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一种QFN封装器件焊接故障分析

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-01-02  浏览次数:819
核心提示:摘要:结合工程实践,介绍了QFN封装器件的优点和结构特点,从印制电路板裸板制板工艺、装联工艺两方面分析了一种QFN器件产生故障
 摘要:结合工程实践,介绍了QFN封装器件的优点和结构特点,从印制电路板裸板制板工艺、装联工艺两方面分析了一种QFN器件产生故障的原因,并给出了解决办法.通过改变制板工艺、改进网板设计等手段,有效解决连焊等问題并增强元器件的装联可靠性。介 绍了其返修过程中应注意的工艺问题,并给出了QFN器件的可靠装联工艺

关键词QFN;焊接故障;网板设计

1、引言

 
1器件焊盘示意图

QFN (Quad Flat Non-lead)封装呈矩形或正方形是一种无引脚封装,如图1所示。封装材料为陶瓷或 塑料,电极触点中心距离一般为0.5mm0.65mm1.27mnu起导热作用的大面积裸露焊盘置于封装底部 中央位置,起电气连接作用的导电焊盘置于导热大焊 盘封装外围四周。由于没有引脚和外引线,与传统的QFP封装相比,QFN封装高度较低贴装占有面积较 小。且QFN导电焊盘与内部引脚之间导电路径短, 布线电阻及自感系数较低,具备卓越的电性能。在对重量、尺寸和性能都有苛刻要求的应用环境中,QFN封装器件特别适合。

28引脚的PLCC器件相比,32引脚的QFN件面积为5mmx5mmPLCC器件面积的16%;QFN 器件厚度为0.9mmPLCC器件厚度的20%,重量0.06g,PLCC器件的5%上述特点决定了 QFN 封装器件被广泛应用于高密度的印制电路板上。与此同时,也对该种器件的装联和返修提出了挑战。近日,在焊接一片158脚,焊盘间距为0.5mm的芯片时,发生了连焊问题。事后,将问题芯片解焊,并针对连焊进行了分析。

2、QFN封装器件焊接故障分析

QFN封装芯片焊盘为三层结构,内层为大面 积散热焊盘;中间和外层为有实际电气功能的焊盘: 欲通过中间层焊盘将管脚信号引出,但由于受到焊盘 间距过小的限制,只能以在焊盘上打金属化孔的方式 解决。芯片失效后,将芯片解焊下来,并从制板工艺、 装联工艺两方面分析故障。

2.1、印制电路板制板工艺问题

拆卸完芯片后在检查印制电路板的过程中,发现了如下问题。

A.印制电路板焊盘尺寸过小,如图2所示。同一个芯片的焊盘出现了lmm×1mm的标准焊盘和大量 的形状不规则的焊盘并存的现象。其中最小焊盘面积 仅为0.6mm×0.8mm且均向一侧偏移。此类煌盘很 容易在刮后的焊接过程中出现问题。小焊盘周围的空白区域被刮满锡育后,在回流焊接过程中这部分锡 膏会因为底部无焊盘,无法成为焊点的一部分,进而形成分散的小焊锡珠,形成多余物,极易造成短路等失效。有焊盘的区域因为焊盘面积较小,形成的焊点 较正常焊点小很多,若与周边的多余焊锡膏粘连容易 形成异形焊点。

 

图2、焊盘尺寸偏小

B.金属化孔占焊盘面积过大,如图3所示。这个 焊盘存在的问題很多,首先是焊盘尺寸小,其次焊盘 形状不规则,更为严重的是金属化孔面积几乎占到焊 盘面积的80%。焊盘刮完锡膏加热时,一部分没有在 焊盘上的锡膏变成了焊锡球,另一部分在焊盘上的焊锡从金属化孔漏了下去,很难形成良好的焊点。与此同时,部分没有金属化孔的焊盘辉接后形成的焊点 高度要高于有金属化孔焊盘的焊点,焊点同时存在连 焊与空焊两种看似矛盾的风险,即使勉强完成焊接, 焊点形状也会很不规则,可靠性难于保证。


图3、金属化过孔面积占焊盘面积过大

图4、焊盘金属化孔盖绿油

图5、金属化过孔偏钭

C.焊盘金属化孔盖绿油,如图4所示。绿油本身是一种阻焊膜,当焊盘上的金属化孔盖绿油并刮完锡后,在焊接过程中很难形成良好焊点,极易造成焊 锡向没有绿油的焊盘一侧过量堆积或者以焊料球的 形式残留在焊盘周围,会导致大面积连焊或者出现大量多余物。

D.金属化孔偏斜。金属化孔偏斜是一种较为严重 的缺陷,由于焊盘本身存在着尺寸小、形状不规则、 焊盘间距小的情况,金属化孔偏斜又进一步縮小了焊盘间距,在焊接过程中极易形成连焊,从而导致短路。 图5红色圆形区域内,两个裸焊盘几乎已经连在了一 起。

通过上述分析可以发现,该印制电路板制板工艺存在严重缺陷是导致连焊问题产生的直接原因。

A.改进制板工艺,增加焊盘的定位精度和尺寸精度,最大限度地减少焊盘尺寸不准确、形状不规则等 问题的产生;

B.选用激光钻孔工艺和铜金属化工艺。激光钻孔工艺可以形成微小的导通孔,将PCBIC基板可靠互连。与传统的在孔壁上形成金属化的方法不同,铜金属化工艺可以用铜填满微导通孔。选用这两种工艺可以控制机械金属化孔的尺寸,保证焊接可靠性。

2.2、装联工艺问题

在PCB制板质量存在严重缺陷的情况下,很难完成焊接并投入正常使用的。如果要当作实验产品完 成装联工作,则必须采取补救工艺,仍然按部就班地 采用网板、刮青、对正贴片、焊接这样的焊接工艺流 程很大可能上会导致连捍。针对上述情况,目前比较 可行的是采用“双侧搪锡”的方法。所谓“双側搪锡” 是对PCB焊盘与器件焊盘均进行搪锡操作,每个焊 盘的锡量可控且搪锡位置准确,在辉接过程中不会存 在因多余锡裔熔化形成连焊或飞溅焊球的问题。

2.3 QFN器件返修工艺

QFN器件焊盘完全隐藏于元件封装底部,其返修 与BGA封装器件类似,但又有其自身特点:

A.空间狭小,刮锡膏困难;

B.元器件排布密度大,解焊及焊接过程中易对周边器件焊点造成扰动;

C.芯片自身轻薄小巧,传热速度快,在受潮情况下直接拆卸容易出现爆米花现象;

D.升温速度过快易导致芯片变形。

针对上述问题,在QFN器件返修过程中应采取相应工艺手段加以解决:

A.利用网板针对QFN器件刮膏:

B.采用阻热材料遮挡、防护QFN器件以外的区域;

C.返修前对印制电路板进行烘干处理:

D.合理设置温度曲线,详见表1。

表1 QFN器件返修温度曲线设置表 

3QFN封装器件装联工艺

对于该种元器件在制板质量良好的前提下,其焊接工艺也是值得探讨的。一般而言,影响其装联质量 的因素有以下几个方面:其一是设计因素。设计师在 产品设计阶段必须考虑产品的可制造性问题。比如这 里出问题的印制电路板焊盘,设计师应该在投板时明 确告知对方应采用激光打孔、填铜工艺,这样才能在 源头上解决问题;其二是PCB加工能力问题。印制 电路板制板厂商的加工能力在很大程度上影响着产 品最终的装联质量。PCB生产厂家必须有能力保障此 类小焊盘的定位精度、尺寸精度,否则后患无穷;最 后才是装联工艺问题。QFN封装器件的装联工艺网板 设计、刮膏、贴片、曲线设置、焊接等工序,后几个 都是比较成熟的。其中,需要重点考虑的是网板设计。 在网板设计过程中,通常需要考虑以下几个方面问 题:

A.网板的厚度。PCB焊盘上印刷的锡膏量由锡育 厚度决定,而锡膏厚度由网板厚度控制:在回流焊接时,过大的锡膏量会导致桥连。当QFN封装间距为0.5mm ,网板厚度应为0.12mm。

B.网板的开口尺寸。网板的开口尺寸必须小于等于PCB焊盘尺寸,这样才能保证没有多余的锡膏残 留在印制电路板上形成锡珠而导致短路。建议网板的开口尺寸应略小于PCB焊盘尺寸:

C.散热焊盘的处理。大面积散热焊盘既是QFN封装器件的特点也是其装联的难点。散热焊盘上过大的焊膏面积会导致焊球、溅射等多种缺陷。

如果大散热焊盘上的锡膏设计为一个整体,那么在焊接过程中又会影响到气体的散出,容易形成大量焊点空洞。综上两条所述,散热焊盘锡膏不应覆盖整个焊盘,同时应分割成几个部分。但是,锡膏量过少 也会导致焊接完成后元器件焊盘与印制电路板焊盘之间的焊锡量不足,从而影响散热效果。要解决这个问题,应该通盘考虑,在设计散热焊盘区域网板时可以采用多开小口来取代一个大开口,焊膏覆盖量的典型值为50%〜80%,可根据实际情况灵活选择小口的具体数量,如图6所示。

6散热焊盘网板开孔位置示意

4、结束语

在焊接此类高密度QFN封装芯片时,对于印制电路板焊盘不规则、位置不准确、金属化过孔打在焊 盘上的情况,采用传统的网板设计方法与刮裔焊接工艺,锡珠、连焊等质量问题几乎无法避免。唯有从制 板工艺开始,选择先进技术,同时在网板设计环节注重细节控制,方能装联出可靠的产品。对于已经出现 的问题,工艺师应在分析、实验的基础上及时归纳总 结,既能够解决问题又可以尽量避免类似问题反复发生,消除隐患。

 
 
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