功率模塊焊盤(pán)柵格陣列（LGA）封裝及其應(yīng)用

本應(yīng)用筆記討論了ADI公司的電源模塊LGA封裝，并提供了PCB設(shè)計(jì)和電路板組裝工藝指南。

介紹

ADI公司的功率模塊產(chǎn)品以層壓基板上的厚LGA封裝形式出現(xiàn)。

該軟件包的構(gòu)成要素是：

控制器芯片和場(chǎng)效應(yīng)管芯片

陶瓷片式電容器

厚膜片式電阻器

感應(yīng)器

所有組件均由模塑料封裝，以在封裝頂部形成平坦的表面。封裝橫截面的代表性圖像如圖1所示。

圖1.電源模塊 LGA 封裝結(jié)構(gòu)（不按比例）。

這些LGA模塊使用雙層層壓基板。CCL-HL832NX（來(lái)自MGC）是首選的芯材，阻焊層是PSR4000（來(lái)自Taiyo）?；鍣M截面如下圖2所示。

圖2.基板橫截面。

圖 3 提供了 Analog 電源模塊之一的代表性封裝外形圖 （POD）。

圖3.9mm x 15mm LGA 封裝的封裝外形圖。

印刷電路板設(shè)計(jì)

模擬 LGA 封裝使用阻焊層定義 （SMD） 引腳。外圍的引腳是信號(hào)引腳，而較大的內(nèi)部引腳用于散熱。表面貼裝器件使用兩種類(lèi)型的焊盤(pán)模式：

阻焊層定義 （SMD） 焊盤(pán)的阻焊層開(kāi)口比金屬焊盤(pán)小.

非阻焊層定義 （NSMD） 焊盤(pán)的阻焊層開(kāi)口大于金屬焊盤(pán)。

Analog 建議使用 NSMD 焊盤(pán)，因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：（i） 與阻焊相比，銅蝕刻工藝具有更好的控制，（ii） NSMD 為焊料錨定提供了較大的金屬區(qū)域（焊盤(pán)面積 + 焊盤(pán)的垂直邊緣）。

IPC-7351指南可用于根據(jù)相應(yīng)年齡的封裝外形圖設(shè)計(jì)PCB焊盤(pán)圖案。IPC焊盤(pán)模式計(jì)算器可從IPC網(wǎng)站下載（www.ipc.org)

對(duì)于 NSMD

建議PCB焊盤(pán)尺寸比LGA引腳大0.1mm （兩側(cè) 0.05mm 延伸）—用于信號(hào)引腳和導(dǎo)熱焊盤(pán)。使用 PCB 焊盤(pán)尺寸 +0.2mm 作為每個(gè)焊盤(pán)的最小阻焊層開(kāi)口.

用于貼片

使用 LGA 引腳尺寸 +0.1mm 作為每個(gè) PCB 焊盤(pán)的推薦阻焊層開(kāi)口.PCB焊盤(pán)尺寸應(yīng)至少比LGA引腳大0.25mm（兩側(cè)延伸0.125mm），適用于信號(hào)引腳和散熱焊盤(pán)。

圖4.NSMD 和 SMD 焊盤(pán)模式的圖示。

印刷電路板表面光潔度

選擇合適的PCB焊盤(pán)表面光潔度對(duì)于確保最終電路板組件的最佳制造至關(guān)重要。下面列出了PCB焊盤(pán)的常用表面處理：

OSP（有機(jī)可焊性防腐劑）—推薦

ENIG（化學(xué)鍍鎳，沉金）—推薦

電鍍鎳，金

浸沒(méi)式銀

浸入式錫n

模板設(shè)計(jì)

模板厚度和圖案幾何形狀決定了沉積到器件焊盤(pán)圖案上的焊膏的精確體積。鋼網(wǎng)對(duì)準(zhǔn)精度以及一致的焊料量轉(zhuǎn)移對(duì)于均勻的焊料回流至關(guān)重要。不銹鋼模板是首選.模板應(yīng)進(jìn)行激光切割，然后進(jìn)行電拋光，以獲得比常規(guī)激光切割模板更好的釋放效果。

推薦的模板厚度為 5 密耳（0.125 毫米）。

模板開(kāi)口應(yīng)設(shè)計(jì)為每邊小于 PCB 焊盤(pán)尺寸 1 密耳 （25μm）。必須嚴(yán)格控制公差，因?yàn)樗鼈兛梢杂行У販p小孔徑尺寸?？妆趹?yīng)：（i）光滑，（ii）圓角，以及（iii）梯形橫截面（底部開(kāi)口大于頂部），以增強(qiáng)焊膏從孔徑中釋放。模板孔徑必須滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)面積比（孔徑開(kāi)口面積/孔徑壁面積）>0.66。

應(yīng)使用較小的多個(gè)開(kāi)口，而不是大的單個(gè)開(kāi)口（參見(jiàn)下面的圖 5）。建議焊膏覆蓋率為 60% 至 80%。應(yīng)使用圓角以盡量減少焊膏堵塞。LGA 端子焊盤(pán)的最終焊點(diǎn)厚度應(yīng)為 50μm–75μm。

圖5.模板設(shè)計(jì)建議。

焊膏

建議使用低殘留、免清潔的焊膏來(lái)安裝 LGA 封裝。III型或IV型焊膏最適合模擬模塊中使用的典型間距。建議在焊料回流期間進(jìn)行氮?dú)獯祾?。遵循焊膏供?yīng)商推薦的相應(yīng)焊膏的模板清潔頻率.

推薦的焊膏成分如下所示：

無(wú)鉛（推薦）： SAC （錫銀銅） 合金 （SAC305）

鉛基： 錫/鉛合金 （錫63Pb37）

絲網(wǎng)印刷

應(yīng)使用45°至60°打印角度的金屬擠壓。對(duì)于打印，應(yīng)使用20mm / sec作為起始速度;速度可以進(jìn)一步提高，因?yàn)槭孢m。印刷時(shí)應(yīng)施加~10N / mm的壓力。距離的捕捉應(yīng)為 0mm。此外，建議進(jìn)行印后焊料檢查以檢查印刷質(zhì)量。

放置

精度為 0.05mm 的標(biāo)準(zhǔn)拾取和放置機(jī)可用于將 LGA 模塊放置在印刷焊料上。建議使用較低的安裝速度，以防止?jié){料擠出。封裝應(yīng)在焊膏內(nèi)部推1~2密耳，以實(shí)現(xiàn)LGA焊盤(pán)與焊料的良好接觸。

只要 75% 的 LGA 引腳與 PCB 焊盤(pán)重疊，LGA 就能夠自對(duì)準(zhǔn)。

回流 焊

建議使用帶氮?dú)獾膹?qiáng)制對(duì)流烘箱，溫度均勻度在±5°C以內(nèi)。 應(yīng)遵循焊膏數(shù)據(jù)手冊(cè)中的回流曲線指南。該指南基于實(shí)際接頭位置的溫度;焊點(diǎn)的實(shí)際溫度通常與回流焊系統(tǒng)中的溫度設(shè)置不同， 取決于電路板密度， 板厚度， 和安裝在板上的其他部件.建議在用于實(shí)際電路板互連回流焊之前，在實(shí)際焊點(diǎn)位置使用熱電偶檢查配置文件。圖 6 顯示了根據(jù) JEDEC JSTD-020 推薦的無(wú)鉛焊料回流曲線。

不應(yīng)對(duì)這些 LGA 模塊執(zhí)行雙面回流焊。

圖6.根據(jù) JEDEC JSTD-020 推薦的無(wú)鉛焊料回流曲線。

清洗

如果使用低殘留、免清洗的焊膏，通常不需要清潔。建議遵循供應(yīng)商的清潔指南。如果進(jìn)行清潔，板子需要稍后干燥。

重做

組件拆卸

對(duì)于零件的任何返工，應(yīng)使用適當(dāng)?shù)姆倒づ_(tái)。強(qiáng)烈建議在 125°C 下烘烤 PCB 組件 24 小時(shí)，以消除殘留水分，然后再移除組件.PCB的底部應(yīng)使用對(duì)流加熱器加熱， 而在組件的頂部使用熱空氣或氣體 （這是為了防止翹曲）.應(yīng)使用特殊的噴嘴將空氣引導(dǎo)至組件，以減少相鄰組件的加熱。應(yīng)在頂部和底部使用熱電偶，以監(jiān)測(cè)零件的實(shí)際溫度。最高零件溫度應(yīng)高于液體溫度217°C，但不應(yīng)超過(guò)245°C。 接頭回流后，在從回流到冷卻的過(guò)渡過(guò)程中，真空提離應(yīng)自動(dòng)接合。真空壓力應(yīng)保持在 15 英寸汞柱以下，以確保如果所有接頭都沒(méi)有回流，組件不會(huì)被抬出（以防止墊子抬起）。

現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)救

拆卸組件后， 應(yīng)正確清潔PCB部位， 同時(shí)注意焊盤(pán)沒(méi)有損壞.然后應(yīng)用溶劑清潔PCB焊盤(pán);溶劑通常特定于原始組件中使用的漿料類(lèi)型，應(yīng)遵循焊膏制造商的建議。

錫膏印刷

建議使用微型模板在組件現(xiàn)場(chǎng)的PCB表面上打印焊膏。也可以將焊膏打印到封裝底部。遵循原始PCB組裝提供的模板厚度，模板設(shè)計(jì)，焊接建議和絲網(wǎng)印刷指南 在更換新部件之前檢查現(xiàn)場(chǎng)。

元件放置

應(yīng)使用新的更換部件;不建議使用移除的部分。應(yīng)使用分束光學(xué)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)PCB上的組件（因?yàn)橐€位于封裝底部）;這將提供覆蓋在配接封裝上的引線圖像，并有助于正確對(duì)齊。應(yīng)使用貼片精度為0.05mm的貼片機(jī)。遵循PCB組裝技術(shù)文檔中提供的其它放置指南。

回流 焊

建議使用與初始組件連接回流焊相同的回流曲線。X射線可用于檢查所有關(guān)節(jié)是否成功形成。

濕氣敏感性

所有模擬 LGA 模塊均符合 JEDEC 規(guī)范 JSTD3D.020 的 MSL1 標(biāo)準(zhǔn)。

單位運(yùn)輸

零件將以托盤(pán)或卷帶形式發(fā)貨。所有部件都將用干燥劑和濕度指示卡烘烤和干燥包裝。如果濕度指示卡變成粉紅色，或者部件暴露的時(shí)間超過(guò)其地板壽命，則應(yīng)在 125°C 下烘烤包裝 48 小時(shí)。請(qǐng)參閱 JEDEC 規(guī)范 J-STD-033C 以正確使用濕氣/回流焊敏感表面貼裝器件。

審核編輯：郭婷