如何降低大焊盘元件的空洞

　　前言

 

　　随着电子行业小型化多功能化发展的趋势，越来越多的多功能，体积小的元件应用于在各种产品上，例如 QFN 元件和 LGA 元件。

 

　　QFN 是一种无引脚封装，呈正方形或矩形，封装底部中央位置有一个大面积裸露焊盘用来导热，通过大焊盘的封装外围四周焊盘导电实现电气连结。由于无引脚，贴装占有面积比 QFP小，高度 比 QFP 低，加上杰出的电性能和热性能，这种封装越来越多地应用于在电子行业。QFN 封装具有优异的热性能，主要是因为封装底部有大面积散热焊盘，为了能有效地将热量从芯片传导到 PCB 上，PCB 底部必须设计与之相对应的散热焊盘以及散热过孔，散热焊盘提供了可靠的焊接面积，过孔提供了散热途径。因而，当芯片底部的暴露焊盘和 PCB 上的热焊盘进行焊接时，由于热过孔和大尺寸焊盘上锡膏中的气体将会向外溢出，产生一定的气体孔，对于 smt 工艺而言，会产生较大的空洞，要想消除这些气孔几乎是不可能的，只有将气孔减小到最低量。

 

　　LGA(land grid array)即在底面制作有阵列状态坦电极触点的封装，它的外形与 BGA 元件非常相似，由于它的焊盘尺寸比 BGA 球直径大 2～3 倍左右，在空洞方面同样也很难控制。并且它与 QFN 元件一样，业界还没有制定相关的工艺标准，这在一定程度上对电子加工行业造成了困扰。

 

　　本文通过大量实验从钢网优化，炉温优化以及预成型焊片来寻找空洞的解决方案。

 

　　实验设计

 

　　在实验中所采用的 PCB 为板厚 1.6mm 的镍金板， 上的 QNF 散热焊盘上共有 22 个过孔。QFN 采用 Sn 进行表面处理，四周引脚共有 48 个，每个焊盘直径为 0.28mm，间距为 0.5mm，散热焊盘尺寸为 4.1*4.1mm。PCB 板上的 QFN 焊盘

        实验1---对比两款不同的锡膏
 

　　在实验中，为了对比不同的锡膏对空洞的影响，我们采用了两种锡膏，一款来自日系锡膏 A，一款为美系锡膏 B，均为业界最为知名的锡膏公司。锡膏合金为 SAC305 的 4 号粉锡膏，钢网厚度为 4mil，QFN 散热焊盘采用 1：1 的方形开孔，对比空洞结果如下图所示，发现两款锡膏在 QFN 上均表现出较大的空洞，这可能由于散热焊盘较大，锡膏覆盖了整个焊盘，影响了助焊剂的出气以及过孔产生的气体没办法排出气，造成较大的空洞，即使采用很好的锡膏的无济于事。

 

　　锡膏 A(空洞率 35.7%)

 

　　实验 2---采用不同的回流曲线

 

　　锡膏 B(空洞率 37.2%)

 

　　考虑到助焊剂在回流时挥发会产生大量的气体，在实验中，我们采用了典型的线性式曲线和马鞍式平台曲线，通过回流我们发现，采用线性的曲线，它们的空洞率都在 35%～45 之间。大的空洞较明显，相对于平台式曲线，它的空洞数量较少。而采用平台式的曲线，没有很大的空洞，但是小的空洞数量较多。这主要是因为采用平台式曲线，有助于助焊剂在熔点前最大的挥发，大部分挥发性物质在熔点前通过高温烘烤蒸发了，所以没有很大的空洞;而线性式的曲线，由于预热到熔点的时间较短，大部分的挥发性物质还没有及时挥发，到达熔点的时候，焊料融化形成很大的表面张力，同时许多气体同时挥发，所以形成较大的空洞且空洞数量较小。

 

　　Profile 1

 

　　Profile 2

 

　　实验 3---采用不同的焊盘开孔方式

 

　　对于散热焊盘，由于尺寸较大，并且有过孔，在回流时，过孔由于加热产生的气体以及助焊剂本身的出气由于没有通道排出去，容易产生较大的空洞。在实验中，为了帮助气体排出去，我们将它分割为几块小型的焊盘，如下图所示，我们采用三种开孔方式。

 

　　开孔 1

 

　　开孔 2

 

　　开孔 3

 

　　如下图所示，采用 3 种不同的钢网开孔方式，回流后在 x-ray 下看空洞率均差不多，都在 35%左右，随着通道的增多，空洞的大小也逐渐降低，如图示开孔 1 中最大的空洞为 15%，而开孔 3 中最大的空洞为 5%。开孔 1 表现出较大个的空洞，空洞的数量较少，开孔 2 与开孔 3的空洞率均差不多，且单个的空洞均小于开孔 1 的空洞，但小的空洞数量较多，开孔 3 没有较大的空洞，但是空洞的数量很多，如下图所示。

 

　　开孔 1

 

　　开孔 2

 

　　开孔 3

 

　　在另一种产品上，我们对 QFN 采用同样的 3 种开孔方式，空洞表现与上面的产品表现不一样，当通道越多时空洞率越低，这说明对于某些 QFN 元件，减少大焊盘开孔尺寸增加通道有助于改善空洞率，但是对于某些 QFN 特别是有许多过孔的大焊盘，更改钢网开孔方式对于空洞而言并没有太大的帮助。

 

　　实验 4----采用低助焊剂含量的焊料

 

　　由于空洞主要与助焊剂出气有关，那么是否可采用低助焊剂含量的焊料?在实验中，我们采用相同合金成份的预成型焊片 preform---SAC305，1%助焊剂，焊片尺寸为 3.67*3.67*0.05mm，焊片与散热焊盘的比例为 89%，对比锡膏中 11.5%的助焊剂，在散热焊盘上采用预成型焊盘，也就是用 preform 替代锡膏，期待以通过降低助焊剂的含量来减少出气来得到较低的空洞率。在钢网开孔上，对于四周焊盘并不需要进行任何的更改，我们只需对散热焊盘的开孔方式进行更改，如下图所示，散热焊盘只需要在四周各开一个直径 0.015’’的小孔以固定焊盘即可。在回流曲线方面，我们采用产线实际生产用的曲线，不做任何更改，过炉后通过 x-ray 检测看 QFN 元件空洞，如下图所示，空洞率为 3～6%，单个最大空洞才 0.7%左右。

 

　　补充实验 5-----焊片是否可解决 LGA 元件空洞?

 

　　由于 LGA 元件焊盘同样较大，在空洞方面也比较难控制，那么焊片是否可用于 LGA 降低空洞?如下图所示，LGA 上共有 2 种不同尺寸的焊盘，58 个 2mm 直径的圆形焊盘和 76 个1.6mm 直径的圆形焊盘，焊盘下同样有过孔。使用锡膏回流，优化炉温和钢网开孔，效果均不明显，它的空洞率大概在 25～45%左右。如下图所示。

 

　　如何在 LGA 使用焊片呢?由于它的焊盘分别为 2mm 和 1.6mm 的圆形，考虑到焊片和 LGA元件的固定问题，我们在钢网开孔时，将圆形焊盘开孔设计为 4 个小的圆形开孔，焊片尺寸与焊盘比例为 0.8，以保证焊盘的锡膏在固定焊片的同时还能粘住 LGA 元件。如下图所示，对于实验结果简单描述下，在回流中我们不更改任何的回流温度设定，通过 X-ray 检测空洞率大概在 6～14%

 

　　总结

 

　　对于大焊盘元件，例如 QFN 和 LGA 类元件，将焊盘切割成井字形或切割成小块，有助于降低较大尺寸的空洞，因为增加通道有助于气体的释放。在回流曲线方面，需要考虑不同锡膏中助焊剂挥发的温度，尽量在回流前将大部分的气体挥发有助于降低较大尺寸的空洞，而使用线性的回流曲线有助于减小空洞的数量。如果有过孔较大的状态下，钢网开孔和回流曲线都无法降低空洞时，使用焊片可以快速有效的降低空洞，这主要是因为焊片的助焊剂含量相对于锡膏而言降低了 5 倍，锡膏中的助焊剂含有溶剂，松香，增稠剂等造成大量的挥发物在高温时容易形成较大的空洞，而焊片中的助焊剂成份主要由松香组成，不含溶剂等物质，所以有效地降低了空洞。