功率模塊焊盤柵格陣列（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（來自MGC）是首選的芯材，阻焊層是PSR4000（來自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

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

阻焊層定義 （SMD） 焊盤的阻焊層開口比金屬焊盤小.

非阻焊層定義 （NSMD） 焊盤的阻焊層開口大于金屬焊盤。

Analog 建議使用 NSMD 焊盤，因為它具有以下優(yōu)點：（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（焊盤面積 + 焊盤的垂直邊緣）。

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

對于 NSMD

建議PCB焊盤尺寸比LGA引腳大0.1mm （兩側(cè) 0.05mm 延伸）—用于信號引腳和導(dǎo)熱焊盤。使用 PCB 焊盤尺寸 +0.2mm 作為每個焊盤的最小阻焊層開口.

用于貼片

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

圖4.NSMD 和 SMD 焊盤模式的圖示。

印刷電路板表面光潔度

選擇合適的PCB焊盤表面光潔度對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焊盤的常用表面處理：

OSP（有機可焊性防腐劑）—推薦

ENIG（化學(xué)鍍鎳，沉金）—推薦

電鍍鎳，金

浸沒式銀

浸入式錫n

模板設(shè)計

模板厚度和圖案幾何形狀決定了沉積到器件焊盤圖案上的焊膏的精確體積。鋼網(wǎng)對準精度以及一致的焊料量轉(zhuǎn)移對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)進行激光切割，然后進行電拋光，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）。

模板開口應(yīng)設(shè)計為每邊小于 PCB 焊盤尺寸 1 密耳 （25μm）。必須嚴格控制公差，因為它們可以有效地減小孔徑尺寸。孔壁應(yīng)：（i）光滑，（ii）圓角，以及（iii）梯形橫截面（底部開口大于頂部），以增強焊膏從孔徑中釋放。模板孔徑必須滿足行業(yè)標準面積比（孔徑開口面積/孔徑壁面積）>0.66。

應(yīng)使用較小的多個開口，而不是大的單個開口（參見下面的圖 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 端子焊盤的最終焊點厚度應(yīng)為 50μm–75μm。

圖5.模板設(shè)計建議。

焊膏

建議使用低殘留、免清潔的焊膏來安裝 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行氮氣吹掃。遵循焊膏供應(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。對于打印，應(yīng)使用20mm / sec作為起始速度;速度可以進一步提高，因為舒適。印刷時應(yīng)施加~10N / mm的壓力。距離的捕捉應(yīng)為 0mm。此外，建議進行印后焊料檢查以檢查印刷質(zhì)量。

放置

精度為 0.05mm 的標準拾取和放置機可用于將 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，以實現(xiàn)LGA焊盤與焊料的良好接觸。

只要 75% 的 LGA 引腳與 PCB 焊盤重疊，LGA 就能夠自對準。

回流 焊

建議使用帶氮氣的強制對流烘箱，溫度均勻度在±5°C以內(nèi)。 應(yīng)遵循焊膏數(shù)據(jù)手冊中的回流曲線指南。該指南基于實際接頭位置的溫度;焊點的實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.建議在用于實際電路板互連回流焊之前，在實際焊點位置使用熱電偶檢查配置文件。圖 6 顯示了根據(jù) JEDEC JSTD-020 推薦的無鉛焊料回流曲線。

不應(yīng)對這些 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。如果進行清潔，板子需要稍后干燥。

重做

組件拆卸

對于零件的任何返工，應(yīng)使用適當?shù)姆倒づ_。強烈建議在 125°C 下烘烤 PCB 組件 24 小時，以消除殘留水分，然后再移除組件.PCB的底部應(yīng)使用對流加熱器加熱， 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)測零件的實際溫度。最高零件溫度應(yīng)高于液體溫度217°C，但不應(yīng)超過245°C。 接頭回流后，在從回流到冷卻的過渡過程中，真空提離應(yīng)自動接合。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有回流，組件不會被抬出（以防止墊子抬起）。

現(xiàn)場補救

拆卸組件后， 應(yīng)正確清潔PCB部位， 同時注意焊盤沒有損壞.然后應(yīng)用溶劑清潔PCB焊盤;溶劑通常特定于原始組件中使用的漿料類型，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，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。

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)對準PCB上的組件（因為引線位于封裝底部）;這將提供覆蓋在配接封裝上的引線圖像，并有助于正確對齊。應(yīng)使用貼片精度為0.05mm的貼片機。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 標準。

單位運輸

零件將以托盤或卷帶形式發(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，或者部件暴露的時間超過其地板壽命，則應(yīng)在 125°C 下烘烤包裝 48 小時。請參閱 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