QFN元器件PCB焊盤與貼片網(wǎng)板設(shè)計(jì)

1、QFN焊盤設(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（Quad Flat No Lead）是一種相對比較新的IC封裝形式，但由于其獨(dú)特的優(yōu)勢，其應(yīng)用得到了快速的增長。QFN是一種無引腳封裝，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，在中央有一個大面積裸露焊端用來導(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布線更靈活，中央裸露

2、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)用戶進(jìn)行QFN的焊盤設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)。但需要說明的是本文只是提供一些基本知識供參考，用戶需要在實(shí)際生產(chǎn)中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化焊盤設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)方案，以取得令人滿意的焊接效果。二、QFN封裝描述QFN的外形尺寸可參考其產(chǎn)品手冊，它符合一般工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。QFN通常采用JEDEC MO-220系列標(biāo)準(zhǔn)外形，在焊盤設(shè)計(jì)時可以參考這些外形尺寸（示例如圖1）。圖1 QFN元件三維剖視

3、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結(jié)構(gòu)框架，再用模鑄樹脂將其澆鑄在樹脂里固定，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)。需要說明的是中央裸焊端的焊接，通過“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QFN中央裸焊端而設(shè)計(jì)的PCB散熱焊盤，應(yīng)設(shè)計(jì)導(dǎo)熱過孔連接到PCB內(nèi)層隱藏的金屬層。這種通過過孔的垂直散熱設(shè)計(jì)，可以使QFN獲得完美的散熱效果。四、焊盤設(shè)計(jì)指南1、周邊I/O焊盤PCB

4、 I/O焊盤的設(shè)計(jì)應(yīng)比QFN的I/O焊端稍大一點(diǎn)，焊盤內(nèi)側(cè)應(yīng)設(shè)計(jì)成圓形以配合焊端的形狀，詳細(xì)請參考圖2和表1。PDF created with FinePrint pdfFactory trial version圖2 典型的QFN元件焊端和PCB 焊盤外觀圖典型的QFN元件I/O焊端尺寸（mm） 焊盤間距 0.8 0.65 0.5 0.5 0.40.33 0.28 0.23 0.23 0.200.6 0.6 0.6 0.4 0.6典型的PCB I/O焊盤設(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0.0

5、5 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焊盤寬度（b） 焊盤長度（L） 焊盤寬度（X）表1 I/O焊盤設(shè)計(jì)指南如果PCB有設(shè)計(jì)空間， I/O焊盤的外延長度（Tout）大于0.15mm，可以明顯改善外側(cè)焊點(diǎn)形成，如果內(nèi)延長度（Tin）大于0.05mm，則必須考慮與中央散熱焊盤之間保留足夠的間隙，以免引起橋連。2、中央散熱焊盤中央散熱焊盤應(yīng)設(shè)計(jì)比QFN中央裸焊端各邊大0-0.15mm，即總的邊長大出0-0.3mm，但是中央散熱焊盤不能過分的大，否則，會影響與I/O焊盤之間的合理間隙，使橋連概率增加。此間隙最小為0.15mm，可

6、能的話，最好是0.25mm或更大。3、散熱過孔散熱過孔應(yīng)按1.0mm-1.2mm的間隙均勻分布在中央散熱焊盤上，過孔應(yīng)連通到PCB內(nèi)層的金屬接地層上，過孔直徑推薦為0.3mm-0.33mm。雖然增加過孔（減小過孔間隙），表面上看好象可以改善熱性能，但因?yàn)樵黾舆^孔的同時也增加了熱氣回來的通道，所以實(shí)際效果不確定，需要根據(jù)實(shí)際PCB的情況來決定（如PCB散熱焊盤尺寸、接地層）。4、阻焊層設(shè)計(jì)目前有兩種阻焊層設(shè)計(jì)類型：SMD（Solder Mask Defined）和NSMD（Non-Solder Mask Defined）。SMD：阻焊層開口小于金屬焊盤；NSMD：阻焊層開口大于金屬焊盤。由于在銅

7、腐蝕工藝中更易控制，所以NSMD工藝更優(yōu)選。而且SMD工藝會使焊盤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)開裂。采用NSMD工藝則使焊錫圍繞在金屬焊盤邊緣，可以明顯改善焊點(diǎn)的可靠性。由于以上原因，在中央散熱焊盤和周邊I/O焊盤的阻焊層設(shè)計(jì)中一般都推薦采用NSMD工藝。但是，在尺寸相對比較大的中央散熱焊盤阻焊層設(shè)計(jì)中應(yīng)該采用SMD工藝。在采用NSMD工藝時，阻焊層開口應(yīng)比焊盤大120um-150um，即在阻焊層與金屬焊盤之間留有60um-75um的間隙，弧形焊盤應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的弧形阻焊層開口與之匹配，特別是在拐角處應(yīng)有足夠的阻焊層以阻止橋連。PDF created with Fin

8、ePrint pdfFactory trial version每個I/O焊盤應(yīng)單獨(dú)設(shè)計(jì)阻焊層開口，這樣可以使I/O相鄰焊盤之間布滿阻焊層，阻止相鄰焊盤之間形成橋連。但是，針對I/O焊盤寬度為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焊盤統(tǒng)一設(shè)計(jì)一個大的開口，這樣I/O相鄰焊盤之間就沒有了阻焊層。I/O焊盤之間有阻焊層 I/O焊盤之間無阻焊層有些QFN的中央裸焊端設(shè)計(jì)過大，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散熱焊盤的阻焊層設(shè)計(jì)應(yīng)采用SMD工藝，即阻焊層開口應(yīng)每邊縮小100um，以增加中央散熱焊盤與I/O焊盤之間的阻焊層面積。阻

9、焊層應(yīng)覆蓋散熱焊盤上的過孔，以防止焊錫從散熱過孔中流失，使QFN中央裸焊端與PCB中央散熱焊盤之間形成空焊。過孔阻焊層的直徑應(yīng)比過孔直徑大100um，建議在PCB背面涂布阻焊油堵塞過孔，這樣可以在正面散熱焊盤上會形成許多空洞，這些空洞有利于在回流焊接過程中釋放氣體，并圍繞過孔形成更大的氣泡，需要特別說明的是，這些氣泡的存在不會影響熱性能、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焊盤漏孔設(shè)計(jì)周邊I/O焊盤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焊盤尺寸推薦采用1：1的比例，針對I/O間距在0.4mm及以下

10、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焊盤之間引起橋連。漏孔的長（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/T1.5.2、中央散熱焊盤的漏孔設(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大的漏孔，每個小漏孔的形狀可以是圓形或方形，大小無嚴(yán)格要求，只要保證焊錫膏的覆蓋面積在50%-80%之間。散熱焊盤上焊錫膏的量的控制是否合適，對周邊I/O焊盤能否形成良好的焊點(diǎn)有巨大的影響。3、鋼網(wǎng)類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，

11、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，請根據(jù)實(shí)際情況再作調(diào)整以達(dá)最優(yōu)效果。PDF created with FinePrint pdfFactory trial version圖3 典型的錫鉛焊錫膏回流溫度曲線七、焊點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)QFN封裝的特點(diǎn)

12、就是“底面即焊端”，在IPC/EIAJ-STD-001C標(biāo)準(zhǔn)的9.2.6.4部分，“電氣和電子裝配焊接要求”中有相關(guān)描述，焊接要求見圖4和表2，需要特別說明的是，針對“底面即焊端”的QFN元件，元件側(cè)面焊點(diǎn)爬高無任何要求，只要求控制元件底面焊點(diǎn)的長度、寬度和厚度，也就是說針對“I/O焊端只裸露出元件底部的一面，沒有裸露在元件側(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 底面即焊端說明元件超出焊盤最大尺寸 焊點(diǎn)寬度最小尺寸 焊點(diǎn)長度最小尺寸 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

13、露部分）焊點(diǎn)厚度 重疊部分最小尺寸尺寸 a c d e f g jCLASS 1 (Notes 1,2) (Notes 3) (Notes 2) (Notes 3) (Notes 3) 視需要而定CLASS 2 (Notes 1,2) (Notes 3) (Notes 2) (Notes 3) (Notes 3) 視需要而定CLASS 3 (Notes 1,2) (Notes 3) (Notes 2) (Notes 3) (Notes 3) 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PDF created wi

14、th FinePrint pdfFactory trial version八、返工指南QFN安裝到PCB上以后，只能通過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。通過傳統(tǒng)的電烙鐵補(bǔ)焊返工，只能對外露部分焊點(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、烘烤開始返工之前，需要將PCBA在125的溫度下烘烤至少24小時，以除去P

15、CB和元件的潮氣。2、拆除元件拆除元件的溫度曲線最好與裝配元件時的回流焊溫度曲線一致，但是，焊錫液相線以上的時間可以適當(dāng)減少，只要能保證完成焊錫回流就可以了。推薦在PCBA底面用對流方式加熱，PCBA頂部用熱風(fēng)噴嘴對元件本體加熱。底部加熱盤的溫度設(shè)置為235-325，PCBA底部離加熱盤間隙為25mm，如圖5和圖6所示。圖5 加熱盤式返工臺 圖6加熱盤式返工臺外觀在開啟噴嘴的熱風(fēng)之前，PCBA須從1-3/min的速度被加熱到555，噴嘴吹出的熱風(fēng)溫度大約為425。為慎重起見，可以先用吸錫帶將元件周邊可見焊點(diǎn)的焊錫清除。熱風(fēng)開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

16、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，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，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)密注意控制加熱時間，避免QFN元件過度受熱損壞，同時，應(yīng)注意避免對周邊元件的受熱影響。PDF created with FinePrint pdfFactory trial version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

17、早吸取元件時,使PCB焊盤剝離損壞（如圖9、圖10）。圖9 I/O焊盤剝離損壞 圖10 元件被移除3、清理焊盤使用刀形烙鐵頭或吸錫帶清理PCB焊盤上的殘錫和松香（如圖11），然后用溶劑清洗（如圖12）。圖11用吸錫帶清理焊盤 圖12 清洗后的PCB焊盤PDF created with FinePrint pdfFactory trial version4、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上元件的焊盤對準(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，在回流焊過程中的自對中能力很強(qiáng)，所

18、以對貼裝精度要求不是很高。用于貼裝的返工臺的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)行元件對準(zhǔn)。貼裝完成后，使用與初次生產(chǎn)時同樣的溫度曲線重新進(jìn)行回流焊接。九、無奈的選擇：手工返工指南如果由于PCBA元件密集度太高而無法使用特別小鋼網(wǎng)印刷焊錫膏，就只能無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 先測量和記錄需更換的QFN元件的厚度，這個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，將事先已貯滿焊錫

19、的烙鐵頭輕輕地接觸中央裸焊端，并保持?jǐn)?shù)秒鐘，當(dāng)焊錫開始潤濕焊端時，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)?，測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%）PDF created with FinePrint pdfFactory trial version圖16 給QFN中央裸

20、焊端上錫（已完成） 圖17 測量“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^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)?。?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上后會搖搖晃晃，不太穩(wěn)定，所以手上動作要特別小心。用鑷子輕輕壓住元件，通過噴嘴吹出熱風(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，你會感覺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焊盤是否對準(zhǔn)。如不準(zhǔn)