中国电子科技集团第三十八研究所 安徽省 合肥市 230001
摘要：对QFP器件微焊点强度，并对不同间距、不同钎料成分的QFp和sOP结构焊点进行了比较。在相同的钎料成分下，半导体激光输出功率直接影响QFP焊点的抗拉强度，研究结果可为提高QFP微焊点强度和可靠性提供一个有效的解决方法。
关键词：QFP器件；微焊点；抗拉强度
随着表面组装技术的工艺不断的完善,尤其是随着电子封装的密度越来越高,使得细间距器件成为一种主流产品.虽然封装技术和封装形式不断的出新,但是在实际生产中QFP(quad flat packge)的使用更为普遍.在微电子焊接中,电子组件的体积正朝着微型化、超微型化的方向发展,如此微小的尺寸,给焊点可靠性的试验研究带来了一定的困难,有限元模拟方法在此课题方面可以提供一定的理论依据。在焊点可靠性研究中,由于基板和焊点的线膨胀系数不匹配,在交变的温度循环中会产生交变的热应力,致使焊点发生疲劳失效。已有研究表明,表面组装焊点在环境温度循环条件下的失效现象是导致电子装连失效的主要原因。因此焊点可靠性的研究是表面组装的关键技术。
一、Q FP简介
QFP是指外观形体为矩形或正方形，四边具有鸥翼型短引线的多引脚封装形式，通常封装材料有塑料、陶瓷和金属等几种。它封装外形尺寸小，适于大批量生产。由于引脚在四侧面外露，在组装过程中，无论是设备拿取或手工来摆放均较为容易对中，焊接后判断该类器件的焊接质量也较为方便。由于此类器件管脚的柔韧性和弹性比较好，所以在实现焊接以后，它的管脚焊接应力比较容易得到释放，焊接点具有较高的可靠性。引脚多用合金制作，随着加工工艺的不断提高，引脚数量不断增多，引脚厚度和宽度愈来愈小，引脚间距逐渐缩小，中心距从1.00 mm、0.80 mm、0.65 mm、0.50 mm变至0.30 mm等，随着技术的发展引脚中心距将会更小。
1.Q FP器件封装特性。器件具有四侧面鸥翼形引脚，焊接后弯曲的引脚能够吸收管脚应力，因此与PCB结构匹配性好，焊点可靠性高；其矩形封装引脚多，封装外形尺寸能实现小面积封装，电性能寄生参数减小，在高频电路设计中能够大面积得到应用。
2.Q FP器件的缺点。这类器件在贴装时对四侧引脚的共面性有较高要求，特别是引脚多、间距小的QFP，引脚中心距小于0.65 mm的QFP器件尤为突出，在出入库清点和焊接前预处理等操作不当时，引脚容易弯曲变形，因此在整个贴装焊接过程中，操作需小心谨慎。
3.Q FP器件的分类。根据器件封装壳体厚度和引脚中心距尺寸的大小可以分为：（1）小引脚中心距QFP—FQFP，常常所指为引脚中心距小于0.65 mm的QFP；（2）轻薄类型的QFP—LQFP，是指封装本体厚度为1.4 mm左右的QFP；（3）MQFP指引脚中心距为0.65 mm且本体厚度为2.00～3.80 mm的QFP。
二、试验设备和材料及方法
1.试验设备。使用的90W半导体激光软钎焊系统由激光传输光路单元、半导体激光加热单元、六轴工作台、工业数字摄像机及数据采集和处理单元组成(如图1所示)。它的工作原理是:焊接时,激光通过光学聚焦系统按照2∶1的比例进行聚焦,将直径为400μm的激光聚焦为200μm的激光束。调节工作台使激光束直接照射到焊接区域,焊接区域器件引线和钎料吸收激光并转变成热能,温度上升到一定温度值时,钎料熔化并铺展、润湿欲焊工件。激光照射停止后,焊接部位迅速冷却,钎料凝固,形成牢固可靠的微焊点。
2.试验材料及方法。（1）试验材料。试验PcB基板焊盘：Au／N∥cu三层结构和N∥cu两层结构。焊膏成分：sn63Pb37和sn96A93．5cu0．5。QFP元器件：QFP48(四边引脚数各为12)和QFPloo(四边引脚数各为25)。（2）试验方法。采用红外再流焊机与90 w半导体激光焊接系统分别对3种组合试件进行了焊接。焊后采用日本RHEscN公司生产的sTR—1000型微焊点强度测试仪测试QFP焊点的抗拉强度，分析对比其变化规律。试验结果与分析
表2激光连续加热试件微焊点抗拉强度试验结果
3.激光工艺参数对微焊点强度的影响。当钎料成分、PcB基板焊盘及QFP元器件确定后，则焊接后的焊点性能就由焊接温度与焊接时间所决定。但是在半导体激光焊接过程中，焊接区域的温度是很难准确控制的，因此采用控制激光焊接速度和激光输出电流两个参数来控制焊点形态和焊点的各项性能。表2数据表明，如果焊接速度、钎料成分和QFP元器件确定后，当选取不同的激光加热工艺参数进行焊接时，QFP微焊点的抗拉强度具有较大的差别。
图2反映了激光输出电流与QFP微焊点抗拉强度之间的关系，当激光输出电流达到一定值时，QFP微焊点的抗拉强度达到最大值，如果电流继续升高，抗拉强度反而会下降。其原因是由于在连续扫描的方式下工作时，8．8 A的输出功率，使QFP的钎焊温度达到最佳状态，此时激光束的照射可以使钎料完全润湿QFP的引脚，钎缝组织细密”o，钎料与基板和元器件端头的相互作用最大，因此抗拉强度达到最高。继续升高电流，激光输出功率过大，钎缝区组织粗大，因此抗拉强度明显地下降。
4.两种焊接方法的微焊点强度对比试验结果。研究表明，各种成分的sn—Pb钎料(不含其它元素，如sb，Bi等)的抗拉强度等力学性能均较sn—Ag—cu钎料低，
半导体激光焊接软钎焊能够明显地提高sn—Pb微焊点的抗拉强度，使其达到红外热风再流焊焊后sn—Ag—cu微焊点的抗拉强度水平。采用半导体激光焊接，sn—Ag—cu钎料焊点与sn—Pb钎料焊点的抗拉强度都有明显提高，并且两者的提升幅度相当接近，在25％左右，特别是对于100引线的QFP元器件来说，其抗拉强度的提高幅度更大，达到50％以上。进一步分析还可以看出，半导体激光软钎焊微焊点的力学性能相对于红外热风再流焊焊点普遍有所提高，尤以细间距无铅钎料激光焊点的力学性能最为优异，其微观机制有待进一步的研究，这一问题的深入研究，对提高细问距QFP微焊点强度和可靠性将提供理论指导和技术支持。
随着表面组装(SMT)技术的不断完善,尤其是随着电子封装的密度越来越高,使用细间距引脚的器件成为一种主流。小外型封装SOP(small outlinepackage)、四方扁平封装QFP(quad flat package)以及BGA(ball grid array)等封装形式日益增多,逐步占据主导地位,但是在实际生产中QFP的使用更为普遍。QFP是指外形为正方形或矩形,四边具有翼形短引线的塑料薄形封装形式,也指采用该种封装形式的器件。QFP器件封装外形尺寸小,适合高频应用,适于大批量生产,从而价廉物美,虽然封装密度受到BGA的挑战,但是QFP器件在电子工业中仍然占重要地位。半导体激光输出功率直接影响QFP焊点的抗拉强度。半导体激光无铅微焊点的力学性能相对于红外热风再流焊无铅微焊点普遍提高了25％左右，尤以细间距无铅钎料激光微焊点的力学性能提升最为显著，平均提高了50％以上。半导体激光软钎焊不仅能够改善无铅微焊点的抗拉强度，也能够大幅度地提高sn—Pb微焊点的抗拉强度，平均可提高25％左右。
参考文献：
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[3]马晓桦.不同引线数QFP器件焊点等效应力的数值模拟[J].焊接学报,2016,28(6):17-20.
论文作者:阮洋,陈祥
论文发表刊物:《防护工程》2019年10期
论文发表时间:2019/8/14
标签：焊点论文; 抗拉强度论文; 激光论文; 引脚论文; 器件论文; 半导体论文; 间距论文; 《防护工程》2019年10期论文;