QFN-Thermopad-Schablonendesign zur Kontrolle von Lunkerbildung

QFN-Wärmeleitpads bilden Hohlräume, weil eine große, flache Lötstelle unter einem Gehäuse mit nahezu keinem Abstand der ausgasenden Flussmittel keine Möglichkeit zum Entweichen lässt. Die Maßnahmen, die wirklich etwas bewirken, liegen im Layout und auf der Schablonenseite: Teilen Sie die Pastenöffnung in ein Fensterrahmen-Muster auf, legen Sie früh fest, wie die thermischen Vias behandelt werden, und dimensionieren Sie die Pastenmenge anhand des Bauteils mit der feinsten Pitch auf der Leiterplatte. Das Reflow-Profiling hilft, aber es rettet nur selten ein Pad, das so ausgelegt wurde, dass es Gase einschließt.

Warum entstehen Hohlstellen in den Thermalpads von QFN-Gehäusen?

Die meisten Hohlräume in Thermal Pads sind eingeschlossene Flussmittel-Ausgasungen, und das Pad-Design bestimmt, wie viel von diesem Gas entweichen kann, bevor das Lot es überdeckt.

Wenn sich die Leiterplatte erhitzt, sieden Lösungsmittel und Aktivator‑Nebenprodukte ab. Unter einem Anschluss mit 0,5 mm Pitch ist die Lötstelle winzig und das Gas entweicht fast sofort seitlich. Die freiliegende Padfläche ist eine andere Situation. Sie kann mehrere Millimeter breit sein, das Gehäuse sitzt nur einen Bruchteil eines Millimeters über der Leiterplatte, und geschmolzenes Lot benetzt das Pad der Komponente und das Pad der Leiterplatte gleichzeitig. Das im Bereich der Mitte erzeugte Gas hat einen langen, sich verengenden Weg bis zum Rand, und sobald der Umfang benetzt ist und abdichtet, bleibt alles, was noch im Inneren ist, dort als Hohlraum zurück.

Einige plattenseitige Bedingungen verschlimmern dies erheblich. Eine einzelne Apertur in voller Größe druckt einen durchgehenden Lotpastenspiegel ohne Kanäle, durch die das Gas entweichen könnte. Offene thermische Vias enthalten Luft und aufgenommene Feuchtigkeit, und wenn das Lot den Via-Zylinder hinabläuft, drückt es diese Luft in die Lötverbindung hinauf. Oxidierte Pad-Oberflächen verlangsamen das Benetzen und geben flüchtigen Stoffen mehr Zeit, sich anzusammeln; veröffentlichte Industrienstudien zum Voiding bei QFNs haben außerdem gezeigt, dass das Voiding mit jedem zusätzlichen Reflow-Durchgang zunimmt, was relevant ist, wenn der QFN auf der ersten Seite einer doppelseitigen Platine platziert wird. Der letzte Punkt überrascht viele. Dieselbe Studie berichtete, dass eine Verringerung des Lotpastenvolumens das Voiding verstärkte, sodass das Drucken von weniger Paste für sich genommen keine Lösung ist.

Wie stark sich eine Leerstelle auswirkt, hängt vom Bauteil ab. Bei einem leistungsführenden QFN ist das Pad der wichtigste Wärmeweg vom Chip in das Kupfer, und eine große Leerstelle unter dem Hotspot des Chips erhöht die Sperrschichttemperatur. Bei einem HF‑Bauteil ist dasselbe Pad normalerweise die Masse-Rückführung, und Leerstellen verändern den Massepfad, den der HF‑Entwickler modelliert hat. In beiden Fällen ist die Position einer Leerstelle etwa genauso wichtig wie ihre Gesamtfläche.

Fensterflügel-Öffnungen: Wie viel Abdeckung?

Teilen Sie die Öffnung des Thermalpads in ein Raster aus kleineren Aussparungen auf und drucken Sie die vom Geräte-Datenblatt empfohlene Bedeckung, die bei den meisten QFN- und DFN-Bauteilen irgendwo zwischen etwa 50 % und 80 % der Padfläche liegt.

Jede Öffnung druckt ihre eigene „Paste-Insel“, und die Lücken zwischen den Inseln bleiben während des Reflows lange genug offen, damit das Gas entweichen kann, bevor das Lot zu einer einzigen Lötstelle zusammenfließt. Ein 2×2-Raster ist bei kleinen Pads üblich. Größere Pads bekommen normalerweise 3×3 oder mehr, sodass keine einzelne Öffnung groß genug ist, um sich wie die durchgehende Fläche zu verhalten, die du zu vermeiden versuchst. Halte das Muster symmetrisch zum Gehäusezentrum: Eine ungleichmäßige Auftragung lässt das Gehäuse kippen oder zu einer Seite aufschwimmen, und das zeigt sich dann als Opens oder Bridges an den I/O-Anschlüssen statt direkt am Pad.

Wo Sie innerhalb dieses Bereichs landen, ist ein Abwägen. Höhere Bedeckung hebt das Bauteil an und füllt das Pad vollständiger, aber zu großes Volumen hebt das Teil von seinen Anschlüssen ab. Geringere Bedeckung entlüftet besser und hält die Anschlüsse in Position, aber sie lässt die Lötstelle verhungern und senkt, wie oben erwähnt, die Voids nicht zuverlässig. In der Regel gehen wir vom Wert im Datenblatt aus. Wenn das Datenblatt hierzu nichts sagt, schlagen wir ein Ausgangsmuster basierend auf Padgröße und Via-Layout vor und passen es nach der Röntgenprüfung des Erstmusters an.

Quadratische Scheiben mit kleinen Eckradien lösen sich sauber von einemlasergeschnittene SchabloneRunde Punkte lassen bei gleicher Bedeckung einen etwas offeneren Kanal und Streifen eignen sich für die langen, schmalen Pads, die bei DFN- und einigen Leistungspaketen vorkommen. So vergleichen wir die gängigen Muster:

Eine Regel wenden wir jedes Mal an: Platziere die Leiterbahnen, nicht die Pads, über Durchkontaktierungen. Ein Pad, das direkt über einer offenen Durchkontaktierung gedruckt wird, leitet die Paste direkt in das Loch.

Vias im Thermalpad: offen, überdeckt oder gefüllt?

Gefüllte und überplattierte Vias ergeben die am besten vorhersagbare Lötverbindung für das Thermal Pad, kleine offene Vias funktionieren, wenn die Schablone das Lot von ihnen fernhält, und das Abdecken (Tenting) der Vias mit Lötstoppmaske auf der Bauteilseite ist die Option, gegen die wir uns wehren.

Ohne thermische Vias breitet sich die Wärme vom Pad nur über das oberseitige Kupfer aus. Layout-Richtlinien der IC-Hersteller für offene thermische Vias verlangen üblicherweise Bohrungen von 0,3 mm oder kleiner mit einem Abstand von etwa 1 mm; das Datenblatt des Bauteils sollte dabei Ihre erste Referenz für Anzahl und Platzierung sein. Für die Bestückung stellt sich die Frage, was jedes einzelne Via während des Reflow-Lötens mit dem Lot macht.

Die IPC-7093 selbst empfiehlt, thermische Vias zu verstopfen, um das Hochziehen von Lot zu verhindern, und veröffentlichte Studien zu Hohlräumen bestätigen, dass das Entfernen der Via-Öffnung die mit Abstand wirksamste Maßnahme ist. Bei offenen Vias stellten dieselben Studien fest, dass ein vollflächiger Pastendruck auf dem Thermal Pad unproblematisch sein kann, wenn nur wenige Vias vorhanden sind, während bei einer hohen Anzahl von Vias ein unterteilter Pastendruck erforderlich ist, damit das Gas mehr Wege zum Entweichen hat.

Fill-and-Cap verursacht in der Leiterplattenphase zwar höhere Kosten, und bei einer einfachen Leiterplatte mit bescheidenem Leistungsbudget lohnt es sich selten. Wenn das QFN jedoch tatsächlich Wärme abführt oder das Pad eine HF-Masse ist, empfehlen wir es in der Regel. Da wir sowohl die nackte Leiterplatte fertigen als auch bestücken, wird diese Entscheidung einmalig in der Angebotsphase getroffen, anhand unsererVia-in-PadProzess, anstatt zwischen zwei Lieferanten ausgehandelt zu werden. Was auch immer Sie wählen, geben Sie es in den Fertigungsnotizen an.

Abwägungen bei der Schablonendicke für Fine-Pitch-Anschlüsse

Die Folienstärke wird normalerweise durch das Bauteil mit der feinsten Pitch auf der Leiterplatte festgelegt, nicht durch das thermische QFN-Pad. Daher muss das Pad so ausgelegt werden, dass es mit derjenigen Stärke funktioniert, die durch die Fine-Pitch-Anschlüsse vorgegeben ist.

Schmale Öffnungen bei QFN-Anschlüssen mit feinem Raster erfordern eine dünne Schablone, damit die Paste sauber freikommt. Das Thermalfeld erhält sein Volumen dann über die Bedeckung und die Fensteraufteilung bei dieser Dicke. Die Freigabe des Pads in eine große einzelne Öffnung, um das Volumen „auszugleichen“, macht alles zunichte, was die Fensterstruktur bewirkt hat.

Wenn eine einzige Folie tatsächlich nicht beide Anforderungen erfüllen kann, gibt es drei praktikable Wege. Der erste besteht darin, innerhalb des Abdeckungsbereichs des Datenblatts zu bleiben und sich an dessen obere Grenze zu bewegen, was oft ausreichend ist. Der zweite ist eine Stufenschablone mit einem lokal dickeren oder dünneren Bereich; sie benötigt einen Sperrbereich zwischen der Stufe und benachbarten Öffnungen, damit der Rakel abdichten kann, weshalb sie sich für Leiterplatten mit etwas Platz um das QFN eignet. Der dritte Weg, nützlich bei High-Mix-/Low-Volume-Fertigungen, bei denen sich eine Stufenschablone für eine kurze Serie schwer rechtfertigen lässt, besteht darin, nach dem Schablonendruck mit unserem MYCRONIC-Jetdrucker auf ausgewählte Pads zusätzlich Lotpaste aufzubringen. Die genaue Foliendicke und Stufenhöhe hängen von Ihrem Bauteilmix und unserer Druckerkonfiguration ab, daher sollten Sie dies mit unserem Engineering-Team abstimmen, bevor Sie die Pastenlage final festlegen.

Unabhängig von der gewählten Schichtdicke misst das 3D-SPI das Lotdepot auf jedem Paneel vor dem Bestücken. Ein unterdrucktes Paneel wird bereits am Drucker erkannt, nicht erst auf dem Röntgenbildschirm.

Wie wird die Entwertung überprüft?

Hohlräume in Wärmeleitpads sind nur mittels Röntgen sichtbar. Daher messen wir die Hohlraumfläche mit einem Offline-Röntgensystem an Erstmusterbaugruppen und an einer vereinbarten Stichprobe, und die Ergebnisse werden im Smart MES der jeweiligen Leiterplatte zugeordnet protokolliert.

3D-AOI erfasst die Lötspitzen und seitlichen Lötkehlen, aber nichts unter dem Gehäusekörper. In einem Röntgenbild von oben erscheinen Lunker als hellere Bereiche innerhalb der dunkleren Lotfläche, und die Software gibt die Lunkerfläche als Prozentsatz der Anschlussfläche an. Damit diese Zahlen eine Aussagekraft haben, müssen zwei Dinge im Vorfeld geklärt werden. Zum einen, ob Durchkontaktierungsbohrungen aus der Berechnung ausgeschlossen werden; eine offene Via kann als Lunker gezählt werden, wenn sie niemand ausmaskiert, während eine gefüllte Via wie Lot abgebildet wird. Zum anderen, ob das Kriterium die gesamte Lunkerfläche, der größte einzelne Lunker oder beides ist. Ein großer Lunker direkt über dem Hotspot des Chips kann wichtiger sein als viele kleine, die entlang des Pad-Rands verteilt sind.

Bei Annahme legt IPC-7093 (Design and Assembly Process Implementation for Bottom Termination Components) eine allgemeine Obergrenze für Voids in der zentralen Padfläche fest, qualifiziert diese jedoch: Wenn Voiding die thermische Leistung merklich verringern würde, sollte die Grenze verschärft und für jedes Bauteil individuell bewertet werden. Ein Leistungsbauteil, das nahe an seiner Sperrschicht-Grenze betrieben wird, und ein niederleistungsfähiges HF-Bauteil werden selten auf denselben Wert kommen. In der Praxis sollten Ihre Fertigungszeichnung oder Fertigungsanweisungen sowohl die Grenze als auch die Messmethode angeben. Wenn dies nicht der Fall ist, fragen wir im DFM-Review nach.

Wenn die Ergebnisse schlechter ausfallen als vereinbart, gehen wir die Ursachen in einer festen Reihenfolge durch: Pastenvolumen gemäß SPI-Aufzeichnung, Leiterbild im Verhältnis zu den Via-Positionen, Behandlung der Vias und erst danach das Reflow-Profil in unserem JTR-1200D-N-Ofen, überwiegend die Einweichzeit. Mit dem Profil zu beginnen ist verlockend, weil es sich schnell ändern lässt, aber es behebt nur selten ein Layoutproblem.

Checkliste für QFN-Layout und -Schablone

Führen Sie diese Prüfungen durch, bevor Sie die Gerber-Dateien und die Pastenlage freigeben.

Wenn Sie mit Ihren Dateien die Pastenlage, Fertigungshinweise zur Via-Behandlung und die genauen Teilenummern mitschicken, überprüft unsere DFM-Prüfung jeden dieser Punkte, bevor die Schablone angefertigt wird.

FAQ

Soll ich die Fensterscheibe in meiner Pastenschicht einzeichnen oder das dem Bestücker überlassen?

Beides funktioniert, solange klar ist, welches verwendet werden soll. Wenn Ihre Paste-Lage bereits ein unterteiltes Muster hat, fertigen wir die Schablone entsprechend an und sprechen alles, womit wir nicht einverstanden sind, im DFM an. Wenn sie eine einzige vollständige Öffnung über dem Pad zeigt, ändern wir sie nicht stillschweigend; wir senden ein vorgeschlagenes Muster zur Freigabe, da die Wahl der Abdeckung die thermische Performance beeinflusst, für die Sie verantwortlich sind.

Sollte die thermische Leiterplatte-Padfläche größer sein als das freiliegende Pad am Gehäuse?

Im Allgemeinen nicht über das hinaus, was das Landmuster im Datenblatt vorgibt. Eine Leiterplattenfläche, die deutlich größer ist als die Gehäusefläche, verteilt das Lot nach außen, senkt die Lötverbindung unter dem Gehäuse und kann das Bauteil während des Reflows aus der Mitte ziehen. Außerdem verringert sie den Abstand zu den inneren Enden der Ein-/Ausgangspads.

Folgen DFN-, SON- und LGA-Gehäuse denselben Regeln?

Die Physik ist dieselbe, also ja, aber das Layout ändert sich. Lange, schmale DFN- und SON-Pads entlüften normalerweise besser mit Streifenöffnungen als mit einem quadratischen Raster. Gehäuse mit zwei oder mehr freiliegenden Pads erfordern, dass die Bedeckung auf jedem Pad im Verhältnis zu den anderen ausbalanciert wird, damit das Bauteil plan aufsetzt.

Kann ein QFN mit übermäßiger Hohlraumbildung im Thermal Pad nachgearbeitet werden?

Es kann entfernt und ersetzt werden, aber Nacharbeit setzt die Platine und nahe Bauteile zusätzlichen Wärmezyklen aus, und das erneute Auftragen von Paste unter einem QFN ist schwieriger zu kontrollieren als ein Produktionsdruck. Wir behandeln Nacharbeit als eine Lösung für einzelne Platinen und korrigieren für den Rest der Fertigungscharge die Schablone oder die Via-Behandlung, anstatt uns durch eine ganze Serie hindurchzunacharbeiten.

Kann das Vorhandensein von Hohlräumen in der Wärmeleitpad-Schicht Probleme an den I/O-Anschlüssen verursachen?

Indirekt. Die Ursachen überschneiden sich: Zu großes Pad-Volumen lässt das Bauteil aufschwimmen und führt zu offenen Anschlüssen, und Gas, das vom Pad-Rand entweicht, kann kleine Lotkugeln in Richtung der I/O-Reihe schleudern. Wenn offene Anschlüsse und starke Voids im Thermalpad am selben Bauteil auftreten, sollte man zuerst die Abdeckung des Thermalpads überprüfen.

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