QFN元器件PCB焊盘与贴片网板设计

QFN焊盘设计和工艺指南（湖州生力电子有限公司沈新海）一、基本介绍QFN（QuadFlatNoLead）是一种相对比较新的IC封装形式，但由于其独特的优势，其应用得到了快速的增长。QFN是一种无引脚封装，它有利于降低引脚间的自感应系数，在高频领域的应用优势明显。QFN外观呈正方形或矩形，大小接近于CSP，所以很薄很轻。元件底部具有与底面水平的焊端，在中央有一个大面积裸露焊端用来导热，围绕大焊端的外围四周有实现电气连接的I/O焊端，I/O焊端有两种类型：一种只裸露出元件底部的一面，其它部分被封装在元件内；另一种焊端有裸露在元件侧面的部分。QFN采用周边引脚方式使PCB布线更灵活，中央裸露的铜焊端提供了良好的导热性能和电性能。这些特点使QFN在某些对体积、重量、热性能、电性能要求高的电子产品中得到了重用。由于QFN是一种较新的IC封装形式，IPC-SM-782等PCB设计指南上都未包含相关内容，本文可以帮助指导用户进行QFN的焊盘设计和生产工艺设计。但需要说明的是本文只是提供一些基本知识供参考，用户需要在实际生产中不断积累经验，优化焊盘设计和生产工艺设计方案，以取得令人满意的焊接效果。二、QFN封装描述QFN的外形尺寸可参考其产品手册，它符合一般工业标准。QFN通常采用JEDECMO-220系列标准外形，在焊盘设计时可以参考这些外形尺寸（示例如图1）。图1QFN元件三维剖视图和实物外观三、通用设计指南QFN的中央裸焊端和周边I/O焊端组成了平坦的铜引线结构框架，再用模铸树脂将其浇铸在树脂里固定，底面露出的中央裸焊端和周边I/O焊端，均须焊接到PCB上。PCB焊盘设计应该适应工厂的实际工艺能力，以求取得最大的工艺窗口，得到良好的高可靠性焊点。需要说明的是中央裸焊端的焊接，通过“锚”定元件，不仅可以获得良好的散热效果，还可以增强元件的机械强度，有利于提高周边I/O焊端的焊点可靠性。针对QFN中央裸焊端而设计的PCB散热焊盘，应设计导热过孔连接到PCB内层隐藏的金属层。这种通过过孔的垂直散热设计，可以使QFN获得完美的散热效果。四、焊盘设计指南1、周边I/O焊盘PCBI/O焊盘的设计应比QFN的I/O焊端稍大一点，焊盘内侧应设计成圆形以配合焊端的形状，详细请参考图2和表1。PDFcreatedwithFinePrintpdfFactorytrialversion图2典型的QFN元件焊端和PCB焊盘外观图典型的QFN元件I/O焊端尺寸（mm）焊盘间距0.80.650.50.50.40.330.280.230.230.200.60.60.60.40.6典型的PCBI/O焊盘设计指南（mm）外延（Tout）最小0.15最小0.15最小0.15最小0.15最小0.15内延（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焊盘宽度（b）焊盘长度（L）焊盘宽度（X）表1I/O焊盘设计指南如果PCB有设计空间，I/O焊盘的外延长度（Tout）大于0.15mm，可以明显改善外侧焊点形成，如果内延长度（Tin）大于0.05mm，则必须考虑与中央散热焊盘之间保留足够的间隙，以免引起桥连。2、中央散热焊盘中央散热焊盘应设计比QFN中央裸焊端各边大0-0.15mm，即总的边长大出0-0.3mm，但是中央散热焊盘不能过分的大，否则，会影响与I/O焊盘之间的合理间隙，使桥连概率增加。此间隙最小为0.15mm，可能的话，最好是0.25mm或更大。3、散热过孔散热过孔应按1.0mm-1.2mm的间隙均匀分布在中央散热焊盘上，过孔应连通到PCB内层的金属接地层上，过孔直径推荐为0.3mm-0.33mm。虽然增加过孔（减小过孔间隙），表面上看好象可以改善热性能，但因为增加过孔的同时也增加了热气回来的通道，所以实际效果不确定，需要根据实际PCB的情况来决定（如PCB散热焊盘尺寸、接地层）。4、阻焊层设计目前有两种阻焊层设计类型：SMD（SolderMaskDefined）和NSMD（Non-SolderMaskDefined）。SMD：阻焊层开口小于金属焊盘；NSMD：阻焊层开口大于金属焊盘。由于在铜腐蚀工艺中更易控制，所以NSMD工艺更优选。而且SMD工艺会使焊盘阻焊层与金属层重叠区域压力集中，在极端疲劳条件下容易使焊点开裂。采用NSMD工艺则使焊锡围绕在金属焊盘边缘，可以明显改善焊点的可靠性。由于以上原因，在中央散热焊盘和周边I/O焊盘的阻焊层设计中一般都推荐采用NSMD工艺。但是，在尺寸相对比较大的中央散热焊盘阻焊层设计中应该采用SMD工艺。在采用NSMD工艺时，阻焊层开口应比焊盘大120um-150um，即在阻焊层与金属焊盘之间留有60um-75um的间隙，弧形焊盘应设计相应的弧形阻焊层开口与之匹配，特别是在拐角处应有足够的阻焊层以阻止桥连。PDFcreatedwithFinePrintpdfFactorytrialversion每个I/O焊盘应单独设计阻焊层开口，这样可以使I/O相邻焊盘之间布满阻焊层，阻止相邻焊盘之间形成桥连。但是，针对I/O焊盘宽度为0.25mm，间距只有0.4mm的细间距QFN，只能将处于一边的所有I/O焊盘统一设计一个大的开口，这样I/O相邻焊盘之间就没有了阻焊层。I/O焊盘之间有阻焊层I/O焊盘之间无阻焊层有些QFN的中央裸焊端设计过大，使得与周边I/O焊端之间的间隙很小，很容易引起桥连。在这种情况下，PCB散热焊盘的阻焊层设计应采用SMD工艺，即阻焊层开口应每边缩小100um，以增加中央散热焊盘与I/O焊盘之间的阻焊层面积。阻焊层应覆盖散热焊盘上的过孔，以防止焊锡从散热过孔中流失，使QFN中央裸焊端与PCB中央散热焊盘之间形成空焊。过孔阻焊层的直径应比过孔直径大100um，建议在PCB背面涂布阻焊油堵塞过孔，这样可以在正面散热焊盘上会形成许多空洞，这些空洞有利于在回流焊接过程中释放气体，并围绕过孔形成更大的气泡，需要特别说明的是，这些气泡的存在不会影响热性能、电性能和焊点可靠性，是可以接受的。五、钢网设计1、周边I/O焊盘漏孔设计周边I/O焊盘上回流焊后形成的焊点应有大约50-75um的高度，钢网设计是保证形成最优最可靠焊点的第一步。钢网漏孔尺寸与I/O焊盘尺寸推荐采用1：1的比例，针对I/O间距在0.4mm及以下的细间距QFP，钢网漏孔宽度应稍微内缩一点，以避免相邻I/O焊盘之间引起桥连。漏孔的长（L）、宽（W）、厚（T）尺寸需符合以下比例：面积比=LW/2T(L+W)>0.66，宽厚比=W/T>1.5.2、中央散热焊盘的漏孔设计为了保证获得合适的焊锡膏量，宜采用网状漏孔阵列取代一个大的漏孔，每个小漏孔的形状可以是圆形或方形，大小无严格要求，只要保证焊锡膏的覆盖面积在50%-80%之间。散热焊盘上焊锡膏的量的控制是否合适，对周边I/O焊盘能否形成良好的焊点有巨大的影响。3、钢网类型和厚度推荐采用不锈钢片激光切割法，漏孔孔壁需电解抛光，漏孔形状呈梯形，上小下大。电解抛光可以使漏孔孔壁更光滑，减少摩擦，有利于焊锡膏脱模和成形。梯形漏孔不仅有助于焊锡膏脱模，而且，印刷后成形稳定性好，有利于保证贴片精度。针对0.5mm及以下细间距的QFN，钢网厚度推荐采用0.125mm，而大间距的QFN，钢网厚度可以增至0.15mm-0.2mm。六、回流焊接由于QFN较低的安装高度，推荐采用Type3型符合ANSI/J-STD-005要求的免洗型焊锡膏，回流焊接过程中推荐使用氮气保护。图3是推荐的回流焊接温度曲线，请根据实际情况再作调整以达最优效果。PDFcreatedwithFinePrintpdfFactorytrialversion图3典型的锡铅焊锡膏回流温度曲线七、焊点标准QFN封装的特点就是“底面即焊端”，在IPC/EIAJ-STD-001C标准的部分，“电气和电子装配焊接要求”中有相关描述，焊接要求见图4和表2，需要特别说明的是，针对“底面即焊端”的QFN元件，元件侧面焊点爬高无任何要求，只要求控制元件底面焊点的长度、宽度和厚度，也就是说针对“I/O焊端只裸露出元件底部的一面，没有裸露在元件侧面的部分”的QFN元件，I/O焊端趾部焊点根本无法形成，所以我们看不到侧面焊点，不能采用显微镜或放大镜检验，只能使用X-RAY检验。图4底面即焊端说明元件超出焊盘最大尺寸焊点宽度最小尺寸焊点长度最小尺寸焊点高度最大尺寸（包括外露部分）焊点高度最小尺寸（包括外露部分）焊点厚度重叠部分最小尺寸尺寸acdefgjCLASS1(Notes1,2)(Notes3)(Notes2)(Notes3)(Notes3)视需要而定CLASS2(Notes1,2)(Notes3)(Notes2)(Notes3)(Notes3)视需要而定CLASS3(Notes1,2)(Notes3)(Notes2)(Notes3)(Notes3)视需要而定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点尺寸要求PDFcreatedwithFinePrintpdfFactorytrialversion八、返工指南QFN安装到PCB上以后，只能通过X-RAY进行透视检查其焊点是否有气泡、锡球或其它不良缺陷，包括检查焊点的形状和尺寸。通过传统的电烙铁补焊返工，只能对外露部分焊点有效，如果QFN底部焊点存在缺陷，只能将元件拆除后返工。尽管QFN元件很小，但拆除和返工都是可以手工完成的，但这是一项具有挑战性的工作。因为QFN元件本身体积很小，它们又通常被贴装在又轻又薄元件密集度又高的PCB上。以下的返工指南可以帮助你轻松提高QFN元件返工的成功率。1、烘烤开始返工之前，需要将PCBA在125℃的温度下烘烤至少24小时，以除去PCB和元件的潮气。2、拆除元件拆除元件的温度曲线最好与装配元件时的回流焊温度曲线一致，但是，焊锡液相线以上的时间可以适当减少，只要能保证完成焊锡回流就可以了。推荐在PCBA底面用对流方式加热，PCBA顶部用热风喷嘴对元件本体加热。底部加热盘的温度设置为235-325℃，PCBA底部离加热盘间隙为25mm，如图5和图6所示。图5加热盘式返工台图6加热盘式返工台外观在开启喷嘴的热风之前，PCBA须从1-3℃/min的速度被加热到55±5℃，喷嘴吹出的热风温度大约为425℃。为慎重起见，可以先用吸锡带将元件周边可见焊点的焊锡清除。热风开启以后将喷嘴下降到离元件15-25mm的位置（如图7）。当回流温度达到以后，可以应用边缘加热系统向元件底部缝隙中吹热气，有利于面积较大的中央散热焊点的熔化。加热的同时，可以在QFN元件的角上插入尖头镊子，轻轻用力往上挑元件，这样一旦所有焊点的焊锡都熔化时，元件就可以被挑起。（如图8）因为QFN元件很小很轻，所以要严密注意控制加热时间，避免QFN元件过度受热损坏，同时，应注意避免对周边元件的受热影响。PDFcreatedwithFinePrintpdfFactorytrialversion图7热气喷嘴距离元件的尺寸要求图8用镊子尖轻挑元件一旦元件全部回流完成，用真空吸嘴或镊子将元件移除，真空压力宜设为小于380mmHg，以防止在元件未充分回流而过早吸取元件时,使PCB焊盘剥离损坏（如图9、图10）。图9I/O焊盘剥离损坏图10元件被移除3、清理焊盘使用刀形烙铁头或吸锡带清理PCB焊盘上的残锡和松香（如图11），然后用溶剂清洗（如图12）。图11用吸锡带清理焊盘图12清洗后的PCB焊盘PDFcreatedwithFinePrintpdfFactorytrialversion4、焊锡膏印刷在大约50-100倍的显微镜下，将特制的小钢网的漏孔与PCB上元件的焊盘对准，用特制的小刮刀印刷焊锡膏，小刮刀宽度应与元件宽度一致，以保证一次印刷成功。5、元件重新贴装和回流焊接由于QFN重量很轻，在回流焊过程中的自对中能力很强，所以对贴装精度要求不是很高。用于贴装的返工台的XY坐标和旋转角度应该可以作精细调整，由于焊盘在元件底面，借助50-100倍的光学成像系统，可以帮助进行元件对准。贴装完成后，使用与初次生产时同样的温度曲线重新进行回流焊接。九、无奈的选择：手工返工指南如果由于PCBA元件密集度太高而无法使用特别小钢网印刷焊锡膏，就只能无奈地选择手工焊接进行返工，依据以下步骤同样可以获得很高的成功率。第1步先测量和记录需更换的QFN元件的厚度，这个厚度指元件本体顶面至底面（包括中央裸焊端）的尺寸。（如图13）图13用卡尺测量元件厚度QFN中央裸焊端上锡：烙铁头温度设置为370℃，涂布适量液体助焊剂，将事先已贮满焊锡的烙铁头轻轻地接触中央裸焊端，并保持数秒钟，当焊锡开始润湿焊端时，可以观察到助焊剂气化成烟雾状，烙铁头上的焊锡转移到了元件中央裸焊端上，形成一个漂亮的中间最高四边略低的“枕形”焊点，（如图14、图15和图16所示）。清洗助焊剂残渣后，测量元件本体顶面至枕形焊点的最高点的尺寸，减去先前所测的元件的厚度，要求元件中央裸焊端上的枕形焊点高度达到0.1mm-0.35mm。（如图17所示）。图14给QFN中央裸焊端上锡（已完成25%）图15给QFN中央裸焊端上锡（已完成90%）PDFcreatedwithFinePrintpdfFactorytrialversion图16给QFN中央裸焊端上锡（已完成）图17测量“枕形”焊点的高度如果枕形焊点高度不合适，可以重新涂布助焊剂，将枕形焊点熔化后，用吸锡带吸走部分焊锡，以降低枕形焊点的高度。因为过高的焊点，更容易引起周边I/O焊点的桥连，所以，枕形焊点的高度还是低一点比较好。枕形焊点制作完成后，需清理元件周边I/O焊端上的焊锡残渣和助焊剂残渣。第2步重新在元件的枕形焊点上涂布适量新鲜助焊剂，并借助显微镜尽可能精确地手工贴装到PCB上，注意根据第1脚的位置确定元件方向。由于枕形焊点的存在，元件贴在PCB上后会摇摇晃晃，不太稳定，所以手上动作要特别小心。用镊子轻轻压住元件，通过喷嘴吹出热风加热元件顶部，直到枕形焊点熔化（如图18）。当枕形焊点熔化时，你会感觉到元件有轻微的下沉。移走喷嘴，待冷却后，元件已被固定在PCB上。清理助焊剂残渣，并检查元件顶面是否水平，元件I/O焊端与PCB上的I/O焊盘是否对准。如不准，可以重新涂布助焊剂，将枕形焊点重新加热熔化后，用镊子轻轻拨动调整。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