O que é um pacote QFN?
O Quad Flat No-Leads Package (QFN) é um tipo de embalagem de montagem em superfície caracterizada pela sua forma quadrada e pela ausência de terminais externos. Em vez disso, possui almofadas condutoras (pinos) para ligações elétricas ao longo dos seus quatro lados, com distâncias típicas entre pinos de 0,65 mm, 0,5 mm, 0,4 mm e 0,35 mm.
Devido à ausência de terminais externos, as embalagens QFN têm uma pegada e altura menores em comparação com as embalagens Quad Flat (QFP). O centro da parte inferior da embalagem QFN possui uma grande almofada térmica exposta. As embalagens QFN não possuem terminais em forma de asa de gaivota; em vez disso, oferecem caminhos elétricos curtos entre os pinos internos e as almofadas, resultando em baixa autoindutância e resistência de linha interna, o que proporciona excelente desempenho elétrico. A almofada térmica exposta serve como um canal de dissipação de calor, tornando os pacotes QFN altamente eficientes na dissipação de calor.
Estrutura da embalagem QFN
Vejamos o pacote QFN com ligação por fio, cuja estrutura interna é a seguinte:
Molde e estrutura de chumbo
A embalagem QFN inclui um molde rodeado por uma estrutura de chumbo feita de liga de cobre com um revestimento de estanho mate. O principal material da estrutura de chumbo é o cobre, com diferentes graus normalmente utilizados, tais como A194, C7025 e FET64.
Composto de moldagem
O composto de moldagem elétrico é um composto de moldagem em pó composto por resina epóxi como resina base, resina fenólica de alto desempenho como agente de cura e enchimentos, tais como micropó de silício, juntamente com vários aditivos.
Material de revestimento
O material de revestimento da almofada exposta na parte inferior da embalagem QFN é geralmente estanho puro ou níquel-paládio-ouro (NiPdAu). Ele fornece conexão do circuito à placa de circuito impresso (PCB) e transferência de calor eficaz. O material epóxi fixa a conexão entre o chip e a almofada.
Fixação da matriz
Existem dois tipos principais: condutores e não condutores. Esses materiais podem assumir várias formas, incluindo adesivos, película de fixação de matriz (DAF), fio de solda e pasta de solda.
Fio de ligação
Os principais tipos de fios de ligação incluem cobre, ouro, prata e alumínio.
Vantagens da embalagem QFN
Tamanho pequeno e peso leve
Em comparação com outros pacotes, como SOP e TQFP, o QFN oferece vantagens significativas em termos de tamanho e peso. O termo "eficiência do pacote" refere-se à relação entre a área do chip e a área do pacote, que se aproxima de 1, indicando alta eficiência. Enquanto o SOP tem uma eficiência de pacote de 0,1-0,2, o QFN pode atingir 0,3-0,4 e até 0,5 sem uma almofada térmica, destacando sua alta eficiência.
O QFN é amplamente utilizado em dispositivos eletrônicos portáteis, como telefones celulares e câmeras, devido à sua pequena necessidade de espaço na placa de circuito impresso (PCB).
Excelente desempenho térmico
Os pacotes QFN apresentam uma grande almofada na parte inferior que pode ser soldada diretamente na placa de circuito. Essa almofada funciona como um dissipador de calor, dissipando eficazmente o calor gerado pelo chip durante a operação, aumentando a área e a velocidade de dissipação de calor.
Desempenho elétrico superior
Os pacotes QFN não possuem terminais externos, o que resulta em caminhos elétricos mais curtos e menor autoindutância e resistência interna da fiação, proporcionando assim um desempenho elétrico superior.
O QFN também oferece alta confiabilidade e economia.
Tecnologia de conexão para pacote QFN
Aqui estão algumas técnicas comuns de embalagem QFN: Wire Bonding, Flip Chip e Clip Connection.
Ligação por fio
- Definição: A ligação por fio é um método tradicional utilizado para ligar o chip semicondutor ao substrato da embalagem. Normalmente, utiliza fios metálicos finos (como ouro ou alumínio) para ligar as almofadas do chip às almofadas da embalagem ou PCB.
- Relação com QFN: Em um pacote QFN (Quad Flat No-lead), a ligação por fio pode ser usada para conectar as almofadas do chip às almofadas de solda do pacote QFN. Esse método é frequentemente usado para estabelecer conexões elétricas do chip à PCB, especialmente em aplicações de baixa frequência ou baixa potência.
- Caso de uso: Esta é uma técnica de embalagem amplamente utilizada, particularmente em aplicações onde são desejados tamanhos de conexão menores e montagem mais econômica.
Chip invertido
- Definição: Flip chip é uma técnica de embalagem em que o chip semicondutor é virado e soldado diretamente à embalagem ou PCB usando bolas de solda (ou saliências) em vez das tradicionais ligações de fio. Isso resulta em uma conexão de alta densidade com melhor desempenho térmico e elétrico.
- Relação com QFN: Embora QFN seja uma embalagem sem chumbo, a tecnologia flip chip pode ser usada em um projeto QFN, particularmente para as conexões entre o chip e as almofadas da embalagem QFN. Nesse caso, o chip é colocado de cabeça para baixo (virado) e fixado diretamente ao substrato ou embalagem.
- Caso de uso: O flip chip é normalmente usado em aplicações de alto desempenho que exigem conexões de alta densidade, como circuitos de RF, processadores e outros componentes eletrônicos de alta frequência ou alta potência.
Conexão de clipe
- Definição: A conexão por clipe refere-se a um método em que um clipe ou grampo físico é usado para estabelecer uma conexão elétrica ou térmica entre o chip e o pacote ou substrato. Esse método é menos comum em pacotes QFN e é mais frequentemente usado em aplicações de alta potência ou indústrias específicas.
- Relação com QFN: A conexão por clipe não é um método típico usado em pacotes QFN. No entanto, ela pode ser empregada em certos pacotes QFN especiais, especialmente quando há necessidade de lidar com corrente ou potência mais altas, onde o clipe fornece uma conexão mecânica e elétrica forte.
- Caso de uso: Este método de conexão é usado em sistemas de alta potência, como eletrônica de potência, dispositivos semicondutores de potência ou situações em que são necessárias conexões robustas e de baixa resistência.
Processo de embalagem QFN
O processo de embalagem QFN consiste em várias etapas, incluindo moagem de wafer, corte, fixação de die, ligação de fios, encapsulamento, revestimento, marcação e separação. As quatro etapas principais são:
Passo 1: Moagem de wafer
reduz a espessura da pastilha para se adequar ao espaço limitado para embalagem QFN.
Passo 2: Cortar em cubos
O corte em cubos separa os chips individuais da pastilha.
Passo 3: Fixação do chip
coloca os chips separados em um suporte metálico, que possui os condutores necessários.
Etapa 4: Ligação por fio
conecta as almofadas funcionais do chip aos terminais da embalagem usando um soldador automático.
Passo 5: Encapsulamento
protege o chip e o suporte metálico, envolvendo-os em resina epóxi.
Passo 6: Revestimento
aplica uma camada de estanho aos fios de cobre para evitar a oxidação.
Passo 7: Marcação
rotular o chip com nomes de produtos, logotipos de clientes e informações sobre lotes.
Passo 8: Separação
A separação corta as embalagens concluídas em unidades individuais.
Diretrizes de design de footprint QFN
Ao projetar a área de contato da placa de circuito impresso (PCB) para um componente QFN (Quad Flat No-lead), é fundamental garantir um layout preciso e eficaz para evitar problemas no processo de soldagem e garantir um desempenho elétrico e térmico ideal. Aqui está uma análise detalhada com base no conteúdo de referência que você forneceu, cobrindo os principais aspectos do projeto da área de contato QFN:
Passo QFN comum e exemplo
Os componentes QFN normalmente vêm em espaçamentos de 0,5 mm, 0,4 mm e 0,35 mm. Para ilustrar, vamos nos concentrar em um componente QFN com espaçamento de 0,5 mm. A ficha técnica desses componentes geralmente fornece as dimensões do componente em um intervalo (por exemplo, 0,20–0,30 mm), onde o valor mais comum pode ser 0,25±0,05 mm. Na prática, os fabricantes tendem a exagerar as tolerâncias para se protegerem, mas é importante observar que as dimensões reais podem não ser tão amplas quanto as listadas.
Design recomendado para a área ocupada pela placa de circuito impresso
O projeto da área ocupada pela placa de circuito impresso (PCB) para um componente QFN requer uma análise cuidadosa de vários fatores:
Largura pequena da almofada: O fabricante pode recomendar uma largura de almofada de 0,3 mm, mas com base nas melhores práticas, sugere-se uma largura de 0,27 mm. Uma largura maior da almofada pode aumentar o risco de pontes de solda entre as almofadas, especialmente quando o design do estêncil (serigrafia) não está devidamente otimizado. Além disso, a largura da almofada não deve ser menor do que a largura do lead do próprio componente QFN (normalmente 0,25 mm).
Comprimento da almofada: O comprimento recomendado da almofada é geralmente 0,8 mm, o que é aceitável. Por exemplo, se a largura total da embalagem for 3 mm e o comprimento externo da almofada for 3,7 mm, subtraindo a largura da embalagem (3 mm) e dividindo por 2, obtém-se uma extensão de 0,35 mm para cada lado. Esse comprimento não deve exceder esse valor para evitar interferência com componentes próximos, particularmente a almofada central de dissipação de calor.
Tamanho da almofada do dissipador de calor: A almofada do dissipador de calor central deve corresponder às dimensões da almofada térmica do componente, geralmente em torno de 1,65 mm. O tamanho não precisa ser maior do que a recomendação do fabricante, mas deve ser projetado com um canto arredondado (especialmente para dissipação de calor) para melhorar o desempenho térmico.
Projeto de via térmica para dissipação de calor
Os QFNs geralmente têm grandes almofadas térmicas centrais que precisam ser conectadas a várias camadas de cobre para uma dissipação de calor eficiente. No projeto de PCB:
Tamanho da via térmica: Para uma PCB com 1,6 mm de espessura, o ideal é usar vias com um diâmetro de orifício de 0,3 mm. As vias não devem ser muito grandes, pois isso pode causar vazamento da pasta de solda durante o refluxo. Da mesma forma, elas não devem ser muito pequenas, pois isso pode causar problemas de perfuração ou condutividade térmica insuficiente. A distância entre as vias deve ser cuidadosamente considerada para evitar complicações durante o processo de design do estêncil.
Contagem e espaçamento das vias: Para dissipar o calor de forma eficaz, as vias devem ser espaçadas uniformemente pela almofada térmica. No entanto, colocar as vias muito próximas umas das outras pode causar complicações no design do estêncil, levando a potenciais problemas durante o processo de soldagem. Garanta um espaçamento suficiente entre as vias para permitir a deposição adequada da pasta de solda e evitar pontes de solda.
Considerações sobre o design do estêncil
Espessura do estêncil: Para um componente QFN com passo de 0,5 mm, a espessura recomendada do estêncil é normalmente de 0,13 mm. Essa espessura garante um bom equilíbrio entre o volume da pasta de solda e a capacidade de fluir durante a soldagem por refluxo.
Abertura da almofada para o estêncil: A abertura do estêncil deve ser ligeiramente mais estreita do que a largura da almofada para compensar a expansão da pasta de solda. Conforme mencionado anteriormente, uma largura de almofada de 0,27 mm deve corresponder a uma largura de abertura do estêncil entre 0,22 mm e 0,24 mm, garantindo volume suficiente de pasta de solda e evitando o excesso de pasta que poderia levar a pontes de solda.
Comprimento e aberturas da almofada: O comprimento da almofada para o estêncil deve ser ajustado em 0,1 mm para dentro, e a extensão para as almofadas externas pode variar de 0,15 mm a 0,25 mm. O objetivo é garantir uma camada uniforme de pasta sem excesso, especialmente nas almofadas menores.
Abertura da almofada térmica: Para a almofada térmica grande, a abertura do estêncil pode ser menor do que o tamanho real da almofada, normalmente cerca de 40-60% da área total. É essencial criar um padrão de grade ou "hachura" (por exemplo, uma hachura cruzada ou grade quadrada) para permitir que a pasta de solda flua uniformemente, evitando solda excessiva ou pasta insuficiente. Além disso, as aberturas devem ser projetadas com cuidado para evitar a sobreposição de vias, o que levaria a um possível vazamento da pasta de solda.
Erros comuns e melhores práticas
Ignorar a tolerância no projeto da pegada: Frequentemente, os engenheiros copiam cegamente os tamanhos de pegada recomendados pelo fabricante na ficha técnica, sem considerar se as dimensões são otimizadas para soldagem e desempenho elétrico. É essencial confirmar as dimensões usando ferramentas de medição, como calibradores, antes de finalizar o projeto da PCB.
Projeto excessivo de almofadas: Alguns projetistas cometem o erro de aumentar os tamanhos das almofadas para compensar as tolerâncias de fabricação, mas isso pode causar mais problemas do que resolver, como pontes entre almofadas e um risco aumentado de curtos-circuitos durante o processo de refluxo.
Dissipação de calor insuficiente: Não prestar atenção suficiente às vias térmicas e ao projeto de dissipação de calor pode levar ao superaquecimento do IC, resultando em falha ou mau funcionamento. Garantir que haja vias adequadas sob a almofada térmica e área de cobre suficiente para aterramento é fundamental para manter o componente resfriado e operando dentro dos limites de segurança.
Aplicações da embalagem QFN
A embalagem QFN é amplamente utilizada em:
- Produtos de telecomunicações
- Telefones celulares
- LAN sem fio
- Produtos portáteis
- Assistentes digitais pessoais (PDAs)
- Câmeras digitais
- Embalagens com contagem de chumbo baixa a média
- Aparelhos de informação
Escolhendo o pacote QFN certo
A escolha do pacote QFN depende de vários fatores, incluindo:
- Restrições de espaço: QFNs finos e ultrafinos são os melhores para aplicações com espaço limitado.
- Necessidades de gerenciamento térmico: Pacotes com almofadas térmicas expostas ou múltiplas vias térmicas são ideais para componentes sensíveis ao calor.
- Confiabilidade: pacotes como o SWF QFN permitem uma melhor inspeção, tornando-os ideais para aplicações de alta confiabilidade, nas quais a qualidade da junta de solda é fundamental.
- Considerações de montagem e fabricação: Alguns QFNs, como aqueles com flancos laterais molháveis ou designs lead-on-pad, simplificam a montagem e melhoram a durabilidade mecânica.
