L’amélioration constante de la densité d’assemblage des produits électroniques conduit à la miniaturisation des composants et des dispositifs électroniques, à des pas fins et même à l’absence de broches. Cet article abordera d’excellentes technologies d’impression de pâte à braser compatibles avec les composants QFN (quad-flat no-leads) et présentera les composants QFN et LCCC (leadless ceramic chip carrier), dont les caractéristiques seront détaillées. La structure QFN et la conception des pastilles seront également présentées sur la base de la conception de l’apparence du boîtier QFN, de la conception des pastilles QFN et de la conception des ouvertures de pochoir QFN. Enfin, d’excellentes technologies d’impression de pâte à braser pour les composants QFN seront analysées sous les angles de la composition de la pâte à braser, des propriétés et paramètres des pochoirs en acier inoxydable, de l’environnement d’impression, de la conception de la technologie d’impression de pâte à braser et des équipements d’impression, avec une discussion des principaux défauts de l’impression de pâte à braser des composants QFN et la présentation d’une expérience pratique de mise en œuvre d’une impression de pâte à braser de haute qualité compatible avec les composants QFN.
Les boîtiers QFN et LCCC sont les deux types de composants sans broches les plus courants qui sont particuliers. Par rapport aux composants à broches, les pastilles du PCB (Printed Circuit Board) et les ouvertures du pochoir métallique présentent des pastilles différentes de celles destinées aux broches fines et longues, en particulier en ce qui concerne la technologie d’impression de la pâte à braser.
Le matériau principal des boîtiers LCCC est la céramique, tandis que celui des QFN est le plastique, dont le prix très bas est davantage accepté par les produits d’électronique grand public. Par conséquent, les QFN sont largement utilisés dans les petits appareils électroménagers. Les composants QFN ont une forme carrée ou rectangulaire, similaire à celle des boîtiers CSP (chip size package). La seule différence entre eux est que les composants QFN ne possèdent pas de billes de soudure en dessous, de sorte que la connexion électrique et mécanique entre la carte PCB et le QFN repose entièrement sur la pâte à braser qui est fondue pendantbrasage par refusionet deviendront des connexions de soudure après refroidissement. Comme la distance de contact est la plus courte entre le QFN et les pastilles du PCB, cela conduit à de meilleures performances électriques et thermiques que la majorité des composants à broches, ce qui est particulièrement plus adapté aux produits électroniques exigeant des exigences plus élevées en matière dedissipation thermiqueet des performances électriques. Par rapport aux composants PLCC (plastic leaded chip carrier) traditionnels, les composants QFN réduisent considérablement la surface du boîtier, l’épaisseur et le poids, tout en diminuant l’inductance parasite de 50 %, de sorte qu’ils fonctionnent mieux, en particulier pour les téléphones portables et les ordinateurs.
• Conception de la forme des boîtiers QFN
En tant que nouveau type de boîtier de circuit intégré (IC), les composants QFN possèdent une extrémité de soudure parallèle aux pastilles du circuit imprimé. Du cuivre nu est généralement prévu au centre des composants, offrant une meilleure conductivité thermique et de meilleures performances électriques. En conséquence, les extrémités de soudure d’E/S pour la connexion électrique peuvent être réparties autour des ailettes de refroidissement centrales, ce qui rend le routage du PCB plus flexible. Les extrémités de soudure d’E/S se présentent sous deux formes : l’une consiste à exposer la face inférieure du composant tandis que les autres parties sont encapsulées dans le composant, et l’autre consiste à n’exposer qu’une partie de l’extrémité de soudure sur le côté du composant.
Avec l’application d’un type de poinçonnage ou de zigzag, des conducteurs en cuivre sont ensuite utilisés pour relier la puce de cuivre de l’extrémité de soudure centrale de la tranche interne et les extrémités de soudure périphériques, afin de former une structure de cadre. Une résine est ensuite utilisée pour la fixation par moulage et encapsulation, de sorte que les extrémités de soudure centrales et périphériques soient exposées à l’extérieur du boîtier.
• Conception des pastilles pour QFN
Étant donné que de grandes plaques de cuivre pour la dissipation thermique sont disponibles au bas des composants QFN, il convient de mettre en œuvre une excellente conception des pastilles de PCB et du pochoir métallique afin de générer des connexions de brasage fiables sur les composants QFN. La conception des pastilles pour les QFN comporte trois aspects :
a. Conception du plot de broche d’E/S périphérique
Le plot pour les E/S sur la carte PCB doit être conçu légèrement plus grand que les extrémités de soudure E/S du QFN. Le côté interne du plot doit être conçu en forme de cercle afin d’être compatible avec la forme du plot. Si la carte PCB dispose d’un espace de conception suffisant, la longueur périphérique du plot E/S sur la carte doit être d’au moins 0,15 mm, tandis que la longueur interne restante doit être d’au moins 0,05 mm, afin de garantir un espace suffisant entre les plots situés autour du QFN et ceux de la partie centrale, empêchant ainsi tout pontage.
b. Conception du vernis épargne (solder mask) pour PCB
PCBconception du vernis épargnese divise principalement en deux catégories : SMD (solder mask defined) et NSMD (non-solder mask defined). La première catégorie de vernis épargne présente des ouvertures plus petites que les pastilles métalliques, tandis que la seconde catégorie présente des ouvertures plus grandes que les pastilles métalliques. Comme la technologie NSMD est plus facile à contrôler dans les procédés de corrosion du cuivre, la pâte à braser peut être déposée autour de la pastille métallique, ce qui améliore grandement la fiabilité des connexions de soudure. La technologie SMD doit être choisie pour la conception du vernis épargne du pad central de dissipation thermique, qui présente une surface relativement grande.
Les ouvertures du vernis épargne doivent être de 120 à 150 μm plus grandes que les pastilles, c’est‑à‑dire qu’un espacement de 60 à 75 μm doit être maintenu entre le vernis épargne et la pastille métallique. La conception de pastille cambrée doit comporter une ouverture de vernis épargne cambrée correspondante qui soit compatible avec celle‑ci. Il est particulièrement nécessaire de maintenir une quantité suffisante de vernis épargne au niveau des coins afin d’empêcher tout pontage. Le vernis épargne doit recouvrir chaque pastille d’E/S.
Le vernis épargne doit recouvrir les trous métallisés sur le pad de dissipation thermique afin d’empêcher la pâte à braser de s’écouler par les vias thermiques, car cela pourrait provoquer des vides de brasure entre la pastille centrale nue du QFN et le pad central de dissipation thermique du PCB. Le vernis épargne des trous métallisés se décline principalement en trois types : vernis épargne supérieur, vernis épargne inférieur et trou traversant. Le diamètre du vernis épargne autour du trou métallisé doit être supérieur de 100 μm à celui du trou. Il est recommandé d’appliquer un vernis épargne pour obturer les trous sur la face arrière du PCB, ce qui permet de former de nombreuses cavités sur la face avant du pad de dissipation thermique, favorisant l’évacuation des gaz pendant le processus de refusion.
c. Conception du pad thermique central et des trous traversants
Étant donné que le pad est conçu pour la dissipation thermique au centre inférieur du boîtier QFN, il offre d’excellentes performances thermiques. Pour conduire efficacement la chaleur de la partie interne du circuit intégré vers la carte PCB, un pad thermique correspondant et un trou traversant de dissipation thermique doivent être conçus au bas de la carte PCB. Le pad thermique fournit une zone de brasage fiable et le trou traversant de dissipation thermique assure la fonction de dissipation de chaleur.
Des bulles d’air seront générées lors du brasage par les larges pastilles situées au bas des composants. Pour réduire au minimum le nombre de bulles d’air, des vias thermiques doivent être ouverts sur la pastille thermique, ce qui permet une conduction rapide de la chaleur et favorise la dissipation thermique. La conception du nombre et de la taille des vias thermiques dépend du domaine d’application des boîtiers, du niveau de puissance du circuit intégré et des exigences en matière de performances électriques.
• Conception d’ouverture de pochoir QFN
a. Conception de trous de fuite pour les pads d’E/S périphériques
La conception des ouvertures du pochoir métallique respecte généralement le principe du rapport de surface et du rapport largeur‑épaisseur, certains types de composants pouvant tirer parti du principe d’épaississement local ou d’amincissement local.
b. Conception d’ouverture de grand plot central pour la dissipation thermique
Étant donné que le plot central de dissipation thermique est de grande taille, le gaz a tendance à s’échapper avec les bulles générées. Si une grande quantité de pâte à braser est appliquée, davantage de trous de gaz seront provoqués, entraînant également de nombreux défauts tels que projections et billes de soudure, etc. Afin de réduire au minimum le nombre de trous de gaz et d’obtenir une quantité optimale de pâte à braser lors de la conception d’un grand plot de dissipation thermique, un réseau de petits orifices de dépôt est choisi pour remplacer un grand orifice de dépôt, et chaque petit orifice de dépôt peut être conçu sous forme de cercle ou de carré, dont la taille n’est pas limitée tant que la quantité de pâte à braser déposée se situe dans une plage de 50 % à 80 %.
c. Type et épaisseur du pochoir
La conception de l’ouverture du tampon de dissipation thermique du pochoir métallique est directement liée à l’épaisseur du revêtement de pâte à braser, ce qui détermine la hauteur de connexion des composants assemblés.
Les éléments déterminant la qualité d’impression de la pâte à braser pour les boîtiers QFN incluent principalement la pâte à braser, les pastilles du PCB, le pochoir métallique, l’imprimante de pâte à braser et les opérations manuelles.
La pâte à braser présente une composition bien plus complexe qu’un simple alliage étain-plomb pur, contenant des particules d’alliage de brasage, du flux, un régulateur rhéologique, un agent de contrôle de la viscosité et un solvant. Étant donné que les composants QFN sont des dispositifs sans broches comportant un large pad de dissipation thermique dans la partie centrale, des exigences relativement élevées sont imposées à la viscosité et à la technologie de contrôle de la viscosité. La viscosité de la pâte à braser ne doit pas être trop élevée, car une viscosité excessive rendrait difficile son passage à travers les ouvertures du pochoir. En outre, les traces d’impression sont incomplètes lorsque la viscosité est trop faible.
Plus les particules de pâte à braser sont petites, plus la pâte à braser sera visqueuse. Plus la quantité de particules incluses est élevée, plus la pâte à braser sera visqueuse. La pâte à braser présente la viscosité la plus élevée avec des particules sphériques, et inversement. Pour l’impression à très faible espacement, il est nécessaire d’utiliser une pâte à braser avec des particules plus fines afin d’obtenir une meilleure résolution de dépôt de pâte à braser.
L’impression de pâte à braser est un procédé si complexe qu’il comporte de très nombreux paramètres techniques, dont chacun peut causer d’importants dommages s’il est mal réglé. Ces paramètres incluent principalement la pression de la racle, l’épaisseur d’impression, la vitesse d’impression, la méthode d’impression, les paramètres de la racle, la vitesse de démoulage et la fréquence de nettoyage du pochoir. Lorsque la racle exerce une faible pression, la pâte à braser ne parvient pas à atteindre efficacement le bas des ouvertures du pochoir ni à se déposer sur les pastilles. Lorsque la racle exerce une pression trop élevée, la couche de pâte à braser devient trop fine, voire endommage le pochoir. Une augmentation appropriée de l’épaisseur de la pâte à braser lors de l’impression est bénéfique pour améliorer la fiabilité d’assemblage des composants QFN.
