Секреты проектирования плат с корпусами QFN

Микросхемы в корпусах QFN пользуются у разработчиков особым вниманием. К сожалению, особенности корпуса QFN – его малые размеры и вес в сочетании с гладкой нижней стороной – способствуют появлению браков пайки, при этом особое внимание нужно уделять образованию пустот в паяных соединениях, что в конечном итоге может привести к перегреву компонента и быстрому выходу изделия из строя. Что советуют специалисты, как избежать появления пустот в процессе сборки?

Преимущества и недостатки QFN корпусов

Разработчики электронных устройств все чаще применяют в своих изделиях микросхемы в корпусе QFN. Такой тип корпуса имеет выводы, расположенные по его периметру и выводы, заходящие под него, а также находящуюся в центре корпуса большую контактную площадку, которая отводит тепло от кристалла и снижает индуктивность и сопротивление паяного соединения.

Широкое распространение корпуса QFN получили из-за малых размеров (в том числе и толщины), веса, хороших тепловых и электрических характеристик, высокой эффективности и выгодной цены. Однако все эти преимущества может свести на нет одна важная проблема – образование пустот в паяном соединении под микросхемой.

Эти пустоты возникают из-за того, что во время пайки оплавлением пары флюса остаются под контактной площадкой, не имея выхода, поскольку для таких типов корпусов не предусмотрено конструктивных зазоров, позволяющих летучим фракциям испаряться.

Монтаж печатных плат с корпусами QFN

Большее количество пустот снижает площадь контактной области, увеличивая внутреннее сопротивление и ухудшая тепловые характеристики микросхемы. Как следствие, из-за постоянного перегрева компонента падает производительность и уменьшается срок его жизни, что в итоге приводит в преждевременному выходу изделия из строя.

Другая проблема QFN-корпуса, проявляющаяся при сборке, — большая центральная контактная площадка. При неправильном нанесении или слишком большом количестве паяльной пасты корпус буквально «плавает» поверх расплавленного припоя.

Применение трафаретов с различным рисунком апертур

Самый очевидный и разумный способ «борьбы» с пустотами — уменьшение количества припоя под центральной контактной площадкой. Этого можно достичь, уменьшая размер апертуры трафарета. Общая идея — разделить большую апертуру на несколько маленьких, что позволит не только сократить количество припоя, но и поможет избежать возникновения пустот, разбрызгивания и выделения газа. Ниже на рисунках приведены результаты эксперимента по применения различных рисунков апертур для уменьшения количества пустот под центральной контактной площадкой QFN корпуса при монтаже:

Трафареты для сборки QFN корпусов с различными рисунками апертур-1Трафареты для сборки QFN корпусов с различными рисунками апертур-2Трафареты для сборки QFN корпусов с различными рисунками апертур-3Трафареты для сборки QFN корпусов с различными рисунками апертур-4

Пустоты под центральной контактной площадкой QFN корпуса при монтаже-1Пустоты под центральной контактной площадкой QFN корпуса при монтаже-2Пустоты под центральной контактной площадкой QFN корпуса при монтаже-3Пустоты под центральной контактной площадкой QFN корпуса при монтаже-4

Другие эксперименты также подтвердили что, уменьшение размера апертуры на 30–50 % за счет организации в виде ячеек (квадратиков) дают самые стабильные результаты. И хотя флюс может по-прежнему удерживаться под центральной контактной площадкой, но в этом случае выделение газа проходит без образования пустот из-за возможности испарения летучих фракций. Также в большинстве случаев уменьшение толщины трафарета со 130 до 100 мкр давало положительный эффект. Отмечалось, что при значительном уменьшении толщины может пострадать качество паяных соединений контактных площадок и выводов.

Выводы

Как показали исследования, прямой зависимости между процентным сокращением количества пасты и образованием полостей не существует, в то же время уменьшение количества пасты, специальная геометрия апертуры, толщина трафарета, правильно подобранный температурный профиль пайки способны в значительной степени влиять на объем, количество и форму полостей.

В современной практике применяются несколько способов разрешения проблемы образования пустот при сборке QFN-корпусов:

  1. Стандартный, достаточно эффективный и простой способ уменьшения количества и размеров пустот — применение трафаретов с различными рисунками апертур;
  2. Использование разных типов паяльных паст и различных температурных профилей пайки дает меньший эффект;
  3. Пайка QFN-корпусов в разреженной среде или в атмосфере азота. Значительное уменьшение количества пустот достигается при разрежении 300 Мбар;
  4. Пайка в вакууме. При наличии соответствующего оборудования позволяет наиболее эффективно бороться с возникновением пустот в паяных соединениях большой площади.

Написать ответ

Your email address will not be published. Required fields are marked *