Что такое корпус QFN?
Квадратный плоский корпус без выводов (QFN) — это корпус для поверхностного монтажа, который отличается квадратной формой и отсутствием внешних выводов. Вместо этого он имеет проводящие контакты (выводы) для электрических соединений по четырем сторонам, с типичным шагом выводов 0,65 мм, 0,5 мм, 0,4 мм и 0,35 мм.
Благодаря отсутствию внешних выводов корпуса QFN имеют меньшую площадь и высоту по сравнению с корпусами Quad Flat Packages (QFP). В центре нижней части корпуса QFN имеется большая открытая тепловая площадка. Корпуса QFN не имеют выводов типа «крыло чайки»; вместо этого они обеспечивают короткие электрические пути между внутренними контактами и площадками, что приводит к низкой самоиндукции и внутреннему сопротивлению линии, что обеспечивает отличные электрические характеристики. Открытая тепловая площадка служит каналом для отвода тепла, благодаря чему корпуса QFN обеспечивают высокую эффективность теплоотвода.
Структура корпуса QFN
Давайте рассмотрим корпус QFN с проволочной сваркой, его внутренняя структура выглядит следующим образом:
Форма и свинцовая рамка
Корпус QFN включает в себя форму, окруженную свинцовой рамой из медного сплава с матовым оловянным покрытием. Основным материалом свинцовой рамы является медь, обычно используются различные марки, такие как A194, C7025 и FET64.
Формовочная смесь
Электрическая формовочная смесь представляет собой порошкообразную формовочную смесь, состоящую из эпоксидной смолы в качестве базовой смолы, высокоэффективной фенольной смолы в качестве отвердителя и наполнителей, таких как микропорошок кремния, а также различных добавок.
Материал покрытия
Материалом для покрытия открытой площадки на нижней стороне корпуса QFN обычно является чистое олово или никель-палладий-золото (NiPdAu). Оно обеспечивает как соединение с печатной платой, так и эффективную теплопередачу. Эпоксидный материал обеспечивает надежное соединение между чипом и площадкой.
Крепление матрицы
Существует два основных типа: проводящие и непроводящие. Эти материалы могут иметь различные формы, включая клеи, пленку для крепления микросхем (DAF), припойную проволоку и припойную пасту.
Связующий провод
Основные типы соединительных проволок включают медь, золото, серебро и алюминий.
Преимущества корпуса QFN
Небольшой размер и легкий вес
По сравнению с другими корпусами, такими как SOP и TQFP, QFN предлагает значительные преимущества по размеру и весу. Термин «эффективность корпуса» относится к соотношению площади чипа к площади корпуса, приближающемуся к 1, что указывает на высокую эффективность. В то время как SOP имеет эффективность корпуса 0,1-0,2, QFN может достигать 0,3-0,4 и даже 0,5 без тепловой прокладки, что подчеркивает его высокую эффективность.
QFN широко используется в портативных электронных устройствах, таких как мобильные телефоны и камеры, благодаря небольшому пространству, необходимому на печатной плате.
Отличные тепловые характеристики
Корпуса QFN имеют большую площадку в нижней части, которую можно припаять непосредственно к печатной плате. Эта площадка выполняет функцию радиатора, эффективно отводя тепло, выделяемое микросхемой во время работы, и увеличивая площадь и скорость теплоотвода.
Превосходные электрические характеристики
Корпуса QFN не имеют внешних выводов, что приводит к сокращению электрических путей и снижению самоиндукции и сопротивления внутренней проводки, обеспечивая таким образом превосходные электрические характеристики.
Корпуса QFN также отличаются высокой надежностью и экономичностью.
Технология соединения для корпуса QFN
Вот некоторые распространенные методы упаковки QFN: проволочная сварка, флип-чип и зажимное соединение.
Проволочная сварка
- Определение: Проволочная сварка — это традиционный метод, используемый для соединения полупроводникового чипа с подложкой корпуса. Обычно для соединения контактных площадок чипа с контактными площадками корпуса или печатной платы используются тонкие металлические проволоки (например, из золота или алюминия).
- Связь с QFN: В корпусе QFN (Quad Flat No-lead) проволочное соединение может использоваться для соединения контактных площадок чипа с контактными площадками корпуса QFN. Этот метод часто используется для установления электрических соединений от чипа к печатной плате, особенно в приложениях с более низкой частотой или меньшей мощностью.
- Пример использования: это широко используемая технология упаковки, особенно в приложениях, где требуются меньшие размеры соединений и более экономичная сборка.
Флип-чип
- Определение: Флип-чип — это технология упаковки, при которой полупроводниковый чип переворачивается и припаивается непосредственно к корпусу или печатной плате с помощью шариков припоя (или выпуклостей) вместо традиционных проволочных соединений. Это обеспечивает высокую плотность соединения с лучшими тепловыми и электрическими характеристиками.
- Связь с QFN: Хотя QFN является бесконтактным корпусом, технология флип-чипа может использоваться в конструкции QFN, особенно для соединений между чипом и контактными площадками корпуса QFN. В этом случае чип размещается в перевернутом положении (флип) и прикрепляется непосредственно к подложке или корпусу.
- Пример использования: Флип-чип обычно используется в высокопроизводительных приложениях, требующих соединений с более высокой плотностью, таких как радиочастотные схемы, процессоры и другая высокочастотная или высокомощная электроника.
Клипсовое соединение
- Определение: Клипсовое соединение — это метод, при котором физический зажим или хомут используется для установления электрического или теплового соединения между микросхемой и корпусом или подложкой. Этот метод менее распространен в корпусах QFN и чаще используется в приложениях с высокой мощностью или в определенных отраслях промышленности.
- Связь с QFN: Клипсовое соединение не является типичным методом, используемым в корпусах QFN. Однако оно может применяться в некоторых специальных корпусах QFN, особенно когда необходимо обрабатывать более высокий ток или мощность, где клипса обеспечивает прочное механическое и электрическое соединение.
- Пример использования: этот метод соединения используется в системах высокой мощности, таких как силовая электроника, полупроводниковые силовые устройства, или в ситуациях, когда требуются надежные соединения с низким сопротивлением.
Процесс упаковки QFN
Процесс упаковки QFN состоит из нескольких этапов, включая шлифовку пластин, нарезку, крепление кристаллов, проволочную сварку, герметизацию, гальваническое покрытие, маркировку и разделение. Четыре ключевых этапа:
Шаг 1: Шлифование пластин
уменьшает толщину пластины, чтобы она помещалась в ограниченное пространство корпуса QFN.
Шаг 2: Нарезка кубиками
Нарезка разделяет отдельные чипы от пластины.
Шаг 3: Крепление кристалла
размещает отделенные микросхемы на металлическом носителе, который имеет необходимые выводы.
Шаг 4: Проволочная сварка
соединяет функциональные контакты микросхемы с выводами корпуса с помощью автоматического проволочного соединителя.
Шаг 5: Инкапсуляция
защищает чип и металлический носитель, покрывая их эпоксидной смолой.
Шаг 6: Покрытие
наносит слой олова на медные выводы для предотвращения окисления.
Шаг 7: Маркировка
маркировать чип названиями продуктов, логотипами клиентов и информацией о партии.
Шаг 8: Разделение
Разделение разрезает готовые упаковки на отдельные единицы.
Рекомендации по проектированию QFN-корпусов
При проектировании посадочного места на печатной плате для компонента QFN (Quad Flat No-lead) очень важно обеспечить точное и эффективное расположение, чтобы избежать проблем в процессе пайки и обеспечить оптимальные электрические и тепловые характеристики. Ниже приводится подробная разбивка на основе предоставленного вами справочного материала, охватывающая ключевые аспекты проектирования посадочного места QFN:
Общий шаг QFN и пример
Компоненты QFN обычно имеют шаг 0,5 мм, 0,4 мм и 0,35 мм. Для наглядности рассмотрим компонент QFN с шагом 0,5 мм. В техническом паспорте таких компонентов часто указываются размеры компонента в диапазоне (например, 0,20–0,30 мм), где наиболее типичным значением может быть 0,25±0,05 мм. На практике производители, как правило, завышают допуски, чтобы защитить себя, но важно отметить, что фактические размеры могут быть не такими широкими, как указанные.
Рекомендуемый дизайн размера печатной платы
При проектировании посадочного места на печатной плате для компонента QFN необходимо тщательно учитывать несколько факторов:
Небольшая ширина контактной площадки: производитель может рекомендовать ширину контактной площадки 0,3 мм, но, исходя из передового опыта, рекомендуется ширина 0,27 мм. Более большая ширина контактной площадки может увеличить риск образования паяных мостиков между контактными площадками, особенно если дизайн трафарета (трафаретная печать) не оптимизирован должным образом. Кроме того, ширина контактной площадки не должна быть меньше ширины вывода самого компонента QFN (обычно 0,25 мм).
Длина контактной площадки: рекомендуемая длина контактной площадки обычно составляет 0,8 мм, что является приемлемым. Например, если общая ширина корпуса составляет 3 мм, а длина внешней контактной площадки — 3,7 мм, то после вычитания ширины корпуса (3 мм) и деления на 2 получается удлинение 0,35 мм с каждой стороны. Эта длина не должна превышать данное значение, чтобы избежать взаимодействия с соседними компонентами, особенно с центральной контактной площадкой для отвода тепла.
Размер теплоотводящей площадки: Центральная теплоотводящая площадка должна соответствовать размерам тепловой площадки компонента, которые часто составляют около 1,65 мм. Размер не должен превышать рекомендуемый производителем, но должен быть с закругленными углами (особенно для отвода тепла) для улучшения тепловых характеристик.
Конструкция тепловых переходов для отвода тепла
QFN часто имеют большие центральные тепловые площадки, которые необходимо подключить к нескольким медным слоям для эффективного отвода тепла. В конструкции печатной платы:
Размер теплового перехода: для печатной платы толщиной 1,6 мм идеально подходят переходы с диаметром отверстия 0,3 мм. Переходы не должны быть слишком большими, так как это может привести к утечке паяльной пасты во время переплавки. Аналогично, они не должны быть слишком маленькими, так как это может вызвать проблемы при сверлении или недостаточную теплопроводность. Расстояние между переходами следует тщательно продумать, чтобы избежать осложнений в процессе проектирования трафарета.
Количество и расстояние между переходными отверстиями: для эффективного отвода тепла переходные отверстия должны быть равномерно распределены по тепловой площадке. Однако слишком близкое расположение переходных отверстий может вызвать сложности при проектировании трафарета, что приведет к потенциальным проблемам во время процесса пайки. Обеспечьте достаточное расстояние между переходными отверстиями, чтобы обеспечить правильное нанесение паяльной пасты и избежать образования паяных мостиков.
Рекомендации по дизайну трафаретов
Толщина трафарета: для компонента QFN с шагом 0,5 мм рекомендуемая толщина трафарета обычно составляет 0,13 мм. Такая толщина обеспечивает хороший баланс между объемом паяльной пасты и ее способностью течь во время пайки оплавлением.
Отверстие в трафарете для контактной площадки: Отверстие в трафарете должно быть немного уже, чем ширина контактной площадки, чтобы учесть расширение паяльной пасты. Как упоминалось ранее, ширина контактной площадки 0,27 мм должна соответствовать ширине отверстия в трафарете от 0,22 мм до 0,24 мм, что обеспечивает достаточный объем паяльной пасты и предотвращает избыток пасты, который может привести к образованию паяных мостиков.
Длина и отверстия площадки: длина площадки для трафарета должна быть скорректирована на 0,1 мм внутрь, а удлинение для внешних площадок может варьироваться от 0,15 мм до 0,25 мм. Цель состоит в том, чтобы обеспечить ровный слой пасты без избытка, особенно на меньших площадках.
Отверстие для тепловой площадки: для большой тепловой площадки отверстие в трафарете может быть меньше фактического размера площадки, обычно около 40-60% от общей площади. Важно создать сетку или «штриховку» (например, крестообразную штриховку или квадратную сетку), чтобы паяльная паста растекалась равномерно, избегая при этом избыточного паяния или недостаточного количества пасты. Кроме того, отверстия должны быть тщательно спроектированы, чтобы избежать перекрытия любезных отверстий, что может привести к утечке паяльной пасты.
Распространенные ошибки и передовой опыт
Игнорирование допусков при проектировании контактных площадок: Часто инженеры слепо копируют рекомендуемые производителем размеры контактных площадок из технического паспорта, не задумываясь о том, оптимизированы ли эти размеры для пайки и электрических характеристик. Перед окончательной доработкой проекта печатной платы необходимо проверить размеры с помощью измерительных инструментов, таких как штангенциркуль.
Чрезмерное увеличение размеров контактных площадок: некоторые проектировщики допускают ошибку, увеличивая размеры контактных площадок, чтобы компенсировать производственные допуски, но это может привести к большему количеству проблем, чем решить, например, к образованию мостиков между контактными площадками и увеличению риска короткого замыкания во время процесса пайки.
Недостаточное рассеивание тепла: Недостаточное внимание к тепловым переходным отверстиям и конструкции системы рассеивания тепла может привести к перегреву ИС, что вызовет отказ или неисправность. Обеспечение наличия достаточного количества переходных отверстий под тепловой площадкой и достаточной площади меди для заземления имеет решающее значение для поддержания охлаждения компонента и его работы в безопасных пределах.
Применение корпусов QFN
Упаковка QFN широко используется в:
- Телекоммуникационных продуктах
- Сотовых телефонах
- Беспроводных локальных сетях
- Портативных устройствах
- Персональных цифровых помощниках (PDA)
- Цифровые фотоаппараты
- Корпуса с низким и средним количеством выводов
- Информационные устройства
Выбор подходящего корпуса QFN
Выбор корпуса QFN зависит от различных факторов, в том числе:
- Ограничения по пространству: тонкие и ультратонкие корпуса QFN лучше всего подходят для приложений с ограниченным пространством.
- Требования к тепловому управлению: корпуса с открытыми тепловыми площадками или несколькими тепловыми переходными отверстиями идеально подходят для теплочувствительных компонентов.
- Надежность: корпуса типа SWF QFN позволяют проводить более тщательную проверку, что делает их идеальным выбором для высоконадежных приложений, где качество паяных соединений имеет решающее значение.
- Соображения по сборке и производству: некоторые корпуса QFN, например, с боковыми смачиваемыми гранями или конструкцией «lead-on-pad», упрощают сборку и повышают механическую прочность.
