前言
随着(zhe)電子行業小型化(huà)多功能化發展的(de)趨勢，越來越多的(de)多功👉能，體積小的(de)元件應用于在各(gè)種 産品上，例如 QFN 元(yuán)件和 LGA 元件。
QFN 是一種(zhǒng)無引腳封裝，呈正(zheng)方形或矩形，封裝(zhuang)底部中央位置有(you)一個大面積裸露(lu)焊盤用來導 熱，通(tōng)過大焊盤的封裝(zhuang)外圍四周焊盤導(dǎo)電實現電氣連結(jié)。由于無引腳，貼裝(zhuāng)占有面積比 QFP 小，高(gao)度 比 QFP 低，加上傑出(chu)的電性能和熱性(xing)能，這種封裝🏃♀️越來(lai)越多地應用于在(zai)電子行業。
QFN 封裝具(jù)有優異的熱性能(néng)，主要是因爲封裝(zhuang)底部有🐆大面積散(san)❤️熱焊盤，爲了能有(yǒu)效地将熱量 從芯(xin)片傳導到 PCB 上，PCB 底部(bu)必須設計與之相(xiang)對應的散熱焊盤(pan)以及散熱過孔，散(san)熱焊盤提 供了可(kě)靠的焊接面積，過(guò)孔提供了散熱途(tu)徑。因而，當芯片☂️底(di)部的暴露焊盤和(he) PCB 上的熱 焊盤進行(háng)焊接時，由于熱過(guo)孔和大尺寸焊盤(pan)上錫膏中的🔞氣體(tǐ)🐆将會向外溢出，産(chan)生一定的氣體 孔(kong)，對于 smt 工藝而言，會(hui)産生較大的空洞(dòng)，要想消除這些氣(qi)孔❌幾乎🌈是😍不可能(néng)的，隻有将 氣孔減(jian)小到最低量。 LGA(land grid array)即在(zai)底面制作有陣列(lie)狀态坦電極觸點(dian)的封裝，它的外🏒形(xing)與♌ BGA 元件非常 相似(sì)，由于它的焊盤尺(chǐ)寸比 BGA 球直徑大 2～3 倍(bèi)左右，在空洞方面(miàn)🚩同樣也很難控制(zhi)。并且 它與 QFN 元件一(yi)樣，業界還沒有制(zhi)定相關的工藝标(biāo)準♌，這☀️在⛹🏻♀️一定程度(du)上對電子加工行(hang)業造 成了困擾。
本(ben)文通過大量實驗(yan)從 鋼網 優化，爐溫(wēn)優化以及預成型(xíng)焊片來尋找空洞(dòng)的解決方案。
實驗(yan)設計
在實驗中所(suo)采用的 PCB 爲闆厚 1.6mm 的(de)鎳金闆， 上的 QNF 散熱(re)焊盤上☎️共有 22 個過(guo)孔;PCB 如圖示
1。QFN 采用 Sn 進(jìn)行表面處理，四周(zhou)引腳共有 48 個，每個(gè)焊盤直徑🈲爲 0.28mm，間 距(ju)爲 0.5mm，散熱焊盤尺寸(cun)爲 4.1*4.1mm。
圖 2，實驗所用的 QFN 元(yuan)件 在實驗中，爲了(le)對比不同的錫膏(gāo)對空洞的影響，我(wo)們采用了兩👨❤️👨種錫(xi)膏，一款來自日系(xì)錫膏 A， 一款爲美系(xì)錫膏 B，均爲業界最(zui)爲知名的錫膏公(gong)司🤞。錫膏合金爲 SAC305 的(de) 4 号粉錫膏，鋼 網厚(hòu)度爲 4mil，QFN 散熱焊盤采(cǎi)用 1：1 的方形開孔，對(duì)比空洞結果如下(xià)圖所✍️示，發現兩款(kuǎn) 錫膏在 QFN 上均表現(xian)出較大的空洞，這(zhe)可能由于散熱焊(han)盤較大，錫膏覆蓋(gai)了整個焊盤，影 響(xiang)了 助焊劑 的出氣(qi)以及過孔産生的(de)氣體沒辦法排出(chū)氣，造成較大🔞的空(kōng)洞，即使采用很好(hao)的錫 膏的無濟于(yú)事。 錫膏 A(空洞率 35.7%) 實(shi)驗 2---采用不同的回(hui)流曲線 錫膏 B(空洞(dong)率 37.2%) 考慮到助焊劑(jì)在回流時揮發會(hui)産生大量的氣體(ti)，在實驗❗中，我們采(cai)用了典型的線性(xìng)式曲線和 馬鞍式(shi)平台曲線，通過回(hui)流我們發現，采用(yong)線性的曲線，它❓們(men)的空洞率都在 35%～45 之(zhi)間。
大的空洞較明(míng)顯，相對于平台式(shì)曲線，它的空洞數(shu)量較✌️少。而采🙇♀️用平(ping)台式的曲線，沒有(yǒu)很大 的空洞，但是(shi)小的空洞數量較(jiào)多。這主要是因爲(wei)采用平台式曲線(xiàn)，有助于助焊劑在(zài)熔點前最 大的揮(huī)發，大部分揮發性(xing)物質在熔點前通(tong)過高溫烘烤蒸發(fā)了，所以沒有很大(da)的空洞;而線性 式(shì)的曲線，由于預熱(re)到熔點的時間較(jiào)短，大部分的🐕揮發(fa)性物質還沒有及(jí)時揮發，到達熔點(diǎn)的 時候，焊料融化(huà)形成很大的表面(mian)張力，同時許多氣(qi)體同時揮發，所以(yi)形成較大的空洞(dong)且空洞 數量較小(xiao)。
實驗 3---采用不同的(de)焊盤開孔方式
對(dui)于散熱焊盤，由于(yú)尺寸較大，并且有(yǒu)過孔，在回流時，過(guo)🔅孔由于加熱産生(sheng)的氣體以及助焊(hàn) 劑本身的出氣由(yóu)于沒有通道排出(chu)去，容易産生較大(dà)的空洞。在實驗中(zhong)，爲了幫助氣體排(pai)出去， 我們将它分(fen)割爲幾塊小型的(de)焊盤，如下圖所示(shi)，我們采用‼️三種開(kāi)孔方式。
開孔 1
開孔 3
如下圖所示(shì)，采用 3 種不同的鋼(gāng)網開孔方式，回流(liú)後♍在 x-ray 下看空洞率(lǜ)均差不多，都在 35% 左(zuo)右，随着通道的增(zēng)多，空洞的大小也(ye)逐漸降低，如💃圖示(shi)開孔 1 中最大的空(kong)洞爲 15%，而開 孔 3 中最(zuì)大的空洞爲 5%。開孔(kong) 1 表現出較大個的(de)空洞，空洞的數量(liang)較少，開孔 2 與開孔(kǒng) 3 的空洞率均差不(bu)多，且單個的空洞(dòng)均小于開孔 1 的空(kōng)洞，但小的空洞數(shu)量較多，開孔 3 沒有(yǒu) 較大的空洞，但是(shì)空洞的數量很多(duō)，如下圖所示。
開孔 2
開孔 3
在另一(yi)種産品上，我們對(dui) QFN 采用同樣的 3 種開(kai)孔方式🈲，空洞表🏃♂️現(xian)與上面的産品表(biao)現不一 樣，當通道(dào)越多時空洞率越(yuè)低，這說明對于某(mǒu)些 QFN 元件，減少大焊(han)盤開孔尺寸增加(jia)通道 有助于改善(shàn)空洞率，但是對于(yu)某些 QFN 特别是有許(xu)多過孔的大焊盤(pan)，更改鋼網開孔方(fang)式對 于空洞而言(yan)并沒有太大的幫(bāng)助。
實驗 4----采用低助(zhu)焊劑含量的焊料(liao)
由于空洞主要與(yǔ)助焊劑出氣有關(guan)，那麽是否可采用(yong)低💰助焊🈲劑👣含量的(de)焊料?在實驗中，我(wo)們采 用相同合金(jin)成份的預成型焊(hàn)片 preform---SAC305，1%助焊劑，焊片尺(chǐ)寸🌈爲 3.67*3.67*0.05mm， 焊片與散熱(re)焊盤的比例爲 89%，對(duì)比錫膏中 11.5%的助焊(han)劑，在💜散熱焊盤🔴上(shàng)采用預成型焊盤(pán)， 也就是用 preform 替代錫(xi)膏，期待以通過降(jiang)低助焊劑的含量(liàng)來減少出氣來得(de)到較低的空洞率(lü)。
在鋼網開孔上，對(dui)于四周焊盤并不(bú)需要進行任何的(de)更改，我們🏒隻需對(duì)散熱焊盤的開孔(kong)方式進 行更改，如(rú)下圖所示，散熱焊(han)盤隻需要在四周(zhou)各開一個直☎️徑 0.015’’的(de)小孔以固定焊盤(pan)即可。
在回流曲線(xian)方面，我們采用産(chan)線實際生産用的(de)曲線，不做任何✏️更(gèng)改，過爐後通過 x-ray 檢(jian)測 看 QFN 元件空洞，如(ru)下圖所示，空洞率(lü)爲 3～6%，單個最大空洞(dòng)才 0.7%左🌈右💚。
補充實驗(yan) 5-----焊片是否可解決(jué) LGA 元件空洞?
由于 LGA 元(yuan)件焊盤同樣較大(da)，在空洞方面也比(bǐ)較難控制，那麽焊(han)片是否可用于 LGA 降(jiàng)低空 洞?如下圖所(suǒ)示，LGA 上共有 2 種不同(tóng)尺寸的焊盤，58 個 2mm 直(zhí)徑的圓形焊🔆盤和(hé) 76 個 1.6mm 直徑的圓形焊(han)盤，焊盤下同樣有(you)過孔。
使用錫膏回(hui)流，優化爐溫和鋼(gang)網開孔，效果均不(bú)明❤️顯，它的空🛀🏻洞率(lǜ)大概在 25～45%左右。如 下(xia)圖所示。
如何在 LGA 使(shǐ)用焊片呢?由于它(ta)的焊盤分别爲 2mm 和(hé) 1.6mm 的圓形，考慮到焊(han)片和 LGA 元件的固定(ding)問題，我們在鋼網(wǎng)開孔時，将圓形焊(hàn)盤✏️開孔設計爲 4 個(ge)小的圓形開孔，焊(hàn)片尺寸 與焊盤比(bǐ)例爲 0.8，以保證焊盤(pán)的錫膏在固定焊(hàn)片的同💘時還❄️能粘(zhān)住 LGA 元件。
如下圖所(suǒ)示，
對于實驗結果(guo)簡單描述下，在回(huí)流中我們不更改(gǎi)任❌何的回流溫度(dù)設定，通過 X-ray 檢測空(kōng)洞 率大概在 6～14%
總結(jié)
