QFN器件焊接質(zhì)量及可靠性改善方法的研究

鄭佳華，梅聰，張龍，唐文亮，王旭，劉路，張儉

(深圳長(zhǎng)城開發(fā)科技股份有限公司，廣東深圳 518035)

0 引言

方形扁平無引腳封裝 (QFN：Quad Flat Nolead Package)器件由于采用四方扁平無引腳封裝結(jié)構(gòu)，因而該類器件具有很低的引線電阻和自感系數(shù)；而且其底部設(shè)計(jì)了較大的裸露晶圓粘接焊盤(散熱焊盤)，芯片同時(shí)還具備良好的散熱性能，因此這類封裝特別適合大功率或電源類的控制芯片。QFN封裝芯片的外形和內(nèi)部綁定結(jié)構(gòu)如圖1所示。QFN封裝最初只被應(yīng)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，隨著行業(yè)對(duì)其可靠性機(jī)理的認(rèn)知不斷深入，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸地被應(yīng)用到工業(yè)類和醫(yī)療類電子產(chǎn)品中。

圖1 QFN封裝芯片的外形和內(nèi)部綁定結(jié)構(gòu)

然而，這種無引腳的封裝器件也給表面組裝技術(shù) (SMT：Surface Mount Technology)提出了一些新的要求。對(duì)于QFN等底部端子器件的焊接質(zhì)量，IPC-7093[1]指出工藝的關(guān)鍵控制點(diǎn)是焊點(diǎn)的高度(離板高度)和散熱焊盤底部焊點(diǎn)的氣泡率。目前，對(duì)于一些封裝尺寸較小的QFN器件，行業(yè)內(nèi)一般根據(jù)工藝經(jīng)驗(yàn)，通過優(yōu)化爐溫曲線和鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)等方式[2]來降低器件的散熱焊盤空洞率。但針對(duì)較大尺寸的QFN，盡管也有較多的工藝改善方案，空洞率的控制仍是一個(gè)大的挑戰(zhàn)。大尺寸QFN芯片的空洞率較高不僅會(huì)影響芯片的散熱性能，而且會(huì)使得焊點(diǎn)高度不可控，焊點(diǎn)熱疲勞可靠性不可控，最終導(dǎo)致QFN焊點(diǎn)可靠性失效風(fēng)險(xiǎn)。

基于以上工藝和可靠性問題，本文從改善散熱焊盤的空洞率與控制焊點(diǎn)高度的角度出發(fā)，提出了一種采用綠油阻焊分割設(shè)計(jì)散熱焊盤的新方法，以改善QFN器件的焊接質(zhì)量和可靠性。

1 QFN焊點(diǎn)質(zhì)量改善思路

針對(duì)QFN的PCB焊盤設(shè)計(jì)，行業(yè)內(nèi)目前已經(jīng)開展了較多的研究，主要集中在QFN焊盤的DFM、中間散熱焊盤的過孔設(shè)計(jì)和引腳及散熱焊盤的錫量兼容方面。

根據(jù)業(yè)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)，本文中PCB的設(shè)計(jì)選擇引腳焊盤外延0.3 mm(行業(yè)經(jīng)驗(yàn)為0.3～0.5 mm)，內(nèi)延0.05 mm的設(shè)計(jì)[3]，如圖2所示。中間散熱焊盤的散熱過孔設(shè)計(jì)方面，目前主要有4種方式，即：通孔設(shè)計(jì)、底部塞孔、頂部塞孔和雙面塞孔工藝。本文采用雙面綠油塞孔工藝，如圖3所示。其中，過孔直徑為0.3 mm，過孔間距為1.0 mm(行業(yè)建議直徑為0.3～0.33 mm，過孔間距為1.0～1.2 mm)。

圖2 QFN封裝PCB引腳焊盤設(shè)計(jì)

回流焊過程中助焊劑揮發(fā)產(chǎn)生氣體，當(dāng)助焊劑揮發(fā)不完全或者氣體逃逸不徹底時(shí)將殘留在焊料中而形成氣泡。本文采用阻焊層對(duì)散熱焊盤進(jìn)行分割的方式來設(shè)計(jì)PCB焊盤，PCB散熱焊盤的實(shí)際覆銅面積不變，在覆銅表面保留一定量的綠油阻焊層。采用這種設(shè)計(jì)方法具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，主要包括：首先，散熱焊盤面積不會(huì)減?。黄浯?，阻焊層的厚度小于焊點(diǎn)的高度，在回流過程中為阻焊劑揮發(fā)氣體提供了逃逸的通道從而能夠降低空洞率；最后，這種設(shè)計(jì)也不會(huì)增加PCB的制版成本。本文將在第三部分通過ANSYS仿真分析來討論這種設(shè)計(jì)對(duì)QFN焊點(diǎn)可靠性的影響，確認(rèn)這種設(shè)計(jì)的合理性。

圖3 QFN PCB散熱焊盤雙面綠油塞孔方式

在鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)部分，本文采用鋼網(wǎng)分塊設(shè)計(jì)，分別考慮了方形分塊、條形分塊這兩種方式。

圖4 QFN散熱焊盤鋼網(wǎng)開口圖形 （方形和條形）

2 QFN散熱及焊點(diǎn)可靠性機(jī)理數(shù)值分析

QFN封裝芯片工作時(shí)，其內(nèi)部晶圓產(chǎn)生熱量，同時(shí)使用環(huán)境也存在晝夜溫差，因此實(shí)際上焊點(diǎn)是處于熱循環(huán)狀態(tài)。下面通過數(shù)值模擬方法對(duì)QFN焊點(diǎn)的散熱和熱疲勞可靠性機(jī)理進(jìn)行研究分析。

2.1 芯片散熱分析

基于熱仿真軟件ANSYS ICEPAK方法，首先對(duì)68引腳、10 mm×10 mm尺寸的QFN封裝進(jìn)行了焊接后的幾何建模。其主要結(jié)構(gòu)包括：PCB板、焊點(diǎn) (焊料)和QFN器件 (包括晶圓、塑封體和引線框架)，幾何結(jié)構(gòu)和有限元模型如圖5所示，模型的PCB按照實(shí)際設(shè)計(jì)了散熱過孔。QFN模型主要的尺寸參數(shù)如表1所示[4-5]。

圖5 QFN封裝芯片模塊幾何結(jié)構(gòu)及其有限元模型

表1 QFN模型主要尺寸參數(shù)

散熱分析基于熱傳導(dǎo)理論模型，其熱傳導(dǎo)方程為：

式(1)中：T——溫度；

ρ——密度；

λ——傳導(dǎo)率；

C——比熱容。

模型的主要材料的熱性能參數(shù)如表2所示[4-5]。

表2 模型主要材料的熱性能參數(shù)

進(jìn)行散熱仿真時(shí)假設(shè)初始條件與邊界條件均為25℃ (環(huán)境溫度)，模型整體與空氣之間有熱對(duì)流和熱輻射。

模型計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)假定所有的焊點(diǎn)高度一致 (芯片沒有偏位或者高低不平)且焊點(diǎn)無氣泡時(shí)，當(dāng)芯片耗散功率增加時(shí)，QFN器件的溫度上升 (焊點(diǎn)的溫度基本上等同于器件溫度)，PCB散熱焊盤的過孔為晶圓提供散熱通道，當(dāng)晶圓的溫度較高時(shí)，其熱量可通過過孔較好地傳導(dǎo)到散熱結(jié)構(gòu)上 (如覆銅、熱沉等)。同時(shí)仿真數(shù)據(jù)表明，散熱焊盤采用綠油阻焊分割基本上不影響QFN的散熱效果，如圖6所示，其晶圓溫度曲線與過孔中填充錫焊料的結(jié)構(gòu)重合。

圖6 QFN散熱焊盤PCB采用不同的設(shè)計(jì)時(shí)晶圓溫度隨功率的變化情況

2.2 焊點(diǎn)可靠性機(jī)理數(shù)值分析

為了考察QFN焊點(diǎn)的熱疲勞壽命，本文采用了1/4 3D建模對(duì)QFN進(jìn)行熱循環(huán)模擬計(jì)算分析。除了焊點(diǎn)之外，所有的材料參數(shù)采用線彈性材料參數(shù)，選用Solid45單元類型；焊點(diǎn)采用Anand模型[6]，并且采用粘塑性單元VISCO107。

模型的邊界條件為：模型拐角點(diǎn)x、y、z 3個(gè)方向固定，從兩個(gè)對(duì)稱面施加對(duì)稱約束。施加的溫度循環(huán)條件參考固體半導(dǎo)體工業(yè)可靠性標(biāo)準(zhǔn)JEDEC JESD22-A104-B，其溫度變化范圍是-55～125℃ (由QFN實(shí)際工作環(huán)境決定)，高低溫保溫時(shí)間均為10 min，升降溫時(shí)間均為15 min[7]。

QFN芯片模型中的焊點(diǎn)經(jīng)歷4個(gè)循環(huán)后焊點(diǎn)的等效應(yīng)力和塑性等效應(yīng)變?cè)茍D如圖7所示。從應(yīng)力應(yīng)變的規(guī)律及云圖可知，應(yīng)力應(yīng)變的最大值趨近于對(duì)角焊點(diǎn)的兩個(gè)焊接界面。因此，當(dāng)焊點(diǎn)由于熱疲勞而開裂時(shí)，理論上對(duì)角焊點(diǎn)應(yīng)該是起裂位置。

圖7 4個(gè)循環(huán)后焊點(diǎn)的等效應(yīng)力和塑性等效應(yīng)變?cè)茍D

針對(duì)焊點(diǎn)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變引起的能量累積，可以用塑性應(yīng)變能密度來表征。分析發(fā)現(xiàn)，隨著溫度循環(huán)數(shù)的增加，焊點(diǎn)的塑性應(yīng)變能密度不斷地累積增加；當(dāng)焊點(diǎn)高度增加時(shí)，塑性應(yīng)變能密度明顯地下降；同時(shí)對(duì)比尺寸為4 mm×4 mm、7 mm×7 mm和10 mm×10 mm的封裝發(fā)現(xiàn)，QFN封裝的尺寸越大，封裝的變形量越大，焊塑性應(yīng)變能密度越大，如圖8所示。

圖8 焊點(diǎn)的塑性應(yīng)變能密度隨著焊點(diǎn)高度增加的變化曲線

采用Darveaux模型來計(jì)算焊點(diǎn)的壽命 (即可承受的溫度循環(huán)數(shù))[8-10]。焊點(diǎn)的特征壽命為初始裂紋產(chǎn)生的循環(huán)數(shù)與裂紋擴(kuò)展到有效的焊接長(zhǎng)度導(dǎo)致貫穿裂紋對(duì)應(yīng)的循環(huán)數(shù)之和。預(yù)期壽命計(jì)算公式如下：

式 (5)-(7)中：

k1，k2，k3，k4——裂紋生長(zhǎng)常數(shù)；

ΔWavg——體積平均的粘塑性應(yīng)變能密度；

a——斷裂特征長(zhǎng)度。

分別建立芯片尺寸為10 mm×10 mm、7 mm×7 mm和4 mm×4 mm的QFN的模型，仿真計(jì)算了當(dāng)焊點(diǎn)高度從20 μm遞增至100 μm時(shí)焊點(diǎn)的預(yù)期壽命，結(jié)果如圖9所示。從結(jié)果數(shù)據(jù)中可以得出，提高焊點(diǎn)高度可以有效地提高QFN焊點(diǎn)的熱疲勞壽命。

圖9 不同尺寸QFN模型的焊點(diǎn)壽命隨著焊點(diǎn)高度增加的變化曲線

從QFN散熱仿真與可靠性機(jī)理的數(shù)值模擬分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在PCB散熱采用綠油塞孔的同時(shí)使用阻焊分割的方式不會(huì)降低焊點(diǎn)的熱疲勞可靠性，因此這是提升QFN焊接質(zhì)量及可靠性的可行方案。下面將針對(duì)這一方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3 QFN焊接實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建議QFN焊點(diǎn)的高度應(yīng)控制在50～70 μm之間。從圖8中的數(shù)值分析結(jié)果可知，當(dāng)焊點(diǎn)高度從20 μm逐漸地增大時(shí)，焊點(diǎn)的塑性應(yīng)變能密度單調(diào)遞減，即焊點(diǎn)的壽命單調(diào)遞增。

針對(duì)空洞率的控制，目前行業(yè)內(nèi)沒有統(tǒng)一明確的量化標(biāo)準(zhǔn)，但可以確定的是，氣泡量越低越有利于芯片的散熱和焊點(diǎn)高度的控制。

以下將通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證散熱焊盤阻焊分割設(shè)計(jì)在焊點(diǎn)高度和散熱焊盤空洞率控制上的效果。

3.1 工藝改善DOE

在焊接工藝中，影響焊點(diǎn)高度和散熱焊盤空洞率的工藝因子主要有：散熱焊盤的下錫量 (A Volume)、鋼網(wǎng)開口的形狀 (B Pattern)、QFN PCB散熱焊盤的設(shè)計(jì) (C Pad)和回流焊的保溫時(shí)間(D Time)。這4個(gè)工藝因子的水平數(shù)和值如表3所示。

表3 關(guān)鍵工藝因子及水平

將4個(gè)工藝因子根據(jù)水平值組合進(jìn)行了16組SMT工藝實(shí)驗(yàn)，各個(gè)因子或組合對(duì)散熱焊盤空洞率的影響如圖11所示。DOE結(jié)果表明：散熱焊盤阻焊分割設(shè)計(jì)對(duì)降低空洞率的效果最為明顯；鋼網(wǎng)開口的形狀和回流焊保溫時(shí)間對(duì)降低空間率的效果也相對(duì)顯著；散熱焊盤下錫量對(duì)降低空間率的影響相對(duì)偏弱，后續(xù)可通過調(diào)節(jié)下錫量進(jìn)行焊點(diǎn)高度的調(diào)節(jié)。

圖11 DOE分析不同因子或組合對(duì)焊點(diǎn)氣泡量的影響結(jié)果

應(yīng)用響應(yīng)優(yōu)化器對(duì)工藝因子及回流后的氣泡率進(jìn)行分析，結(jié)果如圖12所示。從圖12中可以看出，當(dāng)鋼網(wǎng)開口采用方形設(shè)計(jì)，散熱焊盤采用阻焊膜分割，回流保溫時(shí)間增加到80 s時(shí)，10 mm×10 mm的QFN散熱焊盤的空洞率將得到最優(yōu)的效果。

圖12 響應(yīng)優(yōu)化器分析最優(yōu)的工藝及設(shè)計(jì)條件

3.2 工藝改善結(jié)果

采用以上的最優(yōu)工藝及設(shè)計(jì)條件進(jìn)行批量SMT實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：采用傳統(tǒng)的散熱焊盤時(shí)，空洞量不可控，空洞率為6%～40%；采用綠油阻焊分割設(shè)計(jì)后，散熱焊盤空洞率降低0～8%，改善效果較為明顯，如圖13所示。

圖13 10 mm×10 mm QFN散熱焊盤空洞X-ray圖像

下錫量為55%時(shí)這兩種散熱焊盤結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的焊點(diǎn)高度如圖14所示。當(dāng)采用分割設(shè)計(jì)時(shí)，焊點(diǎn)高度集中在70～85 μm，而采用焊盤不分割設(shè)計(jì)時(shí)，焊點(diǎn)高度為60～100 μm，相對(duì)分散。因此，采用焊盤綠油分割方式可以較好地控制焊點(diǎn)高度?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)散熱焊盤的下錫量將焊點(diǎn)高度降低到50～70 μm之間，焊點(diǎn)高度降低，可使焊點(diǎn)高度的分布更加集中可控。

圖14 55%下錫量對(duì)應(yīng)的QFN的焊點(diǎn)高度

4 可靠性分析與預(yù)計(jì)

結(jié)合ANSYS仿真結(jié)果可以知道，QFN器件焊點(diǎn)的熱疲勞失效機(jī)理是：當(dāng)芯片持續(xù)工作時(shí)，較大的耗散功率使得QFN器件發(fā)熱，晝夜交替等環(huán)境變化使得器件的工作條件出現(xiàn)溫差；此時(shí)，QFN焊點(diǎn)類似于暴露在溫循環(huán)境中，因此焊點(diǎn)的焊料內(nèi)部存在由于蠕變和應(yīng)變等內(nèi)應(yīng)力不斷產(chǎn)生和釋放的過程，而導(dǎo)致焊料出現(xiàn)晶粒粗化的現(xiàn)象，隨著粗化程度加大，晶粒之間逐漸地形成裂紋并不斷地生長(zhǎng)或擴(kuò)展，直至貫穿整個(gè)有效的焊接界面，從而出現(xiàn)焊點(diǎn)開路失效，如圖15所示。

圖15 QFN焊點(diǎn)熱疲勞失效機(jī)理

在電子裝聯(lián)可靠性分析中，一般使用加速應(yīng)力實(shí)驗(yàn)來預(yù)計(jì)焊點(diǎn)的壽命，QFN焊點(diǎn)的熱疲勞失效機(jī)理對(duì)應(yīng)的應(yīng)力是溫度循環(huán)應(yīng)力。產(chǎn)品中的電源芯片采用4 mm×4 mm的QFN封裝結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品在用戶端正常工作時(shí)，實(shí)際的溫循環(huán)境最低溫度T可達(dá)到-40℃，最高溫度T可達(dá)到100℃，因此數(shù)值仿真中采用TC4溫循加速條件，T(最低)為-55℃，T(最高)為125℃，溫升及溫降時(shí)間為15 min，高低溫駐留時(shí)間為10 min[7]。在QFN散熱焊盤散熱過孔不采取綠油塞孔工藝的情況下，功能引腳的焊點(diǎn)高度約為30 μm，焊點(diǎn)可承受的循環(huán)數(shù)N(Test) 為1 187。

對(duì)于SMD焊點(diǎn)的熱疲勞壽命分析，可采用Engelmaier-Wild焊點(diǎn)失效模型來估算加速因子AF[7，11]，此溫循加速條件對(duì)應(yīng)的加速因子AF=0.6。因此，Nf(Product) =N(Test)×AF=712個(gè)循環(huán)。產(chǎn)品實(shí)際使用過程中每個(gè)溫循周期為24 h(1 d)，因此，預(yù)估此QFN焊點(diǎn)的熱疲勞壽命約為1.95年，這與實(shí)際產(chǎn)品中的QFN焊點(diǎn)壽命表現(xiàn)基本吻合，產(chǎn)品上市時(shí)間為2014年下半年，2016年11月份QFN焊點(diǎn)發(fā)生開裂失效，壽命約為2年左右。失效焊點(diǎn)的焊料內(nèi)部可見明顯的晶粒粗化及貫穿性裂紋，失效焊點(diǎn)分布在封裝對(duì)角，并且裂紋位置貼近焊接界面，如圖16所示。

基于以上仿真模型可知，當(dāng)QFN焊點(diǎn)的高度增加到60 μm時(shí)，焊點(diǎn)的壽命可以增長(zhǎng)到3.4年左右。

針對(duì)10 mm×10 mm的QFN器件，通過以上的設(shè)計(jì)及工藝優(yōu)化，批量裝聯(lián)時(shí)焊點(diǎn)的高度可控制在60 μm左右，其對(duì)應(yīng)的循環(huán)數(shù)為1 150，是優(yōu)化前的1.6倍 (優(yōu)化前焊點(diǎn)的高度為30 μm，對(duì)應(yīng)的循環(huán)數(shù)為718)。

圖16 QFN焊點(diǎn)熱疲勞失效后的金相結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語

QFN器件焊點(diǎn)的熱疲勞失效機(jī)理是：當(dāng)芯片工作時(shí)，較大的耗散功率使得QFN器件發(fā)熱，加上晝夜溫差，QFN焊點(diǎn)暴露在溫循環(huán)境中，焊點(diǎn)焊料內(nèi)部存在蠕變和應(yīng)力釋放，焊料在連續(xù)的應(yīng)力條件下出現(xiàn)晶粒粗化，焊料內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋，隨著粗化程度的加大，裂紋生長(zhǎng)或擴(kuò)展，直至貫穿整個(gè)有效的焊接面，焊點(diǎn)發(fā)生開路失效[12-13]。

針對(duì)10 mm×10 mm及以下尺寸的QFN器件，通過對(duì)PCB散熱焊盤進(jìn)行綠油分割設(shè)計(jì)，為回流焊過程中的阻焊劑揮發(fā)預(yù)留氣體逃逸通道，可有效地降低散熱焊盤的空洞率 (空洞率從優(yōu)化前的6%～40%，改善到優(yōu)化后的0～8%)，同時(shí)使得焊點(diǎn)高度達(dá)到可控 (焊點(diǎn)高度從優(yōu)化前的60～100 μm，改善到優(yōu)化后的70～85 μm)，從而保證了QFN有較好的散熱通道，進(jìn)而使得QFN焊點(diǎn)的熱疲勞可靠性可控。

采用Engelmaier-Wild模型對(duì)焊點(diǎn)的可靠性進(jìn)行預(yù)計(jì)和分析，基于ANSYS仿真數(shù)據(jù)可知，當(dāng)10 mm×10 mm QFN的焊點(diǎn)高度從30 μm提高到60 μm時(shí)，其可靠性可提升為原來的1.6倍。

因此，通過QFN散熱焊盤的綠油阻焊分割設(shè)計(jì)，可以在不增加產(chǎn)品成本的前提下，有效地控制和提升QFN焊點(diǎn)的質(zhì)量，從而提升QFN的焊接可靠性。