CN102083281A

CN102083281A - 一种提升高频qfn器件焊装可靠性的方法

Info

Publication number: CN102083281A
Application number: CN 201010527975
Authority: CN
Inventors: 何伟; 孙奕庭; 齐凤海
Original assignee: Beijing Institute of Telemetry Technology
Current assignee: Beijing Institute of Telemetry Technology
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2030-10-27
Also published as: CN102083281B

Abstract

本发明涉及一种提升高频QFN器件焊装可靠性的方法，该方法包括如下步骤：(1)在衬板上均匀涂布熔点为214℃～220℃的高温焊料，并将印制板焊接在所述衬板上；(2)用漏板在印制板焊盘上涂布熔点为180～188℃的低温焊料，贴放QFN元器件并进行焊接，其中漏板的开口尺寸小于所述印制板焊盘的尺寸；(3)将衬板紧固在壳体内。本发明焊装方法在保证印制板组合件充分接地的基础上，避免器件二次受热，降低了焊接应力，并为印制板组合件提供良好的机械支撑，同时还可大幅度降低元器件在冷热交变情况下产生的热应力，提高了QFN器件的可靠性。

Description

一种提升高频QFN器件焊装可靠性的方法

技术领域

本发明属于电子装联技术领域，特别是涉及一种实现高频QFN器件可靠焊装的工艺方法。

背景技术

无引脚扁平封装(Quad Flat No Lead，以下简称QFN)是一种较新的IC封装形式，QFN器件外观呈正方形或矩形，大小接近于CSP，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，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、频率高的电子产品中得到了广泛应用。但QFN器件特殊的封装形式也加大了工艺实施和质量保证的难度：首先，贴装器件时，器件焊端不可视，手工贴片时较难控制，且由于此类器件尺寸小、焊端间距小，贴片误差易导致桥连；其次，由于QFN器件有腹部接地焊盘，且焊端间距小，焊接过程中，如果焊膏量过多，会导致焊接应力增加并易造成桥连，如果焊膏量过少又易接地不良，进而影响产品性能。尤其是一类特殊的QFN器件，其焊端不是嵌入器件管壳的金属实体，而是沉积在器件底面陶瓷基板上的金属图形，焊端与器件内部的互联是通过金属化孔实现的，为非金属实体焊端高频QFN器件。由于其焊端与器件本体间的结合力较小，焊接应力、热应力、装配应力等控制不好时都可能造成焊端从器件本体脱离，从而形成开路，导致此类器件焊装的可靠性保证难度高、产品合格率低，HITTITE公司的放大器Hmc260、Hmc441、Hmc516即属于此类器件。

当微波产品频率较高时，为保证产品性能，要求微波印制电路板充分接地。传统的组装方式(结构示意见图1)是将焊有元器件的印制板组合件再整体焊装在壳体内。这种组装模式保证了良好的接地效果，但会导致焊点应力增加，主要原因是：首先，需先将器件用高温焊料焊接在印制板上，再随印制板焊装在壳体内，器件经历2次焊接过程，导致焊接应力较大；其次，印制板焊接冷却时，焊料收缩应力经印制板传递到器件，导致装配应力增大；最后，壳体材质多为铝合金，其热膨胀系数(23.1ppm/℃)与器件基材AL3O2的热膨胀系数(6ppm/℃)差值较大，在高低温冲击试验及使用过程中冷热交变的情况下，会产生较大的热应力。以上因素是导致采用传统组装方式的QFN器件失效的主要原因。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种提升高频QFN器件焊装可靠性的方法，该方法在印制板与壳体之间加入了衬板，在保证印制板组合件充分接地的基础上，避免器件二次受热，降低了焊接应力，并为印制板组合件提供良好的机械支撑，同时还可大幅度降低元器件在冷热交变情况下产生的热应力。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种提升高频QFN器件焊装可靠性的方法，包括如下步骤：

(1)在衬板上均匀涂布高温焊料，并将印制板焊接在所述衬板上；

(2)用漏板在印制板焊盘上涂布低温焊料，贴放QFN元器件并进行焊接，所述漏板的开口尺寸小于所述印制板焊盘的尺寸，并且所述高温焊料的熔点比所述低温焊料的熔点高30～40℃；

(3)将衬板紧固在壳体内。

在上述提升高频QFN器件焊装可靠性的方法中，步骤(1)中高温焊料的熔点为214～220℃，高温焊料为SnAg3.5Cu0.5或SnAg3.8Cu0.7。

在上述提升高频QFN器件焊装可靠性的方法中，步骤(2)中低温焊料的熔点为180～188℃，低温焊料为Sn63Pb37或Sn65Pb35。

在上述提升高频QFN器件焊装可靠性的方法中，衬板为金属材质，且金属材质的热膨胀系数与待焊接的QFN元器件基材的热膨胀系数相同或相近。

在上述提升高频QFN器件焊装可靠性的方法中，衬板的厚度为2mm～3mm。

在上述提升高频QFN器件焊装可靠性的方法中，步骤(1)中将印制板焊接在衬板上的方法如下：

(1)将印制板置于衬板上，调整位置使印制板与衬板对齐，施加压力将印制板压平，确保焊膏不被挤出。

(2)使用数显温控热板加热，温度设定为220～230℃，观察焊料熔化后持续加热5～10秒，从数显温控热板上取下印制板与衬板焊接件自然冷却。

在上述提升高频QFN器件焊装可靠性的方法中，步骤(2)中印制板对应QFN器件处的焊盘分为四周引脚焊盘和腹部接地焊盘，与四周引脚焊盘对应的漏板的开口尺寸为四周引脚焊盘尺寸的65％～75％，优选70％，与腹部接地焊盘对应得漏板的开口尺寸为腹部接地焊盘尺寸的60％～70％，优选65％，且漏板的厚度为0.15mm，其中开口尺寸指开口面积，焊盘尺寸指焊盘面积。

在上述提升高频QFN器件焊装可靠性的方法中，步骤(2)中在印制板焊盘上贴放QFN元器件后，采用回流焊对元器件进行焊接，焊接峰值温度为210℃～230℃。

在上述提升高频QFN器件焊装可靠性的方法中，步骤(3)中将衬板通过螺钉或螺栓紧固在壳体内。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明焊装方法采用组装方式在印制板与壳体之间加入了衬板，在保证印制板组合件充分接地的基础上，可以有效避免和降低焊点应力，主要是因为：这种组装方式是先使用高温焊料将印制板焊接在衬板上，再将器件焊接在印制板上，避免器件二次受热，大大降低了焊接应力，提高了QFN器件的可靠性和焊装合格率；

(2)本发明焊装方法中衬板为厚度2mm～3mm的的金属板，为印制板组合件提供良好的机械支撑，衬板用螺钉或螺栓紧固在壳体内，可有效避免装配应力的产生，实验证明衬板厚度小于2mm则强度不够，厚度过大导致重量增加过多。

(3)本发明焊装方法中衬板选择与器件基材热膨胀系数相同或相近的金属材质，可大幅度降低器件焊点在高低温冲击试验及使用过程中冷热交变的情况下产生的热应力，提高了QFN器件的可靠性；

(4)本发明焊装方法通过调整漏板开口尺寸对焊膏涂布量进行合理控制的方法，有效解决了QFN器件焊装过程中焊膏量过多易导致焊接应力增加并造成桥连，焊膏量过少又易降低接地效果的问题，本发明在大量实验基础上得出当与印制板焊盘中QFN器件四周引脚焊盘对应的漏板的开口尺寸为四周引脚焊盘尺寸的65％～75％，与QFN器件腹部接地焊盘对应得漏板的开口尺寸为腹部接地焊盘尺寸的60％～70％，且漏板的厚度为0.15mm时具有最佳的焊接效果；

(5)大量实验表明采用本发明方法焊装的试验件QFN器件焊点可靠，未发生焊盘从器件本体脱落及焊点桥连等问题，且性能指标优于传统工艺焊装的试验件。

附图说明

图1为传统QFN器件组装结构示意图；

图2为采用本发明焊装方法的QFN器件组装结构示意图；

图3为本发明焊装方法的工艺流程图。

图4为本发明印制板图结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明内容作进一步的详细说明：

实施例1：

采用本发明设计的组装方式，即：在印制板与壳体间加入衬板，衬板材料为黄铜H62(热膨胀系数16ppm/℃)，厚度2mm。试验件数量为4件，编号B01～B04。

一、基础条件

(1)印制板

为了有效验证QFN器件的焊装质量，本实施例中的印制板力求简化，以避免引入其他因素，如图4所示为本发明印制板图结构示意图，图中可以清楚看出印制板对应QFN器件处的四周引脚焊盘和腹部接地焊盘，印制板材质为Rogers4350B，厚度为0.254mm。

(2)元器件

根据印制板设计，单台试验件配套元器件情况见表1。

表1

序号	名称	规格型号	数量
				1	放大器	Hmc516LC5	1
2	电容	G-CC41-0603-CG-50V-102J	3
				3	电容	G-CC41-0805-2R2-50V-225J	1

(3)焊料及焊剂

高温焊料选用无铅焊料SnAg3.5Cu0.5，焊剂选用中性助焊剂；

低温焊料选用有铅焊料Sn63Pb37，焊剂选用中性助焊剂。

(4)生产、检测工具及设备

a.HELLER 1809 EXLA九温区回流炉；

b.数显温控热板

c.1号漏板：0.15mm厚的漏板，漏板开口尺寸与焊盘尺寸相同，未收缩。

d.锡膏搅拌机

e.温度冲击试验设备：CPPS705B1快速温度变化试验箱；

f.干燥箱

二、工艺实施步骤

步骤(1)、元器件配套

a.按产品图纸进行元器件配套

b.检查元器件规格、型号

c.检查元器件外观无损伤、裂纹，变形，无异物。

d.元器件配套完毕应存储于干燥箱中，湿度控制在20％～40％之内。

步骤(2)、用手工方式在衬板上涂布SnAg3.5Cu0.5焊膏，要求焊膏尽可能均匀。

步骤(3)、将印制板置于衬板上，调整位置使二者对齐，施加适当压力，将印制板压平，确保焊膏不被挤出。

步骤(4)、使用数显温控热板加热，温度设定值为220℃，观察焊锡熔化后持续加热5-10秒，从热板上取下印制板组合件自然冷却。

步骤(5)、焊膏漏印

a.使用Sn63Pb37焊膏，检查焊膏有效期。

b.锡膏搅拌：从冰箱内取出应在室温下放置2h，搅拌机搅拌3～5min，均匀后方可使用。

c.锡膏测温：将温度计插入搅拌后的锡膏内测量温度，温度应在22±2℃

d.锡膏印刷：在丝网印刷机上固定印制板及1号漏板，利用光学定位系统将漏板开孔与印制板焊盘准确对位，升起印制板使漏板与印制电路板紧密贴合。然后将一定量的锡膏添加到漏板上，手持刮刀对其施加一个向下的压力，刮刀角度为45°，刮刀压力以满足漏板上的锡膏刮净为宜，刮后脱模。

e.丝印检验：目测各焊盘之间应无桥接、焊料边缘应无塌边、焊料缺损现象，且厚度均匀。

步骤(6)、贴片

a.进行手工贴片，要求贴片要平、正，贴片压力应当保证焊料覆盖器件焊端1/2～3/4面积。

b.贴片检验：按图纸对元器件牌号、方向进行检查。

步骤(7)、回流焊接

使用9温区回流炉，采用峰值温度210℃回流曲线进行焊接。

步骤(8)、无损检验

采用3～5倍的放大镜对可视焊点进行100％检验。焊点间不应出现拉丝、桥接等现象。经检验可视焊点质量全部合格。

步骤(9)、用螺钉将衬板紧固在壳体内。

步骤(10)、温度冲击试验及性能测试

进行温度冲击试验，试验条件为：-40～+75℃，变温率10℃的10次温循。温度冲击试验后，对试验件进行高低温电性能测试，具体测试数据及分析情况见第二部分：试验数据及分析。

实施例2：

采用本发明设计的组装方式，即：在印制板与壳体间加入衬板，衬板材料为柯垡合金(热膨胀系数8ppm/℃)。试验件数量为4件，编号C01～C04。

一、基础条件

(1)印制板

同“实施例”1。

(2)元器件

同“实施例1”。

(3)焊料及焊剂

同“实施例1”。

(4)生产、检测工具及设备

同“实施例1”。

二、工艺实施步骤

步骤(1)、元器件配套

同“实施例1”。

步骤(2)、

同“实施例1”。

步骤(3)、

同“实施例1”。

步骤(4)、

同“实施例1”。

步骤(5)、焊膏漏印

同“实施例1”。

步骤(6)贴片

同“实施例1”。

步骤(7)、回流焊接

同“实施例1”。

步骤(8)、无损检验

同“实施例1”。

步骤(9)、

同“实施例1”。

步骤(10)、温度冲击试验及性能测试

同“实施例1”。

实施例3：

采用本发明设计的组装方式，即：在印制板与壳体间加入衬板，衬板材料为柯垡合金(热膨胀系数8ppm/℃)。用调整漏板开口尺寸的方式控制器件焊点的焊膏涂布量，选用0.15mm厚的漏板，漏板开口尺寸相对焊盘尺寸适当收缩，收缩比例分别为：四周引脚焊盘70％、腹部接地焊盘65％的试验件4件，编号D01～D04；四周引脚焊盘56％、腹部接地焊盘51％的试验件4件，编号D05～D08。

一、基础条件

(1)印制板

同“实施例1”。

(2)元器件

同“实施例1”。

(3)焊料及焊剂

同“实施例1”。

(4)生产、检测工具及设备

2号漏板：厚度0.15mm，开口尺寸相对焊盘尺寸适当收缩，收缩比例分别为：四周引脚焊盘70％、腹部接地焊盘65％；

3号漏板：厚度0.15mm，开口尺寸相对焊盘尺寸适当收缩，收缩比例分别为：四周引脚焊盘56％、腹部接地焊盘51％。

其余同“实施例1”。

二、工艺实施步骤

步骤(1)、元器件配套

同“实施例1”。

步骤(2)、

同“实施例1”。

步骤(3)、

同“实施例1”。

步骤(4)、

同“实施例1”。

步骤(5)、焊膏漏印

同“实施例1”。

步骤(6)贴片

同“实施例1”。

步骤(7)、回流焊接

同“实施例1”。

步骤(8)、无损检验

同“实施例1”。

步骤(9)、

同“实施例1”。

步骤(10)、温度冲击试验及性能测试

同“实施例1”。

实施例4：

采用传统组装方式，即：先采用高温焊料、使用回流焊炉将器件焊装在印制板上，再使用低温焊料采用热板加热的方式将焊有元器件的印制板组合件整体焊装在壳体内。试验件数量为4件，编号A01～A04。

一、基础条件

(1)印制板

同“实施例”1。

(2)元器件

同“实施例1”。

(3)焊料及焊剂

同“实施例1”。

(4)生产、检测工具及设备

同“实施例1”。

二、工艺实施步骤

步骤(1)、元器件配套

a.按产品图纸进行元器件配套

b.检查元器件规格、型号

c.检查元器件外观无损伤、裂纹，变形，无异物。

步骤(2)、焊膏漏印

a.使用SnAg3.5Cu0.5焊膏，检查焊膏有效期。

d.锡膏印刷：在丝网印刷机上固定印制板及漏板，利用光学定位系统将漏板开孔与印制板焊盘准确对位，升起印制板使漏板与印制电路板紧密贴合。然后将一定量的锡膏添加到网板上，手持刮刀对其施加一个向下的压力，刮刀角度为45°，刮刀压力以满足漏板上的锡膏刮净为宜，刮后脱模。

步骤(3)、贴片

b.贴片检验：按图纸对元器件牌号、方向进行检查。

步骤(4)、回流焊接

使用9温区回流炉，采用峰值温度230℃回流曲线进行焊接。

步骤(5)、用手工方式在壳体内的印制板安装位置涂布Sn63Pb37焊膏，要求焊膏尽可能均匀。

步骤(6)、将焊有元器件的印制板组合件放入壳体，施加适当压力，将印制板压平，确保焊膏不被挤出。

步骤(7)、使用数显温控热板加热，温度设定值为220℃，观察焊锡熔化后持续加热5-10秒，从热板上取下壳体自然冷却。

步骤(9)、无损检验

步骤(10)、温度冲击试验及性能测试

试验数据及分析

所有试验件焊装完成后进行温度冲击试验，试验条件为：-40～+75℃，变温率10℃的10次温循。温度冲击试验后，在输入频率12GHz、输入功率-15dBm的条件下分别测量试验件在低温-40℃、高温+70℃时的输出功率，具体测试数据见表2。

表2

单位：dBm

序号	试件编号	-40℃输出功率	+70℃输出功率	备注
					1	A01	无输出，开路	无输出，开路	无衬板，1号漏板
2	A02	无输出，开路	无输出，开路	无衬板，1号漏板
					3	A03	2.1	1.5	无衬板，1号漏板
4	A04	无输出，开路	无输出，开路	无衬板，1号漏板
					5	B01	1.4	2.1	黄铜衬板，1号漏板
6	B02	无输出，开路	无输出，开路	黄铜衬板，1号漏板
					7	B03	2.0	1.7	黄铜衬板，1号漏板
8	B04	2.5	1.4	黄铜衬板，1号漏板
					9	C01	7.0	6.2	可垡衬板，1号漏板
10	C02	6.3	6.1	可垡衬板，1号漏板
					11	C03	4.3	5.5	可垡衬板，1号漏板
12	C04	5.8	4.7	可垡衬板，1号漏板

13	D01	7.0	6.2	可垡衬板，2号漏板
					14	D02	7.0	6.5	可垡衬板，2号漏板
15	D03	6.9	6.3	可垡衬板，2号漏板
					16	D04	7.3	6.4	可垡衬板，2号漏板
17	D05	4.7	4.2	可垡衬板，3号漏板
					18	D06	4.0	3.7	可垡衬板，3号漏板
19	D07	4.9	3.7	可垡衬板，3号漏板
					20	D08	4.9	4.0	可垡衬板，3号漏板

通过对试验数据的分析，可以发现：

1.传统组装模式难以保证非金属实体焊端高频QFN器件的焊接质量，产品失效率高，且性能较差；

2.采用本发明提出的组装方式，即在印制板和壳体间加入衬板后，产品合格率及性能显著提高；

3.采用柯垡合金(热膨胀系数8ppm/℃)衬板的试件比采用黄铜H62(热膨胀系数16ppm/℃)衬板的试件可靠性更高、性能更好，因此应选择与器件基材(AL₃O₂，热膨胀系数6ppm/℃)更匹配的衬板材料；

4.通过缩小漏板开口尺寸的方法适当减少器件焊点焊膏涂布量可在保证焊点质量的情况下进一步提高产品性能，且可降低由于焊膏量过多造成桥连的风险，降低了工艺实施难度。但当焊膏量过少时，又会由于接地不充分影响产品性能，通过试验验证，本发明给出的选用厚度0.15mm，开口尺寸相对焊盘尺寸适当收缩，收缩比例分别为四周引脚焊盘70％、腹部接地焊盘65％的方法可达到最佳效果。

结论

通过实验证明本发明提出的在印制板与壳体间加入与器件基材热膨胀系数相匹配的金属衬板及适当减少焊膏涂布量的工艺方法，可有效保证QFN器件的焊装质量、降低工艺实施难度并提高产品性能，可以得出结论：本发明提出的工艺方法可实现非金属实体焊端高频QFN器件的可靠焊装，为提升非金属实体焊端高频QFN器件焊装合格率提供了一条较为可行的工艺途径。同时，由于本发明的机理是降低QFN器件焊点的焊接应力、热应力和装配应力，因此对于其他器件焊盘与本体结合力较高的QFN器件，同样可以起到降低焊点应力、提高产品可靠性的作用。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述内容属于本领域专业技术人员公知技术。

Claims

1.一种提升高频QFN器件焊装可靠性的方法，其特征在于包括如下步骤：

(3)将衬板紧固在壳体内。

2.根据权利要求1所述的一种提升高频QFN器件焊装可靠性的方法，其特征在于：所述步骤(1)中高温焊料的熔点为214～220℃，高温焊料为SnAg3.5Cu0.5或SnAg3.8Cu0.7。

3.根据权利要求1所述的一种提升高频QFN器件焊装可靠性的方法，其特征在于：所述步骤(2)中低温焊料的熔点为180～188℃，低温焊料为Sn63Pb37或Sn65Pb35。

4.根据权利要求1所述的一种提升高频QFN器件焊装可靠性的方法，其特征在于：所述衬板为金属材质，且金属材质的热膨胀系数与待焊接的QFN元器件基材的热膨胀系数相同或相近。

5.根据权利要求1所述的一种提升高频QFN器件焊装可靠性的方法，其特征在于：所述衬板的厚度为2mm～3mm。

6.根据权利要求1所述的一种提升高频QFN器件焊装可靠性的方法，其特征在于：所述步骤(1)中将印制板焊接在衬板上的方法如下：

7.根据权利要求1所述的一种提升高频QFN器件焊装可靠性的方法，其特征在于：所述步骤(2)中印制板对应QFN器件处的焊盘分为四周引脚焊盘和腹部接地焊盘，与四周引脚焊盘对应的漏板的开口尺寸为四周引脚焊盘尺寸的65％～75％，与腹部接地焊盘对应得漏板的开口尺寸为腹部接地焊盘尺寸的60％～70％，且漏板的厚度为0.15mm。

8.根据权利要求7所述的一种提升高频QFN器件焊装可靠性的方法，其特征在于：与四周引脚焊盘对应的漏板的开口尺寸为四周引脚焊盘尺寸的70％，与腹部接地焊盘对应得漏板的开口尺寸为腹部接地焊盘尺寸的65％。

9.根据权利要求1所述的一种提升高频QFN器件焊装可靠性的方法，其特征在于：所述步骤(2)中在印制板焊盘上贴放QFN元器件后，采用回流焊对元器件进行焊接，焊接峰值温度为210℃～230℃。

10.根据权利要求1所述的一种提升高频QFN器件焊装可靠性的方法，其特征在于：所述步骤(3)中将衬板通过螺钉或螺栓紧固在壳体内。