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QFN封裝的PCB焊盤和網板設計

時間:2021-12-17| 作者:admin


近幾年來,由于QFN封裝(Quad Flat No-lead package,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(Micro Lead Frame,微引線框架)封裝。QFN封裝和CSP(Chip Size Package,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焊盤上印刷焊膏經過回流焊形成的焊點來實現的。 QFN封裝對工藝提出了新的要求,本文將對PCB焊盤和印刷網板設計進行探討。


圖1:外露散熱焊盤的QFN封裝

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,圍繞大焊盤的封裝四周有實現電氣連接的導電焊盤。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, 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封裝。

由于體 積小、重量輕,以及極佳的電性能和熱性能,QFN封裝特別適合任何一個對尺寸、重量和性能都有要求的應用。與傳統的28引腳PLCC封裝相比,32引腳 QFN封裝的面積(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降低了50%, 所以非常適合應用在手機、數碼相機、PDA及其他便攜電子設備的高密度PCB上。

PCB焊盤設計

QFN的焊盤設計主要包含以下三個方面:周邊引腳的焊盤設計、中間熱焊盤及過孔的設計和對PCB阻焊層結構的考慮。

1、周邊引腳的焊盤設計

對于QFN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2所示。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。


圖2:PCB焊盤的設計尺寸

MLF封裝的焊盤的公差分析包括元件公差、印制板制造公差和貼裝設備的精度。這類問題的分析IPC已建立了一個標準程序,根據這個程序可計算得出各種MLF元件推薦的焊盤尺寸,表1列出了一些常見的引腳間距為0.5mm的QFN封裝的PCB焊盤設計尺寸。

2、 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和散熱過孔。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,如避免和周邊焊盤的橋接等,所以熱焊盤尺寸需要修訂,具體尺寸如表1所示。


表1:PCB焊盤設計尺寸(單位:mm)


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在1.0~1.2mm,過孔尺寸在 0.3~0.33mm。散熱過孔有4種設計形式:使用干膜阻焊膜從過孔頂部或底部阻焊;使用液態感光(LPI)阻焊膜從底部填充;或者采用“貫通孔”,如 圖3所示。上述方法各有利弊: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;底邊的阻焊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,建議使用頂部或底部阻焊。


圖3:散熱過孔的4種設計形式

回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。

3、阻焊層的結構

建議使用NSMD阻焊層,阻焊層開口應比焊盤開口大120~150μm,即焊盤銅箔到阻焊層的間隙有60~75μm,這樣允許阻焊層有一個制造公差,通常這個公差在50~65μm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的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。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4所示。


圖4:網板開口設計

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,熱過孔和大尺寸焊盤中的氣體將會向外溢出,產生一定的氣孔,因此如果焊膏面積太大,會產生各種缺陷(如 濺射和焊球等)。但是,消除這些氣孔幾乎是不可能的,只有將氣孔減至最小。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。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 計的焊膏厚度至少50%以上;對于貫通孔,覆蓋率至少75%以上。

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