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4. QFP引线钎料桥连的分析
钎料桥连，是指软钎焊过程中相邻焊盘上的钎料发生接触并融合，最终凝固生成搭接焊点的现象。桥连问题是微电子组装与封装过程中最常见的焊点成形不良之一，它可见于几乎所有封装形式的芯片的组装中。钎料桥连不仅可以导致产品的初期失效，而且还可以导致漏焊（灯芯效应）等焊点成形不良。
引起桥连的主要原因有：a）基板设计不合理；b）焊盘过宽；c）钎料过多；d）焊膏印刷精度低；e）贴片精度过低。但是，人们对桥连问题的现有的研究结果大都是建立在实验的基础上，虽然在生产上取得了一定效果，但易受设备及一些偶然因素的影响，可移植性较差。而且引线密度的提高和一些新的封装形式的出现，又给桥连问题带来了许多新的特点。因此非常有必要详细考察各种因素对桥连的影响规律，研究桥连的产生机理，为改进生产工艺提供指导。由于超细引线间距器件价格高、组装设备复杂昂贵，而且组装过程中影响因素众多，使得试验周期长、成本高。最有效的办法就是利用计算机模拟技术对桥连焊点的成形进行模拟，并考察各种因素对桥连的影响。
4.1 桥连的模型和参数
描述桥连问题的基本方程和焊点形态预测的方程是一致的，只是初始化条件不一样，需要编写计算格式文件，规定各个空间几何约束、能量约束和体积约束条件。图4-1是QFP 器件引线间钎料桥连问题的初始模型。由于各种原因，钎料在熔化前已经搭接在一起。熔化后，钎料在焊盘和引线上润湿和铺展，如果钎料量少，则引线间的钎料搭桥可能会断开，凝固后没有桥连；如果钎料量过多，则即使钎料已经铺展到焊盘尽头，钎料搭桥仍然保持连接不断开，凝固后就形成钎料桥接。计算的目的就是要找到由焊点尺寸、结构所形成的空间能容纳的最大的钎料量(称为极限钎料量)，这是表征该焊点结构抗桥连的能力。同时，分析影响该极限钎料量的各种因素。
图4-1 QFP器件引线间钎料桥连的初始模型
4.2 桥连的计算结果及过程分析
图4-2是一个关于QFP256器件、J形引线的例子，仍然利用Surface Evolver软件求解。图4-3显示了在不同钎料量时，引线间钎料桥连形成和断开的过程.
根据流体静力学的原理，在弯曲液面的两侧存在压力差，其大小可由下式决定:
其中，σ是液体的表面张力，R1、R2分别为液面在纸面内及垂直方向上的曲率半径。力的方向指向液面的曲率中心。凸的液面上存在压力，而凹的液面存在拉力。可以由此解释桥连形成的物理过程。
由于引线表面、焊盘表面对钎料都良好润湿，钎料熔化后，将向焊盘的端部和趾部铺展。初期时，在端部和趾部都是凹液面，拉力的作用会促使进一步铺展，由于液态钎料是连通的，有缩小桥连的作用。而在桥连部分，熔融钎料也形成凹液面，表面上的拉力有扩大和保持桥连的作用。当在焊盘上铺展的力一直大于桥连部分的拉力时，铺展继续进行。如果钎料量较少，在铺展过程中，桥连不断缩小并断开，凝固后就没有桥连。而当钎料量较多时，当在焊盘上的铺展进行到一定的程度时，端部和趾部的液面逐渐平直，促进铺展的力会减小，达到与桥连的拉力平衡时，铺展不再继续，凝固后桥连保持。
钎料量少，钎料不容易发生，但是焊点的承载能力可能会降低；增加钎料量，焊点的承载能力大，但又容易发生桥连。因此，本质上系统能最大容纳的钎料量是一个关键的指标。
4.3 抗桥连能力的指标
根据上面的计算结果及分析，可以认为当焊点结构确定以后，一定存在一个钎料量(体积)的数值，当实际钎料量大于该值时，当润湿铺展达到平衡时，桥连仍然存在；当实际钎料量小于该值时，在钎料在焊盘上铺展的过程中，桥连已经断开，最后不发生桥连。定义该钎料量为极限钎料量Vk，可以作为焊点系统抵抗钎料桥连的能力的指标，值越大，系统越不容易发生桥连，或者说可以放置更多的钎料。
监视钎料铺展过程中系统总的能量的变化，发现当钎料桥连断开时，系统能量发生了突变；而如果桥连一直保持，能量突变不会发生，如图4-4所示。连续地改变给定钎料量，得到一系列的能量曲线，从中得到Vk。系统不发生钎料的基本条件是:
V < Vk
4.4 焊点结构因素对抗桥连能力的影响
焊点结构指的是引线、焊盘的尺寸、形状以及引线与焊盘之间的相对位置。在实际生产中由于引线尺寸一般由元件生产厂家事先给定，同时钎料类型一经选定一般很少进行变动，生产中可调整的参数有焊点结构、焊盘尺寸和钎料量.
4.4.1 焊盘宽度对抗桥连能力的影响
图4-5显示了不同焊盘宽度时系统的Vk值。这里，器件引线的宽度为0.2mm，按照一般的设计规则，焊盘宽度应该与引线宽度一致，因为此时焊盘(引线)之间的间距最大，钎料之间不容易桥连，但是结果却显示当焊盘宽度比引线宽度大20-30%时，桥连最不容易发生。从图4-6的结果可以明显看到，在给定的钎料量条件下，焊盘宽度等于引线宽度时，发生了
桥连,图之(a);当引线宽度增加到0.24mm时,同样的钎料量不发生桥连;焊盘宽度再增加,到0.32mm时(d),桥连再次发生,此时是因为焊盘间距太小的缘故.这一结论对于正确的焊盘设计很有建设性的作用.
4.4.2 焊盘长度对抗桥连能力的影响
焊盘另外一个可调整的参数是其长度，包括两部分：前端长度和后端长度。从图4-7系统的临界钎料量随焊盘长度的变化规律中可以看出，随着焊盘长度的增加，不管是前段长度还是后段长度，系统的临界钎料量变化曲线都呈不断上升的趋势。但随着焊盘长度的增加，临界钎料量上升的速度变慢，并在焊盘较长时趋近于零。此时继续增加焊盘长度并不能改善系统的抗桥连性能。同时还可以发现，系统的临界钎料量对焊盘后段长度较对焊盘前段长度敏感。在初始阶段，在增加相同的焊盘长度的前提下，Vk随焊盘后段长度增加而增大的速度明显大于前段。但Vk的增加速度却随着焊盘后段长度的增加迅速变慢，最终趋于水平。从图4-8中可以看出，此时钎料润湿铺展已经不能到达焊盘后段的有限边界。
4.4.3 引线与焊盘的相对位置对抗桥连能力的影响
图4-9是系统临界钎料量在引线位置不同时的变化曲线，从中可以看出系统的临界钎料量先是略有上升并当引线处于焊盘纵向的中间位置附近时到达最高点，后开始迅速下降，即系统的抗桥连能力呈现出先升后降的趋势。焊盘长度不变而改变引线与焊盘的沿长度方向的相对位置时，随着引线的后移，焊点的平衡形态从两个成形良好的焊点变为发生桥连。同时焊点前端形态由微凸变为内凹，焊点后
部开态(引线弯曲以后部分)内凹程度逐渐变小,图4-10所示.这两次证明了系统的搞桥连能力对焊盘前端的净长度不敏感而对焊盘后段长度较为敏感的结论.
4.5 钎料润湿性对焊点抗桥连能力的影响
钎料润湿性能(润湿角)的好坏直接影响熔融钎料在焊盘及引线表面的铺展情况，对能否形成良好的钎焊焊点有重要影响。考察润湿角在5°- 30°之间变化时焊点平衡形态以及系统临界钎料量的变化情况，结果表明润湿角对焊点形态有较大影响（图4-11，图4-12）。在相同的钎料量和焊点结构下，随着润湿角的增大钎料在焊盘及引线表面的铺展面积逐渐减小，同时引线水平段两侧的焊点形态的外凸程度明显加大。当润湿角达到25°时，在给定的钎料量下熔融钎料已经不能铺展满整个焊盘，而且钎料已经不能到达引线水平段两侧的顶端。当润湿角增大到30°时，熔融钎料已很难在焊盘及引线表面铺展。从临界钎料量随润湿角变化曲线可以看出，随着润湿角的增大系统的临界钎料量先是缓慢下降，在润湿角达到20°时，
系统的临界钎料量仍然能够达到润湿角为5°时的98%。当润湿角超过20°以后，临界钎料量下降速度明显增大。当润湿角达到30°时，系统的临界钎料量已经只有5°时的86.6%。
可见钎料性能对焊点成形的影响主要体现在钎料在被焊材料表面的润湿角上。从焊点成形角度考虑，为得到较好的抗桥连性能，钎料在引线及焊盘表面的润湿角不应大于20°
[align=right][color=#000066][此贴子已经被smta于2005-3-25 9:20:44编辑过][/color][/align]
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王春青、李明雨<|||>
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哈尔滨工业大学深圳研究生院<|||>
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2005-3-16 |
