QFN器件手工焊接质量及可靠性改善方法的研究

摘要：QFN封装最初只被应用于消费类电子产品中,随着行业对其可靠性机理的认知不断深入,现在已经逐渐地被应用到工业类和医疗类电子产品中。然而,这种无引脚的封装器件也给表面组装技术（SMT）提出了一些新的要求。对于QFN等底部端子器件的焊接质量,IPC-7093指出工艺的关键控制点是焊点的高度（离板高度）和散热焊盘底部焊点的气泡率。

关键词：焊点高度；散热焊盘；空洞率；寿命预计；

一、QFN焊点质量改善思路

针对QFN的PCB焊盘设计,行业内目前已经开展了较多的研究,主要集中在QFN焊盘的DFM、中间散热焊盘的过孔设计和引脚及散热焊盘的锡量兼容方面。根据业内经验,文中PCB的设计选择引脚焊盘外延0.3 mm,内延0.05 mm的设计,中间散热焊盘的散热过孔设计方面,目前主要有4种方式,即：通孔设计、底部塞孔、顶部塞孔和双面塞孔工艺。采用双面绿油塞孔工艺,其中,过孔直径为0.3 mm,过孔间距为1.0 mm。回流焊过程中助焊剂挥发产生气体,当助焊剂挥发不完全或者气体逃逸不彻底时将残留在焊料中而形成气泡。采用阻焊层对散热焊盘进行分割的方式来设计PCB焊盘,PCB散热焊盘的实际覆铜面积不变,在覆铜表面保留一定量的绿油阻焊层。采用这种设计方法具有诸多的优点,主要包括：散热焊盘面积不会减小;阻焊层的厚度小于焊点的高度,在回流过程中为阻焊剂挥散热焊盘引脚焊盘发气体提供了逃逸的通道从而能够降低空洞率；这种设计也不会增加PCB的制版成本。将在第三部分通过ANSYS仿真分析来讨论这种设计对QFN焊点可靠性的影响,确认这种设计的合理性。 二、QFN焊接实验验证

行业标准建议QFN焊点的高度应控制在50~70μm之间。针对空洞率的控制,目前行业内没有统一明确的量化标准,但可以确定的是,气泡量越低越有利于芯片的散热和焊点高度的控制。

1.工艺改善DOE。在焊接工艺中,影响焊点高度和散热焊盘空洞率的工艺因子主要有：散热焊盘的下锡量（AVolume）、钢网开口的形状（B Pattern）、QFN PCB散热焊盘的设计（C Pad）和回流焊的保温时间（D Time）。将4个工艺因子根据水平值组合进行了16组SMT工艺实验,DOE结果表明：散热焊盘阻焊分割设计对降低空洞率的效果最为明显；钢网开口的形状和回流焊保温时间对降低空间率的效果也相对显著；散热焊盘下锡量对降低空间率的影响相对偏弱,后续可通过调节下锡量进行焊点高度的调节。应用响应优化器对工艺因子及回流后的气泡率进行分析,结果如图2所示。

图2响应优化器分析最优的工艺及设计条件

从图2中可以看出,当钢网开口采用方形设计,散热焊盘采用阻焊膜分割,回流保温时间增加到80 s时,10 mm×10 mm的QFN散热焊盘的空洞率将得到最优的效果。

2. 工艺改善结果。采用以上最优工艺及设计条件进行批量SMT实验验证,实验数据表明：采用传统的散热焊盘时,空洞量不可控,空洞率为6%~40%；采用绿油阻焊分割设计后,散热焊盘空洞率降低0~8%,改善效果较为明显。当采用分割设计时,焊点高度集中在70~85μm,而采用焊盘不分割设计时,焊点高度为60~100μm,相对分散。因此,采用焊盘绿油分割方式可以较好地控

制焊点高度。可通过调节散热焊盘的下锡量将焊点高度降低到50~70μm之间,焊点高度降低,可使焊点高度的分布更加集中可控。 三、可靠性分析与预计

结合ANSYS仿真结果可以知道,QFN器件焊点的热疲劳失效机理是：当芯片持续工作时,较大的耗散功率使得QFN器件发热,昼夜交替等环境变化使得器件的工作条件出现温差；此时,QFN焊点类似于暴露在温循环境中,因此焊点的焊料内部存在由于蠕变和应变等内应力不断产生和释放的过程,而导致焊料出现晶粒粗化的现象,随着粗化程度加大,晶粒之间逐渐地形成裂纹并不断地生长或扩展,直至贯穿整个有效的焊接界面,从而出现焊点开路失效,在电子装联可靠性分析中,一般使用加速应力实验来预计焊点的寿命,QFN焊点的热疲劳失效机理对应的应力是温度循环应力。产品中的电源芯片采用4 mm×4 mm的QFN封装结构,产品在用户端正常工作时,实际的温循环境最低温度T可达到-40℃,最高温度T可达到100℃,因此数值仿真中采用TC4温循加速条件,T（最低）为-55℃,T（最高）为125℃,温升及温降时间为15 min,高低温驻留时间为10 min。在QFN散热焊盘散热过孔不采取绿油塞孔工艺的情况下,功能引脚的焊点高度约为30μm,焊点可承受的循环数N（Test）为1 187。对于SMD焊点的热疲劳寿命分析,可采用Engelmaier-Wild焊点失效模型来估算加速因子AF,此温循加速条件对应的加速因子AF=0.6。因此,Nf（Product）=N（Test）×AF=712个循环。产品实际使用过程中每个温循周期为24 h（1 d）,因此,预估此QFN焊点的热疲劳寿命约为1.95年,这与实际产品中的QFN焊点寿命表现基本吻合,产品上市时间为2015年下半年,2017年11月份QFN焊点发生开裂失效,寿命约为2年左右。失效焊点的焊料内部可见明显的晶粒粗化及贯穿性裂纹,失效焊点分布在封装对角,并且裂纹位置贴近焊接界面。基于以上仿真模型可知,当QFN焊点的高度增加到60μm时,焊点的寿命可以增长到3.4年左右。针对10 mm×10 mm的QFN器件,通过以上的设计及工艺优化,批量装联时焊点的高度可控制在60μm左右,其对应的循环数为1150,是优化前的1.6倍（优化前焊点的高度为30μm,对应的循环数为718）。

总之，QFN器件焊点的热疲劳失效机理是：当芯片工作时,较大的耗散功率使得QFN器件发热,加上昼夜温差,QFN焊点暴露在温循环境中,焊点焊料内部存在蠕变和应力释放,焊料在连续的应力条件下出现晶粒粗化,焊料内部出现微裂纹,随着粗化程度的加大,裂纹生长或扩展,直至贯穿整个有效的焊接面,焊点发生开路失效。针对10 mm×10 mm及以下尺寸的QFN器件,通过对PCB散热焊盘进行绿油分割设计,为回流焊过程中的阻焊剂挥发预留气体逃逸通道,可有效地降低散热焊盘的空洞率（空洞率从优化前的6%~40%,改善到优化后的0~8%）,同时使得焊点高度达到可控（焊点高度从优化前的60~100μm,改善到优化后的70~85μm）,从而保证了QFN有较好的散热通道,进而使得QFN焊点的热疲劳可靠性可控。 参考文献；

[1]李毅.关于QFN器件手工焊接质量及可靠性改善方法的研究.2019. [2]夏小岩.SMT-PGA封装焊点热疲劳寿命预计模型研究.2018.