QFN是一种方形扁平无引脚的封装器件，底部中央设有大面积焊盘用于接地和散热，周围设有引脚焊盘用于实现电气连接，具有体积小、质量轻、电性能及散热性能优越等优点，适合用于手机、数码相机、PDA以及其他便携式电子设备等具有小型化要求的高密度印刷电路板。

相比带引脚器件，QFN器件焊点对应力更为敏感，因此GJB-548C中要求，高可靠应用需求的QFN器件要求底部焊盘空洞率小于焊接面积50%，侧面焊点能够100%上锡，以保证稳定的电气及机械性能。然而，QFN器件在实际组装应用过程中，其底部散热焊盘极易产生大面积空洞；此外，由于QFN封装时先搪锡后切割的制程方式，使得焊脚侧面呈现裸铜，在空气中极易氧化，造成侧面爬锡困难。

本文转发中国电子科集团公司第二十六研究所的李亚飞等发表在《电子工艺技术》上的“细间距QFN器件焊接工艺设计”一文，文中通过对PCB焊盘设计、焊膏印刷及回流焊接的理论分析，针对实际应用进行试验方案设计，通过工艺试验和结果对比分析，获得可行试验参数，进而为QFN器件组装提供行之有效的建议。

02 试验设计

选用PCB材质为FR-4，锡膏为SAC305。选用侧面可见焊盘的QFN器件，封装尺寸2 mm×2mm，引脚间距0.4mm。试验设备主要包括印刷机、贴片机、八温区热风回流炉等。检测仪器主要包括显微镜、X-ray检测仪。

试验前，应参照QJ 165B-2014中附录A的规定，对QFN器件进行烘烤去湿，因为QFN器件一旦受潮，在焊接过程中可能导致器件内部损伤，封装开裂可能性增加，甚至造成爆米花效应。对于印制板，应参照QJ 3011A-2016中5.1.1条的要求处理。

1）PCB焊盘设计

前期文献调研发现，为了能使热量从芯片高效传导到PCB，必须设计与之相对应的散热焊盘和散热孔，散热孔一般为半通孔，以防止焊料通过导通孔溢出导致焊接不良。对于周围引脚焊盘而言，长度及宽度的设计均应比QFN器件引脚焊端略大，一方面使得引脚焊端根部被焊料填充，另一方面有利于侧面焊盘的润湿爬锡。

考虑与QFN器件焊盘的匹配性，在PCB焊盘设计时应进行外扩处理，如图1所示。中间散热焊盘较QFN底部焊盘各边外延0~0.15 mm，建议散热孔开孔面积率为40%～60%。长度方向，为了引脚焊盘焊点填充饱满，设计焊盘焊端外延（T out）为0.15～0.20mm，内延（Tin）为0.05～0.15 mm，宽度方向双侧各外延0.03～0.05mm。此外，必须保证各焊盘之间保留至少0.15mm间隙以避免造成桥连。

对于无侧面焊盘的扁平无引脚器件，建议PCB焊盘较焊端外延0.20～0.30 mm，不做内延，宽度方向双侧各外延0.03～0.05mm。

结合选用QFN尺寸进行焊盘设计：QFN散热焊盘为0.9mm×0.9mm，引脚焊盘为0.2mm×0.245mm；PCB散热焊盘为1.0 mm×1.0mm，引脚焊盘为0.2 mm×0.4mm。

2）锡膏印刷试验

焊膏通常为合金、助焊剂和黏性改良剂的混合物，在印刷过程中需要控制其黏度以保证获得较好的印刷效果。黏度太高，焊膏不易穿过钢网开孔，印出的形状残缺不全；黏度太低，容易流淌和塌边，影响印刷的分辨率和线条的平整性。焊膏颗粒粉末越小，焊膏黏度越高；颗粒含量越多，焊膏黏度越高；颗粒形状为球形的焊膏黏度最高，反之亦然。

印刷钢网设计对印刷效果影响极大，合理的设计可以有效减小焊接缺陷出现的几率。因此钢网的厚度、制作方式及开孔设计就显得尤为关键。一般QFN器件焊点高度在50～75μm，因此建议细间距QFN选用厚度不超过0.12mm的钢网，大间距的QFN则可选用0.15～0.20mm厚度的钢网。钢网建议选择激光切割方式制作，漏孔呈上小下大的梯形，以保证印刷后的成型稳定性，孔壁电镀抛光以减少摩擦，有利于焊膏脱模和成型。针对钢网开孔设计，IPC-7525B中明确了基本要求为：宽厚比＞1.5；面积比＞0.66。此外还需遵循五球法，即钢网开孔宽度尺寸不能小于五倍焊锡粉直径。

此外，由于中间散热焊盘尺寸原因， QFN底部散热焊盘与PCB进行焊接时，焊膏中的助焊成分会在高温下挥发产生气体，由于底部散热焊盘尺寸及焊膏量较大，气体被熔融态的焊锡包裹难以及时逸出，待冷却后会产生空洞。因此，建议通过在散热焊盘区域设计多个小开孔来代替单个大开孔的方式进行优化，在每个小的、相对独立的开孔之间设有一定间距，这样就为气体提供了有效的逃逸通道，能够有效避免大面积空洞的产生。这样的小开孔可以有多种方式，包括方形孔、圆形孔、斜线孔及异形孔等，印刷效果如图2所示。

为确保焊膏印刷效果，建议设计四周圆弧倒角为0.05mm。此时焊膏用量适当，熔融时的表面张力相对较小，能使QFN器件焊接过程中可能产生浮高，从而提高焊点的可靠性。

常规钢网开孔与PCB焊盘尺寸为1:1，由于QFN器件焊接面积较小，钢网开孔与焊盘尺寸比例为0.7:1，散热焊盘焊膏覆盖率为50%～80%。结合IPC-7525B中的焊盘设计原则，建议周围引脚焊盘钢网开孔比例120%，宽度方向内缩5%～10%，以避免相邻引脚焊盘之间引起桥连，但要求宽度≥0.18mm，长度方向加长10%，长宽比≤10，相邻开孔中心距≥0.5mm，推荐设计两端圆弧倒角为0.05mm。

结合实际生产应用需求及设备精度，选择室温黏度约为170Pa·s的4号粉SAC305焊膏，选用激光切割电镀钢网，厚度选择0.10mm。其中散热焊盘开孔设计为斜线孔，尺寸为0.8mm×0.8mm，四周圆弧倒角0.05mm，引脚焊盘开孔设计为0.2 mm×0.55mm，两端圆弧倒角为0.05mm，焊膏印刷效果如图3所示。

3）回流曲线

回流焊接是QFN器件组装应用环节中的关键环节之一，主要是通过焊接温度、链速等的控制来保障焊接质量。回流曲线设定主要由焊膏种类、产品热容及元器件特性等共同决定。常规温度曲线分为四个温区：预热区、恒温区、回流区、冷却区，在不同阶段，由于温度的不同，焊膏也会发生不同状态的变化。

预热区温度建议控制在80～150℃之间，加热速度通常为0.5～3.0℃/s。恒温区温度建议控制在150～200℃之间，时间通常为60～100s，焊膏活性增强，开始去除焊接层表面氧化物。回流区温度一般要求超过焊膏熔点20～50℃，停留时间通常为60～90s，焊膏中助焊剂快速挥发，产生的气体及其中的空气若未及时散出，则会被熔融态的焊锡包裹，焊点冷却后则会形成空洞。冷却区冷却速度通常为1～4℃/s，避免快速冷却影响焊接界面强度，产品出炉温度控制在120℃以下。

选定回流温度曲线如图4所示，峰值温度255℃，链速50cm/min。

03 结果与分析

先以目检、X-ray检测等方式对焊后QFN器件进行检验，旨在检测组装好的QFN器件是否存在焊接缺陷；再进行电性能测试及温冲振动测试，检验其电学和力学性能，确保焊后QFN器件的应用可靠性。

1）侧面爬锡效果检测

针对组装好的120只QFN器件进行目检，经过检验，各器件均无桥连、偏移等缺陷，焊点呈亮银色，润湿良好，侧面焊点形貌如图5所示。

每只器件侧面焊盘均100%上锡，QFN器件侧面焊端爬锡高度统计结果如图6所示。120只QFN器件侧面爬锡高度全部高于50%，其中116只爬锡高度高于70%，爬锡高度90%以上的QFN器件占比达73%。证明上述试验，可以为QFN器件的组装带来良好焊点质量及爬锡高度。

2）底部空洞检查情况

使用X-ray检测QFN器件底部，无少锡虚焊，无锡珠，无翘曲，周围引脚焊点无空洞，底部无桥连，检测图像如图7所示。对120只QFN器件底部大面积焊盘空洞情况进行统计，发现底部空洞率全部低于50%，其中113只底部空洞率低于10%。

上述结果证明，焊膏印刷量较为适宜，避免了发生中间焊盘少锡或被顶起的现象，且中间焊盘钢网开孔方式（斜线孔）能够为焊接产生的气体提供有效的逃逸通道，对降低空洞率有较大帮助，此外，回流温度曲线设置合理，保证焊膏完全熔化冷却。

3）电学和力学性能测试

对120只QFN器件进行电气导通测试，测试结果表明没有电路不通问题，证明焊接良好。为进一步检验QFN器件使用效果，进行了温冲、随机振动及冲击试验，检测条件及结果见表1。

对经过试验的QFN器件再次进行检验，目检焊点外观均无裂纹无损伤，X-ray检测及电气导通测试结果均与之前无明显变化。证明上述试验能够实现良好的QFN器件组装效果，后期环境试验耐受度较好。