微電子封裝切割熔錫失效分析及對(duì)策

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方欣

華潤(rùn)安盛科技有限公司

摘要：

熔錫是微電子封裝QFN（QuadFlat No-leads Package，方形扁平無引腳封裝）產(chǎn)品在切割生產(chǎn)過程中的核心質(zhì)量不良，是導(dǎo)致產(chǎn)品可焊性失效的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。本文針對(duì)QFN 封裝產(chǎn)品的切割生產(chǎn)過程進(jìn)行熔錫失效的原因分析和對(duì)策探討。

0 引言

QFN 封裝切割的工藝特點(diǎn)是通過高速旋轉(zhuǎn)的切割刀片將整條料片切割分離成單顆的產(chǎn)品。在切割生產(chǎn)過程中，刀片和產(chǎn)品本身容易受到切削高溫的影響，使產(chǎn)品引腳表面的錫層發(fā)生異常熔化，這一現(xiàn)象通常稱為切割熔錫。由于熔錫不良會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品可焊性失效，這在微電子封裝生產(chǎn)過程中屬于嚴(yán)重的質(zhì)量不良。因此，解決QFN 產(chǎn)品的切割熔錫問題顯得非常重要，本文著重分析微電子QFN 封裝產(chǎn)品在切割過程中的熔錫成因和探討其控制方法。

1 切割熔錫的成因

1.1 QFN 切割工藝簡(jiǎn)述

通常，QFN 產(chǎn)品在封裝后道的工藝流程如下：

塑封→電鍍→后烘→打印→切割

其中，QFN 封裝產(chǎn)品切割工藝如圖1 所示，整條料片通過刀片旋轉(zhuǎn)切割分離成單顆的產(chǎn)品。切割移動(dòng)過程中，刀片表面和產(chǎn)品表面錫層同時(shí)采用冷卻水進(jìn)行噴射降溫處理，以降低刀片和產(chǎn)品所產(chǎn)生的切削高溫，避免產(chǎn)品造成切割熔錫等質(zhì)量不良。

1.2 切割熔錫失效的成因及特征

（1）當(dāng)傳遞到產(chǎn)品切割面的切削溫度高于純錫的熔點(diǎn)溫度232℃時(shí)，QFN 封裝產(chǎn)品切割面的引腳則有熔錫的風(fēng)險(xiǎn)；

（2）當(dāng)傳遞到產(chǎn)品切割面的切削溫度低于純錫的熔點(diǎn)溫度232℃時(shí)，QFN 封裝產(chǎn)品切割面的引腳則沒有熔錫的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)成因分析可知，切割熔錫失效主要是由于切割刀片傳遞到產(chǎn)品引腳表面錫層的溫度超過了純錫的熔點(diǎn)。根據(jù)熔錫位置不同，QFN 封裝產(chǎn)品切割熔錫失效有兩種特征：

如圖2，產(chǎn)品引腳錫層產(chǎn)生局部的熔錫失效：

如圖3，產(chǎn)品引腳錫層產(chǎn)生整體的熔錫失效：

1.3 熔錫失效的不良后果

在QFN 封裝產(chǎn)品從整條料片切割成單顆產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，當(dāng)切削所釋放出來的溫度高于產(chǎn)品錫層熔點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)品引腳表面的錫層會(huì)產(chǎn)生熔化。這樣會(huì)造成引腳錫層脫落、銅層裸露氧化的現(xiàn)象，使產(chǎn)品在PCB 板、電路板等焊接應(yīng)用的過程中，產(chǎn)生引腳虛焊、脫焊、短路等可焊性失效的質(zhì)量異常。

綜上所述，切割熔錫失效將直接造成產(chǎn)品可焊性失效的問題，這在電子元器件生產(chǎn)應(yīng)用中是重要的質(zhì)量隱患。因此，控制切割熔錫是微電子QFN 封裝生產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，我們從切割工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備應(yīng)用的角度來實(shí)驗(yàn)分析，針對(duì)影響切割熔錫的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)策探討。

2 切割熔錫的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析

如表1 所示，通過人、機(jī)、料、法、環(huán)五個(gè)維度來分析整體料片切割成單顆產(chǎn)品的過程，識(shí)別出QFN封裝切割過程中的熔錫風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

從分析可知，切割熔錫的過程風(fēng)險(xiǎn)因素中，人員方面、設(shè)備本身、生產(chǎn)工藝方法、生產(chǎn)環(huán)境所造成產(chǎn)品切割熔錫的風(fēng)險(xiǎn)低，基本不會(huì)產(chǎn)生切割熔錫的問題。料片、切割刀片產(chǎn)生切割熔錫的風(fēng)險(xiǎn)中等，在其選型方面，應(yīng)遵循料片和刀片材料在常規(guī)的切割工藝條件下，本身不會(huì)造成切割熔錫這一原則。而設(shè)備噴嘴、供給冷卻水直接作用于料片和刀片的表面，是切割熔錫的高風(fēng)險(xiǎn)因素，也是解決和控制切削高溫造成切割熔錫的關(guān)鍵點(diǎn)。我們著重對(duì)噴嘴和冷卻水這兩個(gè)因素進(jìn)行分析和探討。

3 冷卻水的影響

3.1 冷卻水的溫度過高

冷卻水溫度是影響切割熔錫失效的關(guān)鍵因素，在產(chǎn)品切割過程中，控制切割冷卻水的溫度至關(guān)重要。如圖4 所示，為冷卻水溫度對(duì)產(chǎn)品熔錫的影響趨勢(shì)分析。由批量生產(chǎn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)得知，隨著冷卻水溫度的升高，產(chǎn)品熔錫的風(fēng)險(xiǎn)比例越高，熔錫數(shù)量也逐步增加；而水溫越低，產(chǎn)品熔錫的風(fēng)險(xiǎn)越小，熔錫的比例越少。結(jié)合廠務(wù)動(dòng)力成本和產(chǎn)品品質(zhì)來綜合考慮，切割冷卻水的輸出溫度控制在10±2℃，能夠有效降低切割熔錫的風(fēng)險(xiǎn)，且較為經(jīng)濟(jì)合理。

3.2 冷卻水的流量過小

3.2.1 冷卻水流量的區(qū)間控制

如表2 所示，在水溫條件穩(wěn)定的情況下，采用大小不同的水流量進(jìn)行產(chǎn)品切割實(shí)驗(yàn)分析。從數(shù)據(jù)分析可以看出，異常的水流量大小，會(huì)產(chǎn)生刀片崩刀、切割偏移、切割熔錫等質(zhì)量不良。當(dāng)切割冷卻水流量過小時(shí)，切割刀片所產(chǎn)生的高溫不能及時(shí)降低而傳遞到產(chǎn)品引腳的錫層面，導(dǎo)致切割熔錫的問題。理論上，切割冷卻水流量越大其冷卻效果越好，在實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)綜合考慮如水流量過大容易造成刀片崩刀、產(chǎn)品位移切偏等不良因素。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，切割冷卻水流量控制在1.0-2.0L/Min 這一區(qū)間相對(duì)穩(wěn)定可靠。

3.2.2 冷卻水流量的穩(wěn)定性控制

如上述分析可知，噴嘴出水流量的大小會(huì)影響到切割熔錫失效的比例，因此冷卻水流量輸出的穩(wěn)定性也是非常關(guān)鍵的一個(gè)控制點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用過程中，水流量穩(wěn)定性控制可從動(dòng)力供給和設(shè)備裝置兩方面來考慮。動(dòng)力供給方面，可優(yōu)先選用潔凈度等級(jí)高于普通自來水的純水，并在設(shè)備冷卻水的進(jìn)水口安裝過濾器裝置來提高冷卻水水質(zhì)的穩(wěn)定性。而設(shè)備裝置方面，可采用電子流量計(jì)控制的設(shè)計(jì)方式來輸出冷卻噴射水的水流量，通過設(shè)定輸出目標(biāo)值，自動(dòng)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)識(shí)別補(bǔ)償實(shí)際出水供給的水流量大小。相比較傳統(tǒng)的機(jī)械流量計(jì)而言，電子流量計(jì)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，自動(dòng)修復(fù)水流波動(dòng)、管路堵塞等供給不穩(wěn)定的因素，可提前預(yù)防水流量異常的問題，提升冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 噴嘴的影響

噴嘴是切割冷卻水的傳輸裝置，它將切割冷卻水均勻地噴射到刀片和產(chǎn)品的表面，使刀片和產(chǎn)品在切割過程中的有限空間實(shí)現(xiàn)快速降溫。針對(duì)噴嘴的設(shè)計(jì)應(yīng)用，應(yīng)從噴嘴冷卻的均勻性、噴射的覆蓋面積、排屑的有效性這三個(gè)方面來考慮，以避免產(chǎn)品切割熔錫的風(fēng)險(xiǎn)。

4.1 噴嘴的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)際應(yīng)用中，刀片兩側(cè)的刃口通常需要實(shí)現(xiàn)瞬間降溫，以滿足各種QFN 產(chǎn)品尺寸、材料類別的加工需求。特別是在切割有特殊工藝要求、熔錫敏感的產(chǎn)品時(shí)，提升刀片和產(chǎn)品的冷卻效果尤為重要。

如圖5 所示，在A 點(diǎn)部位設(shè)計(jì)90°垂直于刀片表面的噴嘴裝置，可提升噴嘴傳輸冷卻水的有效性，使冷卻水有效地作用于刀片，起到良好的刀片冷卻效果。同時(shí)，還可在B 點(diǎn)部位設(shè)計(jì)帶有60°扇形角度的產(chǎn)品噴嘴裝置，這樣能夠?qū)Ξa(chǎn)品的引腳表面及切割槽深度同步進(jìn)行噴射冷卻。這樣的設(shè)計(jì)方式提高了產(chǎn)品切割的排屑能力，且大幅度提升了設(shè)備冷卻系統(tǒng)的兼容能力，降低了切割熔錫的風(fēng)險(xiǎn)。

如表3 所示，從噴嘴功能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)果可以看出：實(shí)驗(yàn)4，在A 部位的刀片區(qū)域、B 部位的產(chǎn)品切割區(qū)域采用雙路冷卻水噴嘴裝置的設(shè)計(jì)，其降溫冷卻效果明顯，質(zhì)量控制最為穩(wěn)定，產(chǎn)品沒有切割熔錫不良的問題。而實(shí)驗(yàn)1、2、3，不采用冷卻噴嘴裝置或采用單一的噴嘴功能設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的冷卻效果均存在一定的局限性，在切割特定產(chǎn)品或特殊工藝條件下，均有切割熔錫的質(zhì)量不良。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，設(shè)備噴嘴采用雙路冷卻的功能設(shè)計(jì)，能夠提升切割不同產(chǎn)品的兼容能力，提升切割效率，減少切割熔錫失效的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 噴嘴口的形狀設(shè)計(jì)

噴嘴的噴射口采用不同的形狀設(shè)計(jì)，其作用效果有很大差別。如表4 所示，切割冷卻噴嘴的噴射口采用3 種不同的形狀設(shè)計(jì)，其冷卻效果和熔錫風(fēng)險(xiǎn)明顯不同。具體如下：

1、采用聯(lián)排孔形狀的設(shè)計(jì)方式，噴射出水為圓柱形狀。該形狀設(shè)計(jì)的噴水集中作用于刀片局部的固定區(qū)域，刀片局部面積受到水壓的沖擊力較大。在實(shí)際應(yīng)用中，其崩刀風(fēng)險(xiǎn)高，且噴射覆蓋的面積小，整體的冷卻效果差，熔錫的風(fēng)險(xiǎn)高。

2、采用“一”字形狀的設(shè)計(jì)，噴射出水為直線形狀。整體的冷卻效果比聯(lián)排孔設(shè)計(jì)好，噴射覆蓋面積、崩刀和熔錫風(fēng)險(xiǎn)有明顯的改善。

3、采用“I”字形狀的設(shè)計(jì)，噴射出水為扇面形狀。該結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)的噴嘴呈扇形霧狀的形態(tài)噴射，因此降低了水壓對(duì)于產(chǎn)品和刀片的沖擊力，減少了切偏和崩刀的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，出水呈扇面形狀噴射，其噴射覆蓋面積廣，能夠?qū)⒗鋮s水有效地噴射到刀片和產(chǎn)品所需降溫的全部區(qū)域，這樣就大幅度地提升了冷卻效果，產(chǎn)品熔錫風(fēng)險(xiǎn)則明顯降低。

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，刀片冷卻噴嘴采用“I”字形狀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其實(shí)用性最好。應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，能夠有效降低切割熔錫等質(zhì)量隱患，從而提升QFN 封裝切割的穩(wěn)定性。

5 切割熔錫失效的管控

針對(duì)切割熔錫的控制，可以從廠務(wù)動(dòng)力供給布局、產(chǎn)品工藝流程管控、設(shè)備功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面來考慮。

1、建立廠務(wù)動(dòng)力車間，采用冷水機(jī)等制冷設(shè)備將常溫的切割水降低到切割工藝所需的水溫。盡可能縮短冷卻水輸入和輸出管道的距離，并采用隔熱保溫棉包裹，減少水溫在傳輸過程中的熱量消耗，確保冷卻水的供給溫度穩(wěn)定且可控制。

2、建立新產(chǎn)品、新材料的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程。根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)評(píng)估結(jié)果，將切割參數(shù)、工藝條件、生產(chǎn)要求等制定標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程。針對(duì)核心風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行分級(jí)授權(quán)管控，避免量產(chǎn)時(shí)造成切割熔錫失效。

3、在設(shè)備設(shè)計(jì)層面，將應(yīng)用穩(wěn)定的噴嘴機(jī)構(gòu)等備件圖紙進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。同步上傳系統(tǒng)存檔并更新到設(shè)備技術(shù)協(xié)議，為后續(xù)新購(gòu)設(shè)備提供技術(shù)參考。

4、影響切割熔錫的核心備件，如刀架噴嘴、刀片等，建立安裝調(diào)試和維護(hù)技能培訓(xùn)指導(dǎo)書，培訓(xùn)工程技術(shù)人員，提高設(shè)備切割熔錫的管控能力。

5、冷卻水輸出設(shè)備、傳輸管路、過濾裝置、噴嘴裝置等硬件設(shè)施，制定預(yù)防性維護(hù)要求和管理周期。定期對(duì)影響切割熔錫的部件進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤、功能檢查，定期維護(hù)保養(yǎng)及更換。

6 結(jié)束語

微電子封裝QFN 產(chǎn)品的外形結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、重量輕、電性能和散熱性好，因此多應(yīng)用于集成度相對(duì)較高的高端電子產(chǎn)品中。根據(jù)其方形扁平的形狀特點(diǎn)，整條料片分離成單顆的電路產(chǎn)品，通常采用效率高、成本低的切割工藝。本文是基于切割工藝生產(chǎn)中的切割熔錫失效現(xiàn)狀，從實(shí)際應(yīng)用和設(shè)計(jì)的角度給予分析和對(duì)策探討，以供參考。

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