前言
QFN 是(shi)一種無引(yǐn)腳封裝，呈(chéng)正方形或(huò)矩形，封裝(zhuāng)底部中❌央(yang)位置有一(yi)個大面積(jī)裸露焊盤(pán)用來導 熱(rè)，通過大焊(hàn)盤的封裝(zhuang)外圍四周(zhou)焊盤導電(dian)實現電氣(qi)連結。由于(yú)無引腳，貼(tie)裝占有面(miàn)積比 QFP 小，高(gao)度 比 QFP 低，加(jia)上傑出的(de)電性能和(hé)熱性能，這(zhe)種封‼️裝越(yue)🏃♀️來越多地(di)應用于在(zài)電子行業(yè)。
QFN 封裝具有(yǒu)優異的熱(rè)性能，主要(yao)是因爲封(fēng)裝底部有(you)大面積散(sàn)熱焊盤，爲(wèi)了能有效(xiào)地将熱量(liàng) 從芯片傳(chuan)導到 PCB 上，PCB 底(di)部必須設(she)計與之相(xiàng)對應的散(san)熱焊盤以(yi)及散熱過(guò)孔🔱，散👉熱📱焊(hàn)盤提 供了(le)可靠的焊(hàn)接面積，過(guò)孔提供了(le)散熱途徑(jing)。因而，當芯(xin)片底部的(de)暴露焊盤(pán)和 PCB 上的熱(re) 焊盤進行(hang)焊接時，由(yóu)于熱過孔(kǒng)和大尺寸(cùn)焊盤上錫(xi)膏中🈚的氣(qi)體将會向(xiàng)外溢出，産(chǎn)生一定的(de)氣體 孔，對(dui)于 smt 工藝而(ér)言，會産生(sheng)較大的空(kong)洞，要想消(xiao)除這些氣(qi)孔幾乎是(shì)不可能的(de)，隻有将 氣(qì)孔減小到(dào)最低量。 LGA(land grid array)即(ji)在底面制(zhì)作有陣列(lie)狀态坦電(diàn)極觸點的(de)封裝，它的(de)外形❓與 BGA 元(yuan)件非常 相(xiàng)似，由于它(tā)的焊盤尺(chǐ)寸比 BGA 球直(zhi)徑大 2～3 倍左(zuo)右，在空洞(dòng)方面同樣(yang)☂️也很難控(kong)制。并且 它(tā)與 QFN 元件一(yī)樣，業界還(hai)沒有制定(dìng)相關的工(gong)藝标準，這(zhe)💞在一定程(cheng)度上對電(diàn)子加工行(hang)業造 成了(le)困擾。
本文(wén)通過大量(liàng)實驗從 鋼(gāng)網 優化，爐(lu)溫優化以(yǐ)及預成型(xíng)焊片來尋(xún)找空洞的(de)解決🤩方案(an)。
實驗設計(jì)
在實驗中(zhōng)所采用的(de) PCB 爲闆厚 1.6mm 的(de)鎳金闆， 上(shàng)的 QNF 散熱焊(hàn)盤上🐕共有(yǒu) 22 個過孔;PCB 如(ru)圖示
如圖(tú)示 2. 圖 1，PCB 闆上(shang)的 QFN 焊盤 實(shí)驗 1---對比兩(liǎng)款不同的(de)錫膏
圖 2，實(shí)驗所用的(de) QFN 元件 在實(shi)驗中，爲了(le)對比不同(tóng)的錫膏對(dui)空洞的影(yǐng)響，我🏃們采(cǎi)✍️用了兩種(zhong)錫膏，一款(kuǎn)來自日系(xi)錫膏 A， 一款(kuǎn)爲美系錫(xi)膏 B，均爲業(yè)界最爲知(zhī)名的錫膏(gao)公司。錫♻️膏(gāo)🌈合金爲 SAC305 的(de) 4 号粉錫膏(gāo)，鋼 網厚度(du)爲 4mil，QFN 散熱焊(hàn)盤采用 1：1 的(de)方形開孔(kǒng)，對比空洞(dong)結果如下(xià)圖👣所❗示，發(fa)現兩款 錫(xī)膏在 QFN 上均(jun1)表現出較(jiao)大的空洞(dong)，這可能由(you)于散熱🌏焊(han)盤較大，錫(xi)膏覆蓋了(le)整個焊盤(pan)，影 響了 助(zhù)焊劑 的出(chū)氣以及過(guo)孔産生的(de)氣體沒辦(bàn)法排出氣(qì)，造成㊙️較☔大(da)✏️的空洞，即(jí)使采用很(hen)好的錫 膏(gao)的無濟于(yu)事。 錫膏 A(空(kong)洞率 35.7%) 實驗(yan) 2---采用不同(tong)的回流曲(qǔ)線 錫膏 B(空(kōng)洞率 37.2%) 考慮(lü)到助焊劑(jì)在回流時(shi)揮發會産(chan)生大量的(de)氣體，在實(shí)⭐驗中，我們(men)采用了典(diǎn)型的線性(xìng)式曲線和(hé) 馬鞍式平(ping)台曲線，通(tong)過回流我(wo)們發現，采(cǎi)用線性的(de)曲線，它們(men)的🌂空洞率(lǜ)都在 35%～45 之間(jian)。
大的空洞(dòng)較明顯，相(xiàng)對于平台(tái)式曲線，它(ta)的空洞數(shù)量較少。而(er)采用平台(tái)式的曲線(xiàn)，沒有很大(dà) 的空洞，但(dàn)是小的空(kong)洞數量較(jiào)多。這主要(yào)是因爲采(cai)用平台式(shi)曲線，有助(zhù)于助焊劑(jì)在熔點前(qián)最 大的揮(hui)發，大部分(fèn)揮發性物(wu)質在熔點(diǎn)前通過高(gao)溫烘烤蒸(zheng)發💔了，所以(yǐ)沒有很大(da)的空洞;而(ér)線性 式的(de)曲線，由于(yu)預熱到熔(rong)點的時間(jian)較短，大部(bu)分的揮發(fā)性物質還(hai)沒有及時(shí)揮發，到達(dá)熔點的 時(shí)候，焊料融(róng)化形成很(hěn)大的表面(mian)張力，同時(shí)許多氣體(ti)同時揮發(fā)，所以形成(cheng)較大的空(kong)洞且空洞(dong) 數量較小(xiǎo)。
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實驗 3---采用(yòng)不同的焊(hàn)盤開孔方(fang)式
對于散(sàn)熱焊盤，由(yóu)于尺寸較(jiào)大，并且有(yǒu)過孔，在回(huí)流時，過孔(kong)由于加熱(re)産生的氣(qì)體以及助(zhù)焊 劑本身(shēn)的出氣由(yóu)于沒有通(tong)道排出去(qù)，容易産生(sheng)較🥰大的空(kong)洞。在實驗(yan)中，爲了幫(bāng)助氣體排(pái)出去， 我們(men)将它分割(ge)爲幾塊小(xiǎo)型的焊盤(pán)，如下圖所(suǒ)示，我🤟們采(cai)用三種開(kāi)孔方式。
開(kāi)孔 1
開孔 2
開(kāi)孔 3
如下圖(tu)所示，采用(yong) 3 種不同的(de)鋼網開孔(kong)方式，回流(liú)後🈲在 x-ray 下⛱️看(kan)空洞㊙️率均(jun1)差不多，都(dōu)在 35% 左右，随(sui)着通道的(de)增多，空洞(dong)的大小也(yě)逐漸降低(di)，如圖示🧡開(kai)孔 1 中最大(dà)的空洞爲(wei) 15%，而開 孔 3 中(zhōng)最大的空(kong)洞爲 5%。開孔(kong) 1 表現出較(jiào)大個的空(kong)洞，空洞🔴的(de)數量較少(shao)，開孔 2 與開(kai)孔 3 的空洞(dong)率均差不(bú)多，且單個(ge)的空洞均(jun)小于開孔(kong) 1 的空洞，但(dàn)⭐小的空洞(dòng)數量較多(duo)，開孔 3 沒有(yǒu) 較大的空(kong)洞，但是空(kong)洞的數量(liàng)很多，如下(xia)圖所示。
開(kai)孔 1
開孔 2
在另一(yi)種産品上(shàng)，我們對 QFN 采(cǎi)用同樣的(de) 3 種開孔方(fang)式🈲，空洞表(biǎo)現🐕與上面(mian)的産品表(biǎo)現不一 樣(yang)，當通道越(yuè)多時空洞(dòng)率越低，這(zhe)說明對于(yú)某些 QFN 元件(jiàn)，減少大焊(han)盤開孔尺(chǐ)寸增加通(tōng)道 有助于(yú)改善空洞(dòng)率，但是對(duì)于某些 QFN 特(tè)别是有許(xǔ)多過孔🛀🏻的(de)大焊盤，更(geng)改鋼網開(kai)孔方式對(dui) 于空洞而(er)言并沒有(yǒu)太大的幫(bāng)助。
實驗 4----采(cǎi)用低助焊(han)劑含量的(de)焊料
由于(yú)空洞主要(yào)與助焊劑(ji)出氣有關(guan)，那麽是否(fou)可采用低(dī)助焊劑含(hán)量的焊料(liào)?在實驗中(zhong)，我們采 用(yong)相同合金(jīn)成份的預(yu)成型焊片(pian) preform---SAC305，1%助焊劑，焊(han)片尺寸👉爲(wèi)💞 3.67*3.67*0.05mm， 焊片與散(sàn)熱焊盤的(de)比例爲 89%，對(duì)比錫膏中(zhōng) 11.5%的助焊劑(jì)，在散熱焊(hàn)盤上采用(yong)預成型焊(han)盤， 也就是(shi)用 preform 替代錫(xi)膏，期待以(yǐ)通過降低(dī)助焊劑的(de)含🧡量來減(jiǎn)少出氣來(lái)得到較低(dī)的空洞率(lǜ)。
在鋼網開(kāi)孔上，對于(yu)四周焊盤(pan)并不需要(yao)進行任何(hé)的更改👄，我(wo)們隻需對(dui)散熱焊盤(pan)的開孔方(fāng)式進 行更(gèng)改，如下圖(tú)所示，散熱(re)焊盤隻需(xu)要在四周(zhou)各開一個(gè)🐪直🔱徑 0.015’’的小(xiao)孔以固定(dìng)焊盤即可(ke)。
在回流曲(qu)線方面，我(wo)們采用産(chǎn)線實際生(sheng)産用的曲(qu)線，不做任(ren)何更改，過(guò)爐後通過(guo) x-ray 檢測 看 QFN 元(yuan)件空洞，如(ru)下圖所示(shi)，空洞率爲(wei) 3～6%，單個最大(dà)空洞才 0.7%左(zuo)右。
補充實(shí)驗 5-----焊片是(shì)否可解決(jue) LGA 元件空洞(dòng)?
使(shǐ)用錫膏回(huí)流，優化爐(lú)溫和鋼網(wang)開孔，效果(guo)均不明顯(xiǎn)👄，它的空洞(dong)🧑🏽🤝🧑🏻率大概在(zai) 25～45%左右。如 下(xià)圖所示。
如(ru)何在 LGA 使用(yòng)焊片呢?由(yóu)于它的焊(han)盤分别爲(wèi) 2mm 和 1.6mm 的圓形(xíng)，考慮到焊(han)片和 LGA 元件(jian)的固定問(wèn)題，我們在(zài)鋼網開孔(kǒng)時，将圓形(xing)焊盤開孔(kong)設計爲 4 個(ge)小的圓形(xíng)開孔，焊片(pian)尺寸 與焊(han)盤比例爲(wèi) 0.8，以保證焊(hàn)盤的錫膏(gao)在固定焊(hàn)片的㊙️同時(shí)還能粘住(zhù) LGA 元件。
如下(xia)圖所示，
對(duì)于實驗結(jié)果簡單描(miáo)述下，在回(hui)流中我們(men)不更改任(rèn)何的回流(liu)溫度設定(ding)，通過 X-ray 檢測(ce)空洞 率大(da)概在 6～14%
總結(jié)
對于大焊(hàn)盤元件，例(li)如 QFN 和 LGA 類元(yuan)件，将焊盤(pan)切割成井(jǐng)字形或切(qie)割💜成小塊(kuai)，有助于降(jiang) 低較大尺(chi)寸的空洞(dong)，因爲增加(jiā)通道有助(zhu)于氣體的(de)釋放。在回(huí)流曲線方(fang)面，需要考(kao)慮不同錫(xī)膏 中助焊(han)劑揮發的(de)溫度，盡量(liang)在回流前(qián)将大部分(fèn)的氣體揮(huī)發有助于(yu)降低較大(da)尺寸的空(kōng)洞，而使 用(yong)線性的回(huí)流曲線有(yǒu)助于減小(xiǎo)空洞的數(shu)量。如果有(yǒu)過孔較大(dà)的狀态下(xia)，鋼網開孔(kong)和回流曲(qu)線 都無法(fǎ)降低空洞(dong)時，使用焊(hàn)片可以快(kuai)速有效的(de)降低空洞(dong)，這主🤟要是(shi)因爲焊片(piàn)的助焊劑(ji)含量相 對(dui)于錫膏而(er)言降低了(le) 5 倍，錫膏中(zhōng)的助焊劑(jì)含有溶劑(jì)，松香，增稠(chóu)🏃劑等造成(cheng)大量的揮(hui)發物在 高(gao)溫時容易(yì)形成較大(dà)的空洞，而(er)焊片中的(de)助焊劑📞成(cheng)份主要由(you)松香組成(chéng)，不含溶劑(ji)等物質，所(suǒ) 以有效地(di)降低了空(kōng)洞。
