Введение
Комплекс интегральных схем с контактами на всех 4 сторонах, на нижней стороне комплекта Плоские без проводов комплекты, такие как quad flat no leads (QFN) и dual flat no leads (DFN) физически и электрически соединяют интегральные схем с печатными платами. Flat no leads, также известный как micro leadframe (MLF) и SON (small outline no leads), является технологией поверхностного монтажа, одной из нескольких технологий упаковки, которые соединяют микросхемы с поверхностями ПХД без проходных отверстий. Flat no lead - это пластиковая упаковка, в которой почти нет свинца, изготовленная из планового медного свинцового рамочного подложки. Периметр земли на дне упаковки обеспечивают электрические соединения с ПКБ. Плоские упаковки без свинца обычно, но не всегда, включают в себя открытую теплопроводящую подкладку для улучшения передачи тепла из интегрального блока (в ПХД). Передача тепла может быть дополнительно облегчена металлическими проходами в тепловой подушке. Пакет QFN похож на четырехгранный плоский пакет (QFP) и шаровую сетку (BGA).
Flat no leads packages such as quad flat no leads (QFN) and dual flat no leads (DFN) physically and electrically connect integrated circuits to printed circuit boards. Flat no leads, also known as micro leadframe (MLF) and SON (small outline no leads), is a surface mount technology, one of several package technologies that connect ICs to the surfaces of PCBs without through holes. Flat no lead is a near chip scale plastic encapsulated package made with a planar copper lead frame substrate. Perimeter lands on the package bottom provide electrical connections to the PCB. Flat no lead packages usually, but not always, include an exposed thermally conductive pad to improve heat transfer out of the IC (into the PCB). Heat transfer can be further facilitated by metal vias in the thermal pad. The QFN package is similar to the quad flat package (QFP), and a ball grid array (BGA).
Плоский поперечный сечение без свинца
На рисунке показано поперечное сечение плоской упаковки без свинца с свинцовой рамой и проволочной сцепкой. Существует два типа конструкций кузова, ударная и пиловая. Однопиловая отделка разрезает большой набор упаковок на части. При сингуляции ударной формы одна упаковка получает форму. На поперечном сечении изображено тело с пилой и прикрепленной термоукладкой. Свинцовая рама изготовлена из медного сплава, а для прикрепления кремниевой пленки к тепловой накладке используется теплопроводящий клей. Кремниевая фигура электрически соединена с свинцовой рамой золотыми проводами диаметром 12 тыс. Подкладки изготавливаемой из пилы упаковки могут быть полностью под упаковкой или они могут складываться вокруг края упаковки.
Различные типы
Два типа упаковок QFN распространены: QFN с воздушной полостью, с воздушной полостью, разработанной в упаковке, и QFN с пластиковой формой с минимизацией воздуха в упаковке. Более дешевые пластиковые QFN обычно ограничены применением до ~ 2 × 3 ГГц. Обычно он состоит из всего 2 частей, пластиковой смеси и медного свинцового каркаса, и не имеет крышки. В отличие от них, воздушная полость QFN обычно состоит из трех частей: медного свинцового каркаса, пластикового корпуса (открытого, не запечатанного) и керамической или пластиковой крышки. Обычно он дороже из-за своей конструкции и может использоваться для микроволновых приложений до 2025 ГГц. Пакеты QFN могут иметь один ряд контактов или двойной ряд контактов.
Преимущества
Этот пакет предлагает множество преимуществ, включая снижение свинцовой индуктивности, небольшой размер "поблизости от чипа", тонкий профиль и низкий вес. Он также использует периметровые вводно-выводочные панели для облегчения маршрутизации следов ПХД, а технология открытой медной панели для нанесения накладки обеспечивает хорошую тепловую и электрическую производительность. Эти характеристики делают QFN идеальным выбором для многих новых применений, где важны размер, вес, тепловые и электрические характеристики.
Проблемы с проектированием, производством и надежностью
Улучшенные технологии упаковки и миниатюризация компонентов часто могут привести к новым или неожиданным проблемам с проектированием, производством и надежностью. Это было в случае с пакетами QFN, особенно когда речь идет о принятии новыми производителями не потребительской электроники.
Проектирование и производство
Некоторые ключевые соображения проектирования QFN - это дизайн накладки и трафаретов. Когда дело доходит до дизайна накладки для склеивания, можно использовать два подхода: сварная маска определена (SMD) или не сварная маска определена (NSMD). Подход NSMD обычно приводит к более надежным соединениям, поскольку паяльница способна связываться как с верхней, так и с боковой стороны медного накладыша. Процесс медной гравировки также обычно имеет более строгий контроль, чем процесс маскировки паяльника, в результате чего соединения более последовательны. Это может повлиять на тепловые и электрические характеристики соединений, поэтому может быть полезно проконсультироваться с производителем упаковки для получения оптимальных параметров производительности. Для уменьшения вероятности соединения сварных швов можно использовать SMD-настилы, однако это может повлиять на общую надежность соединений. Дизайн штемпеля является еще одним ключевым параметром в процессе проектирования QFN. Правильная конструкция апертуры и толщина трафаретов могут помочь в производстве более последовательных соединений (т.е. минимальное опустошение, выделение газов и плавающие части) с правильной толщиной, что приводит к улучшению надежности. Есть также проблемы с производственной стороны. Для более крупных компонентов QFN может быть проблемой поглощение влаги во время переплавки. Если в упаковке присутствует большое количество поглощения влаги, то нагрев во время перелива может привести к чрезмерному изгибу компонента. Это часто приводит к тому, что углы компонента отрываются от печатной платы, вызывая неправильное образование стыков. Для снижения риска деформации во время перелива рекомендуется уровень чувствительности к влаге 3 или выше. Несколько других проблем с производством QFN включают: плавающие части из-за чрезмерной пасты для сварки под центральной тепловой подушкой, большое опустошение сварки, плохие перерабатываемые характеристики и оптимизация профиля перетока сварки.
Надежность
Упаковка компонентов часто определяется рынком бытовой электроники, при этом меньше внимания уделяется отраслям с более высокой надежностью, таким как автомобильная и авиационная промышленность. Поэтому может быть сложно интегрировать семейства компонентных пакетов, таких как QFN, в среды высокой надежности. Известно, что компоненты QFN подвержены проблемам усталости припоя, особенно термомеханической усталости из-за теплового цикла. Значительно меньшее сопротивление в упаковках QFN может привести к более высоким термомеханическим напряжениям из-за несоответствия коэффициента теплового расширения (CTE) по сравнению с упаковками с свинцом. Например, при ускоренных условиях теплового цикла от 40 °C до 125 °C различные компоненты четырехслойной упаковки (QFP) могут прослужить более 10 000 тепловых циклов, тогда как компоненты QFN, как правило, терпят неудачу примерно при 1 000-3 000 циклов. Однако, это в основном было сосредоточено на соединениях первого и второго уровней. IPC 9071A пытался решить эту проблему, сосредоточив внимание на взаимосвязи 2-го уровня (то есть пакет на подложке PCB). Проблема этого стандарта заключается в том, что его приняли больше производители оригинальных устройств, чем производители компонентов, которые склонны рассматривать его как специфический вопрос. В результате было проведено много экспериментальных испытаний и анализа конечных элементов в различных вариантах упаковки QFN для характеристики их надежности и поведения при усталости паяльника. Серебренни и др. Предложена полуаналитическая модель для оценки надежности соединений QFN при термическом цикле. Эта модель генерирует эффективные механические свойства для пакета QFN и рассчитывает сдвижное напряжение и напряжение с использованием модели, предложенной Ченом и Нельсоном. Плотность энергии рассеянного напряжения определяется из этих значений и используется для прогнозирования характерных циклов до отказа с использованием кривой Вейбулла с двумя параметрами.
Сравнение с другими упаковками
Пакет QFN похож на четырехгранный пакет, но провода не выходят со сторон пакета. Поэтому трудно вручную сварлять пакет QFN, проверять качество сварного соединения или провода зонда.