖所示，對(duì)于實驗結果簡單描述下(xià)，在回流中我們不更改任何的(de)回流溫度設定，通(tōng)過 X-ray 檢測空洞率大(dà)概在 6～14%

 

　　總結

 

　　對(duì)于大(dà)焊盤元件，例如 QFN 和(hé) LGA 類元件，将焊盤切割成井字形或切割成小塊，有助于降低較大(dà)尺寸的(de)空洞，因爲增加通(tōng)道有助于氣體的(de)釋放。在回流曲線方面，需要考慮不同錫膏中助焊劑揮發的(de)溫度，盡量在回流前将大(dà)部分(fēn)的(de)氣體揮發有助于降低較大(dà)尺寸的(de)空洞，而使用(yòng)線性的(de)回流曲線有助于減小空洞的(de)數量。如果有過孔較大(dà)的(de)狀态下(xià)，鋼網開孔和(hé)回流曲線都無法降低空洞時(shí)，使用(yòng)焊片可(kě)以快(kuài)速有效的(de)降低空洞，這(zhè)主要是因爲焊片的(de)助焊劑含量相對(duì)于錫膏而言降低了(le) 5 倍，錫膏中的(de)助焊劑含有溶劑，松香，增稠劑等造成大(dà)量的(de)揮發物(wù)在高(gāo)溫時(shí)容易形成較大(dà)的(de)空洞，而焊片中的(de)助焊劑成份主要由松香組成，不含溶劑等物(wù)質，所以有效地降低了(le)空洞。