Nozioni di base sui pacchetti QFN

QFN, noto anche come Pacchetti Quad Flat senza conduttoriè un tipo di packaging per circuiti integrati a montaggio superficiale molto diffuso e utilizzato in diversi dispositivi elettronici. Offrono numerosi vantaggi rispetto ai tradizionali pacchetti con piombo, che li rendono la scelta ideale per diversi progetti. Un pacchetto QFN è un chip portante che non presenta i tradizionali piombi nel suo imballaggio. Al contrario, presenta pad esposti sulla superficie inferiore che si collegano direttamente alla scheda PCB, facilitando un'efficiente dissipazione del calore e un trasferimento fluido dei segnali elettrici. Questa configurazione consente di ottenere un imballaggio più leggero e compatto, particolarmente adatto ai dispositivi elettronici miniaturizzati.

Composizione della struttura del pacchetto QFN

  • Leadframe: Il leadframe, realizzato in lega di rame, funge da base del packaging QFN. Funge da collegamento elettrico tra il die del circuito integrato e i circuiti esterni.
  • Attacco della matrice: Il die del circuito integrato viene collegato saldamente al leadframe mediante adesivo conduttivo o saldatura. Questo processo garantisce una connessione affidabile tra il leadframe e il die.
  • Fili di collegamento o clip di rame: Per collegare le piazzole di collegamento sul die del circuito integrato al leadframe si utilizzano clip di rame o legami di filo. Questi componenti fungono da percorsi elettrici, consentendo ai segnali di spostarsi tra il die e i pinout esterni.
  • Incapsulamento del composto di muffa: Dopo aver configurato il leadframe e la matrice IC, questi vengono ricoperti con composti di stampo come la resina epossidica. Il composto dello stampo fornisce una protezione meccanica alla matrice sensibile e ai fili di collegamento, fungendo da barriera protettiva contro le condizioni ambientali, compresi i contaminanti e l'umidità.
  • Tampone esposto: La caratteristica fondamentale di questa confezione è il pad termico esposto presente sulla sua superficie. Quando l'imballaggio QFN viene saldato sulla scheda PCB, queste piazzole esposte sono direttamente collegate alla scheda. Il pad esposto funge da percorso di dissipazione del calore, trasferendo efficacemente il calore dal die del circuito integrato alla scheda e dissipandolo infine nell'ambiente circostante.
  • Sfere di saldatura o vialetti termici: Le sfere di saldatura o i vial termici vengono utilizzati per stabilire il collegamento tra il packaging e la scheda. Queste connessioni assicurano un forte legame meccanico ed elettrico tra il QFN e la scheda, facilitando un'efficace dissipazione del calore e il trasferimento del segnale.

Gestione termica dei pacchetti IC QFN

L'uso del confezionamento dei chip IC QFN è considerato vantaggioso per le prestazioni termiche delle schede PCBA. In primo luogo, questo design compatto offre una resistenza termica inferiore rispetto alle confezioni con cavi estesi dai lati, grazie ai percorsi di calore più brevi e diretti tra il chip e le piazzole di saldatura, con conseguente migliore dissipazione del calore. In secondo luogo, nelle applicazioni ad alta potenza come i regolatori di potenza, gli amplificatori di potenza e i driver per motori, il packaging QFN è in grado di gestire una maggiore dissipazione di potenza, gestendo efficacemente il calore generato dai componenti elettronici di potenza. È importante notare che il calore viene dissipato attraverso le piazzole di saldatura e raggiunge la scheda, mentre le piazzole di saldatura esposte contribuiscono a distribuire il calore in modo uniforme sulla scheda, riducendo al minimo il rischio di punti caldi localizzati. Quando si considera la gestione termica:

  • Dissipatori di calore integrati: A seconda della potenza utilizzata nel dispositivo, è necessario aggiungere ulteriori dissipatori di calore o vias termici nel progetto del PCB per migliorare ulteriormente la capacità di dissipazione del calore.
  • Viali termici: Il posizionamento di vias termici sotto le piazzole di saldatura esposte può migliorare il trasferimento di calore agli strati interni del PCB e migliorare le prestazioni termiche complessive.
  • Simulazione termica: Le simulazioni e le analisi termiche aiutano a identificare eventuali punti caldi e a ottimizzare il posizionamento e la disposizione dei pacchetti QFN sul PCB per ottenere prestazioni termiche precise.
  • Materiali dei PCB: L'utilizzo di materiali per circuiti stampati di alta qualità con una buona conduttività termica può migliorare ulteriormente la dissipazione del calore.

Tipi di pacchetti Quad Flat No Lead

  • QFN a lato singolo: Questo tipo di package QFN presenta le connessioni dei componenti su un solo lato, consentendo un processo di assemblaggio semplice ed economico. Tuttavia, a causa delle sue limitazioni, potrebbe non essere adatto ad applicazioni ad alta potenza.
  • QFN a doppia faccia: A differenza della sua controparte monofacciale, il QFN a doppia faccia ospita i componenti su entrambi i lati del contenitore, offrendo un maggior numero di pin di I/O e opzioni versatili di instradamento dei segnali. Tuttavia, la sua complessità di assemblaggio richiede l'esperienza di aziende professionali come FS Technology, che fornisce un servizio specializzato. Servizi di assemblaggio di PCB.
  • QFN a cavità d'aria: Appositamente progettato per i sistemi a microonde che operano nella gamma di frequenze da 20 a 25 GHz, il QFN a cavità d'aria incorpora un coperchio in plastica o ceramica, un telaio in rame e un corpo ermetico aperto stampato in plastica per garantire prestazioni ottimali.
  • QFN stampato in plastica: Per le applicazioni nella gamma di frequenza di 2-3 GHz, il QFN stampato in plastica si distingue come soluzione economica.
  • QFN stampato: Utilizzando un approccio di stampaggio a cavità singola con utensili unici, il QFN stampato offre vantaggi distinti durante il processo di produzione.
  • QFN tagliato a sega: Attraverso il processo di die-array, il QFN Saw-Cut viene sottoposto a una tecnica di formatura che converte numerose scatole in parti più piccole, garantendo efficienza e precisione.
  • QFN con lati bagnabili: Progettato con comodi indicatori visivi, il QFN con lati bagnabili consente ai progettisti di verificare facilmente il corretto montaggio del pad sul PCB, migliorando il controllo di qualità.
  • Flip-Chip QFN: L'economicità incontra la funzionalità nel Flip-Chip QFN, un pacchetto stampato che sfrutta le interconnessioni flip-chip per connessioni elettriche affidabili.
  • QFN a filo: Questo tipo di pacchetto si basa sul wire bonding per collegare il PCB ai terminali del chip, offrendo una serie di vantaggi unici.

Precauzioni per l'utilizzo di QFN SMD

Produzione

  • Disallineamento e Tombstoning: Il disallineamento tra l'imballaggio e le pastiglie può verificarsi durante la fase di Processo di assemblaggio dei PCBche porta al tombstoning. Il tombstoning si verifica quando un'estremità saldata del componente si stacca dalla piazzola mentre l'altra estremità rimane collegata.
  • Annullamento: Durante il processo di saldatura possono formarsi dei vuoti nei giunti di saldatura. saldatura a riflussoriducendo la resistenza meccanica e la conduttività termica delle connessioni.
  • Deformazione: Questo imballaggio può subire deformazioni a causa delle variazioni del coefficiente di espansione termica (CTE) tra i materiali dell'imballaggio, la matrice e la scheda PCB. Una deformazione eccessiva può causare problemi di affidabilità dei giunti di saldatura.
  • Problemi di fissaggio degli stampi: Processi di fissaggio della matrice non corretti possono causare una debole adesione tra la matrice del circuito integrato e il leadframe, con un impatto negativo sulle caratteristiche termiche ed elettriche complessive del packaging.

Saldatura

  • Ponti di saldatura: Durante la saldatura QFN, possono verificarsi guasti elettrici dovuti alla formazione di ponti di saldatura, o cortocircuiti, tra i conduttori adiacenti.
  • Pasta saldante insufficiente: Una deposizione non corretta della pasta saldante sulle piazzole della scheda PCB può causare giunti di saldatura incompleti, con conseguenti connessioni elettriche allentate.
  • Difetto della testa sul cuscino: Questo difetto si verifica quando la saldatura sulla piazzola della scheda rifluisce, creando una "testa", mentre la saldatura sui conduttori del QFN forma un "cuscino". La mancanza di un'adeguata bagnatura tra queste due superfici causa giunti inaffidabili.
  • Saldatura: L'eccesso di pasta saldante può formare piccole palline, dette appunto palline di saldatura, sulla superficie della scheda, con il risultato di cortocircuito del circuito stampato.

Compatibilità

  • Sensibilità all'umidità: I QFN sono sensibili all'umidità e, se non vengono maneggiati e conservati in modo accurato, possono causare delaminazione o crepe interne durante il riflusso della saldatura.
  • Disadattamento dell'espansione termica: L'effettiva differenza di CTE tra i pacchetti e il PCB può causare stress sui giunti di saldatura durante le variazioni di temperatura, con conseguenti problemi di affidabilità.
  • Sollecitazioni meccaniche: Le sollecitazioni meccaniche durante l'assemblaggio, i processi di collaudo o il funzionamento possono avere un impatto significativo sull'affidabilità a lungo termine dell'imballaggio.
  • Saldature senza piombo e a base di piombo: I problemi di compatibilità possono sorgere quando si utilizzano saldature senza piombo con componenti progettati per saldature a base di piombo e viceversa.
  • Design e dimensioni del pad: Le dimensioni e il design delle piazzole sulla scheda influenzano il processo di saldatura e le caratteristiche elettriche dell'imballaggio. Una progettazione errata delle piazzole può causare difetti di saldatura, come ponti di saldatura o bagnatura inefficace della saldatura.

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