Otimizando Montagem de PCB: Diretrizes de Design de Stencil para Componentes QFN

Encapsulamento QFN

Anos recentes testemunharam amplas aplicações de componentes de encapsulamento QFN (Quad Flat No-lead) devido às suas vantagens abrangentes, incluindo excelente desempenho elétrico e térmico, peso leve e tamanho pequeno. Como encapsulamento sem terminais, componentes QFN receberam numerosos focos da indústria, já que apresentam baixa indutância entre terminais. Componentes de encapsulamento QFN apresentam quadrado ou retângulo, cujas formas de encapsulamento são similares às de componentes de encapsulamento BGA (Ball Grid Array). Diferente de BGA, QFN não tem esferas de solda no lado inferior e sua conexão elétrica e mecânica com outros componentes é alcançada através de juntas de solda que são geradas através de solda de refluxo antes da qual pasta de solda tem que ser impressa em pads que estão na superfície da placa de circuito impresso (PCB).

Impressão de pasta de solda é uma fase tão significativa durante o processo de PCBA (Printed Circuit Board Assembly) que determinará ainda mais a qualidade final e desempenho da montagem. Impressão de pasta de solda nunca pode ser feita de forma suave ou precisa, a menos que stencils apropriados sejam projetados e usados, e é por isso que este artigo é gerado.

Design de Stencil

Impressão de pasta de solda desempenha um papel tão essencial em montagem de montagem superficial (SMA) e tecnologia de montagem eletrônica que qualidade de impressão de pasta de solda através de stencil está diretamente associada com First Time Yield (FTY) de soldagem de componentes elétricos/eletrônicos de montagem superficial. Conclui-se que 60% a 70% de defeitos de soldagem derivam de baixa qualidade de impressão de pasta de solda realizada através de stencil. Portanto, é necessário implementar estudo abrangente em todos os aspectos concernentes a impressão de pasta de solda através de tecnologia de stencil.

Quando se trata de design de stencil, abertura excelente é o primeiro elemento garantindo juntas de soldagem ideais e confiáveis.

• Design de Frame de Stencil

Frame de stencil é geralmente feito de liga de alumínio com seu tamanho sendo compatível com parâmetros de impressora. Fabricação automática requer que stencil tenha que ir para linha de produção e o tamanho do stencil tem que ser aceito pela impressora. Nem tamanho muito grande nem muito pequeno pode empurrar fabricação suave.

• Design de Estiramento de Stencil

Estiramento refere-se ao processo durante o qual chapa de stencil de aço inoxidável é colada ao frame. Cola e fita de alumínio são geralmente usadas no estiramento. Agente de cola é primeiro revestido na conexão de frame de liga de alumínio e chapa de stencil de aço inoxidável e então um revestimento protetor é uniformemente raspado. Durante processo de estiramento, uma distância interna de 25mm a 50mm precisa ser deixada entre chapa de stencil de aço inoxidável e frame para garantir excelente planicidade e estiramento durante impressão de pasta de solda. Um stencil recém-fabricado deve manter a tensão na faixa de 40 a 50N por centímetro.

• Design de Marca Fiducial de Stencil

Posicionamento automático deve ser realizado por impressora durante linha de fabricação automática, de modo que stencil precisa conter marcas fiduciais. Design de marca fiducial é baseado em dimensões de marcas no arquivo Gerber de PCB e então abertura é definida na razão de 1:1 com corrosão realizada no verso do stencil. Em geral, pelo menos duas marcas fiduciais são requeridas em um stencil em dois ângulos opostos.

• Design de Stencil para Pads I/O ao Redor de Componentes QFN

Tamanho de abertura de stencil deve ser equivalente ao de pads I/O periféricos, de modo que tal tamanho de abertura é capaz de garantir que juntas de solda possam ser formadas com uma altura de pasta de solda de 50 a 75μm após solda de refluxo ao redor do pad. Quando se trata de componentes QFN de linha fina, especialmente aqueles cujo pitch I/O é menor que 0,4mm, largura de abertura de stencil deve ser reduzida um pouco do que pads de PCB para evitar ponte entre pads I/O ambientes. Razão de abertura de stencil entre largura e espessura (W/T) deve ser maior que 1,5.

• Design de Stencil para Pads Centrais de Dissipação Térmica de Componentes QFN

Design inadequado de abertura de pad central para dissipação térmica causará todos os tipos de defeitos. Quando componentes QFN estão passando por solda de refluxo, pasta de solda em pads grandes será derretida com fluxo de fusão gerando algum ar correndo por cima, levando a questões como furos de ar, microfuros, respingo de solda e esferas de solda. Embora seja quase impossível eliminar essas questões, seu mau efeito pode ser reduzido através de algumas medidas. Por exemplo, array de abertura de malha múltipla pequena é escolhido em vez de uma grande abertura. A forma de cada pequena abertura pode ser tanto círculo quanto quadrado, desde que 50% a 80% dos pads para dissipação de calor central sejam cobertos por pasta de solda, o que garantirá uma altura de pasta de solda de 50 a 75μm.

• Categoria de Stencil e Espessura de Stencil

Material de stencil é sugerido ser aço inoxidável, enquanto método de corrosão é sugerido ser corte a laser. Polimento eletrolítico é realizado na parede do furo para que a parede do furo será lisa com atrito reduzido, benéfico para desmolde e molde de pasta de solda.

Espessura de stencil desempenha papel decisivo na quantidade de pasta de solda impressa em PCB. Tanto pasta de solda demais quanto de menos levarão a geração de defeitos durante solda de refluxo. Pasta de solda demais tende a causar ponte, enquanto pasta de solda de menos tende a causar soldagem aberta. Sugere-se que componentes QFN de linha fina (pitch é 0,4mm abaixo) dependam de stencils com espessura na faixa de 0,12mm a 0,13mm e componentes QFN de espaçamento alto (pitch é 0,4mm acima) dependam de stencils com espessura na faixa de 0,15mm a 0,2mm.

• Inspeção de Stencil

Stencil deve ser cuidadosamente inspecionado antes da montagem SMT autêntica com os seguintes itens de inspeção:
a. Inspeção visual deve ser escolhida para inspecionar a planicidade do estiramento e garantir que a abertura está localizada no centro do stencil.
b. Inspeção visual deve ser escolhida para garantir que posições de abertura de stencil são compatíveis com pads de PCB.
c. Tamanho de abertura de stencil (comprimento, largura) deve ser inspecionado.
d. Microscópio é usado para inspecionar a lisura da parede do furo de abertura e superfície do stencil.
e. Tensiômetro é aproveitado para medir tensão do stencil.
f. Espessura de stencil deve ser validada através de resultado de impressão de pasta de solda.

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