通过焊料合金改善QFNs的热循环行为

作者: Interflux Electronics N.V:Steven Teliszewski

引言

QFN(Quad Flat No-leads)由于其特有的性能和优点在电子组装业中地位越来越重要。QFN具有很小的封装面积,它的外形非常薄,重量也很轻。它还在封装的周边排布了令人感兴趣的I/O,并具有良好的热和电气行为。这些特性使QFN成为当今市场上最受欢迎的半导体封装之一。

然而,在实践中,QFN封装也面临着一些挑战。

在电子组装生产过程中,QFNs通过焊膏连接到PCB,焊膏在通过回流焊炉时形成焊点。QFN没有像QFP或PLCC那样的引脚,这导致其托脚高度非常低(PCB和QFN之间的间隙)。这意味着互连材料或焊点非常小且非常薄。这导致了焊点较低的热机械应力耐受性。

热机械应力是在电子组件被加热和冷却(热循环)时由于PCB和封装中使用了不同热膨胀系数(CTE)的材料引起的。在使用现场,电子元件本身和外部影响因素都会产生这种热。在一定数量的热循环之后,连接电子元件到PCB的焊点就开始开裂。裂纹焊点通常会导致电子电路在现场发生故障。除了维修费用之外,在某些情况下,它还会导致使用或依赖电子设备的人处于危险境地。

据报道,QFN焊点开裂速度比QFP有引脚封装快三倍。

很明显,这个问题的关键是焊点本身。焊点的力学性能主要由其焊接合金决定。其他因素是焊点所连接的基材、表面精饰引入焊点的元素(例如来自NiAu的Au)、焊点的三维结构、焊接过程中焊点所经历的加热和冷却曲线等。然而,由于没有足够的测试数据,焊接合金参数的重要性还没有完全被了解。

为了更好地了解焊接合金的重要性,设计了一个研究案例,以评估当前三种焊料合金焊接不同类型的QFNs的热循环行为。

实验设计

评价热循环行为的最显而易见的工具就是热循环试验。为此,选择了工业标准JEDEC JESD-A104条件G。测试载具在-40 ℃/+ 125 ℃的温度下循环1 h。在极端情况下的停留时间是10 min,斜率为10 ℃/min,热循环炉为Weiss VTS 7027-10。

PCB基材为Isola 370HR。PCB为由6层组成的PCB,厚度约1.6 mm。内层的铜厚度为25 μm,外层具有35 μm的铜。基板涂饰为NiAu。

热通孔为充满导电填充物的0.45 mm电镀孔。

PCB被分为4个区域。4种不同类型的9 mm×9 mm QFN分别安装到每个区域,每个区域4个相同的元件。选择低CTE(7×10-6)塑封和高CTE(15×10-6)塑封以及大的和小的芯片焊盘组合。在结果中,这将消除仅与QFN的特定设计相关的故障。QFNs是菊花链,以便能够连续测量。为此目的,使用了Analysis Tech Model 128/256 STD  探测器。当开路被连续地检测到10x时,就被认为是出了故障。

焊膏选用当前的三种焊料合金。

第一个选择是SnAg3Cu0.5,因为它是迄今为止市场上使用最多的无铅焊接合金。SnAg3Cu0.5是已知的具有相当差的热循环行为。

主要是由于成本的原因,市场的发展趋势是减少SnAgCu合金中的Ag含量。因此,SnAg0.8Cu0.7合金是第二种被选择评价的合金。

由于SnAgCu合金的焊接温度可能对温度敏感元件和基材很苛刻,市场的发展还有另一种趋势,倾向于低熔点合金。这些合金可在较低的温度下焊接,满足温度敏感材料的要求。,

此外,它们可以大大降低能耗和制造成本。LMPA-Q是由Interflux Electronics开发的一种具有增强机械性能的新低熔点合金。由于它在早期的热循环试验中显示出非常好的结果,它被选择作为第三种合金来完成试验。

每个测试载具都采用所选焊膏的专用回流焊温度曲线进行焊接。对于SnAg3Cu0.5和SnAg0.8Cu0.7,测得的峰值温度在240 ℃左右。对于LMPA-Q合金,峰值温度约为215 ℃,与其他两种合金相比,在焊接过程中降低能耗约20%。

测试结果的评价

SnAg0.8Cu0.7合金是在100至200次循环中出现故障的第一种合金,然后迅速累积到所有QFNs的约25%,在3 000次循环后,累积到所有QFNs的90%。

SnAg3Cu0.5看起来稍好一点。它在500个周期后开始出现故障,然后迅速累积到所有QFNs的约25%,在3 000个循环后累积到所有QFNs的65%。

LMPA-Q合金是出现故障之前持续时间最长的。第一次故障出现在800次循环后,然后积累到约10%,3 000个周期后累积到25%。

作者简介
Steven Teliszewski拥有在电子制造领域工作20多年的丰富经验。在他完成工程技术的学习与研究之后,他开始在比利时的OEM工作,在那里他负责焊接工艺和技术以及ISO协调。在比利时根特市Interflux Electronics NV焊接化学品制造公司,他有幸得到了在全球范围内为Interflux的子公司、客户和分销商提供支持的机会。多年来在各种应用、工艺过程及其参数方面的实践经验,为他分析和解决可靠性问题奠定了基础。在世界各地的技术研讨会和论坛上,他一直在和大家分享其专业知识。

需要阅读更多内容,请点击“环球SMT与封装

上一篇:功率型倒装LED芯片电极设计

下一篇:采用X射线的智能高速的元件计数技术