一种新型焊盘结构及降低散热焊盘焊接空洞的实现方法

技术领域

本发明涉及芯片封装技术领域，尤其是涉及一种新型焊盘结构及降低散热焊盘焊接空洞的实现方法。

背景技术

如果芯片（如mos管）的散热焊盘焊接后有大面积空洞，会导致SOA失效。SOA失效是指芯片在同时承受电压和电流的情况下，所产生的功耗不能及时散出来，所累积的热导致芯片结温超标，造成芯片热损坏。

芯片散热焊盘常规的设计是正方体，如图13所示，PCB焊盘与芯片散热焊盘面积比为1:1，由于PCB焊盘与芯片散热焊盘都是平面，这种设计常常会由于回流焊过程中产生的挥发性气体不能顺利逸出而导致空洞。工艺为了解决这类问题，通常会采取下面2种方法：

1）一般是将散热焊盘对应的钢网开孔分隔成多个方形（圆形，或者其他形状），如图14所示，印刷出来的钎料也是多个小正方体（或者其他形状）矩阵分布，如图12所示，目的是为回流焊过程中产生的挥发性气体提供逸出通道，但是由于达到钎料熔点时通道会迅速消失，但挥发性气体还会持续产生，一般空洞率会超过30%，严重的空洞率会在50%以上，IPC-610标准要求不得超过30%，QJ-165标准要求不得超过25%。

2）在散热焊盘设置过孔（不塞孔或阻焊），用于排气，但是回流焊过程中钎料会流入过孔内导致芯片散热焊盘和PCB焊盘之间锡量不足而产生空洞，最终每个过孔周围都会产生不同大小的空洞，累计空洞率也会超过30%。

需要注意的是通过PCB焊盘上设置过孔排气的方式，对回流焊温度曲线需要控制的特别好，否则焊料会流到PCB的对面，形成焊料球，影响印刷和产品质量。

实际生产中发现，无论采取上述哪种方案或者两种方案结合都无法全部达到空洞率小于30%标准要求。

发明内容

鉴于现有技术无论是通过改善钎料印刷提供逸出通道，还是通过PCB焊盘上增加过孔排气，都很难达到IPC-610标准对空洞面积不大于30%，QJ-165标准要求不得超过25%的要求（宇航等特殊产品要求空洞不得超过15%），本发明提供了一种新型焊盘结构及降低散热焊盘焊接空洞的实现方法，通过改善芯片散热焊盘结构设计、PCB板圆形焊盘结构设计和钢网开孔结构设计，利用毛细作用可有效降低PCB板焊接空洞，空洞率均在15%以下，可以有效防止芯片SOA失效，方法简单，效果明显。

本发明为实现上述目的，采用的技术方案是：一种新型焊盘结构包括芯片、PCB板和圆形的钎料，所述PCB板上设有PCB板圆形焊盘，所述PCB板圆形焊盘上设有圆形的钎料，所述芯片设置在圆形的钎料上，通过回流焊将芯片通过圆形凸起散热焊盘固定在PCB板圆形焊盘上。

一种新型焊盘结构的降低散热焊盘焊接空洞的实现方法，步骤如下：

步骤一、生产准备：清洁PCB板并按要求预烘，同时按要求预烘好芯片；

步骤二、用钎料印刷机通过钢网在PCB板的PCB板圆形焊盘上印刷圆形的钎料；

步骤三、用自动贴片机将芯片贴装在圆形的钎料上；

步骤四、将贴装芯片的PCB板进入回流焊工序进行焊接，回流焊过程中，圆形的钎料熔化后从芯片中心向周围斜面和PCB板圆形焊盘之间的间隙逐渐润湿，使圆形的钎料量充满芯片底部，同时，回流焊过程中产生的挥发性气体，从大间隙端自动排出，实现降低焊接空洞的目的；

步骤五、对焊接后的芯片通过X-RAY设备检测空洞率。

本发明产生的技术效果是：鉴于现有技术无论是通过改善钎料印刷提供逸出通道还是通过PCB焊盘上增加过孔排气都很难达到空洞面积不大于30%的标准要求（宇航等特殊产品要求空洞不得超过15%），尤其是现在的产品多数是BGA封装和带散热焊盘的大质量芯片共存，回流焊温度曲线很难做到兼顾。本技术方案不仅可以将芯片散热焊盘焊接空洞降低到15%以下，而且对BGA封装和带散热焊盘的大质量芯片共存也有很好的焊接效果。

附图说明

图1为本发明芯片、PCB板和钎料结构的连接示意图；

图2为本发明PCB板上设置钎料的结构示意图；

图3为本发明芯片的结构示意图；

图4为图3结构的仰视图；

图5为本发明芯片焊接在PCB板上的结构示意图；

图6为钎料填缝运动趋势的示意图；

图7为本发明自动排气示意图；

图8为本发明RP温度曲线示例图；

图9为本发明RSP温度曲线示例图；

图10为本发明钢网的结构示意图；

图11为本发明实现方法的流程图；

图12为现有技术PCB板、PCB板焊盘和钎料的结构示意图；

图13为现有技术芯片焊接在PCB板上的结构示意图；

图14为现有技术钢网的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种新型焊盘结构，包括芯片1、PCB板2和钎料3，在PCB板2上腐蚀PCB板圆形焊盘2-1，在PCB板圆形焊盘2-1上印刷圆形的钎料3，将芯片1的圆形凸起散热焊盘1-2贴装在圆形的钎料3上，通过回流焊将圆形的钎料3熔化后，使芯片1的圆形凸起散热焊盘1-2固定在PCB板圆形焊盘2-1上。

本技术方案提到的芯片1均特指带有散热焊盘的芯片。

如图2所示，圆形的钎料3由四个扇面式凸起钎料3-1和数个圆形凸起钎料3-2构成，沿PCB板圆形焊盘2-1面的边缘处，间隔设有四个扇面式凸起钎料3-1，四个扇面式凸起钎料3-1中心处设有一个圆形凸起钎料3-2，沿中心处圆形凸起钎料3-2边缘处间隔设有数个圆形凸起钎料3-2。

如图3、图4所示，芯片1由芯片本体1-1和圆形凸起散热焊盘1-2构成，圆形凸起散热焊盘1-2设置在芯片本体1-1中心处，圆形凸起散热焊盘1-2由一体结构的下底面1-21和上底面1-22组成，下底面1-21和上底面1-22之间为一圈斜面1-23。

圆形凸起散热焊盘1-2下底面1-21半径R

圆形凸起散热焊盘1-2高度h，根据PCB板圆形焊盘2-1大小和钢网4厚度可适当调整。

PCB板圆形焊盘2-1半径R

钎料3为焊膏或焊料或锡膏。

芯片1圆形凸起散热焊盘1-2和PCB板圆形焊盘2-1的结构设计的目的及排气原理是：

1）由于毛细作用力是与间隙的大小成反比的，间隙越小，毛细作用越强。回流焊时，当钎料填充一端大一端小的不平行间隙时芯片1的周围斜面1-23和PCB板圆形焊盘2-1之间形成的不平行间隙），钎料就具有优先填充小间隙的趋势。

有关钎料填缝过程的X射线的研究结果表明，当钎料在不平行间隙中填缝时，不论是从大端、小端还是侧端间隙处加入钎料，钎料总是优先填充小端间隙，然后逐渐向大端方向推进，如图6给出了钎料填缝运动趋势，A是钎料添加位置，B、C、D是钎料运动趋势。

图6的a可以看出：从不平行间隙的小端加钎料，钎料会优先填充小端；

图6的b可以看出：从不平行间隙的大端加钎料，钎料仍然会优先填充小端；

图6的c可以看出：从不平行间隙的侧端加钎料，钎料仍然会优先填充小端。

回流焊过程中产生的挥发性气体在受到附加压不平衡的情况下，会从大间隙端自动排出，如图7所示，钎料的密度大，回流焊过程中产生的气体密度小，由于毛细作用钎料会优先向小端填充，所以回流焊过程中产生的气体会被钎料轻易的“挤出去”。

2）兼容RP曲线和RSP曲线；

IPC-7530A标椎提示有大热量差的器件时，用RSP曲线比较好，因为可以延长保温区的时间来降低空洞，不难理解恒温区的温度还没有到达钎料的熔点，逸出“通道”没有消失，产生的挥发性气体还可以通过逸出通道逸出。但是板子上有BGA（Ball Grid Array）器件时，一般推荐采用RP曲线，而不采用RSP温度曲线，因为RSP温度曲线有可能产生HoP（枕头效应）。

图8为RP温度曲线示例图，图9为RSP温度曲线示例图；图中A为温度，B为时间。RSP温度曲线可以清楚的看到预热区、保温（恒温）区、再（回）流区和冷却区，而RP温度曲线各温区都不明显，升温斜率没有明显变化。

这两种温曲线的主要区别是RP温度曲线中没有恒温区，而延长恒温区可以降低焊接空洞。

本技术方案主要通过毛细作用排气，而非采用工艺设计的逸出通道和延长恒温区时间，所以当产品（PCBA）同时存在BGA器件和大热量差的芯片器件时，采用RP温度曲线，也可以达到很好的焊接效果。

3）PCB板圆形焊盘R

①圆台体积公式：V

②圆柱体积公式：V

③钎料填缝体积：V=V

V=(HπR

备注：1）钎料中金属含量的体积比约为50%；2）圆形凸起散热焊盘1-2采用的是圆台设计；3）圆台的上底面1-22、下底面1-21的半径分别是r

由于芯片1圆形凸起散热焊盘1-2采用的是圆台设计，只有PCB板圆形焊盘2-1和圆形凸起散热焊盘1-2下底面1-21会接触，钢网4开孔时，只需要考虑PCB板圆形焊盘2-1和圆形凸起散热焊盘1-2下底面1-21接触这部分提供逸出通道4-4，因为PCB板圆形焊盘2-1和圆形凸起散热焊盘1-2下底面1-21接触这部分在回流焊过程中会产生挥发性气体，相对来PCB板圆形焊盘2-1和圆形凸起散热焊盘1-2下底面1-21接触这部分面积更小，产生的挥发性气体更少，逸出路径更短，所以对降低空洞也有增益效果；其他部分不需要特别考虑，不是说其他部分焊接时不会产生挥发性气体，而是其他部分在钎料熔化前，圆形凸起散热焊盘1-2的斜面1-23和PCB板圆形焊盘2-1之间有间隙，可以作为逸出通道，钎料熔化后有毛细作用通过间隙进行排气（前面排气原理已经介绍了）。

实施例1，如图5、图11所示，一种新型焊盘结构的降低散热焊盘焊接空洞的实现方法，步骤如下：

步骤一、生产准备：清洁PCB板2并按要求预烘，同时按要求预烘好芯片1，预烘的目的是让PCB板2和芯片1内部的潮气溢出，减少空洞的产生，同时也可以缓解“爆米花”效应，并编好SMT各设备程序。

步骤二、用钎料印刷机通过钢网4在PCB板2上印刷圆形的钎料3，印刷的钎料3应该满足IPC-7527《焊料印刷的要求》“印刷的圆形的钎料形状应与模板孔（面积和高度）相同”的标椎要求。

步骤三、用自动贴片机将芯片1贴装在PCB板2的印刷圆形的钎料3上，芯片（元件）的贴装应满足GJB-3243《电子元器件表面安装要求》“贴装后的芯片（元件）应满足所有焊端全部位于焊盘上并居中或这些偏差不超过焊端宽度的25%”的标椎要求。

步骤四、将贴装芯片1的PCB板2进入回流焊工序进行焊接，芯片1贴装在PCB板2圆形的钎料3上，芯片1圆形凸起散热焊盘1-2的斜面1-23和PCB板圆形焊盘2-1之间形成了不平行间隙，毛细作用力是与间隙的大小成反比的，间隙越小，毛细作用越强，所以回流焊过程中圆形的钎料3熔化后会从芯片1中心向周围间隙逐渐润湿，同时PCB板圆形焊盘2-1比芯片1圆形凸起散热焊盘1-2大，使足够的圆形的钎料3量通过毛细作用进入芯片1底部；回流焊过程中产生的挥发性气体在受到附加压不平衡的情况下，从大间隙端自动排出的，实现降低焊接空洞的目的。

步骤五、对焊接后的芯片1通过X-RAY设备检测空洞率，将焊接后的芯片1放到X-RAY设备中，调整X-RAY设备参数（电压、电流、焦距等）直到可以清晰的看到焊点，然后通过X-RAY设备检测空洞功能测量空洞率，具体如下表1空洞率检测结果：

表1空洞率检测结果

试验了100块板，空洞率均在15%以下。

关于实施例1步骤2中印刷圆形的钎料3前，在设计钢网4厚度（钢网厚度的选择可以参考IPC-7525）的同时需要计算出PCB板圆形焊盘2-1面积。

PCB板圆形焊盘2-1的面积可按如下公式初步计算：

台体积公式：V

柱体积公式：V

③钎料填缝体积：V=V

V=(HπR

备注：钎料中金属含量的体积比约为50%；

圆台的上底面1-22、下底面1-21的半径分别是r

钢网4开孔和PCB板圆形焊盘2-1面积比为1：1，算出PCB板圆形焊盘2-1的面积后，由PCB板圆形焊盘2-1的面积和钢网4厚度共同决定了钎料量，就可以保证有足够的钎料量通过毛细作用进入芯片1底部，进而排出焊接过程中产生的气体。

步骤4需要特别说明的是：实际生产中常常会出现BGA器件（IPC-7530A推荐采用RP曲线，否则会有容易产生HoP（枕头效应））和大质量芯片（IPC-7530A推荐采用RSP曲线，以尽量降低空洞问题）同时存在的情况，本技术方案也可以很好的解决上述问题，因为本技术方案排气原理（上面已经详细介绍）和传统工艺的排气原理完全不同。