對某印制電路板組件QFN封裝器件在電氣裝聯(lián)中出現(xiàn)的焊點(diǎn)橋連缺陷，從焊盤設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行原因分析。通過元器件焊盤優(yōu)化設(shè)計(jì)、焊盤阻焊方式優(yōu)選、鋼網(wǎng)改進(jìn)設(shè)計(jì)及焊膏印刷質(zhì)量提高，解決了缺陷的產(chǎn)生。對塑封QFN元器件和印制電路板進(jìn)行除潮、檢驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)了QFN封裝器件的高可靠性電氣裝聯(lián)。

某批量印制電路板產(chǎn)量預(yù)計(jì)每月上10KK片，然而在試生產(chǎn)即印制電路板組裝件電氣裝聯(lián)過程中，某QFN封裝器件大量出現(xiàn)焊點(diǎn)橋連現(xiàn)象，為保證該批次印制電路板組裝件高可靠性裝聯(lián)，本文從印制電路板焊盤設(shè)計(jì)、裝聯(lián)工藝進(jìn)行分析，采取解決措施，從檢測及環(huán)境試驗(yàn)方面對電裝過程進(jìn)行質(zhì)量控制，最終實(shí)現(xiàn)了批量印制電路板組裝件的高可靠性電氣裝聯(lián)。

1 QFN（Quad Flat No-lead Package）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

某印制電路板組件中采用的QFN器件呈正方形，周邊導(dǎo)電引腳電極均位于器件封裝底部，且封裝底部中央位置有一個(gè)大面積裸露焊盤用來散熱，圍繞大焊盤的封裝外圍兩邊有實(shí)現(xiàn)電氣連接的導(dǎo)電焊盤，如圖1所示。

2 QFN器件焊端橋連缺陷的分析

引起QFN焊端間橋連缺陷的因素很多，主要有下列幾種：

1）焊膏量局部過多；

2）焊膏坍塌；

3）焊膏印刷不良；

4）引腳變形；

5）貼片偏移量大；

6）鋼網(wǎng)開窗與焊盤的匹配性不好；

7）焊盤尺寸不符合要求；

8）印制電路板的制造質(zhì)量，如阻焊間隙、厚度及噴錫厚度的影響。

針對本文QFN器件橋連現(xiàn)象，結(jié)合上述因素，本文著重從印制電路板焊盤設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)方面進(jìn)行分析和采取解決措施。

2.1 QFN焊盤設(shè)計(jì)問題

對未電裝的印制電路板上QFN器件的焊盤進(jìn)行測量和分析可知，QFN導(dǎo)電焊盤較元器件焊端封裝內(nèi)延了0.10 mm，中間散熱焊盤較元器件焊端外延了0.15 mm，導(dǎo)電焊盤和中間散熱焊盤的間隙僅有0.05 mm，小于IPC 7351《表貼元件焊盤設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的最小值0.15 mm。

2.2 工藝技術(shù)

QFN電氣裝聯(lián)需要經(jīng)過鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)、焊膏印刷、貼片和回流焊接等流程，因此分析元器件焊接橋連缺陷時(shí)需要對這些環(huán)節(jié)進(jìn)行排查。

2.2.1 鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)

在QFN的自動(dòng)裝焊整個(gè)工藝流程中，焊膏印刷是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，鋼網(wǎng)是焊膏印刷過程中的工裝，鋼網(wǎng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接決定了焊膏印刷的最終形狀，是焊膏印刷質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵因素。QFN器件鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)包含三個(gè)因素：鋼網(wǎng)的厚度、網(wǎng)板的開孔設(shè)計(jì)方法和中央散熱焊盤的處理。

該QFN封裝器件屬于細(xì)密元件器件，封裝底部中央為一個(gè)大的整體散熱焊盤，鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，針對中間電氣焊盤，鋼網(wǎng)開孔尺寸與印制板上對應(yīng)焊盤完全一致，針對中間散熱焊盤鋼網(wǎng)上設(shè)計(jì)了一個(gè)方形的整體開孔，這樣的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致焊膏印刷量過大，且在焊接過程中影響氣體的排放，容易造成焊球空洞、飛濺等其他缺陷。

鋼網(wǎng)的厚度是器件印制板焊盤上印刷量的因素之一，大多或太少的焊膏量都會(huì)造成后續(xù)焊接過程中出現(xiàn)缺陷，測量使用的鋼網(wǎng)厚度為0.2 mm，本文QFN封裝器件引腳間距為0.5 mm，屬于細(xì)密元件，該鋼網(wǎng)厚度設(shè)計(jì)不合理。

2.2.2 焊膏印刷

通過對現(xiàn)場操作過程的調(diào)查發(fā)現(xiàn)焊膏印刷起初采取的方式是人工手動(dòng)印刷，該印刷方式存在：刮刀印刷壓力不均勻、鋼網(wǎng)與印制板貼合不緊密、焊膏和鋼網(wǎng)脫離速度不易控制等因素，從而影響焊膏轉(zhuǎn)移量，致使焊膏印刷量控制不準(zhǔn)確。

2.2.3 貼片

貼片力的大小與自動(dòng)貼片機(jī)的參數(shù)設(shè)置有關(guān)，目前單位采用的是高精度貼片機(jī)，貼裝精度達(dá)到±60 μm，精度完全可以滿足該QFN器件的貼裝，因此只需保證器件貼裝程序的精準(zhǔn)和貼片壓力的恰當(dāng)即可，貼片機(jī)的貼裝壓力范圍為0.5 N~7.0 N，編制貼裝程序時(shí)，以印制電路板上設(shè)置的基準(zhǔn)點(diǎn)準(zhǔn)備確定器件位置及對應(yīng)焊盤，將貼片機(jī)的貼裝壓力控制在3.0 N~4.0 N，在器件貼裝完成回流焊以前，對QFN器件的貼裝質(zhì)量進(jìn)行自檢，以便于發(fā)現(xiàn)貼裝過程中可能出現(xiàn)的器件極性方向裝反、器件偏移和焊錫橋連等器件貼裝缺陷。

2.2.4 回流焊接

回流焊接采取的是焊膏廠家通用的回流焊接溫度曲線，設(shè)備為五溫區(qū)回流焊接爐，焊膏為有鉛焊膏Sn63Pb37，熔點(diǎn)為183 ℃，通常再流焊接峰值溫度為210～230 ℃。結(jié)合印制電路板上其他元器件類型，微調(diào)生成新的回流溫度曲線，如圖2所示。圖中溫區(qū)設(shè)置為預(yù)熱保溫區(qū)、預(yù)再流區(qū)、再流區(qū)和冷卻區(qū)，預(yù)熱保溫區(qū)升溫速率控制在1~2 ℃/s ，預(yù)再流區(qū)為助焊劑侵潤區(qū)，即快速升溫區(qū)，升溫速率控制在1~3 ℃/s，再流區(qū)為183 ℃升至峰值溫度后再回到183 ℃的區(qū)域，通常控制在30~60 s之間，不超過90 s，其中峰值溫度需要保持7~15 s，冷卻到75 ℃，冷卻速率為1~3 ℃/s，室溫下整個(gè)過程時(shí)間大概為5 min，采用該溫度曲線進(jìn)行焊接后，其他元件均合格，說明QFN產(chǎn)生的橋連缺陷與回流焊接曲線無關(guān)。

3 解決措施

QFN器件橋連缺陷分別從印制電路板焊盤設(shè)計(jì)、鋼網(wǎng)改進(jìn)設(shè)計(jì)、焊膏印刷質(zhì)量優(yōu)化方面解決。

3.1 QFN器件焊盤的優(yōu)化設(shè)計(jì)

QFN器件包含中間散熱焊盤和周邊導(dǎo)電焊盤，焊盤的設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)方面：周邊引腳的焊盤設(shè)計(jì)；中間接地導(dǎo)熱焊盤及過孔的設(shè)計(jì)；PCB阻焊方式的選擇。依據(jù)IPC 7351《表貼元件焊盤設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，QFN焊盤應(yīng)比QFN的焊端略大且焊盤內(nèi)側(cè)應(yīng)設(shè)計(jì)成與焊端的形狀相適配的形狀，一般QFN周邊焊端有矩形和圓形，對應(yīng)印制電路板焊盤也應(yīng)設(shè)計(jì)成對應(yīng)的形狀。參考表1對該器件焊盤進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)化后QFN器件I/O導(dǎo)電焊盤向外延伸的長度為0.20 mm(≥0.15 mm)，有利于外側(cè)焊點(diǎn)的形成，內(nèi)延0.05 mm，接地焊盤外放0.05 mm，導(dǎo)電焊盤與中間焊盤的間隙為0.20 mm（≥0.15 mm）。QFN焊端尺寸如圖3所示，印制電路板焊盤對應(yīng)尺寸如圖4所示。

QFN器件貼裝時(shí)，通常將散熱焊盤直接焊接在PCB上。為了更好地散熱，QFN中間焊盤上通常設(shè)置散熱過孔。散熱過孔的數(shù)量及尺寸取決于封裝應(yīng)用情況、芯片功率大小，以及電性能的要求。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)散熱過孔間距1.0～1.2 mm，過孔孔徑尺寸0.30～0.34 mm [4] ，中間散熱焊盤過孔設(shè)計(jì)如圖5（a）所示，散熱孔采用頂部阻焊的形式如圖5（b）所示。

3.2 QFN器件阻焊的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步保證中間散熱焊盤與兩邊導(dǎo)電焊盤無焊膏橋連現(xiàn)象，決定采取不同的焊盤設(shè)計(jì)方式：中間焊盤采用有阻焊限制的SMD焊盤設(shè)計(jì)形式；周邊焊盤采用無阻焊限制的NSMD焊盤設(shè)計(jì)形式。周邊焊盤間距為0.50 mm，采用整排焊盤大阻焊圖形形式，阻焊圖形尺寸比焊盤周邊大0.06 mm，如圖6所示。

3.3 QFN鋼網(wǎng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

由于QFN器件鋼模板設(shè)計(jì)包括中間散熱焊盤和周邊導(dǎo)電焊端兩部分，根據(jù)器件焊端所需焊膏量的區(qū)別，鋼模板厚度按器件焊端間距的大小進(jìn)行確定 [5-6] 。該產(chǎn)品中QFN器件焊端間距小于0.50 mm，因此選用0.12 mm厚的鋼模板。

QFN器件焊盤上焊膏體積的沉積量不僅與網(wǎng)板厚度有關(guān)，還與開口寬度和長度有關(guān)，當(dāng)確定了模板厚度后，開口的尺寸就很重要了，圖7所示為模板開口尺寸示意圖，為了實(shí)現(xiàn)較好的焊膏釋放，IPC7525定義了模板開口設(shè)計(jì)最基本的要求，即網(wǎng)板設(shè)計(jì)時(shí)考慮到兩種比率：面積比=開口面積（ LW ）/開口的側(cè)面積（2 LT +2 LW ），應(yīng)大于1.5；寬厚比=開口寬度（ W ）/網(wǎng)板厚度（ T ），應(yīng)大于0.66 。

對于QFN器件周邊焊盤網(wǎng)板開口是方形的開口，中間焊盤尺寸遠(yuǎn)大于周邊焊盤尺寸，為了避免焊膏量偏多造成焊端之間的橋連缺陷，器件中間的散熱焊盤對應(yīng)鋼網(wǎng)上的開窗設(shè)計(jì)為網(wǎng)絡(luò)狀的井字形，鋼網(wǎng)開孔的總面積控制在為印制電路板對應(yīng)焊盤的70%~80%，周邊焊盤對應(yīng)開窗內(nèi)縮0.05 mm，同時(shí)外延0.15 mm。遵循IPC7525標(biāo)準(zhǔn)，按照上述設(shè)計(jì)思路，QFN器件鋼網(wǎng)開窗尺寸如圖8所示。

3.4 焊膏印刷

采用自動(dòng)印刷機(jī)進(jìn)行印刷，每印刷5塊印制電路板對鋼模板底部進(jìn)行一次清洗，以除去底部附著物。鋼模板連續(xù)印刷4 h后，從印刷機(jī)上取下進(jìn)行徹底清洗，烘干后再使用。焊膏印刷完成后，自檢焊膏印刷效果，調(diào)整焊膏印刷參數(shù)至最佳。

4 質(zhì)量控制

4.1 除潮

為了保證印制電路板組件的焊點(diǎn)可靠性，除了從上述焊盤和工藝方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)外，規(guī)定對潮濕敏感器件和印制電路板進(jìn)行預(yù)烘，參照IPC-9701標(biāo)準(zhǔn)對印制電路板在105 ℃下烘拷24 h；對QFN封裝和QFP封裝器件在125 ℃下烘拷24 h。完成元器件和印制電路板預(yù)烘后，在2 h內(nèi)完成電裝。

4.2 檢測過程控制

本文印制電路板組件中包含片式器件、QFP（Quad Flat Package）和QFN等封裝集成電路、貼裝連接器以及功能模塊等，為了保證批量產(chǎn)品的質(zhì)量，在印制電路板組裝的不同環(huán)節(jié)采用相應(yīng)的檢測手段，其中將AOI（Automated Optical Inspection，自動(dòng)光學(xué)檢驗(yàn)）測試分別安排在三個(gè)階段：1）錫膏印刷之后，檢測在印刷過程中出現(xiàn)的缺陷；2）再流焊之前，檢查元器件是否正確良好的貼放在板上的錫膏里；3）再流焊之后，做最后的把關(guān)。在回流焊完成后采用X-ray檢測QFN器件和功能模塊，保證兩種元件封裝底部焊盤焊接可靠性，不僅保證焊端無橋連，而且保證焊接空洞率在25%以下。

4.3 環(huán)境試驗(yàn)

為了確保印制電路板組件焊接完成后達(dá)到在具體使用環(huán)境中的可靠性預(yù)期值，在第一批45塊試生產(chǎn)樣件中抽取5塊進(jìn)行高低溫環(huán)境試驗(yàn)，環(huán)境試驗(yàn)條件參照IPC-9701中消費(fèi)類電子產(chǎn)品使用環(huán)境確定，見表2，溫度循環(huán)曲線如圖9所示。

環(huán)境試驗(yàn)后，對印制電路板組件焊點(diǎn)進(jìn)行AOI檢測，對QFN器件和功能模塊進(jìn)行X-Ray檢測，焊點(diǎn)均優(yōu)良，然后再對印制電路板組件進(jìn)行電氣性能測試，功能參數(shù)滿足技術(shù)要求。

5 結(jié)語

QFN器件有微型引線框架無引腳封裝的特點(diǎn)，在印制電路板組裝過程中的焊點(diǎn)質(zhì)量直接決定了整個(gè)印制電路板的質(zhì)量可靠性，但在組裝過程中容易出現(xiàn)焊點(diǎn)橋連、空洞等缺陷，焊點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生通常需要從設(shè)計(jì)、工藝、質(zhì)量控制等多方面尋找原因，只有仔細(xì)研究元器件封裝焊盤尺寸，優(yōu)化PCB焊盤設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品可制造性，并在組裝過程中，嚴(yán)格控制焊膏印刷、元件貼裝、回流焊接工藝，加強(qiáng)組裝過程中和組裝后的質(zhì)量控制，才能杜絕該封裝器件的焊接不良，提高產(chǎn)品的一次合格率，降低制造成本。