QFN封裝元件組裝及質量控制工藝

史建衛

(中興通訊股份有限公司，廣東深圳518057)

近幾年來，由于QFN（方形扁平無引腳）封裝具有良好的電熱性能、體積小且質量輕，其應用正在快速增長。采用微型引線框架（Micro Lead Frame）的QFN 封裝和CSP（Chip Size Package）封裝有些相似，但元件底部沒有焊球，與PCB 的電氣和機械連接是通過PCB 焊盤上印刷焊膏，經過回流焊形成的焊點來實現的。QFN 封裝對工藝提出了新的要求，本文將系統的對其組裝及質量控制工藝進行探討。

1 QFN 封裝器件特點

QFN 封裝是一種無引腳封裝，呈正方形或矩形，封裝底部具有與底面水平的焊盤，在中央有一個面積焊盤裸露用來導熱，圍繞大焊盤的封裝外圍有實現電氣連接的導電焊盤，如圖1所示。

圖1 QFN 封裝元件上下平面圖

從結構看，QFN 封裝不像傳統的SOIC 與TSOP 封裝那樣具有鷗翼型引線，內部引腳與焊盤之間的導電路徑短（如圖2所示），自感系數以及封裝體內布線電阻很低，所以能提供卓越的電性能。此外，通過外露的引線框架焊盤提供了出色的散熱性能，該焊盤具有直接散熱通道，用于釋放封裝內的熱量。所以，QFN 封裝特別適合任何一個對尺寸、質量和性能都有要求的應用。

QFN 封裝常見尺寸有3 mm×3 mm、4 mm×4 mm、5 mm×5 mm 及6 mm×6 mm，常見引腳間距有0.65 mm、0.5 mm 和0.4 mm。與傳統的28引腳PLCC 封裝相比，32 引腳QFN 封裝的面積（5 mm×5 mm）縮小了84%，厚度（0.9 mm）降低了80%，質量（0.06 g）減輕了95%，電子封裝寄生效應降低了50%，所以非常適合應用在手機、數碼相機、PDA 及其他便攜電子設備的高密度PCB 上。

圖2 QFN 封裝內外部結構示意圖

2 QFN 封裝器件組裝工藝

2.1 PCB 焊盤設計

QFN 封裝焊盤設計主要包含以下三方面：周邊引腳的焊盤設計、中間熱焊盤及過孔設計和對PCB 阻焊層結構的考慮。

2.1.1 周邊I/O 引腳焊盤設計

PCB I/O 引腳焊盤的設計應該比QFN I/O 焊端稍大一點，焊盤寬度范圍一般在0.25～0.5 mm，焊盤長度范圍一般在0.6～0.96 mm，焊盤內側應設計成圓形以配合焊端的形狀，具體設計如圖3和表1所示。如果PCB 有設計空間，I/O 焊盤的外延長度>0.15 mm 可明顯改善外側焊點成型，提高焊點可靠性，不干涉時可外延0.3～0.5 mm（手工焊時建議延長0.5～1.0 mm）；如果內延長度>0.05 mm，則必須考慮與中央散熱焊盤之間保留至少0.25 mm的間隙以免引起橋連。

圖3 QFN 封裝PCB 引腳焊盤設計

表1 QFN I/O 引腳焊盤設計尺寸

有時PCB I/O 引腳焊盤可采用與QFN I/O 封裝引腳一樣的設計，其設計尺寸可參考圖4和表2所示。圖中尺寸Zmax為焊盤引腳外側最大尺寸，Gmin為焊盤引腳內側最小尺寸，D2t 為散熱焊盤尺寸，X、Y 是焊盤的寬度和長度。

圖4 QFN 封裝焊盤設計要求

表2 QFN 封裝典型PCB 焊盤設計尺寸

2.1.2 中央散熱焊盤和散熱過孔設計

QFN 封裝具有優異的熱性能，主要是因為封裝底部有大面積的散熱焊盤，為了能有效地將熱量從芯片傳導到PCB，PCB 底部必須設計與之相對應的散熱焊盤和散熱過孔。通常散熱焊盤的尺寸至少和QFN 封裝暴露的熱焊盤相匹配，然而還需考慮各種其他因素，如避免和周邊焊盤的橋接等，所以熱焊盤尺寸需要修訂，具體尺寸如上圖4及表2所示。中央散熱焊盤應設計比QFN 焊端各邊大0～0.15 mm，即總長大出0～0.3 mm。但中央散熱焊盤不能過大，否則會影響與I/O 引腳焊盤間的合理間隙，橋連增加。此間隙最小為0.15 mm，可能的話最好是0.25 mm 或更大。

QFN 器件組裝時，通常將散熱焊盤直接焊接在PCB 上，PCB 中的散熱過孔有助于將多余的熱量擴散到接地銅板中。散熱過孔的數量及尺寸取決于封裝的應用情況、芯片功率大小，以及電性能的要求。一般建議開孔面積率在40%～60%，散熱過孔間距1.0～1.2 mm，過孔孔徑尺寸0.3～0.34 mm，如圖5所示。雖然增加過孔（減小過孔間隙）表面上好像可以改善熱性能，但因為增加過孔的同時也增加了熱氣進入的通道，所以實際情況需要根據PCB情況來決定（如散熱焊盤尺寸及接地層）。散熱過孔有4 種設計形式：使用干膜阻焊膜在過孔頂部或底部阻焊；使用液態感光阻焊膜從底部填充；采用“貫通孔”（如圖6所示）。

圖5 QFN 封裝中央散熱焊盤過孔設計要求

上述方法各有利弊：從頂部阻焊有利于控制氣孔的產生，但會阻礙焊膏印刷；底邊阻焊和底部填充由于氣體的外逸會產生大的氣孔，當覆蓋2 個過孔時，對熱性能方面有不利的影響；“貫通孔”允許焊料流進過孔，減小了氣孔的尺寸，但QFN 封裝底部散熱焊盤上焊料會減少。散熱過孔設計要根據具體情況而定，建議使用頂部阻焊或貫通孔。若采用底部阻焊后，容易形成氣孔，若不會影響熱性能、電性能和焊點可靠性，也是可以接受的。

2.1.3 阻焊層的結構

目前阻焊層設計類型有SMD 和NSMD 兩類，如圖7所示，在尺寸相對較大的中央散熱焊盤阻焊層設計中，一般采用SMD 工藝，否則建議使用NSMD 阻焊層，阻焊層開口應比焊盤開口大0.12～0.15 mm，即焊盤銅箔到阻焊層的間隙有0.06～0.075 mm，這樣就允許阻焊層有50～65 μm 制造公差。有時QFN 中央散熱焊盤設計過大，為了防止連錫，也會采用SMD 阻焊膜工藝，且開口縮小0.1 mm，以增加散熱焊盤與I/O 焊盤之間的阻焊面積。

每個PCB I/O 焊盤應單獨設計阻焊層開口，這樣可以有效防止相連焊盤間形成橋連，且熱焊盤過孔阻焊層直徑應該比過孔直徑大0.1 mm。但當引腳間距小于0.5 mm 時，引腳之間的阻焊可以省略，而設計一個大的開口，如圖8所以。

圖6 QFN 封裝中央散熱盤過孔的4 種設計形式

圖7 阻焊層設計工藝

圖8 粗細間距阻焊層設計形式

2.2 焊膏印刷網板開孔設計

能否得到完美、可靠的焊點，印刷網板設計是關鍵的第一步。不銹鋼網板更耐用且很少有變形，激光切割、孔壁電拋光有助于提高焊膏釋放率。如果印刷設備限制了網板實際印刷質量，建議使用階梯（Step-Down）網板。對于焊盤上焊膏體積的沉積，網板厚度、開口形狀及幾何圖形的作用同樣重要。設計網板時應考慮滿足兩種比率，即面積比和寬厚比，其值應分別大于0.66 和1.5。一般建議網板開口尺寸和PCB 焊盤尺寸比為1:1，這樣可以讓面積比和寬厚比目標比較容易達到。

2.2.1 周邊引腳焊盤的網板設計

焊后焊點高度一般在50～75 μm，網板的厚度決定了印刷在PCB 上的焊膏量，太多的焊膏將會導致回流焊接時橋連。所以建議大間距如0.65 mm 的QFN 封裝使用0.15 mm 厚度的網板；0.5 mm 的QFN 封裝使用0.12 mm 厚度的網板；≤0.5 mm 間距的QFN 封裝使用0.12 mm 厚度的網板，但熱焊盤網板開口尺寸可適當縮減5%～10%，以減少焊接橋連的發生，焊端焊盤可縮減或保持，如圖9所示。

圖9 防連錫細間距網板開口設計

2.2.2 中間散熱焊盤的網板設計

PCB 上熱焊盤和四周焊盤的面積差巨大，使得過回流焊后保持相同的焊錫高度非常困難。實驗證明：0.13 mm 網板，面積比大于0.66 時，四周焊盤轉印效率為73%，而熱焊盤轉印效率為100%。如果散熱焊盤焊膏覆蓋面積越大，越容易產生空洞、飛濺、錫球等缺陷，甚至發生QFN 元件浮起及導電焊盤四周焊端空焊。所以，必須通過減少熱焊盤焊膏覆蓋面積，使得過回流焊后熱焊盤和四周焊盤的焊錫高度處在相同的水平。

針對熱焊盤網板開口設計，建議采用多個呈“十”字分隔開的“小”網板開口代替單一的大網板開口，以確保一致的焊膏沉積，焊膏覆蓋量的典型值為50%～80%，通常網板開成規則排列的小方型孔或圓孔，焊后連接面積一般大于40%，厚度介于50～65 μm 之間。值得注意的是，有底部填充過孔的焊膏印刷最好將過孔位于印刷邊緣（如圖10所示），有利于氣體釋放?！皩住北缓稿a填充并不完全，往往只是讓導通孔壁充分潤濕直到底部塞緊（如圖11所示）。

2.2.3 網板開口設計與QFN 封裝焊接可靠性關系

QFN 封裝焊接可靠性很大程度上受到焊點離板高度、焊點焊錫量、PCB 焊盤尺寸和熱焊盤設計的影響，其中焊點離板高度、焊點焊錫量的變化和網板開口有關。組裝生產時，有必要通過實際生產優化調整工藝方法，達到QFN 封裝的可靠焊接，必要時還須反饋到設計部門進行優化設計。

圖10 中央散熱盤底部填充孔焊膏印刷位置

圖11 中央散熱盤“導通孔”易導致焊錫填堵過孔

為了有助于提高產品可靠性，須保證達到離板高度50 μm 厚的焊接層。焊點離板高度與熱焊盤上焊膏覆蓋率有關和過孔類型有關：焊膏覆蓋面積增大，離板高度就會增加；底部填充式過孔，由于過孔從反面被阻塞的緣故，焊錫會被阻止進入，而“貫通孔”方式很容易使熔融的焊錫流到孔內，降低焊點離板高度，如果控制不當可能會導致焊錫在背面滲出。一般地，對于底部填充過孔，焊膏覆蓋率至少在50%以上，而對于“貫通孔”，覆蓋率至少在75%以上。此外，“貫通孔”的數量和尺寸、焊接峰值溫度也會影響到焊點的離板高度。

一個焊點具有合適的離板高度，但沒有或僅有低的外部焊點，在實際應用過程中也是不可靠的。四周焊盤的外部焊點受PCB 焊盤尺寸、焊膏印刷量、離板高度等多種因素影響。如果網板開口是1:1，將會對外部焊點提供充足的焊錫量，前提條件是離板高度不能太高，因為可利用的焊錫量比較有限，如果熱焊盤上焊膏覆蓋面積增大，就會形成較高的離板高度，對焊點來說沒有足夠的焊錫來補充。相反地，如果離板高度太低，大的表面彎曲呈球狀的外部焊點就會形成。

2.3 QFN 封裝器件貼裝工藝

貼片機的精度決定了QFN 封裝元件的貼裝精度和角度的調整，輕微的貼片偏移可以在過回流焊后自動糾偏，嚴重的偏移應該在回流焊前進行矯正，以免發展成短路缺陷，如圖12所示。使用貼片機視覺系統調整QFN 的位置有兩種方法：封裝輪廓（視覺系統搜索封裝的外形輪廓）和引腳識別（許多視覺系統可以直接搜索引腳的形狀）。對QFN 來說，這兩種方法都可以接受且各有利弊：封裝輪廓識別起來比較快，但精度不夠；焊盤識別比較準確，但要搜索多只引腳，多只引腳的圖像數據由貼片機同時進行處理會較慢。在QFN 工藝優化期間，貼片不偏移是關鍵，以免同其它問題混在一起，不利于問題的分析和解決。

圖12 QFN 封裝元件貼裝偏移

2.4 QFN 封裝器件回流焊接工藝

QFN 封裝元件對回流焊接工藝并無特殊的要求，和所有元器件一樣，對各種類型的PCB 板在不同位置都要求回流溫度符合規范，但每個元器件溫度受周圍焊盤、板上所處位置和組裝密度的影響。實際的回流焊峰值溫度、保溫時間及升溫斜率范圍等都不可以超過所用焊膏的工藝要求。一般情況下，回流焊溫度曲線可參考以下要求：

預熱階段溫度曲線設定：爬升斜率一般在2～3 ℃/s，有鉛溫度在100～120 ℃時間約為60～90 s，無鉛溫度在130～140 ℃，時間約為100 s。

活化階段溫度曲線設定：有鉛溫度在120～150 ℃，時間約為90 s，無鉛溫度在140～170 ℃，時間約為90 s。

回流峰值溫度設定：有鉛一般為215～220 ℃，時間15～30 s，無鉛一般為235～240 ℃，時間15～30 s。

冷卻階段溫度曲線設定：焊點凝固之前一般控制在4～6 ℃/s，凝固后一般控制在2～3 ℃/s。

3 QFN 封裝器件焊點缺陷及驗收標準

由于QFN 封裝元件焊點在封裝體的下方，X-ray 對焊點的橋連和空洞能檢測出來，如圖13所示，一般用于抽檢；而對于虛焊、少錫和開路無法檢測，只能通過外部焊點的情況進行判斷。但焊點高度和填充部分到底是多少，在國標和電子行業標準中無具體標準可以參考，只能借助IPC/EIAJ-STD-001C 標準“電氣和電子裝配焊接要求”有關描述去判斷，見表3。需要特別說明的是，針對QFN 封裝元件，側面焊點爬高無任何要求，只要求控制元件底面焊點的長度、寬度和厚度。

圖13 X-ray 照射下底部填充過孔出現的空洞缺陷

表3 QFN 封裝元件焊點判定標準

實際生產過程中，如果QFN 儲存在不受控的環境中，其導電焊盤靠外的末端和側面都可能會被氧化，形成虛焊，如圖14所示。這是因為QFN僅導熱焊盤和其在同一面的導電焊盤表面進行了可焊保護涂層，而導電焊盤靠外的末端和側面則沒有。如果氧化程度不嚴重，或助焊劑起到作用的話，也可能會形成良好的焊點。通過X-ray 圖像可看出，圖14中F 部分差別是明顯的，但真正影響到焊點性能G 部分的圖像則是相同的。雖然說QFN 封裝元件焊點F 部分無具體要求，但在實際生產中發現，如果導電焊盤的外部焊點出現異常情況，那么在ICT 和FT 檢測時出現的開路會較多。為了提高焊點可靠性及可檢測性，實際生產中都要求能形成良好潤濕的焊點，如圖15所示。

圖14 QFN 封裝導電焊端外側焊點虛焊缺陷

圖15 QFN 封裝導電焊端外側形成良好潤濕焊點

QFN 封裝元件更多出現的是開路和少錫缺陷。依靠目視檢查很難發現這些缺陷，甚至連X-Ray 也無法做出判斷，這是因為QFN 焊點是在元件本體下方，且高度有限。在暫時沒有更多辦法的情況下，更多地依靠ICT/FT 測試來判斷焊接的效果，或依靠目檢焊點的外部F 部分情況來判斷。

4 QFN 封裝器件返修工藝

QFN 器件通過傳統的電烙鐵補焊返工，只對外露部分焊點有效，如果QFN 底部焊點存在橋接、開路、錫球等缺陷，就只能將元件拆除后返工。盡管QFN 封裝元件很小，但拆除和返工都是可以手工完成的，這是一項具有挑戰性的工作，因為QFN 元件本身體積很小，又通常被貼裝在輕、薄且高密度PCB 上。

QFN 器件返修所需的工具和材料主要包括：

●帶ESD 保護的返修焊臺，溫度可調且支持溫度值425 ℃；

●ESD 墊板或桌面及ESD 碗帶，保證兩者都要接地；

●直徑0.5 mm 焊錫絲及助焊劑；

●吸錫帶、尖頭鑷子、防護鏡及至少4×的放大鏡；

●用于清洗電路板的異丙醇及小硬毛刷（毛長6 mm 為佳）。

4.1 QFN 器件返修前烘烤

返工之前，需要將PCBA 在125 ℃烘烤至少24 h，以除去PCB 和元件的潮氣。

4.2 QFN 器件拆除

元件拆除時，溫度曲線最好與裝配元件時的回流焊溫度曲線一致，但是焊錫液相線以上的溫度和時間可以適當減少，只要能保證完成焊錫熔化即可。推薦在PCBA 底面用熱風對流方式加熱，預熱溫度達150 ℃，PCBA 頂部用熱風噴嘴對元件本體加熱，熱風溫度一般設定為425 ℃。

為慎重起見，可以先用吸錫帶將元件周邊可見焊點的焊錫清除。熱風開啟以后將噴嘴下降到離元件15～25 mm 的位置。當回流溫度達到以后，可應用邊緣加熱系統向元件底部縫隙中吹熱氣，有利于面積較大的中央散熱焊點的熔化。加熱的同時，可在QFN 器件的角上插入尖頭鑷子，輕輕用力往上挑，一旦所有焊點的焊錫都熔化時，元件就可以被挑起。因為QFN 器件很小很輕，所以要嚴密注意控制加熱時間，避免QFN 器件過度受熱損壞，同時也應注意避免對周邊元件的受熱影響。一旦元件全部回流完成，用真空吸嘴或鑷子將元件移除，真空壓力不宜高于半個大氣壓，以防在元件未充分回流而過早吸取元件時損壞PCB 焊盤。

4.3 QFN 器件PCB 焊盤焊膏印刷

焊錫膏印刷在大約50～100 倍的顯微鏡下，使用特制的小鋼網和刮刀進行焊膏印刷，小刮刀寬度應與元件寬度一致，以保證一次印刷成功。

4.4 QFN 器件重新貼裝和回流焊接

由于QFN 器件重量很輕，在回流焊過程中的自對中能力很強，所以對貼裝精度要求不是很高。用于貼裝的返工臺應該可以進行平移和旋轉方向精細調整，并借助50～100 倍的光學成像系統，幫助進行器件對準。貼裝完成后，使用與初次生產時同樣的溫度曲線重新進行回流焊接。

如果PCBA 元件密集度太高而無法使用特別小鋼網印刷焊錫膏，就只能選擇手工焊接進行返工，烙鐵尖要細，頂部的寬度不能大于1 mm。具體工藝步驟見表4所述。

表4 QFN 封裝器件手工返修工藝

（1）QFN 器件中央裸焊盤上錫。烙鐵頭溫度設置為370 ℃，涂布適量液體助焊劑，將事先已貯滿焊錫的烙鐵頭輕輕地接觸中央裸焊端，或直接用烙鐵頭施加焊錫絲，保持數秒，焊錫開始潤濕焊盤，形成一個漂亮的中間最高四邊略低的“枕形”焊點。

清除助焊劑殘渣后，測量元枕形焊點高度，控制在0.1～0.35 mm。如果枕形焊點高度太高，可以重新涂布助焊劑，將枕形焊點熔化后，用吸錫帶吸走部分焊錫，以降低枕形焊點的高度。枕形焊點制作完成后，需清理元件周邊I/O 焊盤上的焊錫殘渣和助焊劑殘渣。

（2）QFN 器件手工貼裝。重新在元件的枕形焊點上涂布適量新鮮助焊劑，并借助顯微鏡盡可能精確地手工貼裝到PCB 上，且根據第1 腳的位置確定元件方向。由于枕形焊點的存在，元件貼在PCB 上后會搖晃，所以手上動作要特別小心。

（3）QFN 器件熱焊盤手工焊接。用鑷子輕輕壓住器件，通過噴嘴吹出熱風加熱元件頂部，直到枕形焊點熔化。當枕形焊點熔化時，會感覺到元件有輕微的下沉。移走熱風噴嘴待冷卻后，元件已被固定在PCB 上。清理助焊劑殘渣，并檢查元件頂面是否水平，以及元件I/O 焊端與PCB 上的I/O焊盤是否對準。如不準，可重新涂布助焊劑，將枕形焊點重新加熱熔化后，用鑷子輕輕撥動調整。

（4）QFN 器件周邊焊盤手工焊接。涂布新鮮助焊劑到元件周邊I/O 焊盤和PCB 上的I/O 焊盤，用尖頭烙鐵逐個點焊，注意避免引起橋連。完成焊接后，用溶劑清洗除去器件和PCB 上的助焊劑殘渣，獲得完美的返工效果。

5 結 論

QFN器件由于其特有的優越性能，已在電子產品中被廣泛的推廣和應用，但其微型引線框架無引腳封裝特點，對傳統組裝工藝帶來了很大的挑戰，尤其是PCB 焊盤設計與焊膏印刷網板開孔設計方面，這就需要設計工程師從源頭抓起，慎重選型，仔細研究封裝焊盤尺寸、PCB 焊盤尺寸及過孔特征，從設計方面提高產品可制造性，其次在組裝過程中，嚴格控制焊膏印刷、元件貼裝、回流焊接工藝，提高產品一次成品率。另外，還需熟練掌握專用返修臺及手工返修工藝，實現不良品的高品質處理，降低制造成本。

[1]鄭雪輝，王萬平.QFN 焊盤設計和工藝[C].2013 中國高端SMT 學術會議論文集：193-198.2013，中國·重慶.

[2]年曉玲.QFN 焊盤設計與工藝組裝[J].電子質量，2010(5)：39-41.

[3]汪繼凡，葉裕明，吳正旺.QFN 板級焊點可靠性研究[A].2011 中國高端SMT 學術會議論文集[C].636-643.2011，中國·南京。

[4]IPC-SM-782 表面安裝設計和焊盤設計標準[S].