QFN封装的组装和PCB布局指南

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QFN封装的组装和PCB布局指南 [复制链接]

前言
双排或多排QFN封装是近似于芯片级塑封的封装，其基板上有铜引线框架。底部上面裸露的芯片粘附焊盘会有效地将热量传递给PCB，并且通过下面的键合提供 稳定的接地或通过导电芯片粘附材料形成电气连接。双排或多排QFN封装的设计实现了柔性，并提高了在极高速操作频率下的电气性 能。
双排或多排QFN封装采用有间隙的引线设计，这种设计可形成交错排列的引线布局。内排交错0.5mm，就会使最大尺寸芯片实现紧凑致密的设计，同时，不会 超过通常的0.5mm间距的SMT工艺的表面组装技术（SMT）的能力。
Actel公司提供的QFN封装有三种结构：QN180、QN132和QN108。这些封装的印脚和外形是按照JEDEC MO-247标准：塑料四方无引线交叉排列的多排封装（增热任选）和按照JEDEC Design Guide 4.19：四方形无引线交叉排列的多排封装而实施的。
QFN封装概述
图1和图2所示是通过同一平面上的芯片和线焊焊盘使这种封装的高度达到最小化。图3说明了这种焊盘的结构。在组装时，引线直接与板子连接，而不像塑料四方 （PQ）或薄形四方（TQ）那样，在引线封装内留有一定间隙的高度以便分离。此外，由于芯片焊盘直接与PCB连接，使得QFN封装具有极好的散热性。由于 QFN封装的有效和致密的设计，还会降低电子寄生效应。
表1所列是典型的可靠性数据。

表1 可靠性

为了达到峰值性能，母板的设计必须合适，且对于封装的组装 必须给予特别的构思。就提高的温度、电气和板级性能而言，必须使用与板上热焊盘相对应的焊盘将封装上裸露的焊盘焊接到板上。为了使板子能够实现有效的导 热，PCB的热焊盘区域必须设置有导热通孔。对内部一排引线和热焊盘之间的容差是有要求的，以便通过导通孔来布设内排信号的线路。对容差量的要求取决于具体应用。在设计PCB印脚时必须考虑到这一点，由于封装、 PCB和板组装诸多方面的关联性，必须考虑到尺寸容差。
明显影响QFN封装在板上的组装和焊点质量的一些因素列在下面：
‧覆盖于热焊盘区域的焊膏量；
‧热焊盘周边和热焊盘区域的模板设计；
‧导通孔的类型；
‧板厚度；
‧封装上的引线涂层；
‧板上的表面涂层；
‧焊膏类型；
‧再流曲线。
这种应用提示：为开发适当的板设计和表面组装工艺提供了通用指南。为了满足一些特别用户的表面组装实践和应用要求而优化工艺，需要进一步地进行潜心研发。
PCB焊盘设计指南
这部分主要论述对于推荐的焊盘图形的逻辑依据在封装级和板级布局中的局限性。

三排QFN PCB焊盘设计(QN132和QN180)
通常，热焊盘的尺寸至少应与裸芯片焊盘尺寸匹配。由于导通孔所要求的容差，可能需将热焊盘尺寸降低到小于封装焊盘尺寸。从板组装的角度来看，在板子热焊盘 小于封装焊盘尺寸时没有发现问题。热焊盘在小到焊盘尺寸的80%时，就会实现成功的组装，不会出现任何问题。从热效率方面来看，只要板上的热焊盘至少与封 装内的芯片尺寸相同，那么，效率损耗就最小。
假设板子设计规则是使用1/2盎司铜的标准四层板。就可以用这些假设来确定导通孔间距的要求。图5和图6给出了分析中所用的值。详细内容请参见“附件 1：PCB具体布局”的说明。
要特别注意板上用金属焊盘连接的印制线。在这个封装的板级跌落和弯曲试验中观察到印制线有开裂的现象。印制线开裂通常发生在金属焊盘周边的阻焊膜开口的边 缘。为了避免产生这种模式的缺陷，Actel公司建议阻焊膜边缘下面的印制线应比其它印制线宽些儿，见图4所示。这取决于可靠性要求，印制线较宽的部位可 能宽度需达到金属焊盘宽度的50-75%。
热焊盘导通孔设计
双排和三排QFN封装的设计可以提供杰出的热性能。而热焊盘可为PCB的上面提供可焊的表面（就焊接板上的封装芯片焊盘而言），需要导热通孔为内部和 PCB底层提供导热通路，以便去除热量。

为了有效地将PCB上面的金属层的热量传递到内层或底层，导热通孔必须纳入热焊盘设计中。导热通孔的数量应取决于应用、能耗和电气要求。虽然，较多的导热 通孔可以改善热性能，值得注意的一点是其额外的导热通孔不可能使性能得到明显的改善，会减少回报率。基于分包商提供的信息，Actel公司建议将一系列间 距为1.0mm-1.2mm，直径为0.3mm-0.33mm的导热通孔应用于设计中。必须确定每种用途的操作环境和条件下的导通孔的数量。
导通孔的一个缺点是在再流焊接过程中焊料有使导通孔向下芯吸的倾向，这样的话，就降低了周边引线的焊料分离高度。通过采用阻焊膜堵塞或摭蔽导通孔就可以避 免这种现象的产生，而且这样还会使DAP和热焊盘之间的焊料层中产生空洞（图7a导通孔）。因此，在空洞和分离高度之间必须采取一种折衷的方法，以便确定 对导热通孔采取一种适当的处理方法。虽然，并不是那么有效，但是，还可以通过使用导通孔和热焊盘区域的微过孔的混合技术使热传导到内层（图7b导通孔和盲 微过孔的组合）。
阻焊膜的构思
建议双排和三排QFN封装采用非焊料掩膜定义的（NSMD）焊盘，由于对铜蚀刻工艺的管控要比阻焊膜工艺更为苛刻，而且这种工艺可以改善焊点的可靠性。
对于中心的热焊盘，推荐使用阻焊膜定义（SMD）的结构。
板组装指南由于小焊盘表面积和仅依赖于印刷到PCB表面上的焊膏，为使双排和三排QFN封装能够形成可靠的焊点，在操作中一定要谨慎。由于封装底部的热焊 盘较大及其接近于焊盘内边缘，所以使得结构进一步复杂化。对于周边焊盘和热焊盘的模板设计和焊膏印刷需特别考虑。由于公司与公司间采用的表面组装工艺不 同，因此，建议认真地开发工艺。“周边焊盘和热焊盘的模板设计”这一部分是基于Actel分包商在双排和三排QFN封装的表面组装的经验和提供的信息而提 供了模板设计的一些指南。
周边焊盘和热焊盘的模板设计
周边焊盘上最佳的、可靠的焊点的分离高度大约为50-70μm（2-3mil）。模板是激光切割和电镀抛光的模板。抛光可使模板壁光滑，还会使焊膏释放顺 畅。Actel公司建议要严格控制模板孔径容差，因为容差会明显地降低孔径尺寸。
通过对双排和三排QFN封装的板组装的研究说明，分离高度主要是由热焊盘焊膏的覆盖率决定。周 边焊盘的飘浮效应是小的，而且不是决定分离高度的主要因素。由于分离高度下降，热焊盘上的焊膏不足还会使内排桥接，这一点也是肯定的。为了实现适当的模板 设计，决不能超过0.66的面积比和1.5的孔径的数据要求。
‧PCB的焊盘图形与QFN封装的焊盘比例应是1：1。
‧PCB的热焊盘设计应是焊膏覆盖率的75%，并使用一个开口（见图8所示）。
应选择开口的数据（D2'尺寸），如像，AH和AW=1.00±0.15mm。开口之间的网厚度保持在0.200mm，使得助焊剂挥发物就有空间逃逸，这 样的话，就可以减少孔洞。
模板厚度和焊膏
建议0.5mm双排和三排QFN组件采用0.125mm厚的模板。建议使用激光切割的经电镀抛光孔壁为不规则四边形的不锈钢模板，以改善焊膏的释放。由于 在再流后组件下面没有足够的空间，为此，Actel公司建议采用免清洗，类型3和类型4焊膏用于组装QFN封装。还建议在再流过程中采用氮气吹扫。
再流曲线
再流曲线和峰值温度对孔洞的形成有很大的影响。Actel特此提出建议，用户要按照焊膏供货商推荐的再流曲线进行操作，因为这是为助焊剂成形专门制定的要 求。不过，有两个再流曲线（图9和图10）可以作为你在实际操作中最终曲线微调的参考。
组装工艺流程
图11所示是在PCB上组装表面组装封装的通用工艺流程。组装QFN可使用相同的工艺，而不需做任何变更。在印刷后和再流后进行检测是很重要的，特别是在 开发工艺过程中。应采用2D或3D技术来检测焊膏的印刷量。焊膏量大约为模板开孔体积的80%-90%，就可以实现良好的焊膏释放。再流后，应对组装后的 封装通过X射线照射进行检验，以便确认是否有孔洞、焊料球或其它缺陷存在。还需要进行横剖面，以便确定填角焊缝形状和尺寸以及焊点分离高度。
返工指南
由于QFN的焊点不是完全裸露在外的，所以，再次接触焊点是很难的。对于封装下面的缺陷，必须将整个封装拆开才能进行返修。由于QFN封装尺寸小，所 以，QFN封装的返修是一个挑战。在多数应用中，QFN都是组装在更小、更薄和更致密的PCB上，因此，给操作和加热带来了一定的难度，使其成为又一个挑 战的领域。在返修过程中的再流中，由于相邻组件也不可避免地受热，邻近的其它组件受热可能会使工艺进一步复杂化。因为复杂程度取决于产品，所以，下面仅给 出了返修QFN封装的指南和作为成功开发返修QFN封装工艺的一个起点。
返修工艺包括如下步骤：
1. 拆除组件
2. 焊盘清理
3. 施加焊膏
4. 贴装组件和焊接
拆除组件
拆除组件的第一步是对焊接到PCB板上的组件的焊点进行再流。最理想的做法是，拆除组件的再流曲线应与焊接组件使用的再流曲线相同。不过，只要完成再流 焊，就可以降低液相线以上的时间。
在拆除组件过程中，Actel建议，应使用对流加热器从板子底部进行加热，并在组件上面使用热风。在对组件区域进行导热过程中应使用特制的吸嘴。应尽量使 相邻组件少一些受热。还应避免过分地气流，由于气流过大会使CSP扭曲。空气流动速率为每分钟15-20升，就是一个好的起点。一旦焊点再流，在再流到冷 却的转换过程中，就会自动实施真空抬起（lift-off）。由于组件尺寸小，所以，真空压力应保持在每汞柱15in以下。如果并不是所有的焊点都被再流 的话，这样就可以确保组件不会抬起，从而避免了焊盘抬起。
焊盘清理
拆除组件后，应对返修区域进行适当地清理。最好是使用刀片型导热工具和编织带式除焊相结合的方法。刀片的宽度应与印脚的最大宽度相匹配，烘烤温度应低到不 会给电路板带来任意损坏为好。一旦去除了残余焊料，就应用溶剂清理焊盘。通常溶剂应使用专为原组装厂家提供的焊膏类型，并应按照焊膏制造厂家的建议进行操 作。
焊膏印刷
因为这种封装的尺寸小，且间距小，QFN的焊膏沉积要特别的小心。如果使用专为此种组件研制的小型模板，就可以实现均匀一致、精确的焊膏沉积。模板的孔径 应与焊盘在50X-100X的放大倍率下对位。然后，将模板降落在PCB上，使用小的金属刮板将焊膏挤压到板上。还可使用小型模板将焊膏印刷到QFN封装 的焊盘上。应使用厚度为125μm和开口尺寸及形状与封装焊盘相同的模板。由于QFN分离高度低没有给清洗留下足够的空间，所以，应使用免清洗助焊剂。
组件贴装和焊接
由于QFN封装的质量小，所以，可望QFN封装具有极优越的自对位能力。这种类型封装的贴装类似于BGA的贴装。由于焊盘是在封装的下面，应用裂隙 （split-beam）光系统来实施组件与母板的对位。这样就会在与之相匹配的印脚上形成重的焊盘图像，并且有助于适当的对位。同样，应在50X- 100X放大倍率下进行对位。贴装设备应具有对X、Y和旋转轴进行微调的能力。
应使用在最初的焊接或拆除操作过程中开发的再流曲线来焊接新的组件。由于所有的再流曲线参数都已进行了优化，使用相同的温度曲线就不需要热电偶反馈，并且 还可以降低操作员的人为因素。

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