Requisiti di progettazione dello stencil per componenti QFN per prestazioni ottimali della PCBA

Package QFN

Negli ultimi anni si è assistito a un’ampia applicazione dei componenti con package QFN (Quad Flat No-lead) grazie ai loro vantaggi complessivi, tra cui eccellenti prestazioni elettriche e termiche, peso ridotto e dimensioni contenute. In quanto package senza terminali sporgenti, i componenti QFN hanno attirato grande attenzione da parte dell’industria poiché presentano una bassa induttanza tra i terminali. I componenti con package QFN hanno forma quadrata o rettangolare, con configurazioni di package simili a quelle dei componenti con package BGA (Ball Grid Array). Diversamente dal BGA, il QFN non presenta sfere di saldatura sul lato inferiore e il suo collegamento elettrico e meccanico con altri componenti è realizzato tramite giunti di saldatura generati mediante saldatura a rifusione, prima della quale la pasta saldante deve essere stampata sui pad presenti sulla superficie del circuito stampato (PCB).

La stampa della pasta saldante è una fase così significativa duranteProcesso di assemblaggio di circuiti stampati (PCBA - Printed Circuit Board Assembly)che determinerà ulteriormente la qualità finale e le prestazioni dell’assemblaggio. La stampa della pasta saldante non può mai essere eseguita in modo fluido o accurato se non vengono progettati e utilizzati stencil appropriati, ed è per questo che è stato redatto questo articolo.

Design stencil

La stampa della pasta saldante svolge un ruolo così essenziale nell’assemblaggio a montaggio superficiale (SMA) e nella tecnologia di assemblaggio elettronico che la qualità della stampa della pasta saldante tramite stencil è direttamente associata al First Time Yield (FTY) della saldatura dei componenti elettronici/elettrici a montaggio superficiale. Si è concluso che dal 60% al 70% dei difetti di saldatura derivano dalla bassa qualità della stampa della pasta saldante eseguita tramite stencil. Pertanto, è necessario effettuare uno studio completo su tutti gli aspetti relativi alla tecnologia di stampa della pasta saldante tramite stencil.

Quando si tratta di progettazione degli stencil, un'apertura eccellente è il primo elemento che garantisce giunzioni di saldatura ottimali e affidabili.

• Progettazione del telaio dello stencil

Il telaio dello stencil è solitamente realizzato in lega di alluminio, con dimensioni compatibili con i parametri della stampante. La produzione automatizzata richiede che lo stencil possa entrare nella linea di produzione e che le sue dimensioni siano accettate dalla stampante. Dimensioni troppo grandi o troppo piccole non consentono una produzione fluida.

• Progettazione dell’allungamento dello stencil

Per stretching si intende il processo durante il quale la piastra in acciaio inox del telaio serigrafico viene fissata al telaio. Nella fase di stretching si utilizzano solitamente colla e nastro adesivo in pasta di alluminio. L’adesivo viene dapprima applicato nel punto di giunzione tra il telaio in lega di alluminio e la piastra in acciaio inox, quindi viene steso in modo uniforme uno strato protettivo. Durante il processo di stretching è necessario lasciare una distanza interna compresa tra 25 mm e 50 mm tra la piastra in acciaio inox e il telaio, per garantire un’eccellente planarità e tensione durante la stampa della pasta saldante. Uno stencil appena prodotto dovrebbe mantenere una tensione compresa tra 40 e 50 N per centimetro.

• Progettazione del riferimento di centraggio dello stencil

Il posizionamento automatico deve essere eseguito dalla stampante durante la linea di produzione automatica, pertanto lo stencil deve contenere dei riferimenti (fiducial marks). La progettazione dei riferimenti si basa sulle dimensioni dei riferimenti inFile Gerberdel PCB e quindi l’apertura è impostata con un rapporto di 1:1 con l’incisione eseguita sul retro dello stencil. In generale, sono necessari almeno due riferimenti fiduciali su uno stencil, posizionati a due angoli opposti.

• Progettazione dello stencil per pad di I/O attorno ai componenti QFN

La dimensione dell’apertura dello stencil dovrebbe essere equivalente a quella dei pad I/O periferici, in modo che tale dimensione dell’apertura possa garantire che, dopo la saldatura a rifusione, si formino giunti di saldatura con un’altezza della pasta di saldatura compresa tra 50 e 75 μm attorno al pad. Per quanto riguarda i componenti QFN a linee fini, in particolare quelli con passo I/O inferiore a 0,4 mm, la larghezza dell’apertura dello stencil dovrebbe essere leggermente ridotta rispetto ai pad del PCB per evitare il ponticellamento tra i pad I/O adiacenti. Il rapporto tra larghezza e spessore (W/T) dell’apertura dello stencil dovrebbe essere superiore a 1,5.

• Progettazione dello stencil per i pad centrali di dissipazione termica dei componenti QFN

Un design inappropriato dell’apertura del pad centrale per la dissipazione termica causerà ogni tipo di difetto. Quando i componenti QFN attraversano il processo di rifusione, la pasta saldante sui pad di grandi dimensioni si fonderà e, con il flussante in fusione, genererà aria che fuoriesce, causando problemi come vuoti d’aria, micropori, schizzi di saldatura e palline di saldatura. Sebbene sia quasi impossibile eliminare completamente questi problemi, i loro effetti negativi possono essere ridotti attraverso alcune misure. Ad esempio, si può scegliere una matrice di molte piccole aperture a maglia invece di una grande apertura. La forma di ciascuna piccola apertura può essere circolare o quadrata, purché dal 50% all’80% dei pad per la dissipazione termica centrale sia coperto dalla pasta saldante, il che garantirà un’altezza della pasta saldante di 50–75 μm.

• Categoria dello stencil e spessore dello stencil

Si consiglia di utilizzare acciaio inossidabile come materiale per lo stencil, mentre il metodo di incisione consigliato è il taglio laser. La lucidatura elettrolitica viene eseguita sulla parete del foro in modo che risulti liscia, con attrito ridotto, favorendo lo sformatura e la formatura della pasta saldante.

Lo spessore dello stencil svolge un ruolo decisivo nella quantità di pasta saldante stampata sul PCB. Una quantità eccessiva o insufficiente di pasta saldante porterà alla generazione di difetti durante la saldatura a rifusione. Troppa pasta saldante tende a causare cortocircuiti (bridging), mentre troppo poca pasta saldante tende a causare saldature aperte. Si consiglia che i componenti QFN a passo fine (passo inferiore a 0,4 mm) utilizzino stencil con spessore compreso tra 0,12 mm e 0,13 mm e che i componenti QFN a passo più ampio (passo superiore a 0,4 mm) utilizzino stencil con spessore compreso tra 0,15 mm e 0,2 mm.

• Ispezione dello stencil

Il telaio deve essere accuratamente ispezionato prima dell’assemblaggio SMT autentico con i seguenti elementi di ispezione:
a. È necessario effettuare un’ispezione visiva per verificare la planarità della tensionatura e assicurarsi che l’apertura sia posizionata al centro dello stencil.
b. L'ispezione visiva deve essere eseguita per garantire che le posizioni delle aperture dello stencil siano compatibili con i pad del PCB.
c. Le dimensioni dell’apertura dello stencil (lunghezza, larghezza) devono essere ispezionate.
d. Il microscopio viene utilizzato per ispezionare la levigatezza della parete del foro di apertura e della superficie dello stencil.
e. Il tensiometro viene utilizzato per misurare la tensione dello stencil.
f. Lo spessore dello stencil dovrebbe essere convalidato attraverso il risultato della stampa della pasta saldante.

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