前言

   随(suí)着電子行業(yè)小型化多功(gōng)能化發展的(de)趨勢，越來越(yue)多的多功能(néng)，體積小的元(yuan)件應用于在(zai)各種 産品上(shàng)，例如 QFN 元件和(he) LGA 元件。

   QFN 是一種(zhong)無引腳封裝(zhuang)，呈正方形或(huo)矩形，封裝底(di)部中央位置(zhì)有一個大面(miàn)積裸露焊盤(pán)用來導 熱，通(tong)過大焊盤的(de)封裝外圍四(sì)周焊盤導電(diàn)實現電氣連(lian)結。由于無引(yǐn)腳，貼裝占有(yǒu)面積比 QFP 小，高(gao)度 比 QFP 低，加上(shang)傑出的電性(xing)能和熱性能(néng)，這種封裝越(yuè)來👅越多地應(yīng)用于在電子(zi)行業。

   QFN 封裝具(ju)有優異的熱(rè)性能，主要是(shi)因爲封裝底(dǐ)部有大面📧積(jī)散熱焊盤，爲(wei)了能有效地(dì)将熱量 從芯(xīn)片傳導到 PCB 上(shàng)，PCB 底部必須設(shè)計與之相對(duì)應的散熱焊(han)盤以及散熱(re)過孔，散熱焊(han)盤提 供了可(ke)靠的焊接面(miàn)積，過孔提供(gong)了散熱途徑(jing)。因而，當芯片(pian)底部的暴露(lù)焊盤和 PCB 上的(de)熱 焊盤進行(háng)焊接時，由于(yu)熱過孔和大(da)尺寸焊盤上(shang)錫膏中的氣(qi)🌈體将會向外(wai)溢出，産生一(yi)定的氣體 孔(kǒng)，對于 smt 工藝而(ér)言，會産生較(jiào)大的空洞，要(yào)想消除這些(xie)氣孔幾乎是(shi)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻不可能的，隻(zhi)有将 氣孔減(jiǎn)小到最低量(liang)。 LGA(land grid array)即在底面制(zhì)作有陣列狀(zhuang)态坦電極觸(chu)點的封裝，它(ta)的🌈外形😍與 BGA 元(yuan)件非常 相似(si)，由于它的焊(hàn)盤尺寸比 BGA 球(qiu)直徑大 2～3 倍左(zuǒ)右，在空洞方(fāng)面同樣也很(hěn)難控制。并且(qiě) 它與 QFN 元件一(yī)樣，業界還沒(méi)有制定相關(guān)的工藝标準(zhǔn)✌️，這在一定程(cheng)度上對電子(zi)加工行業造(zao) 成了困擾。

  本(běn)文通過大量(liang)實驗從 鋼網(wang) 優化，爐溫優(you)化以及預成(chéng)型焊片來尋(xún)找空洞的解(jiě)🔴決方案。

  實驗(yàn)設計

  在實驗(yàn)中所采用的(de) PCB 爲闆厚 1.6mm 的鎳(nie)金闆， 上的 QNF 散(sàn)熱焊盤上共(gong)🏒有 22 個過孔;PCB 如(rú)圖示

1。QFN 采用 Sn 進(jìn)行表面處理(li)，四周引腳共(gòng)有 48 個，每個焊(hàn)盤直徑爲 0.28mm，間(jian) 距爲 0.5mm，散熱焊(hàn)盤尺寸爲 4.1*4.1mm。

如(ru)圖示 2. 圖 1，PCB 闆上(shàng)的 QFN 焊盤 實驗(yan) 1---對比兩款不(bu)同的錫膏

   圖(tu) 2，實驗所用的(de) QFN 元件 在實驗(yàn)中，爲了對比(bi)不同的錫膏(gao)對空洞的影(yǐng)響，我🔞們采用(yòng)了兩種錫膏(gāo)，一款來自日(ri)系錫膏 A， 一款(kuan)爲美系錫膏(gāo) B，均爲業界最(zuì)爲知名的錫(xi)膏公司🛀🏻。錫⭕膏(gāo)合金爲 SAC305 的 4 号(hao)粉錫膏，鋼 網(wǎng)厚度爲 4mil，QFN 散熱(re)焊盤采用 1：1 的(de)方形開孔，對(dui)比空洞結果(guo)如下圖所示(shi)，發現兩款 錫(xi)膏在 QFN 上均表(biao)現出較大的(de)空洞，這可能(néng)由于散熱焊(han)🏃‍♂️盤🏃較大，錫膏(gāo)覆蓋了整個(ge)焊盤，影 響了(le) 助焊劑 的出(chu)氣以及過孔(kǒng)産生的氣體(tǐ)沒辦法排出(chu)氣，造成較大(da)的空洞，即使(shi)采用很好的(de)錫 膏的無濟(ji)于事。 錫膏 A(空(kōng)洞率 35.7%) 實驗 2---采(cǎi)用不同的回(hui)流曲線 錫膏(gāo) B(空洞率 37.2%) 考慮(lü)到助焊劑在(zài)回流時揮發(fā)會産生大量(liàng)的氣體，在實(shi)驗中，我們采(cǎi)用了典型的(de)線性式曲線(xian)和 馬鞍式平(ping)台曲線，通過(guò)回流我們發(fa)現，采用線性(xing)的‼️曲線，它們(men)的空洞率都(dōu)在 35%～45 之間。

  大的(de)空洞較明顯(xiǎn)，相對于平台(tai)式曲線，它的(de)空洞數量較(jiao)少。而采用平(píng)台式的曲線(xiàn)，沒有很大 的(de)空洞，但是小(xiǎo)的空洞數量(liàng)較多。這主要(yao)是因爲采用(yong)平台式曲線(xian)，有助于助焊(han)劑在熔點前(qián)最 大的揮發(fa)，大部分揮發(fā)性物質在熔(róng)點前通過高(gao)溫烘烤蒸發(fā)了，所以沒有(yǒu)很大的空洞(dòng);而線性 式的(de)曲線，由于預(yu)熱到熔點的(de)時間較短，大(dà)部分的揮發(fa)性物質還沒(méi)有及時揮發(fā)，到達熔點的(de) 時候，焊料融(róng)化形成很大(da)的表面張力(lì)，同時許多氣(qi)體同時揮🥵發(fa)，所以形成較(jiao)大的空洞且(qie)空洞 數量較(jiào)小。

Profile 1

Profile 2

  實驗 3---采用(yong)不同的焊盤(pán)開孔方式

  對(dui)于散熱焊盤(pan)，由于尺寸較(jiào)大，并且有過(guo)孔，在回流時(shi)❗，過孔由于加(jia)熱産生的氣(qì)體以及助焊(han) 劑本身的出(chu)氣由于沒有(you)通道排出去(qu)，容易産生較(jiào)大的空洞。在(zai)實驗中，爲了(le)幫助氣體排(pai)出去， 我們将(jiāng)它分割爲幾(ji)塊小型的焊(hàn)盤，如下圖所(suo)示，我們采用(yong)三種開孔方(fāng)式。

開孔 1

開孔(kǒng) 2

開孔 3

  如下圖(tu)所示，采用 3 種(zhong)不同的鋼網(wang)開孔方式，回(hui)流後在 x-ray 下🏃🏻看(kàn)空洞率均差(cha)不多，都在 35% 左(zuo)右，随着通道(dào)的增多，空洞(dong)的大小也逐(zhú)漸降低，如圖(tú)♊示開孔 1 中最(zui)大的空洞爲(wèi) 15%，而開 孔 3 中最(zui)大的空洞爲(wei) 5%。開孔 1 表現出(chū)較大個的空(kong)洞，空洞的數(shu)🈲量較少，開孔(kong) 2 與開孔 3 的空(kōng)洞率均差不(bu)多，且單個的(de)空洞均小于(yú)開孔 1 的空洞(dòng)，但小的空洞(dòng)數量較多，開(kāi)孔 3 沒有 較大(dà)的空洞，但是(shi)空洞的數量(liàng)很多，如下圖(tú)所示。

開孔 1

開(kai)孔 2

開孔 3

   在另(ling)一種産品上(shàng)，我們對 QFN 采用(yòng)同樣的 3 種開(kāi)孔方式，空👅洞(dong)表👅現與上面(mian)的産品表現(xian)不一 樣，當通(tōng)道越多時空(kong)洞率越低，這(zhè)說明對于某(mou)些 QFN 元件，減⛱️少(shao)大🛀焊盤開孔(kong)尺寸增加通(tōng)道 有助于改(gǎi)善空洞率，但(dan)是對于某些(xie) QFN 特别是有許(xu)多過孔的大(da)焊🈲盤，更改鋼(gāng)網開孔方式(shi)對 于空洞而(er)言并沒有太(tài)大的幫助。

實(shí)驗 4----采用低助(zhù)焊劑含量的(de)焊料

  由于空(kōng)洞主要與助(zhù)焊劑出氣有(yǒu)關，那麽是否(fou)可采用🌐低助(zhu)焊劑💰含量的(de)焊料?在實驗(yàn)中，我們采 用(yòng)相同合金成(chéng)份的預成型(xing)焊片 preform---SAC305，1%助焊劑(ji)，焊片尺寸爲(wei) 3.67*3.67*0.05mm， 焊片與散熱(re)焊盤的比例(li)爲 89%，對比錫膏(gāo)中 11.5%的助焊劑(jì)🔱，在散熱焊盤(pan)📧上采用預成(cheng)型焊盤， 也就(jiù)是用 preform 替代錫(xī)膏，期待以通(tong)過降低助焊(han)劑的含量來(lái)減少出氣來(lái)得到較低的(de)空洞率。

  在鋼(gang)網開孔上，對(duì)于四周焊盤(pan)并不需要進(jin)行任何的更(gèng)🏃🏻改，我們隻需(xū)對散熱焊盤(pan)的開孔方式(shì)進 行更改，如(rú)下圖所示，散(sàn)熱焊盤隻需(xū)要在四周各(gè)開一個直徑(jìng) 0.015’’的小孔以固(gù)定焊盤即可(kě)。

  在回流曲線(xiàn)方面，我們采(cǎi)用産線實際(ji)生産用的曲(qǔ)線，不做任何(he)更改，過爐後(hou)通過 x-ray 檢測 看(kan) QFN 元件空洞，如(ru)下圖所示，空(kōng)洞率爲 3～6%，單個(ge)最大空洞才(cai) 0.7%左右。

  補充實(shí)驗 5-----焊片是否(fou)可解決 LGA 元件(jiàn)空洞?

  由于 LGA 元(yuán)件焊盤同樣(yang)較大，在空洞(dòng)方面也比較(jiào)難控🔆制💃，那麽(me)✉️焊片是否可(ke)用于 LGA 降低空(kong) 洞?如下圖所(suo)示，LGA 上共有 2 種(zhong)不同尺寸的(de)焊盤，58 個 2mm 直徑(jìng)的圓⭐形焊盤(pan)和 76 個 1.6mm 直徑的(de)圓形焊盤，焊(han)盤下同樣有(yǒu)過孔。

  使用錫(xī)膏回流，優化(huà)爐溫和鋼網(wang)開孔，效果均(jun1)不明顯，它的(de)空洞率大概(gài)在 25～45%左右。如 下(xià)圖所示。

   如何(hé)在 LGA 使用焊片(piàn)呢?由于它的(de)焊盤分别爲(wèi) 2mm 和 1.6mm 的圓形，考(kǎo)✉️慮到焊片和(hé) LGA 元件的固定(ding)問題，我們在(zài)鋼網開孔時(shí)，将圓形焊盤(pan)開孔設計爲(wei)🏃‍♀️ 4 個小的圓形(xing)開孔，焊片尺(chǐ)寸 與焊盤比(bǐ)例爲 0.8，以保證(zheng)焊盤的錫膏(gao)在固定焊片(pian)的同✨時還能(neng)粘住 LGA 元件。

如(rú)下圖所示，

  對(duì)于實驗結果(guo)簡單描述下(xià)，在回流中我(wǒ)們不更改任(ren)何的回流溫(wen)度設定，通過(guo) X-ray 檢測空洞 率(lǜ)大概在 6～14%

總結(jié)

   對于大焊盤(pan)元件，例如 QFN 和(he) LGA 類元件，将焊(han)盤切割成井(jǐng)字形或切割(gē)成小塊，有助(zhu)于降 低較大(dà)尺寸的空洞(dòng)，因爲增加通(tōng)道有助于氣(qì)體的釋放🐪。在(zài)回流曲線方(fang)面，需要考慮(lǜ)不同錫膏 中(zhōng)助焊劑揮發(fa)的溫度，盡量(liàng)在回流前将(jiāng)大部分的氣(qì)體揮發💃🏻有✔️助(zhu)于降低較大(da)尺寸的空洞(dòng)，而使 用線性(xing)的回流曲線(xiàn)有助于減小(xiao)空洞的數量(liang)。如果有過孔(kong)較大的狀态(tai)下，鋼網開孔(kǒng)和回流曲線(xian) 都無法降低(di)空洞時，使用(yong)焊片可以快(kuai)速有效的降(jiàng)低空洞，這主(zhǔ)要是因爲焊(han)片的助焊劑(jì)含量相 對于(yu)錫膏而言降(jiang)低了 5 倍，錫膏(gao)中的助焊劑(jì)含有溶劑，松(sōng)香，增稠⛷️劑等(děng)造成大量的(de)揮發物在 高(gao)溫時容易形(xing)成較大的空(kong)洞，而焊片中(zhōng)的助焊劑成(cheng)份主要由松(song)香組成，不含(han)溶劑等物質(zhì)，所 以有效地(dì)降低了空洞(dong)。