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[圖文]QFN           ★★★
Quad Flat Non-leaded Package
作者:Admin 文章來源:網絡 點擊數: 更新時間:2009-8-2 20:56:35

 

 

四側無引腳扁平封裝,表面貼裝型封裝之一。現在多稱為LCC。QFN 是日本電子機械工業 會規定的名稱。封裝四側配置有電極觸點,由于無引腳,貼裝占有面積比QFP 小,高度 比QFP 低。但是,當印刷基板與封裝之間產生應力時,在電極接觸處就不能得到緩解。因此電 極觸點 難于作到QFP 的引腳那樣多,一般從14 到100 左右。 材料有陶瓷和塑料兩種。當有LCC 標記時基本上都是陶瓷QFN。電極觸點中心距1.27mm。塑料QFN 是以玻璃環氧樹脂印刷基板基材的一種低成本封裝。電極觸點中心距除1.27mm 外, 還有0.65mm 和0.5mm 兩種。這種封裝也稱為塑料LCC、PCLC、P-LCC 等。

QFN封裝的特點

  QFN是一種無引腳封裝,呈正方形或矩形,封裝底部中央位置有一個大面積裸露焊盤用來導熱,圍繞大焊盤的封裝外圍四周有實現電氣連結的導電焊盤。由于QFN封裝不像傳統的SOIC與TSOP封裝那樣具有鷗翼狀引線,內部引腳與焊盤之間的導電路徑短,自感系數以及封裝體內布線電阻很低,所以它能提供卓越的電性能。此外,它還通過外露的引線框架焊盤提供了出色的散熱性能,該焊盤具有直接散熱通道,用于釋放封裝內的熱量。通常將散熱焊盤直接焊接在電路板上,并且PCB中的散熱過孔有助于將多余的功耗擴散到銅接地板中,從而吸收多余的熱量。

  圖1顯示了這種采用PCB焊接的外露散熱焊盤的QFN封裝。由于體積小、重量輕、加上杰出的電性能和熱性能,這種封裝特別適合任何一個對尺寸、重量和性能都有的要求的應用。我們以32引腳QFN與傳統的28引腳PLCC封裝相比較為例,面積(5mm×5mm)縮小了84%,厚度(0.9mm)降低了80%,重量(0.06g)減輕了95%,電子封裝寄生效應也提升了50%,所以非常適合應用在手機、數碼相機、PDA以及其他便攜小型電子設備的高密度印刷電路板上。

  標準或遵循工藝標準(如IPC-SM-782)來進行的。由于QFN是一個全新的封裝類型,印制板焊盤設計的工業標準或指導書還沒有制定出來,況且,焊盤設計完成后,還需要通過一些試驗來驗證。當然,在充分考慮元件底部的散熱焊盤以及引腳和封裝的公差等各種其他因素的情況下,仍然可以參考IPC的方法來制定設計原則。

  QFN的焊盤設計主要有三個方面:①周邊引腳的焊盤設計;②中間熱焊盤及過孔的設計;③對PCB阻焊層結構的考慮。

周邊引腳的焊盤設計

  盡管在HECB設計中,引腳被拉回,對于這種封裝,PCB的焊盤可采用與全引腳封裝一樣的設計,周邊引腳的焊盤設計尺寸如圖3。在圖中,尺寸Zmax為焊盤引腳外側最大尺寸,Gmin是焊盤引腳內側最小尺寸。D2t為散熱焊盤尺寸。X、Y是焊盤的寬度和長度。

  MLF焊盤公差分析要求包括:①元件公差;②印制板制造公差;③貼裝設備的精度。這類問題的分析,IPC已建立了一個標準程序,根據這個程序計算得出各種MLF元件推薦的焊盤尺寸,表1列出了一些常見QFN封裝的PCB焊盤設計尺寸。

散熱焊盤和散熱過孔設計

  QFN封裝具有優異的熱性能,主要是因為封裝底部有大面積散熱焊盤,為了能有效地將熱量從芯片傳導到PCB上,PCB底部必須設計與之相對應的散熱焊盤以及散熱過孔,散熱焊盤提供了可靠的焊接面積,過孔提供了散熱途徑。

  通常散熱焊盤的尺寸至少和元件暴露焊盤相匹配,然而還需考慮各種其他因素,例如避免和周邊焊盤的橋接等,所以熱焊盤尺寸需要修訂,具體尺寸見表1。

  散熱過孔的數量及尺寸取決于封裝的應用情況,芯片功率大小以及電性能的要求。建議散熱過孔的間距為1.0mm~1.2mm,過孔尺寸為0.3mm~0.33mm。散熱過孔有四種設計形式:如使用干膜阻焊膜從過孔頂部或底部阻焊;或者使用液態感光(LPI)阻焊膜從底部填充;或者采用"貫通孔"。這些方法在圖4中有描述,所有這些方法均有利有弊:從頂部阻焊對控制氣孔的產生比較好,但PCB頂面的阻焊層會阻礙焊膏印刷;而底部阻礙和底部填充由于氣體的外逸會產生大的氣孔,覆蓋2個熱過孔,對熱性能方面有不利的影響;貫通孔允許焊料流進過孔,減小了氣孔的尺寸,但元件底部焊盤上的焊料會減少。散熱過孔設計要根據具體情況而定,建議最好采用阻焊形式。

  再流焊曲線和峰值溫度對氣孔的形成也有很大的影響,經過多次實驗發現,在底部填充的熱焊盤區域,當峰值回流溫度從210℃增加到215℃~220℃時,氣孔減少;對于貫通孔,PCB底部的焊料流出隨回流溫度的降低而減少。

阻焊層的考慮

  建議使用NSMD阻焊層,阻焊層開口應比焊盤開口大120μm~150μm,即焊盤銅箔到阻焊層的間隙有60μm~75μm,這樣允許阻焊層有一個制造公差,通常這個公差在50μm~65μm之間,當引腳間距小于0.5mm時,引腳之間的阻焊可以省略。

網板設計

  能否得到完美、可靠的焊點,印刷網板設計是關鍵的第一步。四周焊盤網板開口尺寸和網板厚度的選取有直接的關系,一般較厚的網板可以采用開口尺寸略小于焊盤尺寸的設計,而較薄的網板開口尺寸可設計到1:1。推薦使用激光制作開口并經過電拋光處理的網板。

(1)周邊焊盤的網板設計

  網板的厚度決定了印刷在PCB上的焊膏量,太多的焊膏將會導致回流焊接時橋連。所以建議0.5mm間距的QFN封裝使用0.12mm厚度的網板,0.65mm間距的QFN封裝使用0.15mm厚度的網板,建議網板開口尺寸可適當比焊盤小一些,以減少焊接橋連的發生,如圖5所示。

(2) 散熱焊盤的網板設計

  當芯片底部的暴露焊盤和PCB上的熱焊盤進行焊接時,由于熱過孔和大尺寸焊盤中的氣體將會向外溢出,產生一定的氣體孔,如果焊膏面積太大,會產生各種缺陷(如濺射、焊球等),但是,消除這些氣孔幾乎是不可能的,只有將氣孔減小到最低量。因此,在熱焊盤區域網板設計時,要經過仔細考慮,建議在該區域開多個小的開口,而不是一個大開口,典型值為50%~80%的焊膏覆蓋量,如圖5所示。實踐證明,50μm的焊點厚度對改善板級可靠性很有幫助,為了達到這一厚度,建議對于底部填充熱過孔設計焊膏厚度至少應在50%以上;對于貫通孔,覆蓋率至少應在75%以上。

QFN焊點的檢測與返修

(1)焊點的檢測

  由于QFN的焊點是在封裝體的下方,并且厚度較薄,X-ray對QFN焊點少錫和開路無法檢測,只能依靠外部的焊點情況盡可能地加以判斷,但目前有關QFN焊點側面部分缺陷的斷定標準尚未在IPC標準中出現。在暫時沒有更多方法的情況下,將會更多倚賴生產后段的測試工位來判斷焊接的好壞。

  從圖6中的X-ray圖像可見,側面部分的差別是明顯的,但真正影響到焊點性能的底面部分的圖像則是相同的,所以這就給X-ray檢測判斷帶來了問題。用電烙鐵加錫,增加的只是側面部分,對底面部分到底有多大影響,X-ray仍無法判斷。就焊點外觀局部放大的照片來看,側面部分仍有明顯的填充部分。

(2)返修

  對QFN的返修,因焊接點完全處在元件封裝的底部,橋接、開路、錫球等任何的缺陷都需要將元件移開,因此與BGA的返修多少有些相似。QFN體積小、重量輕、且它們又是被使用在高密度的裝配板上,使得返修的難度又大于BGA。

  當前,QFN返修仍舊是整個表面貼裝工藝中急待發展和提高的一環,尤其須使用焊膏在QFN和印制板間形成可靠的電氣和機械連接,確實有一些難度。目前比較可行的涂敷焊膏方法有三種:一是傳統的在PCB上用維修小絲網印刷焊膏,二是在高密度裝配板的焊盤上點焊膏(如圖8);三是將焊膏直接印刷在元件的焊盤上。上述方法都需要非常熟練的返修工人來完成這項任務。返修設備的選擇也是非常重要的,對QFN既要有非常好的焊接效果,又須防止因熱風量太大將元件吹掉。

  QFN的PCB焊盤設計應遵循IPC的總原則,熱焊盤的設計是關鍵,它起著熱傳導的作用,不要用阻焊層覆蓋,但過孔的設計最好阻焊。對熱焊盤的網板設計時,一定考慮焊膏的釋放量在50%~80%范圍內,究竟多少為宜,與過孔的阻焊層有關,焊接時的過孔不可避免,調整好溫度曲線,使氣孔減至最小。QFN封裝是一種新型封裝,無論是從PCB設計、工藝還是檢測返修等方面都需要我們做更深入的研究。

  QFN封裝(方形扁平無引腳封裝)具有良好的電和熱性能、體積小、重量輕、其應用正在快速增長,采用微型引線框架的QFN封裝稱為MLF封裝(微引線框架)。QFN封裝和CSP(芯片尺寸封裝)有些相似,但元件底部沒有焊球,與PCB的電氣和機械連接是通過PCB焊盤上印刷焊膏、過回流焊形成的焊點來實現的。


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