Schlüsselfaktoren für überlegenes QFN-PCB-Pad-Design

Mit der Entwicklung elektronischer Gehäusetechnologien hin zu Miniaturisierung, Leichtbau und hoher Leistung ist es ein Trend, die Bauteil-Funktionsdichte zu erhöhen und den Abstand zwischen Ein- und Ausgängen zu verringern – optimal umgesetzt durch SMT (Surface Mount Technology). Um Bauteile oberflächenmontieren zu können, ist der erste Schritt, entsprechende Pads auf dem PCB herzustellen, um ein strukturiertes PCB zu erhalten. Anschließend wird Schablonendruck (Stencil Printing) angewendet, um Lötpaste auf die PCB-Pad-Oberflächen aufzubringen. Schließlich wird erhitzt, um die Lötpaste in flüssigen Zustand zu überführen, der einen flüssigen Brückenbogen zwischen Bauteil-Pins und PCB-Pad bildet. Unter dem Einfluss der Lötstoppmaske (Solder Mask) auf dem PCB wird die geschmolzene Lötpaste im entsprechenden Lötpad-Bereich begrenzt, um Brückenbildung zwischen Lötstellen zu verhindern – so wird die automatische Bestückung des Chips auf dem PCB realisiert. Je nach Gehäusetyp werden hauptsächlich runde und rechteckige Lötpads gewählt: BGA (Ball Grid Array) und QFN (Quad Flat No-Lead). Mehr zu BGA in nur vier Schritten.

QFN-Grundlagen

Im Vergleich zu anderen Gehäusetypen ist das QFN-Gehäuse für das direkte Löten auf PCB- oder FPC-Substrat konzipiert. Es bietet bessere Wärmeableitung durch freiliegende Metallpads an der Unterseite. Zudem zeichnet sich QFN durch exzellente elektrische Performance aus, da seine Pins kürzer sind als bei Bleigehäusen. Daher ist das Design von QFN-Pads auf dem PCB von großer Bedeutung, um hohe Zuverlässigkeit und Performance des PCBs zu gewährleisten.

Benetzungswinkel

Da QFN-Pin-Größen und Pin-Abstände sehr klein sind, können Lötbrücken oder Kalte Lötstellen (Pseudo-Lötungen) durch ungenaue Lötpastemenge entstehen. Ein sinnvolles Pad-Design auf dem PCB basierend auf Schablonendicke (h₀) verbessert die Löt-Erfolgsrate erheblich. Angenommen, der Benetzungswinkel des Lots auf dem Lötpad (θₐ) beträgt 30° und auf der Lötstoppmaske (θᵣ) 160°. Wird die Pad-Oberflächenrauheit vernachlässigt, kann der Benetzungswinkel annähernd als Vorwärts- oder Rückwärtswinkel der Dreiphasen-Kontaktlinie betrachtet werden. Gemäß praktischer QFN-Lötprozesse ermöglicht eine sinnvolle Steuerung der Reflo-Löttemperaturkurven unter idealen Bedingungen – Lot vollständig geschmolzen, Pad-Oberfläche benetzt – sowohl Löt-Effizienz als auch automatisches Montage-Lötgleichgewicht der Bauteile. Bei sinnvollem Pad-Design erfüllt der ideale Lötzustand nicht nur elektrische Performance und mechanische Verbindung, sondern vermeidet auch Lötfehler wie Brücken und Kalte Lötstellen. Der Lötzustand muss folgende Formeln erfüllen:

a. Wenn Lötstellen innerhalb des QFN vollständig auf dem PCB-Pad verteilt sind: θₐ ≤ θⱼ(Zᵤ) ≤ θᵣ, θⱼ(0)=30°, x₃(0)=x₄(0)=Dₓ₄

b. Wenn Zinn außerhalb des QFN an der Seitenpad wächst:
(1) θⱼ(Zᵤ)=θₛ₃+90°, θ₄(0)=30°, θ₃(0)=30°
(2) x₃(0)=x₄(0)=Dₓ₄(0), x₃(Zᵤ)=0

Pad-Design

In dieser Formel ist θₛ₃ gleich θₐ – beide sind der Benetzungswinkel des Lots auf der Seitenpad.

In vertikaler Richtung lautet die statische Gleichgewichtsgleichung der Brückenflüssigkeit:
P_d L_y (x₃(0)-x₄(0)+L_x) + W_z - [T(x₃(0)-x₄(0)+L_x)(sin θ₂(0)+sin θ₁(0)) + T L_y (sin θ₃(0)+sin θ₄(0))] - ρ g V₀ = 0

Der Druck an der Lötstellenunterseite (P_d) ist:
P_d = [T(x₃(0)-x₄(0)+L_x)(sin θ₂(0)+sin θ₁(0)) + T L_y (sin θ₃(0)+sin θ₄(0)) + ρ g V₀ - W_z] / [L_y (x₃(0)-x₄(0)+L_x)]

In diesen Formeln bezeichnet ρ die Flüssigkeitsdichte des Lots; T die Oberflächenspannung der Lötstellenflüssigkeit; x₃(0) und x₄(0) den Versatz der beiden Enden der flüssigen Lötstellen am unteren Pad; θ₁(0) und θ₂(0) die Kontaktwinkel an beiden Seiten, gebildet durch Flüssig-Gas-Grenzfläche an den Lötstellenseiten und untere Pad-Oberfläche; θ₃(0) und θ₄(0) die Kontaktwinkel an beiden Enden; V₀ das Lötstellenvolumen; W_z die angewendete Kraft des Pads am Chip-Ende und der Lötstelle in vertikaler Richtung.

Unter den Beschränkungen der Formeln (1) und (2) können die Rahmenkurven der Lötstellen Randbedingungen am oberen Ende der Lötstellen äquivalent zu Anfangsbedingungen machen, basierend auf der effektiven Methode zur Lösung von Anfangswertproblemen. Da die Anfangswertlösung die Anforderung z=0 nicht erfüllen kann, wird sie in ein äquivalentes Problem der Zielfunktionsminimierung transformiert, dargestellt in Gleichung (3).

Diese minimierte Zielfunktion kann zur Bestimmung der idealen Pad-Design-Größe Dₓ₄ angewendet werden.

Zudem müssen geometrische Merkmale des Zinn-Benetzungswinkels am PCB-Pad berücksichtigt werden. Die Erweiterungsgröße des Pads sollte der folgenden Gleichung folgen:

In dieser Gleichung bezeichnet D_h die Dicke der freiliegenden Seitenpad außerhalb des Chips. Durch Optimierung impliziter Variablen wird die erwartete Fehleranforderung durch die Zielfunktion erfüllt, und die Designgrößen der inneren und äußeren Pads (Dₓ₄ & Dₓ₃) können berechnet werden, wobei der Seitenwert am unteren Ende erfüllt wird.

Diese Methode stellt sicher, dass ein für QFN geeignetes Pad gut designed werden kann, um die hohe elektrische Performance sowohl dieses Bauteils als auch des PCBs zu erreichen. Anschließend ist PCBCart mit professioneller und qualifizierter Bestückungsfähigkeit in der Lage, Ihr ideales Design in Realität umzusetzen.

Weiterführende Ressourcen

• Via-in-Pad (VIP) Technologie – Einführung
• Design-Anforderungen für SMT-PCBs Teil 1: Bonding-Pad-Design gängiger Bauteile
• Design-Anforderungen für SMT-PCBs Teil 2: Pad-Leiter-Verbindung, Durchkontaktierungen, Testpunkte, Lötstoppmaske und Bestückungsdruck
• Schablonen-Design-Anforderungen für QFN-Bauteile für optimale PCBA-Performance
• Full Feature PCB Manufacturing Service von PCBCart – Mehrere Mehrwertoptionen
• Advanced PCB Assembly Service von PCBCart – Ab 1 Stück