Die stetige Erhöhung der Bestückungsdichte elektronischer Produkte führt sowohl bei elektronischen Bauelementen als auch bei Geräten zu Miniaturisierung, feinerem Pitch und sogar zu gehäuselosen Anschlüssen. Dieser Artikel wird hervorragende Lotpastendrucktechnologien vorstellen, die mit QFN‑Bauteilen (Quad Flat No‑Leads) kompatibel sind, und QFN‑Bauteile sowie LCCC‑Bauteile (Leadless Ceramic Chip Carrier) einführen, deren Merkmale erläutert werden. Die QFN‑Struktur und das Pad‑Design werden ebenfalls vorgestellt, basierend auf dem äußeren Erscheinungsbild des QFN‑Gehäuses, dem QFN‑Pad‑Design und dem QFN‑Schablonenöffnungs‑Design. Abschließend werden hervorragende Lotpastendrucktechnologien für QFN‑Bauteile aus den Perspektiven der Lotpastenbestandteile, der Eigenschaften und Parameter von Edelstahlschablonen, der Druckumgebung, der Auslegung der Lotpastendrucktechnologie und der Druckausrüstung analysiert. Dabei werden die führenden Fehlerarten beim Lotpastendruck von QFN‑Bauteilen diskutiert und praktische Erfahrungen bei der Umsetzung eines hervorragenden Lotpastendrucks, der mit QFN‑Bauteilen kompatibel ist, vorgestellt.
QFN und LCCC sind die beiden gebräuchlichsten Arten von ungewöhnlichen, bleifreien Bauteilen. Im Vergleich zu bedrahteten Bauteilen weisen sowohl die Leiterplattenpads (Printed Circuit Board, PCB) als auch die Öffnungen in der Metallschablone andere Pad-Ausführungen auf als die Pads für feine und lange Anschlüsse, insbesondere im Hinblick auf die Lötpastendrucktechnologie.
Das Hauptmaterial von LCCC‑Gehäusen ist Keramik, während das von QFN Kunststoffe sind, deren niedrige Preise von Unterhaltungselektronikprodukten eher akzeptiert werden. Daher werden QFNs häufig in kleinformatigen Haushaltsgeräten eingesetzt. QFN‑Bauteile treten in quadratischer oder rechteckiger Form auf, was dem von CSP (Chip Size Package) ähnelt. Der einzige Unterschied zwischen ihnen besteht darin, dass QFN‑Bauteile keine Lötperlen an der Unterseite besitzen, sodass die elektrische und mechanische Verbindung zwischen Leiterplatte und QFN vollständig auf dem Lotpaste beruht, die während des Schmelzens…Reflow-Lötenund werden nach dem Abkühlen zu Lötverbindungen. Da der Kontaktabstand zwischen QFN und Leiterplattenpads am kürzesten ist, führt dies zu einer besseren elektrischen und thermischen Leistung als bei den meisten bedrahteten Bauteilen und ist daher besonders geeignet für elektronische Produkte mit höheren Anforderungen anWärmeableitungund elektrischer Leistung. Im Vergleich zu herkömmlichen PLCC‑Bauteilen (Plastic Leaded Chip Carrier) verringern QFN‑Bauteile die Gehäusefläche, Dicke und das Gewicht erheblich, wobei die parasitäre Induktivität um 50 % reduziert wird, sodass sie insbesondere in Mobiltelefonen und Computern besser funktionieren.
• Formgestaltung von QFN-Gehäusen
Als eine neuere Gehäuseform für ICs (integrierte Schaltkreise) enthalten QFN‑Bauteile ein Lötende, das parallel zu den Pads auf der Leiterplatte liegt. In der Mitte der Bauteile ist üblicherweise blankes Kupfer vorgesehen, was eine bessere Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leistung bietet. Dementsprechend können die I/O‑Lötenden für die elektrische Verbindung rund um die zentralen Kühlflächen verteilt werden, was das Leiterbahn‑Routing auf der Leiterplatte flexibler macht. I/O‑Lötenden gibt es in zwei Ausführungen: Bei der einen ist die Bauteilunterseite freigelegt, während die übrigen Teile im Gehäuse eingeschlossen sind, bei der anderen ist ein Teil des Lötendes seitlich am Bauteil freigelegt.
Nach dem Einsatz von Stanz- oder Zickzackverfahren werden Kupferleiter verwendet, um den internen Wafer sowie den zentralen Lötanschluss-Kupferchip mit den umliegenden Lötanschlüssen zu verbinden, sodass eine Rahmenstruktur entsteht. Anschließend wird Harz zur Fixierung durch Formfixierung und Verguss eingesetzt, wodurch die zentralen Lötanschlüsse und die peripheren Lötanschlüsse außerhalb des Gehäuses freigelegt werden.
• Pad-Design für QFN
Da bei QFN-Komponenten große Kupferflächen zur Wärmeableitung an der Unterseite vorhanden sind, sollten ein hervorragendes PCB-Pad-Design und ein geeignetes Metal-Schablonendesign umgesetzt werden, um zuverlässige Lötverbindungen an QFN-Komponenten zu erzeugen. Das Pad-Design für QFN umfasst drei Aspekte:
a. Entwurf von Peripherie-I/O-Pin-Pads
Das Pad für die I/O-Anschlüsse auf der Leiterplatte sollte etwas größer ausgelegt werden als die Lötanschlüsse der QFN-I/Os. Die innere Seite des Pads sollte als Kreis gestaltet werden, um mit der Form des Pads kompatibel zu sein. Wenn auf der Leiterplatte ausreichend Designraum zur Verfügung steht, sollte die Umfangslänge des I/O-Pads auf der Leiterplatte mindestens 0,15 mm betragen, während die innere verbleibende Länge mindestens 0,05 mm betragen sollte, um einen ausreichenden Abstand zwischen den Pads rund um das QFN und denen im zentralen Bereich zu gewährleisten und so das Entstehen von Lötbrücken zu verhindern.
b. Leiterplatten-Lötstoppmasken-Design
LeiterplatteLötstoppmasken-Designlässt sich hauptsächlich in zwei Kategorien einteilen: SMD (solder mask defined) und NSMD (non-solder mask defined). Bei der ersten Kategorie weist die Lötstoppmaske Öffnungen auf, die kleiner sind als die Metallpads, während bei der zweiten Kategorie die Öffnungen der Lötstoppmaske größer sind als die Metallpads. Da die NSMD-Technologie in der Kupferkorrosionstechnologie leichter zu kontrollieren ist, kann Lotpaste um das Metallpad herum aufgebracht werden, wodurch die Zuverlässigkeit der Lötverbindungen erheblich verbessert wird. Die SMD-Technologie sollte bei der Lötstoppmasken-Auslegung für zentrale Wärmeableitpads mit relativ großer Fläche gewählt werden.
Lötstoppmaskenöffnungen sollten 120 bis 150 μm größer als die Pads sein, das heißt, ein Abstand von 60 bis 75 μm sollte zwischen Lötstoppmaske und Metallpad eingehalten werden. Ein gewölbtes Pad-Design sollte eine entsprechende gewölbte Lötstoppmaskenöffnung haben, die damit kompatibel ist. Besonders an den Ecken sollte ausreichend Lötstoppmaske vorhanden sein, um Brückenbildung zu verhindern. Die Lötstoppmaske sollte jedes I/O-Pad abdecken.
Die Lötstoppmaske sollte die Durchkontaktierungen auf der Padfläche für die Wärmeableitung abdecken, um zu verhindern, dass Lotpaste aus den thermischen Durchkontaktierungen ausfließt, da dies möglicherweise zu Lunkerbildung zwischen dem zentralen freiliegenden Lötanschluss des QFN und dem zentralen wärmeableitenden Pad der Leiterplatte führen kann. Lötstoppmasken für Durchkontaktierungen lassen sich im Wesentlichen in drei Typen einteilen: obere Lötstoppmaske, untere Lötstoppmaske und durchgehende Öffnung. Der Durchmesser der Lötstoppmaske für die Durchkontaktierung sollte 100 μm größer sein als der der Durchkontaktierung. Es wird empfohlen, Lötstoppmaskenlack aufzutragen, um die Durchkontaktierungen auf der Rückseite der Leiterplatte zu verschließen, wodurch auf der Vorderseite des wärmeableitenden Pads viele Hohlräume entstehen, was die Gasabgabe während des Reflow-Lötprozesses begünstigt.
c. Zentrales Wärmeleitpad und Durchkontaktierungs-Design
Da das Pad für die Wärmeableitung an der zentralen Unterseite des QFN ausgelegt ist, weist es eine hervorragende thermische Leistung auf. Um die Wärme effizient vom Inneren des IC auf die Leiterplatte zu leiten, müssen an der Unterseite der Leiterplatte ein entsprechendes thermisches Pad und eine Wärmeableitungs-Durchkontaktierung vorgesehen werden. Das thermische Pad bietet eine zuverlässige Lötfläche, und die Wärmeableitungs-Durchkontaktierung übernimmt die Funktion der Wärmeableitung.
Während des Lötens entstehen durch große Pads an der Unterseite der Bauteile Lufteinschlüsse. Um die Anzahl der Lufteinschlüsse auf ein Minimum zu reduzieren, sollten thermische Durchkontaktierungen im Thermalpad vorgesehen werden, die Wärme schnell ableiten und so zur Wärmeabfuhr beitragen. Anzahl und Größe der thermischen Durchkontaktierungen hängen vom Anwendungsbereich der Gehäuse, dem Ausmaß der IC-Leistung und den Anforderungen an die elektrische Performance ab.
• QFN-Schablonenöffnungsdesign
a. Auslegungsentwurf für Lecklöcher an peripheren I/O-Pads
Das Design der Öffnungen in Metallschablonen entspricht im Allgemeinen dem Prinzip des Flächenverhältnisses und des Breiten-Dicken-Verhältnisses, da bestimmte Arten von Bauteilen möglicherweise vom Prinzip der lokalen Verdickung oder lokalen Ausdünnung profitieren.
b. Zentrales Wärmeableitungskonzept mit großer Pad-Öffnung
Da das zentrale Wärmeableitungspad zu einer großen Fläche gehört und Gas dazu neigt, mit den entstehenden Blasen zu entweichen, führt eine große Menge aufgetragener Lotpaste zu mehr Gasblasen und damit zu zahlreichen Defekten wie Spritzern und Lotkugeln. Um die Anzahl der Gasblasen auf ein Minimum zu reduzieren und gleichzeitig bei der Auslegung großer Wärmeableitpads eine optimale Menge Lotpaste zu erzielen, wird ein Netz aus Auslassöffnungen gewählt, das ein einzelnes großes Auslassloch ersetzt. Jedes kleine Auslassloch kann als Kreis oder Quadrat ausgeführt werden, dessen Größe nicht begrenzt ist, solange die aufgetragene Lotpastemenge im Bereich von 50 % bis 80 % liegt.
c. Schablonentyp und -dicke
Das Öffnungsdesign des thermischen Ableitpads der Metallschablone steht in direktem Zusammenhang mit der Dicke der Lotpastenschicht und bestimmt die Verbindungshöhe der montierten Bauteile.
Die Elemente, die die Qualität des Lötpastendrucks bei QFN bestimmen, umfassen hauptsächlich Lötpaste, PCB-Pad, Metallschablone, Lötpastendrucker und manuelle Vorgänge.
Lotpaste weist eine wesentlich komplexere Zusammensetzung auf als eine reine Zinn-Blei-Legierung und enthält Lötlegierungspartikel, Flussmittel, rheologische Regler, Viskositätskontrollmittel und Lösungsmittel. Da QFN-Bauteile bleifreie Bauteile mit einer großen wärmeableitenden Fläche im zentralen Bereich sind, werden relativ hohe Anforderungen an die Viskosität und die Viskositätskontrolltechnologie gestellt. Die Viskosität der Lotpaste darf nicht zu hoch sein, da eine zu hohe Viskosität das Durchdringen der Öffnungen in der Schablone erschwert. Außerdem sind die Druckbilder bei zu niedriger Viskosität unvollständig.
Je kleiner die Lotpastenteilchen sind, desto viskoser wird die Lotpaste. Je höher die Menge der enthaltenen Teilchen ist, desto viskoser wird die Lotpaste. Lotpaste weist mit kugelförmigen Teilchen die höchste Viskosität auf und umgekehrt. Bei Druckprozessen mit ultrafeinem Pitch muss Lotpaste mit kleineren Teilchen verwendet werden, um eine bessere Auflösung der Lotpaste zu erzielen.
Der Druck von Lotpaste ist ein derart komplexer Prozess mit so vielen technischen Parametern, von denen jeder bei falscher Einstellung erheblichen Schaden verursachen kann. Zu diesen Parametern gehören hauptsächlich Rakeldruck, Druckschichtdicke, Druckgeschwindigkeit, Druckmethode, Rakelparameter, Entformungsgeschwindigkeit und Reinigungsfrequenz der Schablone. Wenn der Rakel einen zu geringen Druck aufweist, gelangt die Lotpaste nicht wirksam bis zum Boden der Schablonenöffnungen und fällt nicht auf das Pad. Wenn der Rakel einen zu hohen Druck aufweist, wird die Lotpastenschicht zu dünn oder die Schablone kann sogar beschädigt werden. Eine angemessene Erhöhung der Druckschichtdicke der Lotpaste ist vorteilhaft, um die Montagezuverlässigkeit von QFN-Bauteilen zu verbessern.
