來源：PCBA設(shè)計(jì)與制造；作者：周寶強(qiáng)

摘要

aQFN作為一種新型封裝以其低成本、高密度I/O、優(yōu)良的電氣和散熱性能，開始被應(yīng)用于電子產(chǎn)品中。本文從aQFN封裝芯片的結(jié)構(gòu)特征，PCB焊盤設(shè)計(jì)，鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)制作，SMT生產(chǎn)工藝及Rework流程等幾個(gè)方面進(jìn)行了重點(diǎn)的論述。

前言

QFN封裝芯片由于體積小、散熱性能優(yōu)異得到了廣泛的應(yīng)用。隨著電子產(chǎn)品在性能上要求越來越高，且向輕、薄、短、小的趨勢(shì)發(fā)展，IC體積內(nèi)打線密度已不是原來的QFN封裝所能負(fù)荷的，因此發(fā)展出更為先進(jìn)的aQFN（Advanced Quad Flat No Lead，簡稱aQFN）封裝，即QFN的改進(jìn)型封裝。由于aQFN封裝芯片剛剛開始應(yīng)用，生產(chǎn)中容易出現(xiàn)短路、虛焊和偏移問題，相關(guān)的SMT工藝研究并不多。本文針對(duì)這種新型封裝的SMT工藝進(jìn)行相關(guān)探討。

1、aQFN的結(jié)構(gòu)特征

aQFN相當(dāng)于QFN和TFBGA的結(jié)合體，可以更好地降低芯片高度，減少封裝面積和節(jié)約成本。與傳統(tǒng)的QFN封裝Lead和Molding平齊不同，aQFN的Lead是伸出的。相對(duì)于TFBGA，aQFN的底部無明顯的錫球，而是圓柱形的Lead。不需要植球，也不需要Substrate。圖1是aQFN的封裝示意圖，圖2是剖面示意圖。

圖1aQFN的封裝

圖2aQFN剖面圖

aQFN的優(yōu)勢(shì)如下：

a）Low Cost, Profile, and Light weight

b）Excellent Thermal / Electrical Performance

c）Excellent Anti-drop-&-twist capability

d）High I/O count up to 400

e）Leadless & multi-row package

f）Free-form I/O design

g）Power / Ground ring

h）Fine lead pitch 0.4mm

aQFN與TFBGA、QFN優(yōu)勢(shì)對(duì)比，見下表1。

表1aQFN與TFBGA、QFN的對(duì)比

2、aQFN的PCB焊盤設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)aQFN的良好的SMT組裝工藝，首先要解決其PCB焊盤設(shè)計(jì)。PCB有兩種焊盤設(shè)計(jì)方式：Solder Mask Defined (阻焊層定義焊盤，即SMD)，Non-Solder Mask Defined (非阻焊層定義焊盤，即NSMD)。見圖3所示。我們一般選擇NSMD方式設(shè)計(jì)，原因如下：

a）NSMD方式精度較高，PCB制造廠的公差容易控制，良率高。

b）NSMD Pad平整度要比MSD Pad好。

c）NSMD Pad比SMD Pad具有更好的溫度循環(huán)可靠性壽命和抗沖擊壽命。

圖3NSMD and MSD Pad Design

2.1 Signal Pad設(shè)計(jì)

下面以MTK公司的芯片為例說明aQFN的焊盤設(shè)計(jì)。圖4為MTK某型號(hào)芯片的封裝尺寸信息。

圖4Package Information

從SMT組裝試驗(yàn)的結(jié)果分析，采用NMSD和圓形焊盤設(shè)計(jì)的焊接效果最佳。具體的焊盤尺寸請(qǐng)參考圖5。

圖5NMSD and Circle Pad Design

Signal Pad設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：

a）推薦按封裝庫1:1制作，保證焊盤規(guī)則（精度控制在+/-0.03mm）。

b）禁止在PCB頂層使用鋪銅設(shè)計(jì)，否則容易焊盤尺寸過大，回流焊接時(shí)容易發(fā)生短路。

c）為保證接地性能，RF GND間建議做成網(wǎng)格狀走線，或?qū)ND Pad連通到內(nèi)層的GND平面。表層走線線寬盡量控制在0.3mm以內(nèi)。

d）Pad一定要有阻焊環(huán)，Pad與Pad之間需留有3mil阻焊環(huán)。

e）盲孔不要偏離Pad中心，避免Pad變形造成的SMT影響，盲孔需要填平不能有空洞。如圖6所示。

圖6禁止在PCB表層使用鋪銅設(shè)計(jì)

2.2 E-Pad焊盤設(shè)計(jì)

推薦與IC接地焊盤相同尺寸一致，即封裝庫按照1：1的面積比例制作E-Pad。如圖7所示。

圖7E-Pad焊盤設(shè)計(jì)

2.3過孔設(shè)計(jì)

為了把頂面的熱量傳導(dǎo)給內(nèi)層或底層，E-Pad上必須設(shè)計(jì)散熱過孔。參考JEDEC的建議，過孔直徑一般為0.3mm，過孔間距為1.2mm，以及盡量多的散熱過孔數(shù)量，具體數(shù)量可以借鑒JEDEC的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。見圖8所示。

圖8Thermal Via Design

3、鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)

3.1鋼網(wǎng)開孔基本要求

根據(jù)IPC7525標(biāo)準(zhǔn)，鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)的基本要求：寬厚比（W/T，2R/T）>1.5；面積比（W/4T，R/2T）> 66%，其中，W表示開口長（寬），R表示開口半徑，T表示鋼網(wǎng)厚度。鋼網(wǎng)要梯形開口設(shè)計(jì)，BOT面開口比TOP面大25~50微米，便于錫膏釋放。如圖9所示。

圖9鋼網(wǎng)開口基本要求

3.2 鋼網(wǎng)制作要求

鋼網(wǎng)厚度一般為0.1mm~0.12mm，推薦使用0.1mm厚度。制作方式：激光蝕刻+電拋光。

3.3開口設(shè)計(jì)要求

推薦鋼網(wǎng)開孔與PCB焊盤大小一致，可適當(dāng)調(diào)整以適應(yīng)制程。建議Signal Pad采用圓形或方形倒角設(shè)計(jì)（R=0.075mm），開孔尺寸可以增大10%~15%，印刷時(shí)下錫效果更好。如表2所示。

表2Signal Pad開口設(shè)計(jì)

E-Pad開口設(shè)計(jì)。推薦鋼網(wǎng)開口面積為PCB E-Pad面積的40%左右，鋼網(wǎng)開口邊緣距離PCB焊盤邊緣0.2mm以上，建議將鋼網(wǎng)開口區(qū)域分割成為邊長小于2mm的大小相等方塊。如圖10所示。

圖10E-Pad開口設(shè)計(jì)

4、aQFN的SMT生產(chǎn)工藝流程

aQFN的SMT生產(chǎn)流程如下圖11所示。

圖11aQFN的SMT生產(chǎn)流程

從目前已經(jīng)量產(chǎn)的信息來看，平均良率可以達(dá)到99.5%以上。要達(dá)到高的良率，除了PCB焊盤設(shè)計(jì)和鋼網(wǎng)制作規(guī)范外，還要保證錫膏印刷、貼片、回流焊接的設(shè)備和工藝正常。

4.1 錫膏印刷

推薦使用SAC305，Type 4型號(hào)免清洗無鉛焊錫膏，也可以使用Type 5型錫膏，驗(yàn)證效果比較好。印刷機(jī)最好帶有3D SPI，可以檢測(cè)錫膏印刷效果。如果沒有的話，只能在顯微鏡下檢查。要特別注意印刷少錫的問題，Signal Pad建議采用正方形開口面積比圓形增加27%面積，可防止少錫問題。

印刷工藝參數(shù)參考：無鉛錫膏為M705-GRN360-K2-V，印刷機(jī)為MPM2000，錫膏印刷速度為25MM/S，錫膏印刷壓力為6.5KG。

一定要保持鋼網(wǎng)開口干凈，無錫膏或其它異物殘?jiān)？蛇m當(dāng)增加鋼網(wǎng)擦拭頻率，推薦擦拭頻率為2拼板/一次擦拭。

4.2回流焊接

回流時(shí)間在70s左右，預(yù)熱速率≤1℃/s，如圖12所示。

圖12Reflow Profile

5、Rework

aQFN的Rework流程如下圖13所示。

圖13aQFN的Rework流程

5.1拆卸aQFN

拆卸aQFN時(shí)推薦使用專門的返修工作站進(jìn)行操作。例如OKI、埃莎、Martin等返修站。如果使用熱風(fēng)槍拆卸時(shí)，底部需要有預(yù)熱器輔助加熱。預(yù)熱區(qū)設(shè)定溫度150℃，風(fēng)槍設(shè)定溫度330℃，風(fēng)槍高度1cm左右。

5.2清洗焊盤

aQFN拆卸后，必須清洗PCB Pad和芯片Pad上殘留的焊錫及助焊劑，推薦使用錫膏廠家推薦的清洗溶劑。

5.3 aQFN植球

首先要制作一個(gè)專門的IC植球鋼網(wǎng)，把Solder Paste印刷到PCB樣板上，然后利用返修工作站把a(bǔ)QFN貼裝到印刷后的PCB上，最后在返修工作站上加熱，Solder Paste焊接到aQFN引腳上后取下IC。

也可以使用熱風(fēng)槍操作。IC的焊盤清理干凈后放入專門的植球治具定位槽，植球鋼網(wǎng)通過導(dǎo)向柱覆蓋IC焊盤，使用小鋼片印刷錫膏，取出已印刷錫膏的IC，使用熱風(fēng)槍加熱，設(shè)定溫度320℃，時(shí)間約60s。焊接完成后放在放大鏡下檢查焊接質(zhì)量。

5.4重新貼裝

貼裝前要在aQFN元件和PCB焊盤上涂覆膏狀Flux，然后利用返修工作站的對(duì)中系統(tǒng)進(jìn)行精確貼裝，人工檢查時(shí)可以觀察IC的絲印框是否對(duì)齊，最后按照設(shè)定好的Profile進(jìn)行加熱。如圖19所示。

總結(jié)

鑒于aQFN是業(yè)界一種新封裝，需要從PCB設(shè)計(jì)和制作、錫膏印刷、鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)、SMT制程等幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化，同時(shí)需要IC廠家配合解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，相信通過大家的共同努力一定會(huì)提高aQFN的良率。