技术论文

QFNS的设计和工艺指南:可制造性和兼容性

作者:Joelle Arnold, Craig Hillman博士，Nathan Blattau博士和Jim McLeish

当今电子行业中增长最快的封装类型之一是四平面无引线封装(QFN)。该封装也被称为四平面无铅封装(QFN)、引脚框架芯片级封装(LFCSP)、MicroLeadFrame (MLF)、MLP、LPCC、QLP和HVQFN。它包括一个覆模引线框架与键垫暴露在底部，并沿包装的外围安排。

QFN的基本概念是在20世纪90年代早期到90年代中期由许多公司开发的，包括摩托罗拉、东芝、Amkor和其他公司。1999年中期，日本电子工业协会(EIAJ)的标准化促进了QFN在电子领域的出现。随后JEDEC固态技术协会进行了标准化，发布了两个大纲版本:MO220用于四边(最常见)和MO229用于双面。

从那时起，QFN已经超越了组件行业，因为它能够以非常低的成本将圆周引线器件转换为阵列引线器件。它的绰号是“穷人的球栅阵列”，这并非巧合，因为预计它将在8到68之间占据领先地位。有人会说“海鸥式的过时”吗?

qfn目前可从小到1x2 mm(3引线)到14x14 mm(120引线)。所有这些包目前都是围绕外围的单行。双行可以将输入/输出(I/O)计数增加到150以上。其他可用的变化包括单一与锯切和带或不带热沉。

QFN驱动程序

QFN的引入满足了限制低I/O设备占用空间的需求，这一需求因成本原因而受到阻碍。首先，标准球栅阵列(BGA)材料和工艺过于昂贵。QFN的整体设计降低了供应链上下的成本，因为组件制造商能够每帧封装更多的集成电路(ic)，原始设备制造商(oem)能够减小整体电路板尺寸。

改进的热学和电学性能是qfn广泛采用的其他驱动因素。如右图所示，标准的QFN在封装下有一个大的散热器。这种从芯片到散热器到板的热路径比大多数其他封装类型更短，更直接，更大。

由此产生的优越性能可以在下一页的表格中看到，QFN的θJa通常是领先对应物的一半左右(根据jed -51)。这可以允许在不增加结温的情况下增加高达2倍的功耗。

选择qfn也是因为它们的阻抗较低。在较高的工作速度下，引线元件中的金线和长引线框架走线的电感会开始影响信号的完整性和性能。QFN的电感通常是引线电感的一半，因为它消除了鸥形引线并缩短了导线长度。

QFN的问题

虽然QFN的优势已被明确定义，但Ansys认为QFN是面向非消费电子oem的“下一代”技术，原因是:万博

• 可制造性
• 与其他OEM流程的兼容性
• 可靠性

因此，这种封装的接受度，特别是在长寿命、恶劣环境、高可靠性应用中，目前受到限制。接下来的几节旨在审查合同制造商和oem在设计和流程设计方面的具体关注点，并提供可能的缓解措施或解决方案，以便可靠地引入QFN封装组件。

问题:可制造性

主要关注的问题之一是能够以最小的缺陷率重复放置和回流qfn的能力。虽然qfn已被引入到低混合、大批量的产品中，并取得了一定程度的成功，但高混合、小批量的操作可能会遇到潜在的问题。万博网可制造性问题可分为模板设计和板设计。

在模具设计中，模具的厚度和孔径设计对可制造性至关重要。过多的浆糊会引起浮子，使QFN脱离板。过度的空隙也可以通过不适当的模板设计引起。适当的方法是尽可能遵循制造商的指导方针，目标是大约2-3毫米的焊料厚度。

热垫的模具设计对于避免上述问题尤为关键。一般来说，孔径垫的比例应该在0.8:1左右，有多个较小的孔径。

电路板设计在制造方面也起着重要的作用。为了帮助提高焊点的可见性，并增加通过目视检查发现缺陷的可能性，电路板设计人员应考虑将键合垫延伸到封装面积以外约0.2至0.3mm。值得注意的是，焊料可能并不总是粘附在QFN引线框架的切割边缘上，这种行为不一定被认为是缺陷。

问题:兼容性

当暴露在一些标称CM和OEM实践的扩展范围中时，qfn也可能比其他组件更弱。特别值得关注的是，缺乏引线使得QFN焊点更容易受到尺寸变化的影响，无论是在零件还是在板上

在一个案例研究中，一家军事供应商在qfn下经历了焊料分离。经过广泛的故障分析和调查，QFN供应商承认包装比最初预期的更容易吸湿。这导致回流焊接过程中的瞬间膨胀，导致垂直提升，导致垂直提升并导致焊料分离(见下文)。

这个案例研究中最有趣的是组件没有经历popcorning。部件的声学显微镜没有发现任何开裂或分层，但由于吸湿引起的尺寸变化的程度足以引起焊点缺陷。

另一个值得关注的尺寸变化是板的挠度。不幸的是，大多数CMs和oem都没有意识到他们的电路卡在回流后有多大的灵活性。诸如电路测试(ICT)、功能测试、子卡插入、电路板连接和机架插入等活动可以对附着在印刷电路板(PCB)上的组件施加极高的应力。区域阵列器件由于缺乏长而灵活的铜引线，其合规性有限，因此尤其已知具有电路板弯曲限制。向无铅的过渡使得这一弱点变得如此固有，以至于许多CMs和oem现在在组装过程中设置了最大微应变限制。对于某些bga，这个最大值可以低至500 μe。

QFN的合规水平可能比bga还要低。然而，考虑到这种风险，令人惊讶的是，缺乏关于qfn在过度屈曲时行为的研究和可量化信息。虽然目前的qfn相对较小(最大的是14x14毫米，而bga很容易达到25x25毫米甚至更大)，但除非CMs和oem采取保守的设计方法和回流后工艺步骤，否则这种风险很可能会出现。

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