qfn器件的網(wǎng)板設(shè)計(jì)研究

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1、QFN器件的網(wǎng)板設(shè)計(jì)研究王其超摘要：QFN（QuadFlatNo-lead，方形扁平無引腳）封裝器件因其具有良好的電/熱性能、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，不僅使用在數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)、PDA等消費(fèi)類產(chǎn)品[2008.7.1]QFN封裝器件(以下簡稱QFN)是一種無引腳封裝器件，呈正方形或矩形，封裝底部有與底面平行的焊盤，其中央是一個(gè)大面積的導(dǎo)熱裸露焊盤(以下簡稱導(dǎo)熱焊盤)，圍繞在導(dǎo)熱焊盤周圍的是實(shí)現(xiàn)電氣連接的焊盤(以下簡稱導(dǎo)電焊盤)。QFN導(dǎo)電焊盤有兩種類型：一種是只裸露出封裝底部的一面，其它部分被封裝在元件內(nèi)；另一種是焊盤還向外在封裝體側(cè)面裸露?？s短了連接距離的導(dǎo)電焊盤可以提

2、供良好的電性能，而導(dǎo)熱焊盤可以將封裝體的熱量迅速傳導(dǎo)到PCB上，具有良好的熱性能。因此，QFN以其良好的電/熱性能、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，成為眾多新應(yīng)用的一個(gè)理想選擇。PCB上對(duì)應(yīng)于QFN導(dǎo)熱/導(dǎo)電焊盤的焊盤，我們稱之為熱焊盤和四周焊盤。相應(yīng)地，熱焊盤設(shè)計(jì)尺寸與QFN的導(dǎo)熱焊盤尺寸基本相同；而四周焊盤的設(shè)計(jì)尺寸也和QFN的導(dǎo)電焊盤尺寸相似，但向外稍長一些。QFN的缺陷與檢查在實(shí)際生產(chǎn)過程中，QFN焊點(diǎn)也會(huì)出現(xiàn)短路和虛焊等缺陷。如果QFN儲(chǔ)存在不受控的環(huán)境中，其導(dǎo)電焊盤靠外的末端和側(cè)面都可能會(huì)被氧化，這是因?yàn)镼FN僅僅是導(dǎo)熱焊盤和其在同一面的導(dǎo)電焊盤表面被電鍍了焊接涂

3、層，而導(dǎo)電焊盤靠外的末端和側(cè)面則沒有。當(dāng)然，如果氧化程度不很嚴(yán)重，或助焊劑起到作用的話，也可能會(huì)形成良好的焊點(diǎn)。更多出現(xiàn)的是QFN開路和少錫缺陷。依靠目視檢查很難發(fā)現(xiàn)這些缺陷，甚至連X－Ray也無法做出判斷；這是因?yàn)镼FN焊點(diǎn)是在元件本體下方，且高度有限。從圖1可以看出，F(xiàn)部分的差別是明顯的，但真正影響到焊點(diǎn)質(zhì)量的G部分圖像則是相同的。用電烙鐵加錫，增加的只是圖1中的F部分，對(duì)G部分到底有多大影響，X－Ray仍無法判斷。在暫時(shí)沒有更多辦法的情況下，更多地依靠ICT測試來判斷焊接的效果（在實(shí)際生產(chǎn)中我們發(fā)現(xiàn)，如果導(dǎo)電焊盤的外部焊點(diǎn)出現(xiàn)異常情況，那么在ICT和FT處查出

4、的開路也較多），對(duì)于SMT工藝來說，也只能依靠目檢焊點(diǎn)的外部情況（圖1中的F部分）來判斷。QFN的貼裝和回流焊接貼片機(jī)的精度決定了QFN的貼裝精度和角度的調(diào)整，輕微的貼片偏移可以在過回流焊后自動(dòng)糾偏，嚴(yán)重的偏移應(yīng)該在回流焊前進(jìn)行矯正，以免發(fā)展成短路缺陷。使用貼片機(jī)視覺系統(tǒng)調(diào)整QFN的位置有兩種方法：?封裝輪廓——視覺系統(tǒng)搜索封裝的外形輪廓?引腳識(shí)別——許多視覺系統(tǒng)可以直接搜索引腳的形狀對(duì)QFN來說，這兩種方法都可以接受且各有利弊：焊盤識(shí)別比較準(zhǔn)確，但要搜索多只引腳，多只引腳的圖像數(shù)據(jù)由貼片機(jī)同時(shí)進(jìn)行處理會(huì)較慢。封裝輪廓識(shí)別起來比較快，但精度不夠。如圖2所示，在QFN

5、工藝優(yōu)化期間，貼片不偏移是關(guān)鍵，以免同其它問題混在一起，不利于問題的分析和解決。QFN對(duì)回流焊接工藝并沒有特殊的要求，和所有的元器件一樣，對(duì)各種類型的PCB，在板上不同位置都要求回流溫度符合規(guī)范，而每個(gè)元器件的溫度受周圍焊盤、板上所處位置和組裝密度的影響。實(shí)際的回流峰值溫度，保溫(soak)時(shí)間和升溫斜率范圍不能超過所用焊膏說明書(SPEC.)的要求。一般情況下，供應(yīng)商提供的焊膏SPEC.中描述的目標(biāo)溫度和時(shí)間范圍是相當(dāng)寬的，主要受合金成分、助焊劑活性、合金粉末和助焊劑攪拌狀況等因素的影響，基本上錫鉛焊膏峰值溫度在235℃左右，而無鉛焊膏在250～260℃。QFN印

6、刷工藝和網(wǎng)板設(shè)計(jì)在QFN表面貼裝工藝中，網(wǎng)板印刷調(diào)整的準(zhǔn)確性是獲得一致焊膏沉積的基本條件，而對(duì)刮刀的角度和速度進(jìn)行優(yōu)化是其中的一個(gè)關(guān)鍵步驟。在印刷焊膏的過程中，不銹鋼材質(zhì)的網(wǎng)板更耐用且很少有變形，激光切割、孔壁電拋光的網(wǎng)板有助于提高焊膏釋放率。如果印刷設(shè)備限制了網(wǎng)板實(shí)際印刷質(zhì)量，建議使用step-down（階梯）網(wǎng)板。在QFN貼放到PCB上之前，必須要保證網(wǎng)板具有良好的輸出結(jié)果。對(duì)于焊盤上焊膏體積的沉積，網(wǎng)板厚度、開口形狀及幾何圖形的作用同樣重要。設(shè)計(jì)網(wǎng)板時(shí)應(yīng)考慮滿足以下兩種比率：?面積比＝開口面積／開口的側(cè)面面積?寬厚比＝開口寬度／網(wǎng)板厚度QFN周邊焊盤網(wǎng)板開口是

7、方形的開口，它們的比率應(yīng)該是：?面積比＝L×W/2×T×(L+W)，?寬厚比＝W/T其中，L和W分別是開口的長和寬，T指網(wǎng)板厚度。如果要達(dá)到比較好的焊膏釋放，面積比和寬厚比應(yīng)該大于0.66和1.5。一般建議網(wǎng)板開口尺寸和PCB焊盤尺寸比為1:1，這樣做可以讓面積比和寬厚比目標(biāo)比較容易達(dá)到。采用底部填充過孔方式的熱焊盤網(wǎng)板開口設(shè)計(jì)PCB上熱焊盤和四周焊盤的面積差巨大，使得過回流焊后保持相同的焊錫高度非常困難。實(shí)驗(yàn)證明，0.13mm網(wǎng)板，面積比大于0.66時(shí)，四周焊盤轉(zhuǎn)印效率為73%，熱焊盤轉(zhuǎn)印效率為100%。我們需要做的是，通過減少熱焊盤焊膏覆蓋面積，使得過回流焊