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Q​F​N​元​件​的bga返修​和贴​装—M​A​R​​1​9

时间:2014-05-12 13:54:38 来源:鼎华科技 点击: 2425次

QFNI/O引线以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面.引线间距大,引线长度短,这样BGA消除了精细间距器件中由于引线而引起的共面度和翘曲的问题。

BGA/CSP/OFN
   
技术的发展绝不会因为上述困难就停滞不前,于是一种先进的芯片封装BGA(Ball Grid Array.球栅阵列)出现来应对上述挑战。它的I/O引线以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面.引线间距大,引线长度短,这样BGA消除了精细间距器件中由于引线而引起的共面度和翘曲的问题。BGA技术的优点是可增加I/O数和间距,消除QFP技术的高I/0数带来的生产成本和可靠性问题。如图3所示的NVIDIA公司最新的GeForce图形芯片(GPU)体现了当前工程技术的最高成就,相信看到芯片照片上那1144个焊球的人都会惊叹不已。BGA一出现便成为CPU、图形芯片、主板上南/北桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。
 

概括起来,和QFP相比,BGA的优点主要有以下几点:

(1)I/O引线间距大(1.O,1.27毫米),可容纳的I/O数目大(1.27毫米间距的BGA25毫米边长的面积上可容纳350I/O,而O.5毫米间距的QFP40毫米边长的面积上只容纳304I/O)

(2)封装可靠性高(不会损坏引脚)。焊点缺陷率低(<1ppm/焊点),焊点牢固。

(3)管脚水平面同一性较QFP容易保证,因为焊锡球在

溶化以后可以自动补偿芯片与PCB之间的平面误差。

(4)回流焊时,焊点之间的张力产生良好的自对中效果,允许有50%的贴片精度误差。

(5)有较好的电特性,由于引线短,导线的自感和导线间的互感很低,频率特性好。

(6)能与原有的SMT贴装工艺和设备兼容。原有的丝印机、贴片机和回流焊设备都可使用。

BGA的兴起和发展尽管解决了QFP面临的困难。但它仍然不能满足电子产品向更加小型、更多功能、更高可靠性对电路组件的要求,也不能满足硅集成技术发展对进一步提高封装效率和进一步接近芯片本征传输速率的要求,所以更新的封装CSP(Chip Size Package.芯片尺寸封装)又出现了。它的英文含义是封装尺寸与裸芯片相同或封装尺寸比裸芯片稍大。日本电子工业协会对CSP规定是芯片面积与封装尺寸面积之比大于80%。CSPBGA结构基本一样,只是锡球直径和球中心距缩小了、更薄了,这样在相同封装尺寸时可有更多的I0数,使组装密度进一步提高。可以说CSP是缩小了的BGA

CSP之所以受到极大关注,是由于它提供了比BGA更高的组装密度。而比采用倒装片的板极组装密度低。但是它的组装工艺却不像倒装片那么复杂,没有倒装片的裸芯片处理问题,基本上与SMT的组装工艺相一致,并且可以像SMT那样进行预测和返工。正是由于这些无法比拟的优点,才使CSP得以迅速发展并进入实用化阶段。目前日本有多家公司生产CSP。而且正越来越多地应用于移动电话、数码录像机、笔记本电脑等产品上。从CSP近几年的发展趋势来看,CSP将取代QFP成为高IO引线IC封装的主流。

近几年来,QFN封装(Quad Flat No—lead,方形扁平无引脚封装)由于具有良好的电和热性能、体积小、重量轻,其应用正在快速增长。采用微型引线框架的QFN封装称为MLF封装(Micro Lead Frame一微引线框架)QFN封装和CSP(Chip Size Package,芯片尺寸封装)有些相似,但元件底部没有焊球。封装底部中央位置有一个大面积裸露焊盘用来导热,围绕大焊盘的封装外围四周有实现电气连接的导电焊盘,如图5所示。由于QFN封装不像传统的SOICTSOP封装那样具有鸥翼状引线,内部引脚与焊盘之间的导电路径短,自感系数以及封装体内布线电阻很低,所以它能提供卓越的电性能。此外,它还通过外露的引线框架焊盘提供了出色的散热性能,该焊盘具有直接散热通道,用于释放封装内的热量。通常将散热焊盘直接焊接在电路板上,并且PCB中的散热过孔有助于将多余的功耗扩散到铜接地板中,从而吸收多余的热量。由于体积小、重量轻,加上杰出的电性能和热性能,这种封装特别适合任何一个对尺寸、重量和性能都有要求的应用。我们以32引脚QFN与传统的28引脚PLCC封装相
比为例,面积(5mm×5mm)缩小了84%,厚度(0.9mm)降低了80%,重量(0.06g)减轻了95%,电子封装寄生效应也降低了50%。所以非常适合应用在手机、数码相机、PDA以及其它便携小型电子设备的高密度印刷电路板上。图6是一个24引脚QFN与一枚硬币尺寸的比较。

QFN元件的贴装及返修工艺

上海贝尔阿尔卡特股份有限公司 王其超
[2006.7.11]
摘要:
QFN
封装(Quard Flat No-lead方形扁平无引脚封装)具有良好的电和热性能、体积小、重量轻,其应用正在快速增长。QFN的封装和CSP有些相似,但元件底部没有焊球,与 PCB的电气和机械连接是通过PCB焊盘上印刷焊膏、过回流焊形成的焊点来实现的,对PCB焊盘设计和表面贴装工艺提出了一些新的要求。印刷网板设计、焊后检查、返修等都是表面贴装过程中所应该关注的。

概述
QFN
是一种无引脚封装,呈正方形或矩形,封装底部具有与底面水平的焊盘,在中央有一个大面积裸露焊盘用来导热,围绕大焊盘的封装外围四周有实现电气连接的导电焊盘。
导电焊盘有两种类型:一种只裸露出封装底部的一面,其它部分被封装在元件内;另一种焊盘有裸露在封装侧面的部分 (1)
PCB的电气连接是通过在PCB焊盘上印刷焊膏、过回流焊形成焊点,将QFN焊盘和PCB上相应的焊盘连接起来实现的。缩短了连接距离的导电焊盘可以提供良好的电性能;中央大的热焊盘可以将封装体的热量迅速传导到PCB上,具有良好的热性能。
QFN
封装具有良好的电和热性能、体积小、重量轻,成为了许多新的应用的一种理想的选择。在印制板上,封装的大面积裸露焊盘相对应的热焊盘,其尺寸设计与封装的大面积裸露焊盘尺寸相同;导电焊盘相对应的四周焊盘,其尺寸也和导电焊盘尺寸设计相似,但向外稍微长一些。




印刷网板设计
能否得到完美、可靠的焊点,印刷网板设计是关键的第一步。四周焊盘网板开口尺寸和网板的厚度的选取有直接的关系,一般较厚的网板可以采用开口尺寸略小于焊盘尺寸的设计,而较薄的网板开口尺寸可设计到11。关键是面积比要符合IPC-7525有关的规定。推荐使用激光制作开口并经过电抛光处理的网板。如果网板厚度>150μm,则可考虑采用电铸的网板。在实际生产中,分别设计试验了150μm130μm厚度两种网板,使用AOI记录了印制板上3种不同封装尺寸的QFN器件(Type ABC)的焊膏印刷情况。

bga返修装贴图


bga返修装贴图



两种厚度网板的参数设定、使用的焊膏和印刷设备完全相同,从印刷的结果来看,150μm网板的面积比< 130μm 网板的面积比,所以在脱模时更容易发生孔壁粘连而导致印刷高度偏高,造成焊膏堆积成形不良。130μm的网板更易形成理想的方台式堆积外形,而150μm的网板则容易形成馒头状的堆积外形。(当然,更换焊膏型号也许能够加以解决)

AOI
的焊膏图形高度统计结果如下:






从表1中可以看到,130μm网板的印刷高度普遍比150μm网板要薄,由于设备印刷结果偏厚的固有偏差,似乎130μm网板的印刷结果更接近150μm网板期望的印刷高度目标值。
AOI
的焊膏堆积体积统计结果如下:


bga返修装贴图


“150μm/150μm”
“130μm/150μm”表示以150μm网板的开口设计所期望的焊膏体积量作为目标值(100%值),来统计的两种网板相对目标值的百分比。“130μm/130μm”表示以130μm修改后的网板所期望获得的标准焊膏体积量来计算的130μm网板的实际体积释放百分比。

从表2的统计结果可见,相对150μm的设计,130μm网板所获得的焊膏量要略小于150μm网板的获得量,这个结果也是可以预见到的,毕竟厚度减少了13%。根据面积比的计算,理想的释放率AC型应该>73%B型应该>89%,如果按各自的目标值统计,130μm的网板的QFN的释放率在88107%,完全符合要求,即使按150μm网板的设计释放量为100%来计算,130μm的释放率也是符合要求的。
焊接后,目视检查的结果如下:

bga返修装贴图


QFN
元件的缺陷率,150μm网板和130μm网板比较没有显著的差别。

bga返修装贴图


从照片来看,两种网板对应的QFN元件的外部焊点情况焊锡量都较充足,可以看出,在过回流焊时四周焊盘上的焊锡会被挤到外面,150μm网板的焊膏量要大于 130μm,所以在焊接时被挤出的量更多,外部焊点看上去也更大。中间散热焊盘如果也采用11开口,四周焊盘上的焊锡被挤出来,则散热焊盘上的焊锡也会向外挤,就很容易造成锡珠或桥接的发生。

为了减少可能出现的缺陷,可考虑缩减QFN底部散热焊盘的网板开口面积。QFN散热焊盘的网板开口可以开成一组规则排列的小的方形开口或小的圆形开口组合,也可以开成不规则的不同形状开口的组合,使加起来总的开口面积达到散热焊盘面积的50%~80%,但焊后的连接面积最小应该>40%

由于器件引脚的配置不同,上述四种QFN元件导电焊盘都是侧面无法上锡,仅有一面可与板上形成焊点的类型,所以侧面堆积的焊锡无法作为焊接是否良好的直接判断依据,只能作为一种辅助的判断手段来判断元件是否曾经上锡。

bga返修装贴图

由于QFN的焊点是在封装体的下方,并且厚度较薄(图中G部分),X-RayQFN焊点少锡和开路无法检测,只能依靠外部的焊点的情况(图中F部分)尽可能地加以判断,但由于器件的引脚配置形式不同,F部分在IPC标准中是一个无法指定的部分(Unspecified parameter or variable in size as determined by design):






X Ray图像可见,F部分的差别是明显的,但真正影响到焊点性能的G部分的图像则是相同的,所以这就给XRay检测判断带来了问题。用电烙铁加锡,增加的只是F部分,对G部分到底有多大影响,XRay仍无法判断。就焊点外观局部放大的照片来看,F部分仍有明显的填充(fillet)部分。

在暂时没有更多方法的情况下,将会更多依赖生产后段的测试工位来判断焊接的好坏。




QFN
返修
QFN的返修,因焊接点完全处在元件封装的底部,桥接、开路、锡球等任何的缺陷都需要将元件移开,因此与BGA的返修多少有些相似。QFN体积小、重量轻,且它们又是被使用在高密度的装配板上,使得返修的难度又大于BGA

当前,QFN返修仍然是整个表面贴装工艺中急待发展和提高的一环,尤其须使用焊膏在QFN和印制板间形成可靠的电气和机械连接,确实有一些难度。目前比较可行的涂敷焊膏的方法有三种:一是传统的在PCB上用维修小丝网印刷焊膏,二是在高密度装配板上的焊盘上点焊膏;三是将焊膏直接印刷在元件的焊盘上。上述方法都需要非常熟练的返修工人来完成这项任务。返修设备的选择也是非常重要的,对QFN既要有非常好的焊接效果,又须防止因热风量太大将元件吹掉。



总结
由于QFN器件封装的特殊性,以及目前在检测和维修手段上的些许不足,因此在装配QFN器件时,网板设计,焊膏印刷,以及贴片的位置准确度,贴片压力等都需要特别的注意,以保证装配焊接的一次通过率,尽量避免不必要的维修发生。所以,焊膏印刷后的AOI,以及贴片后的AOI将在QFN的装配工艺中起到十分重要的控制和保证作用。 [/td][/tr]

 

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