QFN封装的PCB焊盘和印刷网板的设计

jspij1 · 发表于 2021-12-8 10:21

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QFN封装的PCB焊盘和印刷网板的设计

近几年来，由于QFN封装（Quad Flat No-lead package，方形扁平无引脚封装）具有良好的电和热性能、体积小、重量轻，其应用正在快速增长。采用微型引线框架的QFN封装称为MLF（Micro Lead Frame，微引线框架）封装。QFN封装和CSP（Chip Size Package，芯片尺寸封装）有些相似，但元件底部没有焊球，与PCB的电气和机械连接是通过PCB焊盘上印刷焊膏经过回流焊形成的焊点来实现的。 QFN封装对工艺提出了新的要求，本文将对PCB焊盘和印刷网板设计进行探讨。

　

图1：外露散热焊盘的QFN封装

QFN封装的特点

QFN是一种无引脚封装，呈正方形或矩形，封装底部中央位置有一个大面积裸露焊盘用来导热，围绕大焊盘的封装四周有实现电气连接的导电焊盘。由于 QFN封装不像传统的SOIC与TSOP封装那样具有鸥翼状引线，内部引脚与焊盘之间的导电路径短，自感系数以及封装体内布线电阻很低，所以它能提供卓越的电性能。此外，它还通过外露的引线框架焊盘提供了出色的散热性能，该焊盘具有直接散热通道，用于释放封装内的热量。通常将散热焊盘直接焊接在电路板上， PCB中的散热过孔有助于将多余的功耗扩散到铜接地板中，从而吸收多余的热量。图1显示了这种采用PCB焊接的外露散热焊盘的封装。

由于体积小、重量轻，以及极佳的电性能和热性能，QFN封装特别适合任何一个对尺寸、重量和性能都有要求的应用。与传统的28引脚PLCC封装相比，32引脚QFN封装的面积（5mm×5mm）缩小了84%，厚度（0.9mm）降低了80%，重量（0.06g）减轻了95%，电子封装寄生效应也降低了50%，所以非常适合应用在手机、数码相机、PDA及其他便携电子设备的高密度PCB上。

PCB焊盘设计

QFN的焊盘设计主要包含以下三个方面：周边引脚的焊盘设计、中间热焊盘及过孔的设计和对PCB阻焊层结构的考虑。

1、周边引脚的焊盘设计

对于QFN封装，PCB的焊盘可采用与全引脚封装一样的设计，周边引脚的焊盘设计尺寸如图2所示。在图中，尺寸Zmax为焊盘引脚外侧最大尺寸，Gmin是焊盘引脚内侧最小尺寸，D2t为散热焊盘尺寸，X、Y是焊盘的宽度和长度。

图2：PCB焊盘的设计尺寸

MLF封装的焊盘的公差分析包括元件公差、印制板制造公差和贴装设备的精度。这类问题的分析IPC已建立了一个标准程序，根据这个程序可计算得出各种MLF元件推荐的焊盘尺寸，表1列出了一些常见的引脚间距为0.5mm的QFN封装的PCB焊盘设计尺寸。

2、散热焊盘和散热过孔设计

QFN封装具有优异的热性能，主要是因为封装底部有大面积散热焊盘，为了能有效地将热量从芯片传导到PCB上，PCB底部必须设计与之相对应的散热焊盘和散热过孔。散热焊盘提供了可靠的焊接面积，过孔提供了散热途径。

通常散热焊盘的尺寸至少和元件暴露焊盘相匹配，然而还需考虑各种其他因素，如避免和周边焊盘的桥接等，所以热焊盘尺寸需要修订，具体尺寸如表1所示。

表1：PCB焊盘设计尺寸（单位：mm）

散热过孔的数量及尺寸取决于封装的应用情况、芯片功率大小，以及电性能的要求。建议散热过孔的间距在1.0～1.2mm，过孔尺寸在 0.3～0.33mm。散热过孔有4种设计形式：使用干膜阻焊膜从过孔顶部或底部阻焊；使用液态感光（LPI）阻焊膜从底部填充；或者采用“贯通孔”，如图3所示。上述方法各有利弊：从顶部阻焊对控制气孔的产生比较好，但PCB顶面的阻焊层会阻碍焊膏印刷；底边的阻焊和底部填充由于气体的外逸会产生大的气孔，覆盖2个热过孔，对热性能方面有不利的影响；贯通孔允许焊料流进过孔，减小了气孔的尺寸，但元件底部焊盘上的焊料会减少。散热过孔设计要根据具体情况而定，建议使用顶部或底部阻焊。

图3：散热过孔的4种设计形式

回流焊曲线和峰值温度对气孔的形成也有很大的影响，经过多次实验发现，在底部填充的热焊盘区域，当峰值回流温度从210℃增加到215～220℃时，气孔减少；对于贯通孔，PCB底部的焊料流出随回流温度的降低而减少。

3、阻焊层的结构

建议使用NSMD阻焊层，阻焊层开口应比焊盘开口大120～150μm，即焊盘铜箔到阻焊层的间隙有60～75μm，这样允许阻焊层有一个制造公差，通常这个公差在50～65μm之间。当引脚间距小于0.5mm时，引脚之间的阻焊可以省略。

网板设计

能否得到完美、可靠的焊点，印刷网板设计是关键的第一步。四周焊盘网板开口尺寸和网板的厚度的选取有直接的关系，一般较厚的网板可以采用开口尺寸略小于焊盘尺寸的设计，而较薄的网板开口尺寸可设计到1:1。推荐使用激光制作开口并经过电抛光处理的网板。

1、周边焊盘的网板设计

网板的厚度决定了印刷在PCB上的焊膏量，太多的焊膏将会导致回流焊接时桥连。所以建议0.5mm间距的QFN封装使用0.12mm厚度的网板， 0.65mm间距的QFN封装使用0.15mm厚度的网板。网板开口尺寸可适当比焊盘小一些，以减少焊接桥连的发生，如图4所示。

图4：网板开口设计

2、散热焊盘的网板设计

当芯片底部的暴露焊盘和PCB上的热焊盘进行焊接时，热过孔和大尺寸焊盘中的气体将会向外溢出，产生一定的气孔，因此如果焊膏面积太大，会产生各种缺陷（如溅射和焊球等）。但是，消除这些气孔几乎是不可能的，只有将气孔减至最小。在热焊盘区域网板设计时，要经过仔细考虑，建议在该区域开多个小的开口，而不是一个大开口，典型值为50%～80%的焊膏覆盖量。实践证明，50μm的焊点厚度对改善板级可靠性很有帮助，为了达到这一厚度，建议对于底部填充热过孔设计的焊膏厚度至少50%以上；对于贯通孔，覆盖率至少75%以上。