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双排焊端QFN器件焊接工艺的改进研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-12-29  浏览次数:248
核心提示:摘要:单排焊端的QFN焊接工艺趋于成熟,而双排及多排QFN器件给组装过程带来了很大挑战。生产中主要难点在于此类器件与其他较大型
 摘要:单排焊端的QFN焊接工艺趋于成熟,而双排及多排QFN器件给组装过程带来了很大挑战。生产中主要难点在于此类器件与其他较大型器件混装,对焊膏量、共面性的要求比较苛刻。通过分析焊膏印刷原理,同时在比对芯片焊端与PCB焊盘尺寸的基础上,采用调整模板开孔的方式来改善焊膏印刷,使焊接效果达到品质要求。介绍了PCB焊盘阻焊开孔及表面处理工艺、丝印参数在组装过程中的影响以及多排QFN返修工艺。

关键词:模板开孔;非阻焊膜定义焊盘;金相切片;X射线检测

产品新选型的双排 0.5 mm中心距 QFN器件QCA8337物理尺寸如图1所示,长0.4 mm,宽0.2 mm;对应的PCB封装焊盘尺寸,长0.512 mm,宽0.200 mm,间距0.500 mm

初期试生产20块板,SPIQFN位置体积检测共报QFN位置少锡18块(即有些引脚检测体积少于70%),未报多锡。炉后X光机检查QCA8337发现外侧焊盘靠内锡量偏少如图2所示,内侧锡量较饱满部分焊盘有桥连情况如图3所示。研究阶段测试良品率仅有60% 。

需要研究这类器件在目前布局条件下合适的焊膏印刷量,对焊点的可靠性进行验证,将一次合格率提高至目标值96%。为了改善该器件的焊接效果,我们进行了以下的工艺实践。

1 改善方法

模板基材厚度及开孔尺寸大小直接关系到焊膏印刷量,从而影响到焊接质量。模板基材厚或开孔尺寸过大会造成焊膏施放量过多,易造成桥连;开孔尺寸过小,会造成焊膏施放量过少,会产生虚焊。

并不是随意开孔的模板都能漏印焊焊膏,它必须具备一定条件才具有良好的漏印性。放大后的模板开孔如图4所示,当FsFtFs为焊膏与PCB焊盘之间的黏合力,Ft为焊膏与开孔壁之间的摩擦力)时,就有良好的印刷效果。显然,模板开孔壁应光滑。当BAB为焊膏与PCB焊盘的接触面积,A 为焊膏与模板开孔之间的接触面积)时,也有良好的印刷效果,但开孔壁面积不宜过小,否则焊膏量不够。显然,开孔壁面积与模板厚度有直接的关系。所以模板的厚度、开孔大小以及壁的光洁度直接影响到焊膏的印刷性。

在印刷锡铅焊膏时,当宽厚比不小于1.6,面积比不小于0.66时,模板具有良好的印刷性;而在印刷无铅焊膏时,当宽厚比不小于1.7,面积比不小于0.7时,模板才有良好的印刷性。这是由于无铅焊膏密度比锡铅焊膏小,以及润滑性稍差所引起的,此时开孔尺寸应稍大一点才有良好的印刷效果。

 

采用宽厚比还是面积比需要根据实际情况进行选择。在此案例中采用锡铅焊膏,开孔并不偏向细长形开孔且宽厚比已达标,将按面积比的方法评估印刷效果。

 

通过芯片尺寸与PCB布局尺寸的比对,可以确定芯片对准后芯片焊端与PCB焊盘的重合位置。芯片焊端与PCB焊盘在白线位置对齐,PCB焊盘各向箭头方向延展(超出芯片焊端)0.11 mm,如图5所示。通过模板开孔方式比对,可知芯片焊端、焊膏、PCB焊盘三者之间的关系,据此可为焊膏印刷量调整提供支持。

面积比为开孔面积与开孔孔壁面积之比,

K=L×b/L+b×d],

式中,L为开孔的长度。面积比参数主要适合验证方形/圆形开孔模板的漏印性。

2 实验过程

2.1 实验过程

初期试生产的模板开孔方式(后简称原始方案):焊盘宽度1:1;外侧焊盘内切0.05 mm,外延0.10 mm;内侧焊盘长度1:1。开孔尺寸:d-0.12mm);外侧焊盘L-0.562 b-0.2mm),面积比0.66;内侧焊盘L-0.512b-0.2mm),面积比0.6

2.1.1 优化方案1

开孔方式:宽度均 0.22 mm;外侧焊盘内切0.5 mm,外延0.10 mm;内侧焊盘长度1:1。开孔尺寸:d-0.12mm);外侧焊盘L-0.562b-0.22mm),面积比0.66,锡量比原始方案增加10% 

内侧焊盘L-0.512b-0.22mm),面积比0.64,锡量比原始方案增加10%

实验效果:外、内侧焊盘宽度增加0.02 mm,外侧焊盘形态较好,内侧焊盘的X-射线阴影外廓成椭圆形并导致桥连,说明锡量偏多。如图6所示。

2.1.2 优化方案2

开孔方式:开孔与优化方案1一致,模板厚度降为0.10 mm。开孔尺寸:d -0.1mm);外侧焊盘-0.562-0.22mm),面积比0.79,锡量比原始方案减少8.3%;内侧焊盘L-0.512b-0.22mm),面积0.77,锡量比原始方案减少8.3%

 

实验效果:内侧焊盘多数出现锡阴影外廓,导致接近桥连或桥连。模板厚度0.12 mm就有阴影外廓,认为锡量偏多,将模板厚度降为0.10 mm仍然有外扩,说明降低模板厚度不能有效改善锡阴影外扩的问题,原因为模板0.10 mm厚度时焊膏脱模更好,印刷的锡量相比0.12 mm没有明显降低。但焊盘加宽至0.22 mm后,外侧焊盘焊膏漏印形态均较好,且外侧焊盘的X-射线图形稳定,确定外侧焊盘开孔宽度方式可行。如图7所示。

2.1.3 优化方案3

开孔方式:宽度均 0.22 mm;外侧焊盘内切0.05 mm,外延0.10 mm;内侧焊盘内切0.06 mm。开孔尺寸:d-0.12mm);外侧焊盘L-0.562b-0.22mm),面积比0.66,锡量比原始方案增加10%

内侧焊盘L-0.452b-0.22mm),面积比0.62,锡量比原始方案减少2.9%

实验效果:考虑 PCBA上其他器件的锡量要求,模板厚度定在0.12 mm。内侧焊盘开孔内切 0.06 mm,减少焊膏印刷量,从X-射线图片整体焊盘呈现矩形没有外廓的椭圆形阴影,但靠内端锡量仍然偏大导致桥连。如图8所示。

2.1.4 优化方案4

开孔方式:宽度均 0.22 mm;外层焊盘内切0.05 mm,外延0.10 mm;内层焊盘内切0.09 mm。开孔尺寸:d-0.12mm);外侧焊盘L-0.562b-0.22mm),面积比0.66,锡量比原始方案增加10%内侧焊盘L-0.422b-0.22mm),面积比0.6,锡量比原始方案减少9.3% 

实验效果:内侧焊盘开窗内切0.09 mm,继续减少焊膏印刷量,从X-射线图片整体焊盘呈现矩形没有外廓的椭圆形阴影,桥连几率降低但仍然存在。如图9所示。

2.1.5 优化方案5

开孔方式:外侧焊盘内切 0.05 m m,外延0.10 mm,宽度0.22 mm;内侧焊盘内切0.09 mm,宽度减至0.2 mm。开孔尺寸:d-0.12mm);外侧焊盘L-0.562b-0.22mm),面积比0.66,锡量比原始方案增加10%;内侧焊盘L0.422b-0.2mm),面积比0.57,锡量比原始方案减少17.6%

实验效果:内侧焊盘开窗内切0.09 mm宽度减至 0.20 mm。内外侧图形均稳定,焊接效果良好,合格率达标。此方案可用于量产,同时量产阶段考虑PCB表面处理使用沉金工艺。如图10所示。

2.2 相关研究

2.2.1 PCB原材料对焊膏印刷的影响

焊盘设计采用NSMD(非阻焊膜定义)焊盘,如图11所示,焊盘绿油阻焊开孔有较大偏移现象,但没造成绿油上焊盘。印刷后的焊膏有部分塌落在间隙内部如图12所示,导致焊膏形状不规整,这种情况会造成印刷后SPI检测报少,但实际焊膏量并没减少。

 

2.2.2 印刷精度

芯片焊端较小,首次印刷后应该在显微镜下观察效果,确定印刷精度并调整丝印机补偿。对于缺少经验的作业员裸眼观察容易产生误判,应避免裸眼观察。印刷偏移缺陷如图13所示。印刷合格品如图14所示。

 

2.2.3 印刷参数 

印刷参数中刮刀速度、脱模速度、脱模距离可以参照PCB上有细间距焊盘时的参数执行。需要注意的是刮刀压力,压力过大会造成模板背面焊膏渗漏,焊膏中助焊剂液体漫流会带出少量锡粉,如图15所示,加热后易造成桥连。在调整参数过程中需要注意降低印刷速度有增加刮刀压力的效果。

图15 刮刀压力过大的印刷效果

实施优化方案3过程中,刮刀长度300 mm、刮刀速度40 mm/s、脱模速度0.5 mm/s、脱模距离3 mm调整前刮刀压力90 N,调整后刮刀压力70 N,调整后内侧焊盘桥连数量减少。

 此研究中,刮刀压力推荐值[(2×L/100)±1]×10N),式中L为刮刀长度。

2.2.4 内侧焊盘减小开孔的选择方向

对内侧图片阴影外廓A与桥连B两个不良样品进行切片确定焊锡状态。

切片A:外侧良好,内侧焊盘锡量外溢超出焊盘范围,如图16所示。

切片B:边磨边观察,内外侧均没有虚焊少锡问题。图示外侧良好,内侧连锡。如图17所示。

外侧开孔外延0.10 mm,内切0.05 mm,图18示外延0.10 mm的外端焊料推积在芯片外侧没有向内部渗透,内切0.05 mm的空焊盘被锡料完全填充。内侧开孔长度11,如图19内侧焊盘锡量已超出长度方向,所以内侧开孔考虑内切,让焊料在熔化状态下有空焊盘附着限位,内侧焊盘内切示意如图20所示,切绿色部分。

2.2.5 PCB表面焊盘处理工艺的选择

双排QFN器件内侧焊盘对锡量很敏感,观察图21的聚焦点及反光位置可知表面采用热风整平处理的焊盘,锡面高度不一致,此部分锡量及平整度在PCBA组装工艺中是无法控制的。采用双排QFN器件的产品PCB的表面处理建议采用沉金工艺。

2.2.6 双排QFN芯片返修

QFN器件所在PCB为高密度型,使得QFN拆卸后在PCB上留下的可进行焊膏印刷的空间很小;同时双排QFN器件内外侧焊盘封装限制了将焊膏印刷在QFN器件焊端上的印刷效果。这里简单介绍利用返修台返修的重点步骤:

1)对双排QFN进行植球,此处采用0.25 mm锡球(没条件植球时,将清理后的QFN焊端涂助焊膏然后用烙铁拖焊保证焊点均匀即可,中间接地焊盘保证锡量均匀铺开,高度不超过焊盘焊球);

2)贴装时无需印刷焊膏,但贴装前必须对芯片双排焊端及PCB双排焊盘涂覆助焊膏(中间接地焊盘不涂覆),助焊膏涂覆量宁多勿少,加热后助焊膏汽化将使多余液态助焊膏溢出芯片,这个过程会保证焊点润湿及均匀;

3)加热完成后,在芯片四周再涂覆一遍助焊膏,用烙铁清理外侧焊盘,保证焊点均匀可靠。

3 结论

 双排QFN焊接改进,外侧焊盘可适当增加开孔宽度来达到改善效果;内侧焊盘当开孔面积比在标准值附近时会造成焊膏量偏多导致桥连,可保持开孔宽度与PCB焊盘宽度一致,再通过内切掉PCB焊盘超出器件焊端的部分长度的方式来找到一个临界点,既保证印刷效果又控制印刷量。此案例中内侧焊盘内切后开孔长度与芯片焊端长度基本保持一致。在加工制程中还需要着重控制印刷精度、印刷压力。由于内侧焊盘对锡量很敏感,产品PCB布局可制造性评审阶段须要求双排QFN器件与传送边所在的板边距离大于10 mm,以免靠近夹持轨道影响印刷质量;同时PCB焊盘表面处理工艺建议采用沉金工艺。

 当然,焊膏印刷好坏也与焊膏粉末颗粒直径有关,一般选择颗粒度直径约为模板开口的1/5以内,粒度细的焊膏印刷性能佳,但容易氧化带来焊接缺陷的概率也大。另外,在PCB设计阶段加宽QFN焊盘宽度也是降低生产难度的一种方法,但需要考虑焊盘间走线与焊盘的电性能干扰问题。

本次研究通过改进开孔方式来达到改善效果,可为其他尺寸的双排及多排QFN器件焊接提供借鉴。

 
 
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