细间距QFN 焊接工艺应注意的几个问题

细间距QFN焊接工艺应注意的几个问题
作者：黄振刚向希龙（同维电子（深圳）有限公司）
摘要：
随着电子行业的飞速发展，表面贴装元件向着密集、精密、细小的方向发展，使用的元器件种类也越来越多QFN封装形式具有以下的优点：无引线，降低了引脚间的自感系数，有利于高频电路；中间大面积裸露焊盘，使元件本身具有很强的散热能力；同时，四周I？O焊端使PCB布线录活方便，方便布线工程师工作。

由于QFN元器件具有这些优点，其近年来得到大量应用，在元件封装中比率越来越大。

但是，许多公司对该类型封装认识不足，造成良品率低、生产效率低下和返修量大的问题。

本言语从实践中总结了QFN三个方面的焊接或设计缺陷供大家参考。

关键词：QFN、焊接不良、表面组装、失效模式、SMT
QFN元器件（Quad Flat No-lead方形扁平无引脚封装）在实际生产中应用越来越多，组装工艺的经验也在不断地积累。

但是，在生产和使用过程中还存在着一些问题，比如：焊接的问题、使用可靠性的问题，这此问题严重影响了生产的效率和该产品的性能，为生产者和使用者都带来了一定的要扰。

下面我们将列举我公司在生产细间距（Pitch=0.5mm）QFN元器件时遇到的问题供大家参考，以免再重蹈覆辙。

我公司使用QFN封装结构如下所示：
封装Pin数 56 元器件重量 00.208(g) 外型尺寸9×9×0.8(mm) 引脚外框铜
PCB覆盖区域 81(mm2) 引脚表面处理锡
执行标准 JEDEC Pitch 0.5(mm)
在生产中主要出现了以下三种不良，它们分别是：一、短路。

产品在加工时，由于预先设计原因或加工中某些参数设定不当，使元器件I/O焊端与散热焊盘之间桥接，从而不能完成其电气性能。

二、断路。

在产品加工过程，由于某些原因造成焊点没有形成良好的填充结构，导致不能完成电气功能，I/O焊端和散热焊盘都存在这样的问题。

三、焊点过早失效，产生裂纹。

产品在使用不到一年的内就出现功能性失效，通过查看失效产品，发现QFN部分焊点出现开裂，造成电气功能丧失。

下面就具体从这三个方面谈谈设计或生产中需要注意的事
项。

一、短路：
在生产过程中，该QFN出现大量的短路，不良率约8%，严重影响生产质量和效率，为后续生产带来了极大的影响。

初始改善中，我们做了如下的动作：1、提高机器的贴装高度，以免贴片时将锡膏压塌造成再流后短路。

2、将漏模板厚度减少，从150微米减少到120微米，再减少到100微米，通过这种方式减少锡膏量。

3、将焊盘处漏模板开口外移0.15mm，防止内部锡膏量过多造成短路。

4、将焊盘处漏模板开口从0.25mm减少到0.2mm，减少锡膏量。

5、改善印刷条件，使锡膏印刷做到不偏移、不坍塌、不连印，保证良好的印刷效果。

6、设整温度曲线。

通过以上的改善措施，取得了一定的效果，不良率从8%下降到5%，然后不良情况不能再下降。

但是，5%的不良也是生产中绝对不可以接受的，怎样才能消除了？
最后，决定修改PCB焊盘设计。

QFN元器件焊盘为0.5(长)*0.25（宽），其中内边为圆形，初始焊盘设计为1:1方式。

通过修改，将焊盘向外延长0.5mm，达到1.0mm,宽度不变。

内边和元器件在相同位置，漏模板采用0.12mm（通过多次试验及上面数个措施的整合，0.12mm 较佳），开口和PCB焊盘1:1。

通过这种方式的修改，焊接不良情况立即下降，几乎达到零缺陷，生产中的效率和品质问题迎刃而解。

通过后续的继续探讨，发现PCB焊盘比元器件焊盘长0.2-0.5mm都可能解决上面的短路问题。

其原理是再流过程中将焊锡从元器件焊盘下部吸出一部分，到元件侧部形成侧面填充。

这样做，即解决的短路问题，同时也有利于提高可靠性。

二断路
产品在从有铅向无铅转换的过程中，该位置QFN立即出现的断路不良的情况，不良率约3%。

从以前在有铅生产关态中不存在这种现象，只有无铅存在这样现象的情况判断，该不良必定和无铅工艺和PCB的变更存在关系。

1、对一PCB表面处理方式，我司初始采用无铅喷锡（HASL）的方式，喷锡成分为SN0.7CU，
这样就产生了一个新的问题。

由于散热焊盘面积较大，而且无铅焊锡熔点高、流动性差，导致喷锡过程中散热焊盘不可能很均匀，必然存在高低不平的焊锡残留状态，PCB平整度不能满足在20微米以下的要求内，在印刷和贴装过程中，就导致了印刷厚度不能良好的控制，往往会超过130微米，甚至更高，产生锡量过多，在散热焊盘下形成支点，使四周焊盘上翘，因而不能形成良好的焊点；同时，由于中部高度较高，使贴装工序不能正确的下城市到指定的位置，焊盘和锡膏不能良好的接触（压入锡膏厚度的30-50%），在再流时产生润湿力不足，形成开路。

考虑到目前无铅喷锡工艺不是很成熟和难于控制（尤其是其铅含量难控制）将PCB表面处理方式变更为OSP、浸银或其它表面平整的确的工艺后，都可以解决这个问题。

这里需要提醒的是如果采用OSP工艺，一定需要采用第五代以后的药水进行处理。

（将SNCU改为SnCuNi也能解决HASU的平面度）2、在设计过程中，为了增加散热能力，研发人员往往在散热焊盘上设计一些小孔，通过这
些孔子传导热到PCB的背面，这种散热方式很有效而且方便。

便是，如果这此孔设计不当或孔径过大，往往造成再流过程中，焊锡膏熔化后从该类型孔中流出，不有是良好的衔接元器件和PCB，形成一种断路状态，使热不能迅速的散开，也使电气生能受到一定的影响。

这种缺陷必须改善PCB，将其孔径缩小，大小为0.3mm，且分布必须适当，不能过分散开，起不到散热的作用，也不能过分密集，使漏锡的机会增多和形成热回路，也不能发挥良好的散热作用。

或是使用绿油从背面填充，半堵住这些小孔，防止焊锡从中流出，采用这种方式时，必须绿油量的控制，一般不能让绿油透过小孔流到PCB正面，以免影响到正面散热焊盘的焊接。

3、在设计时，必须考虑到PCB各种焊盘的热容量问题。

引脚焊盘不可以直接和地铜箔或
散热焊盘相连在一起，必须使用适当宽度的走线进行连接。

其原因是，地铜箔和散热焊盘面积较大，需要吸收的热量多，它将比引线焊盘上吸收一部分热量，导致引线加热能力不足，形成冷焊，使其电气性能和强度不足，给产品使用者带来的极大的隐患。

二、焊点过早失效，产生裂纹：
产品通过正常加工、测试、组装、并从中抽取一定数量的产品进行温度循球测试（-10-60℃停留10分钟、6小时）、高温测试（65℃、6小时）合格后，按照正常流程出货至使用者，使用者正常使用一年左右后，出现批量性性能故障，经过分析确认为该QFN位置焊点开裂，情形如图：
是什么原因造成该焊点在使用过程中进行开裂了？经过大量的分析确认，发现设计人员在设计过程中考虑到PCB布局紧凑，将中间散热焊盘缩小，留出空作地方进行走线，以节约空间，达到整体布局的按排。

这种设计从面导致该元器件温度上升，中间的散热焊盘又铆钉了元器件，使焊端焊接点承受巨大的应力，反复的温升温降产生应力疲劳，并且使焊点晶体颗粒增大，造成使用过程中开裂。

将K型热电偶（精：±1.5℃）固定在该元器件表面，在室温环境下进行工作，30分钟，热电偶显示温度达到94℃，缓慢疲劳破环。

为了解决该问题，我们做了三种改善对策：
1、研发部门重新设计PCB，将散热焊盘加大，满足元器件的散热要求，需要注意的是：加
大散热焊盘后，必须注意散热焊盘和I/O焊端之间的间距，防护生产中二者之间短路，引另外的生产问题；
2、同时采用了散热过孔，按1.0mm-1.2mm的间隙均匀分布在中央散热焊盘上，但没有采
用过孔应连通到PCB内层的金属接地层上，而是直接通到PCB反面层上，反面层的此处并尽可能地铺大焊盘，（做些设计要对漏模板开口及再流曲线有所调整，防漏锡及焊接时温度不足）；
3、在所有散热焊盘达不到预定效果或不便更改设计的产品上加散热片。

加载散热片后，通
过相同的方法测试其温度为75℃，降低了19℃。

通过这三种方法，我们视具体目的产品过行了整合，有的产品只用到一种方法，有的产品同时用到了三种方法；通过客户使用产品的跟踪，目前已超过两年没有再出现该种类型的失效。

四结束语
QFN元器件具有优良导电性能、散热能力、厚度小、重量轻、低成本的特性，后续的使用量必然会越来越大。

本文提供了生产中一些基本问题和解决方法，大家需要在实际生产中不断积累经验，优化自己的焊盘设计和生产工艺，以取得良好的焊接效果。

这些设计或工艺的
改善将会为质量和生产带来极大的好处，也必将为生产者和消费者带来巨大的惊喜。