SMT QFN 元器件接地失效不良分析改善案例
文章来源:SMT工程师之家
一、摘要: 随着电子产品的多功能小体积发展趋势,电子元件、材料也随之变革,芯片的封装技术 也得到了历史性的发展。传统的 SOIC&TSOP 封装也在向着 QFN(Quad Flat No-lead Package,方形扁平无引脚封装)迈进,QFN 技术由于底部中央有大暴露焊盘被焊接到 PCB 的散热焊盘上,使得 QFN 具有极佳的电和热性能;无引脚焊盘设计使其占有更小的 PCB 面 积;非常低的阻抗、自感可满足高速或者微波的应用。基于以上 QFN 的封装特点其可制造 性及可靠性的要求也越来越高,特别是 QFN 元件在用于 PWM 控制线路时因其焊盘设计的 独特性,焊接的难点主要出现在 Vin、SW、PGnd 相互短路的问题上。为了提高其可制造良 率,结合 QFN 的封装结构特点,提升整机的焊接良率及 OATL.
二、引言: 因 QFN 芯片封装结构的特殊性,如何在大规模生产中提升 QFN 的焊接良率是每个工 艺工程师及企业所追求的目标,这要从整个产品的制造工艺流程去探索,实验,通过实验数 据改善整机的焊接良率.
三、QFN 接地失效案例分析:
QFN 簡介:
QFN(Quad Flat No-lead Package)是一种无引脚封装,呈方形或矩形,封装底部中央位 置有一个大面积裸露的焊盘,具有导热的作用,在大焊盘的封装外围有实现电气边接导电焊 盘。其内部引脚与焊盘之间的导电路径短,自感系数以及封装体内布线电阻很低,所以,它 能提供卓越的电性能。此外,它还能过外露的引线框架焊盘提供了出色的散热性能,该焊盘 具有直接散热的通道,用于释放封装内的热量;是一种焊盘尺寸小、体积小、以塑料作为密 封材料的新兴的表面贴装芯片封装技术。QFN 通常散热焊盘焊接在电路板上,并且 PCB 中 的散热过孔有助于将多余的功耗散到铜接地板中,从而吸收多余的热量。图 1 所示是这种采 用 PCB 焊接的外露散热焊盘的 QFN 封装。由于体积小、重量轻,加上杰出的电性能和热性 能,这种封装特别适合任何一个对尺寸、重量和性能都有高要求的应用。
QFN 的焊接难点
针对无引脚底部有较大散热焊盘的 QFN 元件的焊接,无论是设备的贴附参数还是 Stencil 的厚度及回流参数的设定都有着巨大的挑战;对于大功率的 PWM 控制 QFN 元件其 Gnd 焊 盘的焊接性需要达到客户的需求标准对于 Stencil 的开孔方式及厚度、锡膏的颗料规格存在 微妙的关系。目前大功率的 PWM 控制 QFN 元件所面临的焊锡难点就是小 pitch 无引脚 PAD 的焊接连锡问题、较大散热焊盘虚焊、少锡及溢锡不良。
案例解析:1)Stencil 的开孔形状及厚度的选择决定了产品的良率及可靠性。下面从我司遇到的案例进 行介绍,以某服务器电源产品 IR3841MTRPbF QFN package 为例:失效模式:该产品设计的设计为 Vin,SW,PGnd 散热焊盘,要求散热性及导电性良好,在 Reflow 制程中存在 Vin,SW,PGnd 散热焊盘溢锡导致短路不良。2)为了控索以上失效模式,我 司从 Stencil 的两个方面进行验证:
3.1 制程条件及工艺参数:
3.1.1 焊接材料为锡银铜合金 SAC387 无铅锡膏,焊锡粉规格为:Type3.3.1.2 焊接材料印刷设备(松下 SP 28P-DH)参数:锡印速度:85mm/s,锡印压力:28N, 脱膜速度:0.3mm/s,脱膜距离:3.0mm,实测锡膏厚度范围:0.15mm~0.17mm,刮刀材质:钢 材。
3.2 方案一:根据 IC 厂商方案以元件引脚 PAD 尺寸为开孔标准,散热焊盘外围内切 0.15mm。
1)元件基本信息:Vin,SW,PGnd 散热焊盘间距:0.25~0.30mm,如图 2:
2)Stencil 的开孔与原文件对比如图 3:
3)散热焊盘模板开孔尺寸比例在 80%以上,引脚 PAD 采用倒圆角的方式,Stencil 的开孔 面积比>0.66,宽深比>1.66 符合 IPC-7525A 标准。4)验证结果:根据以上以 IC 厂商方案以元件引脚 PAD 尺寸为开孔标准的方案不可行,回 流后 Vin,SW,PGnd 散热焊盘存在上锡不足焊接材料覆盖面积小于 75%,引脚位置又存在溢 锡形成锡珠现象不符合客户需求。3.3 方案二:将 Stencil 上 SW 散热焊盘与相邻的 PAD 边内切 0.1mm,引脚 PAD 长度外延 0.15mm,其他信息与方案一一致,如图 4:
验证结果:使用方案二的开口方式其焊接品质及电性功能完全满足客户需求。
总结:
1)经过多次的实验验证,我公司已积累了服务器电源行业 QFN 元件焊接的部分经验。QFN 元件良好的焊接需要基于焊接材料堆积的高度及 Stencil 的开孔形状的基础上,焊接材料的 覆盖面积在80%~85%之间会形成良好的焊点,润湿面积及电性导通功能也可达到客户的需 求,也可以避免溢锡而导致短路的产生。2)QFN 元件的外露引脚大部份都是与散热焊盘是一个整体,所以在 Stencil 开孔时网状孔一 般不建议,可按元件 PAD 尺寸开通孔,因为网状孔在回流润湿过程中引脚 PAD 上焊料会被 拉至向中间散热焊盘位置,外露引脚 PAD 会出现少锡现象。3)QFN 元件的各散热焊盘之间 Stencil 开孔的方式需保证其安全距离在 3.5mm 以上。
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