四方扁平无引线（QFN）封装越来越受欢迎，这是由于它的体积小、布线容易，导热性能和电气性能良好[1] 。QFN 封装的底面中央有一个大焊盘，封装里面的芯片产生的热量通过焊锡散发到印刷电路板（PCB）。QFN 封装和PCB 的间距很小，减少了电感，因而有优异的电气性能。安捷伦有一种封装，称作TOPS，其功能与QFN 相似，没有引线，但是在底面中央也有一个大焊盘。

虽然QFN 封装和TOPS 封装有许多好处，但是，据作者了解，至今尚未见到关于底面中央焊盘焊点形态演变的报告。在本文中，作者根据对焊点的全面研究说明表面层金含量对底面中央焊盘上锡银铜焊点形态的影响。QFN 封装和TOPS 封装是组装在经过镍金表面处理的PCB 上。

样品的等温老化时间相当于封装0、2、7 和14 年的使用寿命。使用电子扫描显微镜（SEM）和能量色散X 光光谱法（EDX）对有代表性焊点的横截面进行分析，观察焊点的形态演变与金含量及恒温时间的关系。

这些无引线封装底面大焊盘的另一个问题是，这些焊盘上的焊点内部形成的空洞过多。如果空洞面积大，导热性能会下降。针对焊盘图形设计、模板设计、回流温度曲线，有一些应用论文提供了指引[2-6] 。就作者所知，有一篇论文讨论表面层的含金量对空洞的影响。本文说明表面层含金量对底面焊点中空洞的影响。

实验

组件、试验板和组装工艺

图1 是试验板。板进行了镍上镀金的表面处理。金的厚度有两种：一种是在5 微米厚的镍上镀一层闪亮的金，厚度为0.08~0.38 微米；另一种是在5 微米厚的镍上镀一层2~2.54 微米厚的金。试验板上装了QFN 和TOPS这两种无引线封装。图2 是这些封装的底视图。QFN 封装有两种尺寸：5 毫米×5 毫米的QFN5 和6 毫米x 6 毫米的QFN6。TOPS 封装的尺寸是10 毫米×10 毫米。在QFN5 和QFN6 焊盘上做了铜上镀暗锡的表面处理，在TOPS 焊盘上则做了镍上度金的表面处理。

图1 试验板。

组装工艺是在实际生产环境中的标准表面组装生产线上完成的。使用的锡膏是3 型Sn3.0Ag0.5Cu（SAC305）粉，免洗助焊剂，金属含量按重量计为88％。模板为电铸镍模板，激光切割，金属箔厚度为0.1 毫米（4 密耳）。锡膏覆盖了QFN5 和QFN6 中央焊盘面积的43％，TOPS则是56％。

图2 QFN 封装组件。

由于没有测量中央焊盘上锡膏的体积，标称锡膏体积是根据模版上孔的尺寸和覆盖面积计算的。对于QFN5、QFN6 和 TOPS 封装，按中央焊盘上焊点的金含量计算值见表1。关于回流温度曲线和金含量计算的详情，请参阅作者发表的论文[7-9]。

表1 中央焊盘焊点中金含量重量百分比的标称值

组装好的PCB 随机地分为三组。第一组中的电路板不进行加热老化。第二组中的电路板在125℃的温度恒温老化，时间为30 天。第三组在125℃的温度恒温老化，时间为56 天。这三个加热老化时间分别代表器件在60℃的温度下运行0 年、7.8 年和14.6 年的使用时间。激活能量为0.8 电子伏特。分别从各组电路板中随机选择一块亮金电路板和一块厚金电路板，对这些电路板做切片，对横截面进行SEM/EDX 分析。对一块加厚的厚金板在125℃下老化209 小时，代表器件在60℃的温度下运行2.25年的使用时间。在125℃下老化209 小时相当于在100℃下工作1000 小时。本研究中使用的SEM 是配有Thermo Scientific 6733A EDX 的JEOL JSM-6390。

结果与讨论

焊点形态的演变

对QFN 和TOPS 底面中央焊盘焊点微观结构的演变做了评估。QFN 封装上的基板表面层没有Ni 扩散阻挡层，TOPS 封装的基板表面层中包括镍阻挡层。对这两种类型组件焊点的微观结构按恒温老化时间及焊点中相对金含量有作了比较。

QFN 和TOPS 装在亮金电路板上

QFN 和TOPS 这两种组件的中央焊盘和亮金电路板之间焊点的SEM 显微照片如图3 所示。QFN 焊点中的金含量按重量计约为1.2％，TOPS 焊点中的金含量约为4.1％。QFN 焊点在组件一侧界面的金属互化物（IMC）是Cu6Sn5，而TOPS 焊点是（Ni, Cu, Au）3Sn4。这是由于QFN 封装没有的Ni 扩散阻挡层，因而铜能够扩散到焊点中。

图3 中央焊盘和亮金板之间没有进行老化焊点的SEM 显微照片。(a) QFN 封装。(b) TOPS 封装。

     TOPS 封装有一层镍。QFN 焊点在电路板一侧的金属互化物是（Ni, Cu, Au）3Sn4 或者（Cu，Ni，Au）6Sn5，而TOPS 焊点在电路板一侧可以看到两层不同的金属互化物：（Ni，Au）3Sn4 之上有一层（Au，Ni）Sn4。

QFN 焊点大块焊锡中的金属互化物是卵石状的（Cu, Au）6Sn5，而TOPS 焊点的是针状AuSn4。图4 是两个焊点老化后的SEM 显微照片，这两个焊点是在组件中央焊盘和电路板亮金表面层之间。这两个焊点在125℃老化30 天。

图4 中央焊盘和亮金表面层板之间老化焊点的SEM 显微照片。样品在125℃下老化30 天。(a) QFN 封装。(b) TOPS 封装。

对于QFN 焊点，不进行加热老化样品的焊点和加热老化样品的焊点之间，它们的金属互化物的微观结构，除了焊锡块中的（Cu，Au）6Sn5 聚结成更大尺寸外，没有很大差异。使金属互化物聚结粗化的力是能量减少的结果，这种能量减少和表面积对体积的比降低有关。在TOPS 的焊点中，不进行加热老化样品焊点的大块焊锡中的针状AuSn4 金属互化物在老化后变为石块状的AuSn4金属互化物。一些AuSn4 金属互化物在大块焊锡中随着老化过程迁移，在界面处的(Ni, Cu, Au)3Sn4 金属互化物旁边生成连续的（Au，Ni）Sn4 金属互化物。在QFN 的焊点中，在亮金板的界面没有有害的（Au，Ni）Sn4 金属互化物。

在125℃下老化56 天后，亮金板上的一个QFN 焊点和一个TOPS 焊点的SEM 显微照片见图5。金属互化物和微观结构，与老化30 天的样品相似。不过，界面金属互化物的厚度增大了。

图5 中央焊盘和亮金表面层板之间焊点老化后的SEM 显微照片。样品在125℃下老化56 天。(a) QFN 封装。(b) TOPS 封装。

QFN 和TOPS 装在厚金板上

对于不进行加热老化的情行，组件的中央焊盘和厚金表面层板之间两个焊点的SEM 显微照片如图6 所示。QFN 焊点中的金含量按重量计约为10.9％，TOPS 焊点的金含量约为11.2％。

图6 中央焊盘和厚金表面层板之间没有进行老化焊点的SEM 显微照片。(a) QFN 封装。(b) TOPS 封装。

QFN 焊点组件一侧界面的金属互化物（IMC）是(Cu, Ni, Au)6Sn5， 而TOPS 焊点是（Ni，Cu，Au）3Sn4。QFN 焊点大块焊锡中的金属互化物是柱状和/ 或石块状的AuSn4，和TOPS 焊点相同。

图7 和图8 是厚金板上焊点在125℃下分别老化30天和56 天后的SEM 显微照片。

图7 中央焊盘和厚金表面层板之间老化焊点的SEM 显微照片。样品在125℃下老化30 天。(a) QFN 封装。(b) TOPS 封装。

图8 中央焊盘和厚金表面层板之间焊点老化化的SEM 显微照片。样品在125℃下老化56 天。(a) QFN 封装。(b)TOPS 封装。

一个值得注意的现象是，TOPS 焊点在电路板一侧界面上的金属互化物是连续的（Au，Ni）Sn4，旁边是（Ni，Cu 和Au）3Sn4 金属互化物，而QFN 焊点没有（Au，Ni）SN4 连续层。这个结果相当重要。这是铜对AuSn4金属互化物迁移的影响。当有铜可用时，在QFN的情况中，AuSn4 金属互化物不会形成连续的界面层。引起AuSn4迁移的动力是，在焊锡块和界面之间AuSn4 混合并建立起平衡，引起吉布斯自由能下降。随着铜快速扩散到金属互化物中，因而金属互化物不容易吸收镍，从而减少迁移到镍界面的AuSn4。

图9 TOPS 组件中央焊盘和厚金板之间焊点的SEM 显微照片。

我们还注意到，TOPS 中央焊盘和厚金板之间的焊点中有大裂缝，如图9 所示。在TOPS 和亮金板之间的焊点中没有出现这种裂缝。在QFN 和厚金板之间的焊点上也没有出现这种裂缝。这一情况指出高金含量（超过重量10％的金）对无铜（焊点的两侧都是镍层）焊点可靠性的影响比对有铜焊点的影响更严重。在有铜可用的情况下，AuSn4 金属互化物不大可能迁移到界面，形成一个连续的金属互化物层，从而提高可靠性。

加热老化的时间

加热老化时间要多长才是足够，了解这一点是有用的。在这项研究中，作者比较了焊点在125℃老化209 小时和在125℃老化30 天与56 天后的微观结构和金属互化物的厚度。

图10 是QFN 中央焊盘和厚金板之间的焊点在125℃下老化209 小时后的SEM 显微照片。图6(a) 是焊点没有进行老化的SEM 显微照片，图7(a) 是焊点经过老化的SEM 显微照片，比较图6(a) 和图7(a)，似乎大块焊锡中AuSn4 金属互化物有一个聚结过程，这个聚结过程在老化209 小时后完成。

图10 QFN 中央焊盘和厚金板之间焊点老化化的SEM 显微照片。样品在125℃下老化209 小时。

在老化209 小时的焊点和老化30 天的焊点之间，除了老化30 天的样本中金属互化物层比较厚之外，焊点的微观结构没有明显的差别。图11 是TOPS 周边引脚和厚金板之间焊点在125℃下老化209 小时后的SEM 显微图，与未经老化的焊点，老化30 天后和老化56 天后的显微图像对比。从中可以得出相同的结论，在老化209小时的焊点、老化30 天或56 天的焊点之间，大块焊点的微观结构没有明显差别。不过，在界面处，没有发生AuSn4 向连续层的迁移。这表明，相当于两年的老化时间不足以形成明显的AuSn4 金属互化物迁移。

图11 厚金板上TOPS 组件中央焊盘焊点的SEM 显微照片：(a) 焊点没有进行老化；(b) 在125℃老化209 小时；(c) 在125℃老化30 天； (d) 在125℃老化56 天。

图12 和图13 分别是QFN 组件界面上和电路板的界面上金属互化物平均厚度的变化（每组分别测量四次），金属互化物平均厚度的变化与加热老化时间和电路板表面处理（厚度与亮金表面处理的关系）有关。在QFN 封装的情况下，组件界面和电路板界面上的金属互化物厚度和成分会各自演变，这是由于组件在表面层的差别造成的。

图12 亮金板和厚金板的Q FN 在界面上组件一侧的金属互化物厚度（误差范围为±1σ）。

图13 亮金板和厚金板的QFN 在界面上电路板一侧的金属互化物厚度，（误差范围为±1σ）。

对于TOPS，金属互化物厚度的演变与加热老化和电路板表面处理有关，如图14 所示，计算了两个界面上的金属互化物平均厚度（每组测量四次），因为，对于TOPS 平台，这两个界面都有镍扩散阻挡层，它们的金属互化物成分基本上相同。对于QFN 和TOPS，金属互化物平均厚度随加热老化时间增加，增加的速度大致相同。

图14 亮金板和厚金板上TOP S 的金属互化物厚度（最大误差为±1σ）。

不过，值得指出的是，对于QFN 封装，在亮金板上金属互化物厚度的增加比较多，而对于TOPS 封装，金属互化物平均厚度增加比较多的是厚金板。由于在QFN焊点中有铜，AuSn4 金属互化物从大块焊锡向界面的迁移在加热老化时减缓（也就是，AuSn4 对金属互化物厚度的增加没有作用），而且金属互化物的生长主要是形成（Cu，Ni，Au）6Sn5 金属互化物。与此相反，对于TOPS 封装，两个界面都有镍扩散阻挡层，因而在加热老化过程中（Au，Ni）SN4 金属互化物从大块焊锡向界面迁移，对整体地增加金属互化物的厚度都起作用。在厚金板的情况，由于有更多的金可用，它让我们认识到，厚金板中的金对整体地增加金属互化物厚度的作用增强了。

底部中央焊盘焊点中的空洞

大家知道，底部焊盘焊点中常常形成过多的空洞。在我们的这项研究中，电路板组装后，对每块电路板上的每个组件拍摄二维Ｘ光图像。图15 有两个X 光图像。总共对540 张图像作了分析，其中包括10 块亮金板和10块厚金板上面的9 个QFN5 组件，9 个 QFN6 组件，9 个TOPS 组件。

图15 X 光图像。( a) 亮金板上的QFN 组件。( b) 厚金板上的TOPS 组件。

这些分析是用ImageJ 软件进行的 。通过调整对比度，设定阈值，软件能够确定所有空洞的面积，并计算空洞的总面积。这个软件还能够显示图像中每个空洞的面积。使用空洞百分率来描述空洞，空洞百分率定义为所有空洞面积与中央焊盘面积之比。

图16 空洞百分率与含金量的关系图（菱形代表QFN，圆圈代表TOP S）。

图16 是亮金板和厚金板上每种组件的平均空洞百分率。对于QFN，是120 个组件的平均值，对于TOPS，是60 个组件的平均值。显然，散热焊盘上的厚金金属化导致更多的空洞。我们的研究还发现，大部分空洞覆盖焊盘中心的散热过孔。请注意，在我们的研究中，所有的散热过孔都未填环氧树脂，空洞覆盖散热过孔是电路板制造中的错误。设计散热过孔的用意是用环氧树脂填充过孔，并在这些过孔上进行电镀，或者“vippo”（via in pad plated over）。

图17 SEM 图像显示由于焊锡流失造成的空洞。

图17 中的SEM 图像说明，焊锡流过散热过孔造成焊锡流失，引起空洞。图18 说明，在空洞的界面上形成了金属互化物（IMC）。这个现象指出，PCB 焊盘上润湿的焊锡和组件焊盘上润湿的焊锡，形成金属互化物，然后焊锡流过散热过孔，由于焊锡流失而形成空洞。

图18 SEM 图像显示亮金板上QFN 组件空洞上面的界面金属互化物。

表2 焊锡高出焊盘高度的平均值（微米）

中央焊盘上焊点高出焊盘的高度见表2。注意，模板的厚度为100 微米（4 密耳），QFN5 和QFN6 中央焊盘的锡膏覆盖率是43％，TOPS 是56％。如果焊点高出焊盘的高度只决定于锡膏覆盖率，对于QFN，高出焊盘的高度是21.5 微米（或模板厚度的43％乘以焊锡量的50％），对于TOPS 是28 微米（或模板厚度的56％乘以焊锡量的50％）。高出高度的测量结果远大于这个数值，即使是有散热过孔焊锡损失的情况。当表面层含的金比较多时，高出的高度更高。TOPS 组件和厚金板之间完全分离是由于金含量高，导致整个焊点形成AuSn4 金属互化物，如图19 所示。

图19 SEM 图像显示厚金板上TOPS 组件的裂缝和空洞。

结论

我们观察了镍金表面处理的印刷电路板上中央焊盘锡银铜焊点的形态演化和焊点中的空洞，怍了全面研究，得出以下结论：

• 本研究的重大结果是铜对AuSn4 金属互化物迁移的影响。当存在铜时，对于QFN，AuSn4 金属互化物不会形成连续的界面层。AuSn4 迁移的动力是吉布斯自由能的下降，这是因为在焊锡块和界面之间通过混合并建立AuSn4的平衡。随着铜快速扩散到金属互化物中，使金属互化物吸收的镍变少，从而减少向镍界面层的迁移。因此，铜迁移的存在减轻了AuSn4 金属互化物的不良影响。

• 对于QFN 和TOPS，AuSn4 金属互化物通过大块焊锡扩散。随着焊点的老化，AuSn4 金属互化物聚结，降低的表面积对体积的比率。

• 对于QFN 和TOPS，金属互化物平均厚度随加热老化时间增大，增大的速度大致相同。不过，（Cu，Ni，Au）6Sn5 金属互化物或（Ni，Cu，Au）3Sn4 金属互化物的相对厚度和（Au，Ni）Sn4 金属互化物完全不同。对于QFN 封装，亮金板上金属互化物增加的厚度比较大。金属互化物的生长主要是通过（Cu，Ni，Au）6Sn5 金属互化物的形成。对于TOPS 封装，在厚金板上出现金属互化物平均厚度增加比较大的情况。加热老化时，（Au, Ni）Sn4 金属互化物从大块焊锡向界面迁移，使金属互化物的厚度整体地变大。在厚金板的情况中，有更多的金可用，对提高金属互化物整体厚度，作用更大。Ni3Sn4 金属互化物的增加是最小的。

• 焊点在125℃加热老化209 小时后的微观结构和那些老化30 天或56 天焊点的微观结构相似，只在预期的金属互化物厚度有差别。这表明，在125℃中加热老化209 小时，相当于在100℃中加热老化1000 小时，有足够长的时间让大块焊锡中的金属互化物聚结。 TOPS 焊点的界面没有显示出连续的AuSn4 金属互化物，因此，对于这种迁移的发生，在125℃中加热老化209 小时，时间不够长。

• 空洞分析表明，导热焊盘上的厚金金属化会导致更多的空洞，使焊锡高出焊盘的高度比较大。