利用微熔丝涂层焊料预成型体减少空隙的新方法

底部端接组件包（如QFN）由于能够以较小的形状系数承载大功率模具，变得越来越重要。随着可靠性性能要求的不断提高，像QFN这样的包中的电源管理组件对于优化热电性能至关重要。此外，低空隙率对于减小电路的电流路径以最大化高速和射频性能非常重要。由于包装尺寸的缩小和功率需求的增加，市场对QFN部件热垫下减少空隙的需求，导致需要评估有助于空隙设计最佳解决方案的关键工艺因素。

将微熔剂预制件与低空隙锡膏和工艺诀窍结合起来，可以在最小空隙的情况下创造理想的焊料体积。正如IPC7093规范所承认的那样，底部终端部件（BTC）的一个关键问题是实现高可靠性焊接接头所需的焊接量。本研究评估了许多加工因素，例如回流曲线、回流气氛、焊盘表面处理和模具设计，以开发一种解决方案，以实现高可靠性、低空隙率的QFN封装焊点。

实验程序

基于导致底部终端组件下空隙的关键因素设计了一个全因子DOE。与纯焊膏基准样品相比，研究了焊料预成型体的使用。本DOE中的关键因素由主题专家从半导体制造业的领导者、无线电通信专用测试和测量设备的原始设备制造商和焊接制造商中确定和选择。

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图1：印刷电路板测试车辆和本DOE中使用的一些组件的图像。

一个定制的单层1.6毫米印刷电路板测试车是专门为这项调查设计的，它包含了许多变量，这些变量可以有助于在底部终端部件中产生空隙。选择单层印刷电路板设计（图1），以便其他因素（即多层板和接地平面）不会影响本研究中所述的关键因素。不同尺寸的QFN元件和销配置属于所述和进一步定义的变量。在本研究中，仅选择了QFN组件（表1）。

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表1：组件详细信息。

产生了两种类型的测试板：一种是浸镀锡（immsn），广泛用于汽车应用；另一种是浸镀银（immag），用于高可靠性和高功率应用。

测试板还通过设计解决了问题，包括在QFN和LCS组件下的通孔、无通孔和插入通孔配置。通孔通孔的直径为0.3 mm，顶部和底部具有直径为0.5 mm的抗蚀剂。塞住的通孔在顶部和底部保持相同的0.3 mm直径孔和0.4 mm深度，直径为0.7 mm。通孔的配置模式如图2所示。

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图2：通过测试车辆上的设计和配置。

研究还涉及回流曲线和回流气氛。本研究使用低空隙SAC305，4型焊膏，固体温度为217°C，液相线温度为220°C。热电偶战略性地放置在试验车辆的QFN32和QFN64部件位置上。如图3所示，对经验证的直坡道和高浸回流曲线进行了评估。

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图3：本研究中使用的回流曲线。

直线缓变曲线以1°C/s的速度增加，直到达到220°C的液相线温度。试验车辆在液相线（TAL）上方65秒，试验车辆的峰值温度达到240°C。高浸泡回流曲线以1°C/s的速度增加温度，直至达到150°C，然后减慢至0.5°C/s的速度。高达200°C，以便有更多时间让焊剂激活表面。

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表2：程序集的配置详细信息。

在试验车辆上，高浸泡曲线使试验车辆比液相线（220°C）高50秒，峰值温度为240°C。最后，在本研究中评估空气和氮气回流气氛，以进一步了解底部终端组件下的空隙效应。

研究的重点是使用微熔剂涂层的焊料预制件，相对于助熔剂增加焊料体积，减少空隙。针对表2中总结的每种配置，使用SAC305微lux涂层焊锡预成型体与焊膏进行基准测试。对每个迭代的四个复制板进行处理，以确保统计上的可行数据。

图4：焊膏打印配置。（基准样品中使用的QFN组件上的窗玻璃焊锡印刷示例。）

结合每辆试验车辆上的54个部件和每种配置的4个副本，生成了近2000个数据点。仅焊膏基准样品以行业中常用的减少空隙的窗格结构打印，如图4所示。

设计一种焊锡预制件，使其与元件的热垫紧密接触，并增加焊锡体积，在本研究的结果中发挥了重要作用。图5所示为仅在QFN上以窗口窗格格式使用焊膏的示例，其中焊膏的成分和回流特性的机械堆积问题使得难以实现良好的空隙。