Qu'est-ce qu'un boîtier QFN ?
Le boîtier Quad Flat No-Leads (QFN) est un type de boîtier à montage en surface caractérisé par sa forme carrée et l'absence de broches externes. Il comporte à la place des plots conducteurs (broches) pour les connexions électriques sur ses quatre côtés, avec des pas de broches typiques de 0,65 mm, 0,5 mm, 0,4 mm et 0,35 mm.
En raison de l'absence de broches externes, les boîtiers QFN ont un encombrement et une hauteur réduits par rapport aux boîtiers Quad Flat Packages (QFP). Le centre de la partie inférieure du boîtier QFN comporte un grand plot thermique exposé. Les boîtiers QFN ne comportent pas de broches en aile de mouette ; ils offrent à la place des chemins électriques courts entre les broches internes et les plots, ce qui se traduit par une faible auto-inductance et une faible résistance interne, garantissant d'excellentes performances électriques. Le pad thermique exposé sert de canal de dissipation thermique, ce qui rend les boîtiers QFN très efficaces en matière de dissipation thermique.
Structure du boîtier QFN
Examinons le boîtier QFN à connexion par fil, dont la structure interne est la suivante :
Moule et cadre en plomb
Le boîtier QFN comprend un moule entouré d'un cadre en alliage de cuivre recouvert d'une couche d'étain mat. Le matériau principal du cadre est le cuivre, et différents grades sont couramment utilisés, tels que A194, C7025 et FET64.
Composé de moulage
Le composé de moulage électrique est un composé de moulage en poudre composé de résine époxy comme résine de base, de résine phénolique haute performance comme agent de durcissement et de charges telles que la micropoudre de silicium, ainsi que divers additifs.
Matériau de placage
Le matériau de placage utilisé pour le plot exposé au bas du boîtier QFN est généralement de l'étain pur ou du nickel-palladium-or (NiPdAu). Il assure à la fois la connexion du circuit à la carte de circuit imprimé et un transfert thermique efficace. Un matériau époxy assure la connexion entre la puce et le plot.
Fixation de puce
Il existe deux types principaux : conducteurs et non conducteurs. Ces matériaux peuvent prendre différentes formes, notamment des adhésifs, des films de fixation de puces (DAF), des fils à souder et des pâtes à souder.
Fil de liaison
Les principaux types de fils de liaison sont le cuivre, l'or, l'argent et l'aluminium.
Avantages du boîtier QFN
Petite taille et poids léger
Par rapport à d'autres boîtiers tels que SOP et TQFP, le boîtier QFN offre des avantages significatifs en termes de taille et de poids. Le terme « efficacité du boîtier » fait référence au rapport entre la surface de la puce et la surface du boîtier, qui tend vers 1, indiquant une efficacité élevée. Alors que le boîtier SOP a une efficacité de 0,1 à 0,2, le boîtier QFN peut atteindre 0,3 à 0,4, voire 0,5 sans dissipateur thermique, ce qui souligne son efficacité élevée.
Le QFN est largement utilisé dans les appareils électroniques portables tels que les téléphones mobiles et les appareils photo en raison de son faible encombrement sur le circuit imprimé.
Excellentes performances thermiques
Les boîtiers QFN sont dotés d'un large plot situé dans leur partie inférieure qui peut être soudé directement sur le circuit imprimé. Ce plot fait office de dissipateur thermique, dissipant efficacement la chaleur générée par la puce pendant son fonctionnement, ce qui augmente la surface et la vitesse de dissipation thermique.
Performances électriques supérieures
Les boîtiers QFN ne comportent pas de fils externes, ce qui réduit la longueur des circuits électriques et diminue l'auto-inductance et la résistance du câblage interne, offrant ainsi des performances électriques supérieures.
Les boîtiers QFN offrent également une fiabilité et une rentabilité élevées.
Technologie de connexion pour boîtier QFN
Voici quelques techniques courantes d'encapsulation QFN : soudure par fil, puce retournée et connexion par clip.
Soudure par fil
- Définition : Le câblage est une méthode traditionnelle utilisée pour connecter la puce semi-conductrice au substrat du boîtier. Il utilise généralement des fils métalliques fins (tels que l'or ou l'aluminium) pour connecter les plots de la puce aux plots du boîtier ou du circuit imprimé.
- Relation avec le QFN : dans un boîtier QFN (Quad Flat No-lead), le câblage peut être utilisé pour connecter les pastilles de la puce aux pastilles de soudure du boîtier QFN. Cette méthode est souvent utilisée pour établir des connexions électriques entre la puce et le circuit imprimé, en particulier dans les applications à basse fréquence ou à faible puissance.
- Cas d'utilisation : il s'agit d'une technique d'encapsulation largement utilisée, en particulier dans les applications où des connexions plus petites et un assemblage plus rentable sont souhaités.
Chip à protubérance
- Définition : Le flip chip est une technique d'encapsulation dans laquelle la puce semi-conductrice est retournée et soudée directement au boîtier ou au circuit imprimé à l'aide de billes de soudure (ou bosses) au lieu des fils de connexion traditionnels. Il en résulte une connexion haute densité offrant de meilleures performances thermiques et électriques.
- Relation avec le QFN : bien que le QFN soit un boîtier sans fil, la technologie flip chip peut être utilisée dans une conception QFN, en particulier pour les connexions entre la puce et les pastilles du boîtier QFN. Dans ce cas, la puce est placée à l'envers (retournée) et directement fixée au substrat ou au boîtier.
- Cas d'utilisation : la puce retournée est généralement utilisée dans les applications hautes performances nécessitant des connexions à haute densité, telles que les circuits RF, les processeurs et autres composants électroniques haute fréquence ou haute puissance.
Connexion par clip
- Définition : La connexion par clip désigne une méthode dans laquelle un clip ou une pince physique est utilisé pour établir une connexion électrique ou thermique entre la puce et le boîtier ou le substrat. Cette méthode est moins courante dans les boîtiers QFN et est plus souvent utilisée dans les applications à haute puissance ou dans des industries spécifiques.
- Relation avec le QFN : la connexion par clip n'est pas une méthode couramment utilisée dans les boîtiers QFN. Cependant, elle peut être employée dans certains boîtiers QFN spéciaux, en particulier lorsqu'il est nécessaire de gérer un courant ou une puissance plus élevés, le clip offrant une connexion mécanique et électrique solide.
- Cas d'utilisation : cette méthode de connexion est utilisée dans les systèmes à haute puissance tels que l'électronique de puissance, les dispositifs de puissance à semi-conducteurs ou les situations où des connexions robustes et à faible résistance sont nécessaires.
Processus d'emballage QFN
Le processus d'encapsulation QFN comprend plusieurs étapes, notamment le meulage des plaquettes, le découpage, la fixation des puces, le câblage, l'encapsulation, le placage, le marquage et la séparation. Les quatre étapes clés sont les suivantes :
Étape 1 : Meulage des plaquettes
réduit l'épaisseur de la plaquette afin de l'adapter à l'espace limité disponible pour le boîtier QFN.
Étape 2 : Couper en dés
Le découpage sépare les puces individuelles de la plaquette.
Étape 3 : Fixation de la puce
place les puces séparées sur un support métallique, qui comporte les conducteurs nécessaires.
Étape 4 : Soudure par fil
relie les plots fonctionnels de la puce aux broches du boîtier à l'aide d'une soudeuse automatique.
Étape 5 : Encapsulation
protège la puce et le support métallique en les enrobant dans de la résine époxy.
Étape 6 : Placage
applique une couche d'étain sur les fils de cuivre afin d'empêcher leur oxydation.
Étape 7 : Marquage
étiqueter la puce avec les noms des produits, les logos des clients et les informations relatives aux lots.
Étape 8 : Séparation
La séparation découpe les emballages finis en unités individuelles.
Directives de conception des empreintes QFN
Lors de la conception de l'empreinte PCB pour un composant QFN (Quad Flat No-lead), il est essentiel de garantir une disposition précise et efficace afin d'éviter tout problème lors du processus de soudage et d'assurer des performances électriques et thermiques optimales. Voici une analyse détaillée basée sur le contenu de référence que vous avez fourni, couvrant les aspects clés de la conception d'empreintes QFN :
Pas QFN courant et exemple
Les composants QFN ont généralement des pas de 0,5 mm, 0,4 mm et 0,35 mm. À titre d'illustration, concentrons-nous sur un composant QFN à pas de 0,5 mm. La fiche technique de ces composants indique souvent les dimensions du composant dans une plage (par exemple, 0,20 à 0,30 mm), la valeur la plus courante étant généralement 0,25 ± 0,05 mm. Dans la pratique, les fabricants ont tendance à exagérer les tolérances pour se protéger, mais il est important de noter que les dimensions réelles peuvent être moins importantes que celles indiquées.
Conception recommandée de l'empreinte du circuit imprimé
La conception de l'empreinte PCB pour un composant QFN nécessite de prendre en compte plusieurs facteurs :
Largeur minimale des pastilles : le fabricant peut recommander une largeur de pastille de 0,3 mm, mais selon les meilleures pratiques, une largeur de 0,27 mm est suggérée. Une largeur de pastille plus importante pourrait augmenter le risque de ponts de soudure entre les pastilles, en particulier lorsque la conception du pochoir (sérigraphie) n'est pas correctement optimisée. De plus, la largeur de la pastille ne doit pas être inférieure à la largeur du conducteur du composant QFN lui-même (généralement 0,25 mm).
Longueur du plot : la longueur recommandée pour les plots est généralement de 0,8 mm, ce qui est acceptable. Par exemple, si la largeur totale du boîtier est de 3 mm et que la longueur du plot externe est de 3,7 mm, en soustrayant la largeur du boîtier (3 mm) et en divisant par 2, on obtient une extension de 0,35 mm de chaque côté. Cette longueur ne doit pas dépasser cette valeur afin d'éviter toute interférence avec les composants voisins, en particulier le plot central de dissipation thermique.
Taille du tampon dissipateur thermique : le tampon dissipateur thermique central doit correspondre aux dimensions du tampon thermique du composant, souvent d'environ 1,65 mm. La taille n'a pas besoin d'être supérieure à celle recommandée par le fabricant, mais doit être conçue avec un coin arrondi (en particulier pour la dissipation thermique) afin d'améliorer les performances thermiques.
Conception de vias thermiques pour la dissipation thermique
Les QFN ont souvent de grands dissipateurs thermiques centraux qui doivent être connectés à plusieurs couches de cuivre pour une dissipation thermique efficace. Dans la conception des circuits imprimés :
Taille des vias thermiques : pour un circuit imprimé de 1,6 mm d'épaisseur, l'idéal est d'utiliser des vias d'un diamètre de 0,3 mm. Les vias ne doivent pas être trop grands, car cela peut entraîner des fuites de pâte à souder pendant la refusion. De même, ils ne doivent pas être trop petits, car cela peut causer des problèmes de perçage ou une conductivité thermique insuffisante. La distance entre les vias doit être soigneusement étudiée afin d'éviter toute complication lors du processus de conception du pochoir.
Nombre et espacement des vias : pour dissiper efficacement la chaleur, les vias doivent être espacés de manière uniforme sur le pad thermique. Cependant, un espacement trop étroit entre les vias peut entraîner des complications lors de la conception du pochoir, ce qui peut causer des problèmes lors du processus de soudage. Veillez à laisser un espacement suffisant entre les vias afin de permettre un dépôt correct de la pâte à souder et d'éviter les ponts de soudure.
Considérations relatives à la conception des pochoirs
Épaisseur du pochoir : pour un composant QFN à pas de 0,5 mm, l'épaisseur recommandée pour le pochoir est généralement de 0,13 mm. Cette épaisseur garantit un bon équilibre entre le volume de pâte à souder et la capacité d'écoulement pendant le soudage par refusion.
Ouverture du tampon pour le pochoir : L'ouverture du pochoir doit être légèrement plus étroite que la largeur du tampon afin de tenir compte de l'expansion de la pâte à souder. Comme mentionné précédemment, une largeur de tampon de 0,27 mm doit correspondre à une largeur d'ouverture du pochoir comprise entre 0,22 mm et 0,24 mm, ce qui garantit un volume de pâte à souder suffisant tout en évitant un excès de pâte qui pourrait entraîner des ponts de soudure.
Longueur et ouvertures des pastilles : la longueur des pastilles pour le pochoir doit être ajustée de 0,1 mm vers l'intérieur, et l'extension pour les pastilles extérieures peut varier de 0,15 mm à 0,25 mm. L'objectif est d'assurer une couche de pâte uniforme sans excès, en particulier sur les pastilles plus petites.
Ouverture du tampon thermique : pour le grand tampon thermique, l'ouverture du pochoir peut être plus petite que la taille réelle du tampon, généralement environ 40 à 60 % de la surface totale. Il est essentiel de créer un motif en grille ou en « hachures » (par exemple, des hachures croisées ou une grille carrée) pour permettre à la pâte à souder de s'écouler uniformément tout en évitant un excès ou une insuffisance de pâte. De plus, les ouvertures doivent être conçues avec soin afin d'éviter tout chevauchement des vias, ce qui pourrait entraîner une fuite potentielle de pâte à souder.
Erreurs courantes et meilleures pratiques
Ignorer la tolérance dans la conception de l'empreinte : souvent, les ingénieurs copient aveuglément les dimensions d'empreinte recommandées par le fabricant dans la fiche technique sans se demander si ces dimensions sont optimisées pour le soudage et les performances électriques. Il est essentiel de vérifier les dimensions à l'aide d'outils de mesure, tels que des compas, avant de finaliser la conception du circuit imprimé.
Conception excessive des pastilles : certains concepteurs commettent l'erreur d'agrandir la taille des pastilles pour compenser les tolérances de fabrication, mais cela peut entraîner plus de problèmes que cela n'en résout, tels que des ponts entre les pastilles et un risque accru de courts-circuits pendant le processus de refusion.
Dissipation thermique insuffisante : ne pas accorder suffisamment d'attention à la conception des vias thermiques et de la dissipation thermique peut entraîner une surchauffe du circuit intégré, ce qui peut entraîner une défaillance ou un dysfonctionnement. Il est essentiel de s'assurer qu'il y a suffisamment de vias sous le plot thermique et une surface de cuivre suffisante pour la mise à la terre afin de maintenir le composant à une température acceptable et de le faire fonctionner dans des limites sûres.
Applications des boîtiers QFN
Les boîtiers QFN sont largement utilisés dans :
- Produits de télécommunication
- Téléphones cellulaires
- Réseaux locaux sans fil
- Produits portables
- Assistants numériques personnels (PDA)
- Appareils photo numériques
- Boîtiers à faible ou moyen nombre de broches
- Appareils informatiques
Choisir le boîtier QFN adapté
Le choix du boîtier QFN dépend de divers facteurs, notamment :
- Contraintes d'espace : les boîtiers QFN minces et ultra-minces sont les mieux adaptés aux applications où l'espace est limité.
- Besoins en matière de gestion thermique : les boîtiers avec des plots thermiques exposés ou plusieurs vias thermiques sont idéaux pour les composants sensibles à la chaleur.
- Fiabilité : les boîtiers tels que les SWF QFN permettent une meilleure inspection, ce qui les rend idéaux pour les applications à haute fiabilité où la qualité des joints de soudure est essentielle.
- Considérations relatives à l'assemblage et à la fabrication : certains QFN, tels que ceux avec des flancs mouillables ou des conceptions à pastilles de connexion, simplifient l'assemblage et améliorent la durabilité mécanique.
