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如何降低大焊盘元件的空洞

时间:2014-03-27 09:25 来源:未知 作者:admin  点击:
  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;PCB
 
  如图示 1。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。如图示 2.
 
  图 1,PCB 板上的 QFN 焊盘
 
  实验 1---对比两款不同的锡膏
 
  图 2,实验所用的 QFN 元件
 
  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。
 
 
 
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