QFN封装元件组装及质量控制工艺

史建卫

(中兴通讯股份有限公司，广东深圳518057)

近几年来，由于QFN（方形扁平无引脚）封装具有良好的电热性能、体积小且质量轻，其应用正在快速增长。采用微型引线框架（Micro Lead Frame）的QFN 封装和CSP（Chip Size Package）封装有些相似，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，经过回流焊形成的焊点来实现的。QFN 封装对工艺提出了新的要求，本文将系统的对其组装及质量控制工艺进行探讨。

1 QFN 封装器件特点

QFN 封装是一种无引脚封装，呈正方形或矩形，封装底部具有与底面水平的焊盘，在中央有一个面积焊盘裸露用来导热，围绕大焊盘的封装外围有实现电气连接的导电焊盘，如图1所示。

图1 QFN 封装元件上下平面图

从结构看，QFN 封装不像传统的SOIC 与TSOP 封装那样具有鸥翼型引线，内部引脚与焊盘之间的导电路径短（如图2所示），自感系数以及封装体内布线电阻很低，所以能提供卓越的电性能。此外，通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通道，用于释放封装内的热量。所以，QFN 封装特别适合任何一个对尺寸、质量和性能都有要求的应用。

QFN 封装常见尺寸有3 mm×3 mm、4 mm×4 mm、5 mm×5 mm 及6 mm×6 mm，常见引脚间距有0.65 mm、0.5 mm 和0.4 mm。与传统的28引脚PLCC 封装相比，32 引脚QFN 封装的面积（5 mm×5 mm）缩小了84%，厚度（0.9 mm）降低了80%，质量（0.06 g）减轻了95%，电子封装寄生效应降低了50%，所以非常适合应用在手机、数码相机、PDA 及其他便携电子设备的高密度PCB 上。

图2 QFN 封装内外部结构示意图

2 QFN 封装器件组装工艺

2.1 PCB 焊盘设计

QFN 封装焊盘设计主要包含以下三方面：周边引脚的焊盘设计、中间热焊盘及过孔设计和对PCB 阻焊层结构的考虑。

2.1.1 周边I/O 引脚焊盘设计

PCB I/O 引脚焊盘的设计应该比QFN I/O 焊端稍大一点，焊盘宽度范围一般在0.25～0.5 mm，焊盘长度范围一般在0.6～0.96 mm，焊盘内侧应设计成圆形以配合焊端的形状，具体设计如图3和表1所示。如果PCB 有设计空间，I/O 焊盘的外延长度>0.15 mm 可明显改善外侧焊点成型，提高焊点可靠性，不干涉时可外延0.3～0.5 mm（手工焊时建议延长0.5～1.0 mm）；如果内延长度>0.05 mm，则必须考虑与中央散热焊盘之间保留至少0.25 mm的间隙以免引起桥连。

图3 QFN 封装PCB 引脚焊盘设计

表1 QFN I/O 引脚焊盘设计尺寸

有时PCB I/O 引脚焊盘可采用与QFN I/O 封装引脚一样的设计，其设计尺寸可参考图4和表2所示。图中尺寸Zmax为焊盘引脚外侧最大尺寸，Gmin为焊盘引脚内侧最小尺寸，D2t 为散热焊盘尺寸，X、Y 是焊盘的宽度和长度。

图4 QFN 封装焊盘设计要求

表2 QFN 封装典型PCB 焊盘设计尺寸

2.1.2 中央散热焊盘和散热过孔设计

QFN 封装具有优异的热性能，主要是因为封装底部有大面积的散热焊盘，为了能有效地将热量从芯片传导到PCB，PCB 底部必须设计与之相对应的散热焊盘和散热过孔。通常散热焊盘的尺寸至少和QFN 封装暴露的热焊盘相匹配，然而还需考虑各种其他因素，如避免和周边焊盘的桥接等，所以热焊盘尺寸需要修订，具体尺寸如上图4及表2所示。中央散热焊盘应设计比QFN 焊端各边大0～0.15 mm，即总长大出0～0.3 mm。但中央散热焊盘不能过大，否则会影响与I/O 引脚焊盘间的合理间隙，桥连增加。此间隙最小为0.15 mm，可能的话最好是0.25 mm 或更大。

QFN 器件组装时，通常将散热焊盘直接焊接在PCB 上，PCB 中的散热过孔有助于将多余的热量扩散到接地铜板中。散热过孔的数量及尺寸取决于封装的应用情况、芯片功率大小，以及电性能的要求。一般建议开孔面积率在40%～60%，散热过孔间距1.0～1.2 mm，过孔孔径尺寸0.3～0.34 mm，如图5所示。虽然增加过孔（减小过孔间隙）表面上好像可以改善热性能，但因为增加过孔的同时也增加了热气进入的通道，所以实际情况需要根据PCB情况来决定（如散热焊盘尺寸及接地层）。散热过孔有4 种设计形式：使用干膜阻焊膜在过孔顶部或底部阻焊；使用液态感光阻焊膜从底部填充；采用“贯通孔”（如图6所示）。

图5 QFN 封装中央散热焊盘过孔设计要求

上述方法各有利弊：从顶部阻焊有利于控制气孔的产生，但会阻碍焊膏印刷；底边阻焊和底部填充由于气体的外逸会产生大的气孔，当覆盖2 个过孔时，对热性能方面有不利的影响；“贯通孔”允许焊料流进过孔，减小了气孔的尺寸，但QFN 封装底部散热焊盘上焊料会减少。散热过孔设计要根据具体情况而定，建议使用顶部阻焊或贯通孔。若采用底部阻焊后，容易形成气孔，若不会影响热性能、电性能和焊点可靠性，也是可以接受的。

2.1.3 阻焊层的结构

目前阻焊层设计类型有SMD 和NSMD 两类，如图7所示，在尺寸相对较大的中央散热焊盘阻焊层设计中，一般采用SMD 工艺，否则建议使用NSMD 阻焊层，阻焊层开口应比焊盘开口大0.12～0.15 mm，即焊盘铜箔到阻焊层的间隙有0.06～0.075 mm，这样就允许阻焊层有50～65 μm 制造公差。有时QFN 中央散热焊盘设计过大，为了防止连锡，也会采用SMD 阻焊膜工艺，且开口缩小0.1 mm，以增加散热焊盘与I/O 焊盘之间的阻焊面积。

每个PCB I/O 焊盘应单独设计阻焊层开口，这样可以有效防止相连焊盘间形成桥连，且热焊盘过孔阻焊层直径应该比过孔直径大0.1 mm。但当引脚间距小于0.5 mm 时，引脚之间的阻焊可以省略，而设计一个大的开口，如图8所以。

图6 QFN 封装中央散热盘过孔的4 种设计形式

图7 阻焊层设计工艺

图8 粗细间距阻焊层设计形式

2.2 焊膏印刷网板开孔设计

能否得到完美、可靠的焊点，印刷网板设计是关键的第一步。不锈钢网板更耐用且很少有变形，激光切割、孔壁电抛光有助于提高焊膏释放率。如果印刷设备限制了网板实际印刷质量，建议使用阶梯（Step-Down）网板。对于焊盘上焊膏体积的沉积，网板厚度、开口形状及几何图形的作用同样重要。设计网板时应考虑满足两种比率，即面积比和宽厚比，其值应分别大于0.66 和1.5。一般建议网板开口尺寸和PCB 焊盘尺寸比为1:1，这样可以让面积比和宽厚比目标比较容易达到。

2.2.1 周边引脚焊盘的网板设计

焊后焊点高度一般在50～75 μm，网板的厚度决定了印刷在PCB 上的焊膏量，太多的焊膏将会导致回流焊接时桥连。所以建议大间距如0.65 mm 的QFN 封装使用0.15 mm 厚度的网板；0.5 mm 的QFN 封装使用0.12 mm 厚度的网板；≤0.5 mm 间距的QFN 封装使用0.12 mm 厚度的网板，但热焊盘网板开口尺寸可适当缩减5%～10%，以减少焊接桥连的发生，焊端焊盘可缩减或保持，如图9所示。

图9 防连锡细间距网板开口设计

2.2.2 中间散热焊盘的网板设计

PCB 上热焊盘和四周焊盘的面积差巨大，使得过回流焊后保持相同的焊锡高度非常困难。实验证明：0.13 mm 网板，面积比大于0.66 时，四周焊盘转印效率为73%，而热焊盘转印效率为100%。如果散热焊盘焊膏覆盖面积越大，越容易产生空洞、飞溅、锡球等缺陷，甚至发生QFN 元件浮起及导电焊盘四周焊端空焊。所以，必须通过减少热焊盘焊膏覆盖面积，使得过回流焊后热焊盘和四周焊盘的焊锡高度处在相同的水平。

针对热焊盘网板开口设计，建议采用多个呈“十”字分隔开的“小”网板开口代替单一的大网板开口，以确保一致的焊膏沉积，焊膏覆盖量的典型值为50%～80%，通常网板开成规则排列的小方型孔或圆孔，焊后连接面积一般大于40%，厚度介于50～65 μm 之间。值得注意的是，有底部填充过孔的焊膏印刷最好将过孔位于印刷边缘（如图10所示），有利于气体释放。“导通孔”被焊锡填充并不完全，往往只是让导通孔壁充分润湿直到底部塞紧（如图11所示）。

2.2.3 网板开口设计与QFN 封装焊接可靠性关系

QFN 封装焊接可靠性很大程度上受到焊点离板高度、焊点焊锡量、PCB 焊盘尺寸和热焊盘设计的影响，其中焊点离板高度、焊点焊锡量的变化和网板开口有关。组装生产时，有必要通过实际生产优化调整工艺方法，达到QFN 封装的可靠焊接，必要时还须反馈到设计部门进行优化设计。

图10 中央散热盘底部填充孔焊膏印刷位置

图11 中央散热盘“导通孔”易导致焊锡填堵过孔

为了有助于提高产品可靠性，须保证达到离板高度50 μm 厚的焊接层。焊点离板高度与热焊盘上焊膏覆盖率有关和过孔类型有关：焊膏覆盖面积增大，离板高度就会增加；底部填充式过孔，由于过孔从反面被阻塞的缘故，焊锡会被阻止进入，而“贯通孔”方式很容易使熔融的焊锡流到孔内，降低焊点离板高度，如果控制不当可能会导致焊锡在背面渗出。一般地，对于底部填充过孔，焊膏覆盖率至少在50%以上，而对于“贯通孔”，覆盖率至少在75%以上。此外，“贯通孔”的数量和尺寸、焊接峰值温度也会影响到焊点的离板高度。

一个焊点具有合适的离板高度，但没有或仅有低的外部焊点，在实际应用过程中也是不可靠的。四周焊盘的外部焊点受PCB 焊盘尺寸、焊膏印刷量、离板高度等多种因素影响。如果网板开口是1:1，将会对外部焊点提供充足的焊锡量，前提条件是离板高度不能太高，因为可利用的焊锡量比较有限，如果热焊盘上焊膏覆盖面积增大，就会形成较高的离板高度，对焊点来说没有足够的焊锡来补充。相反地，如果离板高度太低，大的表面弯曲呈球状的外部焊点就会形成。

2.3 QFN 封装器件贴装工艺

贴片机的精度决定了QFN 封装元件的贴装精度和角度的调整，轻微的贴片偏移可以在过回流焊后自动纠偏，严重的偏移应该在回流焊前进行矫正，以免发展成短路缺陷，如图12所示。使用贴片机视觉系统调整QFN 的位置有两种方法：封装轮廓（视觉系统搜索封装的外形轮廓）和引脚识别（许多视觉系统可以直接搜索引脚的形状）。对QFN 来说，这两种方法都可以接受且各有利弊：封装轮廓识别起来比较快，但精度不够；焊盘识别比较准确，但要搜索多只引脚，多只引脚的图像数据由贴片机同时进行处理会较慢。在QFN 工艺优化期间，贴片不偏移是关键，以免同其它问题混在一起，不利于问题的分析和解决。

图12 QFN 封装元件贴装偏移

2.4 QFN 封装器件回流焊接工艺

QFN 封装元件对回流焊接工艺并无特殊的要求，和所有元器件一样，对各种类型的PCB 板在不同位置都要求回流温度符合规范，但每个元器件温度受周围焊盘、板上所处位置和组装密度的影响。实际的回流焊峰值温度、保温时间及升温斜率范围等都不可以超过所用焊膏的工艺要求。一般情况下，回流焊温度曲线可参考以下要求：

预热阶段温度曲线设定：爬升斜率一般在2～3 ℃/s，有铅温度在100～120 ℃时间约为60～90 s，无铅温度在130～140 ℃，时间约为100 s。

活化阶段温度曲线设定：有铅温度在120～150 ℃，时间约为90 s，无铅温度在140～170 ℃，时间约为90 s。

回流峰值温度设定：有铅一般为215～220 ℃，时间15～30 s，无铅一般为235～240 ℃，时间15～30 s。

冷却阶段温度曲线设定：焊点凝固之前一般控制在4～6 ℃/s，凝固后一般控制在2～3 ℃/s。

3 QFN 封装器件焊点缺陷及验收标准

由于QFN 封装元件焊点在封装体的下方，X-ray 对焊点的桥连和空洞能检测出来，如图13所示，一般用于抽检；而对于虚焊、少锡和开路无法检测，只能通过外部焊点的情况进行判断。但焊点高度和填充部分到底是多少，在国标和电子行业标准中无具体标准可以参考，只能借助IPC/EIAJ-STD-001C 标准“电气和电子装配焊接要求”有关描述去判断，见表3。需要特别说明的是，针对QFN 封装元件，侧面焊点爬高无任何要求，只要求控制元件底面焊点的长度、宽度和厚度。

图13 X-ray 照射下底部填充过孔出现的空洞缺陷

表3 QFN 封装元件焊点判定标准

实际生产过程中，如果QFN 储存在不受控的环境中，其导电焊盘靠外的末端和侧面都可能会被氧化，形成虚焊，如图14所示。这是因为QFN仅导热焊盘和其在同一面的导电焊盘表面进行了可焊保护涂层，而导电焊盘靠外的末端和侧面则没有。如果氧化程度不严重，或助焊剂起到作用的话，也可能会形成良好的焊点。通过X-ray 图像可看出，图14中F 部分差别是明显的，但真正影响到焊点性能G 部分的图像则是相同的。虽然说QFN 封装元件焊点F 部分无具体要求，但在实际生产中发现，如果导电焊盘的外部焊点出现异常情况，那么在ICT 和FT 检测时出现的开路会较多。为了提高焊点可靠性及可检测性，实际生产中都要求能形成良好润湿的焊点，如图15所示。

图14 QFN 封装导电焊端外侧焊点虚焊缺陷

图15 QFN 封装导电焊端外侧形成良好润湿焊点

QFN 封装元件更多出现的是开路和少锡缺陷。依靠目视检查很难发现这些缺陷，甚至连X-Ray 也无法做出判断，这是因为QFN 焊点是在元件本体下方，且高度有限。在暂时没有更多办法的情况下，更多地依靠ICT/FT 测试来判断焊接的效果，或依靠目检焊点的外部F 部分情况来判断。

4 QFN 封装器件返修工艺

QFN 器件通过传统的电烙铁补焊返工，只对外露部分焊点有效，如果QFN 底部焊点存在桥接、开路、锡球等缺陷，就只能将元件拆除后返工。尽管QFN 封装元件很小，但拆除和返工都是可以手工完成的，这是一项具有挑战性的工作，因为QFN 元件本身体积很小，又通常被贴装在轻、薄且高密度PCB 上。

QFN 器件返修所需的工具和材料主要包括：

●带ESD 保护的返修焊台，温度可调且支持温度值425 ℃；

●ESD 垫板或桌面及ESD 碗带，保证两者都要接地；

●直径0.5 mm 焊锡丝及助焊剂；

●吸锡带、尖头镊子、防护镜及至少4×的放大镜；

●用于清洗电路板的异丙醇及小硬毛刷（毛长6 mm 为佳）。

4.1 QFN 器件返修前烘烤

返工之前，需要将PCBA 在125 ℃烘烤至少24 h，以除去PCB 和元件的潮气。

4.2 QFN 器件拆除

元件拆除时，温度曲线最好与装配元件时的回流焊温度曲线一致，但是焊锡液相线以上的温度和时间可以适当减少，只要能保证完成焊锡熔化即可。推荐在PCBA 底面用热风对流方式加热，预热温度达150 ℃，PCBA 顶部用热风喷嘴对元件本体加热，热风温度一般设定为425 ℃。

为慎重起见，可以先用吸锡带将元件周边可见焊点的焊锡清除。热风开启以后将喷嘴下降到离元件15～25 mm 的位置。当回流温度达到以后，可应用边缘加热系统向元件底部缝隙中吹热气，有利于面积较大的中央散热焊点的熔化。加热的同时，可在QFN 器件的角上插入尖头镊子，轻轻用力往上挑，一旦所有焊点的焊锡都熔化时，元件就可以被挑起。因为QFN 器件很小很轻，所以要严密注意控制加热时间，避免QFN 器件过度受热损坏，同时也应注意避免对周边元件的受热影响。一旦元件全部回流完成，用真空吸嘴或镊子将元件移除，真空压力不宜高于半个大气压，以防在元件未充分回流而过早吸取元件时损坏PCB 焊盘。

4.3 QFN 器件PCB 焊盘焊膏印刷

焊锡膏印刷在大约50～100 倍的显微镜下，使用特制的小钢网和刮刀进行焊膏印刷，小刮刀宽度应与元件宽度一致，以保证一次印刷成功。

4.4 QFN 器件重新贴装和回流焊接

由于QFN 器件重量很轻，在回流焊过程中的自对中能力很强，所以对贴装精度要求不是很高。用于贴装的返工台应该可以进行平移和旋转方向精细调整，并借助50～100 倍的光学成像系统，帮助进行器件对准。贴装完成后，使用与初次生产时同样的温度曲线重新进行回流焊接。

如果PCBA 元件密集度太高而无法使用特别小钢网印刷焊锡膏，就只能选择手工焊接进行返工，烙铁尖要细，顶部的宽度不能大于1 mm。具体工艺步骤见表4所述。

表4 QFN 封装器件手工返修工艺

（1）QFN 器件中央裸焊盘上锡。烙铁头温度设置为370 ℃，涂布适量液体助焊剂，将事先已贮满焊锡的烙铁头轻轻地接触中央裸焊端，或直接用烙铁头施加焊锡丝，保持数秒，焊锡开始润湿焊盘，形成一个漂亮的中间最高四边略低的“枕形”焊点。

清除助焊剂残渣后，测量元枕形焊点高度，控制在0.1～0.35 mm。如果枕形焊点高度太高，可以重新涂布助焊剂，将枕形焊点熔化后，用吸锡带吸走部分焊锡，以降低枕形焊点的高度。枕形焊点制作完成后，需清理元件周边I/O 焊盘上的焊锡残渣和助焊剂残渣。

（2）QFN 器件手工贴装。重新在元件的枕形焊点上涂布适量新鲜助焊剂，并借助显微镜尽可能精确地手工贴装到PCB 上，且根据第1 脚的位置确定元件方向。由于枕形焊点的存在，元件贴在PCB 上后会摇晃，所以手上动作要特别小心。

（3）QFN 器件热焊盘手工焊接。用镊子轻轻压住器件，通过喷嘴吹出热风加热元件顶部，直到枕形焊点熔化。当枕形焊点熔化时，会感觉到元件有轻微的下沉。移走热风喷嘴待冷却后，元件已被固定在PCB 上。清理助焊剂残渣，并检查元件顶面是否水平，以及元件I/O 焊端与PCB 上的I/O焊盘是否对准。如不准，可重新涂布助焊剂，将枕形焊点重新加热熔化后，用镊子轻轻拨动调整。

（4）QFN 器件周边焊盘手工焊接。涂布新鲜助焊剂到元件周边I/O 焊盘和PCB 上的I/O 焊盘，用尖头烙铁逐个点焊，注意避免引起桥连。完成焊接后，用溶剂清洗除去器件和PCB 上的助焊剂残渣，获得完美的返工效果。

5 结 论

QFN器件由于其特有的优越性能，已在电子产品中被广泛的推广和应用，但其微型引线框架无引脚封装特点，对传统组装工艺带来了很大的挑战，尤其是PCB 焊盘设计与焊膏印刷网板开孔设计方面，这就需要设计工程师从源头抓起，慎重选型，仔细研究封装焊盘尺寸、PCB 焊盘尺寸及过孔特征，从设计方面提高产品可制造性，其次在组装过程中，严格控制焊膏印刷、元件贴装、回流焊接工艺，提高产品一次成品率。另外，还需熟练掌握专用返修台及手工返修工艺，实现不良品的高品质处理，降低制造成本。

[1]郑雪辉，王万平.QFN 焊盘设计和工艺[C].2013 中国高端SMT 学术会议论文集：193-198.2013，中国·重庆.

[2]年晓玲.QFN 焊盘设计与工艺组装[J].电子质量，2010(5)：39-41.

[3]汪继凡，叶裕明，吴正旺.QFN 板级焊点可靠性研究[A].2011 中国高端SMT 学术会议论文集[C].636-643.2011，中国·南京。

[4]IPC-SM-782 表面安装设计和焊盘设计标准[S].