电子元器件QFN焊点失效分析和改进措施

电子元器件QFN焊点失效分析和改进措施

何朗娟

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摘要

   QFN器件性能卓越，在电子电路中为核心器件，则其焊点可靠性直接关系到整个产品的性能。本文重点分析了QFN器件的焊点失效模式及其原因，并在设计和工艺上提出了改善措施。

关键词

    来料不良；设计缺陷；焊点开裂；空洞；

QFN全称为Quad Flat No-leads Package,该封装元器件具有体积小、重量轻、优越的电性能及散热性能等优点，在电子行业军民用领域中均得到广泛应用。由于QFN器件引脚众多，一旦某个引脚焊点失效，将直接影响整个电路的性能，因此对QFN器件焊点失效分析和改进措施研究显得尤为重要。

1  QFN器件简述

一般QFN有正方形外形和矩形两种常见外形。电极触点中心距常见的有1.27mm、0.65mm、0.5mm。QFN器件是一种无引脚封装，它有利于降低引脚间的自感应系数，其封装底部中央位置有一个大面积裸露焊盘用来导热，围绕大焊盘的封装外围四周有实现电气连接的导电引脚。QFN引脚也称为可焊端，按可焊端分类可分为两种：连续性可焊端和非连续性可焊端。连续性可焊端的QFN，底部引脚与侧面引脚均进行了镀锡处理。非连续性可焊端的QFN，底部引脚镀锡处理但是侧面引脚未进行镀锡处理，底部焊脚为主要焊接面，侧边焊点主要起到辅助加固及方便目视检查的作用。非连续性可焊端的QFN器件制造过程为：成品圆片→划片→装片→焊线→塑封固体→电镀→贴膜→切割→去膜本体分离→测试印字编带→包装标签入库。IPC标准中要求QFN底部焊盘焊锡浸润良好，无短路空洞现象，对侧面焊点爬锡高度没有明确要求，但在军用产品和适用IPC三级标准产品里面，无论哪种QFN器件，不仅要求底部焊盘焊点浸润良好，无短路空洞现象，对侧面引脚焊锡应满足100%爬锡，只有这样才能让产品获得高稳定高可靠的电气性能和机械性能。

2   QFN器件焊点失效分析

影响QFN器件焊点失效现象大致归类可分为：器件本身失效、焊点开裂、焊点空洞、锡少、引脚短路、引脚不上锡。主要原因归结为来料不良、设计缺陷、制造缺陷三个方面。

2.1  来料不良

QFN器件来料不良多表现为器件受潮或者引脚氧化。QFN器件属于湿敏器件，在处理、运输和存储过程中，如没有按资料中的湿敏等级进行进行密封除湿处理，那么器件极易因为长期暴露在空气中而受潮。QFN器件一旦受潮，则封装内部的水分会由于回流焊焊接加热时而发生汽化膨胀，从而可能导致封装内部的界面剥离或者破裂，进而导致封装内的配线断路或者降低可靠性，一般称为爆米花现象。

非连续性可焊端的QFN器件，侧面引脚未进行镀锡处理，如长期暴露在空气中时，器件引脚容易与空气形成一层氧化膜阻碍焊锡与引脚浸润，而焊锡的成分很难破坏这层氧化膜，这层氧化膜最终会导致引脚无法上锡。

2.2  设计缺陷

设计缺陷可从焊盘设计、钢网设计、PCB排布设计三个方面分析。QFN器件焊盘设计应参考资料推荐尺寸并结合实际装配经验进行，焊盘间距、长宽、形状、过孔填充设计均会对器件可靠性产生极大影响。其中焊盘间距、长宽、形状设计不合理，极易出现引脚短路。这些参数一般可以直接参考资料推荐值，但是过孔填充设计资料一般未提及，如不做过孔填充设计，散热焊盘上的焊锡会通过过孔流走，导致焊锡偏少或者空洞。钢网设计通常也参考资料推荐并结合实际装配经验进行。中间散热焊盘钢网孔面积过大时，会使焊锡过多，导致中间散热焊盘与四周引脚短路。同时锡膏在回流焊过程中，助焊剂产生的气体无法通过焊盘沟道平衡疏，会使器件出现移位或者不平现象。因此钢网中间散热盘对应的钢网设计及其重要。QFN器件焊点较小，对机械应力较为敏感，极易受应力作用而开裂。器件靠近PCB线路板的安装孔时，安装孔的安装应力会直接导致焊点开裂。器件排布在PCB线路板的边缘时，也极易受搬运、周转应力作用。当PCB线路板发生翘曲或者变形时，器件主体也跟着翘曲，直接或者间接也会引起器件焊点开裂。

2.3  制造缺陷

制造缺陷可从静电击穿、钢网印刷、回流焊曲线方面分析。QFN是静电敏感器件，实际生产过程中产生的静电电压高达上万伏特，很多QFN器件内部无静电保护电路，耐压最高为几百伏特，很容易被静电击穿而受损。生产过程，如物料转移、器件安装过程中未做防静电措施时，操作人员或者工具均能产生静电对器件造成不可逆转的损坏。焊膏印刷在焊盘上是通过钢网印刷实现的，其中钢网未擦洗、刮刀压力大小不合理、钢网未做抛光处理均影响锡膏印刷效果，导致器件焊锡偏少、空洞或者短路。PCB印刷锡膏后，随即器件被贴放在锡膏上方并放入回流焊机进行回流焊。回流焊机的烘烤温度是受回流焊曲线控制的。回流焊炉的温区温度，运速会对器件焊点的质量产生影响。温度过高焊点过于老化，温度过低焊点会冷焊，均属于不良焊点。

3  设计和工艺改进

3.1  防止器件受潮和氧化

①严格检验来料包装，要求供应商以真空包装形式供货。②仓库存储条件应满足温度16℃~28℃，相对湿度为45%~75%。防潮柜湿度应满足：35±5%。③QFN器件需严格按：防静电隔潮袋+防潮柜+干燥剂+湿度指示卡进行包装存储，未放入防潮柜的需抽真空保存。④仓库发料遵循先进先出原则。⑤器件拆封后，需严格遵守器件现场寿命执行。以上措施均能有效防止器件受潮。安装器件前，需对物料进行检验。对引脚已发生氧化的器件，在装配前进行上锡处理，并涂敷适量的阻焊剂增强引脚的润锡能力。

3.2  设计改进

①QFN器件中间散热焊盘上的过孔增加绿油圈塞孔或者树脂塞孔，电镀填平处理，防止焊锡融化通过过孔流至PCB板反面，保证焊量。②中间散热焊盘处钢网设计成网格形状，让开过孔处。网格状钢网不仅有利助焊剂挥发的气体排出，更能防止焊锡流走。③QFN器件在PCB板上居中排布，距离安装孔至少5mm。④PCB板材选用硬度较高板材如FR4、Rogers4350b，板材厚度尽可能加厚。板材形应方正，长宽比应小于2：1，有效防止PCB板变形造成焊点开裂。

3.3  制造改善

①物料在检验、发放、存储、转移、安装过程，操作员需佩戴防静电手环，穿戴防静电鞋子和衣帽，操作桌面和桌椅做有效接地并符合静电要求。②避免人工印刷锡膏，机器印刷锡膏后，对锡膏印刷效果进行检验，要求锡膏脱模良好，厚度适中。③钢网制作时需作抛光处理，药水浸泡处理，保证锡膏印刷质量。④针对不同厚度、尺寸、板材的PCB板，回流焊前需加上工装进行回流焊曲线实际测试，要求实测的温度符合锡膏推荐温度曲线，禁止随意使用温度曲线进行PCB板回流焊。

4  结束语

电子产品的可靠性不仅是设计出来的也是制造出来的。我们科学多维度的分析QFN焊点的失效模式，进行归类的总结，并针对问题采取有效改进措施，才能“对症下药”，最终实现QFN高可靠装焊。

参考文献

⑴王旭艳，刘刚，QFN侧面焊点爬锡的影响因素分析，电子工艺技术

⑵佘红英，吴红，SMT全流程质量管控的实践与思考，电子工艺技术

⑶张文典，实用表面组装技术［M].北京：电子工业出版社，2007：105.