QFN接地焊盤焊接空洞減少解決方案

摘 要：QFN（Quad Flat No-lead Package，方形扁平無引腳封裝），表面貼裝型封裝之一，呈正方形或矩形，封裝底部中央位置有一個大面積裸露焊盤用來導熱，圍繞大焊盤的封裝外圍四周有實現電氣連結的導電焊盤。由于QFN封裝不像傳統的SOIC與TSOP封裝那樣具有鷗翼狀引線，內部引腳與焊盤之間的導電路徑短，自感系數以及封裝體內布線電阻很低，所以它能提供卓越的電性能。

關鍵詞：QFN接地焊盤；焊接空洞；解決方案

QFN封裝四側配置有電極觸點，由于無引腳，貼裝占有面積比QFP 小，高度 比QFP 低。我們以32引腳QFN與傳統的28引腳PLCC封裝相比較為例，面積（5mm×5mm）縮小了84%，厚度（0.9mm）降低了80%，重量（0.06g）減輕了95%，電子封裝寄生效應也提升了50%，所以非常適合任何一個對尺寸、重量和性能都有的要求的應用，適合應用在手機、數碼相機、PDA以及其他便攜小型電子設備的高密度印刷電路板上。

Led電源是電源的一種，是向電子設備提供功率的裝置，也稱電源供應器，它是提供燈光照明電能和提供計算機中所有部件所需要的電能。電源IC 種類繁多，它們的共同特點有：（1）工作電壓低（2）工作電流不大（3）封裝尺寸小（4）完善的保護措施（5）耗電小及關閉電源功能（6）輸出電壓精度高（7）新型組合式電源IC。這些特點決定電源產品多半使用QFN形式的IC。

但是生產中我們依然發現了問題，在我廠加工生產的一種型號的電源板中，成品帶電老化24h-48h間下線不良率高達3.5%，產品可靠性亟待解決。對不良品進行了深入的分析，經研究確認，核心電路IC過熱是導致產品性能不良的主要原因，此IC采用了QFN封裝形式，因為該封裝形式的芯片在底部中間都有一個用于散熱和接地的裸露焊端，而且這個焊端的面積較大，同時當印刷基板與封裝之間產生應力時，在電極接觸處就不能得到緩解，也給焊接帶來困難。

首先，對不良品的IC位置進行了X-RAY檢查，檢查結果發現接地焊端的焊接空洞已達60%以上（如圖1），正是由于這個較大的焊接空洞致使芯片在工作中不能很好的散熱，才是造成產品性能不良的直接原因，如何減少焊接空洞是生產中必須要解決的問題。究其焊接空洞產生的原因，主要是在焊接過程中，焊錫膏中的助焊成分FLUX在高溫中有機物裂解產生的氣泡無法及時逸出，待冷卻后就形成了焊接空洞。焊接空洞的產生會給產品可靠性帶來不可估量的風險，特別是像一些電源模塊的產品，對接地焊端有較大的散熱要求更為如此。嚴重的焊接空洞不僅會使IC的散熱性能下降而且還會影響電氣連接，致使產品在市場中的故障很難預期。

為了減少QFN焊接空洞的問題，進行了多種嘗試：第一PCB板使用前的烘烤；第二助焊劑成分比相對較小的錫膏選擇；第三回流溫度曲線升溫梯度的降低；第四鋼網開口比例的縮小，但效果并不理想。最終選擇考慮從更改IC1接地焊盤的設計著手。有關IC接地焊端的最初設計是整體焊盤并帶有盲孔；相對應的鋼網開口形狀同接地焊盤，鋼網相對于IC接地焊盤的開口比例是0.8：1，剛才有提到過的鋼網改善是將這個鋼網開口比例由0.8：1縮小為0.7：1，并采用網狀漏孔陣列取代一個大的漏孔，目的是適當地縮小錫膏覆蓋面積而減少焊接空洞的產生。但是，這種改善沒有達到理想效果，我們分析：要減少接地焊端的焊接空洞，必須設計出有效地讓焊錫膏中的助焊成分FLUX在高溫中有機物裂解產生的氣體能夠及時逃逸的通道才是解決問題的關鍵。原先接地焊盤上的盲孔設計就是為了這一目的，可是在實踐中證明，焊錫膏在熔融狀態下，由于處在TOP面的接地焊端與BOTTOM面存在較大的溫差，流經盲孔的氣流具有很大的不確定性，盲孔設計不但沒有達到原來的設計目的反而還會有可能使焊接空洞愈趨嚴重。為此，我們在向后的有關IC1接地焊盤的改善中，將嘗試取消盲孔設計，取而代之的是另外一種可供焊錫膏中的助焊成分FLUX在高溫中有機物裂解所產生的氣體釋放的通道。我們把接地焊盤在總面積不小于接地焊端面積70%的情況下設計為呈井字形狀（如圖3），由于在每個小的、相對獨立的接地焊盤間存在阻焊，這樣就為焊錫膏中的助焊成分FLUX在高溫中有機物裂解所產生的氣泡提供了有效的逃逸通道。經過一系列的實驗，接地焊盤改善方案終于實施，X-RAY檢查數據表明，改善后的接地焊盤焊接空洞控制在10%以內（如圖2），成品帶電老化48h沒有因為散熱問題導致的性能不良下線。這個接地焊盤設計的改善，不但可以有效減少接地焊端焊接空洞的產生，而且還由于接地焊端錫膏用量適當，使得錫膏在熔融時的表面張力相對減小，避免了元器件的過度上浮，從而也提高了周邊I/O管腳的焊接可靠性。

QFN雖然有無引腳焊盤設計占有更小的PCB面積 組件非常薄（<1mm），可滿足對空間有嚴格要求的應用非常低的阻抗、自感，可滿足高速或者微波的應用具有優異的熱性能等特點，但是QFN依然存在焊接點完全處在元件封裝的底部，橋接、開路、錫球等任何的缺陷都需要將元件移開，又因為QFN體積小、重量輕、且它們又是被使用在高密度的裝配板上，使得返修的難度大。工業級別和汽車級別QFN目前是不用的，可靠性太低，今后仍有待新工藝開發。

作者簡介：劉明賢（1962，7-），男，籍貫天津市，現職稱工程師（中級）學歷：大專。