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引言

      QFN（Quad Flat No-leads）由于其特有的性能和優(yōu)點(diǎn)在電子組裝業(yè)中地位越來越重要。QFN具有很小的封裝面積，它的外形非常薄，重量也很輕。它還在封裝的周邊排布了令人感興趣的I/O，并具有良好的熱和電氣行為。這些特性使QFN成為當(dāng)今市場上最受歡迎的半導(dǎo)體封裝之一。

      然而，在實(shí)踐中，QFN封裝也面臨著一些挑戰(zhàn)。

      在電子組裝生產(chǎn)過程中，QFNs通過焊膏連接到PCB，焊膏在通過回流焊爐時形成焊點(diǎn)。QFN沒有像QFP或PLCC那樣的引腳，這導(dǎo)致其托腳高度非常低（PCB和QFN之間的間隙）。這意味著互連材料或焊點(diǎn)非常小且非常薄。這導(dǎo)致了焊點(diǎn)較低的熱機(jī)械應(yīng)力耐受性。

      熱機(jī)械應(yīng)力是在電子組件被加熱和冷卻（熱循環(huán)）時由于PCB和封裝中使用了不同熱膨脹系數(shù)（CTE）的材料引起的。

      在使用現(xiàn)場，電子元件本身和外部影響因素都會產(chǎn)生這種熱。在一定數(shù)量的熱循環(huán)之后，連接電子元件到PCB的焊點(diǎn)就開始開裂。裂紋焊點(diǎn)通常會導(dǎo)致電子電路在現(xiàn)場發(fā)生故障。除了維修費(fèi)用之外，在某些情況下，它還會導(dǎo)致使用或依賴電子設(shè)備的人處于危險(xiǎn)境地。

      據(jù)報(bào)道，QFN焊點(diǎn)開裂速度比QFP有引腳封裝快三倍。很明顯，這個問題的關(guān)鍵是焊點(diǎn)本身。焊點(diǎn)的力學(xué)性能主要由其焊接合金決定。其他因素是焊點(diǎn)所連接的基材、表面精飾引入焊點(diǎn)的元素（例如來自NiAu的Au）、焊點(diǎn)的三維結(jié)構(gòu)、焊接過程中焊點(diǎn)所經(jīng)歷的加熱和冷卻曲線等。然而，由于沒有足夠的測試數(shù)據(jù)，焊接合金參數(shù)的重要性還沒有完全被了解。

      為了更好地了解焊接合金的重要性，設(shè)計(jì)了一個研究案例，以評估當(dāng)前三種焊料合金焊接不同類型的QFNs的熱循環(huán)行為。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

      評價熱循環(huán)行為的最顯而易見的工具就是熱循環(huán)試驗(yàn)。為此，選擇了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JEDEC JESD-A104條件G。測試載具在-40 ℃/+ 125 ℃的溫度下循環(huán)1 h。在極端情況下的停留時間是10 min，斜率為10 ℃/min，熱循環(huán)爐為Weiss VTS 7027-10。

      PCB基材為Isola 370HR。PCB為由6層組成的PCB，厚度約1.6 mm。內(nèi)層的銅厚度為25 μm，外層具有35 μm的銅?；逋匡棡镹iAu。

      熱通孔為充滿導(dǎo)電填充物的0.45 mm電鍍孔。

      PCB被分為4個區(qū)域。4種不同類型的9 mm×9 mm QFN分別安裝到每個區(qū)域，每個區(qū)域4個相同的元件。選擇低CTE（7×10-6）塑封和高CTE（15×10-6）塑封以及大的和小的芯片焊盤組合。在結(jié)果中，這將消除僅與QFN的特定設(shè)計(jì)相關(guān)的故障。QFNs是菊花鏈，以便能夠連續(xù)測量。為此目的，使用了Analysis Tech Model 128/256 STD  探測器。當(dāng)開路被連續(xù)地檢測到10x時，就被認(rèn)為是出了故障。

      焊膏選用當(dāng)前的三種焊料合金。

      第一個選擇是SnAg3Cu0.5，因?yàn)樗瞧駷橹故袌錾鲜褂米疃嗟臒o鉛焊接合金。SnAg3Cu0.5是已知的具有相當(dāng)差的熱循環(huán)行為。

      主要是由于成本的原因，市場的發(fā)展趨勢是減少SnAgCu合金中的Ag含量。因此，SnAg0.8Cu0.7合金是第二種被選擇評價的合金。

      由于SnAgCu合金的焊接溫度可能對溫度敏感元件和基材很苛刻，市場的發(fā)展還有另一種趨勢，傾向于低熔點(diǎn)合金。這些合金可在較低的溫度下焊接，滿足溫度敏感材料的要求。,

      此外，它們可以大大降低能耗和制造成本。LMPA-Q是由Interflux Electronics開發(fā)的一種具有增強(qiáng)機(jī)械性能的新低熔點(diǎn)合金。由于它在早期的熱循環(huán)試驗(yàn)中顯示出非常好的結(jié)果，它被選擇作為第三種合金來完成試驗(yàn)。

      每個測試載具都采用所選焊膏的專用回流焊溫度曲線進(jìn)行焊接。對于SnAg3Cu0.5和SnAg0.8Cu0.7，測得的峰值溫度在240 ℃左右。對于LMPA-Q合金，峰值溫度約為215 ℃，與其他兩種合金相比，在焊接過程中降低能耗約20%。

測試結(jié)果評價

      SnAg0.8Cu0.7合金是在100至200次循環(huán)中出現(xiàn)故障的第一種合金，然后迅速累積到所有QFNs的約25%，在3000次循環(huán)后，累積到所有QFNs的90%。

      SnAg3Cu0.5看起來稍好一點(diǎn)。它在500個周期后開始出現(xiàn)故障，然后迅速累積到所有QFNs的約25%，在3 000個循環(huán)后累積到所有QFNs的65%。

      LMPA-Q合金是出現(xiàn)故障之前持續(xù)時間最長的。第一次故障出現(xiàn)在800次循環(huán)后，然后積累到約10%，3 000個周期后累積到25%。