Peningkatan berterusan dalam ketumpatan pemasangan produk elektronik menyebabkan kedua-dua komponen dan peranti elektronik menjadi lebih kecil, berpadang halus dan malah tanpa kaki. Artikel ini akan membincangkan teknologi pencetakan pes pateri yang cemerlang dan serasi dengan komponen QFN (quad-flat no-leads) serta memperkenalkan komponen QFN dan komponen LCCC (leadless ceramic chip carrier) yang ciri-cirinya akan dihuraikan. Struktur dan reka bentuk pad QFN juga akan diperkenalkan berdasarkan reka bentuk rupa pakej QFN, reka bentuk pad QFN, dan reka bentuk bukaan stenstil QFN. Akhir sekali, teknologi pencetakan pes pateri yang cemerlang bagi komponen QFN akan dianalisis dari perspektif ramuan pes pateri, sifat dan parameter stenstil keluli tahan karat, persekitaran pencetakan, reka bentuk teknologi pencetakan pes pateri dan peralatan pencetakan dengan kecacatan utama dalam pencetakan pes pateri komponen QFN dibincangkan serta pengalaman praktikal diperkenalkan mengenai pelaksanaan pencetakan pes pateri yang cemerlang dan serasi dengan komponen QFN.
QFN dan LCCC ialah dua jenis komponen tanpa kaki yang paling biasa tetapi agak luar biasa. Berbanding dengan komponen berkaki, kedua-dua pad PCB (Papan Litar Bercetak) dan bukaan stenstil logam mempunyai pad yang berbeza daripada pad untuk kaki halus dan panjang, terutamanya dari segi teknologi pencetakan pes pateri.
Bahan utama bagi pakej LCCC ialah seramik manakala bagi QFN ialah plastik dengan harga yang begitu rendah sehingga lebih diterima oleh produk elektronik pengguna. Akibatnya, QFN digunakan secara meluas dalam peralatan rumah berskala kecil. Komponen QFN berbentuk segi empat sama atau segi empat tepat, yang serupa dengan CSP (pakej bersaiz cip). Satu-satunya perbezaan antara kedua-duanya ialah komponen QFN tidak mempunyai bebola pateri di bahagian bawah, jadi sambungan elektrik dan mekanikal antara papan PCB dan QFN sepenuhnya bergantung pada pes pateri yang dicairkan semasapemasangan semula pateridan akan menjadi sambungan pateri selepas penyejukan. Oleh kerana jarak sentuhan adalah paling pendek antara QFN dan pad PCB, ia membawa kepada prestasi elektrik dan prestasi terma yang lebih baik berbanding kebanyakan komponen berplumbum, yang amat sesuai untuk produk elektronik yang memerlukan keperluan lebih tinggi terhadappelesapan habadan prestasi elektrik. Berbanding dengan komponen PLCC (plastic leaded chip carrier) tradisional, komponen QFN menunjukkan pengurangan yang ketara dari segi keluasan pakej, ketebalan dan berat dengan induktans parasit dikurangkan sebanyak 50% supaya ia berfungsi dengan lebih baik terutamanya untuk telefon bimbit dan komputer.
• Reka Bentuk Bentuk Pakej QFN
Sebagai satu bentuk pakej IC (litar bersepadu) yang lebih baharu, komponen QFN mengandungi hujung pematerian yang selari dengan pad pada papan litar. Tembaga terdedah biasanya direka di bahagian tengah komponen, menyediakan kekonduksian terma dan prestasi elektrik yang lebih baik. Sehubungan itu, hujung pematerian I/O untuk sambungan elektrik boleh diedarkan di sekeliling sirip penyejuk tengah, yang menjadikannya lebih fleksibel untuk menjalankan pengesanan PCB. Hujung pematerian I/O hadir dalam dua jenis: satu ialah bahagian bawah komponen didedahkan dengan bahagian lain dibungkus dalam komponen manakala satu lagi jenis ialah sebahagian hujung pematerian didedahkan di bahagian sisi komponen.
Dengan jenis tebukan atau zigzag digunakan, plumbum kuprum kemudian digunakan untuk menyambungkan wafer dalaman dan cip kuprum hujung pematerian tengah serta hujung pematerian sekeliling bagi membentuk struktur rangka. Resin kemudian digunakan untuk mengekalkannya melalui penetapan acuan dan pembungkusan, menyebabkan hujung pematerian tengah dan hujung pematerian periferi terdedah di luar pakej.
• Reka Bentuk Pad untuk QFN
Oleh kerana kepingan kuprum besar untuk pelesapan haba disediakan di bahagian bawah komponen QFN, reka bentuk pad PCB dan reka bentuk stenstil logam yang sangat baik harus dilaksanakan untuk menghasilkan sambungan pematerian yang boleh dipercayai pada komponen QFN. Reka bentuk pad untuk QFN merangkumi tiga aspek:
a. Reka bentuk pad pin I/O persisian
Pad untuk I/O pada papan PCB hendaklah direka sedikit lebih besar daripada hujung pematerian I/O QFN. Bahagian dalam pad hendaklah direka berbentuk bulat agar serasi dengan bentuk pad. Jika PCB mempunyai ruang reka bentuk yang mencukupi, panjang perimeter pad I/O pada papan litar hendaklah sekurang-kurangnya 0.15mm manakala panjang bahagian dalam hendaklah sekurang-kurangnya 0.05mm untuk memastikan ruang yang mencukupi antara pad di sekeliling QFN dan pad di bahagian tengah, sekali gus mengelakkan berlakunya jambatan pematerian.
b. Reka Bentuk Topeng Pateri PCB
PCBreka bentuk topeng pateriterutamanya terbahagi kepada dua kategori: SMD (solder mask defined) dan NSMD (non-solder mask defined). Kategori pertama bagi topeng pateri mempunyai bukaan yang lebih kecil daripada pad logam manakala kategori kedua bagi topeng pateri mempunyai bukaan yang lebih besar daripada pad logam. Oleh kerana teknologi NSMD lebih mudah dikawal dalam teknologi kakisan kuprum, pes pateri boleh diletakkan di sekeliling pad logam dengan kebolehpercayaan sambungan pematerian dipertingkatkan dengan ketara. Teknologi SMD harus digunakan dalam reka bentuk topeng pateri pad pelesapan haba tengah dengan kawasan yang agak besar.
Bukaan topeng pateri hendaklah 120 hingga 150μm lebih besar daripada pad, iaitu jarak 60 hingga 75μm hendaklah dikekalkan antara topeng pateri dan pad logam. Reka bentuk pad melengkung hendaklah mempunyai bukaan topeng pateri melengkung yang sepadan dengannya. Terutamanya, topeng pateri yang mencukupi hendaklah dikekalkan pada bucu untuk mengelakkan berlakunya jambatan pateri. Topeng pateri hendaklah menutupi setiap pad I/O.
Topeng pateri hendaklah menutupi lubang tembus pada pad pelesapan haba untuk mengelakkan pes pateri mengalir keluar dari lubang tembus terma kerana ini berkemungkinan menyebabkan pematerian berongga antara hujung pematerian terdedah tengah QFN dan pad pelesapan haba tengah PCB. Topeng pateri lubang tembus terutamanya terbahagi kepada tiga jenis: topeng pateri atas, topeng pateri bawah dan lubang tembus. Diameter topeng pateri lubang tembus hendaklah 100 μm lebih besar daripada diameter lubang tembus tersebut. Adalah disarankan minyak topeng pateri disalut untuk menyekat lubang tembus pada bahagian belakang PCB, yang boleh menghasilkan banyak rongga pada bahagian hadapan pad pelesapan haba, yang bermanfaat untuk pelepasan gas semasa proses pematerian reflow.
c. Reka Terma Tengah dan Reka Bentuk Lubang Tembus
Oleh kerana pad direka untuk pelesapan haba di bahagian bawah tengah QFN, ia mempunyai prestasi terma yang sangat baik. Untuk mengalirkan haba dengan berkesan dari bahagian dalaman IC ke papan PCB, pad terma yang sepadan dan lubang tembus pelesapan haba perlu direka di bahagian bawah PCB. Pad terma menyediakan kawasan pematerian yang boleh dipercayai dan lubang tembus pelesapan haba menyediakan fungsi pelesapan haba.
Lubang udara akan terhasil semasa pematerian oleh pad besar di bahagian bawah komponen. Untuk mengurangkan bilangan lubang udara ke tahap minimum, lubang tembus terma hendaklah dibuka pada pad terma, dengan cepat mengalirkan haba dan bermanfaat untuk pelesapan haba. Reka bentuk bilangan dan saiz lubang tembus terma bergantung pada bidang aplikasi pakej, tahap kuasa IC dan keperluan prestasi elektrik.
• Reka Bentuk Pembukaan Stensil QFN
a. Reka Bentuk Lubang Kebocoran Pad I/O Periferi
Reka bentuk bukaan stenstil logam secara amnya mematuhi prinsip nisbah kawasan dan nisbah lebar-ketebalan kerana jenis komponen tertentu mungkin memanfaatkan prinsip penebalan setempat atau penipisan setempat.
b. Reka Bentuk Bukaan Pad Besar Pelesapan Haba Pusat
Oleh kerana pad pelesapan haba tengah tergolong dalam skala besar dan gas cenderung terlepas bersama gelembung yang terhasil. Jika sejumlah besar pes pateri digunakan, lebih banyak lubang gas akan terbentuk dengan pelbagai kecacatan yang turut terhasil seperti percikan dan bebola pateri dan sebagainya. Untuk mengurangkan bilangan lubang gas ke tahap minimum dan mendapatkan jumlah pes pateri yang optimum semasa reka bentuk pad pelesapan haba berskala besar, satu susunan lubang kebocoran bersih dipilih untuk menggantikan satu lubang kebocoran besar dan setiap lubang kebocoran kecil boleh direka bentuk sebagai bulatan atau segi empat sama yang saiznya tidak terhad asalkan jumlah salutan pes pateri berada dalam julat dari 50% hingga 80%.
c. Jenis dan Ketebalan Stensil
Reka bentuk bukaan pad pelesapan haba pada stenstil logam berkait secara langsung dengan ketebalan salutan pes pateri, yang menentukan ketinggian sambungan komponen yang dipasang.
Elemen yang menentukan kualiti percetakan pes pateri QFN terutamanya termasuk pes pateri, pad PCB, sten logam, pencetak pes pateri dan operasi manual.
Pes pateri mempunyai ramuan yang jauh lebih rumit berbanding aloi timah-plumbum tulen, mengandungi zarah aloi pateri, fluks, pengawal reologi, agen kawalan kelikatan dan pelarut. Oleh kerana komponen QFN ialah peranti tanpa kaki yang mengandungi pad pelesapan haba yang besar di bahagian tengah, keperluan yang agak tinggi telah ditetapkan terhadap kelikatan dan teknologi kawalan kelikatan. Kelikatan pes pateri tidak seharusnya terlalu tinggi kerana kelikatan yang terlalu tinggi akan menyukarkan pes melalui bukaan pada stensil. Selain itu, jejak cetakan akan menjadi tidak lengkap jika kelikatan terlalu rendah.
Semakin kecil zarah pes pateri, semakin likat pes pateri tersebut. Semakin tinggi jumlah zarah yang terkandung, semakin likat pes pateri tersebut. Pes pateri mempunyai kelikatan tertinggi dengan zarah berbentuk bulat dan sebaliknya. Apabila melibatkan pencetakan jarak ultra-halus, pes pateri dengan zarah yang lebih halus perlu digunakan untuk mendapatkan resolusi pes pateri yang lebih baik.
Pencetakan pes pateri ialah satu proses yang begitu rumit yang mengandungi begitu banyak parameter teknikal, yang masing-masing boleh menyebabkan banyak kerosakan jika dilaraskan secara tidak sesuai. Semua parameter tersebut terutamanya termasuk tekanan pengikis, ketebalan pencetakan, kelajuan pencetakan, kaedah pencetakan, parameter pengikis, kelajuan nyahacuan dan kekerapan pembersihan stensil. Apabila pengikis mempunyai tekanan yang rendah, pes pateri tidak akan dapat sampai dengan berkesan ke bahagian bawah bukaan stensil dan jatuh pada pad. Apabila pengikis mempunyai tekanan yang terlalu tinggi, pes pateri akan menjadi terlalu nipis atau malah merosakkan stensil. Penebalan pes pateri yang sesuai semasa pencetakan adalah baik untuk meningkatkan kebolehpercayaan pemasangan komponen QFN.
