QFN- und DFN-Teile
Physikalisch geringe Größe und Stellfläche sind nicht die einzigen Vorteile eines QFN. Die kleinsten dieser Pakete enden mit sehr kurzen Leitungsdrähten. Dies ermöglicht verbesserte Signaleigenschaften und ausgezeichnete thermische Eigenschaften. Die meisten QFN- und DFN-Teile haben eine große Metallkontaktfläche auf der Unterseite, genau innerhalb der Reihen der Signalkontakte, wie in der Abbildung oben gezeigt.
Der Siliziumwürfel sitzt direkt auf dem Wärmeleitpad und ermöglicht so eine beeindruckende thermische Leistung. Ich habe 3mm x 3mm QFNs gesehen, die 5V bei 800mA ausgeben können, die früher ein großes TO-220-Gehäuse und einen Kühlkörper benötigten.
Diese zusätzliche Leistung kommt jedoch mit einem Preis. In diesem Fall liegt der Preis größtenteils im Bereich der Herstellbarkeitsherausforderungen, und so kommt unsere Konversation in meinen Beruf zurück. Bei Screaming Circuits haben wir gelernt, was QFN-Probleme verursacht und wie man diese Probleme verhindert. Es kommt auf die Menge an gelöteter Lötpaste und den Unterschied in der Oberfläche des großen Wärmeleitpads und der Seitenkontakte an.
Das Löten wird auf Oberflächenmontage-Pads durch ein Siebdruckverfahren oder mit einem Lötpasten-Tintenstrahldrucker aufgebracht. Beim Siebdruckverfahren wird eine Lötpastenschablone aus rostfreiem Stahl durch Laserschneiden von Öffnungen für alle oberflächenmontierten Komponentenpads erzeugt. Diese Schablone wird dann auf die Leiterplatte (PCB) gelegt und die Lötpaste mit einem Rakel abgelegt. Dieser Prozess ist im Prinzip fast identisch mit der Herstellung eines Siebdruck-T-Shirts.
Viele Geschäfte, darunter auch meine, verwenden einen Paste-Jet-Drucker, um die Paste aufzutragen. Dies hat den Vorteil, dass das Pastenmuster während des Betriebs leicht modifiziert werden kann. Sein Nachteil besteht darin, dass die aufgetragenen Pastentröpfchen nicht die Präzision bieten, die einige der neueren Superkleinteile benötigen.
Eine typische Lötmittelschablone könnte 3 oder 4 Mil (0,067 bis 0,100 mm) dick sein. Wenn Sie sich die obigen QFN-Fotos ansehen, sehen Sie, dass das Seitenverhältnis der Fläche zu einer 4mil-Schablonendicke ziemlich groß für das mittlere Pad ist, aber viel kleiner für die Kontakte an den Seiten.
Wenn die Lötpaste im Aufschmelzofen schmilzt, ändert sich die Form der Lötmittelablagerung. Ich werde nicht auf die Fluiddynamik dieses Aufbaus eingehen, aber das Ergebnis ist, dass, wenn das zentrale Pad eine volle Dosis Lötpaste erhalten hat, das Teil auf dem mittleren Pad aufschwimmt und einige oder alle der seitlichen Kontakte sind sehr wahrscheinlich nicht löten, wie in der Abbildung unten gezeigt:
QFN Float (Quelle: Duane Benson)
Die Schablonenöffnung wird vom CAD-Footprint gesteuert. Leider sind die Fußabdrücke von QFN- und DFN-Teilen in CAD-Bibliotheken in dieser Hinsicht fast immer falsch. Sie bieten eine Öffnung für die Lotpaste, die die gleiche Größe wie das Kupferpad hat. Sie sind in der CAD-Software nicht nur fast immer falsch, sondern werden im Komponenten-Datenblatt fast ebenso oft falsch dargestellt.
Anstelle einer Öffnung in voller Größe sollte die Schablonenschicht segmentiert werden, um 50% bis 75% Pastenabdeckung auf dem mittleren Pad zu ergeben, wie unten dargestellt:
QFN segmentierte Schablone (Quelle: Duane Benson)
Die Öffnungen für die Lotpastenschablone (oder das Abscheidungsmuster für den Pastenstrahl) sind in der Schablonenschicht - manchmal auch als "Pastenschicht" oder "Cremeschicht" bezeichnet - in Ihrer CAD-Software angegeben. Viele Footprint-Editoren erstellen automatisch die Schablonenebene, wenn Sie ein Surface Mount-Pad platzieren.
Das ist ein Teil des Problems. In vielen Fällen erstellt die Software automatisch eine Schablonenöffnung, die mit der Größe des Kupferkissens übereinstimmt. Die Tatsache, dass das Tool dies automatisch bewirkt, bedeutet, dass viele Benutzer den Eindruck haben, dass sie nicht darüber nachdenken müssen, aber sie tun es wirklich, weil - für eine große QFN-Hitzeveränderung - es wahrscheinlich falsch sein wird.
Es ist eine ziemlich einfache Aufgabe, den Footprint zu korrigieren, aber woher weißt du, dass du etwas reparieren musst, wenn nicht ein PCB-Bauarbeiter dich beschimpft? Du würdest es wahrscheinlich nicht tun, also hier bin ich und schimpfe mit dir.
Die Lösung ist, wie gesagt, ziemlich einfach. Nun, es ist einfach, wenn Sie mit dem Erstellen oder Ändern der Footprints in Ihrer CAD-Software vertraut sind. Ich werde dieses spezifische Detail Ihnen überlassen, aber wenn Sie wissen, wie, oder wenn Sie erst einmal gelernt haben, werde ich Ihnen sagen, was zu tun ist.
Deaktivieren Sie in Ihrem Footprint-Editor die automatische Einfügeebene und zeichnen Sie sie manuell. Die Technik unterscheidet sich je nach Arbeitsweise Ihres Footprint-Editors, aber was Sie tun müssen, ist das Gleiche. Stellen Sie sicher, dass die Schablonenebene nicht standardmäßig erstellt wird, und zeichnen Sie sie dann in der Schablonenebene ein. Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel dafür, wie es aussehen sollte.
QFN-Lotpasten-Schablonenschicht gute Beispiele (Quelle: Duane Benson)
Schießen Sie zwischen 50 und 75% Lötpastenabdeckung; dh die Lötpaste sollte 50 bis 75% der Kupferauflage bedecken. Wenn Vias im Pad enthalten sind, legen Sie keine Paste darauf. Durchkontaktierungen müssen mit einer Lötmaske abgedeckt oder gefüllt und überplattiert werden. Wenn Sie offene Durchkontaktierungen belassen, wird das Lötmittel abgesaugt und auf der anderen Seite des Boards enden. Das ist auch keine gute Sache.
Noch eine Sache: Ist es 50% oder sind es 75%? In einem Prototyp oder einer kleinen Menge Welt hat irgendwo in diesem Bereich eine gute Chance auf Erfolg. Wenn Sie ein hochvolumiges Produkt erstellen, sollten Sie mit den Fertigungsingenieuren des Unternehmens zusammenarbeiten, das Ihre Boards baut. Sie beginnen in diesem Bereich und optimieren das Schablonenmuster, um die bestmöglichen Ergebnisse in ihrer Fertigungslinie zu erzielen.
QFNs können ein wenig einschüchternd sein, aber sie sind hier, um zu bleiben. Mit ein wenig mehr Sorgfalt können Sie mit ihnen ziemlich erfolgreich sein. Sie können sogar Ihr Board ein wenig verkleinern und einen Teil der Herstellungskosten einsparen.