Experten-Leitfaden für QFN-Bauteilmontage: Design & Lötpastedruck-Lösungen

Die stetige Steigerung der Bestückungsdichte elektronischer Produkte führt sowohl Bauteile als auch Devices zu Miniaturisierung, Feinpitch und sogar bleifreien Ausführungen. Dieser Artikel diskutiert exzellente Lötpastedruck-Technologien für QFN (Quad Flat No-leads) Komponenten und stellt QFN- und LCCC (Leadless Ceramic Chip Carrier) Bauteile vor, deren Eigenschaften detailliert erläutert werden. QFN-Struktur und Pad-Design werden basierend auf QFN-Gehäuseerscheinungsdesign, QFN-Pad-Design und QFN-Stencil-Öffnungsdesign eingeführt. Schließlich werden exzellente Lötpastedruck-Technologien für QFN-Komponenten aus Perspektive von Lötpaste-Zusammensetzung, Edelstahl-Stencil-Eigenschaften und -Parametern, Druckumgebung, Lötpastedruck-Technologiedesign und Druckausrüstung analysiert – mit Diskussion führender QFN-Lötpastedruck-Defekte und Praxiserfahrung exzellenter Lötpastedruck-Implementierung für QFN-Komponenten.

QFN und LCCC sind die zwei gängigsten bleifreien Bauteiltypen, die ungewöhnlich sind. Im Vergleich zu beinigen Bauteilen weisen sowohl PCB-Pads als auch Metall-Stencil-Öffnungen unterschiedliche Pads auf als Pads für feine und lange Beine – besonders in der Lötpastedruck-Technologie.

Wesentliche Vorteile von QFN

Hauptmaterial von LCCC-Gehäusen ist Keramik, während QFN aus Kunststoff besteht – mit so niedrigen Preisen, dass sie von Consumer-Electronics-Produkten besser akzeptiert werden. Daher finden QFNs breite Anwendung in Kleingeräten. QFN-Komponenten sind quadratisch oder rechteckig, ähnlich CSP (Chip Size Package). Einziger Unterschied: QFN-Komponenten haben keine Lötkugeln an der Unterseite, sodass elektrische und mechanische Verbindung zwischen PCB und QFN vollständig auf geschmolzener Lötpaste während Reflow-Löten basiert, die nach Abkühlung zu Lötverbindungen wird. Da Kontaktabstand zwischen QFN und PCB-Pads am kürzesten ist, resultieren bessere elektrische und thermische Leistung als bei den meisten beinigen Bauteilen – besonders geeignet für Produkte mit hohen Anforderungen an Wärmeableitung und elektrische Leistung. Im Vergleich zu traditionellen PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) Komponenten verringern sich QFN-Bauteile drastisch in Gehäusefläche, Dicke und Gewicht, parasitäre Induktivität um 50 % – daher besonders gut für Mobiltelefone und Computer geeignet.

PCB-Pad-Design für QFN-Komponenten

Formdesign von QFN-Gehäusen

Als neuere IC-Gehäuseform (Integrated Circuit) enthalten QFN-Komponenten ein Lötende, das parallel zu Pads auf der Leiterplatte verläuft. Blankes Kupfer wird meist in der Bauteilmitte designed, für bessere thermische Leitfähigkeit und elektrische Leistung. Entsprechend können I/O-Lötenden für elektrische Verbindung um die zentralen Kühlfinnen verteilt werden – flexiblere PCB-Leiterführung. I/O-Lötenden gibt es in zwei Typen: einer mit Bauteilboden-Exposition bei sonstiger Einkapselung, der andere mit teilweiser Lötenden-Exposition an der Bauteilseite.

Mit Stanzen oder Zickzack-Typ werden Kupferleiter genutzt, um internen Wafer, zentrale Lötende-Kupferchip und umgebende Lötenden zu verbinden – Rahmenstruktur entsteht. Harz fixiert es durch Formfixierung und Einkapselung, wodurch zentrale und periphere Lötenden außerhalb des Gehäuses exponiert werden.

Pad-Design für QFN

Da große Kupferflächen für Wärmeableitung am QFN-Boden vorhanden sind, sollten exzellentes PCB-Pad-Design und Metall-Stencil-Design implementiert werden, um zuverlässige Lötverbindungen an QFN-Komponenten zu erzeugen. QFN-Pad-Design umfasst drei Aspekte:

a. Peripheres I/O-Pin-Pad-Design

I/O-Pad auf PCB sollte etwas größer als I/O-Lötenden des QFN designed werden. Innere Pad-Seite sollte kreisförmig zur Pad-Form-Kompatibilität designed werden. Wenn PCB ausreichend Designraum bietet, sollte perimetrale Länge des I/O-Pads auf PCB ≥ 0,15 mm, innere Länge ≥ 0,05 mm betragen, um ausreichenden Abstand zwischen Pads um QFN und zentralen Pads zu gewährleisten – Bridging-Verhinderung.

b. PCB-Lötstopplack-Design

PCB-Lötstopplack-Design kommt hauptsächlich in zwei Kategorien: SMD (Solder Mask Defined) und NSMD (Non-Solder Mask Defined). Erstere hat Öffnungen kleiner als Metall-Pads, letztere Öffnungen größer als Metall-Pads. Da NSMD-Technologie in Kupferätz-Technologie leichter kontrollierbar ist, kann Lötpaste um Metall-Pad platziert werden – Lötverbindungszuverlässigkeit stark verbessert. SMD-Technologie sollte bei zentralem Thermopad-Lötstopplack-Design mit relativ großer Fläche gewählt werden.

Lötstopplack-Öffnungen sollten 120–150 µm größer als Pads sein – Abstand von 60–75 µm zwischen Lötstopplack und Metall-Pad. Gebogene Pad-Designs benötigen korrespondierende gebogene Lötstopplack-Öffnungen. Besonders ausreichend Lötstopplack an Ecken halten, um Bridging zu verhindern. Lötstopplack sollte jedes I/O-Pad bedecken.

Lötstopplack sollte Durchkontaktierungen auf dem Thermopad abdecken, um Lötpaste-Abfluss durch Thermovias zu verhindern – würde sonst Hohl-Löten zwischen QFN-zentralem blankem Lötende und PCB-zentralem Thermopad verursachen. Durchkontaktierungs-Lötstopplack hauptsächlich drei Typen: Top-Lötstopplack, Bottom-Lötstopplack und Durchkontaktierung. Durchmesser des Durchkontaktierungs-Lötstopplacks sollte 100 µm größer als Durchkontaktierungsdurchmesser. Empfohlen: Lötstopplack-Öl auf Rückseite der PCB auf Durchkontaktierungen auftragen – erzeugt viele Kavitäten auf Vorderseite des Thermopads, vorteilhaft für Gasentweichung während Reflow-Löten.

c. Zentrales Thermopad und Durchkontaktierungs-Design

Da Pad für Wärmeableitung am zentralen QFN-Boden designed ist, weist es exzellente thermische Leistung auf. Zur effizienten Wärmeleitung vom IC-Inneren zur PCB müssen entsprechendes Thermopad und Thermovias am PCB-Boden designed werden. Thermopad bietet zuverlässige Lötfläche, Thermovias Wärmeableitungsfunktion.

Während des Lötens entstehen Lufteinschlüsse durch große Pads am Bauteilboden. Zur Minimierung sollten Thermovias am Thermopad geöffnet werden – schnelle Wärmeleitung, vorteilhaft für Wärmeableitung. Anzahl und Dimensionierung der Thermovias hängen von Anwendungsbereich, IC-Leistung und elektrischer Leistungsanforderung ab.

QFN-Stencil-Öffnungsdesign

a. Peripheres I/O-Pad-Leckloch-Design

Metall-Stencil-Öffnungsdesign folgt grundsätzlich Flächenverhältnis- und Breite-Dicke-Verhältnis-Prinzip, da bestimmte Bauteiltypen lokales Verdicken oder Verdünnen nutzen können.

b. Zentrales Thermopad-Großpad-Öffnungsdesign

Da zentrales Thermopad großflächig ist und Gas mit Blasenbildung entweicht, verursacht große Lötpastemenge mehr Gaslöcher und Defekte wie Spritzer und Lötkugeln. Zur Minimierung von Gaslöchern und Erreichen optimaler Lötpastemenge beim Thermopad-Großpad-Design wird ein Netz-Leckloch-Array statt eines großen Lecklochs gewählt. Jedes kleine Leckloch kann Kreis oder Quadrat sein – Größe unbegrenzt, solange Lötpastemenge 50–80 % des zentralen Thermopads abdeckt.

c. Stencil-Typ und -Dicke

Metall-Stencil-Thermopad-Öffnungsdesign korreliert direkt mit Lötpastedicke, die Bestückungshöhe der montierten Komponenten bestimmt.

Exzellente Lötpastedruck-Technologie

Elemente, die QFN-Lötpastedruckqualität bestimmen: Lötpaste, PCB-Pad, Metall-Stencil, Lötpastedrucker und manuelle Operationen.

Lötpaste hat weit komplexere Zusammensetzung als reines Zinn-Blei-Legierung: Lotlegierungspartikel, Flussmittel, rheologischer Regler, Viskositätskontrollmittel, Lösungsmittel. Da QFN bleifreie Bauteile mit großem Thermopad in der Mitte sind, wurden relativ hohe Anforderungen an Viskosität und Viskositätskontrolltechnologie gestellt. Lötpaste-Viskosität sollte nicht zu hoch sein – zu hohe Viskosität erschwert Durchgang durch Stencil-Öffnungen. Zu niedrige Viskosität → unvollständige Druckspuren.

Je kleiner Lötpaste-Partikel, desto viskoser die Lötpaste. Je höher Partikelanteil, desto viskoser. Höchste Viskosität bei kugelförmigen Partikeln. Für Ultra-Feinabstand-Druck muss Lötpaste mit feineren Partikeln verwendet werden für bessere Lötpaste-Auflösung.

Lötpastedruck ist ein so komplexer Prozess mit vielen technischen Parametern, die bei unsachgemäßer Einstellung großen Schaden anrichten. Hauptparameter: Rakeldruck, Druckdicke, Druckgeschwindigkeit, Druckmethode, Rakeleinstellungen, Entformgeschwindigkeit, Stencil-Reinigungsfrequenz. Bei zu niedrigem Rakeldruck erreicht Lötpaste nicht effektiv Stencil-Öffnungsboden und fällt nicht auf Pad. Bei zu hohem Druck wird Lötpaste zu dünn oder Stencil beschädigt. Angemessene Verdickung des Lötpastedrucks verbessert QFN-Bestückungszuverlässigkeit.

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