Anforderungen an das Schablonendesign für QFN‑Bauteile zur optimalen Leistung von Leiterplattenbestückungen (PCBA)

QFN-Gehäuse

In den letzten Jahren haben Bauteile im QFN-Gehäuse (Quad Flat No-lead) aufgrund ihrer umfassenden Vorteile, darunter hervorragende elektrische und thermische Eigenschaften, geringes Gewicht und kleine Baugröße, eine breite Anwendung gefunden. Als bleifreies Gehäuse hat das QFN-Bauteil in der Industrie große Aufmerksamkeit erlangt, da es eine geringe Induktivität zwischen den Anschlüssen aufweist. QFN-Gehäusebauteile sind quadratisch oder rechteckig und ihre Gehäuseformen ähneln denen von BGA-Bauteilen (Ball Grid Array). Im Unterschied zu BGA besitzt QFN keine Lotkugeln an der Unterseite; seine elektrische und mechanische Verbindung mit anderen Komponenten wird über Lötstellen hergestellt, die durch Reflow-Löten erzeugt werden, nachdem zuvor Lotpaste auf die Pads auf der Oberfläche der Leiterplatte (PCB) aufgetragen wurde.

Der Druck der Lotpaste ist eine so bedeutende Phase währendPCBA (Printed Circuit Board Assembly) Prozessdass sie die endgültige Qualität und Leistung der Baugruppe weiter bestimmen wird. Das Drucken von Lotpaste kann niemals reibungslos oder präzise durchgeführt werden, wenn nicht geeignete Schablonen entworfen und verwendet werden, und genau aus diesem Grund ist dieser Artikel entstanden.

Schablonendesign

Der Lotpastendruck spielt eine so wesentliche Rolle in der Oberflächenmontage (SMA) und der Elektronikmontagetechnik, dass die Qualität des Lotpastendrucks durch die Schablone direkt mit der First Time Yield (FTY) der Lötung oberflächenmontierter elektronischer/elektrischer Bauelemente verknüpft ist. Es wird geschätzt, dass 60 % bis 70 % der Lötfehler auf eine geringe Qualität des durch die Schablone ausgeführten Lotpastendrucks zurückzuführen sind. Daher ist es notwendig, eine umfassende Untersuchung aller Aspekte der Lotpastendrucktechnologie mit Schablone durchzuführen.

Beim Schablonendesign ist eine hervorragende Öffnung das erste Element, das optimale und zuverlässige Lötverbindungen gewährleistet.

• Schablonenrahmen-Design

Der Schablonenrahmen besteht in der Regel aus einer Aluminiumlegierung, wobei seine Größe mit den Parametern des Druckers kompatibel sein muss. Für die automatische Fertigung ist erforderlich, dass die Schablone in die Produktionslinie eingespeist werden kann und ihre Größe vom Drucker akzeptiert wird. Weder eine zu große noch eine zu kleine Schablonengröße ermöglicht einen reibungslosen Fertigungsprozess.

• Design zum Spannen der Schablone

Beim Spannen wird die Edelstahl-Schablonenplatte auf den Rahmen aufgebracht. Üblicherweise werden dabei Klebstoff und Aluminiumklebeband verwendet. Zuerst wird das Klebemittel an der Verbindungsstelle von Aluminiumlegierungsrahmen und Edelstahl-Schablonenplatte aufgetragen und anschließend eine Schutzbeschichtung gleichmäßig darüber gestrichen. Während des Spannvorgangs muss ein Innenabstand von 25 mm bis 50 mm zwischen der Edelstahl-Schablonenplatte und dem Rahmen verbleiben, um eine hervorragende Ebenheit und Spannung beim Lotpastendruck zu gewährleisten. Eine neu hergestellte Schablone sollte eine Spannung im Bereich von 40 bis 50 N pro Zentimeter aufrechterhalten.

• Design der Schablonen-Fiduzialmarke

Die automatische Positionierung sollte durch den Drucker während der automatischen Fertigungslinie durchgeführt werden, sodass die Schablone Bezugsmarken enthalten muss. Das Design der Bezugsmarke basiert auf den Abmessungen der Markierungen inGerber-Dateider Leiterplatte, und dann wird die Öffnung im Verhältnis 1:1 festgelegt, wobei das Ätzen auf der Rückseite der Schablone durchgeführt wird. Allgemein gesprochen sind auf einer Schablone mindestens zwei Passermarken an zwei gegenüberliegenden Ecken erforderlich.

• Schablonendesign für I/O-Pads rund um QFN-Bauteile

Die Öffnungsgröße der Schablone sollte derjenigen der peripheren I/O-Pads entsprechen, sodass diese Öffnungsgröße sicherstellt, dass sich nach dem Reflow-Löten um das Pad herum Lötverbindungen mit einer Lotpastendicke von 50 bis 75 μm bilden können. Bei Fine-Line-QFN-Bauteilen, insbesondere solchen mit einem I/O-Pitch von weniger als 0,4 mm, sollte die Öffnungsbreite der Schablone im Vergleich zu den Leiterplattenpads etwas verringert werden, um Brückenbildung zwischen benachbarten I/O-Pads zu vermeiden. Das Verhältnis der Schablonenöffnung zwischen Breite und Dicke (W/T) sollte größer als 1,5 sein.

• Schablonendesign für zentrale Wärmeableitpads von QFN-Bauteilen

Ein ungeeignetes Design der Öffnung des zentralen Pads für die Wärmeableitung führt zu allerlei Defekten. Wenn QFN‑Bauteile den Reflow-Lötprozess durchlaufen, schmilzt das Lot auf großen Pads, wobei das schmelzende Flussmittel Luft freisetzt, die darüber strömt. Dies führt zu Problemen wie Lunkern, Mikrolunkern, Lötspitzern und Lotkugeln. Obwohl es nahezu unmöglich ist, diese Probleme vollständig zu beseitigen, lässt sich ihre negative Auswirkung durch einige Maßnahmen verringern. So kann beispielsweise anstelle einer großen Öffnung ein Array aus mehreren kleinen Maschenöffnungen gewählt werden. Die Form jeder kleinen Öffnung kann entweder rund oder quadratisch sein, solange 50 % bis 80 % der Pads für die zentrale Wärmeableitung mit Lotpaste bedeckt sind, was eine Lotpastenhöhe von 50 bis 75 μm sicherstellt.

• Schablonenkategorie und Schablonendicke

Als Schablonenmaterial wird Edelstahl empfohlen, während als Ätzverfahren Laserschneiden vorgeschlagen wird. Die Lochwand wird elektrolytisch poliert, sodass sie glatt ist und die Reibung verringert wird, was das Entformen und Formen der Lotpaste begünstigt.

Die Dicke der Schablone spielt eine entscheidende Rolle für die auf die Leiterplatte gedruckte Menge an Lotpaste. Sowohl zu viel als auch zu wenig Lotpaste führt während des Reflow-Lötens zur Entstehung von Defekten. Zu viel Lotpaste neigt dazu, Brückenbildung zu verursachen, während zu wenig Lotpaste zu offenen Lötstellen führt. Es wird empfohlen, dass feinlinige QFN-Bauteile (Pitch unter 0,4 mm) Schablonen mit einer Dicke im Bereich von 0,12 mm bis 0,13 mm verwenden und QFN-Bauteile mit größerem Abstand (Pitch über 0,4 mm) Schablonen mit einer Dicke im Bereich von 0,15 mm bis 0,2 mm verwenden.

• Schabloneninspektion

Die Schablone sollte vor der eigentlichen SMT-Montage sorgfältig mit den folgenden Prüfpunkten inspiziert werden:
a. Es sollte eine Sichtprüfung durchgeführt werden, um die Ebenheit der Spannung zu überprüfen und sicherzustellen, dass die Öffnung sich in der Mitte der Schablone befindet.
b. Es sollte eine visuelle Inspektion durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die Schablonenöffnungen mit den Leiterplattenpads kompatibel sind.
c. Die Größe der Schablonenöffnung (Länge, Breite) sollte überprüft werden.
d. Ein Mikroskop wird verwendet, um die Glätte der Öffnungswand und der Schablonenoberfläche zu prüfen.
e. Das Tensiometer wird verwendet, um die Schablonenspannung zu messen.
f. Die Schablonendicke sollte anhand des Ergebnisses des Lotpastendrucks validiert werden.

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