การออกแบบสเตนซิลแผ่นระบายความร้อนของ QFN เพื่อควบคุมการเกิดช่องว่าง

แผ่นระบายความร้อนของ QFN เกิดโพรงภายในได้ เพราะรอยบัดกรีที่แบนและกว้างอยู่ใต้แพ็กเกจที่แทบไม่มีระยะยกตัว ทำให้ไม่มีทางให้ฟลักซ์ที่ระเหยออกหนีไปได้ แนวทางแก้ไขที่ช่วยได้อย่างแท้จริงอยู่ในส่วนของเลย์เอาต์และสเตนซิล: แบ่งช่องเปิดของครีมประสานให้เป็นลายหน้าต่าง กำหนดแต่เนิ่น ๆ ว่าจะจัดการกับรู via ระบายความร้อนได้อย่างไร และกำหนดขนาดปริมาณครีมประสานโดยอ้างอิงจากชิ้นส่วนที่มีระยะพิตช์ถี่ที่สุดบนบอร์ด โปรไฟล์การรีโฟว์สามารถช่วยได้ แต่แทบไม่เคยช่วยกู้แผ่นรองที่ถูกออกแบบมาให้กักเก็บแก๊สตั้งแต่แรก

ทำไมแผ่นระบายความร้อนของ QFN จึงเกิดโพรง (void)?

ช่องว่างส่วนใหญ่ในแผ่นถ่ายเทความร้อนเกิดจากสารระเหยของฟลักซ์ที่ติดค้างอยู่ และการออกแบบแผ่นรองจะเป็นตัวกำหนดว่าก๊าซเหล่านั้นสามารถระบายออกได้มากน้อยเพียงใดก่อนที่บัดกรีจะปิดทับมัน

เมื่อแผงวงจรร้อนขึ้น ตัวทำละลายและผลพลอยได้จากสารกระตุ้นจะระเหยเป็นไอ ใต้ขาแพ็กเกจที่มีระยะห่าง 0.5 มม. รอยบัดกรีมีขนาดเล็กมากและก๊าซจะเล็ดรอดออกด้านข้างเกือบจะทันที แผ่นแพดเปิดโล่ง (exposed pad) เป็นสถานการณ์ที่แตกต่างออกไป มันอาจมีขนาดกว้างหลายมิลลิเมตร ตัวแพ็กเกจอยู่สูงจากแผงวงจรเพียงเศษเสี้ยวของมิลลิเมตร และบัดกรีหลอมเหลวจะแผ่เปียกทั้งแพดของคอมโพเนนต์และแพดบนแผงวงจรพร้อมกัน ก๊าซที่เกิดใกล้กึ่งกลางต้องเดินทางออกสู่ขอบเป็นระยะทางยาวและแคบลง และเมื่อส่วนรอบนอกถูกเปียกและปิดผนึกแล้ว อะไรก็ตามที่ยังคงอยู่ภายในก็จะค้างอยู่ที่นั่นในรูปของช่องว่าง (void)

เงื่อนไขบางอย่างทางด้านบอร์ดทำให้สถานการณ์แย่ลงไปอีก หน้าต่างเปิดของสเตนซิลแบบเต็มหนึ่งช่องจะพิมพ์ครีมประสานเป็นแผ่นเดียวโดยไม่มีช่องให้ก๊าซไหลผ่าน วีอาระบายความร้อนแบบเปิดกักอากาศและความชื้นที่ถูกดูดซับไว้ และเมื่อบัดกรีไหลลงไปตามรูถัง มันจะดันอากาศนั้นขึ้นไปในจุดเชื่อม ผิวหน้าลายทองแดงที่ออกซิไดซ์จะทำให้การไหลเปียกช้าลงและเปิดโอกาสให้สารระเหยสะสมตัวมากขึ้น; งานวิจัยในอุตสาหกรรมที่ตีพิมพ์เกี่ยวกับโพรงอากาศใน QFN ยังพบด้วยว่าปริมาณโพรงอากาศจะเพิ่มขึ้นทุกครั้งที่ผ่านการรีโฟลว์เพิ่มอีกหนึ่งรอบ ซึ่งมีความสำคัญเมื่อ QFN ถูกวางอยู่บนด้านแรกของบอร์ดสองหน้า ประเด็นสุดท้ายนี้มักทำให้คนแปลกใจ งานวิจัยฉบับเดียวกันรายงานว่าการลดปริมาณครีมประสานกลับยิ่งเพิ่มการเกิดโพรงอากาศ ดังนั้นการพิมพ์ครีมประสานให้น้อยลงจึงไม่ใช่วิธีแก้ปัญหาด้วยตัวมันเอง

ความสำคัญของโพรงว่างขึ้นอยู่กับชิ้นส่วน ใน QFN กำลัง แผ่นแพดเป็นเส้นทางหลักในการระบายความร้อนจากไดเข้าสู่ทองแดง และการมีโพรงขนาดใหญ่ใต้จุดร้อนของไดจะทำให้อุณหภูมิจังชันสูงขึ้น ในอุปกรณ์ RF แผ่นแพดเดียวกันมักทำหน้าที่เป็นกราวด์รีเทิร์น และโพรงจะไปเปลี่ยนเส้นทางกราวด์ที่ผู้ออกแบบ RF ได้จำลองไว้ ในทั้งสองกรณี ตำแหน่งของโพรงมีความสำคัญพอๆ กับพื้นที่รวมของมัน

ช่องหน้าต่างบานเกล็ด: ความครอบคลุมเท่าไหร่?

แบ่งช่องเปิดของแผ่นรองระบายความร้อนออกเป็นตารางของช่องเปิดขนาดเล็กกว่า และพิมพ์ให้ครอบคลุมตามเปอร์เซ็นต์ที่ระบุไว้ในเอกสารข้อมูลอุปกรณ์ ซึ่งสำหรับชิ้นส่วนประเภท QFN และ DFN ส่วนใหญ่มักอยู่ระหว่างประมาณ 50% ถึง 80% ของพื้นที่แผ่นรอง

แต่ละช่องจะพิมพ์บัดกรีเป็นเกาะของตัวเอง และช่องว่างระหว่างเกาะจะเปิดค้างไว้นานพอในระหว่างการรีโฟลว์เพื่อให้แก๊สระบายออกก่อนที่บัดกรีจะรวมตัวกันเป็นจุดเชื่อมเดียว ตะแกรงแบบ 2×2 นั้นใช้กันทั่วไปบนแพดขนาดเล็ก แพดที่มีขนาดใหญ่กว่ามักจะใช้ 3×3 หรือมากกว่านั้น เพื่อไม่ให้ช่องใดช่องหนึ่งมีขนาดใหญ่พอที่จะทำตัวเหมือนแผ่นใหญ่ที่คุณพยายามจะหลีกเลี่ยง ควรรักษาลวดลายให้สมมาตรกับจุดกึ่งกลางของแพ็กเกจ: ถ้าปริมาณบัดกรีไม่เท่ากัน ตัวแพ็กเกจอาจเอียงหรือลอยไปด้านหนึ่ง และสิ่งนี้จะปรากฏเป็นขาดการเชื่อมต่อหรือสะพานลัดบนขา I/O แทนที่จะเกิดบนแพดเอง

ตำแหน่งที่คุณเลือกภายในช่วงนั้นเป็นการแลกเปลี่ยนกัน ความครอบคลุมที่มากขึ้นช่วยยกแพ็กเกจและเติมแผ่นรองให้เต็มมากขึ้น แต่ปริมาตรที่มากเกินไปจะทำให้ชิ้นส่วนลอยออกจากขา ความครอบคลุมที่น้อยลงช่วยระบายได้ดีกว่าและทำให้ขานั่งแน่นอยู่กับที่ แต่กลับทำให้รอยเชื่อมขาดแคลน และดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ก็ไม่ได้ช่วยลดโพรงอากาศได้อย่างน่าเชื่อถือ เรามักเริ่มจากตัวเลขในแผ่นข้อมูลเสมอ หากแผ่นข้อมูลไม่ได้ระบุ เราจะเสนอรูปแบบเริ่มต้นตามขนาดแผ่นรองและเลย์เอาต์ของ via แล้วจึงปรับหลังจากการเอกซเรย์ชิ้นงานแรก

กระจกบานสี่เหลี่ยมที่มุมโค้งเล็กน้อยสามารถถอดออกได้อย่างเรียบเนียนจากสเตนซิลตัดด้วยเลเซอร์จุดกลมจะเว้นช่องเปิดไว้มากกว่าเล็กน้อยที่อัตราการปกปิดเท่ากัน และลายเส้นเหมาะกับแผ่นรองบัดกรีรูปทรงยาวแคบที่พบในแพ็กเกจ DFN และแพ็กเกจจ่ายกำลังบางชนิด เราเปรียบเทียบลวดลายที่พบได้บ่อยดังนี้:

กฎข้อหนึ่งที่เราใช้ทุกครั้งคือ: ให้วางลายบัดกรี (webs) ไม่ใช่แผ่นเปิด (panes) ทับตำแหน่ง via แผ่นเปิดที่พิมพ์ทับ via ที่โล่งโดยตรงจะส่งให้ครีมบัดกรีไหลลงไปตามรู via โดยตรง

รูวายาส์ในแผ่นระบายความร้อน: เปิด, เคลือบปิด หรืออัดเติม?

รูวายาที่ถูกอัดเติมและปิดทับให้จุดเชื่อมแผ่นรองระบายความร้อนที่คาดเดาได้มากที่สุด รูวายาขนาดเล็กแบบเปิดก็ใช้งานได้เมื่อแผ่นสเตนซิลป้องกันไม่ให้มีครีมประสานลงไปในรู และการครอบรูวายาด้วยซอล์เดอร์มาสก์ด้านฝั่งอุปกรณ์คือทางเลือกที่เรามักไม่แนะนำ

หากไม่มีรูระบายความร้อน ความร้อนจากแผ่นรองจะกระจายผ่านทองแดงด้านบนเท่านั้น แนวทางการออกแบบของผู้ผลิต IC สำหรับรูระบายความร้อนแบบเปิดมักระบุให้ใช้ขนาดดอกสว่าน 0.3 มม. หรือน้อยกว่าที่ระยะห่างประมาณ 1 มม. และเอกสารข้อมูลของอุปกรณ์ควรเป็นข้อมูลอ้างอิงแรกของคุณสำหรับจำนวนและตำแหน่งของรู สำหรับกระบวนการประกอบ คำถามคือรูแต่ละรูส่งผลอย่างไรต่อบัดกรีระหว่างการรีโฟลว์

มาตรฐาน IPC-7093 เองแนะนำให้ทำการอุดรูวีอาความร้อนเพื่อป้องกันการไหลซึมของประสาน และงานวิจัยเรื่องโพรงอากาศที่เผยแพร่ก็เห็นพ้องกันว่าการปิดหน้ารูวีอาเป็นการเปลี่ยนแปลงที่มีประสิทธิผลสูงสุดเพียงประการเดียว เมื่อมีรูวีอาเปิด งานวิจัยเดียวกันพบว่าลายพิมพ์แพดระบายความร้อนที่เต็มกว่าอาจใช้ได้เมื่อมีจำนวนรูวีอาเพียงไม่กี่รู ในขณะที่เมื่อมีจำนวนรูวีอามากจำเป็นต้องใช้ลายพิมพ์แบบแบ่งส่วนเพื่อให้ก๊าซมีเส้นทางระบายออกได้มากขึ้น

การเติมและปิดฝากระทำให้มีค่าใช้จ่ายมากขึ้นในขั้นตอนบอร์ด และสำหรับบอร์ดแบบง่ายที่มีงบประมาณกำลังไฟฟ้าไม่สูงก็มักไม่คุ้มค่า เมื่อ QFN ต้องระบายความร้อนจำนวนมากหรือแผ่นแพดทำหน้าที่เป็นกราวด์ RF เรามักจะแนะนำให้ใช้ เนื่องจากเราเป็นผู้ผลิตบอร์ดเปล่าและทำการประกอบเอง การตัดสินใจนั้นจึงทำครั้งเดียวในขั้นตอนการเสนอราคา โดยอ้างอิงตามvia-in-padกระบวนการแทนที่จะเป็นการต่อรองกันระหว่างซัพพลายเออร์สองราย ไม่ว่าคุณจะเลือกแบบใด ให้ระบุไว้ในหมายเหตุของกระบวนการผลิต

การประนีประนอมด้านความหนาของสเตนซิลกับขาพิชช์ละเอียด

ความหนาของฟอยล์มักถูกกำหนดโดยชิ้นส่วนที่มีระยะห่างระหว่างขาละเอียดที่สุดบนบอร์ด ไม่ได้กำหนดโดยแผ่นรองระบายความร้อนของ QFN ดังนั้นจึงต้องออกแบบแผ่นรองให้สามารถทำงานได้กับความหนาใดก็ตามที่ขาที่มีระยะห่างละเอียดกำหนดไว้

ช่องเปิดแคบ ๆ บนขา QFN ระยะห่างละเอียดต้องใช้แผ่นฟอยล์บางเพื่อให้ครีมประสานถูกปลดปล่อยออกมาได้อย่างสะอาด แผ่นเทอร์มอลแพดจะได้ปริมาตรของมันจากพื้นที่การเคลือบและการจัดวางช่องหน้าต่างในความหนานั้น การเปิดแผ่นแพดให้กลายเป็นช่องเปิดขนาดใหญ่เพียงช่องเดียวเพื่อ "ชดเชย" ปริมาตร จะไปลบล้างทุกอย่างที่การทำช่องหน้าต่างเคยทำไว้

เมื่อฟอยล์แผ่นเดียวไม่สามารถรองรับความต้องการทั้งสองได้จริง ๆ มีแนวทางปฏิบัติได้สามแบบ แบบแรกคือใช้งานให้อยู่ภายในช่วงความหนาที่ระบุในเอกสารข้อมูล และขยับเข้าใกล้ค่าด้านบนของช่วง ซึ่งมักจะเพียงพอ แบบที่สองคือใช้สเต็ปสเตนซิลที่มีบริเวณซึ่งหนาหรือบางกว่าปกติในตำแหน่งเฉพาะ จำเป็นต้องเว้นระยะห้ามวางลายระหว่างบริเวณที่ทำสเต็ปกับช่องเปิดใกล้เคียงเพื่อให้ยางปาดสามารถซีลได้ จึงเหมาะกับบอร์ดที่มีพื้นที่ว่างรอบ ๆ QFN แบบที่สามซึ่งมีประโยชน์ในงานผลิตหลากหลายชนิดแต่ปริมาณต่ำ ที่การทำสเต็ปสเตนซิลสำหรับล็อตสั้น ๆ เป็นเรื่องยากจะคุ้มค่า คือการเติมครีมประสานลงบนแพดที่เลือกด้วยเครื่องพิมพ์เจ็ต MYCRONIC ของเราหลังการพิมพ์ด้วยสเตนซิล ความหนาของฟอยล์และความลึกของสเต็ปที่แน่นอนขึ้นอยู่กับชุดชิ้นส่วนของคุณและการตั้งค่าเครื่องพิมพ์ของเรา ดังนั้นกรุณายืนยันกับทีมวิศวกรรมของเราก่อนที่คุณจะสรุปเลเยอร์ครีมประสาน

ไม่ว่าเลือกความหนาเท่าใดก็ตาม 3D SPI จะตรวจวัดการพิมพ์ประสานบนแผ่นทุกชิ้นก่อนการวางชิ้นส่วน แผ่นที่พิมพ์ประสานไม่เพียงพอจะถูกตรวจพบที่เครื่องพิมพ์ ไม่ใช่หน้าจอเอกซเรย์

มีการตรวจสอบการทำให้เป็นโมฆะอย่างไร?

ช่องว่างในแผ่นซับความร้อนสามารถมองเห็นได้ด้วยเอ็กซเรย์เท่านั้น ดังนั้นเราจึงวัดพื้นที่ช่องว่างด้วยเครื่องเอ็กซเรย์ออฟไลน์บน首件และตัวอย่างตามที่ตกลงกันไว้ และบันทึกผลลัพธ์ลงในบอร์ดในระบบ Smart MES

3D AOI จะมองเห็นส่วนปลายลีดและฟิเลต์ด้านข้างแต่จะไม่เห็นด้านล่างบริเวณใต้ตัวแพ็กเกจ ในภาพเอกซเรย์มุมมองจากด้านบน ฟองอากาศ (void) จะปรากฏเป็นบริเวณที่สว่างกว่าภายในบริเวณประสานที่มืดกว่า และซอฟต์แวร์จะรายงานพื้นที่ฟองอากาศเป็นเปอร์เซ็นต์ของแผ่นแพด มีสองประเด็นที่ต้องตกลงกันก่อนที่ตัวเลขเหล่านั้นจะมีความหมาย ประเด็นแรกคือถังเวีย (via barrel) จะถูกตัดออกจากการคำนวณหรือไม่; เวียแบบเปิดอาจถูกนับเป็นฟองอากาศหากไม่มีการมาสก์ออก ในขณะที่เวียที่ถูกอุดจะเห็นเป็นลักษณะประสาน ประเด็นที่สองคือเกณฑ์จะใช้พื้นที่ฟองอากาศรวม ขนาดฟองอากาศเดี่ยวที่ใหญ่ที่สุด หรือทั้งสองอย่าง ฟองอากาศขนาดใหญ่หนึ่งจุดบริเวณฮอตสปอตของได อาจมีผลมากกว่าฟองอากาศเล็กจำนวนมากที่กระจายตามขอบแพด

เมื่อได้รับการยอมรับแล้ว IPC-7093 (การออกแบบและการใช้งานกระบวนการประกอบสำหรับชิ้นส่วนแบบเทอร์มิเนชันด้านล่าง) จะให้เพดานทั่วไปสำหรับการเกิดโพรงที่แผ่นเชื่อมตรงกลาง แต่ก็มีการกำหนดเงื่อนไขเพิ่มเติมไว้ว่า: ในกรณีที่การเกิดโพรงส่งผลให้ประสิทธิภาพการกระจายความร้อนลดลงอย่างเห็นได้ชัด ควรกำหนดขีดจำกัดให้เข้มงวดขึ้นและประเมินเป็นรายอุปกรณ์ ชิ้นส่วนกำลังที่ทำงานใกล้ขีดจำกัดจังก์ชันและชิ้นส่วน RF กำลังต่ำมักจะไม่ได้ลงเอยด้วยตัวเลขเดียวกัน ในทางปฏิบัติ แบบร่างการประกอบหรือบันทึกการผลิตของคุณควรระบุทั้งค่าขีดจำกัดและวิธีการวัด หากไม่ได้ระบุไว้ เราจะสอบถามในขั้นตอนการทบทวน DFM

เมื่อผลลัพธ์ออกมาแย่กว่าที่ตกลงกันไว้ เราจะวิเคราะห์หาสาเหตุตามลำดับตายตัว: ปริมาณครีมประสานจากบันทึก SPI การจัดวางแผ่นวงจรเทียบกับตำแหน่งเวีย การเตรียมผิวเวีย และหลังจากนั้นจึงค่อยดูโปรไฟล์การรีโฟลว์ในเตา JTR-1200D-N ของเรา ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นระยะเวลา soak การเริ่มปรับที่โปรไฟล์นั้นน่าดึงดูดเพราะปรับได้รวดเร็ว แต่แทบไม่ค่อยช่วยแก้ปัญหาที่เกิดจากการจัดวางเลย

รายการตรวจสอบการจัดวางและสเตนซิลของ QFN

รันการตรวจสอบเหล่านี้ก่อนปล่อยไฟล์ Gerber และเลเยอร์บัดกรี

หากคุณส่งเลเยอร์ Paste โน้ตของโรงงานที่ครอบคลุมการปรับสภาพผ่านรู และหมายเลขชิ้นส่วนที่แน่นอนมาพร้อมกับไฟล์ของคุณ การตรวจทาน DFM ของเราจะตรวจสอบแต่ละรายการเหล่านี้ก่อนที่จะตัดสเตนซิล

คำถามที่พบบ่อย

ฉันควรวาดบานหน้าต่างลงในเลเยอร์พาสต์หรือปล่อยให้เป็นหน้าที่ของผู้ประกอบชิ้นส่วน?

ใช้ได้ทั้งสองแบบ ตราบใดที่ระบุให้ชัดเจนว่าคือแบบใด หากเลเยอร์ครีมโซลเดอร์ของคุณมีลวดลายแบ่งช่องไว้แล้ว เราจะสร้างสเตนซิลให้ตรงตามนั้น และจะหยิบยกทุกประเด็นที่เราไม่เห็นด้วยขึ้นมาหารือในขั้น DFM แต่ถ้าเลเยอร์นั้นแสดงเป็นช่องเปิดเต็มหนึ่งช่องครอบทั้งแผด เราจะไม่เปลี่ยนแปลงเงียบ ๆ เราจะส่งลวดลายที่เสนอให้คุณอนุมัติก่อน เพราะการเลือกความครอบคลุมมีผลต่อสมรรถนะด้านการระบายความร้อนซึ่งเป็นความรับผิดชอบของคุณ

แผ่นระบายความร้อนบนแผ่นวงจรพิมพ์ควรมีขนาดใหญ่กว่าแผ่นเปิดโล่งบนตัวแพ็กเกจหรือไม่?

โดยทั่วไปไม่ควรเกินกว่าที่แบบแลนด์แพทเทิร์นในดาต้าชีตระบุไว้ แพดบนบอร์ดที่มีขนาดใหญ่กว่าแพดบนแพ็กเกจมากจะทำให้บัดกรีไหลกระจายออกด้านนอก ลดระดับรอยเชื่อมบัดกรีใต้แพ็กเกจ และอาจดึงให้ชิ้นส่วนเลื่อนไปจากกึ่งกลางระหว่างกระบวนการรีโฟลว์ นอกจากนี้ยังไปกินระยะห่างบริเวณปลายด้านในของแพด I/O อีกด้วย

แพ็กเกจ DFN, SON และ LGA ปฏิบัติตามกฎเดียวกันหรือไม่?

ฟิสิกส์เหมือนกัน ดังนั้นคำตอบคือได้ แต่เลย์เอาต์จะเปลี่ยนไป แพด DFN และ SON ที่ยาวและแคบมักจะระบายก๊าซได้ดีกว่าด้วยช่องเปิดแบบแถบมากกว่าตารางสี่เหลี่ยม แพ็กเกจที่มีแพดเปิดเผยสองจุดขึ้นไปต้องปรับสมดุลความครอบคลุมของแต่ละแพดให้เหมาะสมกัน เพื่อให้ชิ้นส่วนวางได้เรียบ

สามารถรีเวิร์ก QFN ที่มีช่องว่างบนแผ่นระบายความร้อนมากเกินไปได้หรือไม่?

มันสามารถถอดออกและเปลี่ยนใหม่ได้ แต่การรีเวิร์กจะทำให้บอร์ดและชิ้นส่วนใกล้เคียงต้องผ่านรอบความร้อนเพิ่มขึ้น และการทาซ้ำของครีมประสานใต้แพ็กเกจ QFN นั้นควบคุมได้ยากกว่าการพิมพ์ในกระบวนการผลิต เราจึงมองว่าการรีเวิร์กเป็นการแก้ไขสำหรับบอร์ดแต่ละแผ่น และไปแก้ที่สเตนซิลหรือวิธีจัดการเวียสำหรับงานที่เหลือ แทนที่จะรีเวิร์กบอร์ดจำนวนมากทีละแผ่น

การเกิดช่องว่างในแผ่นรองระบายความร้อนอาจทำให้เกิดปัญหากับขา I/O ได้หรือไม่?

โดยอ้อม สาเหตุมีความเกี่ยวเนื่องกัน: ปริมาณแพดที่มากเกินไปทำให้แพ็กเกจลอยและเกิดขาเปิด และก๊าซที่ระบายออกจากขอบแพดสามารถพาลูกบอลประสานขนาดเล็กกระเด็นไปทางแถวขา I/O ได้ หากขาเปิดและเกิดโพรงบนแพดอย่างหนักปรากฏอยู่บนชิ้นงานเดียวกัน ให้ตรวจสอบอัตราการปกคลุมของแพดระบายความร้อนก่อน

ขอใบเสนอราคาสำหรับการประกอบแผงวงจรพิมพ์

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์

•การตรวจสอบด้วยเอ็กซเรย์อัตโนมัติ (AXI) เพื่อคุณภาพการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

•AOI เทียบกับการตรวจสอบด้วยเอกซเรย์: แบบใดเหมาะสมกับการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ของคุณ?

•ข้อบกพร่องทั่วไปของ SMT และวิธีหลีกเลี่ยง