4.7 QFN组装工艺

QFN及工艺特点

1.QFN

QFN，即Quad Flat No-Lead package，可译为方形扁平无引线封装。

QFN属于BTC封装类别中最早出现的，也是应用最广泛的一类底部焊端封装，其特点是焊端除焊接面外嵌在封装体内，如图4-69所示。

2.工艺特点

1）“面—面”焊缝，容易桥连

QFN的焊端为一个平面，基本与QFN封装底面齐平（0～0.05mm），它与PCB上对应的焊盘构成了“面—面”连接。这一特点决定了“焊膏量与焊缝面积呈正比的关系”，也就是焊高量越多，焊缝扩展面积（X射线检测图片上显示的焊缝面积）越大，也越容易发生桥连。图4-70为一焊缝扩展现象X射线图。

2）热沉焊盘上的焊膏量决定了焊缝高度

QFN的结构有一个共同点，就是封装底部都有一个比较大的热沉焊盘，其面积比所有信号焊端的面积总和还要大。由于表面张力的作用，热沉焊盘焊缝的高度决定了QFN焊端的焊缝高度，而热沉焊缝的高度可以通过调整热沉焊盘上印刷的焊膏覆盖率来控制。

这点非常重要，我们必须确保热沉焊盘焊缝高度足够，避免因热沉焊盘焊膏量过少引起塌落，造成QFN周边信号焊缝的过度扩展而桥连。

3）热沉焊盘容易出现大的空洞

热沉焊盘尺寸比较大，再加上QFN焊缝的“面—面”结构，焊接时焊膏中大量的溶剂难以挥发出去，很容易包裹在熔融的焊料中，从而形成空洞，如图4-71所示。

3.常见焊接问题

QFN焊接不良与其封装有关，主要的焊接不良为桥连、虚焊及空洞，如图4-72、图4-73所示。

组装工艺

1.QFN焊点形成过程

QFN属于目前工艺最具挑战性的封装了。组装问题比较多，这是普遍的情况，但是，导致这些焊接不良的原因，在很大程度上可归结为不清楚QFN焊点的形成微观过程。由于不清楚焊点的微观形成过程，也就不清楚焊接不良产生的原因，因而也不知道如何优化工艺。

由于QFN焊点在底部，焊点的形成过程很难通过有效手段观察到，主要是基于案例的分析研究。再流焊接时，一般是QFN周边焊点先于热沉焊盘熔化，聚集并将QFN暂时性地浮起。随着热沉焊盘上焊膏的熔化并润湿QFN热沉焊盘表面，QFN又被拉下，我们可以把它称为塌落，如图4-74所示。QFN尺寸越大，这个过程越加分明。既然是一个过程，完成就需要一定的时间，所以，再流焊接时间的长短，对焊接良率影响很大。当然这只是一个方面的原因，此外，它还与热沉焊盘上的焊膏覆盖率、QFN的焊端表面处理、PCB的厚度等有关。

2.QFN组装常见不良

QFN属于组装工艺难度比较大的封装，不仅体现在直通率方面，也体现在可靠性与返修方面。主要焊接不良包括：

（1）引脚虚焊。

（2）引脚桥连。

（3）焊点空洞多，特别是封装底面中心的热沉焊盘最容易产生空洞。

（4）封装内部分层。

（5）焊点温循寿命比较短。

（6）焊剂残留物挥发不完全，湿的状态容易导致漏电甚至短路击穿。

（7）PCB底面布局时，二次过炉掉件。

限于篇幅仅介绍虚焊与桥连，这些都是工程实践经验，仅供参考。

3.引脚虚焊

QFN虚焊现象如图4-75所示，主要发生在：

（1）双排QFN的内圈。

（2）与大铜皮连接的焊盘（包括单、双排）。

虚焊原本就是一种电接触不良，显然，电测是最有效的方法，事实上在生产厂也是通过测试发现的，但大多数测试还定位不到焊点上，仅到器件级别。

除此而外，对于单排QFN，可以用光学的方法检测，通过焊点的润湿状态、有无裂纹等综合情况进行判定。对于双排的QFN，光学检测就无能为力了，只能采用X射线系统，通过检测少锡来推断是否虚焊，仅是一种方向性判定，还必须结合切片、染色等才能准确定位。图4-76为X射线检测图。

1）QFN的虚焊原因

QFN虚焊原因很多，仅举例说明。

（1）少锡导致的虚焊。

少锡不等于虚焊，但少锡有可能导致虚焊。对于双排QFN，内排焊盘钢网开窗相对比较小，更容易发生少锡或漏印，因而也更容易虚焊。

（2）芯吸导致的虚焊。

如果焊盘与大铜皮连接，如图4-77所示，其上焊膏先被熔化并被挤出（因QFN焊端温度与熔融焊膏存在时间差，类似锡珠形成那样，被内聚力挤出），从而使QFN焊端与焊料间形成间隙并氧化，从而导致虚焊，如图4-78、图4-79所示。

（3）类球窝机理导致的虚焊。

有些热沉焊盘尺寸大，上面有密集的空洞而且塞孔。这种设计很容易导致热沉焊盘出现超大型空洞（局域性、超过30%的面积），如图4-80所示，同时伴随着球窝型虚焊，如图4-81所示。

此类虚焊是因热沉焊盘存在空洞而被浮高所致，产生的机理同球窝机理，一般用X射线难以甄别，因为透视图显示与正常焊点没有差别。

（4）引脚焊点内大空洞导致的虚焊。

如果信号焊盘焊膏量比较大，再流焊接时焊剂残留物桥接在一起，完全将排气通道堵死，将在信号焊盘中形成大的空洞，如图4-82所示，它也有可能导致焊点虚焊，至少影响阻抗。

（5）QFN单边翘导致虚焊。

QFN热沉焊盘焊膏覆盖率高、焊剂时间短、受热不均（如上面有屏蔽架）、元器件布局等因素，都可能引起QFN焊接时单边翘（也就是不平整）。起翘的边因离地距离增大，也会导致QFN焊点虚焊。

2）工艺措施

（1）钢网开窗面积比应符合要求。

（2）外圈钢网开窗长度方向外封装外扩，对于与大铜皮连接的焊盘外扩至少为0.5mm以上。

（3）勤擦网，防止焊膏少锡，重点检测双排QFN内圈焊膏的印刷情况。

（4）设计上，凡直接与大铜皮连接的焊盘，应有0.3mm以上长度细径过渡。

4.桥连

QFN桥连，多见于双排QFN的内排焊点间，单排QFN的桥连不是很常见。

1）桥连产生原因

通过X射线图，我们很容易观察到，内排焊点饱满的现象如图4-83（a）所示。显然，桥连就是因为焊料被挤到非润湿面而形成的。

QFN封装底部有一个面积比较大的热沉焊盘，它决定了焊缝的高度。多数情况下，热沉焊盘上的焊膏都不印刷成一个整体图形，多为窗格式或条纹式，主要就是为了排气，控制焊缝中的空洞。但是它减少了焊膏覆盖的面积，也就是减少了焊膏的总量，QFN再流塌落时必然导致引脚焊料向外挤压，这种情况下，就可能引发桥连。

另外，QFN变形严重，也是原因之一（内外排有时差到十多微米）。

通常桥连与信号焊盘的空洞率会有些对应关系，桥连率高的往往空洞也会多些。

2）工艺措施

减少内圈焊膏印刷量。理论上应根据热沉焊盘的焊盘覆盖率设计同等量的漏印面积。考虑到QFN本身焊盘比较小、印刷难度大的因素，通常主要采用缩短内圈焊盘开窗的长度来减少焊膏量，如图4-84所示。

提供容锡空间也是一种方法，比如，焊盘间去阻焊设计、宽焊盘窄开窗工艺设计、热沉焊盘阻焊定义（大焊盘可以运用，小焊盘存在应力集中问题）。