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東莞久田錫膏手機板焊接QFN 解決氧化不上錫

東莞久田錫膏手機板焊接QFN 解決氧化不上錫

  • 詳情說明

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隨著電子行業小型化多功能化發展的趨勢,越來越多的多功能,體積小的元件應用于在各種產品上,例如 QFN 元件和 LGA 元件。

QFN 是一種無引腳封裝,呈正方形或矩形,封裝底部中央位置有一個大面積裸露焊盤用來導熱,通過大焊盤的封裝外圍四周焊盤導電實現電氣連結。由于無引腳,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,這種封裝越來越多地應用于在電子行業。QFN 封裝具有優異的熱性能,主要是因為封裝底部有大面積散熱焊盤,為了能有效地將熱量

從芯片傳導到 PCB 上,PCB 底部必須設計與之相對應的散熱焊盤以及散熱過孔,散熱焊盤提供了可靠的焊接面積,過孔提供了散熱途徑。因而,當芯片底部的暴露焊盤和 PCB 上的熱焊盤進行焊接時,由于熱過孔和大尺寸焊盤上錫膏中的氣體將會向外溢出,產生一定的氣體孔,對于 smt 工藝而言,會產生較大的空洞,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坦電極觸點的封裝,它的外形與 BGA 元件非常相似,由于它的焊盤尺寸比 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,業界還沒有制定相關的工藝標準,這在一定程度上對電子加工行業造成了困擾。

本文通過大量實驗從鋼網優化,爐溫優化以及預成型焊片來尋找空洞的解決方案。

實驗設計在實驗中所采用的 PCB 為板厚 1.6mm 的鎳金板, 上的 QNF 散熱焊盤上共有 22 個過孔;PCB如圖示 1。QFN 采用 Sn 進行表面處理,四周引腳共有 48 個,每個焊盤直徑為 0.28mm,間距為 0.5mm,散熱焊盤尺寸為 4.1*4.1mm。如圖示 2.圖 1,PCB 板上的 QFN 焊盤實驗 1---對比兩款不同的錫膏

圖 2,實驗所用的 QFN 元件在實驗中,為了對比不同的錫膏對空洞的影響,我們采用了兩種錫膏,一款來自日系錫膏 A,

一款為美系錫膏 B,均為業界最為知名的錫膏公司。錫膏合金為 SAC305 的 4 號粉錫膏,鋼網厚度為 4mil,QFN 散熱焊盤采用 1:1 的方形開孔,對比空洞結果如下圖所示,發現兩款

錫膏在 QFN 上均表現出較大的空洞,這可能由于散熱焊盤較大,錫膏覆蓋了整個焊盤,影響了助焊劑的出氣以及過孔產生的氣體沒辦法排出氣,造成較大的空洞,即使采用很好的錫

膏的無濟于事。錫膏 A(空洞率 35.7%)實驗 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揮發會產生大量的氣體,在實驗中,我們采用了典型的線性式曲線和馬鞍式平臺曲線,通過回流我們發現,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,相對于平臺式曲線,它的空洞數量較少。而采用平臺式的曲線,沒有很大的空洞,但是小的空洞數量較多。這主要是因為采用平臺式曲線,有助于助焊劑在熔點前最大的揮發,大部分揮發性物質在熔點前通過高溫烘烤蒸發了,所以沒有很大的空洞;而線性式的曲線,由于預熱到熔點的時間較短,大部分的揮發性物質還沒有及時揮發,到達熔點的時候,焊料融化形成很大的表面張力,同時許多氣體同時揮發,所以形成較大的空洞且空洞數量較小。

rofile 1

Profile 2

實驗 3---采用不同的焊盤開孔方式,對于散熱焊盤,由于尺寸較大,并且有過孔,在回流時,過孔由于加熱產生的氣體以及助焊劑本身的出氣由于沒有通道排出去,容易產生較大的空洞。在實驗中,為了幫助氣體排出去,我們將它分割為幾塊小型的焊盤,如下圖所示,我們采用三種開孔方式。

開孔 1

開孔 2

開孔 3

如下圖所示,采用 3 種不同的鋼網開孔方式,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,如圖示開孔 1 中最大的空洞為 15%,而開

孔 3 中最大的空洞為 5%。開孔 1 表現出較大個的空洞,空洞的數量較少,開孔 2 與開孔 3的空洞率均差不多,且單個的空洞均小于開孔 1 的空洞,但小的空洞數量較多,開孔 3 沒有

較大的空洞,但是空洞的數量很多,如下圖所示。

開孔 1

開孔 2

開孔 3

在另一種產品上,我們對 QFN 采用同樣的 3 種開孔方式,空洞表現與上面的產品表現不一樣,當通道越多時空洞率越低,這說明對于某些 QFN 元件,減少大焊盤開孔尺寸增加通道

有助于改善空洞率,但是對于某些 QFN 特別是有許多過孔的大焊盤,更改鋼網開孔方式對于空洞而言并沒有太大的幫助。

實驗 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,那么是否可采用低助焊劑含量的焊料?在實驗中,我們采用相同合金成份的預成型焊片 preform---SAC305,1%助焊劑,焊片尺寸為 3.67*3.67*0.05mm,焊片與散熱焊盤的比例為 89%,對比錫膏中 11.5%的助焊劑,在散熱焊盤上采用預成型焊盤,也就是用 preform 替代錫膏,期待以通過降低助焊劑的含量來減少出氣來得到較低的空洞率。

在鋼網開孔上,對于四周焊盤并不需要進行任何的更改,我們只需對散熱焊盤的開孔方式進行更改,如下圖所示,散熱焊盤只需要在四周各開一個直徑 0.015’’的小孔以固定焊盤即可。

在回流曲線方面,我們采用產線實際生產用的曲線,不做任何更改,過爐后通過 x-ray 檢測看 QFN 元件空洞,如下圖所示,空洞率為 3~6%,單個最大空洞才 0.7%左右。

補充實驗 5-----焊片是否可解決 LGA 元件空洞?

由于 LGA 元件焊盤同樣較大,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,58 個 2mm 直徑的圓形焊盤和 76 個

1.6mm 直徑的圓形焊盤,焊盤下同樣有過孔。使用錫膏回流,優化爐溫和鋼網開孔,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?由于它的焊盤分別為 2mm 和 1.6mm 的圓形,考慮到焊片和 LGA元件的固定問題,我們在鋼網開孔時,將圓形焊盤開孔設計為 4 個小的圓形開孔,焊片尺寸與焊盤比例為 0.8,以保證焊盤的錫膏在固定焊片的同時還能粘住 LGA 元件。如下圖所示,對于實驗結果簡單描述下,在回流中我們不更改任何的回流溫度設定,通過 X-ray 檢測空洞

率大概在 6~14%

總結

對于大焊盤元件,例如 QFN 和 LGA 類元件,將焊盤切割成井字形或切割成小塊,有助于降低較大尺寸的空洞,因為增加通道有助于氣體的釋放。在回流曲線方面,需要考慮不同錫膏

中助焊劑揮發的溫度,盡量在回流前將大部分的氣體揮發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量。如果有過孔較大的狀態下,鋼網開孔和回流曲線

都無法降低空洞時,使用焊片可以快速有效的降低空洞,這主要是因為焊片的助焊劑含量相對于錫膏而言降低了 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物在

高溫時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,所以有效地降低了空洞。

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