Facteurs clés pour une conception optimale des plots PCB QFN

Avec le développement des technologies d'encapsulation de composants électroniques vers la miniaturisation, la légèreté et la haute performance, il est devenu une tendance de développement des composants électroniques d'augmenter la densité de fonction des composants et de diminuer l'espacement entre les bornes d'entrée et de sortie, ce qui est le mieux illustré par la technologie d'assemblage automatique caractérisée par le CMS (technologie de montage en surface). Afin de mettre en œuvre le montage en surface des composants, la première étape consiste à fabriquer les plots correspondants sur le PCB afin d'obtenir un PCB structuré. Ensuite, la technologie d'impression au pochoir est appliquée pour déposer la pâte à souder sur la surface des plots du PCB. Finalement, un chauffage est effectué pour transformer la pâte à souder en liquide qui forme un pont liquide entre les broches des composants et le plot du PCB. Sous l'influence du masque de soudure sur le PCB, la pâte à souder fondue est limitée dans la zone de plot de soudure correspondante afin d'interdire le pontage entre les joints de soudure, de sorte que l'assemblage automatique de la puce sur le PCB est mis en œuvre. Selon les différents types d'encapsulation, les plots de soudure circulaires et rectangulaires sont principalement sélectionnés, c'est-à-dire les encapsulations BGA (Ball Grid Array) et QFN (Quad Flat No-lead). Si vous voulez en savoir plus sur le BGA, seulement QUATRE étapes suffisent.

Wiki QFN

Comparé aux autres composants avec différents types d'encapsulation, l'encapsulation QFN est conçue pour être soudée directement sur le substrat PCB ou FPC. Elle est capable d'offrir une meilleure dissipation thermique grâce à ses plots métalliques exposés au fond. De plus, l'encapsulation QFN présente d'excellentes performances électriques car ses broches sont plus courtes que celles des composants avec encapsulation étendue. Par conséquent, il est d'une grande importance de concevoir les plots QFN sur le PCB afin de maintenir et garantir la haute fiabilité et performance du PCB.

Angle de mouillage

Puisque la taille des broches QFN et l'espacement entre les broches sont relativement petits, un pont de joint de soudure ou un faux brasage peut être causé en raison de la quantité précise de revêtement de pâte à souder. Ainsi, une conception raisonnable de la taille du plot du PCB basée sur l'épaisseur du pochoir (h₀) est grandement utile au taux de réussite du brasage. Supposons que l'angle de mouillage de l'étain de brasage sur le plot de soudure (θₐ) est de 30° et l'angle de mouillage de l'étain de brasage sur le masque de soudure (θᵣ) est de 160°. Si la rugosité de la surface du plot est négligée, l'angle de mouillage peut être considéré approximativement comme l'angle d'avancement ou de recul de la ligne de contact triphasée. Conformément à l'art pratique de brasage des composants QFN, un contrôle raisonnable des courbes de température de refusion sous une condition idéale avec l'étain de brasage entièrement fondu et la surface du plot mouillée est capable à la fois d'assurer l'efficacité du brasage et d'aider les composants à atteindre l'équilibre de brasage d'assemblage automatique. Si le plot est raisonnablement conçu, l'état idéal des joints de soudure non seulement répond à l'exigence de performance électrique du PCB et de connexion mécanique, mais évite également la défaillance des joints de soudure tels que le pontage et le faux brasage. À cet égard, l'état des joints de soudure doit satisfaire aux formules suivantes :

a. Lorsque les joints de soudure à l'intérieur du QFN sont complètement répartis sur le plot du PCB, θₐ ≤ θⱼ(Zᵤ) ≤ θᵣ, θⱼ(0)=30°, x₃(0)=x₄(0)=Dₓ₄

b. Lorsque l'étain à l'extérieur du QFN se développe sur le plot latéral,

(1) θⱼ(Zᵤ)=θₛ₃+90°, θ₄(0)=30°, θ₃(0)=30°,

(2) x₃(0)=x₄(0)=Dₓ₄(0), x₃(Zᵤ)=0.

Conception des plots

Dans cette formule, θₛ₃ est égal à θₐ, tous deux étant l'angle de mouillage de l'étain de brasage sur le plot latéral.

Dans la direction verticale, l'équation d'équilibre statique du liquide de pontage est :
P_d L_y(x₃(0)-x₄(0)+L_x)+W_z-[T(x₃(0)-x₄(0)+L_x)(sin θ₂(0)+sin θ₁(0))+T L_y(sin θ₃(0)+sin θ₄(0))]-ρ g V₀=0

L'intensité de pression au fond des joints de soudure (P_d) est :
P_d=[T(x₃(0)-x₄(0)+L_x)(sin θ₂(0)+sin θ₁(0))+T L_y(sin θ₃(0)+sin θ₄(0))+ρ g V₀-W_z]/[L_y(x₃(0)-x₄(0)+L_x)]

Dans ces formules, ρ fait référence à la densité liquide de l'étain de brasage ; T fait référence à la tension superficielle du liquide de joint de soudure ; x₃(0) et x₄(0) font référence au glissement des deux extrémités des joints de soudure liquides au plot de fond ; θ₁(0) et θ₂(0) font référence aux angles de contact des deux côtés formés par l'interface liquide-gaz des deux côtés des joints de soudure et la surface du plot de fond, tandis que θ₃(0) et θ₄(0) font référence aux angles de contact des deux extrémités formés par l'interface liquide-gaz des deux côtés ; V₀ fait référence au volume du joint de soudure ; W_z fait référence à la force appliquée du plot à l'extrémité de la puce et du joint de soudure dans la direction verticale.

Sous la limite des formules (1) et (2), les courbes de cadre des joints de soudure peuvent rendre les conditions aux limites équivalentes aux conditions initiales à l'extrémité supérieure des joints de soudure basées sur la méthode effective de résolution des problèmes de valeur initiale. Puisque la solution de valeur initiale est incapable de satisfaire l'exigence que z soit égal à 0, elle est transformée en un problème équivalent en termes de minimisation de la fonction objectif, affichée dans l'Équation (3).

Cette fonction objectif minimisée peut être appliquée pour déterminer la taille de conception idéale du plot Dₓ₄.

De plus, les caractéristiques géométriques de l'angle d'enroulement de l'étain du plot PCB doivent être prises en considération. À cet égard, la taille d'expansion du plot doit adhérer à l'équation approximative ci-dessous :

Dans cette équation, D_h fait référence à l'épaisseur du plot latéral exposé à l'extérieur de la puce. Par l'optimisation des variables implicites, l'exigence d'erreur attendue est satisfaite par la fonction objectif et la taille de conception des plots intérieurs et extérieurs (Dₓ₄ & Dₓ₃) peut être calculée avec le besoin de la valeur latérale à l'extrémité inférieure satisfaite.

Cette méthode assure qu'un plot adapté au QFN peut être bien conçu afin d'atteindre la haute performance électrique de ce composant et du PCB. Ensuite, avec une capacité d'assemblage professionnelle et qualifiée, PCBCart est capable de transformer votre conception idéale en réalité.

Ressources utiles

• Introduction à la technologie Via-in-pad (VIP)
• Exigence de conception des PCB CMS Partie 1 : Conception des plots de soudure de certains composants ordinaires
• Exigence de conception des PCB CMS Partie 2 : Paramètres de connexion plot-piste, trous traversants, point de test, masque de soudure et sérigraphie
• Exigence de conception de pochoir sur composants QFN pour une performance optimale du PCBA
• Service de fabrication PCB complet de PCBCart - Options à valeur ajoutée multiples
• Service d'assemblage PCB avancé de PCBCart - À partir de 1 pièce