Optimisation de l'assemblage PCB : directives de design de pochoir pour composants QFN

Boîtier QFN

Ces dernières années, les composants QFN (Quad Flat No-lead) ont connu de larges applications grâce à leurs avantages complets : excellentes performances électriques et thermiques, légèreté, petite taille. En tant que boîtier sans broches, les QFN ont attiré l'attention de l'industrie pour leur faible inductance entre broches. Les composants QFN sont carrés ou rectangulaires, formes similaires aux BGA (Ball Grid Array). Différence : le QFN n'a pas de billes de soudure en dessous ; sa connexion électrique et mécanique avec d'autres composants se fait par des joints de soudure générés par refusion, après impression de pâte sur les pads du PCB.

L'impression de pâte à souder est une phase cruciale du processus PCBA (Printed Circuit Board Assembly) qui détermine la qualité et la performance finales. Elle ne peut être fluide et précise sans pochoirs appropriés, d'où cet article.

Design de pochoir

L'impression de pâte joue un rôle essentiel en assemblage en surface (SMA) et technologie d'assemblage électronique ; la qualité de l'impression via pochoir est directement liée au First Time Yield (FTY) du brasage de composants CMS. On estime que 60 % à 70 % des défauts de brasage proviennent d'une impression de pâte de mauvaise qualité via pochoir. Une étude complète sur tous les aspects de l'impression via technologie de pochoir est donc nécessaire.

En design de pochoir, une excellente ouverture est le premier élément garantissant des joints de soudure optimaux et fiables.

• Design du cadre de pochoir

Le cadre est généralement en alliage d'aluminium, sa taille compatible avec les paramètres de l'imprimante. La fabrication automatique exige que le pochoir monte sur la ligne de production et que sa taille soit acceptée par l'imprimante. Ni trop grand, ni trop petit ne permet une fabrication fluide.

• Design de tension du pochoir

La tension (stretching) est le processus où la plaque inox du pochoir est fixée au cadre. Colle et ruban adhésif aluminium sont utilisés. La colle est d'abord appliquée à la jonction cadre/plaque inox, puis un revêtement protecteur est raclé uniformément. Durant la tension, une distance interne de 25 à 50 mm doit être laissée entre plaque inox et cadre pour garantir planéité et tension excellentes pendant l'impression. Un pochoir neuf doit maintenir une tension de 40 à 50 N/cm.

• Design de marques de fiducial sur pochoir

Le positionnement automatique est effectué par l'imprimante sur ligne automatique ; le pochoir doit donc contenir des marques de fiducial. Le design est basé sur les dimensions des marques dans le fichier Gerber du PCB, puis l'ouverture est fixée à un ratio 1:1 avec gravure au dos du pochoir. Généralement, au moins deux marques sont requises sur un pochoir, à deux angles opposés.

• Design de pochoir pour pads I/O autour des composants QFN

La taille d'ouverture du pochoir doit être équivalente à celle des pads I/O périphériques, assurant une hauteur de pâte de 50 à 75 µm après refusion autour du pad. Pour QFN à pas fin, surtout I/O pitch < 0,4 mm, la largeur d'ouverture doit être légèrement réduite par rapport aux pads PCB pour éviter les ponts entre pads I/O adjacents. Le rapport largeur/épaisseur (W/T) de l'ouverture doit être > 1,5.

• Design de pochoir pour pads centraux de dissipation thermique QFN

Un design inapproprié d'ouverture du pad central cause divers défauts. Pendant le refusion, la pâte sur les grands pads fond, le flux génère de l'air qui s'échappe, causant : trous d'air, micro-trous, éclaboussures, billes de soudure. Bien qu'il soit quasi impossible d'éliminer ces problèmes, leur effet néfaste peut être réduit. Exemple : utiliser un réseau de petites ouvertures en maille au lieu d'une grande ouverture. Chaque petite ouverture peut être circulaire ou carrée, tant que 50 % à 80 % des pads de dissipation centrale sont couverts par la pâte, assurant une hauteur de 50 à 75 µm.

• Catégorie et épaisseur de pochoir

Le matériau est recommandé inox, méthode de gravure : laser. Polissage électrolytique sur paroi de trou pour la rendre lisse, réduire frottement, favoriser démoulage et moulage de la pâte.

L'épaisseur du pochoir joue un rôle décisif dans la quantité de pâte déposée. Trop ou trop peu de pâte cause des défauts au refusion. Trop → ponts ; trop peu → brasage ouvert. Il est suggéré : QFN pas fin (pitch < 0,4 mm) → pochoir 0,12-0,13 mm ; QFN pas large (pitch > 0,4 mm) → pochoir 0,15-0,2 mm.

• Inspection du pochoir

Le pochoir doit être soigneusement inspecté avant le vrai assemblage CMS, avec les points suivants :

1. Inspection visuelle de la planéité de la tension et centrage de l'ouverture.
2. Inspection visuelle de la compatibilité positions ouverture/pads PCB.
3. Inspection de la taille d'ouverture (longueur, largeur).
4. Microscope pour lisser paroi de trou et surface pochoir.
5. Tensiomètre pour mesurer la tension.
6. Validation de l'épaisseur par résultat d'impression de pâte.

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