QFN 器件焊接缺陷分析與工藝優(yōu)化*

劉 穎，吳 瑛，陳該青，許春停

（1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088；2.天地信息網(wǎng)絡(luò)研究院有限公司，合肥 230088)

1 引言

QFN 封裝沿封裝本體底部四邊通過金屬端子與PCB 焊接實現(xiàn)電氣連接，元件底部沒有引線、焊球等，可以實現(xiàn)小的寄生電感和電阻，具有更好的電氣性能。隨著電子制造技術(shù)的不斷進步，QFN 封裝器件在航天產(chǎn)品中也有越來越多的應(yīng)用，實現(xiàn)QFN 器件的高可靠焊接對組裝工藝技術(shù)也提出了新的挑戰(zhàn)和要求。熱沉焊盤空洞、引腳虛焊、橋連、錫珠等是QFN 器件常見的焊接缺陷，在本單位某型號產(chǎn)品混合印制板電裝后出現(xiàn)QFN 器件熱沉焊盤焊接空洞、器件引腳間錫珠缺陷，本文通過對缺陷產(chǎn)生機理進行分析，并采取針對性的優(yōu)化措施，提高了QFN 組裝一致性，焊后缺陷率顯著降低。

2 問題分析

在印制板回流焊接后，使用X 光檢測設(shè)備進行檢測，印制板上QFN 器件底部大面積焊盤出現(xiàn)大的空洞，單個空洞尺寸約占焊盤面積的10%～30%，QFN 回流焊后X 光照片如圖1 所示。該批次焊接的32 個通道產(chǎn)品中，30 個通道發(fā)現(xiàn)焊后大面積空洞缺陷，不良率為93.75%。同時，焊后采用OLYMPUS SZX7 體視顯微鏡放大40 倍檢驗焊點發(fā)現(xiàn)，芯片焊端出現(xiàn)較多錫珠缺陷。

圖1 QFN 回流焊后X 光照片

關(guān)于QFN 大面積焊盤，目前未有標(biāo)準(zhǔn)對釬透率、空洞提出具體要求。IPC 對QFN 封裝器件進行散熱模擬，表明散熱焊盤的空洞率低于50%時，不會導(dǎo)致散熱性能降低，且散熱焊盤區(qū)域的空洞不會影響周邊焊點的可靠性，但居中散熱平面的空洞會增加電路的電流路徑，因此空洞的最大尺寸應(yīng)該小于此平面內(nèi)散熱導(dǎo)通孔的間距[1]。初步分析認(rèn)為，該缺陷的產(chǎn)生可能是由于印制板焊盤布局不合理、鋼網(wǎng)設(shè)計不合理或焊接溫度曲線不合理。

2.1 印制板焊盤布局

該芯片采用CQFN40 封裝，端子間距0.50 mm，焊端焊盤寬（0.30±0.10）mm，長0.45 mm，側(cè)面金屬化高度（0.60±0.10）mm，芯片總高1.50 mm。芯片在印制電路板組件表面陣列式排列，并與印制板組件其他待安裝元器件有合理的間距。

圖2（a）為廠家推薦的PCB 焊盤布局。經(jīng)驗表明，該焊盤設(shè)計會導(dǎo)致焊點存在偏離出焊盤、潤濕不良的缺陷，因此實際布局調(diào)整為圖2（b）。其中印制板散熱焊盤導(dǎo)通孔間距由0.60 mm 提升至1.00 mm，通過仿真滿足器件散熱要求。散熱導(dǎo)通孔為半通孔，防止焊料通過導(dǎo)通孔溢出導(dǎo)致焊接不良。四周焊端焊盤向外延伸0.30 mm，根部向內(nèi)延伸0.05 mm，端部外露焊盤可檢驗焊料潤濕及根部焊料填充。焊盤由方形焊盤改為腰形焊盤，預(yù)防錫珠濺出。另外，根據(jù)器件封裝外形，通過均方根方法計算焊盤尺寸，應(yīng)滿足趾部焊盤間距S≥4.93 mm，散熱焊盤尺寸D≤4.63 mm[2]，實際焊盤設(shè)計滿足該要求，焊盤設(shè)計合理。

圖2 PCB 焊盤（單位：mm）

2.2 鋼網(wǎng)開孔

QFN 是一種底部端子元器件，在組裝的過程中，焊點是否可靠主要由焊點的形狀、高度、面積等控制。QFN 器件焊接時如果焊端焊料過多容易使器件漂浮，焊料過少可能導(dǎo)致虛焊，因此需要嚴(yán)格平衡底部大面積焊盤與焊端的影響，保證焊接效果。

該印制板采用厚0.15 mm 的鋼網(wǎng)印刷，開孔圖形如圖3 所示。QFN 芯片大面積焊盤開孔率54%，四周焊端開孔寬0.28 mm，長0.80 mm。查閱相關(guān)廠家數(shù)據(jù)，對于該封裝QFN 芯片，推薦鋼網(wǎng)大面積焊盤開孔率40%～60%，芯片四周焊端開孔寬取0.22～0.24mm[1]。

圖3 鋼網(wǎng)開孔布局（單位：mm）

QFN 大面積焊盤空洞形成主要有兩類機理：（1）少錫引起的空洞；（2）排氣不暢引起的空洞。少錫引起的空洞主要因為PCB 設(shè)計或制作原因，芯片大面積焊盤不能自由塌落，表現(xiàn)為底部非圓滑過渡的空洞。排氣不暢形成的空洞主要由于：①回流焊接初期，焊膏熔融、聯(lián)連，將空氣和焊膏中的揮發(fā)氣體包裹在錫內(nèi)部，形成空洞；②四周焊端焊膏中助焊劑溢出包裹在焊料外圍，芯片底部焊膏中的揮發(fā)性氣體逸出通道不暢，引發(fā)空洞[3]。

另外，由于芯片引線框架制造公差、PCB 制版位置公差、鋼網(wǎng)開孔累積公差等因素，該鋼網(wǎng)四周焊端開孔過寬，印刷后四周焊盤焊膏偏移，導(dǎo)致錫珠濺出。鋼網(wǎng)開孔需優(yōu)化。

2.3 焊接溫度曲線

焊膏為Alpha LR721H3 型免清洗焊膏，合金成分為Sn62Pb36Ag2，金屬含量90%，推薦焊接曲線見圖4。圖4顯示了典型回流焊接缺陷發(fā)生點，錫珠缺陷主要發(fā)生在焊接起始預(yù)熱階段、錫膏融化前的升溫階段。這主要是因為升溫速率過高，焊膏中焊劑的揮發(fā)速度快，容易引發(fā)焊料飛濺形成錫球。實測v1為0.9～1.3 ℃/s，v2為0.8～1.0 ℃/s[4]，保溫時間t2為60～65 s，回流時間t3為73～88 s，印制板峰值溫度溫差為7 ℃。

圖4 推薦溫度曲線及缺陷發(fā)生時間點

對于PCB 整板元器件焊接，必須減少PCB 和元件熱變形的問題，因此回流焊接時溫度曲線應(yīng)盡量使整板和元器件接近熱平衡條件，保證足夠的時間緩慢加熱和冷卻。由于該印制板為微波-數(shù)字混合印制板，存在由于印制板溫度不均勻引起的變形導(dǎo)致產(chǎn)生大面積焊盤空洞的可能性。

HANCE 發(fā)現(xiàn)錫珠產(chǎn)生率會隨焊膏金屬含量的遞增迅速下降。焊膏中金屬含量增加可以減少錫珠產(chǎn)生，金屬含量對錫珠率的影響見圖5[5]，當(dāng)焊膏中金屬成分提升至91%時，錫珠率降低至0。

圖5 金屬含量對錫珠率的影響

高金屬含量的焊錫膏在印刷、貼片后不易坍落，當(dāng)焊盤以外區(qū)域被擠出多余的錫膏時，熔融的焊錫通過表面張力將其拉回[6]。另外，金屬含量的增加可以使焊球排列緊密，在融化后更容易結(jié)合。因而，焊膏中金屬成分的增加可以減少錫珠缺陷，有利于焊接。

3 工藝優(yōu)化

QFN 底部空洞形成的主要原因有：（1）大面積焊盤少錫，芯片周邊焊端形成焊點高度大于芯片中心大面積焊點高度，芯片不能自由塌落形成空洞；（2）相鄰焊端焊盤間距小，助焊劑形成薄膜附著在焊點外部，焊膏中的氣體沒有逸出通道，導(dǎo)致氣體在焊點滯留形成空洞。錫珠形成的主要原因有：（1）焊膏印刷后塌落，引發(fā)錫珠；（2）回流溫升速率過快，焊劑飛濺產(chǎn)生錫珠；（3）相鄰焊端焊盤間距小，大面積焊盤產(chǎn)生氣體在逃逸過程中對引腳間焊料產(chǎn)生作用力，導(dǎo)致焊料飛濺形成錫珠。因此，需要對鋼網(wǎng)開孔、溫度曲線進行優(yōu)化。

3.1 鋼網(wǎng)開孔

對高可靠性要求的星載產(chǎn)品，連接QFN 四周焊端的焊點厚度經(jīng)再流焊后應(yīng)在0.050～0.075 mm[1]，焊點不飽滿可能導(dǎo)致機械強度差。故對QFN 四周焊端開孔進行優(yōu)化，采用廠家推薦尺寸0.24 mm×1.00 mm。

大面積焊盤焊料覆蓋對間隙高度有最大的影響，所以有必要改變焊料量以形成最佳填充。研究表明，QFN 底部大面積焊接空洞產(chǎn)生的主要原因有：（1）少錫引起的空洞；（2）排氣不暢引起的空洞。根據(jù)鋼網(wǎng)廠家推薦，大面積焊盤采用“井”字型開窗，開窗間架橋?qū)挾葢?yīng)不小于0.20 mm，使底部錫膏有使氣體排出的通道，這是由于當(dāng)鋼網(wǎng)開窗架橋過小時，在回流焊接初期，焊膏熔融、聯(lián)連，將空氣和焊膏中的揮發(fā)氣體包裹在錫內(nèi)部；大面積焊盤應(yīng)內(nèi)縮，并減小寬度，防止與周邊焊端連錫，保障焊膏中氣體溢出通暢。分別對4 種大面積焊盤開窗方式焊接QFN 芯片進行實驗，鋼網(wǎng)開孔率列于表1。

表1 鋼網(wǎng)開孔率

實現(xiàn)結(jié)果表明，隨著鋼網(wǎng)開孔率的增加，芯片底部大面積空洞尺寸減小，且空洞發(fā)生率大幅降低。圖6顯示了不同鋼網(wǎng)大面積焊盤典型焊接結(jié)果。

圖6 不同鋼網(wǎng)開孔芯片大面積焊盤典型焊接結(jié)果

經(jīng)優(yōu)化后A4 鋼網(wǎng)開孔布局如圖7 所示，大面積焊盤開孔單邊內(nèi)縮0.19 mm，鋼網(wǎng)架橋?qū)挾?.2 mm，開孔率提升至68%。焊端開孔寬度減小至0.24 mm，有效避免了由于印制板、鋼網(wǎng)加工精度原因?qū)е碌挠∷D形偏移。

圖7 A4 鋼網(wǎng)開孔布局圖（單位：mm）

3.2 溫度曲線

參照J(rèn)-STD-004B 標(biāo)準(zhǔn)，通過選型對比，更換采用等級ROL0 的Alpha OL107E 錫膏進行焊接，其合金成分為Sn63Pb37，金屬含量90%。

通過降低回流爐鏈條傳輸速度、增加保溫時間優(yōu)化推薦焊接曲線，使印制板達到整板熱平衡，單板實測溫差4 ℃。

3.3 實施效果

對改善后的印制電路板焊接效果進行檢查，QFN底部大面積焊盤空洞得到有效控制，空洞率顯著降低。采用40 倍體視顯微鏡檢查焊點，焊點側(cè)面焊料填充、潤濕良好，錫珠得到有效控制。通過工藝優(yōu)化，該產(chǎn)品第二批次焊接的32 個通道中，QFN 元器件焊后一致性良好，單個空洞的最大尺寸均小于焊盤面積的5%，焊接一次合格率為100%。

4 結(jié)論

在高可靠性要求的航天產(chǎn)品焊接過程中，器件返修次數(shù)有限，且返修會造成器件性能下降、組件可靠性降低等問題，優(yōu)化焊盤設(shè)計、鋼網(wǎng)開窗及焊接溫度對特殊應(yīng)用下的QFN 器件的高可靠焊接有重要意義。

QFN 底部空洞產(chǎn)生原因主要有少錫引起的空洞和排氣不暢引起的空洞。對于少錫引起的空洞，需要增加鋼網(wǎng)漏印焊錫量以形成良好焊接；對于排氣不暢引起的空洞，應(yīng)保證回流過程中焊膏內(nèi)氣體有通暢的溢出通道。器件焊盤及鋼網(wǎng)應(yīng)進行針對性的優(yōu)化設(shè)計，實際裝配過程保證焊膏印刷質(zhì)量，并保持印制電路板在預(yù)熱、保溫、回流、冷卻過程中具有良好的溫度一致性，避免引起其他缺陷，以保證焊點滿足高可靠性要求。