Guia de Especialistas para Montagem de Componentes QFN: Soluções de Design e Impressão de Pasta de Solda

A melhoria constante da densidade de montagem de produtos eletrônicos leva tanto componentes quanto dispositivos eletrônicos à miniaturização, pitch fino e até mesmo sem terminais. Este artigo discutirá excelentes tecnologias de impressão de pasta de solda compatíveis com componentes QFN (quad-flat no-leads) e introduzirá componentes QFN e LCCC (leadless ceramic chip carrier) cujas características serão elaboradas. Estrutura QFN e design de pad também serão introduzidos baseados em design de aparência de encapsulamento QFN, design de pad QFN e design de abertura de stencil QFN. Finalmente, excelentes tecnologias de impressão de pasta de solda de componentes QFN serão analisadas das perspectivas de ingrediente de pasta de solda, propriedades e parâmetros de stencil de aço inoxidável, ambiente de impressão, design de tecnologia de impressão de pasta de solda e equipamento de impressão, com defeitos líderes de impressão de pasta de solda de componentes QFN discutidos e experiência prática introduzida de excelente implementação de impressão de pasta de solda compatível com componentes QFN.

QFN e LCCC são os dois tipos mais comuns de componentes sem terminais que são incomuns. Comparados com componentes com terminais, tanto pad de PCB (Printed Circuit Board) quanto abertura de stencil metálico apresentam pads diferentes dos pads para terminais finos e longos, especialmente em termos de tecnologia de impressão de pasta de solda.

Vantagens Essenciais do QFN

O material principal de encapsulamentos LCCC é cerâmica, enquanto o de QFN é plástico com preços tão baixos que são mais aceitos por produtos eletrônicos de consumo. Como resultado, QFNs são amplamente aplicados em pequenos eletrodomésticos. Componentes QFN performam como quadrados ou retângulos, o que é similar ao de CSP (chip size package). A única diferença entre eles é que componentes QFN não possuem esferas de solda abaixo, de modo que conexão elétrica e mecânica entre placa de PCB e QFN depende totalmente de pasta de solda que é derretida durante solda de refluxo e se tornará conexões de solda após resfriamento. Como a distância de contato é a mais curta entre QFN e pads de PCB, levando a melhor desempenho elétrico e térmico do que a maioria dos componentes com terminais, o que é especialmente mais adequado para produtos eletrônicos que exigem maior requisito em dissipação térmica e desempenho elétrico. Comparados com componentes PLCC (plastic leaded chip carrier) tradicionais, componentes QFN diminuem dramaticamente em termos de área de encapsulamento, espessura e peso com indutância parasita reduzida em 50%, de modo que funcionam melhor, especialmente para celulares e computadores.

Design de Pad de PCB para Componentes QFN

• Design de Forma de Encapsulamentos QFN

Como uma forma mais nova de encapsulamento IC (integrated circuit), componentes QFN contêm uma extremidade de soldagem que é paralela a pads na placa de circuito. Cobre nu é geralmente projetado no meio dos componentes, fornecendo melhor condutividade térmica e desempenho elétrico. Consequentemente, extremidades de soldagem I/O para conexão elétrica podem ser distribuídas ao redor das aletas de resfriamento centrais, o que torna mais flexível realizar rastreamento de PCB. Extremidades de soldagem I/O vêm em dois tipos: uma é obter fundo do componente exposto com outras partes encapsuladas no componente, enquanto o outro tipo é extremidade de soldagem parcial exposta no lado do componente.

Com tipo de perfuração ou zigzag aplicado, terminais de cobre são então usados para fazer wafer interno e chip de cobre de soldagem central e extremidades de soldagem ao redor conectados para gerar uma estrutura de frame. Resina é então aproveitada para fixá-lo através de fixação e encapsulamento de molde, levando extremidades de soldagem centrais e periféricas a serem expostas fora do encapsulamento.

• Design de Pad para QFN

Como grandes folhas de cobre para dissipação térmica estão disponíveis no fundo de componentes QFN, excelente design de pad de PCB e design de stencil metálico devem ser implementados para gerar conexões de soldagem confiáveis em componentes QFN. Design de pad para QFN contém três aspectos:

a. Design de pad de pino I/O periférico

Pad para I/O em placa de PCB deve ser projetado para ser um pouco maior que extremidades de soldagem I/O de QFN. Lado interno do pad deve ser projetado para ser um círculo para ser compatível com a forma do pad. Se PCB apresenta espaço de design suficiente, comprimento perimétrico de pad I/O na placa de circuito deve ser de pelo menos 0,15mm, enquanto comprimento duradouro interno deve ser de pelo menos 0,05mm para garantir espaço suficiente entre pads que estão ao redor de QFN e aqueles na parte central, proibindo ponte de ocorrer.

b. Design de Máscara de Solda de PCB

Design de máscara de solda de PCB vem principalmente em duas categorias: SMD (solder mask defined) e NSMD (non-solder mask defined). A primeira categoria de máscara de solda apresenta aberturas que são menores que pads metálicos, enquanto a segunda categoria apresenta aberturas que são maiores que pads metálicos. Como tecnologia NSMD é mais fácil de ser controlada em tecnologia de corrosão de cobre, pasta de solda pode ser colocada ao redor do pad metálico com confiabilidade de conexões de soldagem grandemente melhorada. Tecnologia SMD deve ser escolhida no design de máscara de solda de pad de dissipação térmica central com área relativamente grande.

Aberturas de máscara de solda devem ser 120 a 150μm maiores que pads, ou seja, um espaçamento de 60 a 75μm deve ser mantido entre máscara de solda e pad metálico. Design de pad curvo deve ter uma abertura de máscara de solda curva correspondente que seja compatível com ele. Especialmente máscara de solda suficiente deve ser mantida em um canto para impedir ponte de ocorrer. Máscara de solda deve cobrir cada pad I/O.

Máscara de solda deve cobrir furos passantes no pad para dissipação térmica para impedir pasta de solda de fluir para fora dos furos passantes térmicos, pois isso possivelmente causará soldagem vazia entre extremidade de soldagem central nua do QFN e pad central de dissipação térmica de PCB. Máscara de solda de furo passante primariamente vem em três tipos: máscara de solda superior, máscara de solda inferior e furo passante. Diâmetro de máscara de solda de furo passante deve ser 100μm maior que o do furo passante. Sugere-se que óleo de máscara de solda seja revestido para bloquear furos passantes no lado traseiro de PCB, o que pode gerar muitas cavidades no lado frontal do pad de dissipação térmica, o que é benéfico para liberação de gás durante o processo de solda de refluxo.

c. Design de Pad Térmico Central e Furo Passante

Como pad é projetado para dissipação térmica na parte central inferior de QFN, ele apresenta excelente desempenho térmico. Para conduzir calor eficientemente da parte interna de IC para placa de PCB, um pad térmico correspondente e furo passante de dissipação térmica têm que ser projetados no fundo de PCB. Pad térmico fornece área de soldagem confiável e furo passante de dissipação térmica fornece função de dissipação térmica.

Furos de ar serão gerados durante soldagem por pads grandes no fundo de componentes. Para reduzir número de furos de ar ao mínimo, furos passantes térmicos devem ser abertos no pad térmico, conduzindo calor rapidamente e benéfico para dissipação térmica. Número e design de tamanho de furos passantes térmicos dependem do campo de aplicação de encapsulamentos, extensão de potência de IC e requisito de desempenho elétrico.

• Design de Abertura de Stencil QFN

a. Design de Furo de Vazamento de Pad I/O Periférico

Design de abertura de stencil metálico geralmente conforma ao princípio de razão de área e razão largura-espessura, já que certo tipo de componente possivelmente aproveita o princípio de espessamento local ou afinamento local.

b. Design de Abertura de Pad Grande de Dissipação Térmica Central

Como pad de dissipação térmica central pertence a uma grande escala e gás tende a escapar com bolhas geradas. Se grande quantidade de pasta de solda for aplicada, mais furos de gás serão causados com numerosos defeitos gerados também, como respingo e esferas de solda, etc. Para reduzir número de furos de gás ao mínimo e obter quantidade ideal de pasta de solda durante design de pad grande de dissipação térmica, um array de furo de vazamento em malha é selecionado para substituir um grande furo de vazamento e cada pequeno furo de vazamento pode ser projetado para ser um círculo ou quadrado, cujo tamanho é ilimitado, desde que a quantidade de revestimento de pasta de solda esteja dentro da faixa de 50% a 80%.

c. Tipo de Stencil e Espessura

Design de abertura de pad de dissipação térmica de stencil metálico está diretamente associado com espessura de revestimento de pasta de solda, determinando altura de conexão de componentes montados.

Excelente Tecnologia de Impressão de Pasta de Solda

Elementos determinando qualidade de impressão de pasta de solda QFN principalmente incluem pasta de solda, pad de PCB, stencil metálico, impressora de pasta de solda e operações manuais.

Pasta de solda apresenta ingrediente muito mais complicado do que liga pura de estanho-chumbo, contendo partículas de liga de solda, fluxo, regulador reológico, agente de controle de viscosidade e solvente. Como componentes QFN são dispositivo sem terminais contendo um grande pad de dissipação térmica na parte central, requisito relativamente alto foi definido para viscosidade e tecnologia de controle de viscosidade. Viscosidade de pasta de solda não deve ser muito alta, pois viscosidade muito alta tornará difícil passar através de aberturas no stencil. Além disso, traços de impressão são incompletos com viscosidade baixa.

Quanto menores as partículas de pasta de solda, mais viscosa a pasta de solda será. Quanto maior a quantidade de partículas incluída, mais viscosa a pasta de solda será. Pasta de solda apresenta a viscosidade mais alta com partículas circulares e vice-versa. Quando se trata de impressão de espaçamento ultra-fino, pasta de solda com partículas mais finas tem que ser usada para adquirir melhor resolução de pasta de solda.

Impressão de pasta de solda é um processo tão complicado que contém tantos parâmetros técnicos, cada um dos quais trará muito dano se forem inadequadamente ajustados. Todos esses parâmetros principalmente incluem pressão do raspador, espessura de impressão, velocidade de impressão, método de impressão, parâmetro do raspador, velocidade de desmolde e frequência de limpeza de stencil. Quando o raspador apresenta pressão baixa, pasta de solda falhará em efetivamente chegar ao fundo da abertura do stencil e cair no pad. Quando o raspador apresenta pressão muito grande, pasta de solda será muito fina ou até danificará stencil. Espessamento adequado de impressão de pasta de solda é bom para melhorar a confiabilidade de montagem de componentes QFN.

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