QFN器件封裝技術(shù)及焊點(diǎn)可靠性研究進(jìn)展

引言

隨著電子產(chǎn)品小型化、高性能要求的不斷提高，QFN（Quad Flat No-lead Package，方形扁平無(wú)引腳封裝）形式因其較小的體積尺寸和較輕的質(zhì)量，以及優(yōu)異的熱性能和電性能的特點(diǎn)，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于電子產(chǎn)品中。

塑封QFN器件典型的封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，器件主要由Cu引線框架載體、導(dǎo)電膠、裸芯片、鍵合絲和塑封本體組成，焊端一般位于器件的底部，表面鍍層一般為鍍Sn處理或者鍍NiPdAu處理，QFN器件根據(jù)分離方式不同，可以分為“沖壓形式”和“切割形式”分離兩種結(jié)構(gòu)；根據(jù)器件焊端有無(wú)內(nèi)縮可以分為“內(nèi)縮端子”與“不內(nèi)縮端子”兩種結(jié)構(gòu)；根據(jù)器件焊端側(cè)面是否可潤(rùn)濕分為“不可潤(rùn)濕”封裝以及“可潤(rùn)濕”兩種結(jié)構(gòu)。

不同結(jié)構(gòu)形式的焊端對(duì)QFN器件后續(xù)的裝配工藝及焊接可靠性有一定的影響，本文對(duì)塑封QFN器件的封裝技術(shù)及其組裝技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行概述，同時(shí)對(duì)影響QFN器件焊點(diǎn)可靠性的因素進(jìn)行分析，對(duì)其焊點(diǎn)可靠性的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，為典型QFN器件的選用及高可靠組裝提供參考。

圖1 典型QFN器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式

QFN封裝技術(shù)研究進(jìn)展

QFN器件根據(jù)其分離方式不同，主要有“切割分離”以及“沖壓分離”兩種分離形式。不同的分離形式，器件焊端的形貌存在一定的差異，對(duì)器件的裝焊工藝有一定的影響。

圖2（a）所示為采用“切割分離”形式所形成的器件外形特征，器件焊端側(cè)面為裸銅。在后續(xù)的篩選及存儲(chǔ)過(guò)程中，裸銅會(huì)發(fā)生氧化污染的情況，氧化嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致焊接無(wú)法上錫。針對(duì)焊端側(cè)面的裸銅面，廠家一般不要求焊接潤(rùn)濕界面的形成。

圖2（b）所示為采用“沖壓分離”形式所形成的器件外形特征，沖壓形成的焊端側(cè)面上部分有沖壓后殘留的錫，由于殘留的錫非電鍍的錫鍍層，與銅引線框架之間并未形成有效的連接，在后續(xù)的篩選試驗(yàn)及存儲(chǔ)過(guò)程同樣有氧化污染的情況，暫沒(méi)有直接的證據(jù)證明采用“沖壓分離”方式形成的器件焊端側(cè)面潤(rùn)濕性優(yōu)于“切割分離”封裝器件，器件焊端的側(cè)面潤(rùn)濕廠家亦未做明確要求。

（a）“切割分離”形式 （b）“沖壓分離”形式圖2 典型QFN器件外形形貌

對(duì)比兩種分離形式形成的封裝，采用“沖壓分離”工藝方式進(jìn)行器件的分離，需要特定尺寸的模具，但其分離后的切口較為平整，無(wú)銅引線框架卷邊的情況；采用“切割分離”工藝方法進(jìn)行器件的分離，不需要特定的沖壓模具，批生產(chǎn)制造效率比較高，但其對(duì)分離的方法及分離刀具要求較高，且分離后容易出現(xiàn)銅卷邊毛刺的情況，影響器件后續(xù)的裝配質(zhì)量。

雖然針對(duì)以上兩種切割方式形成的QFN器件，廠家一般都未對(duì)焊端焊接后側(cè)面裸銅面有潤(rùn)濕要求，但廠家手冊(cè)IPC 7093《Design and Assembly Process Implementation for Bottom Termination SMT Components》[3]中仍指出，如果能夠采用適當(dāng)?shù)姆绞奖ＷC焊端側(cè)面的潤(rùn)濕，則對(duì)焊接可靠性應(yīng)該有進(jìn)一步的提高作用，如何保證焊端側(cè)面的潤(rùn)濕則需要器件使用方根據(jù)自己的應(yīng)用特點(diǎn)采取一定的措施。

根據(jù)QFN器件焊接端子是否內(nèi)縮，器件封裝形式可分為“內(nèi)縮端子”與“非內(nèi)縮端子”兩種結(jié)構(gòu)。圖3（a）所示為常規(guī)的“非內(nèi)縮端子”封裝器件，圖3（b）所示為“內(nèi)縮端子”封裝器件?！皟?nèi)縮端子”封裝器件僅有底部焊端可焊接，焊端側(cè)面與底部被塑封本體隔離，焊接后的焊點(diǎn)不可見(jiàn)，應(yīng)用較少。

（a）“非內(nèi)縮端子”封裝 （b）“內(nèi)縮端子”封裝圖3 “內(nèi)縮端子”與“非內(nèi)縮端子”封裝示意圖

隨著QFN封裝形式的不斷發(fā)展，為更好地適應(yīng)SMT自動(dòng)化裝配及檢測(cè)的需求，側(cè)面可潤(rùn)濕的封裝器件應(yīng)運(yùn)而生，相比傳統(tǒng)的封裝，改進(jìn)后的封裝形式側(cè)面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)及鍍錫處理，圖4所示為典型的側(cè)面可潤(rùn)濕的QFN器件。該種封裝器件可避免原有的“切割分離”封裝所產(chǎn)生的焊接面漏銅毛刺的問(wèn)題，形成良好的側(cè)面潤(rùn)濕角，焊接后能夠采用自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI）技術(shù)進(jìn)行焊點(diǎn)質(zhì)量的檢測(cè)，更有利于焊接可靠性的提升，能夠更好地適用于高可靠性的應(yīng)用需求。

圖4 典型側(cè)面引腳可潤(rùn)濕QFN器件

QFN組裝技術(shù)研究進(jìn)展影響

QFN器件組裝質(zhì)量的工藝因素主要有印制板的焊盤設(shè)計(jì)、鋼網(wǎng)開(kāi)孔、焊膏印刷質(zhì)量、回流焊接曲線，目前研究已經(jīng)相對(duì)成熟，近幾年有關(guān)研究進(jìn)展相對(duì)較少，因此QFN的常規(guī)組裝技術(shù)在本文中不再進(jìn)行概述。

其他影響QFN器件組裝質(zhì)量的因素主要為器件的焊端在篩選測(cè)試、存儲(chǔ)不當(dāng)環(huán)節(jié)氧化導(dǎo)致的焊接不良；另外，部分高可靠應(yīng)用場(chǎng)合的QFN器件不僅期望焊端底面鍍層能夠形成良好的潤(rùn)濕，同時(shí)要求焊端側(cè)面裸銅能夠形成良好的潤(rùn)濕，期望進(jìn)一步增強(qiáng)焊點(diǎn)的可靠性，針對(duì)該需求的器件預(yù)處理技術(shù)近年來(lái)研究較多。

主要針對(duì)近年來(lái)研究較多的QFN器件預(yù)處理技術(shù)的相關(guān)進(jìn)展及成果進(jìn)行綜述。塑封QFN器件一般均為濕度敏感器件，濕度敏感器件在回流焊之前應(yīng)進(jìn)行預(yù)烘處理以防止在焊接過(guò)程中器件本體發(fā)生開(kāi)裂，器件在預(yù)烘的過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致焊端表面鍍層的氧化。

有研究進(jìn)行了125 ℃條件下不同預(yù)烘時(shí)間（0 h, 12 h, 24 h, 36 h, 48 h）對(duì)器件焊端可焊性的影響。研究結(jié)果表明，器件在未進(jìn)行預(yù)烘的條件下，在耐焊接熱（260 ℃, 15 s）試驗(yàn)的過(guò)程中，塑料本體與引線框架之間發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，如圖5所示；器件125 ℃預(yù)烘12 h以上，可有效避免塑料本體分層失效的情況，且即使預(yù)烘時(shí)間延長(zhǎng)至48 h，亦未對(duì)器件的可焊性未造成嚴(yán)重影響。

圖5 未預(yù)烘器件在耐焊接熱試驗(yàn)后開(kāi)裂

部分高可靠應(yīng)用需求的QFN器件不僅要求底部焊點(diǎn)形成良好的連接，同時(shí)希望能夠在器件側(cè)面裸銅焊端能夠潤(rùn)濕形成有效的冶金連接。針對(duì)該方面的應(yīng)用需求，目前的研究成果中主要有化學(xué)處理預(yù)上錫的方式以及浸錫或搪錫處理預(yù)上錫的方式。

Ganjei J等人提出了一種可在QFN器件切割分離后的焊端側(cè)面裸銅表面化學(xué)鍍錫的方式，處理后的裸銅表面形成可焊鍍錫層（如圖6所示），可焊性試驗(yàn)也表明，采用該種方式處理后的焊端側(cè)面能夠形成良好的潤(rùn)濕角，但工程化的應(yīng)用未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。

有研究介紹了采用浸錫的方式進(jìn)行側(cè)面裸銅界面的預(yù)上錫處理，但也指出了浸錫質(zhì)量受裸銅表面狀態(tài)的影響，會(huì)存在部分裸銅表面無(wú)法上錫的情況，影響后續(xù)的焊接，且由于該種方式處理后錫鍍層的多孔特性，在后期的存放過(guò)程中容易產(chǎn)生“錫須”的質(zhì)量隱患，在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中需要充分評(píng)估。文獻(xiàn)對(duì)QFN器件側(cè)面焊點(diǎn)爬錫的影響因素進(jìn)行分析，提出針對(duì)已經(jīng)老化篩選的器件進(jìn)行預(yù)上錫處理，能夠有效恢復(fù)焊端的潤(rùn)濕性。

圖6 焊端側(cè)面化學(xué)鍍錫處理前后對(duì)比

從現(xiàn)有的研究成果來(lái)看，針對(duì)QFN器件的預(yù)烘去潮、焊端去氧化預(yù)處理環(huán)節(jié)，根據(jù)廠家提供的濕敏等級(jí)進(jìn)行預(yù)烘處理，即能夠有效避免焊接過(guò)程器件的損傷。焊端去氧化方面，提升焊端側(cè)面裸銅可焊性的措施方法雖然有一定的研究，但還未見(jiàn)工程化的應(yīng)用報(bào)導(dǎo)，裸銅側(cè)面預(yù)上錫還是要根據(jù)實(shí)際需求開(kāi)展驗(yàn)證，避免在預(yù)上錫的過(guò)程中帶來(lái)其他的質(zhì)量隱患。

QFN器件焊點(diǎn)可靠性研究進(jìn)展

QFN器件相比傳統(tǒng)的有引出線引腳的器件，其焊點(diǎn)對(duì)應(yīng)力更為敏感，焊點(diǎn)服役壽命受較多因素的影響，組裝后的焊點(diǎn)可靠性受器件尺寸大小、器件在印制板上的布局以及三防處理等因素的影響。

在QFN器件組裝環(huán)節(jié)所做的絕大部分技術(shù)改進(jìn)最終都是為了保證其焊點(diǎn)的可靠性，針對(duì)影響焊點(diǎn)可靠性主要因素的研究進(jìn)展進(jìn)行概述，減少在設(shè)計(jì)、工藝、制造環(huán)節(jié)引入對(duì)QFN焊點(diǎn)可靠性不利的因素。

3.1 器件尺寸對(duì)焊點(diǎn)可靠性影響

NASA提出了深空探測(cè)應(yīng)用產(chǎn)品中BGA、QFN等封裝器件焊點(diǎn)可靠性所面臨的挑戰(zhàn)，模擬深空環(huán)境，研究了QFN封裝尺寸對(duì)熱沖擊試驗(yàn)條件下焊點(diǎn)可靠性的影響。

圖7所示為采用韋布爾分布統(tǒng)計(jì)的方式對(duì)QFN68封裝器件及QFN16~44封裝器件在溫度沖擊試驗(yàn)條件下焊點(diǎn)壽命的分析。結(jié)果表明，較大尺寸的QFN器件在相同熱沖擊試驗(yàn)條件下，其焊點(diǎn)壽命要顯著低于較小尺寸的QFN器件，在深空探測(cè)應(yīng)用環(huán)境下的產(chǎn)品，器件的選擇應(yīng)盡量避免大尺寸QFN器件。

圖7 QFN器件尺寸對(duì)焊點(diǎn)可靠性影響

3.2 本體材料及焊端焊接質(zhì)量對(duì)可靠性的影響

QFN器件本體材料的線膨脹系數(shù)對(duì)器件的焊點(diǎn)可靠性有顯著的影響，Vandevelde[12]等人研究了塑封本體材料線膨脹系數(shù)（7×10-6/℃, 12×10-6/℃）、焊接材料（SnPb, SnAgCu）、焊端側(cè)面潤(rùn)濕情況（側(cè)面潤(rùn)濕、側(cè)面未潤(rùn)濕）對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響。

研究結(jié)果表明，器件本體材料對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響最為顯著，本體材料為12×10-6/℃的器件焊點(diǎn)壽命為7×10-6/℃的3倍，相比而言，焊接材料及焊端側(cè)面焊接質(zhì)量對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響較小，焊點(diǎn)壽命差異在20%以內(nèi)，在高可靠性應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)關(guān)注器件塑封本體材料的線膨脹系數(shù)。

3.3 印制板布局對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響

QFN器件作為無(wú)引腳的器件，焊點(diǎn)對(duì)應(yīng)力更為敏感，器件在印制板上的布局以及安裝狀態(tài)對(duì)焊點(diǎn)的可靠性有顯著的影響，隨著電子產(chǎn)品復(fù)雜程度的不斷增加，QFN器件的應(yīng)用場(chǎng)景也越來(lái)越復(fù)雜，部分印制板需要緊固安裝于腔體中（如圖8所示）。

Vandevelde研究了印制板緊固安裝條件對(duì)QFN焊點(diǎn)可靠性的影響，將裝有QFN器件的印制板通過(guò)螺釘緊固于4 mm厚的鋁板上開(kāi)展模擬試驗(yàn)。

研究結(jié)果表明，在-40~125 ℃溫度循環(huán)試驗(yàn)條件下，未采用螺釘緊固的樣件QFN焊點(diǎn)可靠性要明顯高于緊固安裝的樣件，距離緊固安裝螺釘越近的焊點(diǎn)越易失效，焊點(diǎn)在溫度循環(huán)條件下的壽命還是受安裝腔體的熱膨脹系數(shù)以及剛性等因素的影響，因此，QFN類焊點(diǎn)應(yīng)力敏感器件在印制板上的布局應(yīng)盡量遠(yuǎn)離緊固螺釘，避免焊點(diǎn)服役過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力。

圖8 印制板腔體安裝示意圖

3.4 三防對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響

部分高可靠應(yīng)用需求印制板在組裝后會(huì)對(duì)表面進(jìn)行三防噴涂防護(hù)處理，三防材料對(duì)QFN器件焊點(diǎn)服役可靠性有一定的影響。有研究表明，較厚的三防涂層對(duì)QFN焊點(diǎn)在溫度循環(huán)條件下焊點(diǎn)的可靠性有顯著的影響，在-55~125 ℃溫循條件下，未三防的QFN焊點(diǎn)壽命能夠達(dá)到2 000~2 500個(gè)循環(huán)，三防后的焊點(diǎn)壽命約為300~700個(gè)循環(huán)，但未對(duì)三防材料及器件尺寸、材料進(jìn)行詳細(xì)的描述。

文獻(xiàn)研究了聚氨酯三防漆及丙烯酸三防漆對(duì)QFN器件溫度循環(huán)條件下焊點(diǎn)可靠性的影響，研究結(jié)果表明，使用聚氨酯三防漆涂覆焊點(diǎn)的可靠性要顯著高于使用丙烯酸三防漆涂覆的焊點(diǎn)，且三防涂覆層對(duì)焊點(diǎn)可靠性影響受器件材料及尺寸因素的影響，失效焊點(diǎn)的裂紋位于焊點(diǎn)內(nèi)部焊料處，如圖9所示。

Vieira D N等人則進(jìn)一步研究了采用丙烯酸三防涂層的QFN焊點(diǎn)在溫度循環(huán)條件下的焊點(diǎn)可靠性。研究結(jié)果表明溫度循環(huán)條件下焊點(diǎn)起裂于根部位置，量化對(duì)比了相同溫度循環(huán)條件下未三防及丙烯酸三防焊點(diǎn)裂紋的長(zhǎng)度及焊點(diǎn)開(kāi)裂的數(shù)量，丙烯酸三防焊點(diǎn)的裂紋長(zhǎng)度遠(yuǎn)高于未三防的焊點(diǎn)，如圖 10所示；焊點(diǎn)開(kāi)裂的狀態(tài)及數(shù)量見(jiàn)表1，溫度循環(huán)條件下三防焊點(diǎn)的裂紋數(shù)量及長(zhǎng)度均顯著高于未三防的焊點(diǎn)。

研究指出丙烯酸三防涂層的存在會(huì)導(dǎo)致器件焊點(diǎn)在溫度循環(huán)作用下產(chǎn)生更大的變形，分析是由于器件本體底部三防漆的存在導(dǎo)致溫循條件下應(yīng)力的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致在焊點(diǎn)的裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展。

因此，在裝有QFN器件的印制板，尤其是針對(duì)較大尺寸的QFN器件，后期三防涂覆材料選擇上建議進(jìn)行充分的試驗(yàn)驗(yàn)證，避免三防涂覆材料對(duì)QFN 焊點(diǎn)的可靠性帶來(lái)不利的影響。

表 1 三防對(duì)熱循環(huán)條件下 QFN 焊點(diǎn)裂紋影響

結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)QFN器件的封裝技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了概述，分析了不同封裝形式器件對(duì)后續(xù)組裝技術(shù)及組裝質(zhì)量的影響，給出未來(lái)可潤(rùn)濕焊端QFN器件的推廣應(yīng)用方向，有望解決QFN器件焊端側(cè)面不潤(rùn)濕帶來(lái)的焊接不良、無(wú)法自動(dòng)化檢測(cè)的問(wèn)題。針對(duì)現(xiàn)有的QFN 器件，雖然器件側(cè)面的預(yù)處理技術(shù)已經(jīng)有較多的研究，但是能夠確保器件焊端側(cè)面裸銅能夠?qū)崿F(xiàn)有效潤(rùn)濕的焊端工程化技術(shù)還未見(jiàn)報(bào)道。

QFN器件作為無(wú)引腳的焊點(diǎn)應(yīng)力敏感器件，其組裝后的焊點(diǎn)可靠性受多種因素的影響，本文綜述了器件本體塑封材料、器件尺寸、印制板布局和三防等因素對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響，在高可靠應(yīng)用需求的背景下，應(yīng)對(duì)以上影響焊點(diǎn)可靠性的因素進(jìn)行充分的驗(yàn)證，避免引入對(duì)焊點(diǎn)可靠性不利的影響因素。

來(lái)自：表面貼裝與微組裝工藝技術(shù)

審核編輯：湯梓紅