QFN焊盘设计

QFN焊盘设计王豫明一、QFN封装二、周边焊盘、热焊盘设计三、模板设计四、案例分析QFN焊盘设计一、QFN封装定义：QFN方形扁平无引脚封装（QuadflatNo-lead）(c)锯齿式引脚缩回。(a)冲孔式(b)锯齿式全引脚一、QFN封装一、QFN封装优点：具有极好的电和热性能。Amkor公司2004年已经销售1亿只。低阻抗、自感，可满足高速或微波应用。优异的热性能：无引脚焊盘设计使占地面积更小。非常薄的元件厚度（＜1mm），空间优势。总量轻，适合便携式应用。一、QFN封装焊接方式：通过印刷焊膏到PCB上，贴片、再流焊，实现元件与PCB的电气连接。焊盘设计：为了形成可靠的焊点，需要特别注意的是板的焊盘设计。同时，由于这种元件底部有大片的散热焊盘，要求进行合适的模板设计和焊膏印刷，保证合理的散热。二、周边焊盘、热焊盘设计为了形成可靠的焊点和良好的散热，需要特别注意焊盘设计和合适的模板设计。QFN的焊盘设计有3个方面。第一：周边引脚的焊盘设计。第二：中间热焊盘及过孔的设计。第三：考虑PCB的阻焊层结构。第一：周边引脚的焊盘设计。第一：周边引脚的焊盘设计。ZDmax（ZEmax）为焊盘引脚最外端尺寸，GDmin(GEmin)焊盘引脚最里端相对尺寸。X、Y是焊盘的宽度和长度CLL顶角点相邻焊盘间的最小距离。CPL外围焊盘内顶角与热焊盘的外边间的最小距离。CLL、CPL为避免焊桥而定义。D2(E2)热焊盘的尺寸。第一：周边引脚的焊盘设计。元件封装：SIZE、I/O、LEAD、PITCHI、封装尺寸:D、E、b、L焊盘设计：X、Y、Z、D2第二：中间热焊盘及过孔的设计QFN封装具有优异的热性能，主要是因为封装底部有大面积暴露焊盘，为了有效地将热从芯片传导到PCB上，PCB底部必须设计与之相对应的热焊盘以及传热过孔。热焊盘提供了可靠的焊接面积，过孔提供了散热途径。热焊盘设计通常热焊盘的尺寸至少和元件暴露焊盘相匹配，还需考虑各种其他因素，如避免和周边焊盘的桥接等，具体尺寸见附录1。第二：中间热焊盘及过孔的设计有些芯片在暴露焊盘周边有环状设计，这些并不要求焊接到板上，因此PCB热焊盘设计时可以不考虑这些环状焊盘，只根据暴露焊盘设计。第二：中间热焊盘及过孔的设计热过孔设计元件底部的大焊盘，在焊接时会产生气孔，为了将气孔减少到最小，需要在热焊盘上开设热过孔。热过孔还可以迅速传导热量，有利于散热。第二：中间热焊盘及过孔的设计气孔对性能的影响：若小气孔总和大于焊接覆盖率50％，不会导致热或板级性能的降低。如果气孔的最大尺寸大于过孔的间距，焊点内的气孔可能对高速、RF应用以及热性能方面有不利的影响。第二：中间热焊盘及过孔的设计热过孔设计热过孔的数量及孔尺寸设计取决于封装的应用场合和芯片功率大小以及电性能的要求，根据热性能仿真，建议传热过孔的间距在1.0--1.2mm，过孔尺寸在0.3—0.33mm，第二：中间热焊盘及过孔的设计过孔的阻焊形式(a)顶部阻焊：产生气孔较少，影响焊膏印刷。(b)底部阻焊：产生较大气孔，当覆盖2个过孔时，影响可靠性和导热性。(c)底部堵塞：同上。(d)贯通孔：允许焊料流进孔内，导致焊盘上焊料减少。第二：中间热焊盘及过孔的设计峰值温度对气孔、焊料流出的影响。当峰值温度从210℃增加到215℃－220℃时，气孔减少；对于贯通孔，板底部的焊料突出随峰值温度的降低而减少。第二：中间热焊盘及过孔的设计第三：PCB阻焊层结构建议使用NSMD阻焊层。阻焊层开口应比焊盘开口大120—150微米，即焊盘铜箔到阻焊层的间隙有60—75微米，因为丝网印刷阻焊油墨的制造公差在50—65微米之间。当引脚间距小于0.5mm时，引脚之间的阻焊可以省略。三、模板设计1.模板设计遵循的原则2.周边焊盘模板设计3.热焊盘模板设计4.离板高度与可靠性的关系面积比＝开口面积/开口侧壁面积LW/2T(L+W)大于0.66宽厚比＝开口宽度/模板厚度W/T大于1.5（这种封装属矩形开口）L和W是开口的长度和宽度，T是模板的厚度。1.模板设计遵循的原则2.周边焊盘模板设计周边焊盘模板开口与PCB的尺寸1：1。0.5mm以下焊盘，最好按细间距薄板设计。采用激光切割和电抛光。抛光使开口侧壁更光滑，焊膏更容易释放。严格控制开口公差，特别是0.4和0.5间距的元件，因为这些公差能够有效地减少开口尺寸。由于一旦元件焊到板上，元件底部没有富裕空间。建议采用免清洗工艺，3号焊粉用于焊接。3.热焊盘模板设计由于大面积的焊盘，焊接时气体将会向外溢出，产生一定的气孔；如果焊膏覆盖太大，将加重气孔的程度，还会引起各种缺陷（如溅射、焊球等）。为了将气孔减小到最低量，在热焊盘区域模板设计时，要经过仔细考虑，建议在该区域开多个小的开口，而不是一个大开口。典型值为50％－80％的焊膏覆盖量.焊膏覆盖量：阻塞孔50％以上；通孔75％以上。开口方式多样化。3.热焊盘模板设计4.离板高度与可靠性的关系模板热焊盘开口的设计直接影响焊膏覆盖量，影响焊接后元件的离板高度，通过试验得出，离板高度对可靠性有直接的影响。热焊盘覆盖率和过孔类型对离板高度的焊料体积有最大的影响。封装元件的离板高度和PCB的焊盘尺寸将影响所要求的焊料体积。4.离板高度与可靠性的关系在导热焊盘上不同的焊膏覆盖率、过孔与得到的离板高度的结果。(a)37％的覆盖率，堵塞过孔，1.4mil离板高度；(b)37％的覆盖率，贯通孔，0.6mil离板高度；(c)50％的覆盖率，堵塞过孔，2.9mil离板高度；(d)81％的覆盖率，贯通孔，2.1mil离板高度。4.离板高度与可靠性的关系4.离板高度与可靠性的关系离板高度增加4mils。FEA仿真显示，可靠性潜在增加了2倍。案例一热焊盘阻焊并在上面走线。焊盘尺寸设计不合理，正确的焊盘尺寸见附录四、案例分析案例二案例二总结QFN封装是一种新型封装，无论是从PCB设计、工艺还是可靠性方面都需要认真考虑。焊盘设计应遵循IPC的总原则，热焊盘的设计是关键，它起着热传导的作用，不要将其阻焊掉。过孔的设计最好阻焊；对热焊盘的模板设计时，一定考虑焊膏的释放量在50％—80％范围内，究竟多少为宜，与过孔的阻焊层有关，同时考虑封装的离板高度。焊接时气孔不可能避免，调整好温度曲线，使气孔减小至最小。END