前言
随(sui)着電子(zi)行業小(xiao)型化多(duo)功能化(hua)發展的(de)趨勢，越(yue)來越多(duo)的多功(gong)能，體積(ji)小的元(yuan)件應用(yong)于在各(ge)種 産品(pin)上，例如(ru) QFN 元件和(he) LGA 元件。
QFN 是(shi)一種無(wu)引腳封(feng)裝，呈正(zheng)方形或(huo)矩形，封(feng)裝底部(bu)中央🙇🏻位(wei)置有一(yi)個大面(mian)積裸露(lu)焊盤用(yong)來導 熱(re)，通過大(da)焊盤的(de)封裝外(wai)圍四周(zhou)焊盤導(dao)電實現(xian)電氣連(lian)結。由于(yu)無引腳(jiao)，貼裝占(zhan)有面積(ji)比 QFP 小，高(gao)度 比 QFP 低(di)，加上傑(jie)出的電(dian)性能和(he)熱性能(neng)，這種封(feng)裝越🈲來(lai)🌏越多地(di)應用于(yu)在電子(zi)行業。
QFN 封(feng)裝具有(you)優異的(de)熱性能(neng)，主要是(shi)因爲封(feng)裝底部(bu)有大面(mian)積散熱(re)焊盤，爲(wei)了能有(you)效地将(jiang)熱量 從(cong)芯片傳(chuan)導到 PCB 上(shang)，PCB 底部必(bi)須設計(ji)與之相(xiang)對應的(de)散熱焊(han)盤以及(ji)散熱☎️過(guo)孔，散🈲熱(re)焊盤提(ti) 供了可(ke)靠的焊(han)接面積(ji)，過孔提(ti)供了散(san)熱途徑(jing)。因而，當(dang)芯片底(di)🔴部的暴(bao)露焊盤(pan)和 PCB 上的(de)熱 焊盤(pan)進行焊(han)接時，由(you)于熱過(guo)孔和大(da)尺寸焊(han)盤上錫(xi)膏中的(de)氣🤩體将(jiang)會向外(wai)溢出，産(chan)生一定(ding)的氣體(ti) 孔，對于(yu) smt 工藝而(er)言，會産(chan)生較大(da)的空洞(dong)，要想消(xiao)除這些(xie)氣孔幾(ji)乎是不(bu)可能的(de)，隻有将(jiang) 氣孔減(jian)小到最(zui)低量。 LGA(land grid array)即(ji)在底面(mian)制作有(you)陣列狀(zhuang)态坦電(dian)極觸點(dian)的封裝(zhuang)，它的外(wai)形與 BGA 元(yuan)件非常(chang) 相似，由(you)于它的(de)焊盤尺(chi)寸比 BGA 球(qiu)直徑大(da) 2～3 倍左右(you)，在空洞(dong)方🙇🏻面同(tong)樣也很(hen)難控制(zhi)。并且 它(ta)與 QFN 元件(jian)一樣，業(ye)界還沒(mei)有制定(ding)相關的(de)工藝标(biao)準🧡，這👌在(zai)一定👅程(cheng)度上對(dui)電子加(jia)工行業(ye)造 成了(le)困擾。
實驗設(she)計
1。QFN 采用(yong) Sn 進行表(biao)面處理(li)，四周引(yin)腳共有(you) 48 個，每個(ge)焊盤直(zhi)徑爲💯 0.28mm，間(jian) 距爲 0.5mm，散(san)熱焊盤(pan)尺寸爲(wei) 4.1*4.1mm。
如圖示(shi) 2. 圖 1，PCB 闆上(shang)的 QFN 焊盤(pan) 實驗 1---對(dui)比兩款(kuan)不同的(de)錫膏
圖(tu) 2，實驗所(suo)用的 QFN 元(yuan)件 在實(shi)驗中，爲(wei)了對比(bi)不同的(de)錫膏對(dui)空洞的(de)影響，我(wo)們采用(yong)🐉了兩種(zhong)錫膏，一(yi)款來自(zi)日系錫(xi)膏 A， 一款(kuan)爲美系(xi)錫膏 B，均(jun)爲業界(jie)最爲知(zhi)名的錫(xi)膏公司(si)✉️。錫膏合(he)金爲 SAC305 的(de) 4 号粉錫(xi)膏，鋼 網(wang)厚度爲(wei) 4mil，QFN 散熱焊(han)盤采用(yong) 1：1 的方形(xing)開孔，對(dui)比空洞(dong)結果如(ru)下圖所(suo)🤟示，發現(xian)兩款 錫(xi)膏在 QFN 上(shang)均表現(xian)出較大(da)的空洞(dong)，這可能(neng)由于散(san)熱焊盤(pan)較大🙇♀️，錫(xi)膏覆蓋(gai)了整個(ge)焊盤，影(ying) 響了 助(zhu)焊劑 的(de)出氣以(yi)及過孔(kong)産生的(de)氣體沒(mei)辦法排(pai)出氣，造(zao)成較大(da)的空☂️洞(dong)，即使采(cai)用很好(hao)的錫 膏(gao)的無濟(ji)于事。 錫(xi)膏 A(空洞(dong)率 35.7%) 實驗(yan) 2---采用不(bu)同的回(hui)流曲線(xian) 錫膏 B(空(kong)洞率 37.2%) 考(kao)慮到助(zhu)焊劑在(zai)回流時(shi)揮發會(hui)産生大(da)量的氣(qi)體，在㊙️實(shi)驗中🌈，我(wo)們采用(yong)了典型(xing)的線性(xing)式曲線(xian)和 馬鞍(an)式平台(tai)曲線，通(tong)過回流(liu)我們發(fa)現，采用(yong)線性的(de)曲線，它(ta)們🌈的空(kong)洞率都(dou)在 35%～45 之間(jian)。
大的空(kong)洞較明(ming)顯，相對(dui)于平台(tai)式曲線(xian)，它的空(kong)洞數量(liang)較少。而(er)采用平(ping)台式的(de)曲線，沒(mei)有很大(da) 的空洞(dong)，但是小(xiao)的空洞(dong)數量較(jiao)多。這主(zhu)要是因(yin)爲采用(yong)平台式(shi)🐕曲線，有(you)助于助(zhu)焊劑在(zai)熔點前(qian)最 大的(de)揮發，大(da)部分揮(hui)發性物(wu)質在熔(rong)點前通(tong)過高溫(wen)烘烤㊙️蒸(zheng)發了，所(suo)以沒有(you)很大的(de)空洞;而(er)線性 式(shi)的曲線(xian)，由于預(yu)熱到熔(rong)點的時(shi)間較短(duan)，大部分(fen)的揮發(fa)性物⛹🏻♀️質(zhi)🈲還沒有(you)及時揮(hui)發，到達(da)熔點的(de) 時候，焊(han)料融化(hua)形成很(hen)大的表(biao)面張力(li)，同時許(xu)多氣體(ti)同⭐時揮(hui)發，所以(yi)形成較(jiao)大的空(kong)洞且空(kong)洞 數量(liang)較小。
Profile 2
實(shi)驗 3---采用(yong)不同的(de)焊盤開(kai)孔方式(shi)
對于散(san)熱焊盤(pan)，由于尺(chi)寸較大(da)，并且有(you)過孔，在(zai)回流時(shi)，過㊙️孔由(you)于加熱(re)産生的(de)氣體以(yi)及助焊(han) 劑本身(shen)的出氣(qi)由于沒(mei)有通道(dao)排出去(qu)，容易産(chan)生較大(da)🌈的空洞(dong)。在實驗(yan)中，爲了(le)幫助氣(qi)體排出(chu)去， 我們(men)将它分(fen)割爲幾(ji)塊小型(xing)的焊盤(pan)，如下圖(tu)所示，我(wo)們采用(yong)三種開(kai)孔方式(shi)。
開孔 1
開(kai)孔 2
開孔(kong) 3
如下圖(tu)所示，采(cai)用 3 種不(bu)同的鋼(gang)網開孔(kong)方式，回(hui)流後🌐在(zai) x-ray 下🆚看💯空(kong)洞🧡率均(jun)差不多(duo)，都在 35% 左(zuo)右，随着(zhe)通道的(de)增多，空(kong)洞的大(da)小也逐(zhu)漸降低(di)，如圖示(shi)開孔✍️ 1 中(zhong)最大的(de)空洞爲(wei) 15%，而開 孔(kong) 3 中最大(da)的空洞(dong)爲 5%。開孔(kong) 1 表現出(chu)較大個(ge)的空洞(dong)，空洞的(de)數量💰較(jiao)少，開孔(kong) 2 與開孔(kong) 3 的空洞(dong)率均差(cha)不多，且(qie)單個的(de)空洞均(jun)小于開(kai)孔 1 的🌈空(kong)洞，但❓小(xiao)的空洞(dong)數量較(jiao)多，開孔(kong) 3 沒有 較(jiao)大的空(kong)洞，但是(shi)空洞的(de)數量很(hen)多，如下(xia)圖所示(shi)。
開孔 1
開(kai)孔 2
在另一(yi)種産品(pin)上，我們(men)對 QFN 采用(yong)同樣的(de) 3 種開孔(kong)方式，空(kong)洞表現(xian)與上面(mian)的産品(pin)表現不(bu)一 樣，當(dang)通道越(yue)多時空(kong)洞率越(yue)低，這說(shuo)明對于(yu)某些 QFN 元(yuan)件，減少(shao)大焊盤(pan)開孔尺(chi)寸增加(jia)通道 有(you)助于改(gai)善空洞(dong)率，但是(shi)對于某(mou)些 QFN 特别(bie)是有許(xu)多過孔(kong)的大焊(han)盤，更改(gai)鋼網開(kai)孔方式(shi)對 于空(kong)洞而言(yan)并沒有(you)太大的(de)幫助。
實(shi)驗 4----采用(yong)低助焊(han)劑含量(liang)的焊料(liao)
由于空(kong)洞主要(yao)與助焊(han)劑出氣(qi)有關，那(na)麽是否(fou)可采用(yong)低助🐪焊(han)劑含量(liang)的焊料(liao)?在實驗(yan)中，我們(men)采 用相(xiang)同合金(jin)成份的(de)預成型(xing)焊片 preform---SAC305，1%助(zhu)焊劑，焊(han)片尺寸(cun)爲 3.67*3.67*0.05mm， 焊片(pian)與散熱(re)焊盤的(de)比例爲(wei) 89%，對比錫(xi)膏中 11.5%的(de)助焊劑(ji)，在散熱(re)焊盤上(shang)采用預(yu)成型焊(han)盤， 也就(jiu)是用 preform 替(ti)代錫膏(gao)，期待以(yi)通過降(jiang)低助焊(han)劑的含(han)量來減(jian)少出氣(qi)來得到(dao)較低的(de)空洞率(lü)。
在鋼網(wang)開孔上(shang)，對于四(si)周焊盤(pan)并不需(xu)要進行(hang)任何的(de)更改，我(wo)們隻需(xu)對散熱(re)焊盤的(de)開孔方(fang)式進 行(hang)更改，如(ru)下圖所(suo)示，散熱(re)焊盤隻(zhi)需要在(zai)四周各(ge)開🌐一個(ge)直徑 0.015’’的(de)小孔以(yi)固定焊(han)盤即可(ke)。
在回流(liu)曲線方(fang)面，我們(men)采用産(chan)線實際(ji)生産用(yong)的曲☂️線(xian)，不🈲做任(ren)何㊙️更改(gai)，過爐後(hou)通過 x-ray 檢(jian)測 看 QFN 元(yuan)件空洞(dong)，如下圖(tu)所示，空(kong)洞率爲(wei) 3～6%，單個最(zui)大空洞(dong)才 0.7%左右(you)。
補充實(shi)驗 5-----焊片(pian)是否可(ke)解決 LGA 元(yuan)件空洞(dong)?
由于 LGA 元(yuan)件焊盤(pan)同樣較(jiao)大，在空(kong)洞方面(mian)也比較(jiao)難控制(zhi)，那麽焊(han)片是否(fou)可用于(yu) LGA 降低空(kong) 洞?如下(xia)圖所示(shi)，LGA 上共有(you) 2 種不同(tong)尺寸的(de)焊盤，58 個(ge) 2mm 直徑的(de)圓形焊(han)盤和 76 個(ge) 1.6mm 直徑的(de)圓形焊(han)盤，焊盤(pan)下同樣(yang)有過孔(kong)。
使用錫(xi)膏回流(liu)，優化爐(lu)溫和鋼(gang)網開孔(kong)，效果均(jun)不明顯(xian)，它的空(kong)洞🌍率大(da)概在 25～45%左(zuo)右。如 下(xia)圖所示(shi)。
如下(xia)圖所示(shi)，
總結
對(dui)于大焊(han)盤元件(jian)，例如 QFN 和(he) LGA 類元件(jian)，将焊盤(pan)切割成(cheng)井字形(xing)或切⛷️割(ge)🌂成小塊(kuai)，有助于(yu)降 低較(jiao)大尺寸(cun)的空洞(dong)，因爲增(zeng)加通道(dao)有助于(yu)氣體的(de)釋放。在(zai)回流曲(qu)線方面(mian)，需要考(kao)慮不同(tong)錫膏 中(zhong)助焊劑(ji)揮發的(de)溫度，盡(jin)量在回(hui)流前将(jiang)大部分(fen)的氣體(ti)揮發有(you)助于降(jiang)低較大(da)尺寸的(de)空洞，而(er)使 用線(xian)性的回(hui)流曲線(xian)有助于(yu)減小空(kong)洞的數(shu)量。如果(guo)有過孔(kong)較大的(de)狀态下(xia)，鋼網開(kai)孔和回(hui)流曲線(xian) 都無法(fa)降低空(kong)洞時，使(shi)用焊片(pian)可以快(kuai)速有效(xiao)的降🏃🏻低(di)空洞，這(zhe)主要是(shi)因爲焊(han)片的助(zhu)焊劑含(han)量相 對(dui)于錫膏(gao)而言降(jiang)低了 5 倍(bei)，錫膏中(zhong)的助焊(han)劑含有(you)溶劑，松(song)香，增稠(chou)劑等造(zao)成大量(liang)的揮發(fa)物在 高(gao)溫時容(rong)易形成(cheng)較大的(de)空洞，而(er)焊片中(zhong)的助焊(han)劑成份(fen)主要由(you)松香組(zu)成，不含(han)溶劑等(deng)物質，所(suo) 以有效(xiao)地降低(di)了空洞(dong)。
