QFN可潤(rùn)濕側(cè)翼連接的浸錫鍍層

浸錫是PCB行業(yè)內(nèi)一種成熟的表面涂層，由于其具有高可靠性，在汽車行業(yè)備受信賴。在汽車市場(chǎng)，由于QFN(quad-flat no leads，即方形扁平無(wú)引腳)封裝的靈活外形、尺寸及可擴(kuò)展性和散熱能力，而越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

成功關(guān)鍵步驟之一是要有可潤(rùn)濕的側(cè)翼，可提供與PCB上的可靠焊點(diǎn)連接，并能實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)和焊點(diǎn)質(zhì)量的自動(dòng)檢測(cè)。

QFN的底部通常是用電解錫覆蓋，有銅的側(cè)面會(huì)暴露于空氣中，需要額外處理才能實(shí)現(xiàn)側(cè)翼的可焊性。

如果沒有進(jìn)行進(jìn)一步處理，就會(huì)生成銅的氧化物抑制焊料的潤(rùn)濕，所以在這種情況下只能形成二維焊點(diǎn)。

為了達(dá)到更佳的可靠性，業(yè)界正在研究提高QFN側(cè)翼潤(rùn)濕性的解決方案，以形成三維焊點(diǎn)。

制造QFN的最后一步是分離步驟，可以是切割，也可以是沖壓。在這一步驟中，封裝側(cè)翼可能會(huì)被錫渣或模具殘留物污染，用標(biāo)準(zhǔn)的PCB預(yù)清洗系統(tǒng)無(wú)法去除黏在表面的這些污染物。

因此，必須使用專門調(diào)配的清洗劑和微蝕劑才能去除錫和模具殘留物，使引線框架材料中的銅合金平整。圖1展示了完成切割步驟后(a)經(jīng)過清洗的銅合金表面。清洗過程包括預(yù)清洗和微蝕刻步驟(b)。最后一張圖是鍍錫后的側(cè)翼(c)。

圖1：QFN側(cè)翼的預(yù)處理和鍍錫過程：a）QFN分離后；b）清洗和微蝕刻之后；c）鍍錫后

在預(yù)清洗后，銅的表面看起來(lái)很平整；分離過程導(dǎo)致的劃痕和涂料殘留污物均已被去除。在浸錫鍍過程中，封裝側(cè)翼被浸錫覆蓋，形成密實(shí)的錫層，覆蓋了QFN側(cè)壁的全部焊盤。在鍍錫工藝之后，可以進(jìn)行電鍍后期處理，防止錫層在后期的組裝過程中變色，形成疏水表面，保護(hù)表面免受蒸汽老化的影響。

為了確認(rèn)錫層能夠改善焊料潤(rùn)濕及形成三維焊點(diǎn)，將QFN試樣浸入液態(tài)焊料中進(jìn)行測(cè)試，評(píng)估焊料對(duì)側(cè)面焊盤的表面覆蓋情況。試樣以45°的角度浸入焊料，停留5s。在150℃下對(duì)試樣進(jìn)行8h、16h的熱預(yù)老化測(cè)試，然后在93℃下進(jìn)行4h、8h的蒸汽老化測(cè)試。圖2為QFN側(cè)翼焊料潤(rùn)濕的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。圖3展示了專門用于QFN鍍覆的浸錫工藝與應(yīng)用在QFN上的PCB標(biāo)準(zhǔn)浸錫工藝的性能對(duì)比。

圖2：QFN側(cè)翼焊料潤(rùn)濕的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)



圖3：具有不同浸錫涂層的QFN側(cè)翼焊料潤(rùn)濕效果

焊盤上焊料的覆蓋范圍至少要達(dá)到50%以上才是可接受的，低于50%可拒收。圖4是焊接后的側(cè)翼示例圖。圖中展示了在150°C下烘烤16h并在93°C下和93%相對(duì)濕度下存放8h后的焊接后的焊盤。

圖4：在150°C下烘烤16h的焊料潤(rùn)濕示例圖（左）和93°C/93%相對(duì)濕度下存放8h的示例圖（右）

結(jié)果證實(shí)，與QFN采用的PCB浸錫工藝的焊接性能相比，為QFN側(cè)翼設(shè)計(jì)的浸錫工藝有明顯優(yōu)勢(shì)。

在浸錫鍍層的老化過程中，金屬間化合物(intermetallic compound，簡(jiǎn)稱IMC)的厚度增加，導(dǎo)致游離錫的含量降低；這一點(diǎn)對(duì)于錫表面的可焊性至關(guān)重要。

為了研究金屬間化合物在不同的基材合金下隨著時(shí)間推移而增長(zhǎng)的情況，進(jìn)行了存放測(cè)試。此測(cè)試需要將錫層鍍?cè)贓FTEC 64T和C194合金上。這兩種合金的成分如表1所示。

表1：合金的質(zhì)量分?jǐn)?shù)% 針對(duì)所有條件，沉積錫層的總厚度為1.5μm，并在150℃和93℃、93%相對(duì)濕度下進(jìn)行熱老化和蒸汽老化測(cè)試。IMC和游離錫厚度的結(jié)果如圖5所示，厚度以μm為單位，其中淡藍(lán)色為游離錫，深藍(lán)色為IMC。

圖5：IMC和游離錫厚度的結(jié)果

結(jié)果表明，IMC的形成首先受溫度的影響。在150°C的儲(chǔ)存溫度下，IMC的增加隨時(shí)間線性增長(zhǎng)。在150°C溫度下存放4h后，大約一半的錫厚度被IMC消耗。

在93°C的濕度老化過程中，IMC的形成速度較慢，在相同時(shí)間內(nèi)，只有約40%的錫層轉(zhuǎn)化為IMC。這也表明，即使在150°C溫度下存放16h后，仍殘留了25%~32%的游離錫，可確保良好的可焊性。

合金材料對(duì)鍍層的影響很低，導(dǎo)致EFTEC 64T材料上的游離錫增加了約10%。

側(cè)翼的錫沉積層具有良好的可焊性，即使在加熱老化或蒸汽老化后也是如此，具體結(jié)果與IMC形成后是否剩余足夠多的游離錫相關(guān)。

檢查各個(gè)工藝步驟對(duì)QFN底部焊盤電解錫沉積的影響，未發(fā)現(xiàn)負(fù)面影響。晶須是浸錫沉積的已知風(fēng)險(xiǎn)，為了防止晶須的形成，加入了一種抗晶須添加劑，其沉積在錫沉積層的晶界上，可抑制錫晶須的形成。




審核編輯：劉清