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隨著電子行業(yè)小型化多功能化發(fā)展的趨勢(shì)，越來(lái)越多的多功能，體積小的元件應(yīng)用于在各種產(chǎn)品上，例如 QFN 元件和 LGA 元件。
QFN 是一種無(wú)引腳封裝，呈正方形或矩形，封裝底部中央位置有一個(gè)大面積裸露焊盤(pán)用來(lái)導(dǎo)熱，通過(guò)大焊盤(pán)的封裝外圍四周焊盤(pán)導(dǎo)電實(shí)現(xiàn)電氣連結(jié)。由于無(wú)引腳，貼裝占有面積比 QFP
小，高度 比 QFP 低，加上杰出的電性能和熱性能，這種封裝越來(lái)越多地應(yīng)用于在電子行業(yè)。QFN 封裝具有優(yōu)異的熱性能，主要是因?yàn)榉庋b底部有大面積散熱焊盤(pán)，為了能有效地將熱量
從芯片傳導(dǎo)到 PCB 上，PCB 底部必須設(shè)計(jì)與之相對(duì)應(yīng)的散熱焊盤(pán)以及散熱過(guò)孔，散熱焊盤(pán)提供了可靠的焊接面積，過(guò)孔提供了散熱途徑。因而，當(dāng)芯片底部的暴露焊盤(pán)和 PCB 上的熱焊盤(pán)進(jìn)行焊接時(shí)，由于熱過(guò)孔和大尺寸焊盤(pán)上錫膏中的氣體將會(huì)向外溢出，產(chǎn)生一定的氣體孔，對(duì)于 smt 工藝而言，會(huì)產(chǎn)生較大的空洞，要想消除這些氣孔幾乎是不可能的，只有將
氣孔減小到最低量。
LGA(land grid array)即在底面制作有陣列狀態(tài)坦電極觸點(diǎn)的封裝，它的外形與 BGA 元件非常相似，由于它的焊盤(pán)尺寸比 BGA 球直徑大 2～3 倍左右，在空洞方面同樣也很難控制。并且
它與 QFN 元件一樣，業(yè)界還沒(méi)有制定相關(guān)的工藝標(biāo)準(zhǔn)，這在一定程度上對(duì)電子加工行業(yè)造成了困擾。
本文通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)從鋼網(wǎng)優(yōu)化，爐溫優(yōu)化以及預(yù)成型焊片來(lái)尋找空洞的解決方案。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)中所采用的 PCB 為板厚 1.6mm 的鎳金板， 上的 QNF 散熱焊盤(pán)上共有 22 個(gè)過(guò)孔;PCB如圖示 1。QFN 采用 Sn 進(jìn)行表面處理，四周引腳共有 48 個(gè)，每個(gè)焊盤(pán)直徑為 0.28mm，間距為 0.5mm，散熱焊盤(pán)尺寸為 4.1*4.1mm。如圖示 2.圖 1，PCB 板上的 QFN 焊盤(pán)實(shí)驗(yàn) 1---對(duì)比兩款不同的錫膏
圖 2，實(shí)驗(yàn)所用的 QFN 元件在實(shí)驗(yàn)中，為了對(duì)比不同的錫膏對(duì)空洞的影響，我們采用了兩種錫膏，一款來(lái)自日系錫膏 A，
一款為美系錫膏 B，均為業(yè)界最為知名的錫膏公司。錫膏合金為 SAC305 的 4 號(hào)粉錫膏，鋼網(wǎng)厚度為 4mil，QFN 散熱焊盤(pán)采用 1：1 的方形開(kāi)孔，對(duì)比空洞結(jié)果如下圖所示，發(fā)現(xiàn)兩款
錫膏在 QFN 上均表現(xiàn)出較大的空洞，這可能由于散熱焊盤(pán)較大，錫膏覆蓋了整個(gè)焊盤(pán)，影響了助焊劑的出氣以及過(guò)孔產(chǎn)生的氣體沒(méi)辦法排出氣，造成較大的空洞，即使采用很好的錫
膏的無(wú)濟(jì)于事。錫膏 A(空洞率 35.7%)實(shí)驗(yàn) 2---采用不同的回流曲線
錫膏 B(空洞率 37.2%)考慮到助焊劑在回流時(shí)揮發(fā)會(huì)產(chǎn)生大量的氣體，在實(shí)驗(yàn)中，我們采用了典型的線性式曲線和馬鞍式平臺(tái)曲線，通過(guò)回流我們發(fā)現(xiàn)，采用線性的曲線，它們的空洞率都在 35%～45 之間。大的空洞較明顯，相對(duì)于平臺(tái)式曲線，它的空洞數(shù)量較少。而采用平臺(tái)式的曲線，沒(méi)有很大的空洞，但是小的空洞數(shù)量較多。這主要是因?yàn)椴捎闷脚_(tái)式曲線，有助于助焊劑在熔點(diǎn)前最大的揮發(fā)，大部分揮發(fā)性物質(zhì)在熔點(diǎn)前通過(guò)高溫烘烤蒸發(fā)了，所以沒(méi)有很大的空洞;而線性式的曲線，由于預(yù)熱到熔點(diǎn)的時(shí)間較短，大部分的揮發(fā)性物質(zhì)還沒(méi)有及時(shí)揮發(fā)，到達(dá)熔點(diǎn)的時(shí)候，焊料融化形成很大的表面張力，同時(shí)許多氣體同時(shí)揮發(fā)，所以形成較大的空洞且空洞數(shù)量較小。
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實(shí)驗(yàn) 3---采用不同的焊盤(pán)開(kāi)孔方式,對(duì)于散熱焊盤(pán)，由于尺寸較大，并且有過(guò)孔，在回流時(shí)，過(guò)孔由于加熱產(chǎn)生的氣體以及助焊劑本身的出氣由于沒(méi)有通道排出去，容易產(chǎn)生較大的空洞。在實(shí)驗(yàn)中，為了幫助氣體排出去，我們將它分割為幾塊小型的焊盤(pán)，如下圖所示，我們采用三種開(kāi)孔方式。
開(kāi)孔 1
開(kāi)孔 2
開(kāi)孔 3
如下圖所示，采用 3 種不同的鋼網(wǎng)開(kāi)孔方式，回流后在 x-ray 下看空洞率均差不多，都在 35%左右，隨著通道的增多，空洞的大小也逐漸降低，如圖示開(kāi)孔 1 中最大的空洞為 15%，而開(kāi)
孔 3 中最大的空洞為 5%。開(kāi)孔 1 表現(xiàn)出較大個(gè)的空洞，空洞的數(shù)量較少，開(kāi)孔 2 與開(kāi)孔 3的空洞率均差不多，且單個(gè)的空洞均小于開(kāi)孔 1 的空洞，但小的空洞數(shù)量較多，開(kāi)孔 3 沒(méi)有
較大的空洞，但是空洞的數(shù)量很多，如下圖所示。
開(kāi)孔 1
開(kāi)孔 2
開(kāi)孔 3
在另一種產(chǎn)品上，我們對(duì) QFN 采用同樣的 3 種開(kāi)孔方式，空洞表現(xiàn)與上面的產(chǎn)品表現(xiàn)不一樣，當(dāng)通道越多時(shí)空洞率越低，這說(shuō)明對(duì)于某些 QFN 元件，減少大焊盤(pán)開(kāi)孔尺寸增加通道
有助于改善空洞率，但是對(duì)于某些 QFN 特別是有許多過(guò)孔的大焊盤(pán)，更改鋼網(wǎng)開(kāi)孔方式對(duì)于空洞而言并沒(méi)有太大的幫助。
實(shí)驗(yàn) 4----采用低助焊劑含量的焊料
由于空洞主要與助焊劑出氣有關(guān)，那么是否可采用低助焊劑含量的焊料?在實(shí)驗(yàn)中，我們采用相同合金成份的預(yù)成型焊片 preform---SAC305，1%助焊劑，焊片尺寸為 3.67*3.67*0.05mm，焊片與散熱焊盤(pán)的比例為 89%，對(duì)比錫膏中 11.5%的助焊劑，在散熱焊盤(pán)上采用預(yù)成型焊盤(pán)，也就是用 preform 替代錫膏，期待以通過(guò)降低助焊劑的含量來(lái)減少出氣來(lái)得到較低的空洞率。
在鋼網(wǎng)開(kāi)孔上，對(duì)于四周焊盤(pán)并不需要進(jìn)行任何的更改，我們只需對(duì)散熱焊盤(pán)的開(kāi)孔方式進(jìn)行更改，如下圖所示，散熱焊盤(pán)只需要在四周各開(kāi)一個(gè)直徑 0.015’’的小孔以固定焊盤(pán)即可。
在回流曲線方面，我們采用產(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)用的曲線，不做任何更改，過(guò)爐后通過(guò) x-ray 檢測(cè)看 QFN 元件空洞，如下圖所示，空洞率為 3～6%，單個(gè)最大空洞才 0.7%左右。
補(bǔ)充實(shí)驗(yàn) 5-----焊片是否可解決 LGA 元件空洞?
由于 LGA 元件焊盤(pán)同樣較大，在空洞方面也比較難控制，那么焊片是否可用于 LGA 降低空洞?如下圖所示，LGA 上共有 2 種不同尺寸的焊盤(pán)，58 個(gè) 2mm 直徑的圓形焊盤(pán)和 76 個(gè)
1.6mm 直徑的圓形焊盤(pán)，焊盤(pán)下同樣有過(guò)孔。使用錫膏回流，優(yōu)化爐溫和鋼網(wǎng)開(kāi)孔，效果均不明顯，它的空洞率大概在 25～45%左右。如
下圖所示。如何在 LGA 使用焊片呢?由于它的焊盤(pán)分別為 2mm 和 1.6mm 的圓形，考慮到焊片和 LGA元件的固定問(wèn)題，我們?cè)阡摼W(wǎng)開(kāi)孔時(shí)，將圓形焊盤(pán)開(kāi)孔設(shè)計(jì)為 4 個(gè)小的圓形開(kāi)孔，焊片尺寸與焊盤(pán)比例為 0.8，以保證焊盤(pán)的錫膏在固定焊片的同時(shí)還能粘住 LGA 元件。如下圖所示，對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果簡(jiǎn)單描述下，在回流中我們不更改任何的回流溫度設(shè)定，通過(guò) X-ray 檢測(cè)空洞
率大概在 6～14%
總結(jié)
對(duì)于大焊盤(pán)元件，例如 QFN 和 LGA 類(lèi)元件，將焊盤(pán)切割成井字形或切割成小塊，有助于降低較大尺寸的空洞，因?yàn)樵黾油ǖ烙兄跉怏w的釋放。在回流曲線方面，需要考慮不同錫膏
中助焊劑揮發(fā)的溫度，盡量在回流前將大部分的氣體揮發(fā)有助于降低較大尺寸的空洞，而使用線性的回流曲線有助于減小空洞的數(shù)量。如果有過(guò)孔較大的狀態(tài)下，鋼網(wǎng)開(kāi)孔和回流曲線
都無(wú)法降低空洞時(shí)，使用焊片可以快速有效的降低空洞，這主要是因?yàn)楹钙闹竸┖肯鄬?duì)于錫膏而言降低了 5 倍，錫膏中的助焊劑含有溶劑，松香，增稠劑等造成大量的揮發(fā)物在
高溫時(shí)容易形成較大的空洞，而焊片中的助焊劑成份主要由松香組成，不含溶劑等物質(zhì)，所以有效地降低了空洞。
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