1997年，富士通推出了“凸點芯片載體（BCC）”封裝并獲得了許可證，無鉛引線框架封裝首次得到廣泛采用，工業(yè)基礎設施也得到了發(fā)展[1]。UTAC Thailand（以前是NSEB）是BCC技術的早期被許可方。在過去的17年里，在密度、厚度、可靠性和性能方面不斷進步，這使得無鉛引線框架包裝預計將成為最大的包裝細分市場，2014年的出貨量接近每周10億件[2]。這些基于無鉛引線框架的封裝可能有不同的供應商名稱，但四扁平無鉛（QFN）的JEDEC名稱是主要的封裝類型，將在本文中通用。絕大多數(shù)QFN封裝都有一排外圍焊盤，限制了它們在低引腳數(shù)設備上的應用——通常低于100個。

本文提供了最近完成的2013年MEMS產(chǎn)業(yè)商業(yè)化報告卡研究（報告卡）[1]的結果。該成績單從1998年起每年出版一次。為了確定報告卡的具體主題，對技術商業(yè)化的一般主題進行了市場研究，并選擇了一些關鍵的成功因素（又名主題），這些因素被認為是MEMS和MEMS行業(yè)成功商業(yè)化所必需的。

WFN側鍍鉛流程圖1。

QFN封裝的廣泛采用和快速增長是由于其成本和尺寸優(yōu)勢，傳統(tǒng)的引線封裝如小輪廓集成電路（SOIC）和QFP。然而，惡劣的環(huán)境和高可靠性的應用，如汽車，要求在無鉛結構方面取得進展，以實現(xiàn)完整的焊點圓角，從而實現(xiàn)自動光學檢查（AOI）系統(tǒng)，以驗證所有引線都具有焊點圓角，從而確保最佳的焊點完整性，以承受溫度循環(huán)壽命、焊接疲勞和機械振動或沖擊故障。為了使焊點圓角飽滿，必須改進鋸和沖孔分離工藝，以確保周邊銅線的側壁電鍍，以使焊料潤濕。圖1概述了在電鍍鉛之前添加一個臺階切割工藝的工藝流程，以實現(xiàn)周邊鉛側面的電鍍。

圖2:QFN側鍍鉛橫截面圖。

圖2提供了橫截面圖，以驗證臺階切割深度的控制和鉛基和側壁側面的啞光鍍錫層的均勻厚度。在表面貼裝可焊性測試后包括橫截面圖，以證明50%的引線高度和100%的鉛寬焊料覆蓋率。UTAC QFN包裝多年來采用了優(yōu)化的材料組和工藝，以確保JEDEC濕敏性水平1（MSL1）在265°C下。添加階梯切割和側邊鉛鍍層也符合MSL1的要求。UTAC內部董事會級別的完整可靠性結果將于2014年第四季度完成。汽車應用的最終用戶已經(jīng)完成了他們的內部認證，UTAC正在生產(chǎn)汽車應用的側面鍍鉛QFN封裝。預計航空航天和惡劣環(huán)境的工業(yè)應用也將看到側鍍QFN引線在其高可靠性應用中的優(yōu)勢。

圖3:UTAC無鉛引線框架里程碑。

為了解決更高I/O密度的應用，IC設計人員一直在要求一種低成本的QFN封裝解決方案，該解決方案包括互連跟蹤布線，以實現(xiàn)多行和全陣列焊盤配置。許多解決方案已經(jīng)開發(fā)出來，以實現(xiàn)多排鉛密度，其中一些已在生產(chǎn)中取得了一些成功。圖3提供了UTAC自1999年在BCC取得早期成功并添加QFN以來推出的新型無鉛引線框架解決方案的里程碑。這些新的高密度無鉛引線框架封裝的詳細信息，如無鉛引線框架網(wǎng)格陣列（LLGA）、熱無鉛陣列（TLA）和高密度無鉛陣列（HLA），已在行業(yè)出版物[3–6]中報告。然而，供應鏈、成本和可制造性障礙限制了這些解決方案的采用和推廣。因此，人們尋求利用標準裝配工藝的新方法，以使用引線框架跟蹤路由技術服務于要求最高I/O密度的應用。聯(lián)合技術公司最近的進展顯示了克服這些障礙的希望，并正在擴大規(guī)模，以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。工藝和材料技術的進步使得具有高密度引線布線和互連的多排和全網(wǎng)格陣列焊盤密度能夠服務于集成電路設計人員的各種單芯片、多芯片和無源集成配置；本文將使用縮寫GQFN作為網(wǎng)格陣列QFN。

關鍵流程和GQFN配置

圖4:UTAC GQFN（網(wǎng)格陣列QFN）過程。

圖4說明了使用基于可路由引線框架的技術實現(xiàn)的關鍵流程和區(qū)域陣列配置。一個部分蝕刻和預鍍引線框架的設計，制造和交付到封裝裝配線，在那里進行芯片連接和導線鍵合。（倒裝芯片、疊層模具和被動集成選項均受支持，但此處未顯示。）在模具/模具后固化之后，使用了兩個關鍵過程，如果使用標準QFN工藝流程，則找不到流程。這兩個過程是：1）蝕刻引線框架載體背面以完成跡線布線并隔離預鍍引線，然后2）絕緣模具過程以完成封裝。如果產(chǎn)品板表面貼裝組件的要求，印刷焊料凸點或更高的間距球下降可以完成之前，封裝鋸單。

圖5：絕緣模具與焊接掩模絕緣。

從BCC技術開始，蝕刻背在無鉛引線框架生產(chǎn)中已經(jīng)使用了很多年。基于焊接掩模的鉛絕緣工藝已被引入作為區(qū)域陣列QFN的高密度無鉛陣列（HLA）解決方案，但如圖5所示，與GQFN封裝的絕緣模具工藝開發(fā)相比，它需要復雜的多步驟工藝流程。與這種焊接掩模絕緣工藝相關的挑戰(zhàn)增加了成本和制造挑戰(zhàn)，限制了HLA解決方案的采用和擴大。為了解決這些局限性，聯(lián)合技術評估了各種方案，并專注于為GQFN開發(fā)絕緣模具工藝。絕緣模具工藝也帶來了裝配挑戰(zhàn)，并進行了全面優(yōu)化以應對這些挑戰(zhàn)。在開發(fā)過程中，必須克服許多工藝和材料因素，才能提供高容量的絕緣模具工藝。因素包括：1）模具工具設計-型腔、澆口、流道和通風口；2）薄膜輔助成型–薄膜材料和工藝參數(shù)；3）模具夾持壓力、轉移輪廓和壓力；4）模具材料特性和精細填充技術。

圖6:GQFN電線焊接工藝選項。

圖6說明了可用于引線鍵合設備的關鍵工藝選項。引線框架選項包括4或5 mil的銅載體，采用NiPdAu或選擇性鍍錫。模具厚度為4密耳的環(huán)氧糊料或模具附著膜（DAF），正在開發(fā)中，以使2至3密耳模具厚度與使用DAF。金屬絲的選擇包括各種金屬絲直徑的Au，PdCu或Ag合金。模具蓋的范圍從0.75mm（疊層模具或厚組件系統(tǒng)封裝（SiP）配置）到0.25mm（對于薄封裝應用，需要0.5mm的最大封裝厚度）。計劃開發(fā)需要帶狀連接或銅線夾組裝的電力設備。

圖7：電氣性能比較：QFP/QFN/GQFN。

目前GQFN技術的設計使封裝尺寸比QFN減少了40%到60%，因為它們能夠在模具區(qū)域下布線引線。這種技術的更高的互連密度使鍵合指的定位更加靈活，從而改進布線圖，以處理復雜的焊盤布局和多層、疊層模具和SiP配置。如圖7所示，較短的導線長度可以提供具有較低電感和電容的改進的電氣性能。這里顯示了GQFN與64引線QFN或QFP封裝的封裝尺寸和電氣性能優(yōu)勢。對于射頻和電源管理SiP應用，除了降低電寄生性能外，在SiP應用中廣泛使用的基于有機襯底的陸地網(wǎng)格陣列（LGA）封裝中，GQFN顯示出較低的熱阻，提供了更好的電性能和熱性能。

GQFN板級可靠性（BLR）

圖8:a）（左）GQFN 5xx0.45mm，79根引線的封裝結構；b）（右）a GQFN封裝橫截面。

移動應用需要新的封裝技術來在更嚴格的溫度循環(huán)應力和跌落沖擊用例下保持焊點的完整性。為了評估柵極陣列QFN技術的BLR，測試了一個5xxx0.45mm 79引線GQFN和一個2.9x2.6x0.1mm模具。由于這種79導聯(lián)GQFN設計比QFN減少了60%的封裝尺寸，增加的芯片封裝比對電路板級可靠性提出了擔憂，因為封裝和PCB之間的硅熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配將對焊點產(chǎn)生更大的影響，尤其是在芯片邊緣區(qū)域下的焊點。GQFN 5x5x0.45mm 79引線的封裝結構如圖8所示。

GQFN板級可靠性（BLR）

圖9:TCoB:Weibull圖。

5x5mm超薄（XGQFN）封裝是表面貼裝的，安裝在200x150mm板上，并進行加速壽命試驗，以確定其二級可靠性。溫度循環(huán)加速試驗條件為-40°C至125°C，停留/斜坡15分鐘。威布爾圖（圖9）顯示了特征壽命，其定義為63.2%試驗部件失效的壽命周期數(shù)。雖然模具封裝比非常高，為58%，XGQFN 5x5mm具有優(yōu)異的TCoB性能，首次失效為2680次循環(huán)，特征壽命為4600次循環(huán)（圖9）。

板級跌落試驗

圖10：跌落試驗：威布爾圖。

高要求的手機使用案例正在推動機械跌落沖擊阻力目標的提高，客戶需要的數(shù)據(jù)最多可達1000次跌落周期。XGQFN 5x5mm封裝安裝在132x77x1.0mm的8層板上，設計用于形成集成菊花鏈。試驗方法包括使用跌落臺從規(guī)定高度自由跌落電路板，該高度與JEDEC條件B（1500 Gs，0.5ms持續(xù)時間，半正弦脈沖）相對應，如JESD22-B110表1所示。XGQFN 5x5mm封裝具有優(yōu)異的跌落性能，第一次故障為470次循環(huán)，特征壽命為950次，通過了移動用戶苛刻的測試標準（圖10）。

圖11:GQFN中帶有銅柱凸起的FC。

在QFN封裝中使用倒裝芯片與銅柱碰撞相結合的密度優(yōu)勢將使更廣泛的設備和應用能夠利用倒裝芯片封裝固有的尺寸、熱性能和電性能優(yōu)勢。圖11顯示了一個設計的橫截面，該設計利用GQFN封裝中的倒裝芯片銅柱來提供一種獨特的散熱墊和信號焊盤的布置。該設計實現(xiàn)了一個小型封裝，具有較高的模具封裝尺寸比，以及良好的熱性能和電氣性能。

摘要

無鉛引線框架組件、材料和工藝技術的進步使QFN封裝能夠通過提高可靠性和更高的I/O密度來解決具有挑戰(zhàn)性的應用和設備要求。在電鍍鉛之前添加一個步驟切割工藝，可以電鍍鉛側壁側面，從而通過形成完整的焊料角來改善焊點的完整性和AOI檢查。這種改進使得QFN封裝可以用于惡劣或更高溫度的應用，以更好地滿足汽車市場驅動的高可靠性要求。絕緣模具工藝的發(fā)展解決了許多制造難題，這些挑戰(zhàn)一直限制著多排和面陣QFN封裝的采用和應用。堅固的蝕刻背襯和絕緣模具工藝相結合，使QFN封裝具有更高的I/O密度和設計靈活性，使網(wǎng)格陣列QFN（GQFN）封裝能夠解決迄今為止需要2到4層有機層壓細間距球柵陣列（FBGA）或LGA封裝的設計。GQFN技術允許倒裝芯片、疊層模具和被動式集成到基于引線框架的低成本封裝中，以推動無鉛引線框架應用的持續(xù)增長