QFN器件的网板设计研究

1、QFN器件的网板设计研究王其超摘要：QFN（Quad Flat No-lead，方形扁平无引脚）封装器件因其具有良好的电/热性能、体积小、重量轻等优点，不仅使用在数码相机、手机、PDA等消费类产品2008.7.1QFN封装器件(以下简称QFN)是一种无引脚封装器件，呈正方形或矩形，封装底部有与底面平行的焊盘，其中央是一个大面积的导热裸露焊盘(以下简称导热焊盘)，围绕在导热焊盘周围的是实现电气连接的焊盘(以下简称导电焊盘)。QFN导电焊盘有两种类型：一种是只裸露出封装底部的一面，其它部分被封装在元件内；另一种是焊盘还向外在封装体侧面裸露。缩短了连接距离的导电焊盘可以提供良好的电性能，而导热焊盘可

2、以将封装体的热量迅速传导到PCB上，具有良好的热性能。因此，QFN以其良好的电/热性能、体积小、重量轻等优点，成为众多新应用的一个理想选择。PCB上对应于QFN导热/导电焊盘的焊盘，我们称之为热焊盘和四周焊盘。相应地，热焊盘设计尺寸与QFN的导热焊盘尺寸基本相同；而四周焊盘的设计尺寸也和QFN的导电焊盘尺寸相似，但向外稍长一些。QFN的缺陷与检查在实际生产过程中，QFN焊点也会出现短路和虚焊等缺陷。如果QFN储存在不受控的环境中，其导电焊盘靠外的末端和侧面都可能会被氧化，这是因为QFN仅仅是导热焊盘和其在同一面的导电焊盘表面被电镀了焊接涂层，而导电焊盘靠外的末端和侧面则没有。当然，如果氧化程度

3、不很严重，或助焊剂起到作用的话，也可能会形成良好的焊点。更多出现的是QFN开路和少锡缺陷。依靠目视检查很难发现这些缺陷，甚至连XRay也无法做出判断；这是因为QFN焊点是在元件本体下方，且高度有限。从图1可以看出，F部分的差别是明显的，但真正影响到焊点质量的G部分图像则是相同的。用电烙铁加锡，增加的只是图1中的F部分，对G部分到底有多大影响，XRay仍无法判断。在暂时没有更多办法的情况下，更多地依靠ICT测试来判断焊接的效果（在实际生产中我们发现，如果导电焊盘的外部焊点出现异常情况，那么在ICT和FT处查出的开路也较多），对于SMT工艺来说，也只能依靠目检焊点的外部情况（图1中的F部分）来判断

4、。QFN的贴装和回流焊接贴片机的精度决定了QFN的贴装精度和角度的调整，轻微的贴片偏移可以在过回流焊后自动纠偏，严重的偏移应该在回流焊前进行矫正，以免发展成短路缺陷。使用贴片机视觉系统调整QFN的位置有两种方法： 封装轮廓视觉系统搜索封装的外形轮廓 引脚识别许多视觉系统可以直接搜索引脚的形状对QFN来说，这两种方法都可以接受且各有利弊：焊盘识别比较准确，但要搜索多只引脚，多只引脚的图像数据由贴片机同时进行处理会较慢。封装轮廓识别起来比较快，但精度不够。如图2所示，在QFN工艺优化期间，贴片不偏移是关键，以免同其它问题混在一起，不利于问题的分析和解决。QFN对回流焊接工艺并没有特殊的要求，和所有

5、的元器件一样，对各种类型的PCB，在板上不同位置都要求回流温度符合规范，而每个元器件的温度受周围焊盘、板上所处位置和组装密度的影响。实际的回流峰值温度，保温(soak)时间和升温斜率范围不能超过所用焊膏说明书(SPEC.)的要求。一般情况下，供应商提供的焊膏SPEC.中描述的目标温度和时间范围是相当宽的，主要受合金成分、助焊剂活性、合金粉末和助焊剂搅拌状况等因素的影响，基本上锡铅焊膏峰值温度在235左右，而无铅焊膏在250260。QFN印刷工艺和网板设计在QFN表面贴装工艺中，网板印刷调整的准确性是获得一致焊膏沉积的基本条件，而对刮刀的角度和速度进行优化是其中的一个关键步骤。在印刷焊膏的过程中

6、，不锈钢材质的网板更耐用且很少有变形，激光切割、孔壁电抛光的网板有助于提高焊膏释放率。如果印刷设备限制了网板实际印刷质量，建议使用step-down（阶梯）网板。在QFN贴放到PCB上之前，必须要保证网板具有良好的输出结果。对于焊盘上焊膏体积的沉积，网板厚度、开口形状及几何图形的作用同样重要。设计网板时应考虑满足以下两种比率： 面积比开口面积开口的侧面面积 宽厚比开口宽度网板厚度QFN周边焊盘网板开口是方形的开口，它们的比率应该是： 面积比L×W/2×T×(L+W)， 宽厚比W/T其中，L和W分别是开口的长和宽，T指网板厚度。如果要达到比较好的焊膏释放，面积比和宽

7、厚比应该大于0.66和1.5。一般建议网板开口尺寸和PCB焊盘尺寸比为1:1，这样做可以让面积比和宽厚比目标比较容易达到。采用底部填充过孔方式的热焊盘网板开口设计PCB上热焊盘和四周焊盘的面积差巨大，使得过回流焊后保持相同的焊锡高度非常困难。实验证明，0.13mm网板，面积比大于0.66时，四周焊盘转印效率为73%，热焊盘转印效率为100%。我们需要做的是，通过减少热焊盘焊膏覆盖面积，使得过回流焊后热焊盘和四周焊盘的焊锡高度处在相同的水平。针对热焊盘，建议采用多个呈“十”字分隔开的“小”网板开口代替单一的一个大的网板开口，以确保一致的焊膏沉积和减少发生拉尖缺陷的风险。焊膏覆盖量的典型值为508

8、0%，而采用底部填充处理的热焊盘焊膏覆盖量至少要达到50%，以防止回流焊过程中QFN漂起并引起导电焊盘发生开路的风险。如果焊膏覆盖面积太大，回流焊过程中气体向外溢出时会引起溅锡和锡球等缺陷，应采用图4所示的开口方式，允许回流焊过程中有独立的排气空间。采用贯通孔过孔方式的热焊盘网板开口设计贯通孔的设计方式允许焊锡通过毛细现象流入过孔，和底部填充的过孔方式相比，将会得到一个比较低的离板高度，而这个高度的大小取决于导热焊盘下的焊锡量。注意，导通孔并没有完全被焊锡填充，推荐的做法是让导通孔壁充分润湿直到底部塞紧。焊锡流入贯通孔(热焊盘上的一种过孔处理方式，过孔不作阻焊处理，回流过程中热焊盘上的焊锡会渗

9、入过孔中，造成QFN导热焊盘和PCB上热焊盘间的焊料体积减少的量和PCB板厚及热焊盘的焊膏沉积有关，控制不当可能会导致焊锡在背面渗出。根据经验，这种渗出可以通过减少焊膏沉积，以及将峰值温度降低到215来实现。如果焊锡渗出不能有效避免，QFN将不得不装配在PCB顶面，因为焊锡渗出将妨碍其底面的焊膏印刷。另一方面，不能一味地减少热焊盘的焊膏沉积，一般推荐贯通孔处理的热焊盘焊膏覆盖至少要达到75%，这样可以形成50微米厚的焊接层，以帮助提高单板的可靠性。更复杂的是QFN导热/导电焊盘与PCB热/四周焊盘的尺寸匹配问题。在实际生产中，我们碰到一个2×2mm的QFN，热焊盘过孔设计使用贯通孔方

10、式，为了防止焊锡在PCB的背面渗出，将热焊盘的网板开口作分割处理，四周焊盘对应的网板开口为1:1，结果仍然产生了图1所示的少锡问题，甚至用ICT检测到大量的短路缺陷，但使用SPI检测设备没有发现明显的焊膏印刷缺陷。通过对QFN导热/导电焊盘与PCB上热/四周焊盘的尺寸分别作对比（如图5所示）后我们发现，导热焊盘比热焊盘宽度略大，而导电焊盘比四周焊盘长度略小。通过分析我们认为，当QFN贴装在PCB上时，导热焊盘外侧很容易碰到PCB四周焊盘的内侧，回流之前就可能已经连锡，回流后这种0.5mm间距的引脚之间出现短路缺陷，甚至熔融的焊锡会拉到热焊盘上，造成导电焊盘少锡。之后，我们将导电焊盘对应的网板开

11、口做了缩孔处理（见图7），该问题得以解决，整个产品的缺陷率从1.06%下降到0.13%。网板开口和QFN焊接可靠性的关系QFN的焊接可靠性很大程度上受到焊点离板高度、焊点焊锡量、PCB焊盘尺寸和热焊盘设计的影响；其中，焊点离板高度、焊点焊锡量的变化和网板开口有关。焊点离板高度与热焊盘上焊膏覆盖率和过孔类型有关，因为焊膏覆盖面积增大，离板高度就会增加。为了有助于提高单板的可靠性，必须保证达到50微米厚的焊接层；一般地，对于热焊盘焊膏覆盖率，底部填充方式至少要达到50%，而贯通孔方式至少要达到75%。焊点离板高度也与热焊盘上过孔的类型有关（主要与焊锡被润湿后流进孔里的焊锡量有关）。如果是底部填充方

12、式的过孔，由于过孔从反面被阻塞的缘故，焊锡会被阻止进入；贯通孔方式很容易使熔融的焊锡流到孔内，焊点离板高度就会降低。此外，对于贯通孔设计的过孔，过孔的数量和尺寸也会影响到焊点的离板高度。一个焊点具有正确的离板高度，但没有或仅有低的外部焊点，在实际应用过程中也是不可靠的。四周焊盘的外部焊点受PCB焊盘尺寸、焊膏印刷量、离板高度等多种因素影响。如果网板开口是1:1的话，将会对外部焊点提供充足的焊锡量，前提条件是离板高度不能太高，因为可利用的焊锡量比较有限，如果热焊盘上焊膏覆盖面积增大，就会形成较高的离板高度，对焊点来说没有足够的焊锡来补充。相反地，如果离板高度太低，大的表面弯曲呈球状的外部焊点就会形成。焊盘的大小和过孔类型都会对离板高度有影响，有必要通过实际生产优化调整工艺方法，达到QFN可靠焊接的目的，必要时还要反馈上游设计工程师进行优化设计。结论QFN