Guide expert pour le montage de composants QFN : design et solutions d'impression pâte à souder

L'amélioration constante de la densité d'assemblage des produits électroniques pousse composants et dispositifs vers la miniaturisation, le pas fin et même l'absence de broches. Cet article discute les excellentes technologies d'impression de pâte à souder compatibles avec les composants QFN (quad-flat no-leads) et introduit les composants QFN et LCCC (leadless ceramic chip carrier) dont les caractéristiques seront élaborées. La structure QFN et le design de pad seront présentés selon : design d'apparence du boîtier QFN, design de pad QFN, design d'ouverture de pochoir QFN. Enfin, les excellentes technologies d'impression de pâte pour QFN seront analysées sous les angles : ingrédients de la pâte, propriétés et paramètres du pochoir inox, environnement d'impression, conception de la technologie d'impression, équipement d'impression, avec les principaux défauts d'impression de pâte sur QFN discutés et l'expérience pratique d'implémentation d'impression excellente pour QFN introduite.

QFN et LCCC sont les deux types de composants sans broches les plus courants et inhabituels. Comparés aux composants à broches, les pads PCB et les ouvertures de pochoir métallique présentent des pads différents de ceux pour broches fines et longues, surtout en technologie d'impression de pâte.

Avantages essentiels du QFN

Le matériau principal des boîtiers LCCC est la céramique, tandis que le QFN est en plastique, à prix bas, plus accepté par l'électronique grand public. Les QFN sont donc largement utilisés dans les petits appareils électroménagers. Les composants QFN sont carrés ou rectangles, similaires aux CSP (chip size package). La seule différence : le QFN n'a pas de billes de soudure en dessous ; la connexion électrique et mécanique entre PCB et QNF repose entièrement sur la pâte à souder fondue lors du refusion, devenant des connexions de soudure après refroidissement. La distance de contact étant la plus courte entre QFN et pads PCB, la performance électrique et thermique est meilleure que la majorité des composants à broches, particulièrement adaptée aux produits exigeant haute dissipation thermique et performance électrique. Comparés aux PLCC (plastic leaded chip carrier) traditionnels, les QFN réduisent drastiquement la surface de boîtier, l'épaisseur et le poids, l'inductance parasite diminuant de 50 %, fonctionnant mieux pour téléphones et ordinateurs.

Design de pad PCB pour composants QFN

• Design de forme des boîtiers QFN

En tant que nouvelle forme d'encapsulage CI, les QFN ont une extrémité de brasage parallèle aux pads du PCB. Du cuivre nu est généralement conçu au centre, offrant meilleure conductivité thermique et électrique. Ainsi, les extrémités de brasage I/O pour connexion électrique peuvent être distribuées autour des ailettes de refroidissement centrales, rendant le routage PCB plus flexible. Les extrémités I/O existent en deux types : fond de composant exposé avec le reste encapsulé, ou extrémité partielle exposée sur le côté.

Par poinçonnage ou type zigzag, les broches de cuivre relient la puce interne et la puce de cuivre centrale aux extrémités de brasage périphériques, créant une structure de cadre. La résine fixe le tout par moulage et encapsulation, exposant les extrémités centrales et périphériques hors du boîtier.

• Design de pad pour QFN

De grandes surfaces de cuivre pour dissipation thermique étant présentes sous le QFN, un excellent design de pad PCB et de pochoir métallique doit être implémenté pour générer des connexions de brasage fiables. Le design de pad QFN comporte trois aspects :

a. Design de pad I/O périphérique

Le pad I/O sur PCB doit être légèrement plus grand que l'extrémité de brasage I/O du QFN. Le côté interne du pad doit être circulaire pour s'adapter à la forme du pad. Si le PCB a assez d'espace, la longueur périmétrique du pad I/O sur PCB doit être ≥ 0,15 mm et la longueur interne ≥ 0,05 mm pour garantir l'espace suffisant entre pads autour du QFN et ceux de la partie centrale, évitant les ponts.

b. Design de masque soudure PCB

Deux catégories : SMD (solder mask defined) et NSMD (non-solder mask defined). La première a des ouvertures plus petites que les pads métalliques, la seconde plus grandes. La technologie NSMD étant plus facile à contrôler en gravure cuivre, la pâte peut être placée autour du pad métallique, améliorant grandement la fiabilité des connexions de brasage. La technologie SMD doit être choisie pour le pad central de dissipation thermique de grande surface.

Les ouvertures de masque doivent être 120 à 150 µm plus grandes que les pads, soit un espacement de 60 à 75 µm entre masque et pad métallique. Un design de pad courbé doit avoir une ouverture de masque courbée correspondante. Un masque suffisant doit être maintenu aux coins pour éviter les ponts. Le masque doit couvrir chaque pad I/O.

Le masque doit couvrir les trous traversants sur le pad de dissipation pour empêcher la pâte de s'écouler par les trous thermiques, ce qui causerait des vides de brasage entre l'extrémité de brasage centrale nue du QFN et le pad central de dissipation du PCB. Le masque de trou traversant se décline en trois types : masque supérieur, masque inférieur, trou traversant. Le diamètre du masque de trou doit être 100 µm plus grand que celui du trou. Il est suggéré de déposer l'huile de masque pour boucher les trous au dos du PCB, créant des cavités sur la face avant du pad de dissipation, favorisant la libération des gaz pendant le refusion.

c. Pad thermique central et design de trous traversants

Le pad de dissipation au centre bas du QFN offre une excellente performance thermique. Pour conduire efficacement la chaleur de l'intérieur du CI vers le PCB, un pad thermique correspondant et des trous traversants de dissipation doivent être conçus sous le PCB. Le pad thermique fournit une zone de brasage fiable ; les trous traversants assurent la dissipation.

Des trous d'air se forment pendant le brasage par les grands pads sous les composants. Pour minimiser leur nombre, les trous thermiques doivent être ouverts sur le pad thermique, conduisant rapidement la chaleur et favorisant la dissipation. Le nombre et la taille des trous thermiques dépendent du domaine d'application, de la puissance du CI et des exigences de performance électrique.

• Design d'ouverture de pochoir QFN

a. Design de trou de fuite pour pads I/O périphériques

Le design d'ouverture de pochoir métallique suit généralement le principe du rapport de surface et du rapport largeur/épaisseur, certains types de composants pouvant utiliser le principe d'épaississement ou d'amincissement local.

b. Design d'ouverture pour grand pad central de dissipation

Le pad central de dissipation étant de grande échelle, le gaz s'échappe avec formation de bulles. Si beaucoup de pâte est appliquée, plus de trous de gaz et de défauts (éclaboussures, billes de soudure) apparaissent. Pour minimiser les trous de gaz et obtenir la quantité optimale de pâte, un réseau de petits trous de fuite est choisi au lieu d'un grand trou. Chaque petit trou peut être circulaire ou carré, tant que 50 % à 80 % des pads de dissipation centrale sont couverts par la pâte, assurant une hauteur de pâte de 50 à 75 µm.

c. Type et épaisseur de pochoir

Le design d'ouverture du pad de dissipation du pochoir est directement associé à l'épaisseur de dépôt de pâte, déterminant la hauteur de connexion des composants assemblés.

Excellente technologie d'impression de pâte à souder

Les éléments déterminant la qualité d'impression de pâte sur QFN incluent : pâte, pad PCB, pochoir métallique, imprimante, opérations manuelles.

La pâte a une composition bien plus complexe que l'alliage étain-plomb pur : particules d'alliage de soudure, flux, régulateur rhéologique, agent de contrôle de viscosité, solvant. Les QFN étant des dispositifs sans broches avec un grand pad de dissipation central, une exigence relativement élevée est fixée sur la viscosité et la technologie de contrôle de viscosité. La viscosité ne doit pas être trop élevée (difficulté à traverser les ouvertures) ni trop faible (traces d'impression incomplètes).

Plus les particules de pâte sont fines, plus la pâte est visqueuse. Plus la quantité de particules est élevée, plus la viscosité est élevée. La viscosité est maximale avec particules sphériques. Pour l'impression ultra-fin pas, une pâte à particules plus fines est nécessaire pour une meilleure résolution.

L'impression de pâte est un processus complexe avec de nombreux paramètres techniques, chacun pouvant causer de gros dégâts s'il est mal réglé. Paramètres principaux : pression de racle, épaisseur d'impression, vitesse, méthode, paramètres du racle, vitesse de démoulage, fréquence de nettoyage du pochoir. Pression trop faible : pâte n'atteint pas le fond de l'ouverture et ne tombe pas sur le pad. Pression trop forte : pâte trop fine ou endommagement du pochoir. Un épaississement approprié améliore la fiabilité d'assemblage des QFN.

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