La mejora constante de la densidad de ensamblaje de productos electrónicos conduce tanto a los componentes electrónicos como a los dispositivos hacia la miniaturización, paso fino e incluso sin terminales. Este artículo analizará excelentes tecnologías de impresión de pasta de soldadura compatibles con componentes QFN (quad-flat no-leads) e introducirá los componentes QFN y los componentes LCCC (portador de chip cerámico sin terminales), cuyas características serán detalladas. También se presentarán la estructura QFN y el diseño de las almohadillas basados en el diseño de la apariencia del encapsulado QFN, el diseño de las almohadillas QFN y el diseño de las aberturas del esténcil QFN. Finalmente, se analizarán excelentes tecnologías de impresión de pasta de soldadura para componentes QFN desde las perspectivas de los ingredientes de la pasta de soldadura, las propiedades y parámetros del esténcil de acero inoxidable, el entorno de impresión, el diseño de la tecnología de impresión de pasta de soldadura y el equipo de impresión, con un análisis de los principales defectos de la impresión de pasta de soldadura en componentes QFN y la presentación de experiencias prácticas sobre la implementación de una excelente impresión de pasta de soldadura compatible con componentes QFN.
QFN y LCCC son los dos tipos más comunes de componentes sin terminales que resultan poco habituales. En comparación con los componentes con terminales, tanto las almohadillas de la PCB (Placa de Circuito Impreso) como las aberturas de la plantilla metálica presentan almohadillas diferentes de las utilizadas para terminales finos y largos, especialmente en lo que respecta a la tecnología de impresión de pasta de soldadura.
El material principal de los encapsulados LCCC es la cerámica, mientras que el de los QFN es plástico, con precios tan bajos que son más aceptados en los productos de electrónica de consumo. Como resultado, los QFN se aplican ampliamente en pequeños electrodomésticos. Los componentes QFN tienen forma de cuadrados o rectángulos, lo cual es similar a la de los CSP (chip size package). La única diferencia entre ellos es que los componentes QFN no tienen esferas de soldadura en la parte inferior, por lo que la conexión eléctrica y mecánica entre la placa PCB y el QFN depende totalmente de la pasta de soldadura que se funde durantesoldadura por refusióny se convertirán en conexiones de soldadura después del enfriamiento. Debido a que la distancia de contacto es la más corta entre el QFN y las almohadillas de la PCB, lo que conduce a un mejor rendimiento eléctrico y térmico que la mayoría de los componentes con plomo, es especialmente más adecuado para productos electrónicos que requieren mayores exigencias endisipación térmicay rendimiento eléctrico. En comparación con los componentes PLCC tradicionales (portador de chip con plomo de plástico), los componentes QFN disminuyen drásticamente en cuanto a área del encapsulado, grosor y peso, con una inductancia parasitaria reducida en un 50%, de modo que funcionan mejor, especialmente en teléfonos móviles y computadoras.
• Diseño de la forma de encapsulados QFN
Como una forma más reciente de encapsulado de CI (circuito integrado), los componentes QFN contienen un extremo de soldadura que es paralelo a las almohadillas de la placa de circuito. Normalmente se diseña cobre desnudo en el centro de los componentes, lo que proporciona una mejor conductividad térmica y rendimiento eléctrico. En consecuencia, los extremos de soldadura de E/S para la conexión eléctrica pueden distribuirse alrededor de las aletas de refrigeración centrales, lo que hace más flexible la realización del ruteo en la PCB. Los extremos de soldadura de E/S se presentan en dos tipos: uno consiste en dejar expuesta la parte inferior del componente mientras las demás partes quedan encapsuladas en el componente, y el otro tipo consiste en que una parte del extremo de soldadura queda expuesta en el lateral del componente.
Con el tipo de punzonado o zigzag aplicado, se utilizan conductores de cobre para conectar la oblea interna y la pastilla de cobre del terminal de soldadura central con los terminales de soldadura circundantes, generando así una estructura de marco. Luego se emplea resina para fijarla mediante moldeo y encapsulación, haciendo que los terminales de soldadura centrales y los terminales de soldadura periféricos queden expuestos fuera del encapsulado.
• Diseño de almohadillas para QFN
Dado que en la parte inferior de los componentes QFN hay disponibles grandes láminas de cobre para la disipación térmica, se debe implementar un excelente diseño de las almohadillas del PCB y del esténcil metálico para generar conexiones de soldadura fiables en los componentes QFN. El diseño de las almohadillas para QFN abarca tres aspectos:
a. Diseño de almohadilla de pin de E/S periférico
La almohadilla para E/S en la placa PCB debe diseñarse un poco más grande que los extremos de soldadura de E/S del QFN. El lado interno de la almohadilla debe diseñarse en forma circular para ser compatible con la forma de la almohadilla. Si la PCB dispone de suficiente espacio de diseño, la longitud perimétrica de la almohadilla de E/S en la placa de circuito debe ser de al menos 0,15 mm, mientras que la longitud interna restante debe ser de al menos 0,05 mm para garantizar un espacio suficiente entre las almohadillas que rodean el QFN y las que se encuentran en la parte central, evitando que se produzcan puentes de soldadura.
b. Diseño de máscara de soldadura de PCB
PCBdiseño de máscara de soldadurase divide principalmente en dos categorías: SMD (definido por máscara de soldadura) y NSMD (no definido por máscara de soldadura). La primera categoría de máscara de soldadura presenta aberturas que son más pequeñas que las almohadillas metálicas, mientras que la segunda categoría presenta aberturas que son más grandes que las almohadillas metálicas. Dado que la tecnología NSMD es más fácil de controlar en el proceso de corrosión del cobre, la pasta de soldadura puede colocarse alrededor de la almohadilla metálica, mejorando en gran medida la fiabilidad de las uniones de soldadura. La tecnología SMD debe seleccionarse en el diseño de la máscara de soldadura de la almohadilla central de disipación térmica con un área relativamente grande.
Las aberturas de la máscara de soldadura deben ser de 120 a 150 μm más grandes que las almohadillas; es decir, se debe mantener un espacio de 60 a 75 μm entre la máscara de soldadura y la almohadilla metálica. El diseño de almohadilla curvada debe tener una abertura de máscara de soldadura curvada correspondiente que sea compatible con él. Especialmente, se debe mantener suficiente máscara de soldadura en las esquinas para evitar que se produzcan puentes. La máscara de soldadura debe cubrirse en cada almohadilla de E/S.
La máscara de soldadura debe cubrir los orificios pasantes en la almohadilla de disipación térmica para evitar que la pasta de soldadura fluya a través de los orificios térmicos, ya que esto podría causar soldaduras con vacíos entre el terminal central expuesto de soldadura del QFN y la almohadilla central de disipación térmica de la PCB. La máscara de soldadura para orificios pasantes se presenta principalmente en tres tipos: máscara de soldadura superior, máscara de soldadura inferior y orificio abierto. El diámetro de la máscara de soldadura del orificio pasante debe ser 100 μm mayor que el del propio orificio. Se sugiere que se aplique tinta de máscara de soldadura para bloquear los orificios pasantes en la cara posterior de la PCB, lo que puede generar muchas cavidades en la cara frontal de la almohadilla de disipación térmica, lo cual es beneficioso para la liberación de gases durante el proceso de soldadura por refusión.
c. Diseño de almohadilla térmica central y orificios pasantes
Dado que el pad está diseñado para la disipación térmica en la parte central inferior del QFN, presenta un excelente rendimiento térmico. Para conducir eficientemente el calor desde la parte interna del CI a la placa PCB, se debe diseñar un pad térmico correspondiente y un orificio pasante de disipación térmica en la parte inferior de la PCB. El pad térmico proporciona un área de soldadura confiable y el orificio pasante de disipación térmica proporciona la función de disipación de calor.
Durante la soldadura se generarán orificios de aire debido a las almohadillas grandes en la parte inferior de los componentes. Para reducir al mínimo la cantidad de orificios de aire, se deben abrir vías térmicas en la almohadilla térmica, lo que conduce rápidamente el calor y favorece la disipación térmica. El diseño de la cantidad y el tamaño de las vías térmicas depende del campo de aplicación de los encapsulados, del nivel de potencia del CI y de los requisitos de rendimiento eléctrico.
• Diseño de apertura de esténcil QFN
a. Diseño de orificio de fuga en almohadilla de E/S periférica
El diseño de la abertura del esténcil metálico generalmente se ajusta al principio de la relación de área y de la relación ancho-espesor, ya que ciertos tipos de componentes pueden aprovechar el principio de engrosamiento local o adelgazamiento local.
b. Diseño de apertura grande de almohadilla central de disipación térmica
Dado que la almohadilla central de disipación térmica pertenece a una escala grande y el gas tiende a escapar con las burbujas generadas, si se aplica una gran cantidad de pasta de soldadura, se producirán más poros de gas, generando también numerosos defectos como salpicaduras y bolas de soldadura, etc. Para reducir al mínimo el número de poros de gas y obtener una cantidad óptima de pasta de soldadura durante el diseño de la gran almohadilla de disipación térmica, se selecciona una matriz de orificios de fuga en red para reemplazar un orificio de fuga grande, y cada orificio de fuga pequeño puede diseñarse como un círculo o un cuadrado cuyo tamaño no tiene límite, siempre que la cantidad de recubrimiento de pasta de soldadura se mantenga dentro del rango del 50% al 80%.
c. Tipo y grosor de la plantilla
El diseño de la abertura de la almohadilla de disipación térmica del esténcil metálico está directamente relacionado con el espesor del recubrimiento de pasta de soldadura, lo que determina la altura de conexión de los componentes ensamblados.
Los elementos que determinan la calidad de la impresión de pasta de soldadura en encapsulados QFN incluyen principalmente la pasta de soldadura, las almohadillas del PCB, la plantilla metálica, la impresora de pasta de soldadura y las operaciones manuales.
La pasta de soldadura presenta una composición mucho más compleja que la aleación pura de estaño-plomo, ya que contiene partículas de aleación de soldadura, fundente, regulador reológico, agente de control de viscosidad y disolvente. Debido a que los componentes QFN son dispositivos sin terminales que contienen una gran almohadilla de disipación térmica en la parte central, se han establecido requisitos relativamente altos para la viscosidad y la tecnología de control de viscosidad. La viscosidad de la pasta de soldadura no debe ser demasiado alta, ya que una viscosidad excesiva dificultará su paso a través de las aberturas de la plantilla. Además, las huellas de impresión quedan incompletas cuando la viscosidad es baja.
Cuanto más pequeñas sean las partículas de pasta de soldadura, más viscosa será la pasta de soldadura. Cuanta mayor sea la cantidad de partículas incluidas, más viscosa será la pasta de soldadura. La pasta de soldadura presenta la mayor viscosidad con partículas circulares y viceversa. Cuando se trata de impresión de paso ultrafino, debe utilizarse pasta de soldadura con partículas más finas para obtener una mejor resolución de la pasta de soldadura.
La impresión de pasta de soldadura es un proceso tan complicado que contiene muchos parámetros técnicos, cada uno de los cuales puede causar grandes daños si se ajusta de forma inadecuada. Todos esos parámetros incluyen principalmente la presión de la rasqueta, el espesor de impresión, la velocidad de impresión, el método de impresión, el parámetro de la rasqueta, la velocidad de desmoldeo y la frecuencia de limpieza de la plantilla. Cuando la rasqueta tiene una presión baja, la pasta de soldadura no llegará de manera efectiva al fondo de la abertura de la plantilla ni caerá sobre la almohadilla. Cuando la rasqueta tiene una presión demasiado alta, la pasta de soldadura será demasiado delgada o incluso dañará la plantilla. Un engrosamiento adecuado de la impresión de pasta de soldadura es beneficioso para mejorar la fiabilidad del ensamblaje de los componentes QFN.
