Дефекты пайки QFN корпусов - Образование пустот, Смещениие компонента - Способы их устранения

QFN-корпус

 QFN-корпус

QFN-корпус - это плоский корпус, выводы которого расположены по периметру под корпусом, контактные площадки расположены в центре под корпусом. Популярность корпуса в технологии поверхностного монтажа обусловлена его компактностью. Это маленький компактный корпус с рабочей зоной, которая почти совпадает с размерами корпуса. QFN-корпус обладает прекрасными тепловыми и электрическими характеристиками, контактные площадки, расположенные по периметру, облегчают монтаж печатных плат. За счет этих качеств QFN-корпус – оптимальный выбор в тех случаях, когда электрические характеристики, вес и размер играют важную роль в исполнении конструкции. Несмотря на свои преимущества, QFN-корпус вызывает большое количество вопросов, связанных с его использованием.

Такие дефекты, как перемычки, образование пустот, заставляют проявлять недоверие, особенно из-за прочно закрепившейся репутации о склонности QFN-корпуса к образованию пустот. В сочетании с бессвинцовой технологией тенденция к образованию пустот становится настоящей головной болью.

Образование пустот под QFN-корпусом

Порообразование QFN корпуса

Образование пустот при пайке QFN-корпуса возникает тогда, когда летучие фракции флюса, как правило, во время пайки оплавлением, не могут выйти и удерживаются под контактной площадкой. В отличие от QFP-корпуса (корпус с четырехсторонним расположением выводов в форме крыла чайки) QFN-корпус не имеет выводов, и, как следствие, в нем не предусмотрены зазоры, которые способны гасить внешнее воздействие и позволяют летучим фракциям испаряться. Как видно на фотографии выше, для обнаружения такого дефекта, как пустоты под корпусом, применяется рентген контроль.

Подвижность QFN-корпуса

 Еще одна серьезная проблема QFN-корпуса – подвижность компонента. Конструктивной особенностью сверхмалого QFN-корпуса является большая металлическая контактная площадка, расположенная в его центре. При пайке контактной площадки припойной пастой либо при нанесении пасты толстым слоем вес компонента и/или поверхностное натяжение могут оказаться недостаточными, чтобы вдавить компонент в поверхность платы; это может привести к тому, что корпус будет буквально плавать поверх расплавленного припоя.

При слишком малом размере апертуры центральной контактной площадки слой пасты в этой области будет значительно толще слоя пасты на маленьких контактных площадках, которые расположены вдоль краев корпуса.

Смещение QFN-корпуса

В результате, QFN-корпус может не припаяться к этим контактным площадкам. Толстый слой припоя в центре может привести к тому, что QFN-корпус во время пайки завалится на одну сторону, противоположная же сторона поднимется, образует пустоты вдоль края, что приведет к выпиранию компонента корпуса. 

Способы сократить образование пустот.

Чтобы предотвратить смещение, необходимо уменьшить слой паяльной пасты на центральной контактной площадке. Наиболее эффективный способ получить результат – уменьшить размер апертуры трафарета с соблюдением соответствующих инструкций. Необходимо разделить большую апертуру трафарета на несколько маленьких. Такая мера позволит не только сократить количество припоя, но дополнительно сократить возможность и частоту образования пустот, разбрызгивания и выделения газа.

Самый лучший способ – внести конструктивные измерения в трафарет на стадии его разработки. Во многих случаях дополнительные апертуры в трафарете и разделение крупных апертур трафарета и самих контактных площадок печатной платы на несколько более мелких, способно значительно сократить частоту образования пустот. И хотя флюс может по-прежнему удерживаться в отверстии, в этом случае выделение газа проходит без образования пустот из-за возможности испарения летучих фракций.  

Контрактные производители, как правило, не имеют права вносить изменения в конструкцию выпускаемых ими печатных плат, следовательно, оптимальное решение – изменить размер апертуры, толщину и конструкцию трафарета. Внесение изменений в температурный профиль пайки едва ли окажет положительное влияние на уменьшение объемов образования пустот.

Уменьшение размера апертуры.

При оценке эффективности уменьшения размера апертуры были использованы разные конструкции и разный процентный объем сокращения размеров. Самые стабильные и в целом благоприятные результаты показали опыты с уменьшением размера апертуры на 30–50 % за счет организации в виде ячеек. 

Сплошная площадка

Стандартный процент покрытия паяльной пастой до пайки находился в диапазоне 50– 80 %. Конструкция при уменьшении размера апертуры может находиться в прямой зависимости от производимого типа печатного узла. Пустоты на отверстиях могут негативно отразиться на производительности высокоскоростных радиочастотных устройств.  

Изменение конструкции. Крупные ячейки

Возможно, потребуется закрыть или заглушить отверстия, чтобы предотвратить затекание припоя внутрь отверстий во время пайки. Кроме того, замена большой заземленной контактной площадки, расположенной в центре, несколькими маленькими контактными площадками, расположенными в виде сетки, которые позволят разбить или покрыть пространство, обеспечит выведение газа между контактными площадками под компонентами.

PCB2009-AIM

На фотографии сверху представлена опытная сборка корпуса QFN (артикул PCB2009-AIM), выполненная в Центре технических разработок компании «AIM», разработанная совместно с компанией «Прэктикал Компоунентс». На фотографии ниже показаны типы апертур, которые были использованы для проведения испытаний и показали хорошие результаты с точки зрения минимизации образования пустот под корпусом QFN.

В соответствии со статистическими данными, приведенными ниже, некоторые из типов конструкций способны оказать значительное влияние на результат. Прямой зависимости между процентным сокращением количества пасты и порообразование не существует; при этом уменьшение количества пасты и особенная геометрия апертуры способны влиять на объем порообразования и его форму.

Апертура трафарета. Типы

Тип конструкции апертуры и объем используемой пасты (сравнение со сплошной конструкцией)

А. 57,26 I. 58,82 Q. 42,96

B. 47,14 J. 56,78 R. 43,20

С. 85,62 К. 77,80

D. 84,06 L. 76,93

Е. 38,10 M. 75,76

F. 52,97 N. 78,10

G. 59,08 O. 48,69

H. 46,79 P. 34,85

Примечание. Правильный размер и геометрия апертуры помогает устранить образование пустот. В зависимости от геометрии в каждом случае требуется разное количество пасты.

• E. 38,10 %

• F. 52,97 %

• I. 58,82 %

• M. 75,76 %

Результаты, полученные в большинстве случаев, свидетельствуют о том, что трафарет толщиной в 100 микрон в большей степени препятствует порообразованию пустот при сравнении с трафаретом толщиной в 130 микрон.

При этом важно отметить: при уменьшении толщины трафарета может пострадать качество паяных соединений контактных площадок и выводов. Результаты, полученные в большинстве случаев, свидетельствуют о том, что трафарет толщиной в 100 микрон в большей степени препятствует образованию пустот при сравнении с трафаретом толщиной в 127 микрон.

 Монтаж и типы контактных площадок

Небольшой уклон контактных площадок (15–20 %)

Равномерное и постоянное давление при установке компонентов, а также равномерная глубина установки – краеугольные факторы, которые оказывают влияние на качество пайки корпуса QFN. Чтобы облегчить монтаж, компонент должен находиться под давлением со всех сторон. Незначительный уклон контактных площадок на 15–20 % обеспечит необходимое давление и позволит выходить излишкам газа. В однорядных корпусах QFN контактные площадки не должны «проседать» под компонентом (зажиматься компонентом).

 Температурный профиль.

Профиль типа «нагрев – выдержка - пик» с повышенной температурой на стадии выдержки и увеличенным временем выдержки доказал свою эффективность в сокращении количества и размеров пустот BGA-корпуса, при этом на первом плане стоял вопрос уменьшения размера апертуры. Стандартный профиль предполагает нагрев от комнатной температуры до температуры в 190°С за 75–90 секунд, выдержку при температуре в 190°С в течение 60–120 секунд с дальнейшим превышением на 20 °С температуры плавления припоя и выдержкой при температуре точки плавления в течение 60–75 секунд.

Нельзя недооценить нестабильность этого недавно появившегося изделия. Как уже было сказано, изменения на стадии проектирования являются самыми эффективными, фактически они могут сократить количество материала, необходимого для испарения летучих фракций из флюса. Скопление летучих фракций – основная причина образования пустот. С учетом большого размера центральной контактной площадки дополнительные апертуры в трафарете и разделенная на несколько более мелких заземленная контактная площадка способствует испарению летучих фракций при наличии газа и его выведении, сокращая или устраняя такой дефект, как порообразование. Изменение температурного профиля не является эффективной мерой. Однако профили с низкими температурными режимами способны сократить количество пустот под горячей контактной площадкой. Альтернатива – сократить количество пасты под центральной контактной площадкой корпуса QFN за счет изменения конструкции трафарета. Такое решение способно уменьшить до минимального количество пустот, предотвратить смещение и получить лучший результат за счет устранения самой возможности возникновения этих двух основных дефектов.