QFN焊盘设计和QFN焊盘设计和工艺指南工艺指南.docx

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QFN焊盘设计和QFN焊盘设计和工艺指南工艺指南

QFN焊盘设计和工艺指南

一、基本介绍

QFN（Quad　Flat　No　Lead）是一种相对比较新的IC封装形式，但由于其独特的优势，其应用得到了快速的增长。

QFN是一种无引脚封装，它有利于降低引脚间的自感应系数，在高频领域的应用优势明显。

QFN外观呈正方形或矩形，大小接近于CSP，所以很薄很轻。

元件底部具有与底面水平的焊端，在中央有一个大面积裸露焊端用来导热，围绕大焊端的外围四周有实现电气连接的I/O焊端，I/O焊端有两种类型：

一种只裸露出元件底部的一面，其它部分被封装在元件内；另一种焊端有裸露在元件侧面的部分。

QFN采用周边引脚方式使PCB布线更灵活，中央裸露的铜焊端提供了良好的导热性能和电性能。

这些特点使QFN在某些对体积、重量、热性能、电性能要求高的电子产品中得到了重用。

由于QFN是一种较新的IC封装形式，IPC-SM-782等PCB设计指南上都未包含相关内容，本文可以帮助指导用户进行QFN的焊盘设计和生产工艺设计。

但需要说明的是本文只是提供一些基本知识供参考，用户需要在实际生产中不断积累经验，优化焊盘设计和生产工艺设计方案，以取得令人满意的焊接效果。

二、QFN封装描述

QFN的外形尺寸可参考其产品手册，它符合一般工业标准。

QFN通常采用JEDECMO-220系列标准外形，在焊盘设计时可以参考这些外形尺寸（示例如图1）。

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三、通用设计指南

QFN的中央裸焊端和周边I/O焊端组成了平坦的铜引线结构框架，再用模铸树脂将其浇铸在树脂里固定，底面露出的中央裸焊端和周边I/O焊端，均须焊接到PCB上。

PCB焊盘设计应该适应工厂的实际工艺能力，以求取得最大的工艺窗口，得到良好的高可靠性焊点。

需要说明的是中央裸焊端的焊接，通过“锚”定元件，不仅可以获得良好的散热效果，还可以增强元件的机械强度，有利于提高周边I/O焊端的焊点可靠性。

针对QFN中央裸焊端而设计的PCB散热焊盘，应设计导热过孔连接到PCB内层隐藏的金属层。

这种通过过孔的垂直散热设计，可以使QFN获得完美的散热效果。

四、焊盘设计指南

1、周边I/O焊盘

PCBI/O焊盘的设计应比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，详细请参考图2和表1。

如果PCB有设计空间，I/O焊盘的外延长度（Tout）大于0.15mm，可以明显改善外侧焊点形成，如果内延长度（Tin）大于0.05mm，则必须考虑与中央散热焊盘之间保留足够的间隙，以免引起桥连。

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2、中央散热焊盘

中央散热焊盘应设计比QFN中央裸焊端各边大0-0.15mm，即总的边长大出0-0.3mm，但是中央散热焊盘不能过分的大，否则，会影响与I/O焊盘之间的合理间隙，使桥连概率增加。

此间隙最小为0.15mm，可能的话，最好是0.25mm或更大。

3、散热过孔

散热过孔应按1.0mm-1.2mm的间隙均匀分布在中央散热焊盘上，过孔应连通到PCB内层的金属接地层上，过孔直径推荐为0.3mm-0.33mm。

虽然增加过孔（减小过孔间隙），表面上看好象可以改善热性能，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，需要根据实际PCB的情况来决定（如PCB散热焊盘尺寸、接地层）。

4、阻焊层设计

目前有两种阻焊层设计类型：

SMD（SolderMaskDefined）和NSMD（Non-SolderMaskDefined）。

SMD：

阻焊层开口小于金属焊盘；NSMD：

阻焊层开口大于金属焊盘。

由于在铜腐蚀工艺中更易控制，所以NSMD工艺更优选。

而且SMD工艺会使焊盘阻焊层与金属层重叠区域压力集中，在极端疲劳条件下容易使焊点开裂。

采用NSMD工艺则使焊锡围绕在金属焊盘边缘，可以明显改善焊点的可靠性。

由于以上原因，在中央散热焊盘和周边I/O焊盘的阻焊层设计中一般都推荐采用NSMD工艺。

但是，在尺寸相对比较大的中央散热焊盘阻焊层设计中应该采用SMD工艺。

在采用NSMD工艺时，阻焊层开口应比焊盘大120um-150um，即在阻焊层与金属焊盘之间留有60um-75um的间隙，弧形焊盘应设计相应的弧形阻焊层开口与之匹配，特别是在拐角处应有足够的阻焊层以阻止桥连。

每个I/O焊盘应单独设计阻焊层开口，这样可以使I/O相邻焊盘之间布满阻焊层，阻止相邻焊盘之间形成桥连。

但是，针对I/O焊盘宽度为0.25mm，间距只有0.4mm的细间距QFN，只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层。

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有些QFN的中央裸焊端设计过大，使得与周边I/O焊端之间的间隙很小，很容易引起桥连。

在这种情况下，PCB散热焊盘的阻焊层设计应采用SMD工艺，即阻焊层开口应每边缩小100um，以增加中央散热焊盘与I/O焊盘之间的阻焊层面积。

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中央裸焊端与PCB中央散热焊盘之间形成空焊。

过孔阻焊层的直径应比过孔直径大100um，建议在PCB背面涂布阻焊油堵塞过孔，这样可以在正面散热焊盘上会形成许多空洞，这些空洞有利于在回流焊接过程中释放气体，并围绕过孔形成更大的气泡，需要特别说明的是，这些气泡的存在不会影响热性能、电性能和焊点可靠性，是可以接受的。

五、钢网设计

1、周边I/O焊盘漏孔设计

周边I/O焊盘上回流焊后形成的焊点应有大约50-75um的高度，钢网设计是保证形成最优最可靠焊点的第一步。

钢网漏孔尺寸与I/O焊盘尺寸推荐采用1：

1的比例，针对I/O间距在0.4mm及以下的细间距QFP，钢网漏孔宽度应稍微内缩一点，以避免相邻I/O焊盘之间引起桥连。

漏孔的长（L）、宽（W）、厚（T）尺寸需符合以下比例：

面积比=LW/2T（L+W）>，宽厚比=W/T>.

2、中央散热焊盘的漏孔设计

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是圆形或方形，大小无严格要求，只要保证焊锡膏的覆盖面积在50%-80%之间。

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。

3、钢网类型和厚度

推荐采用不锈钢片激光切割法，漏孔孔壁需电解抛光，漏孔形状呈梯形，上小下大。

电解抛光可以使漏孔孔壁更光滑，减少摩擦，有利于焊锡膏脱模和成形。

梯形漏孔不仅有助于焊锡膏脱模，而且，印刷后成形稳定性好，有利于保证贴片精度。

针对0.5mm及以下细间距的QFN，钢网厚度推荐采用0.125mm，而大间距的QFN，钢网厚度可以增至0.15mm-0.2mm。

六、回流焊接

由于QFN较低的安装高度，推荐采用Type3型符合ANSI/J-STD-005要求的免洗型焊锡膏，回流焊接过程中推荐使用氮气保护。

图3是推荐的回流焊接温度曲线，请根据实际情况再作调整以达最优效果。

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七、焊点标准

QFN封装的特点就是“底面即焊端”，在IPC/EIAJ-STD-001C标准的部分，“电气和电子装配焊接要求”中有相关描述，焊接要求见图4和表2，需要特别说明的是，针对“底面即焊端”的QFN元件，元件侧面焊点爬高无任何要求，只要求控制元件底面焊点的长度、宽度和厚度，也就是说针对“I/O焊端只裸露出元件底部的一面，没有裸露在元件侧面的部分”的QFN元件，I/O焊端趾部焊点根本无法形成，所以我们看不到侧面焊点，不能采用显微镜或放大镜检验，只能使用X-RAY检验。

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八、返工指南

QFN安装到PCB上以后，只能通过X-RAY进行透视检查其焊点是否有气泡、锡球或其它不良缺陷，包括检查焊点的形状和尺寸。

通过传统的电烙铁补焊返工，只能对外露部分焊点有效，如果QFN底部焊点存在缺陷，只能将元件拆除后返工。

尽管QFN元件很小，但拆除和返工都是可以手工完成的，但这是一项具有挑战性的工作。

因为QFN元件本身体积很小，它们又通常被贴装在又轻又薄元件密集度又高的PCB上。

以下的返工指南可以帮助你轻松提高QFN元件返工的成功率。

1、烘烤

开始返工之前，需要将PCBA在125℃的温度下烘烤至少24小时，以除去PCB和元件的潮气。

2、拆除元件

拆除元件的温度曲线最好与装配元件时的回流焊温度曲线一致，但是，焊锡液相线以上的时间可以适当减少，只要能保证完成焊锡回流就可以了。

推荐在PCBA底面用对流方式加热，PCBA顶部用热风喷嘴对元件本体加热。

底部加热盘的温度设置为235-325℃，PCBA底部离加热盘间隙为25mm，如图5和图6所示。

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在开启喷嘴的热风之前，PCBA须从1-3℃/min的速度被加热到55±5℃，喷嘴吹出的热风温度大约为425℃。

为慎重起见，可以先用吸锡带将元件周边可见焊点的焊锡清除。

热风开启以后将喷嘴下降到离元件15-25mm的位置（如图7）。

当回流温度达到以后，可以应用边缘加热系统向元件底部缝隙中吹热气，有利于面积较大的中央散热焊点的熔化。

加热的同时，可以在QFN元件的角上插入尖头镊子，轻轻用力往上挑元件，这样一旦所有焊点的焊锡都熔化时，元件就可以被挑起。

（如图8）

因为QFN元件很小很轻，所以要严密注意控制加热时间，避免QFN元件过度受热损坏，同时，应注意避免对周边元件的受热影响。

一旦元件全部回流完成，用真空吸嘴或镊子将元件移除，真空压力宜设为小于380mmHg，以防止在元件未充分回流而过早吸取元件时,使PCB焊盘剥离损坏（如图9、图10）。

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3、清理焊盘

使用刀形烙铁头或吸锡带清理PCB焊盘上的残锡和松香（如图11），然后用溶剂清洗（如图12）。

4、焊锡膏印刷

在大约50-100倍的显微镜下，将特制的小钢网的漏孔与PCB上元件的焊盘对准，用特制的小刮刀印刷焊锡膏，小刮刀宽度应与元件宽度一致，以保证一次印刷成功。

5、元件重新贴装和回流焊接

由于QFN重量很轻，在回流焊过程中的自对中能力很强，所以对贴装精度要求不是很高。

用于贴装的返工台的XY坐标和旋转角度应该可以作精细调整，由于焊盘在元件底面，借助50-100倍的光学成像系统，可以帮助进行元件对准。

贴装完成后，使用与初次生产时同样的温度曲线重新进行回流焊接。

九、无奈的选择：

手工返工指南

如果由于PCBA元件密集度太高而无法使用特别小钢网印刷焊锡膏，就只能无奈地选择手工焊接进行返工，依据以下步骤同样可以获得很高的成功率。

第1步先测量和记录需更换的QFN元件的厚度，这个厚度指元件本体顶面至底面（包括中央裸焊端）的尺寸。

（如图13）

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QFN中央裸焊端上锡：

烙铁头温度设置为370℃，涂布适量液体助焊剂，将事先已贮满焊锡的烙铁头轻轻地接触中央裸焊端，并保持数秒钟，当焊锡开始润湿焊端时，可以观察到助焊剂气化成烟雾状，烙铁头上的焊锡转移到了元件中央裸焊端上，形成一个漂亮的中间最高四边略低的“枕形”焊点，（如图14、图15和图16所示）。

清洗助焊剂残渣后，测量元件本体顶面至枕形焊点的最高点的尺寸，减去先前所测的元件的厚度，要求元件中央裸焊端上的枕形焊点高度达到0.1mm-0.35mm。

（如图17所示）。

如果枕形焊点高度不合适，可以重新涂布助焊剂，将枕形焊点熔化后，用吸锡带吸走部分焊锡，以降低枕形焊点的高度。

因为过高的焊点，更容易引起周边I/O焊点的桥连，所以，枕形焊点的高度还是低一点比较好。

枕形焊点制作完成后，需清理元件周边I/O焊端上的焊锡残渣和助焊剂残渣。

第2步重新在元件的枕形焊点上涂布适量新鲜助焊剂，并借助显微镜尽可能精确地手工贴装到PCB上，注意根据第1脚的位置确定元件方向。

由于枕形焊点的存在，元件贴在PCB上后会摇摇晃晃，不太稳定，所以手上动作要特别小心。

用镊子轻轻压住元件，通过喷嘴吹出热风加热元件顶部，直到枕形焊点熔化（如图18）。

当枕形焊点熔化时，你会感觉到元件有轻微的下沉。

移走喷嘴，待冷却后，元件已被固定在PCB上。

清理助焊剂残渣，并检查元件顶面是否水平，元件I/O焊端与PCB上的I/O焊盘是否对准。

如不准，可以重新涂布助焊剂，将枕形焊点重新加热熔化后，用镊子轻轻拨动调整。

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第3步涂布新鲜助焊剂到元件周边I/O焊端和PCB上的I/O焊盘，用尖头烙铁逐个点焊，注意避免引起桥连（如图19）。

完成焊接后，用溶剂清洗除去元件和PCB上的助焊剂残渣，终于获得完美的返工效果（如图20）。

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本文根据以下技术资料编译