Exigences de conception de pochoir pour les composants QFN en vue des performances optimales de l’assemblage PCBA

Boîtier QFN

Ces dernières années ont vu une large utilisation des composants en boîtier QFN (Quad Flat No-lead) en raison de leurs avantages globaux, notamment d’excellentes performances électriques et thermiques, ainsi qu’un poids léger et une taille réduite. En tant que boîtier sans broches apparentes, les composants QFN ont suscité une attention considérable de l’industrie, car ils présentent une faible inductance entre les connexions. Les composants en boîtier QFN sont de forme carrée ou rectangulaire, avec des formats de boîtier similaires à ceux des composants en boîtier BGA (Ball Grid Array). À la différence du BGA, le QFN ne possède pas de billes de soudure sur sa face inférieure et sa connexion électrique et mécanique avec les autres composants est réalisée par des joints de soudure formés lors du brasage par refusion, après impression de la pâte à braser sur les pastilles situées à la surface du circuit imprimé (PCB).

L’impression de pâte à braser est une phase tellement importante pendantProcessus de PCBA (assemblage de circuits imprimés)qu’il déterminera davantage la qualité finale et les performances de l’assemblage. L’impression de la pâte à braser ne peut jamais être réalisée de manière fluide ou précise sans la conception et l’utilisation de pochoirs appropriés, c’est pourquoi cet article a été rédigé.

Conception de pochoir

L’impression de pâte à braser joue un rôle si essentiel dans l’assemblage en technologie de montage en surface (SMA) et dans la technologie d’assemblage électronique que la qualité de l’impression de pâte à braser à travers le pochoir est directement liée au First Time Yield (FTY) du brasage des composants électroniques/électriques montés en surface. Il en ressort que 60 % à 70 % des défauts de brasage proviennent de la faible qualité de l’impression de pâte à braser réalisée à travers le pochoir. Par conséquent, il est nécessaire de mener une étude approfondie sur tous les aspects concernant la technologie d’impression de pâte à braser à travers pochoir.

En matière de conception de pochoirs, une excellente ouverture est le premier élément garantissant des joints de soudure optimaux et fiables.

• Conception de cadre de pochoir

Le cadre du pochoir est généralement en alliage d’aluminium, avec une taille compatible avec les paramètres de l’imprimante. La fabrication automatique exige que le pochoir puisse être intégré à la ligne de production et que sa taille soit acceptée par l’imprimante. Une taille trop grande ou trop petite ne permet pas un déroulement fluide de la fabrication.

• Conception d’étirement de pochoir

Le terme « tensionnement » désigne le processus au cours duquel la plaque de pochoir en acier inoxydable est fixée au cadre. De la colle et un ruban adhésif en pâte d’aluminium sont généralement utilisés lors du tensionnement. L’agent adhésif est d’abord appliqué au niveau de la jonction entre le cadre en alliage d’aluminium et la plaque de pochoir en acier inoxydable, puis une couche de protection est uniformément raclée par-dessus. Pendant le processus de tensionnement, il est nécessaire de laisser une distance interne de 25 mm à 50 mm entre la plaque de pochoir en acier inoxydable et le cadre afin de garantir une excellente planéité et une bonne tension lors de l’impression de la pâte à braser. Un pochoir nouvellement fabriqué doit maintenir une tension comprise entre 40 et 50 N par centimètre.

• Conception de repères fiduciaires de pochoir

Le positionnement automatique doit être effectué par l’imprimante pendant la ligne de fabrication automatique, de sorte que le pochoir doive contenir des repères fiduciaires. La conception des repères fiduciaires est basée sur les dimensions des repères dansFichier Gerberdu PCB, puis l’ouverture est définie avec un rapport de 1:1, le gravage étant effectué à l’arrière du pochoir. De manière générale, au moins deux repères fiduciaires sont requis sur un pochoir, placés à deux angles opposés.

• Conception de pochoir pour les pastilles d’E/S autour des composants QFN

La taille d’ouverture du pochoir doit être équivalente à celle des pastilles d’E/S périphériques afin que cette taille d’ouverture permette d’assurer la formation de joints de soudure avec une hauteur de pâte à braser de 50 à 75 μm après la refusion autour de la pastille. Pour les composants QFN à lignes fines, en particulier ceux dont le pas d’E/S est inférieur à 0,4 mm, la largeur d’ouverture du pochoir doit être légèrement réduite par rapport aux pastilles du PCB afin d’éviter les ponts de soudure entre les pastilles d’E/S adjacentes. Le rapport d’ouverture du pochoir entre la largeur et l’épaisseur (W/T) doit être supérieur à 1,5.

• Conception de pochoir pour les pastilles centrales de dissipation thermique des composants QFN

Une conception inappropriée de l’ouverture du pad central pour la dissipation thermique entraînera toutes sortes de défauts. Lorsque les composants QFN passent par le brasage par refusion, la pâte à braser sur les grands pads fond et, avec le flux en fusion, génère de l’air qui s’échappe, ce qui conduit à des problèmes tels que des cavités, des microcavités, des projections de soudure et des billes de soudure. Bien qu’il soit presque impossible d’éliminer complètement ces problèmes, leurs effets néfastes peuvent être réduits par certaines mesures. Par exemple, on choisira une matrice de multiples petites ouvertures en treillis plutôt qu’une grande ouverture. La forme de chaque petite ouverture peut être soit circulaire, soit carrée, tant que 50 % à 80 % des pads pour la dissipation thermique centrale sont couverts par la pâte à braser, ce qui garantira une hauteur de pâte à braser de 50 à 75 μm.

• Catégorie de pochoir et épaisseur de pochoir

Il est recommandé d’utiliser de l’acier inoxydable comme matériau de pochoir, tandis que la méthode de gravure recommandée est la découpe laser. Un polissage électrolytique est effectué sur la paroi des ouvertures afin que celle-ci soit lisse, avec une friction réduite, ce qui est bénéfique pour le démoulage et la formation de la pâte à braser.

L’épaisseur du pochoir joue un rôle décisif dans la quantité de pâte à braser déposée sur le PCB. Une quantité excessive ou insuffisante de pâte à braser entraînera la génération de défauts lors de la refusion. Trop de pâte à braser a tendance à provoquer des ponts de soudure, tandis qu’une quantité trop faible a tendance à entraîner des soudures ouvertes. Il est recommandé que les composants QFN à pas fin (pas inférieur à 0,4 mm) utilisent des pochoirs d’une épaisseur comprise entre 0,12 mm et 0,13 mm, et que les composants QFN à grand espacement (pas supérieur à 0,4 mm) utilisent des pochoirs d’une épaisseur comprise entre 0,15 mm et 0,2 mm.

• Inspection du pochoir

Le pochoir doit être soigneusement inspecté avant l’assemblage SMT authentique en tenant compte des éléments de contrôle suivants :
a. Une inspection visuelle doit être effectuée pour vérifier la planéité de l’étirement et s’assurer que l’ouverture est située au centre du pochoir.
b. Une inspection visuelle doit être effectuée pour s’assurer que les positions des ouvertures du pochoir sont compatibles avec les pastilles du PCB.
c. La taille de l’ouverture du pochoir (longueur, largeur) doit être inspectée.
d. Le microscope est utilisé pour inspecter la régularité de la paroi du trou d’ouverture et de la surface du pochoir.
e. Un tensiomètre est utilisé pour mesurer la tension du pochoir.
f. L’épaisseur du pochoir doit être validée en fonction du résultat de l’impression de la pâte à braser.

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