Il continuo aumento della densità di assemblaggio dei prodotti elettronici porta sia i componenti elettronici sia i dispositivi verso la miniaturizzazione, il passo fine e persino l’assenza di terminali. Questo articolo tratterà le eccellenti tecnologie di stampa della pasta saldante compatibili con i componenti QFN (quad-flat no-leads) e introdurrà i componenti QFN e i componenti LCCC (leadless ceramic chip carrier), di cui verranno approfondite le caratteristiche. Verranno inoltre presentati la struttura QFN e il design dei pad sulla base del design dell’aspetto del package QFN, del design dei pad QFN e del design delle aperture dello stencil QFN. Infine, le eccellenti tecnologie di stampa della pasta saldante per componenti QFN saranno analizzate dalle prospettive della composizione della pasta saldante, delle proprietà e dei parametri dello stencil in acciaio inox, dell’ambiente di stampa, del design della tecnologia di stampa della pasta saldante e delle apparecchiature di stampa, con discussione dei principali difetti della stampa della pasta saldante per componenti QFN e introduzione di esperienze pratiche sull’implementazione di un’eccellente stampa della pasta saldante compatibile con i componenti QFN.
QFN e LCCC sono i due tipi più comuni di componenti senza terminali che risultano insoliti. Rispetto ai componenti con terminali, sia i pad del PCB (Printed Circuit Board) sia le aperture dello stencil metallico presentano pad diversi rispetto a quelli per terminali sottili e lunghi, soprattutto in termini di tecnologia di stampa della pasta saldante.
Il materiale principale dei package LCCC è la ceramica, mentre quello dei QFN è la plastica, con prezzi così bassi da essere maggiormente accettati dai prodotti di elettronica di consumo. Di conseguenza, i QFN sono ampiamente applicati nei piccoli elettrodomestici. I componenti QFN si presentano come quadrati o rettangoli, in modo simile ai CSP (chip size package). L’unica differenza tra loro è che i componenti QFN non hanno sfere di saldatura nella parte inferiore, per cui il collegamento elettrico e meccanico tra la scheda PCB e il QFN si basa interamente sulla pasta saldante che viene fusa durantesaldatura a rifusionee diventeranno connessioni saldate dopo il raffreddamento. Poiché la distanza di contatto è la più breve tra il QFN e i pad del PCB, ciò porta a prestazioni elettriche e termiche migliori rispetto alla maggior parte dei componenti con terminali, risultando particolarmente più adatto per i prodotti elettronici che richiedono requisiti più elevati sudissipazione termicae prestazioni elettriche. Rispetto ai tradizionali componenti PLCC (plastic leaded chip carrier), i componenti QFN riducono drasticamente l’area dell’involucro, lo spessore e il peso, con un’induttanza parassita ridotta del 50%, in modo da funzionare meglio, in particolare nei telefoni cellulari e nei computer.
• Progettazione della forma dei package QFN
Come una forma più recente di package per circuiti integrati (IC), i componenti QFN presentano un terminale di saldatura parallelo ai pad sulla scheda a circuito stampato. Di solito, al centro dei componenti è previsto del rame nudo, che offre una migliore conducibilità termica e prestazioni elettriche. Di conseguenza, i terminali di saldatura I/O per il collegamento elettrico possono essere distribuiti attorno alle alette di raffreddamento centrali, il che rende più flessibile la realizzazione delle piste sul PCB. I terminali di saldatura I/O sono disponibili in due tipi: uno prevede che la parte inferiore del componente sia esposta mentre le altre parti sono incapsulate nel componente, l’altro tipo prevede che una parte del terminale di saldatura sia esposta sul lato del componente.
Con il tipo a punzonatura o a zigzag applicato, si utilizzano quindi conduttori in rame per collegare il wafer interno e il terminale centrale di saldatura del chip di rame con i terminali di saldatura circostanti, generando una struttura a telaio. Si utilizza quindi la resina per fissarla tramite stampaggio e incapsulamento, facendo sì che i terminali centrali di saldatura e i terminali periferici di saldatura siano esposti all’esterno del package.
• Progettazione dei pad per QFN
Poiché sono disponibili ampie lastre di rame per la dissipazione termica sul fondo dei componenti QFN, è necessario implementare un eccellente design dei pad del PCB e del telaio metallico per ottenere connessioni di saldatura affidabili sui componenti QFN. Il design dei pad per QFN comprende tre aspetti:
a. Progettazione del pad del pin di I/O periferico
Il pad per I/O sulla scheda PCB dovrebbe essere progettato leggermente più grande delle estremità di saldatura I/O del QFN. Il lato interno del pad dovrebbe essere progettato come un cerchio per essere compatibile con la forma del pad. Se la PCB dispone di sufficiente spazio di progettazione, la lunghezza perimetrale del pad I/O sulla scheda di circuito dovrebbe essere almeno 0,15 mm, mentre la lunghezza interna residua dovrebbe essere almeno 0,05 mm per garantire uno spazio sufficiente tra i pad che circondano il QFN e quelli nella parte centrale, impedendo il verificarsi di ponticellamenti.
b. Progettazione della maschera di saldatura PCB
PCBprogettazione della solder masksi presenta principalmente in due categorie: SMD (solder mask defined) e NSMD (non-solder mask defined). La prima categoria di solder mask presenta aperture più piccole dei pad metallici, mentre la seconda categoria presenta aperture più grandi dei pad metallici. Poiché la tecnologia NSMD è più facile da controllare nella tecnologia di corrosione del rame, la pasta saldante può essere posizionata attorno al pad metallico con un notevole miglioramento dell’affidabilità delle connessioni di saldatura. La tecnologia SMD dovrebbe essere adottata nella progettazione della solder mask del pad centrale di dissipazione termica con un’area relativamente ampia.
Le aperture della solder mask dovrebbero essere da 120 a 150 μm più grandi dei pad, ovvero dovrebbe essere mantenuto uno spazio di 60 a 75 μm tra la solder mask e il pad metallico. Il design del pad curvo dovrebbe avere una corrispondente apertura della solder mask curva che sia compatibile con esso. In particolare, dovrebbe essere mantenuta una quantità sufficiente di solder mask negli angoli per evitare che si verifichi il bridging. La solder mask dovrebbe coprire ciascun pad di I/O.
La solder mask dovrebbe coprire i fori passanti sul pad per la dissipazione termica, in modo da impedire alla pasta saldante di defluire attraverso i fori termici passanti, poiché ciò potrebbe causare vuoti di saldatura tra il terminale centrale di saldatura nudo del QFN e il pad centrale di dissipazione termica del PCB. La solder mask dei fori passanti è principalmente disponibile in tre tipi: solder mask superiore, solder mask inferiore e foro passante. Il diametro della solder mask del foro passante dovrebbe essere maggiore di 100 μm rispetto a quello del foro passante. Si consiglia che il resist di saldatura venga applicato per bloccare i fori passanti sul lato posteriore del PCB, in modo da generare molte cavità sul lato anteriore del pad di dissipazione termica, il che è utile per il rilascio dei gas durante il processo di saldatura a rifusione.
c. Progettazione del pad termico centrale e dei fori passanti
Poiché il pad è progettato per la dissipazione termica nella parte centrale inferiore del QFN, presenta prestazioni termiche eccellenti. Per condurre in modo efficiente il calore dalla parte interna dell’IC al circuito stampato (PCB), è necessario progettare un corrispondente pad termico e un foro passante di dissipazione termica nella parte inferiore del PCB. Il pad termico fornisce un’area di saldatura affidabile e il foro passante di dissipazione termica svolge la funzione di dissipazione del calore.
Durante la saldatura si genereranno cavità d’aria a causa dei pad di grandi dimensioni sul fondo dei componenti. Per ridurre al minimo il numero di cavità d’aria, è necessario aprire fori passanti termici sul pad termico, in modo da condurre rapidamente il calore e favorire la dissipazione termica. Il numero e le dimensioni dei fori passanti termici dipendono dal campo di applicazione dei package, dal livello di potenza dell’IC e dai requisiti di prestazioni elettriche.
• Progettazione dell'apertura dello stencil QFN
a. Progettazione del foro di perdita del pad di I/O periferico
Il design delle aperture dello stencil metallico generalmente segue il principio del rapporto di area e del rapporto larghezza-spessore, poiché alcuni tipi di componenti possono sfruttare il principio dell’ispessimento locale o dell’assottigliamento locale.
b. Progettazione di grande apertura del pad centrale per la dissipazione termica
Poiché il pad centrale di dissipazione termica appartiene a un’area di grandi dimensioni, il gas tende a fuoriuscire insieme alle bolle generate. Se viene applicata una grande quantità di pasta saldante, si formeranno più fori di gas e verranno generati numerosi difetti, come schizzi e palline di saldatura, ecc. Per ridurre al minimo il numero di fori di gas e ottenere una quantità ottimale di pasta saldante nella progettazione di un grande pad di dissipazione termica, si sceglie un array di microfori di sfiato a rete per sostituire un singolo grande foro di sfiato, e ciascun piccolo foro di sfiato può essere progettato come un cerchio o un quadrato, la cui dimensione non è limitata purché la quantità di pasta saldante depositata rientri nell’intervallo dal 50% all’80%.
c. Tipo e spessore dello stencil
La progettazione dell’apertura del pad di dissipazione termica dello stencil metallico è direttamente associata allo spessore del rivestimento di pasta saldante, determinando l’altezza di connessione dei componenti assemblati.
Gli elementi che determinano la qualità della stampa della pasta saldante QFN includono principalmente la pasta saldante, il pad del PCB, lo stencil metallico, la stampante per pasta saldante e le operazioni manuali.
La pasta saldante presenta una composizione molto più complessa rispetto alla semplice lega stagno‑piombo, contenendo particelle di lega saldante, flussante, regolatore reologico, agente di controllo della viscosità e solvente. Poiché i componenti QFN sono dispositivi senza terminali sporgenti che contengono un’ampia piazzola di dissipazione termica nella parte centrale, vengono poste esigenze relativamente elevate alla viscosità e alla tecnologia di controllo della viscosità. La viscosità della pasta saldante non dovrebbe essere troppo alta, poiché una viscosità eccessiva rende difficile il passaggio attraverso le aperture dello stencil. Inoltre, con una viscosità troppo bassa le tracce di stampa risultano incomplete.
Più piccole sono le particelle di pasta saldante, più la pasta saldante sarà viscosa. Maggiore è la quantità di particelle incluse, più la pasta saldante sarà viscosa. La pasta saldante presenta la massima viscosità con particelle sferiche e viceversa. Quando si tratta di stampa a passo ultra-fine, è necessario utilizzare una pasta saldante con particelle più sottili per ottenere una migliore risoluzione della pasta saldante.
La stampa della pasta saldante è un processo così complicato che contiene così tanti parametri tecnici, ciascuno dei quali può causare notevoli danni se regolato in modo inappropriato. Tutti questi parametri includono principalmente la pressione della spatola, lo spessore di stampa, la velocità di stampa, il metodo di stampa, i parametri della spatola, la velocità di distacco e la frequenza di pulizia dello stencil. Quando la spatola esercita una bassa pressione, la pasta saldante non riesce a raggiungere efficacemente il fondo dell’apertura dello stencil e a depositarsi sul pad. Quando la spatola esercita una pressione eccessiva, la pasta saldante risulta troppo sottile o può persino danneggiare lo stencil. Un opportuno aumento dello spessore della pasta saldante in fase di stampa è utile a migliorare l’affidabilità di assemblaggio dei componenti QFN.
