QFN封装专用锡膏：低空洞率实现方法与精密焊接工艺技巧

QFN封装因其底部焊盘和中央散热焊盘的特殊结构，焊接时易因气体滞留形成空洞，影响热传导和机械可靠性。

材料选择、工艺优化和设备创新，提供系统性解决方案：

材料选择：从合金到助焊剂的精准匹配

1. 锡膏合金成分优化

基础选择：优先采用SAC305（Sn-3.0Ag-0.5Cu）无铅锡膏，其熔点217℃与QFN热耐受性兼容。

若需更低熔点，可选用SnBi合金（138℃），但需注意Bi元素可能降低焊点韧性。

特殊设计：针对高密度QFN，可添加0.1-0.3%铋（Bi）形成SACX0307合金，表面张力从500mN/m降至460mN/m，显著提升侧壁爬锡高度。

2. 助焊剂活性与成分调控

活性等级：选择RA级（全活性）助焊剂，酸值＞200mg KOH/g，可快速去除焊盘氧化层并促进气体排出。

免洗型锡膏如Kester EP256通过ROL0认证，残留物绝缘阻抗＞1×10⁹Ω，适合高可靠性场景 。

溶剂配方：采用高沸点（＞250℃）溶剂（如二乙二醇丁醚），延缓助焊剂挥发速度，为气体逸出争取时间 。

3. 锡膏颗粒度与触变性控制

颗粒选择：0.5mm以下间距QFN推荐Type4锡膏（20-38μm），印刷分辨率更高且不易堵塞钢网。

0.4mm间距需升级至Type5（10-25μm），但需严格控制粘度（150-220 dPa·s）以避免塌陷。

触变指数：选择触变指数＞1.4的锡膏，印刷后保持形状，减少回流时锡膏飞溅。

钢网设计：从开口形状到工艺创新

1. 中央散热焊盘开口策略

面积控制：开口面积占焊盘85-92%，既保证锡量又避免过度堆积。

采用“田”字格或矩阵式开孔（如4×4mm焊盘开4个1×1mm孔），增加气体排出通道 。

厚度匹配：钢网厚度0.12-0.15mm，印刷厚度控制在0.10-0.13mm，确保回流后焊料覆盖率＞75%且空洞率＜10%。

2. 引脚焊盘开口优化

形状设计：0.5mm间距引脚采用梯形开口（上宽0.25mm，下宽0.30mm），增加锡膏释放量并减少连锡风险。

0.4mm间距可内切0.05mm并外扩0.25mm，形成“喇叭口”结构。

宽厚比与面积比：开口宽度/钢网厚度≥1.5，开口面积/孔壁面积≥0.66，确保锡膏顺利脱模。

3. 创新工艺：二次阶梯印刷

操作方法：首次印刷中央散热焊盘（锡膏厚度0.12mm），二次印刷引脚焊盘（厚度0.08mm），形成梯度锡量分布。

实验显示，该工艺可使平均空洞率从18.7%降至4.2%，且空洞从随机分布转为边缘定向排出。

回流焊工艺：从温度曲线到气氛控制

1. 温度曲线精细化设置

预热阶段：升温速率≤3℃/s，在150-200℃保温60-90秒，充分挥发助焊剂中的低沸点溶剂。

回流阶段：峰值温度235-245℃（SAC305），回流时间40-60秒。

避免温度过高导致锡膏飞溅，或过低造成润湿不充分。

冷却阶段：降温速率≤4℃/s，促进焊点快速凝固，减少晶粒粗大化。

2. 气氛与压力协同控制

氮气保护：氧含量＜1000ppm，可使焊点光亮饱满，润湿性提升30%。

实验表明，氮气回流下QFN空洞率从15%降至6%。

真空辅助：在峰值温度阶段启动真空（压力＜5kPa），迫使气泡膨胀破裂，空洞率可进一步降至0.3%。

但设备成本较高，适合航天、医疗等高可靠性场景。

检测与质量管控：从过程到终检的全流程覆盖

 1. 过程监控

锡膏印刷检测（SPI）：重点检查中央焊盘锡量偏差（±15%以内）和引脚焊盘位置偏移（≤0.05mm）。

贴装精度控制：QFN贴装压力0.5-1.0N，偏移量≤0.1mm，确保引脚与焊盘完全对齐。

2. 终检技术

X射线检测：采用3D AXI技术，倾斜30°扫描重构侧壁爬锡轮廓，测量精度±0.01mm。

要求爬锡高度≥引脚高度50%（IPC Class 3标准），且单个空洞面积＜25%焊点截面积。

金相切片分析：抽检焊点IMC层厚度（Cu₆Sn₅≤3μm，Cu₃Sn≤1μm），避免过度生长导致脆性断裂。

典型案例与成本效益分析；

1. 案例一：消费电子QFN焊接

工艺配置：SAC305 Type4锡膏（金属含量90%），0.12mm钢网（中央焊盘开4×1mm孔），氮气回流（O₂＜500ppm）。

效果：空洞率从12%降至4%，生产成本增加约0.15元/板，但良率提升至99.7%。

2. 案例二：汽车电子IGBT模块

工艺配置：真空回流焊（压力8mbar），铋掺杂锡膏（SACX0307），二次阶梯印刷。

效果：空洞率0.8%，热阻下降15K/W，模块寿命延长3.8倍。设备折旧分摊后，每板成本增加0.8元，但保修成本降低70%。

注意事项与常见问题解决；

 1. 锡膏储存与使用

冷藏（0-10℃）保存，回温3-4小时后使用，避免冷凝水引发锡珠。

开封后24小时内用完，剩余锡膏密封冷藏并在48小时内复用。

2. 空洞率超标的处理

调整钢网：增加中央焊盘开孔数量或减小单个孔尺寸。

优化曲线：延长预热时间或提高峰值温度5-10℃。

辅助措施：印刷后在QFN四周点涂助焊膏（如Senju TF-100），增强润湿能力。

3. 爬锡不足的改善

采用真空回流焊或增加氮气流量至50L/min。

选择活性更高的锡膏（如AIM NC259），或在焊盘表面预涂助焊剂（5-10μg/mm²）。

通过以上方法，可将QFN封装的空洞率稳定控制在10%以下，满足IPC Class 3标

准要求。

对于超高可靠性场景（如航天、医疗），结合真空回流焊和铋掺杂锡膏，空洞率可低至1%以内，同时确保焊点机械强度和热性能达标。