满足QFN器件的优质焊膏印刷

随着电子产品组装密度的不断升高，无论元件还是器件均向微型化、细间距甚至无引脚方向发展，直至逼近极限，本文讨论了满足QFN器件的优质焊膏印刷工艺，介绍了方形扁平无引脚封装(Quad-flat noleads —QFN)和无引线陶瓷封装载体(Leadless Ceramic Chip Carrier—LCCC)器件,针对这类器件的特点进行了阐述，然后从QFN封装外形设计、QFN焊盘设计和QFN模板开孔设计三个角度对QFN的结构与焊盘进行设计,最后从焊膏的成分、不锈钢模板的特性与技术参数、印刷环境、焊膏印刷工艺规程设计以及印刷设备等角度分析了QFN器件的优质焊膏印刷工艺，讨论了QFN器件焊膏印刷的主要缺陷，总结出电子产品组装过程中针对QFN器件进行优质焊膏印刷的实际经验。

方形扁平无引脚封装（quad-flat no-leads——QFN）和引线陶瓷封装载体（Leddless Ceramic Chip Carrier——LCCC）是当前电子产品制造过程常见的且少有的两款无引脚器件，如图1所示，与有引脚器件相比，QFN和LCCC无论它的PCB焊盘还是金属模板开口，均与细长的有引脚焊盘有较大差别，尤其是它的焊膏印刷工艺。

相比较于LCCC的封装材料主要是陶瓷，QFN的封装材料以塑料为主，价格更便宜，也更为消费类电子产品所接受，从而在“3C小家电”类电子产品中得到广泛的应用。QFN外观呈正方形或矩形，与广泛应用于闪存芯片的高密度封装芯片尺寸封装器件（Chip size pack-age——CSP）很相似，但是QFN的底部没有焊球，其与PCB的电气和机械连接的是PCB焊盘上的印刷焊膏，通过回流焊炉加热融化直接形成的焊点来实现。QFN与PCB焊盘的接触距离最短，其电气性能与热性能比绝大部分有引脚器件优越，特别适合对散热和电性能要求较高的电子产品组装，与传统的塑料封装有引脚芯片载体（Plastic Leaded Chip Carrier——PLCC）相比，器件封装面积、厚度、重量均大幅缩小，电寄生感应降低50%，特别适用于手机、电脑等3C电子产品。

图1、QFN和LCCC

QFN的PCB焊盘结构设计

1、QFN封装外形设计

QFN是一种较新的IC封装形式，器件底部具有与PCB焊盘水平的焊端，在中部通常手机有裸露的铜片为器件提供了良好的导热性能和电性能，实现电气连接的I/O焊端分布于中部散热片的四周，采用周边焊端方式使PCB布线更灵活。I/O焊端有两种类型：一种是只裸露出元件底部的一面，其他部分被封装在元件内，另一种是焊端有裸露在元件侧面的部分。

采用冲孔式或锯齿式等方式，利用铜引线将内部晶圆与中部焊端铜片和四周焊端连接形成框架结构，再用树脂利用模铸固封的方式将其进行固定，将中部焊端和四周焊端裸露在封装体外面，如图1左图所示。

2、QFN焊盘设计

由于这种器件底部中部具有较大的散热铜片，为了使QFN器件形成可靠的焊点，从而需要进行特别良好的PCB焊盘设计和金属模板设计。

QFN的焊盘设计包括三个方面：

1）周边I/O引脚的焊盘设计

PCB的I/O焊盘设计应比QFN的I/O焊端稍大一点，焊盘内侧应设计成圆形以配合焊端的形状，如果PCB有设计空间，PCB的I/O焊盘的外延长度应不小于0.15mm，内延长度应不小于0.05mm，应确保QFN的四周焊盘与中部焊盘有足够的间隙，以免引起桥连。典型QFN焊端与PCB焊盘设计图如图2所示，QFN的I/O焊盘设计尺寸如表1所示。

图2、QFN焊端与PCB焊盘设计

表1、QFN焊端与PCB焊盘设计尺寸

2）PCB阻焊层结构设计

PCB阻焊层设计主要有两个类型：焊料SMD（Solder Mask Defined）和NSMA（Non-Solder Mask Defined）。SMD阻焊层开口小于金属焊盘，NSMD阻焊层开口大于金属焊盘。由于NSMD工艺在铜腐蚀工艺中更易控制，可以使焊锡围绕金悍黼边缘 ，明显改善焊点的可靠性 。在尺 寸相对比较大的中部散热焊盘阻焊层设计中应采用 SMD工艺 。

阻焊层开口应比焊盘大 l20-150um ，即在阻焊层与金属焊盘之间留有 60～ 75um的间隙， 弧形焊盘应设计相应的弧形 弧阻层开口与之匹配 ，特别是 在拐角处有足够的阻焊层以阻止挢连 。阻焊层应该布 满每个I/O焊盘 ，针 对 I/O焊盘宽度为0.25mm ，间距只有0.4 mm 的细距QFN， 能将处于 一 边的所有I/O焊盘统一设计一个大的开口，这样I/O相邻焊盘之间就没有了阻 焊 。

阻焊层应覆盖散热焊盘上的过孔，以防止焊锡从散热过孔中流失，使QFN中部裸焊端与PCB中部散热焊盘之间]形成空焊，过孔的阻焊形式主要有：顶部阻焊、底音阻焊和贯通孔。过孔阻焊层的直径成应比过孔直径太100um，建议在PCB背面涂布行阻焊油堵塞过孔，这样可以在正面散热焊盘上形成许多洞，这些空洞有利于在回流焊接过程中释放气体。

3）中间热焊盘与过孔设计

QFN由于底部中间设计有散热焊盘，从而具备良好的热性能，为了有效地将热从芯片内部传导到PCB上，PCB底部必须设计与之对应的热焊盘以及散热过孔，热焊盘提供可靠的焊接面积、散热过孔提供散热。

中部散热焊盘的尺寸至少和元件暴露焊盘相匹配，要在QFN中部裸焊端的基础上各边大出0-0.15 mm，即总的边长大出0-0.3 mm，当然中部散热焊盘也不能过分的大，否则，会影响与I/O焊盘之间的合理间隙，使桥连概率增加。因此,设计中部散热焊盘尺寸时要充分考虑其与周边焊盘的关系。

元器件底部的大焊盘在焊接时会产生气孔、为了将气孔减少到最小，需要在热焊盘上开设热过孔，热过孔可以迅速传导热量，利于散热。热过孔的数量与过孔尺寸设计取决于封装应用的场合和芯片功率的大小以及电性能要求，根据热仿真试验，散热过孔应按1.0~1.2 mm的间隙均匀分布在中部散热焊盘上、过孔应连通到PCB内层的金属接地层上，过孔直径推荐为0.3-0.34 mm，如图3所示。

图3 热过孔设 计

虽然，增加过孔或减小过孔间隙表面上看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回来的通道，所以实际效果不确定。

3、QFN模板开孔设计

1）周边I/O焊盘漏孔设计

金属模板开口设计一般都要遵循面积比和宽厚比原则，因为某一特殊元器件可能会采用局部增厚或局部减薄的原则。所谓面积比是Lw/2T( L+W)>0.66、宽厚比是W/T>1.5、L、 w、T分别是金属模板开口的长、宽和厚。

金属模板漏孔尺寸与I/O焊盘尺寸推荐采用90%~110%的比例,针对I/O间距在o.5mm-及以下的细间距QFN，金属模板漏孔宽度应稍微内缩一点，可以选择90%-100%,以避免相邻I/O焊盘.之间引起桥连。针对超细间距或开口内壁光滑度要求较高的QFN，可以采用激光切割和电抛光工艺，严格控制开口公差、使开口内壁光滑，推荐选择采用免清洗工艺。

2)中部散热大焊盘开孔设计

由于中部散热焊盘是大面积焊盘，焊接时气体容易外泄产生气泡，如果焊膏覆盖量大，将加重气孔的生成程度，还容易形成各种缺陷，诸如溅射、焊球等。为了将气孔减少到最低量、进行大散热焊盘设计时，为了保证获得合适的焊锡膏量，宜采用网状漏孔阵列取代一个大的漏孔，每个小漏孔的形状可以设计成圆形或方形，大小无严格要求，只要保证焊锡膏的覆盖面积在50%-80%即可，堵塞孔的焊膏覆盖量为≥ 50%、通孔≥75%。散热焊盘上焊锡膏的量的控制是否合适，对周边I/O焊盘能否形成良好的焊点有巨大的影响，散热大焊盘开孔设计图形如图4所示。

3）钢网类型和厚度

金属模板散热焊盘开口设计直接影响到焊膏覆盖量，影响焊接后元件的离板高度，散热焊盘的覆盖率与过孔类型对离板高度的焊膏体积有直接影响，离板高度增加利于提高可靠性。针对0.5 mm及以下细间距的QFN，金属模板厚度推荐采用0.125 mm，而大间距的QFN，金属模板厚度可以增至0.15~0.2 mm。

优质焊膏印刷工艺

影响QFN优质焊膏印刷的因素，主要包括焊膏、PCB焊盘、金属模板、焊膏印刷机以及人为操作因素等。

焊膏的成分比单纯的锡铅合金复杂得多，包括:焊料合金颗粒、助焊剂、流变性、调节剂、黏度控制剂、溶剂等。由于QFN属于无引脚且中部有大散热焊盘的器件，同一个器件底部出现明显差距较大的焊盘，从而对黏度和黏性控制工艺要求较高。焊膏的黏度不易过高，黏度太大，焊膏不易穿过模板的开孔、印出的线条残缺不全；钻度太低，容易流淌和塌边，影响印刷的分辨率和线条的平整性。

焊膏颗粒粉末越小，焊膏黏度越大；颗粒含量越高,焊膏黏度越大；颗粒形状为球形的焊膏黏度最高，反之也然。对于超细间距印刷，,为了获得更好的焊膏印刷分辨率就必须使用颗粒更细小的焊膏。无论间距大小，为了获得更高的印刷质量，焊膏印刷均必须遵循三球定律或五球定律，焊盘间距越小，焊盘越细，所用焊膏颗粒自然就越小。通常认为细小间距印刷焊膏的最佳黏度范围800- 1300 Pa·s，而一般间距印刷焊膏的黏度范围是500-900 Pa·s，即前者一般使用4*或5#粉，超细间距时甚至选用6#，而后者一般选用3~4#粉，如表2所示，QFN器件一般选择4#或5#粉。为了满足对焊点的焊锡膏量的要求，通常选用85%~92%金属含量的焊膏，焊膏制作厂商一般将金属含量控制在89%或90%,使用效果更好。

焊膏印刷是一个工艺性很强的过程，其涉及到的工艺参数非常多，每个参数调整不当都会对电子产品质量造成非常大的影响。这些参数主要包括刮刀压力、印刷厚度、印刷速度、印刷方式、刮刀参数、脱模速度与模板清洗频率等等。刮刀压力太小，会使焊膏不能有效地到达模板开孔的底部、且不能很好地沉积在焊盘上。刮刀压力太大，则导致焊膏印得太薄，甚至会损坏模板,理想状态为正好把焊膏从模板表面刮干净。印剧厚度适当增厚利于提高QFN器件的组装可靠性。刮刀速度快有利于模板的回调,但不利于焊膏向印制板焊盘上传递;刮刀速度过慢则会引起焊盘上所印焊膏的分辨率不良。此外，刮刀的速度和焊膏的黏稠度有很大的关系,刮刀速度越慢，焊膏的黏稠度越大；同样,刮刀速度越快，焊膏的黏稠度越小。

总结

QFN是一种适用性更广、可靠性较高的新型封装，无论是元器件封装设计、PCB焊盘设计、还是金属模板开口设计，以及电子产品生产制造工艺都需要仔细考虑。QFN的PCB焊盘应该遵循IPC-SM-780、782、IPC-EM-782等各种IPC-PCB标准，要明确散热焊盘的作用是热传导，要有阻焊层，过孔的作用是利于散热，对应金属模板的开孔一定要考虑到焊膏的释放量。焊接时，一定要调整好焊接温度曲线，尽量使因温度升高产生的气泡降至最低,并通过合理控制焊膏印刷工艺和贴装焊接工艺，确保QFN的最佳利用。

表 2 锡膏分类和网目及尺寸对应表

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