QFN 芯片导热焊点空洞分析
QFN 芯片导热焊点空洞分析
文/孙立强
QFN 芯片的尺寸接近芯片级封装。QFN底面中间有一个导热焊盘，
把 QFN 中集成电路产生的热量传
给印刷电路板。可是，QFN 导热焊盘下面的焊膏在回流时可能会形
成空洞。本文讨论这种空洞的形成原因和减少这种空洞的途径。
【关键词】PCB 组装 QFN 芯片回流焊接 QFN 导热焊盘 焊点空洞
QFN（Quad Flat No-leadPackage， 方 形扁平无引脚芯片封装）, 是一种无引脚芯片封
装，呈正方形或矩形，封装底部中央位置有一个大面积裸露焊盘用来导热，围绕大焊盘的封
装外围四周有实现电气连结的导电焊盘。由于QFN 内部引脚与焊盘之间的导电路径短，自
感系数以及封装体内布线电阻很低，电性能优异。它通过外露的引线框架焊盘提供了出色的
散热性能，通常将散热焊盘直接焊接在电路板上，通过 PCB 中的散热过孔将热量扩散到铜
接地板中。由于体积小、重量轻、加上杰出的电性能和热性能，在当前电子产品组装快速向
高密度组装方向发展的趋势下，QFN 封装的芯片使用量在快速等增加。
在 SMT 生产中， QFN 芯片进行回流焊接时，无论是有铅制程还是无铅制程，冷却之
后导热焊点都难免会有一些空洞（气泡）产生。从焊点的可靠度来讲，空洞现象会给焊点带来
不可估计的风险。焊点的机械强度大大降低，导热焊点的导热性能降低，接地连接电性能也
受到影响。因此需要对 QFN 芯片导热焊点空洞产生的原因进行分析，采取措施减少导热焊点空洞的产生。
1 空洞的成因分析焊点內部发生空洞的主要成因是助焊剂
中的有机物经过高溫裂解后产生的气泡无法及时逸出。在回流区助焊剂已经被消耗殆尽，锡
膏的粘度发生了较大的变化，此时锡膏之中的助焊剂发生裂解，导致高溫裂解后的气泡无法
及时的逸出，被包围在锡球中，冷却后就形成空洞現象。
1.1 空洞与焊料表面张力的关系在众多的空洞现象中发现，锡料的表面
张力越大，高温裂解的气泡越难逸出焊料球，气泡被团团包围在锡球之中；表面张力越小，
高温裂解后的气泡就很容易逃出焊料球，被锡球团团包围的机率就相当小。已经陷入高温裂解的气泡，
在有铅焊料密度较大（约 8.44 g/cm3）的情况之下，焊料中的合金在相互挤压
下，有机物就会向外面逃脱，所以有机物残留在焊点中的机率是相当小的，但是无铅焊料比
重比有铅焊料小，而且无铅焊料的表面张力又比有铅高出很多，同时熔点又比有铅焊料高出
很多（Sn63-Pb37, 熔点为 183，SAC305 熔
点约为 217 ），在种种环境不利的情况下，无铅焊料中的有机物就很难从焊球中分解出
来，有机物常常被包围在焊球中，冷却后就会形成空洞现象。所以在选用锡料的时候尽量选用表面张力较小的锡料。
1.2 空洞与焊膏助焊剂含量和活性的关系通过对不同焊料对比试验我们可以发现，
当助焊剂较多活性较强时，空洞产生的机率是相当小的，即使产生空洞现象，其产生的空洞
面积也是相当少。原因是助焊剂的活性较强，待焊界面的氧化能力就弱，去除焊接表面的污
物和氧化物就强。此时待焊表面露出干净的金属层，锡膏就会有很好的扩散性和润湿性。那
么助焊剂的残留物被包围的机率也就不大了，当然，空洞产生的机率就会减少。所以在选用
锡膏的时候尽量选用焊剂较多活性较强的锡膏。
1.3 空洞与焊盘表面的氧化程度和污染程度的关系当焊盘表面的氧化程度和污染程度越高，
焊接后生成的空洞也就越多。因为氧化程度越大，需要极强的活性剂才能赶走被焊物表面的
氧化物。如果焊盘表面氧化物不能被及时驱赶走，氧化物就会停留在被焊接物的表面，此时
氧化物就会阻止合金粉末与被焊接的金属表面接触，有机物经高温分解的气体就会藏在合金
粉末中，气体就很难逃出。空洞就自然就形成了。因此需要尽量保证 PCB 表面洁净无氧化物。
1.4 空洞与焊膏溶剂沸点的关系焊膏溶剂沸点的高低直接影响焊点空洞
的大小和空洞形成的概率。溶剂的沸点越低，形成空洞的机率就会越多。焊膏溶剂的沸点越
低，在恒温区或者是在回流区溶剂就已经挥发完毕了，剩下的只是高粘度难以移动的有机物
了，只好被团团包围。同时，PCB 印刷锡膏后尽量不要长时间放置在空气中（通常 2 小时
以内完成作业）, 避免锡膏吸收空气中的水分或者锡膏与空气接触发生氧化现象。这样会额
外增加空洞现象的产生。所以在选用锡膏的时候尽量选用高沸点溶剂的锡膏，来减少空洞现象的发生。
1.5 空洞与焊点面积的关系通过分析我们发现，焊盘面积比较大
时很容易发生空洞现象。因为焊盘的面积大时需要更多更强的助焊剂来帮助焊接，高温裂解
后的有机物残留就更加多，有机物逸出的路径，距离也就变大了，所以焊盘面积比较大时很容
易发生空洞现象。
2 QFN导热焊点空洞减少措施QFN 芯片导热焊盘通常面积很大，约
占芯片面积的 1/2 以上。在 SMT 生产中会在PCB 焊盘上涂装大量焊锡膏，而且 QFN 的导
热焊盘和 PCB 的焊盘之间沿垂直方向只会留有很窄的间隙。因此，在进行回流焊接时，会
产生大量的挥发物，而各种挥发物很难从这个间隙中逸出。就会产生较大空洞。在经过清洁
PCB，选择合适焊锡膏后，如果空洞有所减少但没有达到最理想的效果时，就需要采取其他
措施。预成型焊片技术就是针对这种情况专门研究产生的。
预成型焊片是按照 QFN 芯片导热焊盘形状尺寸设计而成，由所选焊料合金成分的合金
材料压制而成。成型焊片表面涂敷了助焊剂，助焊剂的量是焊料合金成分重量的 1-1.5%，
成型焊片占的面积需要接近 PCB 导热焊盘面积的 80%。用贴片机将成型焊片贴到 PCB 导
热焊盘的锡膏内，贴装压力应适当加大，将焊片压入锡膏表面高度以下，再贴装QFN芯片。
锡膏涂敷的量应达到围绕成型焊片周边的焊膏必须能够把成型焊片和 QFN 很好地粘住，这
将有利于防止成型焊片在回流时扭曲。在回流焊接形成焊点是较少的助焊剂含量会使产生的
挥发物很少，并且大多在焊点外围易溶出。从而使焊点空洞明显减少。
3 总结
从多方面入手，选用合适的焊锡膏，合适的 PCB 焊盘表面镀层，保持 PCB 焊盘清洁
未氧化，选择合适的锡膏涂覆厚度，使用预成型焊片。一定能减少QFN芯片导热焊点空洞，达到理想的焊接效果。
作者单位武汉中原电子集团 湖北省武汉市 430010
