QFN元器件PCB焊盤(pán)與貼片網(wǎng)板設(shè)計(jì)

QFN焊盤(pán)設(shè)計(jì)和工藝指南（湖州生力電子有限公司沈新海）一、基本介紹QFN（QuadFlatNoLead）是一種相對(duì)比較新的IC封裝形式，但由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用得到了快速的增長(zhǎng)。QFN是一種無(wú)引腳封裝，它有利于降低引腳間的自感應(yīng)系數(shù)，在高頻領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。QFN外觀呈正方形或矩形，大小接近于CSP，所以很薄很輕。元件底部具有與底面水平的焊端，在中央有一個(gè)大面積裸露焊端用來(lái)導(dǎo)熱，圍繞大焊端的外圍四周有實(shí)現(xiàn)電氣連接的I/O焊端，I/O焊端有兩種類(lèi)型：一種只裸露出元件底部的一面，其它部分被封裝在元件內(nèi)；另一種焊端有裸露在元件側(cè)面的部分。QFN采用周邊引腳方式使PCB布線(xiàn)更靈活，中央裸露的銅焊端提供了良好的導(dǎo)熱性能和電性能。這些特點(diǎn)使QFN在某些對(duì)體積、重量、熱性能、電性能要求高的電子產(chǎn)品中得到了重用。由于QFN是一種較新的IC封裝形式，IPC-SM-782等PCB設(shè)計(jì)指南上都未包含相關(guān)內(nèi)容，本文可以幫助指導(dǎo)用戶(hù)進(jìn)行QFN的焊盤(pán)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)。但需要說(shuō)明的是本文只是提供一些基本知識(shí)供參考，用戶(hù)需要在實(shí)際生產(chǎn)中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化焊盤(pán)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)方案，以取得令人滿(mǎn)意的焊接效果。二、QFN封裝描述QFN的外形尺寸可參考其產(chǎn)品手冊(cè)，它符合一般工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。QFN通常采用JEDECMO-220系列標(biāo)準(zhǔn)外形，在焊盤(pán)設(shè)計(jì)時(shí)可以參考這些外形尺寸（示例如圖1）。圖1QFN元件三維剖視圖和實(shí)物外觀三、通用設(shè)計(jì)指南QFN的中央裸焊端和周邊I/O焊端組成了平坦的銅引線(xiàn)結(jié)構(gòu)框架，再用模鑄樹(shù)脂將其澆鑄在樹(shù)脂里固定，底面露出的中央裸焊端和周邊I/O焊端，均須焊接到PCB上。PCB焊盤(pán)設(shè)計(jì)應(yīng)該適應(yīng)工廠的實(shí)際工藝能力，以求取得最大的工藝窗口，得到良好的高可靠性焊點(diǎn)。需要說(shuō)明的是中央裸焊端的焊接，通過(guò)“錨”定元件，不僅可以獲得良好的散熱效果，還可以增強(qiáng)元件的機(jī)械強(qiáng)度，有利于提高周邊I/O焊端的焊點(diǎn)可靠性。針對(duì)QFN中央裸焊端而設(shè)計(jì)的PCB散熱焊盤(pán)，應(yīng)設(shè)計(jì)導(dǎo)熱過(guò)孔連接到PCB內(nèi)層隱藏的金屬層。這種通過(guò)過(guò)孔的垂直散熱設(shè)計(jì)，可以使QFN獲得完美的散熱效果。四、焊盤(pán)設(shè)計(jì)指南1、周邊I/O焊盤(pán)PCBI/O焊盤(pán)的設(shè)計(jì)應(yīng)比QFN的I/O焊端稍大一點(diǎn)，焊盤(pán)內(nèi)側(cè)應(yīng)設(shè)計(jì)成圓形以配合焊端的形狀，詳細(xì)請(qǐng)參考圖2和表1。PDFcreatedwithFinePrintpdfFactorytrialversion圖2典型的QFN元件焊端和PCB焊盤(pán)外觀圖典型的QFN元件I/O焊端尺寸（mm）焊盤(pán)間距0.80.650.50.50.40.330.280.230.230.200.60.60.60.40.6典型的PCBI/O焊盤(pán)設(shè)計(jì)指南（mm）外延（Tout）最小0.15最小0.15最小0.15最小0.15最小0.15內(nèi)延（Tin）最小0.05最小0.05最小0.05最小0.05最小0.05正常0.42正常0.37正常0.28正常0.28正常0.25焊盤(pán)寬度（b）焊盤(pán)長(zhǎng)度（L）焊盤(pán)寬度（X）表1I/O焊盤(pán)設(shè)計(jì)指南如果PCB有設(shè)計(jì)空間，I/O焊盤(pán)的外延長(zhǎng)度（Tout）大于0.15mm，可以明顯改善外側(cè)焊點(diǎn)形成，如果內(nèi)延長(zhǎng)度（Tin）大于0.05mm，則必須考慮與中央散熱焊盤(pán)之間保留足夠的間隙，以免引起橋連。2、中央散熱焊盤(pán)中央散熱焊盤(pán)應(yīng)設(shè)計(jì)比QFN中央裸焊端各邊大0-0.15mm，即總的邊長(zhǎng)大出0-0.3mm，但是中央散熱焊盤(pán)不能過(guò)分的大，否則，會(huì)影響與I/O焊盤(pán)之間的合理間隙，使橋連概率增加。此間隙最小為0.15mm，可能的話(huà)，最好是0.25mm或更大。3、散熱過(guò)孔散熱過(guò)孔應(yīng)按1.0mm-1.2mm的間隙均勻分布在中央散熱焊盤(pán)上，過(guò)孔應(yīng)連通到PCB內(nèi)層的金屬接地層上，過(guò)孔直徑推薦為0.3mm-0.33mm。雖然增加過(guò)孔（減小過(guò)孔間隙），表面上看好象可以改善熱性能，但因?yàn)樵黾舆^(guò)孔的同時(shí)也增加了熱氣回來(lái)的通道，所以實(shí)際效果不確定，需要根據(jù)實(shí)際PCB的情況來(lái)決定（如PCB散熱焊盤(pán)尺寸、接地層）。4、阻焊層設(shè)計(jì)目前有兩種阻焊層設(shè)計(jì)類(lèi)型：SMD（SolderMaskDefined）和NSMD（Non-SolderMaskDefined）。SMD：阻焊層開(kāi)口小于金屬焊盤(pán)；NSMD：阻焊層開(kāi)口大于金屬焊盤(pán)。由于在銅腐蝕工藝中更易控制，所以NSMD工藝更優(yōu)選。而且SMD工藝會(huì)使焊盤(pán)阻焊層與金屬層重疊區(qū)域壓力集中，在極端疲勞條件下容易使焊點(diǎn)開(kāi)裂。采用NSMD工藝則使焊錫圍繞在金屬焊盤(pán)邊緣，可以明顯改善焊點(diǎn)的可靠性。由于以上原因，在中央散熱焊盤(pán)和周邊I/O焊盤(pán)的阻焊層設(shè)計(jì)中一般都推薦采用NSMD工藝。但是，在尺寸相對(duì)比較大的中央散熱焊盤(pán)阻焊層設(shè)計(jì)中應(yīng)該采用SMD工藝。在采用NSMD工藝時(shí)，阻焊層開(kāi)口應(yīng)比焊盤(pán)大120um-150um，即在阻焊層與金屬焊盤(pán)之間留有60um-75um的間隙，弧形焊盤(pán)應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的弧形阻焊層開(kāi)口與之匹配，特別是在拐角處應(yīng)有足夠的阻焊層以阻止橋連。PDFcreatedwithFinePrintpdfFactorytrialversion每個(gè)I/O焊盤(pán)應(yīng)單獨(dú)設(shè)計(jì)阻焊層開(kāi)口，這樣可以使I/O相鄰焊盤(pán)之間布滿(mǎn)阻焊層，阻止相鄰焊盤(pán)之間形成橋連。但是，針對(duì)I/O焊盤(pán)寬度為0.25mm，間距只有0.4mm的細(xì)間距QFN，只能將處于一邊的所有I/O焊盤(pán)統(tǒng)一設(shè)計(jì)一個(gè)大的開(kāi)口，這樣I/O相鄰焊盤(pán)之間就沒(méi)有了阻焊層。I/O焊盤(pán)之間有阻焊層I/O焊盤(pán)之間無(wú)阻焊層有些QFN的中央裸焊端設(shè)計(jì)過(guò)大，使得與周邊I/O焊端之間的間隙很小，很容易引起橋連。在這種情況下，PCB散熱焊盤(pán)的阻焊層設(shè)計(jì)應(yīng)采用SMD工藝，即阻焊層開(kāi)口應(yīng)每邊縮小100um，以增加中央散熱焊盤(pán)與I/O焊盤(pán)之間的阻焊層面積。阻焊層應(yīng)覆蓋散熱焊盤(pán)上的過(guò)孔，以防止焊錫從散熱過(guò)孔中流失，使QFN中央裸焊端與PCB中央散熱焊盤(pán)之間形成空焊。過(guò)孔阻焊層的直徑應(yīng)比過(guò)孔直徑大100um，建議在PCB背面涂布阻焊油堵塞過(guò)孔，這樣可以在正面散熱焊盤(pán)上會(huì)形成許多空洞，這些空洞有利于在回流焊接過(guò)程中釋放氣體，并圍繞過(guò)孔形成更大的氣泡，需要特別說(shuō)明的是，這些氣泡的存在不會(huì)影響熱性能、電性能和焊點(diǎn)可靠性，是可以接受的。五、鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)1、周邊I/O焊盤(pán)漏孔設(shè)計(jì)周邊I/O焊盤(pán)上回流焊后形成的焊點(diǎn)應(yīng)有大約50-75um的高度，鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)是保證形成最優(yōu)最可靠焊點(diǎn)的第一步。鋼網(wǎng)漏孔尺寸與I/O焊盤(pán)尺寸推薦采用1：1的比例，針對(duì)I/O間距在0.4mm及以下的細(xì)間距QFP，鋼網(wǎng)漏孔寬度應(yīng)稍微內(nèi)縮一點(diǎn)，以避免相鄰I/O焊盤(pán)之間引起橋連。漏孔的長(zhǎng)（L）、寬（W）、厚（T）尺寸需符合以下比例：面積比=LW/2T(L+W)>0.66，寬厚比=W/T>1.5.2、中央散熱焊盤(pán)的漏孔設(shè)計(jì)為了保證獲得合適的焊錫膏量，宜采用網(wǎng)狀漏孔陣列取代一個(gè)大的漏孔，每個(gè)小漏孔的形狀可以是圓形或方形，大小無(wú)嚴(yán)格要求，只要保證焊錫膏的覆蓋面積在50%-80%之間。散熱焊盤(pán)上焊錫膏的量的控制是否合適，對(duì)周邊I/O焊盤(pán)能否形成良好的焊點(diǎn)有巨大的影響。3、鋼網(wǎng)類(lèi)型和厚度推薦采用不銹鋼片激光切割法，漏孔孔壁需電解拋光，漏孔形狀呈梯形，上小下大。電解拋光可以使漏孔孔壁更光滑，減少摩擦，有利于焊錫膏脫模和成形。梯形漏孔不僅有助于焊錫膏脫模，而且，印刷后成形穩(wěn)定性好，有利于保證貼片精度。針對(duì)0.5mm及以下細(xì)間距的QFN，鋼網(wǎng)厚度推薦采用0.125mm，而大間距的QFN，鋼網(wǎng)厚度可以增至0.15mm-0.2mm。六、回流焊接由于QFN較低的安裝高度，推薦采用Type3型符合ANSI/J-STD-005要求的免洗型焊錫膏，回流焊接過(guò)程中推薦使用氮?dú)獗Ｗo(hù)。圖3是推薦的回流焊接溫度曲線(xiàn)，請(qǐng)根據(jù)實(shí)際情況再作調(diào)整以達(dá)最優(yōu)效果。PDFcreatedwithFinePrintpdfFactorytrialversion圖3典型的錫鉛焊錫膏回流溫度曲線(xiàn)七、焊點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)QFN封裝的特點(diǎn)就是“底面即焊端”，在IPC/EIAJ-STD-001C標(biāo)準(zhǔn)的部分，“電氣和電子裝配焊接要求”中有相關(guān)描述，焊接要求見(jiàn)圖4和表2，需要特別說(shuō)明的是，針對(duì)“底面即焊端”的QFN元件，元件側(cè)面焊點(diǎn)爬高無(wú)任何要求，只要求控制元件底面焊點(diǎn)的長(zhǎng)度、寬度和厚度，也就是說(shuō)針對(duì)“I/O焊端只裸露出元件底部的一面，沒(méi)有裸露在元件側(cè)面的部分”的QFN元件，I/O焊端趾部焊點(diǎn)根本無(wú)法形成，所以我們看不到側(cè)面焊點(diǎn)，不能采用顯微鏡或放大鏡檢驗(yàn)，只能使用X-RAY檢驗(yàn)。圖4底面即焊端說(shuō)明元件超出焊盤(pán)最大尺寸焊點(diǎn)寬度最小尺寸焊點(diǎn)長(zhǎng)度最小尺寸焊點(diǎn)高度最大尺寸（包括外露部分）焊點(diǎn)高度最小尺寸（包括外露部分）焊點(diǎn)厚度重疊部分最小尺寸尺寸acdefgjCLASS1(Notes1,2)(Notes3)(Notes2)(Notes3)(Notes3)視需要而定CLASS2(Notes1,2)(Notes3)(Notes2)(Notes3)(Notes3)視需要而定CLASS3(Notes1,2)(Notes3)(Notes2)(Notes3)(Notes3)視需要而定50%(W)或50%（P）50%(W)或50%（P）75%(W)或75%（P）表2底面即焊端元件的焊點(diǎn)尺寸要求PDFcreatedwithFinePrintpdfFactorytrialversion八、返工指南QFN安裝到PCB上以后，只能通過(guò)X-RAY進(jìn)行透視檢查其焊點(diǎn)是否有氣泡、錫球或其它不良缺陷，包括檢查焊點(diǎn)的形狀和尺寸。通過(guò)傳統(tǒng)的電烙鐵補(bǔ)焊返工，只能對(duì)外露部分焊點(diǎn)有效，如果QFN底部焊點(diǎn)存在缺陷，只能將元件拆除后返工。盡管QFN元件很小，但拆除和返工都是可以手工完成的，但這是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。因?yàn)镼FN元件本身體積很小，它們又通常被貼裝在又輕又薄元件密集度又高的PCB上。以下的返工指南可以幫助你輕松提高QFN元件返工的成功率。1、烘烤開(kāi)始返工之前，需要將PCBA在125℃的溫度下烘烤至少24小時(shí)，以除去PCB和元件的潮氣。2、拆除元件拆除元件的溫度曲線(xiàn)最好與裝配元件時(shí)的回流焊溫度曲線(xiàn)一致，但是，焊錫液相線(xiàn)以上的時(shí)間可以適當(dāng)減少，只要能保證完成焊錫回流就可以了。推薦在PCBA底面用對(duì)流方式加熱，PCBA頂部用熱風(fēng)噴嘴對(duì)元件本體加熱。底部加熱盤(pán)的溫度設(shè)置為235-325℃，PCBA底部離加熱盤(pán)間隙為25mm，如圖5和圖6所示。圖5加熱盤(pán)式返工臺(tái)圖6加熱盤(pán)式返工臺(tái)外觀在開(kāi)啟噴嘴的熱風(fēng)之前，PCBA須從1-3℃/min的速度被加熱到55±5℃，噴嘴吹出的熱風(fēng)溫度大約為425℃。為慎重起見(jiàn)，可以先用吸錫帶將元件周邊可見(jiàn)焊點(diǎn)的焊錫清除。熱風(fēng)開(kāi)啟以后將噴嘴下降到離元件15-25mm的位置（如圖7）。當(dāng)回流溫度達(dá)到以后，可以應(yīng)用邊緣加熱系統(tǒng)向元件底部縫隙中吹熱氣，有利于面積較大的中央散熱焊點(diǎn)的熔化。加熱的同時(shí)，可以在QFN元件的角上插入尖頭鑷子，輕輕用力往上挑元件，這樣一旦所有焊點(diǎn)的焊錫都熔化時(shí)，元件就可以被挑起。（如圖8）因?yàn)镼FN元件很小很輕，所以要嚴(yán)密注意控制加熱時(shí)間，避免QFN元件過(guò)度受熱損壞，同時(shí)，應(yīng)注意避免對(duì)周邊元件的受熱影響。PDFcreatedwithFinePrintpdfFactorytrialversion圖7熱氣噴嘴距離元件的尺寸要求圖8用鑷子尖輕挑元件一旦元件全部回流完成，用真空吸嘴或鑷子將元件移除，真空壓力宜設(shè)為小于380mmHg，以防止在元件未充分回流而過(guò)早吸取元件時(shí),使PCB焊盤(pán)剝離損壞（如圖9、圖10）。圖9I/O焊盤(pán)剝離損壞圖10元件被移除3、清理焊盤(pán)使用刀形烙鐵頭或吸錫帶清理PCB焊盤(pán)上的殘錫和松香（如圖11），然后用溶劑清洗（如圖12）。圖11用吸錫帶清理焊盤(pán)圖12清洗后的PCB焊盤(pán)PDFcreatedwithFinePrintpdfFactorytrialversion4、焊錫膏印刷在大約50-100倍的顯微鏡下，將特制的小鋼網(wǎng)的漏孔與PCB上元件的焊盤(pán)對(duì)準(zhǔn)，用特制的小刮刀印刷焊錫膏，小刮刀寬度應(yīng)與元件寬度一致，以保證一次印刷成功。5、元件重新貼裝和回流焊接由于QFN重量很輕，在回流焊過(guò)程中的自對(duì)中能力很強(qiáng)，所以對(duì)貼裝精度要求不是很高。用于貼裝的返工臺(tái)的XY坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)該可以作精細(xì)調(diào)整，由于焊盤(pán)在元件底面，借助50-100倍的光學(xué)成像系統(tǒng)，可以幫助進(jìn)行元件對(duì)準(zhǔn)。貼裝完成后，使用與初次生產(chǎn)時(shí)同樣的溫度曲線(xiàn)重新進(jìn)行回流焊接。九、無(wú)奈的選擇：手工返工指南如果由于PCBA元件密集度太高而無(wú)法使用特別小鋼網(wǎng)印刷焊錫膏，就只能無(wú)奈地選擇手工焊接進(jìn)行返工，依據(jù)以下步驟同樣可以獲得很高的成功率。第1步先測(cè)量和記錄需更換的QFN元件的厚度，這個(gè)厚度指元件本體頂面至底面（包括中央裸焊端）的尺寸。（如圖13）圖13用卡尺測(cè)量元件厚度QFN中央裸焊端上錫：烙鐵頭溫度設(shè)置為370℃，涂布適量液體助焊劑，將事先已貯滿(mǎn)焊錫的烙鐵頭輕輕地接觸中央裸焊端，并保持?jǐn)?shù)秒鐘，當(dāng)焊錫開(kāi)始潤(rùn)濕焊端時(shí)，可以觀察到助焊劑氣化成煙霧狀，烙鐵頭上的焊錫轉(zhuǎn)移到了元件中央裸焊端上，形成一個(gè)漂亮的中間最高四邊略低的“枕形”焊點(diǎn)，（如圖14、圖15和圖16所示）。清洗助焊劑殘?jiān)螅瑴y(cè)量元件本體頂面至枕形焊點(diǎn)的最高點(diǎn)的尺寸，減去先前所測(cè)的元件的厚度，要求元件中央裸焊端上的枕形焊點(diǎn)高度達(dá)到0.1mm-0.35mm。（如圖17所示）。圖14給QFN中央裸焊端上錫（已完成25%）圖15給QFN中央裸焊端上錫（已完成90%）PDFcreatedwithFinePrintpdfFactorytrialversion圖16給QFN中央裸焊端上錫（已完成）圖17測(cè)量“枕形”焊點(diǎn)的高度如果枕形焊點(diǎn)高度不合適，可以重新涂布助焊劑，將枕形焊點(diǎn)熔化后，用吸錫帶吸走部分焊錫，以降低枕形焊點(diǎn)的高度。因?yàn)檫^(guò)高的焊點(diǎn)，更容易引起周邊I/O焊點(diǎn)的橋連，所以，枕形焊點(diǎn)的高度還是低一點(diǎn)比較好。枕形焊點(diǎn)制作完成后，需清理元件周邊I/O焊端上的焊錫殘?jiān)椭竸堅(jiān)５?步重新在元件的枕形焊點(diǎn)上涂布適量新鮮助焊劑，并借助顯微鏡盡可能精確地手工貼裝到PCB上，注意根據(jù)第1腳的位置確定元件方向。由于枕形焊點(diǎn)的存在，元件貼在PCB上后會(huì)搖搖晃晃，不太穩(wěn)定，所以手上動(dòng)作要特別小心。用鑷子輕輕壓住元件，通過(guò)噴嘴吹出熱風(fēng)加熱元件頂部，直到枕形焊點(diǎn)熔化（如圖18）。當(dāng)枕形焊點(diǎn)熔化時(shí)，你會(huì)感覺(jué)到元件有輕微的下沉。移走噴嘴，待冷卻后，元件已被固定在PCB上。清理助焊劑殘?jiān)?，并檢查元件頂面是否水平，元件I/O焊端與PCB上的I/O焊盤(pán)是否對(duì)準(zhǔn)。如不準(zhǔn)，可以重新涂布助焊劑，將枕形焊點(diǎn)重新加熱熔化后，用鑷子輕輕撥動(dòng)調(diào)整。HYPERLINK"/retype/zoom/84e42fd63186bceb19e8bb27?pn=8&x=0&y=685&raww=295&rawh=224&o=png_6_0_0_131_624_330_250_918_1188&type=pic&a