底部焊端元件空洞问题改善
1、摘要
以 QFN 和 DFN 封装为代表的底部焊端组件 (Bottom Terminiation Components, BTCs) 市场在电子行业中迅速增长，其主要驱动因素是小型化和成本。
当这些底部焊端封装类型被引入市场时，给我们在设计和组装上带来了新的挑战。大面积的底部焊端有许多优势，比如利于组件散热。然而，如果在组装过程中没有适当调整，这可能会导致组件下的空洞。
空洞的数量会受到不同因素调整的影响，如使用特殊溶剂和晶粒尺寸的锡膏、锡膏印刷在焊盘上的厚度、炉温曲线、焊盘设计、钢网设计和 PCB 的表面处理方式。
本应用指南是为评估WE-MAPI (DFN) 产品在焊接空洞上的挑站而创建的。为了解决这一问题，实施了各种方法并进行了测试，例如定制的焊盘设计、回流曲线优化、定制的钢网、焊点推力测试等。本报告简要描述了研究结果、实施的方法和测试结果。
2、简 短 分 析
焊点内的空洞是锡膏处于熔融状态时从焊点内析出气体的结果，也就是说，当锡膏处于熔融状态时，空洞与析出气体成正比，这意味着空洞在很大程度上取决于助焊剂的化学性质。
焊料的润湿对空洞有很大的影响，即润湿性越好，焊料在熔融状态下滞留在焊点内的助焊剂越少。换句话说，如果我们能将助焊剂从焊点内排除，助焊剂在加热时产生的排气将不会导致 BTC 封装的空洞。
总的来说，润湿过程比排气更重要。这可以通过使用更高的熔化能量来解决，熔化能量包括更高的峰值温度和更长的焊接时间。
3、工 作 流 程
3.1、定制焊盘
在大型QFN封装集成电路（如处理器集成电路）的散热焊盘上实施交叉窗口图案是一种已知的技术。鉴于此，不同几何形状和排列方向的定制焊盘想法也得到了实施和试验。主要目的是确认，如果锡膏的润湿过程快于排气过程，则会使得焊点更强，空洞减少。焊盘图案被专门做成比WE-MAPI 的标准焊端大一点，以获得一个半月状焊点并利于排气。如上述提 及，设计了各种排列方向和间距的焊盘布局并进行了前期测 试，以检查哪种焊盘布局会产生最好的结果。经过前期测试，180°矩形分布和正方形分布的焊盘布局效果最好，如下图所示:
图 1: 正方形分布 图 2: 180° 矩形分布
(for MAPI size 3mmx3mm) (for MAPI size 3mmx3mm)
3.2、回流曲线
我们在实验中使用了无铅锡膏(SAC 合金)。一般认为，减少锡膏的用量将有助于减少空洞。这通常是通过在钢网上用网 格图案来实现的。同时，还应考虑到由于较小的锡膏印刷量， 单位面积的助焊剂量较少。由于单位面积的助焊剂含量减少， 锡膏没有足够的助焊剂以避免锡膏在回流过程中干燥和氧化。
升温到峰值(Ramp to peak 或叫 Ramp to spike)是为需要更小的锡膏印刷量和更高的温度而开发的回流曲线。该曲线主要是为了减少热应力和总热量输入，但该曲线被认为和锡膏有关。特别是对于较小的锡膏印刷量，为了在一定程度上避免空洞，实施了均温(Soak)曲线。
通过大量的试验和试错方法设计了回流曲线，以实现以下几点：
• 实现的回流曲线为升温(ramp) - 均温(soak) - 峰值(spike) (RSS) 。
• 线性升温速率(约 1°C/秒) - 最大程度地减少了与回流工艺相关的问题，例如：锡球、锡珠和热塌落导致的桥接问题等。
• 均温区 - 对减少空洞很重要。它有助于更快的润湿过程，而不是排气，反过来，它有助于避免立碑效应(请记住 MAPI 组件的重量很轻)。
• 峰值和超过液相线(TAL)的时间符合标准和规格书的建议。(峰值温度 265°C, TAL 稍长约 90 秒)。
• 冷却阶段 - 需要快速冷却，以获得细晶粒结构。缓慢的冷却将导致大的晶粒结构，通常表现出较差的抗疲劳性能。可以实现几乎 6°C/秒的降温速率。
图 3: 回流曲线
注: 回流曲线依据 IPC/JEDEC J-STD-020D，更多细节请参考此标准。
3.3、讨论和结果
在进入所进行的测试和实验结果之前，以下是一些基于原始焊盘布局的 MAPI 产品的结果：
图 4: 湖泊型空洞 图 5: 湖泊型空洞
我们可以清楚地看到湖泊型空洞 (图 4 和图 5)。这些空洞导致焊点变弱，并起到隔热作用。这导致在电感工作期间，电感 温度更快地增加，因为它们阻碍了从电感到 PCB 的热量传递。
3.3.1、前期测试讨论和结果
下面显示的是不同焊盘布局的 CT 扫描结果，它产生了最好的结果。
图 6: 正方形分布 图 7: 180° 矩形分布
从 CT 扫描可以清楚地看到，湖泊型空洞被完全消除了，但小的空洞仍然有，细节将在稍后讨论。
注：钢网厚度为 120µm，图 6 中可见的菱形图案是由于焊盘图案的形状造成的，并不是实际的空洞。
钢网图例：
网格钢网 非网格钢网
下图为图 6 的空洞面积计算：
图 8: 正方形分布的空洞区域
计算空洞的面积为 14.96%。
目前并没有标准规范规定 BTC 组件焊点的空洞比例。根据IPC610, BGAs 允许30%的空洞占比，这是我们分析的参考。
图 9: IPC610
推力测试结果：
推力试验是为检验组件的端子焊点强度而进行的试验。为了更好地理解，下面是一个示例图：
图 10: 评价端子
AEC-Q200-006
表 1: 推力测试结果
正常焊盘布局的推力仅为 60N 左右。
在观察如上所示的前期测试结果后，采用正方形分布焊盘进行大量测试来进一步分析。
3.3.2、统计试验和结果
此外，为了验证我们的结果，同样的测试和分析模式被应用于大量的样本。这里，锡膏与前期测试中使用的不同。用于统计试验的锡膏的细间距性能为 0.3 mm。钢网厚度分别为 100µm 和 120µm。
为进行统计试验，对比和研究结果，在正方形分布焊盘上采用不同间距(0.1 mm 和 0.2 mm)。
下图为统计试验的 CT 结果
0.1 mm 焊盘间距 0.2 mm 焊盘间距
从扫描结果中可以看出，0.2 mm 焊盘间距比 0.1 mm 焊盘间距要好得多。如图 6 所示，在 0.1mm 焊盘间距下，图 6 的结果比图 11 要好得多。其原因是，前期试验的锡膏的间距性能为 0.2 mm，而统计试验的锡膏的间距性能为 0.3 mm。所以图 12 的焊接结果比图 11 要好得多。
注：钢网的间距和焊盘间距总是相同的。下面显示的是图 11 的空洞面积计算
图 13:图 11 的空洞面积计算(左边焊盘)
计算出空洞面积为 21.10%
注：图11中红色圈出的区域没有考虑空洞计算。它实际上不是一个空洞，而是一个没有锡膏的地方。这是由于焊盘设计和锡膏的细间距能力比焊盘间距本身要高导致的焊接不良形貌。
图 14: 图 12 的空洞面积计算 (左边焊盘)
计算出空洞面积为 14.2%
下面显示的是推力测试结果：
表 2：推力测试结果
用适合 0.2 mm 细间距的锡膏测试焊点强度，结果如下所示：
表 3：推力测试结果
从表 2 和表 3 所示的结果可以清楚地看出焊点强度的差异。
注：这里显示的推力测试结果是平均值。
4、总结
在我们双平面封装的底部焊端组件(BTC)中，避免湖泊型空洞的主要目标成功实现了。焊点强度没有下降，相反，焊点强度有了显著的提高(从 60 N 左右提高到 120 N 左右)。使用真空回流炉或任何其他无氧介质回流，将有助于在很大程度上减少空洞。
总而言之，空洞是好事也是坏事(比如摩擦)。我们应该理解这样一个事实，即在非真空环境中，当两种不同金属在熔融状态下结合时，空洞是不可避免的现象。它们基本上起到应力吸收或缓解的作用，并避免裂纹在焊点内的扩展。完全没有空洞实际上会导致焊点中更高的张力，最终导致焊点中裂纹的产生。唯一值得关注的是湖泊型空洞。它们容纳空气，起到隔热的作用。这反过来导致组件实际温升增加更快和整体焊点强度的下降。通过本应用指南中讨论的技术，这些湖泊型空洞在不影响任何电气参数(如 DCR、额定电流、饱和电流等)的情况下被有效地消除了。
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