aQFN封装芯片SMT工艺研究

来源：PCBA设计与制造；作者：周宝强

摘要

aQFN作为一种新型封装以其低成本、高密度I/O、优良的电气和散热性能，开始被应用于电子产品中。本文从aQFN封装芯片的结构特征，PCB焊盘设计，钢网设计制作，SMT生产工艺及Rework流程等几个方面进行了重点的论述。

前言

QFN封装芯片由于体积小、散热性能优异得到了广泛的应用。随着电子产品在性能上要求越来越高，且向轻、薄、短、小的趋势发展，IC体积内打线密度已不是原来的QFN封装所能负荷的，因此发展出更为先进的aQFN（Advanced Quad Flat No Lead，简称aQFN）封装，即QFN的改进型封装。由于aQFN封装芯片刚刚开始应用，生产中容易出现短路、虚焊和偏移问题，相关的SMT工艺研究并不多。本文针对这种新型封装的SMT工艺进行相关探讨。

1、aQFN的结构特征

aQFN相当于QFN和TFBGA的结合体，可以更好地降低芯片高度，减少封装面积和节约成本。与传统的QFN封装Lead和Molding平齐不同，aQFN的Lead是伸出的。相对于TFBGA，aQFN的底部无明显的锡球，而是圆柱形的Lead。不需要植球，也不需要Substrate。图1是aQFN的封装示意图，图2是剖面示意图。

图1  aQFN的封装

图2  aQFN剖面图

aQFN的优势如下：

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与TFBGA、QFN优势对比，见下表1。

表1 aQFN与TFBGA、QFN的对比

2、aQFN的PCB焊盘设计

要实现aQFN的良好的SMT组装工艺，首先要解决其PCB焊盘设计。PCB有两种焊盘设计方式：Solder Mask Defined (阻焊层定义焊盘，即SMD)，Non-Solder Mask Defined (非阻焊层定义焊盘，即NSMD)。见图3所示。我们一般选择NSMD方式设计，原因如下：

a）NSMD方式精度较高，PCB制造厂的公差容易控制，良率高。

b）NSMD Pad平整度要比MSD Pad好。

c）NSMD Pad比SMD Pad具有更好的温度循环可靠性寿命和抗冲击寿命。

图3  NSMD and MSD Pad Design

2.1 Signal Pad设计

下面以MTK公司的芯片为例说明aQFN的焊盘设计。图4为MTK某型号芯片的封装尺寸信息。

图4  Package Information

从SMT组装试验的结果分析，采用NMSD和圆形焊盘设计的焊接效果最佳。具体的焊盘尺寸请参考图5。

图5  NMSD and Circle Pad Design

Signal Pad设计注意事项：

a）推荐按封装库1:1制作，保证焊盘规则（精度控制在+/-0.03mm）。

b）禁止在PCB顶层使用铺铜设计，否则容易焊盘尺寸过大，回流焊接时容易发生短路。

c）为保证接地性能，RF GND间建议做成网格状走线，或将GND Pad连通到内层的GND平面。表层走线线宽尽量控制在0.3mm以内。

d）Pad一定要有阻焊环，Pad与Pad之间需留有3mil阻焊环。

e）盲孔不要偏离Pad中心，避免Pad变形造成的SMT影响，盲孔需要填平不能有空洞。如图6所示。

图6 禁止在PCB表层使用铺铜设计

2.2 E-Pad焊盘设计

推荐与IC接地焊盘相同尺寸一致，即封装库按照1：1的面积比例制作E-Pad。如图7所示。

图7  E-Pad焊盘设计

2.3 过孔设计

为了把顶面的热量传导给内层或底层，E-Pad上必须设计散热过孔。参考JEDEC的建议，过孔直径一般为0.3mm，过孔间距为1.2mm，以及尽量多的散热过孔数量，具体数量可以借鉴JEDEC的实验数据。见图8所示。 

图8  Thermal Via Design

3、钢网设计

3.1 钢网开孔基本要求

根据IPC7525标准，钢网设计的基本要求：宽厚比（W/T，2R/T）>1.5；面积比（W/4T，R/2T）> 66%，其中，W表示开口长（宽），R表示开口半径，T表示钢网厚度。钢网要梯形开口设计，BOT面开口比TOP面大25~50微米，便于锡膏释放。如图9所示。

图9  钢网开口基本要求

3.2  钢网制作要求

钢网厚度一般为0.1mm~0.12mm，推荐使用0.1mm厚度。制作方式：激光蚀刻+电抛光。

3.3 开口设计要求

推荐钢网开孔与PCB焊盘大小一致，可适当调整以适应制程。建议Signal Pad采用圆形或方形倒角设计（R=0.075mm），开孔尺寸可以增大10%~15%，印刷时下锡效果更好。如表2所示。

表2 Signal Pad开口设计

E-Pad开口设计。推荐钢网开口面积为PCB E-Pad面积的40%左右，钢网开口边缘距离PCB焊盘边缘0.2mm以上，建议将钢网开口区域分割成为边长小于2mm的大小相等方块。如图10所示。

图10 E-Pad开口设计

4、aQFN的SMT生产工艺流程

aQFN的SMT生产流程如下图11所示。

图11  aQFN的SMT生产流程

从目前已经量产的信息来看，平均良率可以达到99.5%以上。要达到高的良率，除了PCB焊盘设计和钢网制作规范外，还要保证锡膏印刷、贴片、回流焊接的设备和工艺正常。

4.1 锡膏印刷

推荐使用SAC305，Type 4型号免清洗无铅焊锡膏，也可以使用Type 5型锡膏，验证效果比较好。印刷机最好带有3D SPI，可以检测锡膏印刷效果。如果没有的话，只能在显微镜下检查。要特别注意印刷少锡的问题，Signal Pad建议采用正方形开口面积比圆形增加27%面积，可防止少锡问题。

印刷工艺参数参考：无铅锡膏为M705-GRN360-K2-V，印刷机为MPM2000，锡膏印刷速度为25MM/S，锡膏印刷压力为6.5KG。

一定要保持钢网开口干净，无锡膏或其它异物残渣。可适当增加钢网擦拭频率，推荐擦拭频率为2拼板/一次擦拭。

4.2 回流焊接

回流时间在70s左右，预热速率≤1℃/s，如图12所示。

图12  Reflow Profile

5、Rework

aQFN的Rework流程如下图13所示。

图13  aQFN的Rework流程

5.1 拆卸aQFN

拆卸aQFN时推荐使用专门的返修工作站进行操作。例如OKI、埃莎、Martin等返修站。如果使用热风枪拆卸时，底部需要有预热器辅助加热。预热区设定温度150℃，风枪设定温度330℃，风枪高度1cm左右。

5.2 清洗焊盘

aQFN拆卸后，必须清洗PCB Pad和芯片Pad上残留的焊锡及助焊剂，推荐使用锡膏厂家推荐的清洗溶剂。

5.3 aQFN植球

首先要制作一个专门的IC植球钢网，把Solder Paste印刷到PCB样板上，然后利用返修工作站把aQFN贴装到印刷后的PCB上，最后在返修工作站上加热，Solder Paste焊接到aQFN引脚上后取下IC。

也可以使用热风枪操作。IC的焊盘清理干净后放入专门的植球治具定位槽，植球钢网通过导向柱覆盖IC焊盘，使用小钢片印刷锡膏，取出已印刷锡膏的IC，使用热风枪加热，设定温度320℃，时间约60s。焊接完成后放在放大镜下检查焊接质量。

5.4 重新贴装

贴装前要在aQFN元件和PCB焊盘上涂覆膏状Flux，然后利用返修工作站的对中系统进行精确贴装，人工检查时可以观察IC的丝印框是否对齐，最后按照设定好的Profile进行加热。如图19所示。

总结

鉴于aQFN是业界一种新封装，需要从PCB设计和制作、锡膏印刷、钢网设计、SMT制程等几个方面进行设计和工艺优化，同时需要IC厂家配合解决生产中出现的问题，相信通过大家的共同努力一定会提高aQFN的良率。