QFN封裝的PCB焊盤(pán)和印刷網(wǎng)板的設(shè)計(jì)

近幾年來(lái)，由于QFN封裝（Quad Flat No-lead package，方形扁平無(wú)引腳封裝）具有良好的電和熱性能、體積小、重量輕，其應(yīng)用正在快速增長(zhǎng)。采用微型引線框架的QFN封裝稱為MLF（Micro Lead Frame，微引線框架）封裝。QFN封裝和CSP（Chip Size Package，芯片尺寸封裝）有些相似，但元件底部沒(méi)有焊球，與PCB的電氣和機(jī)械連接是通過(guò)PCB焊盤(pán)上印刷焊膏經(jīng)過(guò)回流焊形成的焊點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 QFN封裝對(duì)工藝提出了新的要求，本文將對(duì)PCB焊盤(pán)和印刷網(wǎng)板設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

圖1：外露散熱焊盤(pán)的QFN封裝

QFN封裝的特點(diǎn)

QFN是一種無(wú)引腳封裝，呈正方形或矩形，封裝底部中央位置有一個(gè)大面積裸露焊盤(pán)用來(lái)導(dǎo)熱，圍繞大焊盤(pán)的封裝四周有實(shí)現(xiàn)電氣連接的導(dǎo)電焊盤(pán)。由于 QFN封裝不像傳統(tǒng)的SOIC與TSOP封裝那樣具有鷗翼狀引線，內(nèi)部引腳與焊盤(pán)之間的導(dǎo)電路徑短，自感系數(shù)以及封裝體內(nèi)布線電阻很低，所以它能提供卓越的電性能。此外，它還通過(guò)外露的引線框架焊盤(pán)提供了出色的散熱性能，該焊盤(pán)具有直接散熱通道，用于釋放封裝內(nèi)的熱量。通常將散熱焊盤(pán)直接焊接在電路板上， PCB中的散熱過(guò)孔有助于將多余的功耗擴(kuò)散到銅接地板中，從而吸收多余的熱量。圖1顯示了這種采用PCB焊接的外露散熱焊盤(pán)的封裝。

由于體積小、重量輕，以及極佳的電性能和熱性能，QFN封裝特別適合任何一個(gè)對(duì)尺寸、重量和性能都有要求的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的28引腳PLCC封裝相比，32引腳QFN封裝的面積（5mm×5mm）縮小了84%，厚度（0.9mm）降低了80%，重量（0.06g）減輕了95%，電子封裝寄生效應(yīng)也降低了50%，所以非常適合應(yīng)用在手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、PDA及其他便攜電子設(shè)備的高密度PCB上。

PCB焊盤(pán)設(shè)計(jì)

QFN的焊盤(pán)設(shè)計(jì)主要包含以下三個(gè)方面：周邊引腳的焊盤(pán)設(shè)計(jì)、中間熱焊盤(pán)及過(guò)孔的設(shè)計(jì)和對(duì)PCB阻焊層結(jié)構(gòu)的考慮。

1、周邊引腳的焊盤(pán)設(shè)計(jì)

對(duì)于QFN封裝，PCB的焊盤(pán)可采用與全引腳封裝一樣的設(shè)計(jì)，周邊引腳的焊盤(pán)設(shè)計(jì)尺寸如圖2所示。在圖中，尺寸Zmax為焊盤(pán)引腳外側(cè)最大尺寸，Gmin是焊盤(pán)引腳內(nèi)側(cè)最小尺寸，D2t為散熱焊盤(pán)尺寸，X、Y是焊盤(pán)的寬度和長(zhǎng)度。

圖2：PCB焊盤(pán)的設(shè)計(jì)尺寸

MLF封裝的焊盤(pán)的公差分析包括元件公差、印制板制造公差和貼裝設(shè)備的精度。這類問(wèn)題的分析IPC已建立了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)程序，根據(jù)這個(gè)程序可計(jì)算得出各種MLF元件推薦的焊盤(pán)尺寸，表1列出了一些常見(jiàn)的引腳間距為0.5mm的QFN封裝的PCB焊盤(pán)設(shè)計(jì)尺寸。

2、 散熱焊盤(pán)和散熱過(guò)孔設(shè)計(jì)

QFN封裝具有優(yōu)異的熱性能，主要是因?yàn)榉庋b底部有大面積散熱焊盤(pán)，為了能有效地將熱量從芯片傳導(dǎo)到PCB上，PCB底部必須設(shè)計(jì)與之相對(duì)應(yīng)的散熱焊盤(pán)和散熱過(guò)孔。散熱焊盤(pán)提供了可靠的焊接面積，過(guò)孔提供了散熱途徑。

通常散熱焊盤(pán)的尺寸至少和元件暴露焊盤(pán)相匹配，然而還需考慮各種其他因素，如避免和周邊焊盤(pán)的橋接等，所以熱焊盤(pán)尺寸需要修訂，具體尺寸如表1所示。

????????????????????? 表1：PCB焊盤(pán)設(shè)計(jì)尺寸（單位：mm）

散熱過(guò)孔的數(shù)量及尺寸取決于封裝的應(yīng)用情況、芯片功率大小，以及電性能的要求。建議散熱過(guò)孔的間距在1.0～1.2mm，過(guò)孔尺寸在 0.3～0.33mm。散熱過(guò)孔有4種設(shè)計(jì)形式：使用干膜阻焊膜從過(guò)孔頂部或底部阻焊；使用液態(tài)感光（LPI）阻焊膜從底部填充；或者采用“貫通孔”，如圖3所示。上述方法各有利弊：從頂部阻焊對(duì)控制氣孔的產(chǎn)生比較好，但PCB頂面的阻焊層會(huì)阻礙焊膏印刷；底邊的阻焊和底部填充由于氣體的外逸會(huì)產(chǎn)生大的氣孔，覆蓋2個(gè)熱過(guò)孔，對(duì)熱性能方面有不利的影響；貫通孔允許焊料流進(jìn)過(guò)孔，減小了氣孔的尺寸，但元件底部焊盤(pán)上的焊料會(huì)減少。散熱過(guò)孔設(shè)計(jì)要根據(jù)具體情況而定，建議使用頂部或底部阻焊。

圖3：散熱過(guò)孔的4種設(shè)計(jì)形式

回流焊曲線和峰值溫度對(duì)氣孔的形成也有很大的影響，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在底部填充的熱焊盤(pán)區(qū)域，當(dāng)峰值回流溫度從210℃增加到215～220℃時(shí)，氣孔減少；對(duì)于貫通孔，PCB底部的焊料流出隨回流溫度的降低而減少。

3、阻焊層的結(jié)構(gòu)

建議使用NSMD阻焊層，阻焊層開(kāi)口應(yīng)比焊盤(pán)開(kāi)口大120～150μm，即焊盤(pán)銅箔到阻焊層的間隙有60～75μm，這樣允許阻焊層有一個(gè)制造公差，通常這個(gè)公差在50～65μm之間。當(dāng)引腳間距小于0.5mm時(shí)，引腳之間的阻焊可以省略。

網(wǎng)板設(shè)計(jì)

能否得到完美、可靠的焊點(diǎn)，印刷網(wǎng)板設(shè)計(jì)是關(guān)鍵的第一步。四周焊盤(pán)網(wǎng)板開(kāi)口尺寸和網(wǎng)板的厚度的選取有直接的關(guān)系，一般較厚的網(wǎng)板可以采用開(kāi)口尺寸略小于焊盤(pán)尺寸的設(shè)計(jì)，而較薄的網(wǎng)板開(kāi)口尺寸可設(shè)計(jì)到1:1。推薦使用激光制作開(kāi)口并經(jīng)過(guò)電拋光處理的網(wǎng)板。

1、周邊焊盤(pán)的網(wǎng)板設(shè)計(jì)

網(wǎng)板的厚度決定了印刷在PCB上的焊膏量，太多的焊膏將會(huì)導(dǎo)致回流焊接時(shí)橋連。所以建議0.5mm間距的QFN封裝使用0.12mm厚度的網(wǎng)板， 0.65mm間距的QFN封裝使用0.15mm厚度的網(wǎng)板。網(wǎng)板開(kāi)口尺寸可適當(dāng)比焊盤(pán)小一些，以減少焊接橋連的發(fā)生，如圖4所示。

???????????????? 圖4：網(wǎng)板開(kāi)口設(shè)計(jì)

2、散熱焊盤(pán)的網(wǎng)板設(shè)計(jì)

當(dāng)芯片底部的暴露焊盤(pán)和PCB上的熱焊盤(pán)進(jìn)行焊接時(shí)，熱過(guò)孔和大尺寸焊盤(pán)中的氣體將會(huì)向外溢出，產(chǎn)生一定的氣孔，因此如果焊膏面積太大，會(huì)產(chǎn)生各種缺陷（如濺射和焊球等）。但是，消除這些氣孔幾乎是不可能的，只有將氣孔減至最小。在熱焊盤(pán)區(qū)域網(wǎng)板設(shè)計(jì)時(shí)，要經(jīng)過(guò)仔細(xì)考慮，建議在該區(qū)域開(kāi)多個(gè)小的開(kāi)口，而不是一個(gè)大開(kāi)口，典型值為50%～80%的焊膏覆蓋量。實(shí)踐證明，50μm的焊點(diǎn)厚度對(duì)改善板級(jí)可靠性很有幫助，為了達(dá)到這一厚度，建議對(duì)于底部填充熱過(guò)孔設(shè)計(jì)的焊膏厚度至少50%以上；對(duì)于貫通孔，覆蓋率至少75%以上。