Der Einfluss des Via- und Pad-Designs auf die QFN-Montage

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ABSTRAKT

Quad-Flat-No-Lead-Gehäuse (QFN) erfreuen sich in der Branche großer Beliebtheit und werden in vielen Produkten häufig verwendet. Diese Gehäuse haben unterschiedliche Größen und Pin-Anzahlen, haben aber ein gemeinsames Merkmal: ein Wärmeleitpad an der Unterseite des Geräts. Das Wärmeleitpad des bleifreien QFN sorgt für eine effiziente Wärmeableitung von der Komponente zur Leiterplatte. In vielen Fällen wird ein thermisches Via-Array unter der Komponente verwendet, um die Wärme vom Gerät abzuleiten. Allerdings können thermische Durchkontaktierungen mehr Hohlräume erzeugen oder dazu führen, dass das Lot auf der Sekundärseite hervorsteht.

In diesem Artikel wird unsere Studie zum Einfluss der Durchkontaktierungsgröße und des Durchkontaktierungsdesigns auf die Hohlraumbildung und den Lotüberstand bei QFN besprochen. Verhindert eine kleine Durchkontaktierung, dass das Lot auf die andere Seite fließt? Wie soll das Via gestaltet sein? Bei welchem ​​Via-Typ treten weniger Hohlräume auf? Um diese Fragen zu beantworten, wurde ein umfassendes Experiment konzipiert. Verschiedene QFN-Typen, Via-Design, Via-Größen, Via-Abstände und Schablonendesign wurden mit drei verschiedenen Platinendicken untersucht: 1,6 mm, 2,4 mm und 3,2 mm.

Einführung

Das flache Quad-Gehäuse ohne Blei ist so konzipiert, dass das Wärmeleitpad auf der Unterseite der Komponente freiliegt. Dadurch entsteht ein Pfad mit geringem Wärmewiderstand zwischen dem Chip und der Außenseite des Gehäuses und eine hervorragende Wärmeableitung von der Komponente zur Leiterplatte. Thermische Durchkontaktierungen im PCB-Wärmeleitpad werden typischerweise verwendet, um die Wärme vom Gerät wegzuleiten und die Wärme effektiv von der oberen Kupferschicht der PCB auf die innere oder untere Kupferschicht oder an die Außenumgebung zu übertragen. Eine Querschnittsansicht von QFN- und PCB-Thermalvias ist in Abbildung 1 dargestellt.

Figur1:Querschnitt der QFN- und PCB-Struktur.

Es gibt mehrere Veröffentlichungen zu den PCB-Layout-Richtlinien für QFN-Gehäuse, die thermische Durchkontaktierungen erfordern[1-2]. Einige empfehlen thermische Durchkontaktierungen im durch die Lötmaske definierten Wärmeleitpad[2], während andere die thermischen Durchkontaktierungen ohne Lötmaske direkt auf dem Wärmeleitpad platzieren[1]. Die Lötmaske um die Durchkontaktierung kann das Lot von der Durchkontaktierung fernhalten und verhindern, dass es in die Durchkontaktierung fließt. Der Lötstoppmaskenring neigt jedoch dazu, mehr Hohlräume oder ungelötete Bereiche am Wärmeleitpad zu erzeugen. Andererseits kann das Lot in die thermischen Durchkontaktierungen fließen, wenn kein Lötstoppmaskenring vorhanden ist, und zu Lotverlust und Lotüberständen auf der Sekundärseite führen, was den Montageprozess beeinträchtigen und zu einem Qualitätsproblem werden kann. In diesem Artikel diskutieren wir den Einfluss des Via-Designs, des Platinendesigns und der Prozessparameter auf den Lotüberstand an den Vias des Wärmeleitpads. Die QFN-Voidierung ist in vielen Veröffentlichungen eine bekannte Herausforderung in der Branche[3–6]. Der Einfluss von Durchkontaktierungsdesign und -prozessen auf die Hohlraumbildung wird in der Arbeit ebenfalls dargestellt.

Experimentelle Details

Testfahrzeug und Komponenten

Für diese Studie wurde ein QFN-Testfahrzeug entwickelt. Das Testfahrzeug hatte die Abmessung 177 x 177 mm. Die Oberflächenveredelung der Platte bestand aus Immersionssilber (I-Ag). Es wurden drei verschiedene Plattenstärken von 1,6 mm (62 mil), 2,4 mm (93 mil) und 3,2 mm (125 mil) untersucht. Das Bild des Testfahrzeugs ist in Abbildung 2 dargestellt.

Figur2:Flex QFN-Testfahrzeug Rev 2.

Im Testfahrzeug waren sechs verschiedene QFN-Gehäuse mit unterschiedlicher Pinanzahl und Komponentenkörpergröße enthalten. Es wurden sowohl einreihige als auch zweireihige QFN-Komponenten untersucht. Der QFN-Abstand variierte von 0,4 mm, 0,5 mm bis 0,65 mm. Die Gehäusegröße der QFN-Komponenten reichte von 3 x 3 mm bis 12 x 12 mm.

Designvariablen

Viele Via-Variablen wurden in das Testfahrzeug integriert, darunter Via-Größe, Via-Pitch und Via-Design. Es wurden fünf verschiedene Via-Größen untersucht. Sie waren 0,20 mm (8 mil), 0,22 mm (9 mil), 0,25 mm (10 mil), 0,30 mm (12 mil) und 0,51 mm (20 mil). Der Durchgangsabstand betrug 0,5 mm, 1 mm und 1,27 mm. Die meisten Durchkontaktierungen wurden ohne Lötmaskenring verwendet, während einige Durchkontaktierungen mit einer Lötmaske um die Durchkontaktierung herum entworfen wurden.

Prozessvariablen

Neben den Bauteil-, Platinendicken- und Via-Designvariablen umfasste die Studie auch zwei verschiedene Schablonendesigns. Es wurden Fensteröffnungsschablonen und 1:1-Pad-Öffnungsschablonen verwendet. Für das Fensterscheibendesign wurde die Lötpaste von den Durchkontaktierungen entfernt gedruckt, mit Ausnahme der Stellen mit einem Durchkontaktierungsabstand von 0,5 mm. Beim 1:1-Pad-Design wurde die Paste über die Vias gedruckt. Darüber hinaus wurden die Platinen mit Luft und Stickstoff aufgeschmolzen und in zwei verschiedenen Reflow-Öfen aufgeschmolzen.

Klicken Sie hier, um den gesamten Artikel zu lesen, der in der Novemberausgabe 2016 des SMT Magazine erschien.