Exposed pad-del rendelkező QFP tokozású alkatrészek forrasztása

OData támogatás
Konzulens:
Dr. Géczy Attila
Elektronikai Technológia Tanszék

Exposed pad-del rendelkező QFP tokozású alkatrészek forrasztása

Kohári Bence diplomamunkájának összefoglalója

A QFP vagy Quad Flat Package egy felületszerelt integrált áramköri (IC) tokozás, melynek mind a négy oldalán „sirályszárny” alakú kivezetés található. A leggyakoribb változatok 32 – 304 kivezetéssel, valamint 0,4 – 1,0 mm kivezetések közti távolsággal rendelkeznek. A QFN vagy Quad Flat No-leads egy másik fajtájú tokozás, ahol a tokozás alján lévő kerületi forrasztási felületek biztosítják az elektromos kapcsolatot az IC és a nyomtatott huzalozású lemez (PCB) között. Egyes QFP-k és a legtöbb QFN tokozás alján vagy tetején exposed-pad található, amely egy extra forrasztási pad a tokozás alján vagy tetején, amely az IC hő leadását javítja, rendszerint a PCB-re. A forrasztási felület mérete jellemzően 10 vagy több mm², és az alatta lévő síkra történő forrasztott kötés által pedig a hőt átvezeti a PCB-re. A hőt fémezett falú átvezető furatokkal vezetik tovább, amelyek a forrasztási felület és a PCB nagy belső rézrétege (földelő réteg) között húzódnak. Azon túlmenően, hogy a fém forrasztási felület az IC tokozás alján vagy tetején hő elvezetőként funkcionál a tokozás számára, egyúttal megfelelő földelést is biztosít.

Jelen esetben a teszt QFP és QFN tokozások 144 és 48 kivezetéssel, valamint 0,4 és 0,5 mm kivezetések közötti távolsággal rendelkeztek, továbbá 7,5 x 6,74 és 5,2 x 5,2 mm2 nagyságú exposed-pad volt, melyek stand-off magassága 0,1 illetve 0,05 mm-es.

A QFP-k és QFN-ek expoes-pad PCB-re való forrasztásával kapcsolatban különleges aggodalomra a zárványok és forraszhiányok kialakulása ad okot, amelyek csökkenthetik a kötés hőelvezető képességét. A forraszhiány kialakulásának oka vagy a felvitt forraszpaszta elégtelen mennyisége, vagy a kapilláris hatás miatt az olvadt forrasz elszívódása a hőátvezető furatokba.

Diplomamunkámban meg kellett találnom az optimális megoldást a problémamentes forrasztott kötés kialakítására az adott QFP és QFN IC-k felhasználásával. Ezen célra kísérlettervezést készítettem, amely magában foglalta a tesztlemez tervezését, az IC-k szerelését és hordozóra való forrasztását, valamint a kötések röntgenes és optikai módszerekkel történő vizsgálatát is. A tesztlemezt úgy terveztem meg, hogy az alábbi forraszhiány-csökkentő módszerek és azok kombinációjának elemzését tegye lehetővé:

• az átvezető furatok számának csökkentése,

• kisebb átvezető furatátmérő alkalmazása az elszívódó forrasz mennyiségének csökkentése érdekében,

• az átvezető furat feltöltődésének megakadályozása a furatot fedő forrasztásgátló maszk alkalmazásával,

• osztott forrasztási felület alkalmazása a folyasztószer gázok könnyebb távozásának céljából,

• az átvezető furatok behelyezése a forrasztási felületek osztásközébe, ahol nincs forraszpaszta nyomtatva,

• forraszpaszta túlnyomtatása a forrasztási felületen túl, a forrasztásgátló lakkra a forraszpaszta térfogatának növelése érdekében,

• a forrasztási felület növelése a PCB-n, az átvezető furatok kitolása a megnagyobbodott területbe, azok bevonása forrasztásgátló lakkal,

• különféle méretű forrasz preformok alkalmazása és azok forrasztási felületre történő helyezése még az IC elhelyezése előtt.

A rendkívül költséges lépcsős stencil módszert kihagytam, helyette viszonylag vastag 130 µm-es stencilt használtam. Amikor legyártották számomra a három tesztlemezt és a stencilt, akkor a lemezek szerelése következett SAC 305 ólommentes forraszpaszta alkalmazásával, stencil nyomtatással; az IC-k beültetését automatikus megfog és letesz (pick-and-place) gép, vagy a kézi üzemeltetésű Fineplacer végeztem; a forrasztáshoz gőzfázisú forrasztási eljárást alkalmaztam; a kötések vizsgálatára pedig röntgenes és/vagy optikai vizsgálatok keretein belül került sor.

A kísérletek eredményei alapján az alábbi két módszer ajánlott az exposed-paddel rendelkező QFP tokozású IC-k forrasztásában kialakuló zárványok csökkentése érdekében:

• pontosan kiszámított térfogatú forraszpaszta túlnyomtatás alkalmazása, amelyet a stencil megfelelő apertúra ablakai biztosítanak, ily módon lehetővé téve a hőátvezető furatok, valamint az IC alatti stand-off feltöltését;

• jól meghatározott méretű, a kerülete mentén forraszpasztába helyezett preform használatával, ily módon kellő mennyiségű forrasz és folyasztószer biztosítása a kötés kialakításához.

Ami a QFN-eket illeti, az eredmények azt mutatták, hogy a 130 µm vastag stencil biztosította a zárványtól mentes megfelelő forrasztott kötéseket mind az exposed-pad, mind a kerületen található forrasztószemek számára.

Letölthető fájlok

A témához tartozó fájlokat csak bejelentkezett felhasználók tölthetik le.