ความหนาแน่นของการประกอบผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ทำให้ทั้งชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์มีขนาดเล็กลง ระยะห่างละเอียดขึ้น และถึงขั้นไม่มีขา บทความนี้จะกล่าวถึงเทคโนโลยีการพิมพ์ครีมประสานประสิทธิภาพสูงที่รองรับกับชิ้นส่วน QFN (quad-flat no-leads) และจะแนะนำชิ้นส่วน QFN และชิ้นส่วน LCCC (leadless ceramic chip carrier) พร้อมอธิบายคุณลักษณะของชิ้นส่วนเหล่านี้ นอกจากนี้ยังจะแนะนำโครงสร้าง QFN และการออกแบบแผ่นรองบัดกรี โดยอ้างอิงจากการออกแบบลักษณะภายนอกแพ็กเกจ QFN การออกแบบแผ่นรอง QFN และการออกแบบช่องเปิดสเตนซิลของ QFN ท้ายที่สุด จะมีการวิเคราะห์เทคโนโลยีการพิมพ์ครีมประสานประสิทธิภาพสูงสำหรับชิ้นส่วน QFN จากมุมมองของส่วนผสมของครีมประสาน คุณสมบัติและพารามิเตอร์ของสเตนซิลสแตนเลส สภาพแวดล้อมการพิมพ์ การออกแบบเทคโนโลยีการพิมพ์ครีมประสาน และอุปกรณ์การพิมพ์ พร้อมทั้งอภิปรายถึงข้อบกพร่องหลักของการพิมพ์ครีมประสานสำหรับชิ้นส่วน QFN และนำเสนอประสบการณ์เชิงปฏิบัติในการดำเนินการพิมพ์ครีมประสานประสิทธิภาพสูงที่รองรับกับชิ้นส่วน QFN
QFN และ LCCC เป็นสองประเภทของชิ้นส่วนแบบไร้ขาที่พบได้บ่อยที่สุดซึ่งค่อนข้างไม่ธรรมดา เมื่อเปรียบเทียบกับชิ้นส่วนแบบมีขา ทั้งแผ่นรอง PCB (Printed Circuit Board) และช่องเปิดของสเตนซิลโลหะจะมีลักษณะแผ่นรองที่แตกต่างจากแผ่นรองสำหรับขาที่มีขนาดเล็กและยาว โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านเทคโนโลยีการพิมพ์ครีมประสาน
วัสดุหลักของแพ็กเกจ LCCC คือเซรามิก ในขณะที่ของ QFN คือพลาสติกซึ่งมีราคาต่ำจนเป็นที่ยอมรับมากกว่าในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ดังนั้น QFN จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้านขนาดเล็ก องค์ประกอบ QFN มีลักษณะเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสหรือสี่เหลี่ยมผืนผ้า ซึ่งคล้ายกับของ CSP (chip size package) ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวระหว่างทั้งสองคือ องค์ประกอบ QFN ไม่มีลูกบอลประสานอยู่ด้านล่าง ดังนั้นการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าและทางกลระหว่างแผงวงจรพิมพ์ (PCB) และ QFN จึงขึ้นอยู่กับครีมประสานที่ถูกหลอมละลายทั้งหมดการบัดกรีแบบรีโฟลว์และจะกลายเป็นจุดเชื่อมบัดกรีหลังจากเย็นตัวลง เนื่องจากระยะห่างของจุดสัมผัสระหว่าง QFN และแผ่นรอง PCB สั้นที่สุด ทำให้มีสมรรถนะทางไฟฟ้าและการระบายความร้อนดีกว่าส่วนประกอบแบบมีขาส่วนใหญ่ ซึ่งเหมาะสมเป็นพิเศษสำหรับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีข้อกำหนดสูงกว่าในด้านการกระจายความร้อนและประสิทธิภาพทางไฟฟ้า เมื่อเปรียบเทียบกับชิ้นส่วนแบบ PLCC (plastic leaded chip carrier) แบบดั้งเดิม ชิ้นส่วนแบบ QFN มีขนาดพื้นที่แพ็กเกจ ความหนา และน้ำหนักลดลงอย่างมาก พร้อมทั้งลดค่าความเหนี่ยวนำ寄生ลงได้ถึง 50% ทำให้สามารถทำงานได้ดียิ่งขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในโทรศัพท์มือถือและคอมพิวเตอร์
• การออกแบบรูปทรงของแพ็กเกจ QFN
ในฐานะรูปแบบแพ็กเกจ IC (วงจรรวม) แบบใหม่กว่า คอมโพเนนต์ QFN มีปลายบัดกรีที่ขนานกับแผ่นแพดบนแผงวงจรพิมพ์ โดยปกติจะออกแบบให้มีทองแดงเปลือยอยู่ตรงกลางของคอมโพเนนต์ เพื่อให้มีการนำความร้อนและสมรรถนะทางไฟฟ้าที่ดียิ่งขึ้น ดังนั้น ปลายบัดกรี I/O สำหรับการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าจึงสามารถกระจายตัวอยู่รอบ ๆ ครีบระบายความร้อนตรงกลางได้ ซึ่งทำให้มีความยืดหยุ่นมากขึ้นในการวางลายวงจรบน PCB ปลายบัดกรี I/O มีอยู่สองประเภท ได้แก่ แบบที่ด้านล่างของคอมโพเนนต์ถูกเปิดเผยโดยที่ส่วนอื่น ๆ ถูกบรรจุอยู่ภายในคอมโพเนนต์ และแบบที่มีการเปิดเผยปลายบัดกรีบางส่วนที่ด้านข้างของคอมโพเนนต์
เมื่อใช้วิธีการแบบเจาะหรือแบบซิกแซกแล้ว จะใช้ลวดทองแดงเพื่อเชื่อมต่อเวเฟอร์ภายในและชิปทองแดงที่เป็นปลายบัดกรีตรงกลางเข้ากับปลายบัดกรีรอบข้างเพื่อสร้างโครงสร้างเฟรม จากนั้นใช้เรซินในการยึดด้วยการยึดด้วยแม่พิมพ์และการหุ้ม ทำให้ปลายบัดกรีตรงกลางและปลายบัดกรีรอบนอกโผล่ออกมานอกแพ็กเกจ
• การออกแบบแผ่นรองสำหรับ QFN
เนื่องจากมีแผ่นทองแดงขนาดใหญ่สำหรับการกระจายความร้อนอยู่ที่ด้านล่างของชิ้นส่วน QFN จึงควรมีการออกแบบแผ่นรอง PCB และการออกแบบสเตนซิลโลหะที่ดีเยี่ยมเพื่อให้ได้การเชื่อมประสานที่เชื่อถือได้บนชิ้นส่วน QFN การออกแบบแผ่นรองสำหรับ QFN ประกอบด้วยสามด้าน ได้แก่
a. การออกแบบแผ่นรองขา I/O รอบนอก
แผ่นรองสำหรับ I/O บนแผ่น PCB ควรออกแบบให้มีขนาดใหญ่กว่าปลายบัดกรี I/O ของ QFN เล็กน้อย ด้านในของแผ่นรองควรออกแบบให้เป็นทรงกลมเพื่อให้เข้ากับรูปทรงของแผ่นรอง หากแผ่น PCB มีพื้นที่การออกแบบเพียงพอ ความยาวรอบปริมณฑลของแผ่นรอง I/O บนแผงวงจรควรมีอย่างน้อย 0.15 มม. ในขณะที่ความยาวด้านในควรมีอย่างน้อย 0.05 มม. เพื่อให้มั่นใจว่ามีระยะห่างเพียงพอระหว่างแผ่นรองที่อยู่รอบ QFN กับแผ่นรองส่วนกลาง ป้องกันไม่ให้เกิดการบริดจ์กัน
b. การออกแบบซอลเดอร์มาสก์ของ PCB
แผงวงจรพิมพ์การออกแบบซอลเดอร์มาสก์แบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก ๆ คือ SMD (solder mask defined) และ NSMD (non-solder mask defined) ประเภทแรกของซอลเดอร์มาสก์มีช่องเปิดที่มีขนาดเล็กกว่าแผ่นโลหะ ในขณะที่ประเภทหลังของซอลเดอร์มาสก์มีช่องเปิดที่มีขนาดใหญ่กว่าแผ่นโลหะ เนื่องจากเทคโนโลยี NSMD ควบคุมได้ง่ายกว่าในกระบวนการกัดกร่อนทองแดง จึงสามารถวางครีมประสานรอบ ๆ แผ่นโลหะได้ โดยช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือของจุดเชื่อมประสานอย่างมาก เทคโนโลยี SMD ควรถูกเลือกใช้ในการออกแบบซอลเดอร์มาสก์ของแผ่นระบายความร้อนตรงกลางที่มีพื้นที่ค่อนข้างใหญ่
ช่องเปิดซอลเดอร์มาสก์ควรมีขนาดใหญ่กว่าแผ่นแพด 120 ถึง 150μm กล่าวคือควรรักษาระยะห่าง 60 ถึง 75μm ระหว่างซอลเดอร์มาสก์กับแผ่นโลหะ แผ่นแพดแบบโค้งมนควรมีช่องเปิดซอลเดอร์มาสก์แบบโค้งมนที่สอดคล้องและเข้ากันได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งควรรักษาซอลเดอร์มาสก์ให้เพียงพอที่มุมเพื่อป้องกันการเกิดบริดจ์ ซอลเดอร์มาสก์ควรครอบคลุมที่แผ่นแพด I/O ทุกจุด
ควรให้หน้ากากบัดกรีครอบคลุมรูทะลุบนแผ่นแพดสำหรับการกระจายความร้อนเพื่อป้องกันไม่ให้ครีมประสานไหลออกจากรูทะลุระบายความร้อน เนื่องจากอาจทำให้เกิดการบัดกรีเป็นโพรงระหว่างปลายบัดกรีเปลือยตรงกลางของ QFN กับแผ่นระบายความร้อนตรงกลางของ PCB หน้ากากบัดกรีของรูทะลุโดยทั่วไปแบ่งออกเป็นสามประเภท ได้แก่ หน้ากากบัดกรีด้านบน หน้ากากบัดกรีด้านล่าง และแบบรูเปิดทะลุ เส้นผ่านศูนย์กลางของหน้ากากบัดกรีรูทะลุควรมีขนาดใหญ่กว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของรูทะลุ 100μm แนะนำให้เคลือบน้ำมันหน้ากากบัดกรีเพื่ออุดรูทะลุด้านหลังของ PCB ซึ่งจะทำให้เกิดโพรงจำนวนมากบนด้านหน้าของแผ่นระบายความร้อน ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการระบายก๊าซระหว่างกระบวนการบัดกรีรีโฟลว์
c. แผ่นระบายความร้อนตรงกลางและการออกแบบรูทะลุ
เนื่องจากแผ่นแพดถูกออกแบบมาเพื่อการระบายความร้อนที่บริเวณกึ่งกลางด้านล่างของ QFN จึงมีสมรรถนะการระบายความร้อนที่ยอดเยี่ยม เพื่อถ่ายเทความร้อนจากส่วนภายในของ IC ไปยังแผ่น PCB ได้อย่างมีประสิทธิภาพ จำเป็นต้องออกแบบแผ่นแพดระบายความร้อนและรูระบายความร้อนที่สอดคล้องกันไว้ที่ด้านล่างของแผ่น PCB แผ่นแพดระบายความร้อนทำหน้าที่เป็นพื้นที่บัดกรีที่เชื่อถือได้ และรูระบายความร้อนทำหน้าที่ในการระบายความร้อน
รูอากาศจะเกิดขึ้นระหว่างการบัดกรีเนื่องจากแผ่นรองขนาดใหญ่ที่ด้านล่างของชิ้นส่วน เพื่อให้ลดจำนวนรูอากาศให้น้อยที่สุด ควรเปิดรูทะลุระบายความร้อนที่แผ่นรองระบายความร้อนเพื่อถ่ายเทความร้อนได้อย่างรวดเร็วและเป็นประโยชน์ต่อการกระจายความร้อน การออกแบบจำนวนและขนาดของรูทะลุระบายความร้อนขึ้นอยู่กับสาขาการใช้งานของแพ็กเกจ ระดับกำลังไฟของ IC และข้อกำหนดด้านสมรรถนะทางไฟฟ้า
• การออกแบบช่องเปิดสเตนซิล QFN
a. การออกแบบรูรั่วของแผ่น I/O รอบนอก
โดยทั่วไปแล้วการออกแบบช่องเปิดของสเตนซิลโลหะจะเป็นไปตามหลักการของอัตราส่วนพื้นที่และอัตราส่วนความกว้างต่อความหนา เนื่องจากคอมโพเนนต์บางประเภทอาจใช้ประโยชน์จากหลักการการทำให้หนาเฉพาะจุดหรือบางเฉพาะจุด
b. การออกแบบช่องเปิดแผ่นขนาดใหญ่สำหรับการกระจายความร้อนส่วนกลาง
เนื่องจากแผ่นระบายความร้อนตรงกลางมีขนาดใหญ่และก๊าซมักจะหลุดออกมาพร้อมกับฟองอากาศที่เกิดขึ้น หากใช้ครีมบัดกรีในปริมาณมาก จะทำให้เกิดรูโพรงก๊าซมากขึ้นและก่อให้เกิดข้อบกพร่องจำนวนมาก เช่น การกระเด็นและลูกบอลบัดกรี เป็นต้น เพื่อให้ลดจำนวนรูโพรงก๊าซให้น้อยที่สุดและให้ได้ปริมาณครีมบัดกรีที่เหมาะสมที่สุดในการออกแบบแผ่นระบายความร้อนขนาดใหญ่ จึงเลือกใช้รูปแบบรูเปิดตะแกรง (net leak hole array) แทนรูเปิดขนาดใหญ่หนึ่งรู และรูเปิดขนาดเล็กแต่ละรูสามารถออกแบบให้เป็นรูปวงกลมหรือสี่เหลี่ยมก็ได้ โดยไม่มีข้อจำกัดด้านขนาด ตราบใดที่ปริมาณการเคลือบครีมบัดกรีอยู่ในช่วง 50% ถึง 80%
c. ประเภทและความหนาของสเตนซิล
การออกแบบช่องเปิดของแผ่นระบายความร้อนบนสเตนซิลโลหะมีความเกี่ยวข้องโดยตรงกับความหนาของการเคลือบครีมประสาน ซึ่งเป็นตัวกำหนดความสูงของการเชื่อมต่อของชิ้นส่วนที่ประกอบแล้ว
ปัจจัยที่กำหนดคุณภาพการพิมพ์ครีมประสานของ QFN ประกอบด้วยครีมประสาน แผ่นรอง PCB แผ่นโลหะสเตนซิล เครื่องพิมพ์ครีมประสาน และการปฏิบัติงานด้วยมือ
ครีมประสานมีส่วนผสมที่ซับซ้อนกว่าการใช้โลหะผสมดีบุก–ตะกั่วบริสุทธิ์มาก โดยประกอบด้วยอนุภาคโลหะผสมบัดกรี ฟลักซ์ ตัวควบคุมรีโอโลยี สารควบคุมความหนืด และตัวทำละลาย เนื่องจากชิ้นส่วน QFN เป็นอุปกรณ์แบบไม่มีขา (leadless) ที่มีแผ่นระบายความร้อนขนาดใหญ่บริเวณส่วนกลาง จึงมีข้อกำหนดที่ค่อนข้างสูงต่อค่าความหนืดและเทคโนโลยีการควบคุมความหนืด ความหนืดของครีมประสานไม่ควรสูงเกินไป เพราะหากความหนืดสูงเกินไปจะทำให้ครีมประสานไหลผ่านช่องเปิดบนสเตนซิลได้ยาก นอกจากนี้ หากความหนืดต่ำเกินไป ลายพิมพ์ที่ได้ก็จะไม่สมบูรณ์
ยิ่งอนุภาคของครีมประสานมีขนาดเล็กเท่าใด ครีมประสานก็จะมีความหนืดมากขึ้นเท่านั้น ยิ่งมีปริมาณอนุภาคมากเท่าใด ครีมประสานก็จะมีความหนืดมากขึ้นเท่านั้น ครีมประสานจะมีความหนืดสูงที่สุดเมื่อใช้อณูที่มีรูปทรงกลม และในทางกลับกัน เมื่อพูดถึงการพิมพ์ระยะห่างละเอียดเป็นพิเศษ จะต้องใช้ครีมประสานที่มีอนุภาคขนาดเล็กกว่าเพื่อให้ได้ความคมชัดของลายพิมพ์ครีมประสานที่ดียิ่งขึ้น
การพิมพ์ครีมประสานเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนมาก ซึ่งประกอบด้วยพารามิเตอร์ทางเทคนิคจำนวนมาก โดยแต่ละพารามิเตอร์อาจก่อให้เกิดความเสียหายอย่างมากหากมีการปรับตั้งไม่เหมาะสม พารามิเตอร์เหล่านี้ได้แก่ แรงกดของใบปาด ความหนาของการพิมพ์ ความเร็วในการพิมพ์ วิธีการพิมพ์ พารามิเตอร์ของใบปาด ความเร็วในการลอกแยกแม่แบบ และความถี่ในการทำความสะอาดสเตนซิล เมื่อใบปาดมีแรงกดต่ำ ครีมประสานจะไม่สามารถไหลลงไปถึงก้นช่องเปิดของสเตนซิลได้อย่างมีประสิทธิภาพและไม่ตกลงบนแผ่นรองบัดกรี เมื่อใบปาดมีแรงกดมากเกินไป ครีมประสานจะบางเกินไปหรืออาจทำให้สเตนซิลเสียหายได้ การเพิ่มความหนาของการพิมพ์ครีมประสานอย่างเหมาะสมช่วยปรับปรุงความน่าเชื่อถือในการประกอบชิ้นส่วน QFN ได้
PCBCart มีประสบการณ์อย่างเชี่ยวชาญในการประกอบชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เกือบทุกประเภทลงบนแผงวงจรพิมพ์ รวมถึงชิ้นส่วนแบบ QFN หากคุณมีความต้องการด้าน PCBA เราขอแนะนำให้คลิกปุ่มด้านล่างเพื่อขอใบเสนอราคารับประกอบ PCB แบบครบวงจร การเปรียบเทียบข้อเสนอจากหลายผู้ให้บริการจะช่วยให้คุณเลือกโรงงาน PCBA ที่คุ้มค่าที่สุดได้อย่างชาญฉลาด
ขอใบเสนอราคาการผลิตและประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
คุณอาจสนใจเพิ่มเติมใน:
•องค์ประกอบที่ทำให้การออกแบบแผ่นรอง PCB สำหรับ QFN มีประสิทธิภาพยอดเยี่ยม
•ข้อกำหนดการออกแบบสเตนซิลสำหรับชิ้นส่วน QFN เพื่อประสิทธิภาพสูงสุดของ PCBA
•บริการผลิตแผงวงจรพิมพ์ครบวงจรจาก PCBCart
•บริการประกอบแผงวงจรพิมพ์แบบเทิร์นคีย์ขั้นสูงจาก PCBCart
