PCBA科技 - 一種减少貼片加工空洞的新方法

眾所周知，焊接大型扁平和低脚高度部件時會形成空隙, 例如QFN組件. 這些類型的組件的使用正在新增. 為了滿足IPC標準, 空洞的形成引起了許多設計師的注意, SMT貼片生產 生產線操作員和品質控制人員感到頭痛. 本文將重點介紹一種减少空洞的新方法.

當我們仔細觀察焊點和空洞時，一個主要參數似乎沒有引起人們的注意。 這是焊料合金。 作為初步測試，市場上常用的3種無鉛焊料合金都具有孔隙行為的特徵。

進一步的研究策略包括使用錫、鉍、銀、鋅、銅和其他元素來調整這些合金，並觀察它們對空洞行為的影響。 由於該方法可以快速生產出許多合金，囙此TGA分析被用作初始選擇工具。 使用熱重分析，可以監測焊劑化學成分的蒸發和與某一合金結合過程中的回流溫度分佈。 經驗表明，較平滑的蒸發曲線通常意味著較低的孔隙形成水准。 從這項研究中，選擇了八種原型焊料合金，並對其空洞行為進行了表徵。

為此，將60個塗有每種合金的QFN焊接在3種不同的塗層基材上：NiAu（ENIG）、OSP和I-Sn。 所有合金中使用的焊膏的化學成分、範本厚度和佈局以及基板佈局相同。 根據合金的熔點使用焊接溫度曲線。 X射線用於確定空隙率水准。 其中一種合金在氣蝕行為方面獲得了最佳結果，並被選作進一步的機械可靠性測試。

1、引言

多年來，焊點中空洞形成的機理一直是研究的主題。 許多空洞類型和形成機制已經確定。 最引人注目的是巨大的空隙。 形成大空隙的主要因素似乎是錫膏中的化學成分。

微孔、收縮空洞和Kirkendall空洞也是眾所周知的空洞類型，但它們不在本文的範圍內。 多年來，已經建立了許多减少空洞形成的科技。

調整錫膏的化學成分, 回流焊接溫度曲線, 組成部分, PCB和範本設計或塗層是現時廣泛使用的一些優化工具 SMT晶片打樣 製造商. 甚至設備製造商也在提供降低空隙率的解決方案, 通過掃頻或真空科技. 然而, 另一個非常重要的參數定義了焊接合金的孔隙形成.

焊接合金：一個不尋常且可疑的因素。 空洞形成的主要原因一直被認為是焊膏中的助焊劑。 設計一種能够有效减少空洞的焊膏助焊劑似乎是正確的方法，因為大約50%的助焊劑會在回流過程中蒸發，導致空洞。 由於研究的重點是錫膏助焊劑，到目前為止，對不同焊料合金的空洞形成差异的研究還沒有引起足够的重視。

使用標準可焊合金量測孔隙水准，以確定基線孔隙形成百分比，例如SnAg3Cu0.5（SAC305）、SnAg0.3Cu0.7（LowSAC0307）和Sn42Bi57Ag1。 本文中描述的所有測試都使用了相同的錫膏化學。

為了瞭解PCB塗層之間的水准差异，測試了工業中常用的3種塗層：OSPCu、ENIG（NiAu）和I-Sn。 為了有足够的空隙，使用了120mm的範本，而不减少襯墊。 對於每個焊膏，使用適用於每個特定焊料合金的標準加熱回流曲線對60個錫塗層QFN組件進行回流焊。

對每個部件進行X射線檢查，並量測地平面的孔隙水准，以確定孔隙百分比。 通過比較空隙面積和地平面面積來計算空隙百分比。 不考慮單個空腔的尺寸。 測試結果表明，SAC305和LowSAC0307的結果相當差。 Sn42Bi57Ag1獲得了更好的結果。

2、合金優化

基於這些試驗結果，從孔隙效能的角度，製定了最佳焊接合金的研究方案。 研究方案採用熱重分析和X射線分析。 此外，還考慮了其他參數，如回流溫度分佈、屈服强度、粘度範圍、伸長率和其他工藝參數。

研發策略包括從標準無鉛焊料合金開始，用錫、鉍、銀、鋅、銅等對其進行調整。這很快產生了許多候選合金，TGA分析被用作初始選擇工具。 使用熱重分析，可以監測焊劑化學成分的蒸發和與某一合金結合過程中的回流溫度分佈。 較平滑的蒸發曲線通常意味著較低的孔隙形成水准。 從本研究中選擇了八種原型焊料合金作為進一步的研究對象。

3、八種原型焊料合金

在8個原型焊料合金上進行了與初始基準測試相同的測試設定. 這意味著每個焊膏用於將QFN焊接在不同的 PCB飾面, X射線用於分析真實的孔隙特性. 初步試驗結果表明，與標準合金SAC305相比, LowSAC0307和Sn42Bi57Ag1, 空隙率水准顯著降低. 試驗合金G具有最低的孔隙比和最窄的擴展結果.

選擇該合金進行進一步的機械可靠性測試。

與SAC305相比，它不僅具有較低的空隙率效能，而且具有良好的抗衝擊、抗振動和熱迴圈效能。 此外，除回流焊外，該合金還被證明適用於波峰焊和選擇性焊接。 合金G將以LMPA-Q命名，並將商業化。