إجابة مباشرة: إن أضمن أسلوب لخفض نسبة الفراغات في لحام حزم QFN إلى أقل من حد 25 بالمئة وفق معيار IPC-7093 هو استخدام استنسل مقسم كشبكة نوافذ بتغطية تتراوح بين 50 و 75 بالمئة، مقترناً بمنحنى إعادة صهر ذي مرحلة استقرار حراري Ramp-Soak-Spike ومعجون لحام من النوع 4.
في حزم Quad Flat No-lead، تمثل الوسادة الحرارية المركزية المكشوفة المسار الرئيسي لتبديد الحرارة نحو لوحة الدوائر المطبوعة. وتعمل الفراغات المفرطة — وهي فقاعات هواء وغازات مساعد الصهر المحتبسة داخل مفصل اللحام — كعازل حراري يرفع درجة حرارة نقطة الاتصال في رقاقات القدرة ومضخمات التردد اللاسلكي بشكل حرج. وعلاوة على الفشل الحراري، فإن الفراغات الكبيرة تخل بتوازن التوتر السطحي أثناء اللحام، مما يؤدي لطوفان المكون أو ميله وانفصال المسامير الطرفية.
تشترك نافذة معالجة لحام QFN في معظم محدداتها مع حزم BGA؛ ولمزيد من التفاصيل حول التعامل مع هذه الحزم، راجع دليل تجميع BGA و QFN.
لا يمكن للمصممين الاعتماد فقط على مصنع التجميع لحل أزمة الفراغات بعد اكتمال المخطط. إن الوصول لمفاصل لحام خالية من العيوب يقتضي ضبط أبعاد فتحات الاستنسل واختيار نوع المعجون وبرمجة الفرن ومعالجة الثقوب الحرارية منذ البداية.
ما هو معيار IPC للحدود المسموح بها للفراغات في QFN؟
تخضع معايير قبول المكونات ذات النهايات السفلية BTC لمعياري IPC-A-610 و IPC-7093.
يسمح معيار IPC-A-610 الفئة 2 بنسبة فراغات تصل إلى 50 بالمئة من مساحة الوسادة الحرارية. غير أنه بالنسبة لدوائر إدارة الطاقة PMIC وترانزستورات GaN وتطبيقات الفئة 3 ذات الموثوقية العالية، يجب فرض اشتراطات أكثر صرامة:
- الحد الأقصى لإجمالي مساحة الفراغات: اشتراط أقل من 25 بالمئة، وأقل من 10 بالمئة لمكونات التردد اللاسلكي عالية القدرة.
- أقصى مساحة للفراغ الفردي: يجب ألا يتجاوز أي فراغ متصل 10 بالمئة من مساحة الوسادة. فالفراغ المركزي الكبير يخلق بؤرة ساخنة موضعية أشد خطورة بمراحل من فراغات دقيقة متفرقة تعادل النسبة ذاتها.
- الفراغات على المسامير الطرفية: يجب ألا تتجاوز الفراغات على وسادات الإشارات الطرفية 25 بالمئة من مساحة الوسادة المنفردة.
كيف يتم تصميم فتحات شابلونة الاستنسل لتصريف الغازات؟
ينشأ السبب الرئيسي للفراغات الكبيرة عن احتباس الغازات المتطايرة من مساعد الصهر أسفل جسم المكون لحظة انصهار سبيكة اللحام. فإذا غطى المعجون كامل الوسادة بنسبة 100 بالمئة، لن تجد هذه الغازات أي منفذ للخروج.
استراتيجية الاستنسل المقسم كشبكة نوافذ
لتصريف الأبخرة، يتم تقسيم فتحة الاستنسل فوق الوسادة الحرارية إلى شبكة من النوافذ 2x2 أو 3x3 أو 4x4:
- نسبة التغطية: استهداف ترسيب معجون يغطي بين 50 و 80 بالمئة من مساحة الوسادة النحاسية.
- عرض القواطع الفاصلة: يجب أن يتراوح عرض الممرات غير المطبوعة بين 0.20 مم و 0.30 مم. وتعمل هذه القنوات كمنافذ عادم لتصريف الأبخرة أثناء مرحلة التسخين المسبق.
- تقليص الفتحات على المسامير الطرفية: في حزم QFN ذات المسافات الدقيقة الأقل من 0.5 مم، يتم تقليص فتحات مسامير الإشارات بنسبة 10 بالمئة مقارنة بالنحاس لتفادي الجسور اللحامية.
يتم اعتماد هذا المخطط على الاستنسل، لذا يجب تدوين ذلك ضمن مواصفات استنسل لوحات PCB.
سمك الاستنسل
بالنسبة لأغلب اللوحات الإلكترونية، يوفر استنسل الفولاذ المقاوم للصدأ المصقول كهربائياً بسمك 0.10 مم أو 0.127 مم التوازن الأمثل. إذ يؤدي استخدام سمك 0.15 مم إلى ترسيب كميات مفرطة من المعجون، مما يرفع احتمالات طوفان المكون وميله وقطع المسارات الخارجية.
ما هي أفضل معاجين اللحام منخفضة الفراغات لحزم BGA و QFN؟
لا يوجد معجون مثالي لكافة خطوط الإنتاج دون استثناء. فالمعجون منخفض الفراغات هو الذي يطلق مساعد الصهر فيه الغازات المتطايرة قبل انصهار المعدن:
| معيار الاختيار | ما يجب البحث عنه | الأهمية في تقليل فراغات QFN و BGA |
|---|---|---|
| كيمياء مساعد الصهر وتصريف الغاز | تركيبات مخصصة ومختبرة للمكونات السفلية BTC | احتباس غازي أقل تحت الوسادة الحرارية |
| بيانات الاختبارات المعتمدة | نسب الفراغات المقاسة على لوحات فحص قياسية | إتاحة المقارنة الموضوعية بين المعاجين |
| حجم حبيبات مسحوق اللحام | النوع 4 للمسافات الدقيقة والنوع 5 للفتحات متناهية الصغر | انسياب منتظم عبر الفتحات الضيقة للاستنسل |
| سبيكة اللحام | مطابقة لبقية اللوحة مثل SAC305 | ضمان استقرار الملف الحراري والموثوقية |
| نافذة درجات الحرارة | فترات استقرار ودرجات TAL تلائم سعة الفرن واللوحة | المعجون يعمل بكفاءة فقط ضمن نافذته المصممة |
| نوع البقايا | خالية من الغسيل no-clean أو قابلة للغسل بالماء | يصعب تنظيف البقايا وفحصها تحت الحزم المسطحة |
قم باعتماد المعاجين المؤهلة عبر الفحص بالأشعة السينية على لوحاتك الفعلية وثبت نوع المعجون في تعليمات التشغيل.
كيف يؤثر ملف إعادة الصهر الحراري على تكوّن الفراغات في QFN؟
يجب ضبط المنحنى الحراري ليتوافق مع تركيبة المعجون والسعة الحرارية للوحة:
- منحنى الاستقرار Ramp-Soak-Spike مقابل المنحنى الخطي: يوصى بمنحنى يتضمن فترة استقرار حراري مخصصة لحزم QFN.
- مدة مرحلة الاستقرار Soak: يجب أن تستقر اللوحة بين 150 و 200 درجة مئوية لمدة 60 إلى 90 ثانية. فالاستقرار القصير يؤدي لغليان عنيف لمساعد الصهر لحظة الانصهار، حابساً فقاعات ضخمة.
- زمن البقاء فوق نقطة السيولة TAL: حافظ على بقاء الزمن بين 45 و 75 ثانية. فالزيادة عن 75 ثانية تؤدي لتلف مساعد الصهر ونمو المركبات بين المعدنية IMC بصورة مفرطة.
هل ينبغي استخدام تقنية Via-in-Pad في الوسائد الحرارية لـ QFN؟
تعد الثقوب الحرارية ضرورية لنقل الحرارة إلى طبقات الأرضي الداخلية، إلا أنها تشكل خطراً بالغاً إذا تركت مفتوحة:
مخاطر الثقوب المفتوحة
إذا وضعت ثقوب مفتوحة داخل الوسادة الحرارية، فإن الخاصية الشعرية تسحب اللحام المنصهر إلى داخل الثقب أثناء إعادة الصهر. وهذا يفرغ الوسادة من اللحام، ويقلل ارتفاع المكون، ويخلق فراغات هائلة.
تقنية VIPPO
في التصميمات عالية الموثوقية، يجب ملء الثقوب الحرارية براتنج الإيبوكسي وتغطيتها بالنحاس المستوي VIPPO أو POFV. يوفر هذا سطحاً نحاسياً مستوياً يمنع تسرب اللحام ويحافظ على التوصيل الحراري.
إذا تعذر تطبيق VIPPO لارتفاع الكلفة، فيجب تعديل الاستنسل لتفادي طباعة المعجون فوق الثقوب مباشرة، رغم أن ذلك يحد من قنوات تصريف الغازات.
كيف يتم تشخيص فراغات لحام QFN عبر الفحص بالأشعة السينية؟
لا يستطيع الفحص البصري الآلي AOI رؤية مفاصل اللحام المخفية تحت جسم الحزمة. لذا يعد الفحص الآلي ثلاثي الأبعاد بالأشعة السينية 3D AXI إلزامياً في مراجعات العينات الأولى FAI.
جدول تشخيص العيوب بالاعتماد على فحص لوحات الدوائر المطبوعة بالأشعة السينية:
| مظهر العيب في الأشعة السينية | السبب الصناعي المحتمل | الإجراء التصحيحي الموصى به |
|---|---|---|
| فراغ مركزي هائل يتجاوز 30 بالمئة | انسداد قنوات الغاز بسبب تغطية المعجون بنسبة 100 بالمئة | اعتماد استنسل شبكي بتغطية 60 بالمئة، زيادة وقت الاستقرار |
| تجمع كبير لفقاعات دقيقة متناثرة | أكسدة سطح اللوحة، عدم توافق مساعد الصهر، فوسفور زائد في ENIG | التحول لمعجون النوع 4، تجفيف الألواح، تدقيق أحواض ENIG |
| نقص حاد في اللحام حول الثقوب | تسرب اللحام داخل الثقوب الحرارية المفتوحة | تعديل مواصفات اللوحة لاشتراط ثقوب مغلقة ومغطاة VIPPO |
| تجمع غير متماثل للفراغات في جهة واحدة | ميلان المكون بسبب عدم انتظام كمية المعجون أو ضغط التركيب | خفض كمية المعجون في المركز لـ 50 بالمئة، فحص رأس التثبيت |
كيف تضمن APTPCB جودة لحام QFN: قائمة التحقق لطلب عرض السعر RFQ
أدرج هذه الاشتراطات في طلب عرض السعر لـ خدمات تجميع اللوحات الإلكترونية المتكاملة:
- حدود الفراغات المقبولة: تحديد أقل من 25 بالمئة للمساحة الكلية وأقل من 10 بالمئة للفراغ الواحد وفق IPC-A-610 الفئة 3. تحقق APTPCB عادة أقل من 15 بالمئة وتوفر إعادة الصهر في بيئة مفرغة من الهواء لنسب تقل عن 5 بالمئة.
- بروتوكول الأشعة السينية: إلزام فحص 100 بالمئة بالأشعة السينية لحزم QFN و BGA في تقرير العينة الأولى FAI. تطبق APTPCB أنظمة 3D AXI آلياً.
- تعديل الاستنسل: تفويض مهندسي CAM لتحويل وسادات QFN الحرارية إلى شبكة نوافذ بتغطية 60 بالمئة.
- سد الثقوب الحرارية: اشتراط تصنيع الثقوب بتقنية VIPPO أسفل حزم QFN لمنع تسرب اللحام.
- مواصفات المعجون: إلزام استخدام معجون no-clean من النوع 4 للحزم ذات المسافات الأقل من 0.5 مم.
الأسئلة الشائعة حول فراغات اللحام في حزم QFN
هل يزيل اللحام في بيئة مفرغة من الهواء فراغات QFN نهائياً؟ نعم، يعد اللحام بالتفريغ الهوائي الحل الأكثر فاعلية. فعند تطبيق ضغط منخفض يصل لنحو 50 ملي بار أثناء سيولة اللحام، تُطرد كافة الفقاعات الغازية بفاعلية، لتنخفض الفراغات إلى أقل من 5 بالمئة.
ما هو معجون اللحام الأفضل لتقليل الفراغات تحت QFN؟ اختر معجوناً معتمداً لمكونات BTC بمسحوق من النوع 4، وتأكد من النتائج عبر الفحص بالأشعة السينية على لوحتك الفعلية.
لماذا يعتبر معجون النوع 4 أفضل من النوع 3 في المسافات الدقيقة؟ يمتلك النوع 4 جزيئات أصغر تتراوح بين 20 و 38 ميكرومتر مقارنة بـ 25 إلى 45 ميكرومتر للنوع 3. وتنساب هذه الحبيبات بسلاسة عبر قواطع الاستنسل الضيقة.
كيف أتجنب مخاطر تعارض قائمة المواد في حزم QFN؟ غالباً ما تمتلك حزم QFN من شركات مختلفة مساحات متباينة للغاية للوسادة الحرارية رغم تطابق عدد المسامير. واستبدال القطعة دون تعديل الرسم الهندسي والاستنسل يؤدي إلى فراغات كارثية أو دوائر قصر. التزم دائماً بقائمة الموردين المعتمدين AVL.
إن تطبيق هذه الضوابط أثناء التصميم والتعاقد يضمن احتواء الفراغات ضمن النطاقات الآمنة ويحمي الأجهزة من الإجهادات الحرارية في بيئات التشغيل الحقيقية.