共讀好書

方欣

華潤安盛科技有限公司

摘要：

熔錫是微電子封裝QFN（QuadFlat No-leads Package，方形扁平無引腳封裝）產(chǎn)品在切割生產(chǎn)過程中的核心質量不良，是導致產(chǎn)品可焊性失效的關鍵風險點。本文針對QFN 封裝產(chǎn)品的切割生產(chǎn)過程進行熔錫失效的原因分析和對策探討。

0 引言

QFN 封裝切割的工藝特點是通過高速旋轉的切割刀片將整條料片切割分離成單顆的產(chǎn)品。在切割生產(chǎn)過程中，刀片和產(chǎn)品本身容易受到切削高溫的影響，使產(chǎn)品引腳表面的錫層發(fā)生異常熔化，這一現(xiàn)象通常稱為切割熔錫。由于熔錫不良會導致產(chǎn)品可焊性失效，這在微電子封裝生產(chǎn)過程中屬于嚴重的質量不良。因此，解決QFN 產(chǎn)品的切割熔錫問題顯得非常重要，本文著重分析微電子QFN 封裝產(chǎn)品在切割過程中的熔錫成因和探討其控制方法。

1 切割熔錫的成因

1.1 QFN 切割工藝簡述

通常，QFN 產(chǎn)品在封裝后道的工藝流程如下：

塑封→電鍍→后烘→打印→切割

其中，QFN 封裝產(chǎn)品切割工藝如圖1 所示，整條料片通過刀片旋轉切割分離成單顆的產(chǎn)品。切割移動過程中，刀片表面和產(chǎn)品表面錫層同時采用冷卻水進行噴射降溫處理，以降低刀片和產(chǎn)品所產(chǎn)生的切削高溫，避免產(chǎn)品造成切割熔錫等質量不良。

1.2 切割熔錫失效的成因及特征

（1）當傳遞到產(chǎn)品切割面的切削溫度高于純錫的熔點溫度232℃時，QFN 封裝產(chǎn)品切割面的引腳則有熔錫的風險；

（2）當傳遞到產(chǎn)品切割面的切削溫度低于純錫的熔點溫度232℃時，QFN 封裝產(chǎn)品切割面的引腳則沒有熔錫的風險。

根據(jù)成因分析可知，切割熔錫失效主要是由于切割刀片傳遞到產(chǎn)品引腳表面錫層的溫度超過了純錫的熔點。根據(jù)熔錫位置不同，QFN 封裝產(chǎn)品切割熔錫失效有兩種特征：

如圖2，產(chǎn)品引腳錫層產(chǎn)生局部的熔錫失效：

如圖3，產(chǎn)品引腳錫層產(chǎn)生整體的熔錫失效：

1.3 熔錫失效的不良后果

在QFN 封裝產(chǎn)品從整條料片切割成單顆產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，當切削所釋放出來的溫度高于產(chǎn)品錫層熔點時，產(chǎn)品引腳表面的錫層會產(chǎn)生熔化。這樣會造成引腳錫層脫落、銅層裸露氧化的現(xiàn)象，使產(chǎn)品在PCB 板、電路板等焊接應用的過程中，產(chǎn)生引腳虛焊、脫焊、短路等可焊性失效的質量異常。

綜上所述，切割熔錫失效將直接造成產(chǎn)品可焊性失效的問題，這在電子元器件生產(chǎn)應用中是重要的質量隱患。因此，控制切割熔錫是微電子QFN 封裝生產(chǎn)的一個關鍵點，我們從切割工藝設計和設備應用的角度來實驗分析，針對影響切割熔錫的風險因素進行相應的對策探討。

2 切割熔錫的風險點分析

如表1 所示，通過人、機、料、法、環(huán)五個維度來分析整體料片切割成單顆產(chǎn)品的過程，識別出QFN封裝切割過程中的熔錫風險點。

從分析可知，切割熔錫的過程風險因素中，人員方面、設備本身、生產(chǎn)工藝方法、生產(chǎn)環(huán)境所造成產(chǎn)品切割熔錫的風險低，基本不會產(chǎn)生切割熔錫的問題。料片、切割刀片產(chǎn)生切割熔錫的風險中等，在其選型方面，應遵循料片和刀片材料在常規(guī)的切割工藝條件下，本身不會造成切割熔錫這一原則。而設備噴嘴、供給冷卻水直接作用于料片和刀片的表面，是切割熔錫的高風險因素，也是解決和控制切削高溫造成切割熔錫的關鍵點。我們著重對噴嘴和冷卻水這兩個因素進行分析和探討。

3 冷卻水的影響

3.1 冷卻水的溫度過高

冷卻水溫度是影響切割熔錫失效的關鍵因素，在產(chǎn)品切割過程中，控制切割冷卻水的溫度至關重要。如圖4 所示，為冷卻水溫度對產(chǎn)品熔錫的影響趨勢分析。由批量生產(chǎn)驗證數(shù)據(jù)得知，隨著冷卻水溫度的升高，產(chǎn)品熔錫的風險比例越高，熔錫數(shù)量也逐步增加；而水溫越低，產(chǎn)品熔錫的風險越小，熔錫的比例越少。結合廠務動力成本和產(chǎn)品品質來綜合考慮，切割冷卻水的輸出溫度控制在10±2℃，能夠有效降低切割熔錫的風險，且較為經(jīng)濟合理。

3.2 冷卻水的流量過小

3.2.1 冷卻水流量的區(qū)間控制

如表2 所示，在水溫條件穩(wěn)定的情況下，采用大小不同的水流量進行產(chǎn)品切割實驗分析。從數(shù)據(jù)分析可以看出，異常的水流量大小，會產(chǎn)生刀片崩刀、切割偏移、切割熔錫等質量不良。當切割冷卻水流量過小時，切割刀片所產(chǎn)生的高溫不能及時降低而傳遞到產(chǎn)品引腳的錫層面，導致切割熔錫的問題。理論上，切割冷卻水流量越大其冷卻效果越好，在實際應用過程中，應綜合考慮如水流量過大容易造成刀片崩刀、產(chǎn)品位移切偏等不良因素。從實驗結果可知，切割冷卻水流量控制在1.0-2.0L/Min 這一區(qū)間相對穩(wěn)定可靠。

3.2.2 冷卻水流量的穩(wěn)定性控制

如上述分析可知，噴嘴出水流量的大小會影響到切割熔錫失效的比例，因此冷卻水流量輸出的穩(wěn)定性也是非常關鍵的一個控制點。在實際應用過程中，水流量穩(wěn)定性控制可從動力供給和設備裝置兩方面來考慮。動力供給方面，可優(yōu)先選用潔凈度等級高于普通自來水的純水，并在設備冷卻水的進水口安裝過濾器裝置來提高冷卻水水質的穩(wěn)定性。而設備裝置方面，可采用電子流量計控制的設計方式來輸出冷卻噴射水的水流量，通過設定輸出目標值，自動監(jiān)測和自動識別補償實際出水供給的水流量大小。相比較傳統(tǒng)的機械流量計而言，電子流量計能夠自動調(diào)節(jié)控制，自動修復水流波動、管路堵塞等供給不穩(wěn)定的因素，可提前預防水流量異常的問題，提升冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 噴嘴的影響

噴嘴是切割冷卻水的傳輸裝置，它將切割冷卻水均勻地噴射到刀片和產(chǎn)品的表面，使刀片和產(chǎn)品在切割過程中的有限空間實現(xiàn)快速降溫。針對噴嘴的設計應用，應從噴嘴冷卻的均勻性、噴射的覆蓋面積、排屑的有效性這三個方面來考慮，以避免產(chǎn)品切割熔錫的風險。

4.1 噴嘴的功能結構設計

實際應用中，刀片兩側的刃口通常需要實現(xiàn)瞬間降溫，以滿足各種QFN 產(chǎn)品尺寸、材料類別的加工需求。特別是在切割有特殊工藝要求、熔錫敏感的產(chǎn)品時，提升刀片和產(chǎn)品的冷卻效果尤為重要。

如圖5 所示，在A 點部位設計90°垂直于刀片表面的噴嘴裝置，可提升噴嘴傳輸冷卻水的有效性，使冷卻水有效地作用于刀片，起到良好的刀片冷卻效果。同時，還可在B 點部位設計帶有60°扇形角度的產(chǎn)品噴嘴裝置，這樣能夠對產(chǎn)品的引腳表面及切割槽深度同步進行噴射冷卻。這樣的設計方式提高了產(chǎn)品切割的排屑能力，且大幅度提升了設備冷卻系統(tǒng)的兼容能力，降低了切割熔錫的風險。

如表3 所示，從噴嘴功能設計實驗分析的結果可以看出：實驗4，在A 部位的刀片區(qū)域、B 部位的產(chǎn)品切割區(qū)域采用雙路冷卻水噴嘴裝置的設計，其降溫冷卻效果明顯，質量控制最為穩(wěn)定，產(chǎn)品沒有切割熔錫不良的問題。而實驗1、2、3，不采用冷卻噴嘴裝置或采用單一的噴嘴功能設計，產(chǎn)品的冷卻效果均存在一定的局限性，在切割特定產(chǎn)品或特殊工藝條件下，均有切割熔錫的質量不良。

從實驗結果得知，設備噴嘴采用雙路冷卻的功能設計，能夠提升切割不同產(chǎn)品的兼容能力，提升切割效率，減少切割熔錫失效的風險。

4.2 噴嘴口的形狀設計

噴嘴的噴射口采用不同的形狀設計，其作用效果有很大差別。如表4 所示，切割冷卻噴嘴的噴射口采用3 種不同的形狀設計，其冷卻效果和熔錫風險明顯不同。具體如下：

1、采用聯(lián)排孔形狀的設計方式，噴射出水為圓柱形狀。該形狀設計的噴水集中作用于刀片局部的固定區(qū)域，刀片局部面積受到水壓的沖擊力較大。在實際應用中，其崩刀風險高，且噴射覆蓋的面積小，整體的冷卻效果差，熔錫的風險高。

2、采用“一”字形狀的設計，噴射出水為直線形狀。整體的冷卻效果比聯(lián)排孔設計好，噴射覆蓋面積、崩刀和熔錫風險有明顯的改善。

3、采用“I”字形狀的設計，噴射出水為扇面形狀。該結構形狀設計的噴嘴呈扇形霧狀的形態(tài)噴射，因此降低了水壓對于產(chǎn)品和刀片的沖擊力，減少了切偏和崩刀的風險。同時，出水呈扇面形狀噴射，其噴射覆蓋面積廣，能夠將冷卻水有效地噴射到刀片和產(chǎn)品所需降溫的全部區(qū)域，這樣就大幅度地提升了冷卻效果，產(chǎn)品熔錫風險則明顯降低。

通過實驗對比，刀片冷卻噴嘴采用“I”字形狀的結構設計，其實用性最好。應用到實際生產(chǎn)中，能夠有效降低切割熔錫等質量隱患，從而提升QFN 封裝切割的穩(wěn)定性。

5 切割熔錫失效的管控

針對切割熔錫的控制，可以從廠務動力供給布局、產(chǎn)品工藝流程管控、設備功能結構設計等方面來考慮。

1、建立廠務動力車間，采用冷水機等制冷設備將常溫的切割水降低到切割工藝所需的水溫。盡可能縮短冷卻水輸入和輸出管道的距離，并采用隔熱保溫棉包裹，減少水溫在傳輸過程中的熱量消耗，確保冷卻水的供給溫度穩(wěn)定且可控制。

2、建立新產(chǎn)品、新材料的風險評估流程。根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)評估結果，將切割參數(shù)、工藝條件、生產(chǎn)要求等制定標準作業(yè)流程。針對核心風險點進行分級授權管控，避免量產(chǎn)時造成切割熔錫失效。

3、在設備設計層面，將應用穩(wěn)定的噴嘴機構等備件圖紙進行標準化。同步上傳系統(tǒng)存檔并更新到設備技術協(xié)議，為后續(xù)新購設備提供技術參考。

4、影響切割熔錫的核心備件，如刀架噴嘴、刀片等，建立安裝調(diào)試和維護技能培訓指導書，培訓工程技術人員，提高設備切割熔錫的管控能力。

5、冷卻水輸出設備、傳輸管路、過濾裝置、噴嘴裝置等硬件設施，制定預防性維護要求和管理周期。定期對影響切割熔錫的部件進行數(shù)據(jù)跟蹤、功能檢查，定期維護保養(yǎng)及更換。

6 結束語

微電子封裝QFN 產(chǎn)品的外形結構緊湊，體積小、重量輕、電性能和散熱性好，因此多應用于集成度相對較高的高端電子產(chǎn)品中。根據(jù)其方形扁平的形狀特點，整條料片分離成單顆的電路產(chǎn)品，通常采用效率高、成本低的切割工藝。本文是基于切割工藝生產(chǎn)中的切割熔錫失效現(xiàn)狀，從實際應用和設計的角度給予分析和對策探討，以供參考。

歡迎掃碼添加小編微信

掃碼加入知識星球，領取公眾號資料