什么是QFN封装？

导语

QFN(Quad Flat No-lead)封装可能是当今最流行的半导体封装，适用于消费、工业、汽车和电源应用，今天我们将详细讨论QFN的相关话题。

#1什么是QFN封装？

What is QFN packaging?

QFN是一种无引线封装，它是方形或矩形。与芯片级封装(CSP)类似，采用切割机加工。在封装底部中央有大面积的外露垫，用于散热。在包装外围有导电垫，用于与电气连接。QFN封装不像传统的SOIC和TSOP封装那样有鸥翼引线，因此内部引脚和焊盘之间的导电路径很短，封装内的布线电阻电感和供应商电阻低，可以提供突出的电气性能。此外，它还通过外露的引线框架焊盘提供了出色的热性能，这些焊盘具有直接的热路径，用于封装内的散热。通常，热焊盘直接焊接在电路板上，PCB中的热通孔有助于将多余的功耗分散到铜接地面上，从而吸收多余的热量。由于其体积小，重量轻，再加上出色的电气和热性能，该封装是理想的任何应用在尺寸，重量和性能是至关重要的。

QFN由日本电子机械工业协会定义，英文为Quad Flat No-lead Package的缩写；DFN (Dual Flat No-lead Package)封装属于QFN封装的扩展封装。DFN封装的引脚分布在封装体的两侧，整体外观为矩形；QFN封装的引脚分布在封装体的四面，整体外观为方形。

#2QFN封装的特点

QFN package features

为什么QFN封装在芯片市场上很受欢迎，并被许多芯片设计公司所选择?我们可以从物理方面、质量方面和成本效益三个方面简要说明。

1Physical aspect: small size and light weight.

物理方面：体积小，重量轻

QFN封装具有良好的热阻，因为QFN封装的底部有大面积的散热垫，可以用来传递封装内芯片运行时产生的热量。PCB底部必须设计相应的散热垫和散热通孔。散热片提供了可靠的焊接区域，通孔提供了冷却路径，可以有效地将芯片的热量传递给PC。PCB散热器可以将不必要的功耗分散到铜接地板上吸收不必要的热量，从而大大提高芯片的散热性。

QFN封装目前涵盖了非常广泛的芯片制造工艺，采用28nm工艺制造的芯片也有成功的量产经验。凭借以上两方面的优势，整个市场对QFN在中档、中高端芯片上的更广泛应用充满信心。

2 Quality: good heat dissipation, good electrical performance.

品质：散热性好，电气性能好

QFN封装具有良好的热阻，因为QFN封装的底部有大面积的散热垫，可以用来传递封装内芯片运行时产生的热量。PCB底部必须设计相应的散热垫和散热通孔。散热片提供了可靠的焊接区域，通孔提供了冷却路径，可以有效地将芯片的热量传递给PC。PCB散热器可以将不必要的功耗分散到铜接地板上吸收不必要的热量，从而大大提高芯片的散热性。

QFN封装目前涵盖了非常广泛的芯片制造工艺，采用28nm工艺制造的芯片也有成功的量产经验。凭借以上两方面的优势，整个市场对QFN在中档、中高端芯片上的更广泛应用充满信心。

3 Cost-effectiveness.

成本效益

如果单纯比较价格，QFN不如传统的DIP/SOP封装；但如果你考虑成本效益，QFN可能是目前所有包装中最具成本效益的。在低端性能芯片红海市场，由于成本压力过大，设计公司会选择传统的DIP和SOP封装；但在中等性能芯片市场，设计公司往往选择制造能力强、成本合适的QFN封装，高端性能芯片则保持在BGA或CSP封装中。从实际案例来看，大型芯片设计公司往往同时推出QFN和BGA封装两种封装(在芯片可以同时使用QFN和BGA封装的条件下)，QFN的价格至少比BGA低30%。即使面对QFP (Qual flat package)封装，QFN也能实现近15%的价格优势。

#3QFN封装的结构是什么?

What is the structure of the QFN package?

QFN封装有一个由引线框架包围的模具(由铜合金与亚光锡涂层制成)。

芯片和框架通常通过线键连接在一起。铜/金是焊丝粘合的首选材料。

一些制造商使用倒装芯片技术来实现这种互连。与传统技术相比，倒装芯片技术提供了更好的电气性能。底部是金属化的端子垫，它们沿着底部的四个边缘存在，并为PCB提供电气互连。

QFN封装底部的外露衬垫提供与PCB的电路连接，同时提供有效的传热。连接引脚将芯片牢牢地固定在衬垫上的环氧树脂材料中。

QFN的其他名称:

• QFN 四层无铅封装
• MLF micro-lead frame
• MIPD 微型引线框架双封装
• MIPM 微型引线框架封装微型
• MLPQ 微型引线框架四芯导线封装
• VQFN 超薄无引线四方扁平封装
• DFN 双平面无铅封装

以下属性是QFN封装的共同属性：

• 最大座高0.35mm至2.10mm(标准：0.85 mm)
• Ni-Pd-Au和Sn的终端电镀
• 无卤无铅
• 符合RoHS/ELV和REACH标准

#4QFN有哪些PCB封装类型?

What PCB package types are available for QFN?

QFN具有多样性，以适应不同的电子设备。

下面是一些常见的QFN封装工艺类型:

1 Multi-Row QFN Package

多圈QFN封装

多圈QFN可以很好地解决引脚数要求高的应用技术。多圈QFN提供多圈引脚，这与BGA技术非常相似，并且在大多数情况下也比后者提供更低的成本。

2 Fc-QFN Package (Flip-Chip Quad Flat No Lead)

Fc-QFN封装(倒装芯片QFN)

这是一种低成本的模制封装，在铜引线框架基板上使用倒装芯片互连。与传统的QFP封装相比，该封装提供了较小的外形尺寸。由于电路短，它也提供了更好的电气性能。

3 Wire Bonding

引线键合

引线键合通常被认为是组装大多数半导体封装的最具成本效益和最灵活的互连技术。

4 Pull-Back QFN

Pull-Back QFN

从组件体边缘拉回的金属垫是这种封装所特有的，安装后端子是不可见的。

5 QFN With Wettable Flanks

可润湿侧翼QFN

具有可湿性一面的QFN具有指示焊料湿润的水平。这使得设计师或制造商可以确保每个垫都安装在电路板上，并看到整个过程。

6 Open-Molded Plastic Package

塑料模压封装

独家开放式模压塑料封装(OMPP)是一种预制空腔QFN封装(Quad Flat No-Lead)，满足您对IC封装和IC高质量，快速解决方案组装的需求。这些QFN封装或开放式模塑塑料封装(OMPP)有各种尺寸，特别是用于原型，中批量或批量生产应用。

7 Air Cavity Plastic (ACP) Package

空腔塑料(ACP)封装

这种封装结构与ACC非常相似，但外壳和环框是由聚合物而不是陶瓷制成的。这允许环框架被粘合到法兰，而不是钎焊，减少法兰应力和变形。此外，更薄的匹配电容可以减少栅极和漏极的射频损耗。

8 Multi-Die QFN

多芯片QFN

它用于在同一PCB板上封装多个芯片。这意味着多个芯片串联封装在同一电路上。这种电路的技术难点在于电路阻抗和电感的控制相对复杂。

#5QFN封装设计指南

QFN Package Design Guidelines

1 QFN Marking Specification

QFN标记规范

QFN封装相对较小，因此现在确实有很大的空间进行清晰标记。5mm x 5mmQFN每行最多可包含5或6个字符；3行或4行是可能的。

2 QFN Issues

QFN问题

作为PCB设计师而言，QFN可制造性是一个关键因素。虽然QFN非常高效，但PCB设计人员经常遇到问题。在遇到降低回流和安装故障率的需要时，我们经常会遇到一些挑战。QFN在大批量和低混合产品中表现良好。然而，当他们遇到小批量和高混合物时，情况往往会变得更糟。更糟糕的是，这个问题似乎主要影响两个方面：钢网设计/电路板设计。因此，在处理钢网设计时，必须有准确的钢网厚度和孔径设计。如果这两者不准确，结果将是灾难性的。

3 QFN footprint design

QFN足迹设计

在设计QFN封装时，请仔细阅读组件数据表。数据表将包含足迹图。这个图形构成了封装设计的基础。具体封装如下图所示：

在设计QFN封装的占用空间时，必须注意以下事项：

• 方向标记/引脚1标记
• 接地垫(EP垫)应有足够数量的散热孔
• 检查阻焊膜和焊膏层。按照制造商的建议保留开口
• 阻焊桥应大于等于4mil

QFN封装形式封装和QFN尺寸图，如下：

#6如何焊接QFN封装?

How To Solder A QFN Package?

1QFN Package Step Process

QFN封装步骤流程

首先，通过预热电路板并使用下面详细说明的相同方法应用热空气来去除原始芯片。然后通过添加助焊剂和使用焊锡芯来清洁除去的芯片和电路板上的焊盘。

清洗过的QFN衬垫-注意散热器衬垫上的通孔

散热器有多个通孔(适用于连接板各层的小孔)，可以帮助散热元件散热并进入接地面。尽管这些有助于在使用过程中保持芯片冷却，但它们使焊接变得困难，并且来自热空气工具的热量将迅速消散到集成电路板。如果你焊接中间散热器，预热器是特别有用的。然而，在许多情况下，没有必要焊接这种中间散热器，这就是为什么焊接这种芯片特别具有挑战性。因此，如果你不需要它，不要添加焊料。如果这是你第一次焊接QFN，最好跳过这一步。

当助焊剂添加到干净的QFN芯片底部时，首先用酒精和刷子去除任何旧的助焊剂残留物，然后再应用新的助焊剂。

将焊料涂在散热器中间：要得到一个很小的焊料枕，你需要在焊盘上轻敲一个很小的锡头，直到焊料芯被吸收。用卡尺测量厚度后，可以检查枕头的高度。焊盘上焊料过多会导致短路。通过使用助焊剂和用干净的尖端触摸焊垫来去除多余的材料。

轻点一个非常轻微的锡尖在焊盘上，直到少量的焊锡芯被吸收。在这一步之后，焊枕应该很小，其高度不应超过千分之一英寸(1/3英寸)。如果你有卡尺，你可以先测量枕头的原始厚度，然后比较焊接厚度来检查枕头的高度。如果焊盘上焊料过多，回流时将会短路到外部连接（最好不要太少）通过使用助焊剂和用干净的尖端触摸焊垫来去除多余的材料。

然后将器件放在上面(注意检查器件1脚与封装是否对应)，用镊子轻轻按压器件表面两次，最后用烙铁固定器件边缘。两个别针。一旦设备是安全的，然后触摸周边连接轻锡铁尖。每个焊盘上都应有小的焊珠。显微镜或放大镜可以用来确保每个焊盘接受焊料。检查设备和焊盘是否对齐。如果没有问题，是时候开始焊接其他引脚了；如果有器件偏置引脚，则需要调整器件的位置。待相应的引脚焊好后再开始焊接，否则在焊完所有引脚后难以调整器件的位置。

焊接工艺流程看起来非常简单，但在实践中很难操作，因为QFN封装的焊接容易出现误焊和接锡的情况。因此，在焊接工艺流程中可以多次发送焊料。送锡前记得涂抹锡膏，可有效防止虚焊和虚锡连接。

2 QFN Package Inspection

QFN封装检验

由于QFN的焊点在封装下方，所以厚度相对较薄。因此，X射线无法检测到锡量较少的开放式QFN焊点，只能依靠外部焊点。判断，但目前QFN焊点侧面缺陷的判断标准在IPC标准中尚未出现。在暂时没有更好的方法的情况下，我们会尽量在后期阶段依靠测试站来判断焊接质量是否达标。

从下面的X射线图像可以看出，侧面部分的差异是明显的，但是真正影响焊点性能的底部部分的图像是相同的，所以这给x射线检测判断带来了一个问题。用电烙铁加锡只增加了侧面的部分，但x射线仍然无法判断它对底部的影响有多大。就焊点外观的放大照片而言，侧面部分仍有清晰的填充。

3 QFN Rework Process

QFN返工流程

对于QFN修复，由于焊点完全位于组件封装的底部，因此需要从组件上去除桥接、开路、焊球等缺陷，因此与BGA修复有些类似。由于其体积小，重量轻，QFN在高密度组装板上使用时比BGA更难返工。目前，QFN修复在整个SMT过程中仍然是一个有待改进和发展的问题。特别是，使用锡膏在QFN和印制板之间形成可靠的电气和机械连接确实很困难。目前可行的焊膏应用方法有：采用传统的小屏幕焊膏修复PCB；焊膏直接印在元件的焊盘上。

修复程序如下：

在加热前进行预焙，避免电路板和元器件受潮失效在加热前进行预焙，避免电路板和元器件受潮失效

• 下一步是拆卸和焊接。一定要记住电路板的温度曲线和元件
• 拆焊后，元件要拆下。对于大型组件，移液器是一个很好的选择。对于较小的元件，可以使用镊子
• 拆卸后，应清洗PCB焊盘，以去除任何焊料残留物，这也为新元件的放置提前做好准备
• 新部件的放置在上述装配过程中通过相同的步骤进行

以上所有方法都需要非常熟练的返工来执行任务。维修设备的选择也很重要。不仅要对QFN有良好的焊接效果，而且要防止部件因热空气过多而被吹掉。

#7常见的QFN封装工艺类型有哪些?

What Are The Common QFN Packaging Process Types?

批量生产时，首选锯切式QFN，小批量产品通常采用冲压式。相似之处在于电学和热特性。

下图展示了冲压和锯切QFN封装结构的区别:

在这种方法中，您可以使用冲压工具分离冲压后的QFN，而锯开后的QFN可以通过批量锯切封装成一个单元。

QFN可分为模冲压型和裁切型。

这两类总结如下：

1 ANVIL singulation

砧座分割

这是一个QFN封装，其特点是冲压和切割外引线与模具。由于每个腔体的树脂密封，封装的外围引脚是用模具冲压的。由于压力被切断，在封装的外围有一个非常短的突出的XD引脚。

2 SAW singulation

元件切割分离

这是一个QFN封装，使用旋转刀片切割。由于密封在同一腔内的封装是由旋转刀片切断的，因此封装端面(侧)与销端面侧相同。

#8 QFN vs QFP(差异)

QFN vs QFP (Difference)

QFN其焊接点在以下的四面无铅扁平封装。通常称为LCC。

陶瓷QFN：基本上是LCC标记。

塑料QFN又称塑料PCLC、P-LCC、LCC等。

QFP (quad flat package)四边引线扁平封装。引线角从四面引出，为海鸥翼(L)型QFP(方形扁平封装)四线扁平封装。它的特点是从四面开口

#9QFN封装的应用

Application Of QFN Package

随着现代电子信息技术的飞速发展，电子产品越来越向小型化、便携化、多功能化方向发展。电子封装材料和技术使电子器件最终成为功能性产品。各种新的封装材料、技术和工艺得到了发展。电子封装与电子设计、制造一起推动着信息社会的发展。

QFN封装的小尺寸可用于便携式消费电子产品，例如：笔记本电脑、数码相机、电脑、手机，MP3播放器等。

此外，传统QFN衍生的其他封装类型也可以设计更多的引脚并具有一定的二次布线功能，也具有一定的发展潜力。QFN封装是一种高适用性、简单、高性价比的封装。

#10QFN封装过程中常见的技术问题有哪些?

Common Technical IssuesIn The QFN Packaging Process?

1 Wire Bonding

引线键合

这么多年来，金丝粘接一直被用作默认材料。虽然它们仍然可用，但它们正逐渐被铜所取代。因为铜线粘接成本低，导电性好。然而，铜线需要更多的努力，以结合电线到垫。许多半导体代工厂提供设计用于支持铜键合的IO焊盘单元，因为通常需要更厚的焊盘。

2 Die Attach

芯片贴装

可使用环氧树脂将管芯固定在引线框架垫上。根据系统电气要求，使用导电和非导电两种主要类型;导电材料具有较好的导热性。

3 Soldering issues

焊接问题

由于QFN封装的焊盘间距非常窄，这将带来一个称为焊料桥接的焊接问题。此外，由于QFN包不含铅，当准备拆解这些包时，可能会遇到一些挑战。

QFN焊接中最常见的问题:

• “面对面”焊缝，方便桥接
• PCBA厂家的平面与QFN的焊接端相同，基本与QFN封装的底面(0-0.05mm)平齐，与PCB上相应的键合垫形成“面对面”的连接。这一特性决定了PCBA厂家使用的锡膏量与焊缝面积成正比。此外，焊膏用量越多，焊缝的扩展面积越大，桥接也相对容易。
• 散热垫上锡膏的用量决定了焊缝高度
• QFN结构的共同特点是在封装底部有一个比较大的散热垫，其面积大于所有信号端子的面积之和。正因为如此，QFN端接的焊料高度是由散热垫焊缝的高度决定的。调节印在热垫上的锡膏的覆盖范围，控制热垫的高度。
• 散热垫的高度需要高度重视，避免散热垫的焊膏坍塌。避免最终QFN周围的信号焊料过度膨胀，导致桥接。这一点非常重要。
• 散热垫容易出现较大空隙
• 一方面，由于散热器的尺寸较大；
• 另一方面，QFN焊接的“面对面”结构，锡膏中的大量溶剂很难在助焊剂中挥发，容易形成空洞。
• QFN包装不当会导致焊接不良。QFN焊接中最重要的问题是桥接。

4 Compatibility issues

兼容性问题

QFN封装可能会受到元件或电路板尺寸变化的影响。QFN封装中没有铅，导致这种情况发生。因此，每当他们经历一些名义上的CM或OEM实践时，他们就会变得脆弱。

#11QFN封装有哪些不同端子垫片?

What Are The Different Terminal Pads Available

For The QFN Package?

QFN的端子垫根据设计、形状和尺寸的不同而不同。以下是可供选择的各种端子垫。

1 Fully exposed terminal ends

完全暴露的端子

在这种类型中，端子完全暴露在封装边缘和封装侧。

2 Pull-back terminal ends

回拉端子

端子的两端从封装的边缘拉回来。对于这种类型的端子封装，回流焊后不需要添加焊角。

3 Side wettable flank terminal ends

侧可湿侧端头

这些类型的端子是完全裸露端子的一种变体。所述侧面可湿化所述侧面端子以湿化焊料以形成焊料圆角。如果形成均匀的焊点角，则更容易使用AOI进行焊点故障检测。这省去了X光检查的步骤。