圖1:外露散熱焊盤的QFN封裝
一、QFN封裝的特點(diǎn)
QFN是一種無(wú)引腳封裝,呈正方形或矩形,封裝底部中央位置有一個(gè)大面積裸露焊盤用來(lái)導(dǎo)熱,圍繞大焊盤的封裝四周有實(shí)現(xiàn)電氣連接的導(dǎo)電焊盤。由于QFN封裝不像傳統(tǒng)的SOIC與TSOP封裝那樣具有鷗翼狀引線,內(nèi)部引腳與焊盤之間的導(dǎo)電路徑短,自感系數(shù)以及封裝體內(nèi)布線電阻很低,所以它能提供卓越的電性能。此外,它還通過(guò)外露的引線框架焊盤提供了出色的散熱性能,該焊盤具有直接散熱通道,用于釋放封裝內(nèi)的熱量。通常將散熱焊盤直接焊接在電路板上,PCB中的散熱過(guò)孔有助于將多余的功耗擴(kuò)散到銅接地板中,從而吸收多余的熱量。圖1顯示了這種采用PCB焊接的外露散熱焊盤的封裝。
由于體積小、重量輕,以及極佳的電性能和熱性能,QFN封裝特別適合任何一個(gè)對(duì)尺寸、重量和性能都有要求的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的28引腳PLCC封裝相比,32引腳QFN封裝的面積(5mm×5mm)縮小了84%,厚度(0.9mm)降低了80%,重量(0.06g)減輕了95%,電子封裝寄生效應(yīng)也降低了50%,所以非常適合應(yīng)用在手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、PDA及其他便攜電子設(shè)備的高密度PCB上。
二、PCB焊盤設(shè)計(jì)
QFN的焊盤設(shè)計(jì)主要包含以下三個(gè)方面:周邊引腳的焊盤設(shè)計(jì)、中間熱焊盤及過(guò)孔的設(shè)計(jì)和對(duì)PCB阻焊層結(jié)構(gòu)的考慮。
1、周邊引腳的焊盤設(shè)計(jì)
對(duì)于QFN封裝,PCB的焊盤可采用與全引腳封裝一樣的設(shè)計(jì),周邊引腳的焊盤設(shè)計(jì)尺寸如圖2所示。在圖中,尺寸Zmax為焊盤引腳外側(cè)最大尺寸,Gmin是焊盤引腳內(nèi)側(cè)最小尺寸,D2t為散熱焊盤尺寸,X、Y是焊盤的寬度和長(zhǎng)度。
圖2:PCB焊盤的設(shè)計(jì)尺寸
MLF封裝的焊盤的公差分析包括元件公差、印制板制造公差和貼裝設(shè)備的精度。這類問題的分析IPC已建立了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)程序,根據(jù)這個(gè)程序可計(jì)算得出各種MLF元件推薦的焊盤尺寸,表1列出了一些常見的引腳間距為0.5mm的QFN封裝的PCB焊盤設(shè)計(jì)尺寸。
2、 散熱焊盤和散熱過(guò)孔設(shè)計(jì)
QFN封裝具有優(yōu)異的熱性能,主要是因?yàn)榉庋b底部有大面積散熱焊盤,為了能有效地將熱量從芯片傳導(dǎo)到PCB上,PCB底部必須設(shè)計(jì)與之相對(duì)應(yīng)的散熱焊盤和散熱過(guò)孔。散熱焊盤提供了可靠的焊接面積,過(guò)孔提供了散熱途徑。
通常散熱焊盤的尺寸至少和元件暴露焊盤相匹配,然而還需考慮各種其他因素,如避免和周邊焊盤的橋接等,所以熱焊盤尺寸需要修訂,具體尺寸如表1所示。
表1:PCB焊盤設(shè)計(jì)尺寸(單位:mm)
散熱過(guò)孔的數(shù)量及尺寸取決于封裝的應(yīng)用情況、芯片功率大小,以及電性能的要求。建議散熱過(guò)孔的間距在1.0~1.2mm,過(guò)孔尺寸在0.3~0.33mm。散熱過(guò)孔有4種設(shè)計(jì)形式:使用干膜阻焊膜從過(guò)孔頂部或底部阻焊;使用液態(tài)感光(LPI)阻焊膜從底部填充;或者采用“貫通孔”,如圖3所示。上述方法各有利弊:從頂部阻焊對(duì)控制氣孔的產(chǎn)生比較好,但PCB頂面的阻焊層會(huì)阻礙焊膏印刷;底邊的阻焊和底部填充由于氣體的外逸會(huì)產(chǎn)生大的氣孔,覆蓋2個(gè)熱過(guò)孔,對(duì)熱性能方面有不利的影響;貫通孔允許焊料流進(jìn)過(guò)孔,減小了氣孔的尺寸,但元件底部焊盤上的焊料會(huì)減少。散熱過(guò)孔設(shè)計(jì)要根據(jù)具體情況而定,建議使用頂部或底部阻焊。
圖3:散熱過(guò)孔的4種設(shè)計(jì)形式
回流焊曲線和峰值溫度對(duì)氣孔的形成也有很大的影響,經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在底部填充的熱焊盤區(qū)域,當(dāng)峰值回流溫度從210℃增加到215~220℃時(shí),氣孔減少;對(duì)于貫通孔,PCB底部的焊料流出隨回流溫度的降低而減少。
3、阻焊層的結(jié)構(gòu)
建議使用NSMD阻焊層,阻焊層開口應(yīng)比焊盤開口大120~150μm,即焊盤銅箔到阻焊層的間隙有60~75μm,這樣允許阻焊層有一個(gè)制造公差,通常這個(gè)公差在50~65μm之間。當(dāng)引腳間距小于0.5mm時(shí),引腳之間的阻焊可以省略。