电子产品大封装 LGA 空洞率改善策略

电子产品大封装 LGA 空洞率改善策略

卞玉洁，梁同乐，李 祥

（连云港杰瑞电子有限公司）

摘要：

随着电子产品向高性能、高密度方向发展，LGA 模块因其高 I/O 密度、优良的电热性能和较低的封装高度被广泛应用。然而，居高不下的焊接空洞率成为影响产品可靠性的关键工艺难题。该文从工艺角度系统性地分析大封装 LGA 焊接空洞的产生机理，并重点围绕焊膏选择、钢网设计、贴装和回流焊曲线优化等核心工艺环节，提出一套综合性的空洞率控制策略，为 LGA 焊接空洞率的提升提供参考。

大封装 LGA 模块（通常指尺寸大于20 mm×20 mm）的焊接质量直接决定了电子产品的功率耗散、机械连接强度和信号完整性。焊接空洞是焊点内部残留的气体空洞，过大的空洞率会产生一系列影响。首先，空洞会导致热阻增加，因为空洞是热的不良导体，严重影响芯片散热，导致结温升高，性能下降乃至失效；其次，过大的空洞减少了有效的焊接连接面积，在热循环和机械应力下易成为裂纹萌生和扩展的起源，从而导致机械强度下降；最后，空洞的存在可能引起局部电流密度过高，从而影响电气性能，导致电子产品可靠性大大降低。

大封装 LGA 因其焊盘面积大、排气路径长、对焊膏量敏感等特点，空洞问题尤为突出。本文将选用一种尺寸为 30 mm×40 mm 的 LGA 从工艺的不同层面对焊接空洞率进行改善分析。

1 焊接空洞形成的机理分析

空洞主要来源于焊膏中助焊剂的挥发物和溶剂蒸汽。在回流焊接的预热和回流阶段，这些挥发性物质受热汽化。在液态焊料凝固前，如果气体未能顺利排出，就会被包裹在焊料内部形成空洞。对大封装LGA 而言，其形成原因主要有以下几方面。

助焊剂多、焊料含量不足：被焊接面氧化膜未有效去除，一方面妨碍熔融焊料的润湿；另一方面会黏附助焊剂。

助焊剂逃逸通道不畅：大封装 LGA 底部无 BGA球，与焊膏之间间隙小，印刷形状、贴装压力及模块本身可能存在的翘曲，都会堵塞气体逸出的通道。湖面效应：大尺寸的焊盘如同一个广阔的“湖面”，气体在中心区域汇集且排出的路径长、阻力大，极易被四周先凝固的焊料困在中心。

升温曲线不当：过快的升温速率会导致助焊剂剧烈沸腾并飞溅，而预热不足则无法使其充分、平缓地挥发。

本文将从焊膏选择、钢网设计、贴装参数、回流曲线优化 4 个方面减少助焊剂残留，对焊点空洞率进行改善分析。

2 降低空洞率的工艺控制策略

2.1 焊膏选择

1）选择低空洞型助焊剂，此类助焊剂配方经过优化，挥发物更少，沸点更高，能够在焊料融化前更彻底地完成挥发。

2）选择金属含量较高的焊膏，较高的金属含量代表着较低的助焊剂含量，从源头上减少气体产生。

2.2 钢网设计

钢网开孔设计是重要因素之一，直接影响了焊膏的印刷量。为确保锡膏印刷成型清晰、厚度均匀、无拉尖和凹陷等缺陷，钢网应选择激光+电抛光工艺。焊盘尽量开圆孔，若开方孔则开口边角尽量采用倒圆角设计，可改善焊膏释放性，避免尖角处残留。同时要确保钢网开孔面积比大于 0.66，宽厚比大于 1.5，以保证良好的焊膏脱模效果[1]。

2.3 扩大助焊剂逃逸通道

扩大助焊剂逃逸通道通常有 2 种方式，一种方式是将钢网开孔进行十字或一字架桥，从而使单个焊盘上的助焊剂通过架桥挥发出去，此方式同样会导致锡膏量较少，去氧化能力差，同时对贴装参数要求较高；另一种方式是增加 LGA 与印制板之间的垂直距离，在回流时助焊剂通过此垂直方向上的空间进行逃逸，避免因空间过小，助焊剂无法排出，从而形成较大空洞；对于增加 LGA 与印制板之间的垂直距离，行业上常用做法有在焊盘上印刷完锡膏后，贴装锡片，在锡片上再贴装 LGA；还可以采用对 LGA 进行预上锡，把 LGA 改为BGA，通过 LGA 上的球与 PCB 之间增加垂直距离。

2.4 贴装参数

产品贴片前需对吸取位置、贴装位置进行示教，并设置合适的贴装压力。示教吸取位置时要选择元件重力中心区域，同时避开元件表面镂空部分，若镂空部分在重力中心区域，则可以采取贴装麦拉片等方式进行弥补，避免因吸取位置不在中心重力点，导致元件在吸取后无法平衡，造成贴装偏移等不良。根据贴片坐标编程后，在生产前也需用 PCB 板对实际贴装位置进行示教，确认程序中的贴装坐标是否在焊盘中心位置，避免贴装偏移，堵塞助焊剂逃逸通道或严重贴装不良偏离焊盘，造成焊接短路、虚焊等不良。

同时贴装压力需选取恰当，过低的贴装压力容易造成元件与锡膏未紧密接触，过高的贴装压力会导致锡膏受到挤压，轻则破坏原来设计的助焊剂逃逸通道，重则使相邻焊盘锡膏受到挤压后出现粘连的情况，导致回流后焊接短路。

2.5 回流曲线

2.5.1 回流炉工作原理

回流焊曲线是控制空洞的最后一道，也是最重要的一道关口。曲线的设置根据回流炉结构和工作原理确定，以常规的 10 温区热风回流炉为例，热风回流炉通过热风的层流运动传递热能，利用加热器与风扇，使炉内空气不断升温并循环，待焊件在炉内受到炽热气体的加热，从而实现焊接。

加热区工作流程：炉体内每个加热区的结构都是一样的，在上、下加热区各有一个马达驱动叶轮高速旋转，空气或氮气从风机的入口进入炉体，被加热器加热后由顶部强制热风发送器将热空气的热量传递到组装板上，降温后的热气流经过通道从出口排出。热风再流焊是热空气按设计的气流方向不断循环流动，与被加热件产生热交换的过程。

冷却区工作流程：PCB 板经过回流焊接后，必须立即进行冷却，才能得到较好的焊接效果。因此回流焊炉都有个冷却区。冷却区的结构是一个水循环的热交换器。冷却风扇把热气吹到循环水换热器后，经降温的气体再打到 PCB 板上。热交换器内的热量经循环水带走，循环水经降温后再流回换热器。

2.5.2 回流曲线设置原则

热风回流炉曲线设置需遵循以下原则。

1）充足的预热与保温：延长预热区（130℃左右）和保温区（通常 130~200 ℃）的时间（建议总共90~120 s）。此阶段的核心目标是使助焊剂中的溶剂和活性剂得以充分、平缓地挥发活化，避免在进入回流区时剧烈沸腾。

2）平稳的升温至回流：升温斜率主要影响焊膏焊剂的挥发速度。过高容易引起锡膏飞溅，从而形成锡球[2]。从保温区结束到峰值温度的升温斜率应控制在1~3 ℃/s，避免温度骤升。

3）峰值温度与液相线以上时间：峰值温度不宜过高，通常建议在焊料熔点以上 30~40 ℃。例如，对于63 Sn/37 Pb，焊料熔点为 183 ℃，则峰值温度应设置在210~230 ℃。时间应足够（60~90 s），以确保焊料能够充分润湿并给予气泡足够时间排出，峰值温度过高或再流时间长，会造成液态焊料严重氧化，合金层过厚（大于 4 μm），影响焊点强度，严重时还会损坏元器件和印制板[3]。

4）冷却速率：采用适当的冷却速率（如1~4 ℃/s）。较快的冷却可以使焊料表面迅速凝固，防止已排出的气体再次被吸入，但过快可能导致模块翘曲等问题。

3 验证过程

3.1 焊膏

根据焊膏选择原则，此次验证选择助焊剂含量为10%左右，金属含量为 90%以上的低空洞型 63 Sn/37 Pb有铅焊膏。

3.2 钢网

钢网选择激光+电抛光工艺。根据钢网设计原则，结合此次验证产品焊盘设计（图 1），钢网整体厚度设计 0.1 mm，钢网的中间圆形焊盘和圆形焊盘两侧的小长方形焊盘采用 1∶1 开孔设计，面积比分别为 3 和 2，均大于 0.66，宽厚比分别为12 和 7，均大于 1.5，最外侧长方形焊盘宽度方向 1∶1，长度方向外扩 0.2 mm，面积比为 2.2 大于 0.66，宽厚比为 7 大于 1.5，4 个边角定位柱中间架桥（图2），避免锡膏过多抬高元件，从而导致部分焊盘出现虚焊。

3.3 助焊剂逃逸通道

验证选用的 30 mm×40 mm 封装尺寸的 LGA，中间焊盘基本无助焊剂逃出的通道，通过钢网架桥增加助焊剂逃逸通道的效果微乎其微，同时在锡膏上贴装锡片的成本和效率较低，同时锡片无黏附力，LGA 贴装后容易偏移，对此制作 LGA 印锡工装，对 LGA 元件焊盘生产前先预上锡并焊接的方式，将 LGA 改为BGA，增加 LGA 与 BGA 之间的间距，从而扩大助焊剂逃逸通道。具体流程为：将 LGA 元件焊盘面朝上放在LGA 印锡治具中，上面用丝印刮片对位，添加锡膏印刷，印刷后过回流焊接，焊接后对焊点用无水乙醇进行清洗，去除表面的助焊剂，从而减少焊接时的助焊剂整体含量。

LGA 预上锡焊接效果如图 3 所示。

3.4 贴装参数设置

产品贴片前对吸取位置、贴装位置进行示教，并设置合适的贴装压力。示教吸取位置时选择元件重力中心区域。根据贴片坐标编程后，在生产前对 PCB 板进行实际贴装位置示教，确认程序中的贴装坐标是否在焊盘中心位置，避免贴装偏移，堵塞助焊剂逃逸通道或严重贴装不良偏离焊盘，造成焊接短路、虚焊等不良。同时贴装压力选择中等贴装压力。

3.5 回流曲线

依据回流炉热风交换原理以及回流曲线设置原则，同时结合产品元件分布，回流温度参数设置见表1，其中传送带速度为 80.0 cm/min。

使用 63 Sn/37 Pb 有铅锡膏，制作测温板对 LGA底部布置热电偶，用测温仪进行温度测试，测试的各工艺参数如图 4 所示，回流曲线如图 5 所示。

测试的具体工艺参数结果如下：

1）预热区（130 ℃左右）和保温区（通常 130~200 ℃）的时间为 105~109s，在 90~120 s 范围内。能够使助焊剂中的溶剂和活性剂得以充分、平缓地挥发活化，避免在进入回流区时剧烈沸腾。

2）从保温区结束到峰值温度的升温斜率实测为1.7~2.0 ℃/s，在 1~3 ℃/s 范围内，有效避免温度骤升导致锡膏飞溅，造成锡珠。

3）峰值温度与液相线以上时间：选择的锡膏为63 Sn/37 Pb，焊料熔点为 183 ℃，实测峰值温度为226~227 ℃，在 210~230 ℃范围内。回流时间 85~88 s，符合 60~90 s 的时间要求，确保焊料能够充分润湿并给予气泡足够时间排出。

4）冷却速率：较快的冷却可以使焊料表面迅速凝固，防止已排出的气体再次被吸入，但过快可能导致模块翘曲等问题，故冷却斜率在中等区间范围内较为合适，实测的冷却斜率为 2.32~2.67 ℃/s，在 1~4℃/s冷却速率范围内。

4 验证结果

采用以上工艺策略前 X-RAY 检测的LGA 焊点空洞率在 40%~60%区间范围内，远远超过合格焊点的空洞率要求。而通过进行以上一系列的工艺策略进行改善验证，对回流焊接后的 LGA 焊点用 X-RAY 检测发现空洞率明显改善，焊点的平均空洞率降低至 10%左右，最高空洞率为 15%，最低为 1%，改善前后空洞率差异明显，改善效果显著，X-RAY 检测图如图 6 所示。

5 结论

降低电子产品上的大封装 LGA 模块焊点空洞率是一项系统性工程，不能依赖单一工艺环节的改进。本文研究表明通过增加锡膏量、减少助焊剂、同时增加助焊剂逃逸通道、进行合理的开孔设计、设置恰当的贴装参数和优化回流曲线等工艺策略，从材料、应用和工艺参数等方面从根本上减少气体产生并提供助焊剂逃逸通道。通过实施上述综合性的工艺控制策略，可以稳定、高效地将电子产品上普遍使用的大封装 LGA 模块的焊接空洞率控制在 25%以下的理想范围内，为生产高可靠性的电子产品提供有力保障。