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QFN器件的网板设计研究
QFN器件的网板设计研究 王其超 摘要:QFN(Quad Flat No-lead,方形扁平无引脚)封装器件因其具有良好的电/热性能、体积小、重量轻等优点,不仅使用在数码相机、手机、PDA等消费类产品 [2008.7.1] QFN封装器件(以下简称QFN)是一种无引脚封装器件,呈正方形或矩形,封装底部有与底面平行的焊盘,其中央是一个大面积的导热裸露焊盘(以下简称导热焊盘),围绕在导热焊盘周围的是实现电气连接的焊盘(以下简称导电焊盘)。QFN导电焊盘有两种类型:一种是只裸露出封装底部的一面,其它部分被封装在元件内;另一种是焊盘还向外在封装体侧面裸露。
缩短了连接距离的导电焊盘可以提供良好的电性能,而导热焊盘可以将封装体的热量迅速传导到PCB上,具有良好的热性能。因此,QFN以其良好的电/热性能、体积小、重量轻等优点,成为众多新应用的一个理想选择。
PCB上对应于QFN导热/导电焊盘的焊盘,我们称之为热焊盘和四周焊盘。相应地,热焊盘设计尺寸与QFN的导热焊盘尺寸基本相同;而四周焊盘的设计尺寸也和QFN的导电焊盘尺寸相似,但向外稍长一些。QFN的缺陷与检查
在实际生产过程中,QFN焊点也会出现短路和虚焊等缺陷。
如果QFN储存在不受控的环境中,其导电焊盘靠外的末端和侧面都可能会被氧化,这是因为QFN仅仅是导热焊盘和其在同一面的导电焊盘表面被电镀了焊接涂层,而导电焊盘靠外的末端和侧面则没有。当然,如果氧化程度不很严重,或助焊剂起到作用的话,也可能会形成良好的焊点。
更多出现的是QFN开路和少锡缺陷。依靠目视检查很难发现这些缺陷,甚至连X-Ray也无法做出判断;这是因为QFN焊点是在元件本体下方,且高度有限。从图1可以看出,F部分的差别是明显的,但真正影响到焊点质量的G部分图像则是相同的。
用电烙铁加锡,增加的只是图1中的F部分,对G部分到底有多大影响,X-Ray仍无法判断。在暂时没有更多办法的情况下,更多地依靠ICT测试来判断焊接的效果(在实际生产中我们发现,如果导电焊盘的外部焊点出现异常情况,那么在ICT和FT处查出的开路也较多),对于SMT工艺来说,也只能依靠目检焊点的外部情况(图1中的F部分)来判断。
QFN的贴装和回流焊接
贴片机的精度决定了QFN的贴装精度和角度的调整,轻微的贴片偏移可以在过回流焊后自动纠偏,严重的偏移应该在回流焊前进行矫正,以免发展成短路缺陷。使用贴片机视觉系统调整QFN的位置有两种方法:
? 封装轮廓——视觉系统有哪些信誉好的足球投注网站封装的外形轮廓? 引脚识别——许多视觉系统可以直接有哪些信誉好的足球投注网站引脚的形状
对QFN来说,这两种方法都可以接受且各有利弊:焊盘识别比较准确,但要有哪些信誉好的足球投注网站多只引脚,多只引脚的图像数据由贴片机同时进行处理会较慢。封装轮廓识别起来比较快,但精度不够。如图2所示,在QFN工艺优化期间,贴片不偏移是关键,以免同其它问题混在一起,不利于问题的分析和解决。
QFN对回流焊接工艺并没有特殊的要求,和所有的元器件一样,对各种类型的PCB,在板上不同位置都要求回流温度符合规范,而每个元器件的温度受周围焊盘、板上所处位置和组装密度的影响。实际的回流峰值温度,保温(soak)时间和升温斜率范围不能超过所用焊膏说明书(SPEC.)的要求。一般情况下,供应商提供的焊膏SPEC.中描述的目标温度和时间范围是相当宽的,主要受合金成分、助焊剂活性、合金粉末和助焊剂搅拌状况等因素的影响,基本上锡铅焊膏峰值温度在235℃左右,而无铅焊膏在250~260℃。
QFN印刷工艺和网板设计
在QFN表面贴装工艺中,网板印刷调整的准确性是获得一致焊膏沉积的基本条件,而对刮刀的角度和速度进行优化是其中的一个关键步骤。
在印刷焊膏的过程中,不锈钢材质的网板更耐用且很少有变形,激光切割、孔壁电抛光的网板有助于提高焊膏释放率。如果印刷设备限制了网板实际印刷质量,建议使用step-down(阶梯)网板。
在QFN贴放到PCB上之前,必须要保证网板具有良好的输出结果。对于焊盘上焊膏体积的沉积,网板厚度、开口形状及几何图形的作用同样重要。
设计网板时应考虑满足以下两种比率:
? 面积比=开口面积/开口的侧面面积? 宽厚比=开口宽度/网板厚度
QFN周边焊盘网板开口是方形的开口,它们的比率应该是:
? 面积比=L×W/2×T×(L+W),? 宽厚比=W/T
其中,L和W分别是开口的长和宽,T指网板厚度。
如果要达到比较好的焊膏释放,面积比和宽厚比应该大于0.66和1.5。一般建议网板开口尺寸和PCB焊盘尺寸比为1:1,这样做可以让面积比和宽厚比目标比较容易达到。
采用底部填充过孔方式的热焊盘网板开口设计
PCB上热焊盘和四周焊盘的面积差巨大,使得过回流焊后保持相同的焊锡高度非常困难。实验证明,0.13mm网板,面积比大于0.66时,
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