镍金表面处理的QFN中央焊盘焊点的形状变化和空泛

Julie Silk、Jianbiao Pan、Mike Powers,安捷伦科技公司

本文全面研讨 镍金表面处理印刷电路板(PCB)上QFN 封装和安捷伦的一种封装这两种不同封装的中央焊盘锡银铜焊点的形状 变化和空泛 。样品通过 等温老化,使用SEM 和EDX 光谱仪对有代表性焊点的横截面进行分析,研讨 焊点形状 的演化 ,我们发现焊点形状 的演化 与表面层金含量和恒温老化时间有关。

导言

四方扁平无引线(QFN)封装越来越受欢迎,这是因为 它的体积小、布线容易,导热性能和电气性能杰出 [1] 。QFN 封装的底面中央有一个大焊盘,封装里边 的芯片发生 的热量通过焊锡发出 到印刷电路板(PCB)。QFN 封装和PCB 的间距很小,减少了电感,因此 有优异的电气性能。安捷伦有一种封装,称作TOPS,其功用 与QFN 类似 ,没有引线,但是 在底面中央也有一个大焊盘。

虽然QFN 封装和TOPS 封装有许多利益 ,但是 ,据作者了解,至今还没有 见到关于底面中央焊盘焊点形状 演化 的陈述 。在本文中,作者依据 对焊点的全面研讨 说明表面层金含量对底面中央焊盘上锡银铜焊点形状 的影响。QFN 封装和TOPS 封装是组装在通过 镍金表面处理的PCB 上。

样品的等温老化时间适当 于封装0、2、7 和14 年的使用寿命。使用电子扫描显微镜(SEM)和能量色散X 光光谱法(EDX)对有代表性焊点的横截面进行分析,观察焊点的形状 演化 与金含量及恒温时间的关系。

这些无引线封装底面大焊盘的另外一 个问题是,这些焊盘上的焊点内部构成 的空泛 过多。假如 空泛 面积大,导热性能会下降。针对焊盘图形设计、模板设计、回流温度曲线,有一些应用论文提供了指引[2-6] 。就作者所知,有一篇论文评论 表面层的含金量对空泛 的影响。本文说明表面层含金量对底面焊点中空泛 的影响。

实验

组件、实验 板和组装工艺

图1 是实验 板。板进行了镍上镀金的表面处理。金的厚度有两种:一种是在5 微米厚的镍上镀一层闪亮的金,厚度为0.08~0.38 微米;另外一 种是在5 微米厚的镍上镀一层2~2.54 微米厚的金。实验 板上装了QFN 和TOPS这两种无引线封装。图2 是这些封装的底视图。QFN 封装有两种尺寸:5 毫米×5 毫米的QFN5 和6 毫米x 6 毫米的QFN6。TOPS 封装的尺寸是10 毫米×10 毫米。在QFN5 和QFN6 焊盘上做了铜上镀暗锡的表面处理,在TOPS 焊盘上则做了镍上度金的表面处理。

镍金表面处理的QFN中央焊盘焊点的形状变化和空泛

图1 实验 板。

组装工艺是在实践 出产 环境中的规范 表面组装出产 线上完成的。使用的锡膏是3 型Sn3.0Ag0.5Cu(SAC305)粉,免洗助焊剂,金属含量按分量 计为88%。模板为电铸镍模板,激光切割,金属箔厚度为0.1 毫米(4 密耳)。锡膏掩盖 了QFN5 和QFN6 中央焊盘面积的43%,TOPS则是56%。

镍金表面处理的QFN中央焊盘焊点的形状变化和空泛

图2 QFN 封装组件。

因为 没有测量 中央焊盘上锡膏的体积,标称锡膏体积是依据 模版上孔的尺寸和掩盖 面积核算 的。关于 QFN5、QFN6 和 TOPS 封装,按中央焊盘上焊点的金含量核算 值见表1。关于回流温度曲线和金含量核算 的概况 ,请参阅作者宣布 的论文[7-9]。

镍金表面处理的QFN中央焊盘焊点的形状变化和空泛

表1 中央焊盘焊点中金含量分量 百分比的标称值

组装好的PCB 随机地分为三组。第一组中的电路板不进行加热老化。第二组中的电路板在125℃的温度恒温老化,时间为30 天。第三组在125℃的温度恒温老化,时间为56 天。这三个加热老化时间分别代表器件在60℃的温度下运转 0 年、7.8 年和14.6 年的使用时间。激活能量为0.8 电子伏特。分别从各组电路板中随机选择一块亮金电路板和一块厚金电路板,对这些电路板做切片,对横截面进行SEM/EDX 分析。对一块加厚的厚金板在125℃下老化209 小时,代表器件在60℃的温度下运转 2.25年的使用时间。在125℃下老化209 小时适当 于在100℃下工作1000 小时。本研讨 中使用的SEM 是配有Thermo Scientific 6733A EDX 的JEOL JSM-6390。

成绩与评论

焊点形状 的演化

对QFN 和TOPS 底面中央焊盘焊点微观结构的演化 做了评价 。QFN 封装上的基板表面层没有Ni 分散 阻挡 层,TOPS 封装的基板表面层中包括镍阻挡 层。对这两品种 型组件焊点的微观结构按恒温老化时间及焊点中相对金含量有作了比较。

QFN TOPS 装在亮金电路板上

QFN 和TOPS 这两种组件的中央焊盘和亮金电路板之间焊点的SEM 显微照片如图3 所示。QFN 焊点中的金含量按分量 计约为1.2%,TOPS 焊点中的金含量约为4.1%。QFN 焊点在组件一侧界面的金属互化物(IMC)是Cu6Sn5,而TOPS 焊点是(Ni, Cu, Au)3Sn4。这是因为 QFN 封装没有的Ni 分散 阻挡 层,因此 铜可以 分散 到焊点中。

镍金表面处理的QFN中央焊盘焊点的形状变化和空泛

图3 中央焊盘和亮金板之间没有进行老化焊点的SEM 显微照片。(a) QFN 封装。(b) TOPS 封装。