分析QFN焊端烧毁故障失效的原因与改善方法

摘要：

QFN器件属于高密度封装，无引线，底部设有焊端。焊接时助焊剂中的溶剂往往挥发不彻底，形成“湿的”焊剂残留物。这种湿的助焊剂残留物容易吸潮，如果相邻焊端之间有比较高的偏压（≥25 V），往往容易发生电化学迁移现象，引发电路故障。介绍一个QFN因焊剂残留物引起打火的典型案例的分析与改善措施，以期引起业界的关注。

通讯网络系统产品在大容量及小型化的目标驱动下，单板上元器件的布局密度也在不断地提高，芯片与芯片的间距以及芯片本身的引脚中心距也在进一步精细化，终端产品上普遍应用的密脚（引脚中心距≤0.65 mm）器件已大量应用到通讯系统产品上。最具代表性的封装就是方形扁平无引线封装（QFN），这类封装具有低的底部间隙（Stand-off），再流焊接时其底部的焊剂残留物往往呈现“湿的”状态，如果相邻焊端间有高的偏压，容易造成QFN器件在上电运行中出现焊端烧毁的现象。某产品单板在整机动态高温老化后，单板上QFN封装的芯片Pin5、Pin6、Pin9焊端烧毁，不良比例高达3.32%，该QFN焊端烧毁外观如图1所示。

1 原因分析

1.1 故障单板信息收集

对故障单板使用的QFN封装信息及烧毁焊端的电气参数整理汇总见表1。烧毁器件的高密度焊端的QFN封装输入电压非常高，超过5.5 V/12.5 V等常规芯片工作电压，最高峰值输入电压达到105 V。初步看，这个烧毁故障与高压输入和绝缘距离近关联度大，具体什么原因导致，需要进一步分析。

1.2 故障单板失效分析

1.2.1 外观检查

仔细检测故障单板烧毁区域，QFN器件焊端周围已碳化发黑，且焊端周围焊剂残留较多，如图2所示。

1.2.2 断层扫描（X-C T）分析

对故障单板QFN封装烧毁区域做X-CT分析，显示表层线路未烧断，地平面层过孔区域有烧毁，且有熔化金属颗粒分布在PCB基材内部，如图3和图4所示。

1.2.3 金相切片分析

对故障单板QFN封装烧毁区域，分别取如图5所示的切片截面1和切片截面2，做基材内部的断面分析。

图6为截面1切片分析结果，烧毁最严重区域是在表层和第二层之间（树脂已碳化）。

图7为截面2分析结果，QFN封装烧毁区域所在的焊端连接的线路完好，但切片剖面显示，线路下方基材树脂碳化，烧毁区域的最热点在内层线路与焊端导线之间，同时在QFN封装焊端的焊盘底下发现焊锡残留，且该QFN封装底部接地的热沉焊盘与焊端之间的阻焊条已烧毁碳化，切片已观察不到明显的阻焊油墨形貌。

从切片看出，烧毁区域出现两次打火碳化的过程，分别有QFN焊端与热沉地焊盘之间和过孔与地之间。两次的严重程度不同，热沉地焊盘与焊端之间的阻焊条已烧毁，且焊端下方基材内部有SMT装联过程的焊锡，说明热量已经将焊锡重熔至焊盘底部，这个区域应该是QFN器件焊端烧毁的首次打火烧毁点。

1.2.4 表面污染物扫描电镜（S E M ）和能谱仪（ED X）分析

取一个未失效的同批次单板，以机械外力去掉QFN器件，对照烧毁器件的相同焊端之间进行SEM和EDX分析，发现焊端之间存在大量助焊剂残留，存在Sn、Cl元素，且Sn元素占比较多，如图8所示。取故障单板，对烧毁的QFN封装其焊端之间做SEM和EDX分析，存在较多Sn元素，烧板区域焊端之间还存在大小20 μm左右的锡粉，如图9所示。

1.3 烧毁故障失效产生机理

根据以上对故障单板QFN器件的封装信息、电气功能和烧毁区域进行外观检测、切片分析、无损CT及残留物的SEM和EDX综合分析，分析该单板QFN器件焊端烧毁故障的发生机理。

该烧毁器件为一个电源管理芯片，QFN封装，器件底部离PCB板的间隙非常小，大概在0.15~0.25 mm之间，锡膏印锡厚度一般设计为0.12 mm，同时为保障芯片中间接地焊盘的焊接良好，热沉焊盘区域印锡面积往往保持在50%以上。因此，QFN封装底部的锡膏印刷量相对充足，在如此狭窄的空间下，再流焊时锡膏中的焊剂存在挥发不畅，导致残留物过多。严重情况下，焊剂残留物漫流在焊端与焊端、焊端与地焊盘区域，焊接后的焊剂残留物掺杂锡氧化物及活性残留物等。QFN焊端与封装热沉地焊盘之间的PCB设计间隙非常小，只有0.30 mm，单板在高温高湿，105 V高电压作用下，焊端与地焊盘之间的残留物被进一步电离，随着时间的推移，焊剂残留物中离子被析出，并逐渐形成漏电流，最终发生焊端高压烧毁现象。为了验证推理的合理性，做了进一步的复现验证。

1.3.1 失效故障复现验证

从故障批次中分别取不同数量的单板，分别用清洗单板、高温烘烤、室温运行等做对比测试，参见表2。