基于底部焊端元件空洞問題的改善措施

1、摘要

以 QFN 和 DFN 封裝為代表的底部焊端組件 (Bottom Terminiation Components, BTCs) 市場(chǎng)在電子行業(yè)中迅速增長(zhǎng)，其主要驅(qū)動(dòng)因素是小型化和成本。

當(dāng)這些底部焊端封裝類型被引入市場(chǎng)時(shí)，給我們?cè)谠O(shè)計(jì)和組裝上帶來了新的挑戰(zhàn)。大面積的底部焊端有許多優(yōu)勢(shì)，比如利于組件散熱。然而，如果在組裝過程中沒有適當(dāng)調(diào)整，這可能會(huì)導(dǎo)致組件下的空洞。

空洞的數(shù)量會(huì)受到不同因素調(diào)整的影響，如使用特殊溶劑和晶粒尺寸的錫膏、錫膏印刷在焊盤上的厚度、爐溫曲線、焊盤設(shè)計(jì)、鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)和 PCB 的表面處理方式。

本應(yīng)用指南是為評(píng)估WE-MAPI (DFN) 產(chǎn)品在焊接空洞上的挑站而創(chuàng)建的。為了解決這一問題，實(shí)施了各種方法并進(jìn)行了測(cè)試，例如定制的焊盤設(shè)計(jì)、回流曲線優(yōu)化、定制的鋼網(wǎng)、焊點(diǎn)推力測(cè)試等。本報(bào)告簡(jiǎn)要描述了研究結(jié)果、實(shí)施的方法和測(cè)試結(jié)果。

2、簡(jiǎn) 短 分 析

焊點(diǎn)內(nèi)的空洞是錫膏處于熔融狀態(tài)時(shí)從焊點(diǎn)內(nèi)析出氣體的結(jié)果，也就是說，當(dāng)錫膏處于熔融狀態(tài)時(shí)，空洞與析出氣體成正比，這意味著空洞在很大程度上取決于助焊劑的化學(xué)性質(zhì)。

焊料的潤(rùn)濕對(duì)空洞有很大的影響，即潤(rùn)濕性越好，焊料在熔融狀態(tài)下滯留在焊點(diǎn)內(nèi)的助焊劑越少。換句話說，如果我們能將助焊劑從焊點(diǎn)內(nèi)排除，助焊劑在加熱時(shí)產(chǎn)生的排氣將不會(huì)導(dǎo)致 BTC 封裝的空洞。

總的來說，潤(rùn)濕過程比排氣更重要。這可以通過使用更高的熔化能量來解決，熔化能量包括更高的峰值溫度和更長(zhǎng)的焊接時(shí)間。

3、工 作 流 程

3.1、定制焊盤

在大型QFN封裝集成電路(如處理器集成電路)的散熱焊盤上實(shí)施交叉窗口圖案是一種已知的技術(shù)。鑒于此，不同幾何形狀和排列方向的定制焊盤想法也得到了實(shí)施和試驗(yàn)。主要目的是確認(rèn)，如果錫膏的潤(rùn)濕過程快于排氣過程，則會(huì)使得焊點(diǎn)更強(qiáng)，空洞減少。焊盤圖案被專門做成比WE-MAPI 的標(biāo)準(zhǔn)焊端大一點(diǎn)，以獲得一個(gè)半月狀焊點(diǎn)并利于排氣。如上述提 及，設(shè)計(jì)了各種排列方向和間距的焊盤布局并進(jìn)行了前期測(cè) 試，以檢查哪種焊盤布局會(huì)產(chǎn)生最好的結(jié)果。經(jīng)過前期測(cè)試，180°矩形分布和正方形分布的焊盤布局效果最好，如下圖所示:

圖 1: 正方形分布 圖 2: 180° 矩形分布

(for MAPI size 3mmx3mm) (for MAPI size 3mmx3mm)

3.2、回流曲線

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用了無鉛錫膏(SAC 合金)。一般認(rèn)為，減少錫膏的用量將有助于減少空洞。這通常是通過在鋼網(wǎng)上用網(wǎng) 格圖案來實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，還應(yīng)考慮到由于較小的錫膏印刷量， 單位面積的助焊劑量較少。由于單位面積的助焊劑含量減少， 錫膏沒有足夠的助焊劑以避免錫膏在回流過程中干燥和氧化。

升溫到峰值(Ramp to peak 或叫 Ramp to spike)是為需要更小的錫膏印刷量和更高的溫度而開發(fā)的回流曲線。該曲線主要是為了減少熱應(yīng)力和總熱量輸入，但該曲線被認(rèn)為和錫膏有關(guān)。特別是對(duì)于較小的錫膏印刷量，為了在一定程度上避免空洞，實(shí)施了均溫(Soak)曲線。

通過大量的試驗(yàn)和試錯(cuò)方法設(shè)計(jì)了回流曲線，以實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)：

? 實(shí)現(xiàn)的回流曲線為升溫(ramp) - 均溫(soak) - 峰值(spike) (RSS) 。

? 線性升溫速率(約 1°C/秒) - 最大程度地減少了與回流工藝相關(guān)的問題，例如：錫球、錫珠和熱塌落導(dǎo)致的橋接問題等。

? 均溫區(qū) - 對(duì)減少空洞很重要。它有助于更快的潤(rùn)濕過程，而不是排氣，反過來，它有助于避免立碑效應(yīng)(請(qǐng)記住 MAPI 組件的重量很輕)。

? 峰值和超過液相線(TAL)的時(shí)間符合標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格書的建議。(峰值溫度 265°C, TAL 稍長(zhǎng)約 90 秒)。

? 冷卻階段 - 需要快速冷卻，以獲得細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)。緩慢的冷卻將導(dǎo)致大的晶粒結(jié)構(gòu)，通常表現(xiàn)出較差的抗疲勞性能?？梢詫?shí)現(xiàn)幾乎 6°C/秒的降溫速率。

圖 3: 回流曲線

注: 回流曲線依據(jù) IPC/JEDEC J-STD-020D，更多細(xì)節(jié)請(qǐng)參考此標(biāo)準(zhǔn)。

3.3、討論和結(jié)果

在進(jìn)入所進(jìn)行的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之前，以下是一些基于原始焊盤布局的 MAPI 產(chǎn)品的結(jié)果：

圖 4: 湖泊型空洞 圖 5: 湖泊型空洞

我們可以清楚地看到湖泊型空洞 (圖 4 和圖 5)。這些空洞導(dǎo)致焊點(diǎn)變?nèi)酰⑵鸬礁魺嶙饔?。這導(dǎo)致在電感工作期間，電感 溫度更快地增加，因?yàn)樗鼈冏璧K了從電感到 PCB 的熱量傳遞。

3.3.1、前期測(cè)試討論和結(jié)果

下面顯示的是不同焊盤布局的 CT 掃描結(jié)果，它產(chǎn)生了最好的結(jié)果。

圖 6: 正方形分布 圖 7: 180° 矩形分布

從 CT 掃描可以清楚地看到，湖泊型空洞被完全消除了，但小的空洞仍然有，細(xì)節(jié)將在稍后討論。

注：鋼網(wǎng)厚度為 120μm，圖 6 中可見的菱形圖案是由于焊盤圖案的形狀造成的，并不是實(shí)際的空洞。

鋼網(wǎng)圖例：

網(wǎng)格鋼網(wǎng) 非網(wǎng)格鋼網(wǎng)

下圖為圖 6 的空洞面積計(jì)算：

圖 8: 正方形分布的空洞區(qū)域

計(jì)算空洞的面積為 14.96%。

目前并沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定 BTC 組件焊點(diǎn)的空洞比例。根據(jù)IPC610, BGAs 允許30%的空洞占比，這是我們分析的參考。

圖 9: IPC610

推力測(cè)試結(jié)果：

推力試驗(yàn)是為檢驗(yàn)組件的端子焊點(diǎn)強(qiáng)度而進(jìn)行的試驗(yàn)。為了更好地理解，下面是一個(gè)示例圖：

圖 10: 評(píng)價(jià)端子

表 1: 推力測(cè)試結(jié)果

正常焊盤布局的推力僅為 60N 左右。

在觀察如上所示的前期測(cè)試結(jié)果后，采用正方形分布焊盤進(jìn)行大量測(cè)試來進(jìn)一步分析。

3.3.2、統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)和結(jié)果

此外，為了驗(yàn)證我們的結(jié)果，同樣的測(cè)試和分析模式被應(yīng)用于大量的樣本。這里，錫膏與前期測(cè)試中使用的不同。用于統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)的錫膏的細(xì)間距性能為 0.3 mm。鋼網(wǎng)厚度分別為 100μm 和 120μm。

為進(jìn)行統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，對(duì)比和研究結(jié)果，在正方形分布焊盤上采用不同間距(0.1 mm 和 0.2 mm)。

下圖為統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)的 CT 結(jié)果

0.1 mm 焊盤間距 0.2 mm 焊盤間距

從掃描結(jié)果中可以看出，0.2 mm 焊盤間距比 0.1 mm 焊盤間距要好得多。如圖 6 所示，在 0.1mm 焊盤間距下，圖 6 的結(jié)果比圖 11 要好得多。其原因是，前期試驗(yàn)的錫膏的間距性能為 0.2 mm，而統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)的錫膏的間距性能為 0.3 mm。所以圖 12 的焊接結(jié)果比圖 11 要好得多。

注：鋼網(wǎng)的間距和焊盤間距總是相同的。下面顯示的是圖 11 的空洞面積計(jì)算

圖 13:圖 11 的空洞面積計(jì)算(左邊焊盤)

計(jì)算出空洞面積為 21.10%

注：圖11中紅色圈出的區(qū)域沒有考慮空洞計(jì)算。它實(shí)際上不是一個(gè)空洞，而是一個(gè)沒有錫膏的地方。這是由于焊盤設(shè)計(jì)和錫膏的細(xì)間距能力比焊盤間距本身要高導(dǎo)致的焊接不良形貌。

圖 14: 圖 12 的空洞面積計(jì)算 (左邊焊盤)

計(jì)算出空洞面積為 14.2%

下面顯示的是推力測(cè)試結(jié)果：

表 2：推力測(cè)試結(jié)果

用適合 0.2 mm 細(xì)間距的錫膏測(cè)試焊點(diǎn)強(qiáng)度，結(jié)果如下所示：

表 3：推力測(cè)試結(jié)果

從表 2 和表 3 所示的結(jié)果可以清楚地看出焊點(diǎn)強(qiáng)度的差異。

注：這里顯示的推力測(cè)試結(jié)果是平均值。

4、總結(jié)

在我們雙平面封裝的底部焊端組件(BTC)中，避免湖泊型空洞的主要目標(biāo)成功實(shí)現(xiàn)了。焊點(diǎn)強(qiáng)度沒有下降，相反，焊點(diǎn)強(qiáng)度有了顯著的提高(從 60 N 左右提高到 120 N 左右)。使用真空回流爐或任何其他無氧介質(zhì)回流，將有助于在很大程度上減少空洞。

總而言之，空洞是好事也是壞事(比如摩擦)。我們應(yīng)該理解這樣一個(gè)事實(shí)，即在非真空環(huán)境中，當(dāng)兩種不同金屬在熔融狀態(tài)下結(jié)合時(shí)，空洞是不可避免的現(xiàn)象。它們基本上起到應(yīng)力吸收或緩解的作用，并避免裂紋在焊點(diǎn)內(nèi)的擴(kuò)展。完全沒有空洞實(shí)際上會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)中更高的張力，最終導(dǎo)致焊點(diǎn)中裂紋的產(chǎn)生。唯一值得關(guān)注的是湖泊型空洞。它們?nèi)菁{空氣，起到隔熱的作用。這反過來導(dǎo)致組件實(shí)際溫升增加更快和整體焊點(diǎn)強(qiáng)度的下降。通過本應(yīng)用指南中討論的技術(shù)，這些湖泊型空洞在不影響任何電氣參數(shù)(如 DCR、額定電流、飽和電流等)的情況下被有效地消除了。

重要聲明

本應(yīng)用指南是基于我們關(guān)于這些領(lǐng)域的典型需求的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。它僅作為一般性指導(dǎo)，不應(yīng)被視為伍爾特電子集團(tuán)對(duì)客戶應(yīng)用的適用性的承諾。本文中的內(nèi)容如有更改，恕不另行通知。未經(jīng)書面許可，不得轉(zhuǎn)載或復(fù)制本文件及其部分內(nèi)容，也不得將其內(nèi)容透漏給第三方或用于任何未經(jīng)授權(quán)的用途。

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