QFN器件封裝技術及焊點可靠性研究進展

引言

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

塑封QFN器件典型的封裝結構如圖1所示，器件主要由Cu引線框架載體、導電膠、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器件根據分離方式不同，可以分為“沖壓形式”和“切割形式”分離兩種結構；根據器件焊端有無內縮可以分為“內縮端子”與“不內縮端子”兩種結構；根據器件焊端側面是否可潤濕分為“不可潤濕”封裝以及“可潤濕”兩種結構。

不同結構形式的焊端對QFN器件后續的裝配工藝及焊接可靠性有一定的影響，本文對塑封QFN器件的封裝技術及其組裝技術的發展進行概述，同時對影響QFN器件焊點可靠性的因素進行分析，對其焊點可靠性的研究進展進行綜述，為典型QFN器件的選用及高可靠組裝提供參考。

圖1 典型QFN器件內部結構形式

QFN封裝技術研究進展

QFN器件根據其分離方式不同，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，器件焊端側面為裸銅。在后續的篩選及存儲過程中，裸銅會發生氧化污染的情況，氧化嚴重時會導致焊接無法上錫。針對焊端側面的裸銅面，廠家一般不要求焊接潤濕界面的形成。

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，在后續的篩選試驗及存儲過程同樣有氧化污染的情況，暫沒有直接的證據證明采用“沖壓分離”方式形成的器件焊端側面潤濕性優于“切割分離”封裝器件，器件焊端的側面潤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

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

雖然針對以上兩種切割方式形成的QFN器件，廠家一般都未對焊端焊接后側面裸銅面有潤濕要求，但廠家手冊IPC 7093《Design and Assembly Process Implementation for Bottom Termination SMT Components》[3]中仍指出，如果能夠采用適當的方式保證焊端側面的潤濕，則對焊接可靠性應該有進一步的提高作用，如何保證焊端側面的潤濕則需要器件使用方根據自己的應用特點采取一定的措施。

根據QFN器件焊接端子是否內縮，器件封裝形式可分為“內縮端子”與“非內縮端子”兩種結構。圖3（a）所示為常規的“非內縮端子”封裝器件，圖3（b）所示為“內縮端子”封裝器件?！皟瓤s端子”封裝器件僅有底部焊端可焊接，焊端側面與底部被塑封本體隔離，焊接后的焊點不可見，應用較少。

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

隨著QFN封裝形式的不斷發展，為更好地適應SMT自動化裝配及檢測的需求，側面可潤濕的封裝器件應運而生，相比傳統的封裝，改進后的封裝形式側面結構進行了特殊設計及鍍錫處理，圖4所示為典型的側面可潤濕的QFN器件。該種封裝器件可避免原有的“切割分離”封裝所產生的焊接面漏銅毛刺的問題，形成良好的側面潤濕角，焊接后能夠采用自動光學檢測（AOI）技術進行焊點質量的檢測，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用需求。

圖4 典型側面引腳可潤濕QFN器件

QFN組裝技術研究進展影響

QFN器件組裝質量的工藝因素主要有印制板的焊盤設計、鋼網開孔、焊膏印刷質量、回流焊接曲線，目前研究已經相對成熟，近幾年有關研究進展相對較少，因此QFN的常規組裝技術在本文中不再進行概述。

其他影響QFN器件組裝質量的因素主要為器件的焊端在篩選測試、存儲不當環節氧化導致的焊接不良；另外，部分高可靠應用場合的QFN器件不僅期望焊端底面鍍層能夠形成良好的潤濕，同時要求焊端側面裸銅能夠形成良好的潤濕，期望進一步增強焊點的可靠性，針對該需求的器件預處理技術近年來研究較多。

主要針對近年來研究較多的QFN器件預處理技術的相關進展及成果進行綜述。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進行預烘處理以防止在焊接過程中器件本體發生開裂，器件在預烘的過程中會導致焊端表面鍍層的氧化。

有研究進行了125 ℃條件下不同預烘時間（0 h, 12 h, 24 h, 36 h, 48 h）對器件焊端可焊性的影響。研究結果表明，器件在未進行預烘的條件下，在耐焊接熱（260 ℃, 15 s）試驗的過程中，塑料本體與引線框架之間發生開裂現象，如圖5所示；器件125 ℃預烘12 h以上，可有效避免塑料本體分層失效的情況，且即使預烘時間延長至48 h，亦未對器件的可焊性未造成嚴重影響。

圖5 未預烘器件在耐焊接熱試驗后開裂

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

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

有研究介紹了采用浸錫的方式進行側面裸銅界面的預上錫處理，但也指出了浸錫質量受裸銅表面狀態的影響，會存在部分裸銅表面無法上錫的情況，影響后續的焊接，且由于該種方式處理后錫鍍層的多孔特性，在后期的存放過程中容易產生“錫須”的質量隱患，在實際應用的過程中需要充分評估。文獻對QFN器件側面焊點爬錫的影響因素進行分析，提出針對已經老化篩選的器件進行預上錫處理，能夠有效恢復焊端的潤濕性。

圖6 焊端側面化學鍍錫處理前后對比

從現有的研究成果來看，針對QFN器件的預烘去潮、焊端去氧化預處理環節，根據廠家提供的濕敏等級進行預烘處理，即能夠有效避免焊接過程器件的損傷。焊端去氧化方面，提升焊端側面裸銅可焊性的措施方法雖然有一定的研究，但還未見工程化的應用報導，裸銅側面預上錫還是要根據實際需求開展驗證，避免在預上錫的過程中帶來其他的質量隱患。

QFN器件焊點可靠性研究進展

QFN器件相比傳統的有引出線引腳的器件，其焊點對應力更為敏感，焊點服役壽命受較多因素的影響，組裝后的焊點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器件組裝環節所做的絕大部分技術改進最終都是為了保證其焊點的可靠性，針對影響焊點可靠性主要因素的研究進展進行概述，減少在設計、工藝、制造環節引入對QFN焊點可靠性不利的因素。

3.1 器件尺寸對焊點可靠性影響

NASA提出了深空探測應用產品中BGA、QFN等封裝器件焊點可靠性所面臨的挑戰，模擬深空環境，研究了QFN封裝尺寸對熱沖擊試驗條件下焊點可靠性的影響。

圖7所示為采用韋布爾分布統計的方式對QFN68封裝器件及QFN16~44封裝器件在溫度沖擊試驗條件下焊點壽命的分析。結果表明，較大尺寸的QFN器件在相同熱沖擊試驗條件下，其焊點壽命要顯著低于較小尺寸的QFN器件，在深空探測應用環境下的產品，器件的選擇應盡量避免大尺寸QFN器件。

圖7 QFN器件尺寸對焊點可靠性影響

3.2 本體材料及焊端焊接質量對可靠性的影響

QFN器件本體材料的線膨脹系數對器件的焊點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（7×10-6/℃, 12×10-6/℃）、焊接材料（SnPb, SnAgCu）、焊端側面潤濕情況（側面潤濕、側面未潤濕）對焊點可靠性的影響。

研究結果表明，器件本體材料對焊點可靠性的影響最為顯著，本體材料為12×10-6/℃的器件焊點壽命為7×10-6/℃的3倍，相比而言，焊接材料及焊端側面焊接質量對焊點可靠性的影響較小，焊點壽命差異在20%以內，在高可靠性應用場合，應關注器件塑封本體材料的線膨脹系數。

3.3 印制板布局對焊點可靠性的影響

QFN器件作為無引腳的器件，焊點對應力更為敏感，器件在印制板上的布局以及安裝狀態對焊點的可靠性有顯著的影響，隨著電子產品復雜程度的不斷增加，QFN器件的應用場景也越來越復雜，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QFN焊點可靠性的影響，將裝有QFN器件的印制板通過螺釘緊固于4 mm厚的鋁板上開展模擬試驗。

研究結果表明，在-40~125 ℃溫度循環試驗條件下，未采用螺釘緊固的樣件QFN焊點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越易失效，焊點在溫度循環條件下的壽命還是受安裝腔體的熱膨脹系數以及剛性等因素的影響，因此，QFN類焊點應力敏感器件在印制板上的布局應盡量遠離緊固螺釘，避免焊點服役過程中產生過大的應力。

圖8 印制板腔體安裝示意圖

3.4 三防對焊點可靠性的影響

部分高可靠應用需求印制板在組裝后會對表面進行三防噴涂防護處理，三防材料對QFN器件焊點服役可靠性有一定的影響。有研究表明，較厚的三防涂層對QFN焊點在溫度循環條件下焊點的可靠性有顯著的影響，在-55~125 ℃溫循條件下，未三防的QFN焊點壽命能夠達到2 000~2 500個循環，三防后的焊點壽命約為300~700個循環，但未對三防材料及器件尺寸、材料進行詳細的描述。

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

Vieira D N等人則進一步研究了采用丙烯酸三防涂層的QFN焊點在溫度循環條件下的焊點可靠性。研究結果表明溫度循環條件下焊點起裂于根部位置，量化對比了相同溫度循環條件下未三防及丙烯酸三防焊點裂紋的長度及焊點開裂的數量，丙烯酸三防焊點的裂紋長度遠高于未三防的焊點，如圖 10所示；焊點開裂的狀態及數量見表1，溫度循環條件下三防焊點的裂紋數量及長度均顯著高于未三防的焊點。

研究指出丙烯酸三防涂層的存在會導致器件焊點在溫度循環作用下產生更大的變形，分析是由于器件本體底部三防漆的存在導致溫循條件下應力的產生，最終導致在焊點的裂紋的產生及擴展。

因此，在裝有QFN器件的印制板，尤其是針對較大尺寸的QFN器件，后期三防涂覆材料選擇上建議進行充分的試驗驗證，避免三防涂覆材料對QFN 焊點的可靠性帶來不利的影響。

表 1 三防對熱循環條件下 QFN 焊點裂紋影響

結束語

針對QFN器件的封裝技術發展進行了概述，分析了不同封裝形式器件對后續組裝技術及組裝質量的影響，給出未來可潤濕焊端QFN器件的推廣應用方向，有望解決QFN器件焊端側面不潤濕帶來的焊接不良、無法自動化檢測的問題。針對現有的QFN 器件，雖然器件側面的預處理技術已經有較多的研究，但是能夠確保器件焊端側面裸銅能夠實現有效潤濕的焊端工程化技術還未見報道。

QFN器件作為無引腳的焊點應力敏感器件，其組裝后的焊點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焊點可靠性的影響，在高可靠應用需求的背景下，應對以上影響焊點可靠性的因素進行充分的驗證，避免引入對焊點可靠性不利的影響因素。

來自：表面貼裝與微組裝工藝技術

審核編輯：湯梓紅