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QFN元件的丝印、贴装及返修工艺作者:上海贝尔阿尔卡特股份有限公司 王其超
摘要:
QFN封装(Quard Flat No-lead方形扁平无引脚封装)具有良好的电和热性能、体积小、重量轻，其应用正在快速增长。QFN的封装和CSP有些相似，但元件底部没有焊球，与PCB的电气和机械连接是通过PCB焊盘上印刷焊膏、过回流焊形成的焊点来实现的，对PCB焊盘设计和表面贴装工艺提出了一些新的要求。印刷网板设计、焊后检查、返修等都是表面贴装过程中所应该关注的。
概述 QFN是一种无引脚封装，呈正方形或矩形，封装底部具有与底面水平的焊盘，在中央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焊盘。
导电焊盘有两种类型：一种只裸露出封装底部的一面，其它部分被封装在元件内；另一种焊盘有裸露在封装侧面的部分 (图1)。
与PCB的电气连接是通过在PCB焊盘上印刷焊膏、过回流焊形成焊点，将QFN焊盘和PCB上相应的焊盘连接起来实现的。缩短了连接距离的导电焊盘可以提供良好的电性能；中央大的热焊盘可以将封装体的热量迅速传导到PCB上，具有良好的热性能。
QFN封装具有良好的电和热性能、体积小、重量轻，成为了许多新的应用的一种理想的选择。在印制板上，封装的大面积裸露焊盘相对应的热焊盘，其尺寸设计与封装的大面积裸露焊盘尺寸相同；导电焊盘相对应的四周焊盘，其尺寸也和导电焊盘尺寸设计相似，但向外稍微长一些。
印刷网板设计 能否得到完美、可靠的焊点，印刷网板设计是关键的第一步。四周焊盘网板开口尺寸和网板的厚度的选取有直接的关系， 一般较厚的网板可以采用开口尺寸略小于焊盘尺寸的设计，而较薄的网板开口尺寸可设计到1：1。关键是面积比要符合IPC-7525有关的规定。推荐使用激光制作开口并经过电抛光处理的网板。如果网板厚度>150um，则可考虑采用电铸的网板。在实际生产中，分别设计试验了150um和130um厚度两种网板，使用AOI记录了印制板上3种不同封装尺寸的QFN器件（Type A、B和C）的焊膏印刷情况。
两种厚度网板的参数设定、使用的焊膏和印刷设备完全相同，从印刷的结果来看，150祄网板的面积比
AOI的焊膏图形高度统计结果如下：
从表1中可以看到，130um网板的印刷高度普遍比150祄网板要薄，由于设备印刷结果偏厚的固有偏差，似乎130祄网板的印刷结果更接近150um网板期望的印刷高度目标值。
AOI的焊膏堆积体积统计结果如下：
从表2的统计结果可见，相对150祄的设计，130祄网板所获得的焊膏量要略小于150祄网板的获得量，这个结果也是可以预见到的，毕竟厚度减少了13%。根据面积比的计算，理想的释放率A和C型应该>73%，B型应该>89%，如果按各自的目标值统计，130um的网板的QFN的释放率在88～107%，完全符合要求，即使按150um网板的设计释放量为100%来计算，130um的释放率也是符合要求的。
焊接后，目视检查的结果如下：
QFN元件的缺陷率，150祄网板和130祄网板比较没有显著的差别。
从照片来看，两种网板对应的QFN元件的外部焊点情况焊锡量都较充足，可以看出，在过回流焊时四周焊盘上的焊锡会被挤到外面，150祄网板的焊膏量要大于130祄，所以在焊接时被挤出的量更多，外部焊点看上去也更大。中间散热焊盘如果也采用1∶1开口，四周焊盘上的焊锡被挤出来，则散热焊盘上的焊锡也会向外挤，就很容易造成锡珠或桥接的发生。
为了减少可能出现的缺陷，可考虑缩减QFN底部散热焊盘的网板开口面积。QFN散热焊盘的网板开口可以开成一组规则排列的小的方形开口或小的圆形开口组合，也可以开成不规则的不同形状开口的组合，使加起来总的开口面积达到散热焊盘面积的50%～80%，但焊后的连接面积最小应该＞40%。
由于器件引脚的配置不同，上述四种QFN元件导电焊盘都是侧面无法上锡，仅有一面可与板上形成焊点的类型，所以侧面堆积的焊锡无法作为焊接是否良好的直接判断依据，只能作为一种辅助的判断手段来判断元件是否曾经上锡。
由于QFN的焊点是在封装体的下方，并且厚度较薄（图中G部分），X-Ray对QFN焊点少锡和开路无法检测，只能依靠外部的焊点的情况（图中F部分）尽可能地加以判断，但由于器件的引脚配置形式不同，F部分在IPC标准中是一个无法指定的部分（Unspecified parameter or variable in size as determined by design）：
从X－Ray图像可见，F部分的差别是明显的，但真正影响到焊点性能的G部分的图像则是相同的，所以这就给X－Ray检测判断带来了问题。用电烙铁加锡，增加的只是F部分，对G部分到底有多大影响，X－Ray仍无法判断。就焊点外观局部放大的照片来看，F部分仍有明显的填充（fillet）部分。
在暂时没有更多方法的情况下，将会更多依赖生产后段的测试工位来判断焊接的好坏。
QFN返修 对QFN的返修，因焊接点完全处在元件封装的底部，桥接、开路、锡球等任何的缺陷都需要将元件移开,因此与BGA的返修多少有些相似。QFN体积小、重量轻，且它们又是被使用在高密度的装配板上，使得返修的难度又大于BGA。
当前，QFN返修仍然是整个表面贴装工艺中急待发展和提高的一环，尤其须使用焊膏在QFN和印制板间形成可靠的电气和机械连接，确实有一些难度。目前比较可行的涂敷焊膏的方法有三种：一是传统的在PCB上用维修小丝网印刷焊膏，二是在高密度装配板上的焊盘上点焊膏；三是将焊膏直接印刷在元件的焊盘上。上述方法都需要非常熟练的返修工人来完成这项
任务。返修设备的选择也是非常重要的，对QFN既要有非常好的焊接效果，又须防止因热风量太大将元件吹掉。
总结 由于QFN器件封装的特殊性，以及目前在检测和维修手段上的些许不足，因此在装配QFN器件时，网板设计，焊膏印刷，以及贴片的位置准确度，贴片压力等都需要特别的注意，以保证装配焊接的一次通过率，尽量避免不必要的维修发生。所以，焊膏印刷后的AOI，以及贴片后的AOI将在QFN的装配工艺中起到十分重要的控制和保证作用。
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