Notions de base sur les boîtiers QFN

QFNégalement connu sous le nom de Quad Flat Paquets sans plombLes boîtiers de montage en surface sont un type populaire d'emballage de circuit intégré monté en surface, utilisé dans divers dispositifs électroniques. Ils offrent de nombreux avantages par rapport aux boîtiers à fils traditionnels, ce qui en fait le choix idéal pour différents projets. Un boîtier QFN est une puce porteuse dont l'emballage ne comporte pas de fils traditionnels. Au lieu de cela, il comporte des pastilles exposées sur la surface inférieure qui se connectent directement à la carte de circuit imprimé, facilitant ainsi une dissipation efficace de la chaleur et un transfert sans heurts des signaux électriques. Cette configuration permet d'obtenir un emballage plus léger et plus compact, ce qui le rend particulièrement adapté aux dispositifs électroniques miniaturisés.

Composition de la structure de l'emballage QFN

  • Cadre de référence : Le leadframe, en alliage de cuivre, sert de base à l'emballage QFN. Il sert de connexion électrique entre le circuit intégré et les circuits externes.
  • Fixation de la matrice : Le circuit intégré est solidement connecté au leadframe à l'aide d'un adhésif conducteur ou d'une soudure. Ce processus garantit une connexion fiable entre le leadframe et la puce.
  • Fils de liaison ou pinces en cuivre : Des clips en cuivre ou des fils de connexion sont utilisés pour relier les plots de connexion de la puce du circuit intégré au leadframe. Ces composants agissent comme des voies électriques, permettant aux signaux de circuler entre la puce et les brochages extérieurs.
  • Encapsulation du composé de moulage : Après avoir configuré le leadframe et le circuit intégré, ils sont recouverts de composés de moulage tels que la résine époxy. Le composé de moulage fournit une protection mécanique à la matrice sensible et aux fils de liaison, agissant comme une barrière protectrice contre les conditions environnementales, y compris les contaminants et l'humidité.
  • Tampon exposé : La caractéristique essentielle de cet emballage est le tampon thermique exposé présent sur sa surface. Lorsque l'emballage QFN est soudé sur le circuit imprimé, ces pastilles exposées sont directement connectées au circuit. La pastille exposée fonctionne comme une voie de dissipation de la chaleur, transférant efficacement la chaleur du circuit intégré à la carte et la dissipant finalement dans le milieu environnant.
  • Boules de soudure ou vias thermiques : Des billes de soudure ou des vias thermiques sont utilisés pour établir la connexion entre l'emballage et la carte. Ces connexions assurent une liaison mécanique et électrique solide entre le QFN et la carte, ce qui facilite la dissipation de la chaleur et le transfert des signaux.

Gestion thermique des boîtiers IC QFN

L'utilisation d'un emballage de puce QFN est considérée comme avantageuse pour les performances thermiques des cartes PCBA. Tout d'abord, cette conception compacte offre une résistance thermique plus faible que les boîtiers avec des fils prolongés sur les côtés, grâce à des chemins de chaleur plus courts et plus directs entre la puce et les plots de soudure, ce qui améliore la dissipation de la chaleur. Deuxièmement, dans les applications de haute puissance telles que les régulateurs de puissance, les amplificateurs de puissance et les pilotes de moteur, les boîtiers QFN peuvent supporter une dissipation de puissance plus élevée, gérant efficacement la chaleur générée par les composants électroniques de puissance. Il est important de noter que la chaleur est dissipée par les plages de soudure et atteint le circuit imprimé, les plages de soudure exposées contribuant à une distribution uniforme de la chaleur sur le circuit, ce qui minimise le risque de points chauds localisés. Lorsque l'on considère la gestion thermique :

  • Dissipateurs thermiques intégrés : En fonction de la puissance utilisée dans l'appareil, des dissipateurs thermiques ou des vias thermiques supplémentaires doivent être ajoutés dans la conception du circuit imprimé afin d'améliorer encore la capacité de dissipation de la chaleur.
  • Vias thermiques : La mise en place de vias thermiques sous les plages de soudure exposées peut améliorer le transfert de chaleur vers les couches internes du circuit imprimé et améliorer les performances thermiques globales.
  • Simulation thermique : Les simulations et analyses thermiques permettent d'identifier les points chauds et d'optimiser le placement et la disposition des boîtiers QFN sur le circuit imprimé afin d'obtenir des performances thermiques précises.
  • Matériaux du PCB : L'utilisation de matériaux de circuits imprimés de haute qualité présentant une bonne conductivité thermique permet d'améliorer encore la dissipation de la chaleur.

Types d'emballages Quad Flat No Lead

  • QFN simple face : Ce type de boîtier QFN présente des connexions de composants sur un côté, ce qui permet un processus d'assemblage rentable et simple. Cependant, il peut ne pas convenir aux applications de haute puissance en raison de ses limitations.
  • QFN double face : Contrairement à son homologue à simple face, le QFN double face accueille des composants sur les deux faces du boîtier, ce qui permet d'augmenter le nombre de broches d'E/S et d'offrir des options de routage de signaux polyvalentes. Néanmoins, sa complexité d'assemblage nécessite l'expertise d'entreprises professionnelles telles que FS Technology, qui fournit des services spécialisés en matière d'assemblage de QFN. Services d'assemblage de PCB.
  • QFN à cavité aérienne : Spécialement conçu pour les systèmes à micro-ondes fonctionnant dans la gamme de fréquences de 20 à 25 GHz, le QFN à cavité aérienne incorpore un couvercle en plastique ou en céramique, un cadre de plomb en cuivre et un corps moulé en plastique hermétique ouvert pour des performances optimales.
  • QFN moulé en plastique : Pour les applications dans la gamme de fréquences 2-3 GHz, le QFN moulé en plastique se distingue comme une solution de boîtier rentable.
  • QFN estampillé : Utilisant une approche de moulage par forme à cavité unique avec un outillage unique, le QFN estampé offre des avantages distincts au cours de son processus de fabrication.
  • QFN scié : Grâce au processus de matrice, le QFN Saw-Cut est soumis à une technique de formage qui convertit de nombreuses boîtes en pièces plus petites, garantissant ainsi efficacité et précision.
  • QFN avec faces mouillables : Conçu avec des indicateurs visuels pratiques, le QFN avec faces mouillables permet aux concepteurs de vérifier facilement le montage correct du pad sur le PCB, améliorant ainsi le contrôle qualité.
  • Flip-Chip QFN : Le QFN Flip-Chip, un boîtier moulé qui exploite les interconnexions flip-chip pour des connexions électriques fiables, allie rentabilité et fonctionnalité.
  • QFN à fil collé : Ce type de boîtier repose sur le câblage des fils pour connecter le circuit imprimé aux bornes de la puce, ce qui offre un ensemble unique d'avantages.

Précautions d'utilisation du QFN SMD

Fabrication

  • Le désalignement et la mise au tombeau : Un désalignement entre l'emballage et les tampons peut se produire au cours de l'opération d'emballage. Processus d'assemblage des PCBce qui conduit au "tombstoning". Le tombstoning se produit lorsqu'une extrémité de la soudure du composant se détache de la pastille alors que l'autre extrémité reste connectée.
  • La nullité : Des vides peuvent se former dans les joints de soudure au cours de l'opération de soudage. soudure par refusionréduisant la résistance mécanique et la conductivité thermique des connexions.
  • Les déformations de l'image : Cet emballage peut se déformer en raison des variations du coefficient de dilatation thermique (CTE) entre les matériaux de l'emballage, la matrice et la carte de circuit imprimé. Un gauchissement excessif peut entraîner des problèmes de fiabilité au niveau des joints de soudure.
  • Questions relatives à la fixation des matrices : Des processus de fixation incorrects peuvent entraîner une faible adhérence entre le circuit intégré et le leadframe, ce qui a un impact négatif sur les caractéristiques thermiques et électriques globales de l'emballage.

Soudure

  • Ponts de soudure : Lors du brasage des QFN, des défaillances électriques peuvent se produire en raison de la formation de ponts de soudure ou de courts-circuits entre les fils adjacents.
  • Pâte à braser insuffisante : Un mauvais dépôt de pâte à braser sur les plages de la carte PCB peut entraîner des joints de soudure incomplets, ce qui se traduit par des connexions électriques lâches.
  • Défaut du coussin de tête : Ce défaut se produit lorsque la soudure sur la plage de la carte reflue, créant une "tête", tandis que la soudure sur les fils QFN forme un "coussin". L'absence de mouillage correct entre ces deux surfaces entraîne un manque de fiabilité des joints.
  • Boule de soudure : L'excès de pâte à braser peut former de petites boules, appelées billes de soudure, sur la surface de la carte, ce qui entraîne les conséquences suivantes court-circuit sur la carte de circuit imprimé.

Compatibilité

  • Sensibilité à l'humidité : Le QFN est sensible à l'humidité et, s'il n'est pas manipulé et stocké correctement, il peut entraîner une délamination ou une fissuration interne lors de la refusion de la soudure.
  • Inadéquation de la dilatation thermique : La différence effective de CTE entre les boîtiers et le circuit imprimé peut provoquer des tensions sur les joints de soudure lors des changements de température, ce qui entraîne des problèmes de fiabilité.
  • Contrainte mécanique : Les contraintes mécaniques subies lors de l'assemblage, des processus d'essai ou de l'exploitation peuvent avoir un impact significatif sur la fiabilité à long terme de l'emballage.
  • Soudure sans plomb et soudure à base de plomb : Des problèmes de compatibilité peuvent survenir lorsque des soudures sans plomb sont utilisées avec des composants conçus pour des soudures à base de plomb, et vice versa.
  • Conception et taille du tampon : La taille et la conception des pastilles sur la carte influencent le processus de brasage et les caractéristiques électriques de l'emballage. Une mauvaise conception des pastilles peut entraîner des défauts de brasage tels que des ponts de soudure ou un mouillage inefficace de la soudure.

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