CQFN封裝可靠性研究

蔣長順，敖國軍，張嘉欣，張順亮

（無錫中微高科電子有限公司，江蘇 無錫 214035）

1 引言

近年來，CQFN封裝（陶瓷方形扁平無引腳封裝）由于具有良好的電特性和熱性能、體積小、重量輕等特點，其應(yīng)用正在快速增長，CQFN封裝與CLCC相似，本文將對其可靠性進行探討。

2 CQFN結(jié)構(gòu)及特點

CQFN是一種無引腳封裝，呈正方形或矩形，最大封裝尺寸一般不超過9 mm×9 mm，陶瓷體底部中心位置有一個大面積裸露熱沉焊盤用來導(dǎo)熱或接地，大焊盤的四周為實現(xiàn)電氣連接的導(dǎo)電焊盤。因CQFN封裝沒有傳統(tǒng)的引線結(jié)構(gòu)，內(nèi)部焊盤與外導(dǎo)電焊盤之間的導(dǎo)電路徑短，自感系數(shù)和布線電阻很低，所以具有卓越的電性能。此外，熱沉焊盤直接焊接在電路板上，有利于熱量散發(fā)。由于體積小、重量輕、杰出的電性能和熱性能，該封裝特別適用于對尺寸、重量和性能都有要求的應(yīng)用，所以非常適合應(yīng)用在軍用和高可靠領(lǐng)域中高頻、高速LSI芯片封裝中。CQFN封裝典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CQFN典型結(jié)構(gòu)

3 CQFN外殼制造問題

對于細(xì)節(jié)距的CQFN陶瓷外殼，外焊盤導(dǎo)電連接方式有兩種，一種為外焊盤引出方式采用通孔與內(nèi)焊盤相連，另一種為通過側(cè)面的鍍金凹槽相連。圖2為通孔連接方式，圖3為側(cè)面城堡式鍍金凹槽相連方式。

圖2 焊盤通孔連接

圖3 焊盤側(cè)面城堡式鍍金凹槽

3.1 熱沉裝配共面度

CQFN中間的熱沉焊盤一般為鎢銅或鉬銅金屬材料，鑲嵌在陶瓷底部中間位置，并與芯腔相連通，通常起到接地或散熱的作用，利于高頻器件有效地降低噪聲。外殼制造裝配熱沉后，熱沉底面與陶瓷底面共面度較難控制，會出現(xiàn)圖4所示的熱沉比陶瓷面突出或凹進的情形，不能保證裝配后的共面性，會增加組裝焊接質(zhì)量問題。

3.2 焊盤連接問題

CQFN的特點是無引腳，在陶瓷封裝體四周的引腳處可采用具有城堡式的鍍金凹槽與底部焊盤連接，如圖5所示，然后封裝體焊盤直接焊接到基板的焊盤上。隨著高頻和小型化的需求越來越多，要求CQFN的引腳間距越來越小，當(dāng)節(jié)距減小到0.5 mm或更小時，側(cè)面金屬化鍍金凹槽加工將非常困難，凹槽對準(zhǔn)控制難度較大，會出現(xiàn)如圖5(b)所示的偏離焊盤、落在焊區(qū)外面的情況，會產(chǎn)生連接可靠性問題。

圖4 CQFN底部熱沉

圖5 CQFN焊盤凹槽偏離

對于焊盤與內(nèi)部連接采用通孔式互連結(jié)構(gòu)，因通孔直接落在焊盤上，若制造時通孔在表面鍍金前沒有處理好，鍍金后焊盤表面易出現(xiàn)十幾微米的凸起，如圖6所示，包裝后運輸或封裝工藝過程中底部焊盤上鍍金層易劃傷，外觀檢驗不合格。

4 板級組裝中的可靠性

由于CQFN器件封裝是無引腳焊盤結(jié)構(gòu)，不像CQFP或CSOP等引腳封裝結(jié)構(gòu)，焊接過程中需要中間熱沉焊盤和四周I/O焊盤與PCB板實現(xiàn)可靠焊接，焊盤在封裝體的底部且不可見，焊接后常常出現(xiàn)各種可靠性問題，主要有熱應(yīng)力失效、引腳間的橋連、焊點開路、焊點空洞等，并會導(dǎo)致焊點檢測和返修困難。

圖6 焊盤上通孔突起

4.1 熱應(yīng)力失效

CQFN器件組裝的PCB板一般是聚合物材料，外殼為陶瓷材料，陶瓷外殼與PCB板材料熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配及在焊接過程或使用過程存在熱循環(huán)時的溫度變化，使外殼和PCB板及界面承受不同的熱應(yīng)力。熱應(yīng)力的存在會使PCB翹曲，在焊點部位處產(chǎn)生的應(yīng)力不能得到緩解，導(dǎo)致組裝質(zhì)量可靠性問題或產(chǎn)品失效問題。根據(jù)Sun[1]等人的研究：器件尺寸為8 mm×8 mm、芯片尺寸為4 mm×4 mm的QFN組裝器件在-40～+125℃升降溫、保溫分別為15 min的熱循環(huán)條件下的疲勞壽命為2324次熱循環(huán)。再根據(jù)Tong[2]等人的研究成果折合各種因素對QFN組裝器件焊點熱疲勞壽命的影響，可換算得在-55～+125 ℃升降溫、保溫分別為10 min的條件下QFN器件尺寸為8 min×8 min、芯片尺寸為5 mm×5 mm時的熱疲勞壽命約為2002次。

4.2 焊點橋連、開路、空洞

CQFN為無引腳焊盤結(jié)構(gòu)，焊盤間距較小，且中間熱沉焊盤共面度較差，局部過多的焊料會導(dǎo)致相鄰的焊點之間易形成焊接橋連。當(dāng)熱沉焊盤面呈現(xiàn)凹進情形，焊料量不足且印刷不均勻，熱沉焊接點會出現(xiàn)焊點空洞，影響器件散熱性能。當(dāng)熱沉焊盤比陶瓷底面突出時，四周導(dǎo)電焊盤上焊料偏少時，將會出現(xiàn)部分導(dǎo)電焊盤沒有形成焊接、造成焊點開路的問題。

4.3 焊點的檢測困難

由于CQFN的焊點在封裝體的下方，對CQFN焊點少錫和開路無法檢測，只能依靠外部的焊點情況加以判斷，而且沒有CQFN焊點側(cè)面部分缺陷的斷定標(biāo)準(zhǔn)，僅根據(jù)生產(chǎn)后的測試來判斷焊接的好壞。

4.4 器件返修難度大

對CQFN的返修，因焊點完全處在器件封裝的底部，橋接、開路、錫球等任何缺陷都需要將元件移開。CQFN體積小、重量輕、且它們又是被使用在高密度的裝配板上，使得返修的難度增加。

5 總結(jié)

CQFN封裝是一種新型封裝，底部中間熱沉焊盤裝配和四周功能焊盤加工是關(guān)鍵，當(dāng)節(jié)距越來越小時，無論是設(shè)計、工藝還是檢測返修等方面都還需要做更深入的研究，以滿足高可靠、小尺寸和高頻封裝的要求。

[1]Sun, v’Zhu W H,Danny R,et al. Study on the board—level SMT assembly and solder joint reliability of different QFN packages,thermal,mechanicaland multi—physics simulation experiments in microelectronics andmicro—systems[C]. TMMPSEMMS Eurosime 2007 International Conference, London,UK：IEEE, 2007. l-6.

[2]Tong Y Hun S N. Daniel Comprehensive board level solder joint reliability modeling and testing of QFN and Power QFN packages[J]. M icroelectron Reliab, 2003,143：l329-l338.