電子製品の実装密度が継続的に向上することにより、電子部品およびデバイスは小型化、ファインピッチ化し、さらにはリードレス化が進んでいる。本稿では、QFN（quad-flat no-leads）部品に対応した優れたはんだペースト印刷技術について論じるとともに、その特性を詳述するQFN部品およびLCCC（leadless ceramic chip carrier）部品を紹介する。さらに、QFNパッケージ外観設計、QFNパッド設計、およびQFNステンシル開口設計に基づき、QFNの構造およびパッド設計についても紹介する。最後に、QFN部品のはんだペースト印刷における主な不良を取り上げつつ、はんだペーストの成分、ステンレス製ステンシルの特性およびパラメータ、印刷環境、はんだペースト印刷技術の設計および印刷装置といった観点から、QFN部品における優れたはんだペースト印刷技術を分析し、QFN部品に対応した優れたはんだペースト印刷の実装に関する実務経験を紹介する。
QFN と LCCC は、リードなし部品の中で最も一般的な 2 種類の、特殊なタイプです。リード付き部品と比較すると、PCB（プリント基板）のパッドおよびメタルステンシル開口部は、特にはんだペースト印刷技術の観点から、細く長いリード用パッドとは異なるパッド形状を有しています。
LCCCパッケージの主要材料はセラミックであるのに対し、QFNの主要材料はプラスチックであり、その低価格ゆえに民生用電子機器製品でより広く受け入れられています。その結果、QFNは小型家電に広く用いられています。QFN部品は正方形または長方形の形状をしており、CSP（チップサイズパッケージ）と類似しています。両者の唯一の違いは、QFN部品の下面にははんだボールが存在しないため、PCB基板とQFNとの電気的および機械的接続が、リフロー時に溶融するはんだペーストのみに完全に依存している点です。リフローはんだ付け冷却後にははんだ接合部となります。QFN と PCB パッド間の接触距離が最も短いため、ほとんどのリード部品よりも優れた電気的性能および熱的性能を実現し、より高い要求が求められる電子製品に特に適しています。熱放散および電気的性能。従来のPLCC（プラスチックリード付きチップキャリア）部品と比較して、QFN部品はパッケージ面積、厚さおよび重量が大幅に削減され、寄生インダクタンスも50％低減されるため、特に携帯電話やコンピュータにおいて、より優れた動作を実現する。
・QFNパッケージの形状設計
新しい IC（集積回路）パッケージ形態として、QFN コンポーネントは、基板上のパッドと平行なはんだ付け端子を備えています。通常、コンポーネント中央部には露出銅が設計されており、より優れた熱伝導性と電気的性能を提供します。これに伴い、電気的接続のための I/O はんだ付け端子は、中央の放熱フィンの周囲に分布させることができ、PCB 配線をより柔軟に行えるようにします。I/O はんだ付け端子には 2 種類あり、1 つはコンポーネント底面を露出させ、他の部分をパッケージ内部に収めるタイプ、もう 1 つはコンポーネント側面の一部にはんだ付け端子が露出しているタイプです。
打ち抜きまたはジグザグ方式を適用した後、銅リードを用いて内部のウェーハおよび中央はんだ付け端子の銅チップと周囲のはんだ付け端子を接続し、フレーム構造を形成する。続いて、樹脂を用いてモールド固定および封止を行うことで固定し、中央はんだ付け端子および周辺はんだ付け端子がパッケージ外部に露出するようにする。
・QFN用パッド設計
QFNコンポーネントの底面には放熱用の大きな銅板が用意されているため、QFNコンポーネントに信頼性の高いはんだ接合を形成するには、優れたPCBパッド設計とメタルステンシル設計を実装する必要があります。QFNのパッド設計には、次の3つの側面があります。
a. 周辺I/Oピンパッド設計
PCB ボード上の I/O 用パッドは、QFN の I/O はんだ付け端子よりも少し大きく設計する必要があります。パッドの内側は、パッドの形状に適合させるために円形に設計する必要があります。PCB に十分な設計スペースがある場合、基板上の I/O パッドの外周方向の長さは少なくとも 0.15mm、内側の残り長さは少なくとも 0.05mm とし、QFN 周囲のパッドと中央部のパッドとの間に十分なスペースを確保してブリッジの発生を防止する必要があります。
b. PCB ソルダーマスク設計
PCBソルダーマスク設計主に SMD（ソルダーマスク定義）と NSMD（非ソルダーマスク定義）の 2 つのカテゴリに分類されます。前者のソルダーマスクでは、開口部は金属パッドより小さく、一方、後者のソルダーマスクでは、開口部は金属パッドより大きくなります。NSMD 技術は銅腐食プロセスの制御が容易であるため、金属パッドの周囲にソルダーペーストを配置でき、はんだ接合の信頼性が大幅に向上します。比較的大きな面積を持つ中央の放熱パッドのソルダーマスク設計には、SMD 技術を採用すべきです。
ソルダーレジスト開口部はパッドよりも120～150μm大きくし、つまりソルダーレジストとメタルパッドの間には60～75μmの間隔を確保する必要があります。カンバー形状のパッド設計には、それに対応し互換性のあるカンバー形状のソルダーレジスト開口部を設ける必要があります。特にブリッジの発生を防ぐため、コーナー部には十分なソルダーレジストを確保しなければなりません。各I/Oパッドにはソルダーレジストを被覆する必要があります。
はんだマスクは、熱放散用パッド上のスルーホールを覆い、熱スルーホールからはんだペーストが流出するのを防ぐ必要があります。これは、QFN中央の露出はんだ付け端子とPCB中央の放熱パッドとの間にボイドはんだ付けが発生する可能性があるためです。スルーホール用はんだマスクには主に、トップソルダーマスク、ボトムソルダーマスク、およびスルーホールの3種類があります。スルーホール用はんだマスクの直径は、スルーホールの直径より100μm大きくする必要があります。PCB裏面側のスルーホールを塞ぐようにはんだマスクインクを塗布することが推奨されます。これにより、表面側の放熱パッド上に多数の空洞が形成され、リフローはんだ付け工程中のガス放出に有利となります。
c. 中央サーマルパッドおよびスルーホール設計
QFN の中央底面に配置されたパッドは、熱放散を目的として設計されているため、優れた放熱性能を有しています。IC 内部から PCB 基板へ効率的に熱を伝導するためには、PCB 底面に対応するサーマルパッドおよび放熱用スルーホールを設計する必要があります。サーマルパッドは信頼性の高いはんだ付け領域を提供し、放熱用スルーホールは放熱機能を提供します。
部品底面の大きなパッドによって、はんだ付け時にボイドが発生します。ボイドの数を最小限に抑えるためには、サーマルパッド部にサーマルスルーホールを設け、熱を迅速に伝導させて放熱性を高める必要があります。サーマルスルーホールの数およびサイズの設計は、パッケージの適用分野、ICの電力レベル、および電気的性能要件によって決定されます。
・QFN ステンシル開口設計
a. 周辺I/Oパッドのリークホール設計
メタルステンシルの開口設計は、一般的に面積比および幅厚比の原則に従いますが、特定の種類の部品では、局所的な厚付けまたは局所的な薄付けの原則を利用する場合があります。
b. 中央放熱用大型パッド開口設計
中央の放熱パッドは大面積であり、発生した気泡とともにガスが逃げやすくなります。多量のはんだペーストを塗布すると、ガスホールが増加し、スパッタやはんだボールなど多数の欠陥が発生します。放熱用の大パッド設計においてガスホールの数を最小限に抑え、最適なはんだペースト量を得るために、大きな開口部の代わりにメッシュ状の小さな開口アレイを採用します。各小開口は円形または四角形に設計でき、そのサイズに制限はありませんが、はんだペーストの塗布量が50％～80％の範囲内である必要があります。
c. ステンシルの種類と厚さ
メタルステンシルの放熱パッド開口設計は、はんだペーストの塗布厚さに直接関係しており、実装部品の接続高さを決定します。
QFNのはんだペースト印刷品質を決定する要素には、主に、はんだペースト、PCBパッド、メタルステンシル、はんだペーストプリンター、および手作業の操作が含まれる。
はんだペーストは、純粋な錫鉛合金よりもはるかに複雑な成分で構成されており、はんだ合金粒子、フラックス、レオロジー調整剤、粘度調整剤、および溶剤を含んでいる。QFN部品は、中央部に大きな放熱パッドを有するリードレスデバイスであるため、粘度および粘度制御技術に対して比較的高い要求が課される。はんだペーストの粘度は高すぎてはならず、粘度が高すぎるとステンシルの開口部を通過しにくくなる。また、粘度が低すぎると印刷パターンが不完全になる。
はんだペーストの粒子が小さくなるほど、はんだペーストの粘度は高くなります。含まれる粒子の量が多いほど、はんだペーストの粘度は高くなります。はんだペーストは、粒子が球状である場合に最も高い粘度を示し、その逆もまた然りです。超微細ピッチ印刷においては、より良いはんだペーストの解像度を得るために、より微細な粒子を用いたはんだペーストを使用する必要があります。
はんだペースト印刷は非常に多くの技術パラメータを含む複雑なプロセスであり、それぞれのパラメータが不適切に調整されると大きな不具合を引き起こす可能性があります。これらのパラメータには主に、スキージ圧、印刷厚さ、印刷速度、印刷方式、スキージのパラメータ、離型速度、およびステンシル洗浄頻度が含まれます。スキージ圧が低すぎる場合、はんだペーストはステンシル開口部の底部まで十分に到達できず、パッド上に転写されません。スキージ圧が高すぎる場合、はんだペーストの膜厚が薄くなりすぎたり、ステンシルを損傷したりするおそれがあります。はんだペースト印刷の厚みを適度に増やすことは、QFN部品の実装信頼性を向上させるのに有効です。
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