對某印制電路板組件QFN封裝器件在電氣裝聯中出現的焊點橋連缺陷，從焊盤設計、工藝設計進行原因分析。通過元器件焊盤優化設計、焊盤阻焊方式優選、鋼網改進設計及焊膏印刷質量提高，解決了缺陷的產生。對塑封QFN元器件和印制電路板進行除潮、檢驗和環境試驗，最終實現了QFN封裝器件的高可靠性電氣裝聯。

某批量印制電路板產量預計每月上10KK片，然而在試生產即印制電路板組裝件電氣裝聯過程中，某QFN封裝器件大量出現焊點橋連現象，為保證該批次印制電路板組裝件高可靠性裝聯，本文從印制電路板焊盤設計、裝聯工藝進行分析，采取解決措施，從檢測及環境試驗方面對電裝過程進行質量控制，最終實現了批量印制電路板組裝件的高可靠性電氣裝聯。

1 QFN（Quad Flat No-lead Package）結構特點分析

某印制電路板組件中采用的QFN器件呈正方形，周邊導電引腳電極均位于器件封裝底部，且封裝底部中央位置有一個大面積裸露焊盤用來散熱，圍繞大焊盤的封裝外圍兩邊有實現電氣連接的導電焊盤，如圖1所示。

2 QFN器件焊端橋連缺陷的分析

引起QFN焊端間橋連缺陷的因素很多，主要有下列幾種：

1）焊膏量局部過多；

2）焊膏坍塌；

3）焊膏印刷不良；

4）引腳變形；

5）貼片偏移量大；

6）鋼網開窗與焊盤的匹配性不好；

7）焊盤尺寸不符合要求；

8）印制電路板的制造質量，如阻焊間隙、厚度及噴錫厚度的影響。

針對本文QFN器件橋連現象，結合上述因素，本文著重從印制電路板焊盤設計和工藝技術方面進行分析和采取解決措施。

2.1 QFN焊盤設計問題

對未電裝的印制電路板上QFN器件的焊盤進行測量和分析可知，QFN導電焊盤較元器件焊端封裝內延了0.10 mm，中間散熱焊盤較元器件焊端外延了0.15 mm，導電焊盤和中間散熱焊盤的間隙僅有0.05 mm，小于IPC 7351《表貼元件焊盤設計規范》規定的最小值0.15 mm。

2.2 工藝技術

QFN電氣裝聯需要經過鋼網設計、焊膏印刷、貼片和回流焊接等流程，因此分析元器件焊接橋連缺陷時需要對這些環節進行排查。

2.2.1 鋼網設計

在QFN的自動裝焊整個工藝流程中，焊膏印刷是一個重要的環節，鋼網是焊膏印刷過程中的工裝，鋼網的設計質量直接決定了焊膏印刷的最終形狀，是焊膏印刷質量的一個關鍵因素。QFN器件鋼網設計包含三個因素：鋼網的厚度、網板的開孔設計方法和中央散熱焊盤的處理。

該QFN封裝器件屬于細密元件器件，封裝底部中央為一個大的整體散熱焊盤，鋼網設計時，針對中間電氣焊盤，鋼網開孔尺寸與印制板上對應焊盤完全一致，針對中間散熱焊盤鋼網上設計了一個方形的整體開孔，這樣的設計會導致焊膏印刷量過大，且在焊接過程中影響氣體的排放，容易造成焊球空洞、飛濺等其他缺陷。

鋼網的厚度是器件印制板焊盤上印刷量的因素之一，大多或太少的焊膏量都會造成后續焊接過程中出現缺陷，測量使用的鋼網厚度為0.2 mm，本文QFN封裝器件引腳間距為0.5 mm，屬于細密元件，該鋼網厚度設計不合理。

2.2.2 焊膏印刷

通過對現場操作過程的調查發現焊膏印刷起初采取的方式是人工手動印刷，該印刷方式存在：刮刀印刷壓力不均勻、鋼網與印制板貼合不緊密、焊膏和鋼網脫離速度不易控制等因素，從而影響焊膏轉移量，致使焊膏印刷量控制不準確。

2.2.3 貼片

貼片力的大小與自動貼片機的參數設置有關，目前單位采用的是高精度貼片機，貼裝精度達到±60 μm，精度完全可以滿足該QFN器件的貼裝，因此只需保證器件貼裝程序的精準和貼片壓力的恰當即可，貼片機的貼裝壓力范圍為0.5 N~7.0 N，編制貼裝程序時，以印制電路板上設置的基準點準備確定器件位置及對應焊盤，將貼片機的貼裝壓力控制在3.0 N~4.0 N，在器件貼裝完成回流焊以前，對QFN器件的貼裝質量進行自檢，以便于發現貼裝過程中可能出現的器件極性方向裝反、器件偏移和焊錫橋連等器件貼裝缺陷。

2.2.4 回流焊接

回流焊接采取的是焊膏廠家通用的回流焊接溫度曲線，設備為五溫區回流焊接爐，焊膏為有鉛焊膏Sn63Pb37，熔點為183 ℃，通常再流焊接峰值溫度為210～230 ℃。結合印制電路板上其他元器件類型，微調生成新的回流溫度曲線，如圖2所示。圖中溫區設置為預熱保溫區、預再流區、再流區和冷卻區，預熱保溫區升溫速率控制在1~2 ℃/s ，預再流區為助焊劑侵潤區，即快速升溫區，升溫速率控制在1~3 ℃/s，再流區為183 ℃升至峰值溫度后再回到183 ℃的區域，通常控制在30~60 s之間，不超過90 s，其中峰值溫度需要保持7~15 s，冷卻到75 ℃，冷卻速率為1~3 ℃/s，室溫下整個過程時間大概為5 min，采用該溫度曲線進行焊接后，其他元件均合格，說明QFN產生的橋連缺陷與回流焊接曲線無關。

3 解決措施

QFN器件橋連缺陷分別從印制電路板焊盤設計、鋼網改進設計、焊膏印刷質量優化方面解決。

3.1 QFN器件焊盤的優化設計

QFN器件包含中間散熱焊盤和周邊導電焊盤，焊盤的設計主要包括三個方面：周邊引腳的焊盤設計；中間接地導熱焊盤及過孔的設計；PCB阻焊方式的選擇。依據IPC 7351《表貼元件焊盤設計規范》的規定，QFN焊盤應比QFN的焊端略大且焊盤內側應設計成與焊端的形狀相適配的形狀，一般QFN周邊焊端有矩形和圓形，對應印制電路板焊盤也應設計成對應的形狀。參考表1對該器件焊盤進行設計，優化后QFN器件I/O導電焊盤向外延伸的長度為0.20 mm(≥0.15 mm)，有利于外側焊點的形成，內延0.05 mm，接地焊盤外放0.05 mm，導電焊盤與中間焊盤的間隙為0.20 mm（≥0.15 mm）。QFN焊端尺寸如圖3所示，印制電路板焊盤對應尺寸如圖4所示。

QFN器件貼裝時，通常將散熱焊盤直接焊接在PCB上。為了更好地散熱，QFN中間焊盤上通常設置散熱過孔。散熱過孔的數量及尺寸取決于封裝應用情況、芯片功率大小，以及電性能的要求。經驗設計散熱過孔間距1.0～1.2 mm，過孔孔徑尺寸0.30～0.34 mm [4] ，中間散熱焊盤過孔設計如圖5（a）所示，散熱孔采用頂部阻焊的形式如圖5（b）所示。

3.2 QFN器件阻焊的優化設計

為了進一步保證中間散熱焊盤與兩邊導電焊盤無焊膏橋連現象，決定采取不同的焊盤設計方式：中間焊盤采用有阻焊限制的SMD焊盤設計形式；周邊焊盤采用無阻焊限制的NSMD焊盤設計形式。周邊焊盤間距為0.50 mm，采用整排焊盤大阻焊圖形形式，阻焊圖形尺寸比焊盤周邊大0.06 mm，如圖6所示。

3.3 QFN鋼網改進設計

由于QFN器件鋼模板設計包括中間散熱焊盤和周邊導電焊端兩部分，根據器件焊端所需焊膏量的區別，鋼模板厚度按器件焊端間距的大小進行確定 [5-6] 。該產品中QFN器件焊端間距小于0.50 mm，因此選用0.12 mm厚的鋼模板。

QFN器件焊盤上焊膏體積的沉積量不僅與網板厚度有關，還與開口寬度和長度有關，當確定了模板厚度后，開口的尺寸就很重要了，圖7所示為模板開口尺寸示意圖，為了實現較好的焊膏釋放，IPC7525定義了模板開口設計最基本的要求，即網板設計時考慮到兩種比率：面積比=開口面積（ LW ）/開口的側面積（2 LT +2 LW ），應大于1.5；寬厚比=開口寬度（ W ）/網板厚度（ T ），應大于0.66 。

對于QFN器件周邊焊盤網板開口是方形的開口，中間焊盤尺寸遠大于周邊焊盤尺寸，為了避免焊膏量偏多造成焊端之間的橋連缺陷，器件中間的散熱焊盤對應鋼網上的開窗設計為網絡狀的井字形，鋼網開孔的總面積控制在為印制電路板對應焊盤的70%~80%，周邊焊盤對應開窗內縮0.05 mm，同時外延0.15 mm。遵循IPC7525標準，按照上述設計思路，QFN器件鋼網開窗尺寸如圖8所示。

3.4 焊膏印刷

采用自動印刷機進行印刷，每印刷5塊印制電路板對鋼模板底部進行一次清洗，以除去底部附著物。鋼模板連續印刷4 h后，從印刷機上取下進行徹底清洗，烘干后再使用。焊膏印刷完成后，自檢焊膏印刷效果，調整焊膏印刷參數至最佳。

4 質量控制

4.1 除潮

為了保證印制電路板組件的焊點可靠性，除了從上述焊盤和工藝方面進行優化設計外，規定對潮濕敏感器件和印制電路板進行預烘，參照IPC-9701標準對印制電路板在105 ℃下烘拷24 h；對QFN封裝和QFP封裝器件在125 ℃下烘拷24 h。完成元器件和印制電路板預烘后，在2 h內完成電裝。

4.2 檢測過程控制

本文印制電路板組件中包含片式器件、QFP（Quad Flat Package）和QFN等封裝集成電路、貼裝連接器以及功能模塊等，為了保證批量產品的質量，在印制電路板組裝的不同環節采用相應的檢測手段，其中將AOI（Automated Optical Inspection，自動光學檢驗）測試分別安排在三個階段：1）錫膏印刷之后，檢測在印刷過程中出現的缺陷；2）再流焊之前，檢查元器件是否正確良好的貼放在板上的錫膏里；3）再流焊之后，做最后的把關。在回流焊完成后采用X-ray檢測QFN器件和功能模塊，保證兩種元件封裝底部焊盤焊接可靠性，不僅保證焊端無橋連，而且保證焊接空洞率在25%以下。

4.3 環境試驗

為了確保印制電路板組件焊接完成后達到在具體使用環境中的可靠性預期值，在第一批45塊試生產樣件中抽取5塊進行高低溫環境試驗，環境試驗條件參照IPC-9701中消費類電子產品使用環境確定，見表2，溫度循環曲線如圖9所示。

環境試驗后，對印制電路板組件焊點進行AOI檢測，對QFN器件和功能模塊進行X-Ray檢測，焊點均優良，然后再對印制電路板組件進行電氣性能測試，功能參數滿足技術要求。

5 結語

QFN器件有微型引線框架無引腳封裝的特點，在印制電路板組裝過程中的焊點質量直接決定了整個印制電路板的質量可靠性，但在組裝過程中容易出現焊點橋連、空洞等缺陷，焊點缺陷的產生通常需要從設計、工藝、質量控制等多方面尋找原因，只有仔細研究元器件封裝焊盤尺寸，優化PCB焊盤設計，提高產品可制造性，并在組裝過程中，嚴格控制焊膏印刷、元件貼裝、回流焊接工藝，加強組裝過程中和組裝后的質量控制，才能杜絕該封裝器件的焊接不良，提高產品的一次合格率，降低制造成本。