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

当今电子工业中增长最快的封装类型之一是四平面无铅封装(QFN)。该封装也被称为四平面无铅(QFN)、引线框架芯片规模封装(LFCSP)、MicroLeadFrame (MLF)、MLP、LPCC、QLP和HVQFN。它由一个模压引线框架与粘结垫暴露在底部和安排沿包装的外围。

QFN的基本概念是在20世纪90年代中期由一些公司提出的，包括摩托罗拉、东芝、安可和其他公司。QFN在电子领域的出现得益于1999年中期日本电子工业协会(EIAJ)的标准化。随后，JEDEC固态技术协会(JEDEC Solid State Technology Association)进行了标准化，发布了两个概要版本:用于四面的MO220(最常见)和用于双面的MO229。

从那时起，QFN已经超过了组件行业，因为它能够以非常低的成本将周长引线器件改为阵列引线器件。它的绰号是“穷人的球格阵列”，这并非巧合，因为预计它将主导8到68之间的领先优势。有人能说“鸥翼过时”吗?

qfn目前可提供小至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片或锯片，有或没有热下沉。

QFN的驱动因素

QFN的引入利用了限制较低I/O设备占用空间的需求，这一需求由于成本原因而受到阻碍。首先，标准球栅阵列(BGA)材料和工艺太昂贵了。QFN的整体设计降低了供应链上的成本，因为组件制造商能够在每个框架中封装更多的集成电路(ic)，原始设备制造商(oem)能够减少整体板尺寸。

热性能和电性能的提高是qfn广泛采用的另一个驱动因素。如右图所示，一个标准的QFN在封装下面有一个大的散热器。从模具到散热器到板的热路径比大多数其他封装类型要短得多，更直接，也大得多。

由此产生的优越性能可以在下一页的表格中看到，QFN的θJa通常约为含铅对应物的一半(根据JESD-51)。这可以在不增加结温的情况下，增加高达2倍的功耗。

QFNs也因其阻抗较低而被选择。在较高的工作速度下，在含铅组件中发现的金线电感和长引线框痕迹会开始影响信号的完整性和性能。QFN的电感通常是其引线对应物的一半，因为它消除了鸥翼引线并缩短了导线长度。

QFN的问题

虽然QFN的优势是明确定义的，但Ansys认为QFN是针对非消费类电子原始设备制造商的“下一代”技术万博，原因在于:

• 可制造性
• 与其他OEM工艺的兼容性
• 可靠性

因此，目前对该包的接受程度有限，特别是在长寿命、恶劣环境和高可靠性应用中。接下来的几节将回顾合同制造商(CMs)和原始设备制造商(oem)在设计和工艺设计方面的具体问题，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

主要考虑的问题之一是能够以最小的不良率重复放置和回流qfn。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、低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。

在模具设计方面，模具厚度和孔径设计对可制造性至关重要。过量的浆料会引起浮子，使QFN从板上脱落。过多的空隙也可以通过不适当的模具设计引起。适当的方法是尽可能地遵循制造商的指导方针，目标是大约2-3密尔的焊料厚度。

热垫的模板设计对于避免上面列出的问题尤其重要。一般的经验法则是，孔径垫的比例应该约为0.8:1，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视性，并增加通过视觉检查捕获缺陷的可能性，电路板设计人员应考虑将粘合垫延长约0.2至0.3mm，超出封装面积。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，这种行为并不一定被认为是缺陷。

问题:兼容性

当qfn暴露在一些标称CM和OEM实践的扩展范围中时，它的健壮性也可能低于其他组件。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，无论是在零件上还是在板上

在一个案例研究中，一家军事供应商在QFNs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。这导致在回流焊过程中出现短暂的膨胀，从而导致垂直提升，导致垂直提升并导致焊料分离(见下文)。

关于这个案例研究，最有趣的是组件没有经历popcorning。元件的声波显微镜没有发现任何裂纹或分层，但吸湿引起的尺寸变化程度足以引起有缺陷的焊点。

另一个关注的尺寸变化是板弯曲。不幸的是，大多数cm和oem都没有意识到他们的电路板在回流流后有多大的弯曲。诸如在线测试(ICT)、功能测试、子卡插入、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压力。由于缺乏长而灵活的铜引线，区域阵列器件特别具有板柔性限制，因此具有有限的合规性。向无铅过渡使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，该最大值可低至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QFNs在过度弯曲时行为的研究和可量化信息。虽然目前的qfn相对较小(最大为14x14mm，而bga很容易达到25x25mm或更大)，但除非CMs和oem在设计和回流后工艺步骤上采取保守的方法，否则这种风险很可能会开始。

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