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3000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%。