QFN- en DFN-onderdelen
Fysiek kleine omvang en voetafdruk zijn niet de enige voordelen voor een QFN. De kleinste van deze pakketten eindigen met zeer korte aansluitdraden. Dit zorgt voor verbeterde signaalkarakteristieken en uitstekende thermische eigenschappen. De meeste QFN- en DFN-onderdelen hebben een groot metalen contactgebied aan de onderzijde, net binnen de rijen signaalcontacten, zoals weergegeven in de bovenstaande afbeelding.
De silicium-dobbelstenen zitten precies op het thermische pad, waardoor een aantal indrukwekkende thermische prestaties mogelijk zijn. Ik heb 3 mm x 3 mm QFN's gezien die 5 V kunnen uitvoeren op 800 mA, waarvoor vroeger een groot TO-220-pakket en een koellichaam nodig was.
Deze extra prestatie komt echter met een prijs. In dit geval bevindt de prijs zich grotendeels in het strijdperk van uitdagingen op het gebied van maakbaarheid, en dat is hoe ons gesprek terugkeert naar mijn dagelijkse werk. Op Screaming Circuits hebben we geleerd wat QFN-problemen veroorzaakt en hoe we die problemen kunnen voorkomen. Het komt neer op de hoeveelheid soldeerpasta die wordt neergelegd en het verschil in oppervlakte van de grote thermische pad en die van de zijcontacten.
Het soldeersel wordt op oppervlakbeveiligde pads aangebracht via een zeefdrukproces of met een soldeerpasta jetprinter. In het zeefdrukproces wordt een roestvrijstalen soldeerpastasjabloon gemaakt door lasersnijdende openingen voor alle oppervlaktemontagecomponentkussens. Dit sjabloon wordt vervolgens op de printplaat (PCB) geplaatst en de soldeerpasta wordt met een rakel neergezet. Dit proces is vrijwel identiek in concept met het maken van een T-shirt met zeefdruk.
Veel winkels, inclusief de mijne, gebruiken ook een pastjetjetprinter om de pasta aan te brengen. Dit heeft het voordeel dat het pastelpatroon eenvoudig kan worden aangepast. Het nadeel is dat de pastadruppels die het aanbrengt, niet de precisie geven die nodig is voor sommige van de nieuwere superkleine onderdelen.
Een typische soldeersjabloon kan 3 of 4 mil (0,067 tot 0,100 mm) dik zijn. Als u naar de bovenstaande QFN-foto's kijkt, ziet u dat de beeldverhouding van het oppervlak tot een 4 millimeter stencildikte vrij groot is voor de middelste pad, maar veel kleiner voor de contactpunten langs de zijkanten.
Wanneer de soldeerpasta in de reflow-oven smelt, verandert de vorm van de soldeersel. Ik zal niet ingaan op de vloeistofdynamica van die opstelling, maar het resultaat is dat, als de middelste pad een volledige dosis soldeerpasta wordt gegeven, het onderdeel zal zweven op de middelste pad en sommige of alle zijcontacten zijn waarschijnlijk niet soldeert, zoals in de onderstaande illustratie:
QFN float (Bron: Duane Benson)
De stencilopening wordt bepaald door de CAD-voetafdruk. Helaas zijn de voetafdrukken van QFN- en DFN-onderdelen in CAD-bibliotheken bijna altijd verkeerd in dit opzicht. Ze bieden een opening voor soldeerpasta die even groot is als de koperen pad. Niet alleen hebben ze bijna altijd ongelijk in de CAD-software, maar ze worden bijna net zo vaak onjuist weergegeven in de componentgegevenspagina.
In plaats van een opening op volledige grootte, moet de stencillaag worden gesegmenteerd om een dekking van 50 tot 75% op de middelste pad te krijgen, zoals hieronder wordt geïllustreerd:
QFN gesegmenteerde stencil (Bron: Duane Benson)
De openingen voor de soldeerpastasjabloon (of het afzettingspatroon voor de pastastraal) worden in de sjabloonlaag - soms de "pastalaag" of "crèmelaag" genoemd - in uw CAD-software vermeld. Veel Footprint-editors maken automatisch de stencillaag wanneer u een pad voor oppervlaktemontage plaatst.
Dat is een deel van het probleem. In veel gevallen maakt de software automatisch een stencilopening die overeenkomt met de grootte van het koperkussen. Het feit dat de tool dit doet, betekent automatisch dat veel gebruikers denken dat ze hier niet over hoeven na te denken, maar dat doen ze echt, want voor een grote QFN heat slug is dit waarschijnlijk verkeerd.
Het corrigeren van de footprint is een vrij eenvoudige taak, maar hoe zou je weten dat je iets moet repareren tenzij een PCB-assemblagepersoon tegen je tekeer rijdt? Je zou waarschijnlijk niet, dus hier ben ik, tegen je tekeer gaan.
De oplossing is, zoals ik al zei, vrij eenvoudig. Nou, het is gemakkelijk als u bekend bent met het proces van het maken of wijzigen van de voetafdrukken in uw CAD-software. Ik laat die specifieke details aan jou over, maar als je weet hoe, of als je eenmaal hebt geleerd hoe, vertel ik je wat je moet doen.
In je footprinteditor schakel je de automatische laag voor plakken uit en teken je deze met de hand. De techniek zal verschillen op basis van de werking van uw voetafdrukeditor, maar wat u moet doen, is hetzelfde. Zorg ervoor dat de stencillaag niet standaard wordt gemaakt en teken deze dan in de stencillaag. De onderstaande illustratie toont een voorbeeld van hoe het eruit zou moeten zien.
QFN-soldeerpasta stencillaag goede voorbeelden (Bron: Duane Benson)
Schiet tussen de 50 en 75% dekking van de soldeerpasta; dat wil zeggen, de soldeerpasta moet 50 tot 75% van de koperen pad bedekken. Als er vias in de pad zit, plak deze dan niet op de pad. Vias moet worden afgedekt met een soldeermasker of worden opgevuld en bedekt. Als je de open vias verlaat, zal het soldeer naar beneden zakken en aan de andere kant van het bord eindigen. Dit is ook geen goede zaak.
Nog een ding: is het 50% of is het 75%? In een wereld van prototypen of kleine hoeveelheden, heeft overal in dat bereik een goede kans op succes. Als u een grootvolume product bouwt, wilt u samenwerken met de productietechnici van het bedrijf dat uw platen bouwt. Ze beginnen in dat bereik en passen het stencilpatroon aan om de best mogelijke resultaten op hun productielijn te bereiken.
QFN's kunnen een beetje intimiderend zijn, maar ze zijn er om te blijven. Met een beetje extra zorg kun je behoorlijk succesvol zijn met hen. U kunt zelfs uw bord een beetje inkrimpen en een deel van de fabricagekosten besparen.