پاسخ مستقیم: مطمئن‌ترین روش برای کاهش حفره‌های لحیم زیر بسته‌های QFN به زیر سقف 25 درصد طبق استاندارد IPC-7093، استفاده از طرح شابلون پنجره‌ای با پوشش 50 تا 75 درصد سطح پد، همراه با پروفایل بازپخت دارای فاز تثبیت حرارتی و خمیر قلع نوع 4 است.
در بسته‌های Quad Flat No-lead، پد حرارتی بزرگ مرکزی به عنوان مسیر اصلی دفع حرارت به برد مدار چاپی عمل می‌کند. تشکیل بیش از حد حفره‌ها یا گازهای محبوس شده در اتصال لحیم، نقش عایق حرارتی را ایفا کرده و دمای پیوند تراشه‌های تغذیه و تقویت‌کننده‌ها را به شدت افزایش می‌دهد. علاوه بر خرابی حرارتی، حفره‌های بزرگ تعادل کشش سطحی را در حین بازپخت برهم زده و سبب شناور شدن، کج‌شدگی قطعه و قطع اتصال پایه‌های پیرامونی می‌شوند.
پنجره فرایند لحیم‌کاری QFN اشتراکات فراوانی با بسته‌های BGA دارد؛ برای جزئیات خط مونتاژ، به بخش مونتاژ BGA و QFN مراجعه کنید.
مهندسان طراح نباید حل مشکل حفره‌ها را صرفاً به کارخانه مونتاژ واگذار کنند. ایجاد اتصالات لحیم باکیفیت نیازمند مدیریت هندسه روزنه‌های استنسیل، انتخاب خمیر قلع، کالیبراسیون کوره و راهکار ویای حرارتی از مرحله طراحی است.
استاندارد IPC برای حدود مجاز حفره‌های خالی در QFN چیست؟
معیارهای پذیرش قطعات دارای اتصال در زیر بدنه BTC توسط استانداردهای IPC-A-610 و استاندارد طراحی IPC-7093 تعیین می‌شود.
استاندارد IPC-A-610 کلاس 2 تا سقف 50 درصد مساحت کل پد حرارتی را برای حفره‌ها مجاز می‌داند. اما برای آی‌سی‌های مدیریت توان PMIC، ترانزیستورهای GaN یا بردهای کلاس 3 با قابلیت اطمینان بالا، باید حدود سخت‌گیرانه‌تری تعیین شود:
- مجموع مساحت مجاز حفره‌ها: الزام به کمتر از 25 درصد و برای قطعات پرتوان فرکانس رادیویی اکیداً کمتر از 10 درصد.
- بزرگ‌ترین اندازه یک حفره منفرد: هیچ حفره پیوسته‌ای نباید بیش از 10 درصد مساحت کل پد را اشغال کند. یک حفره بزرگ در مرکز تراشه، نقطه داغ موضعی ایجاد می‌کند که بسیار مخرب‌تر از حفره‌های ریز پراکنده با همان درصد است.
- حفره در پایه‌های پیرامونی: میزان حفره‌ها روی پدهای سیگنال پیرامونی نباید از 25 درصد مساحت هر پد فراتر رود.
چگونه روزنه‌های شابلون استنسیل را برای خروج گازها طراحی کنیم؟
دلیل اصلی تشکیل حفره‌های بزرگ، محبوس شدن گازهای فرار فلاکس در زیر قطعه هنگام ذوب شدن قلع است. اگر خمیر قلع 100 درصد پد حرارتی را بپوشاند، این گازها هیچ راهی برای فرار نخواهند داشت.
راهکار شابلون پنجره‌ای یا شبکه‌ای
برای ایجاد مسیرهای خروج گاز، روزنه شابلون روی پد حرارتی به یک شبکه 2x2، 3x3 یا 4x4 از پنجره‌های مجزا تقسیم می‌شود:
- درصد پوشش سطح: اعمال خمیر قلع برای پوشش 50 تا 80 درصد از مساحت پد مسی هدف‌گذاری می‌شود.
- عرض فاصله‌ها: خطوط بدون خمیر بین پنجره‌ها باید بین 0.20 تا 0.30 میلی‌متر پهنا داشته باشند. این مسیرها در فاز تثبیت حرارتی به عنوان کانال تخلیه بخارات فلاکس عمل می‌کنند.
- کاهش ابعاد در پایه‌های پیرامونی: در قطعات QFN با گام ظریف کمتر از 0.5 میلی‌متر، روزنه پایه‌های سیگنال را 10 درصد نسبت به پد مس کاهش دهید تا از ایجاد پل لحیم جلوگیری شود.
این الگو روی استنسیل تعریف می‌شود، بنابراین آن را در مستندات استنسیل PCB قید نمایید.
ضخامت استنسیل
برای اکثر بردهای مدار چاپی، استنسیل فولاد ضدزنگ الکتروپولیش‌شده با ضخامت 0.10 میلی‌متر یا 0.127 میلی‌متر تعادل بهینه‌ای ایجاد می‌کند. ضخامت 0.15 میلی‌متر حجم خمیر بسیار زیادی ایجاد کرده و خطر شناور شدن قطعه و قطعی در پایه‌های جانبی را افزایش می‌دهد.
بهترین خمیرهای قلع با تشکیل کمترین حفره برای BGA و QFN کدامند؟
یک خمیر قلع معین برای تمام خطوط مونتاژ وجود ندارد. خمیر قلع با ویژگی تشکیل حفره اندک خمیری است که فلاکس آن مواد فرار را پیش از ذوب آلیاژ خارج کند:
| معیار انتخاب | ویژگی مورد بررسی | اهمیت در حفره‌های QFN و BGA |
|---|---|---|
| فرمولاسیون فلاکس و خروج گاز | ترکیبات ویژه و آزموده شده برای قطعات BTC | حبس گاز کمتر در زیر پد حرارتی |
| داده‌های آماری مستند | درصد حفره اندازه‌گیری شده در بردهای آزمون استاندارد | امکان مقایسه دقیق و عادلانه خمیرهای مختلف |
| اندازه ذرات پودر قلع | نوع 4 برای گام‌های ظریف، نوع 5 برای روزنه‌های فوق‌العاده باریک | آزادسازی تمیز خمیر از شبکه‌های باریک استنسیل |
| آلیاژ لحیم | هم‌خانواده با سایر قطعات برد مانند SAC305 | حفظ یکپارچگی پروفایل حرارتی و قابلیت اطمینان |
| بازه دمایی پروفایل | بازه پیش‌گرمایش منطبق با توان کوره و جرم برد | دستیابی به حداکثر کارایی در محدوده اسمی خمیر |
| نوع پسماند فلاکس | بدون شستشو یا پایه آبی منطبق بر فرایند تمیزکاری | پسماند زیر قطعات خوابیده به سختی تمیز و بازرسی می‌شود |
خمیرهای منتخب را با اشعه ایکس روی برد خود ارزیابی کرده و مشخصات خمیر تأییدشده را در مدارک تولید قفل نمایید.
پروفایل حرارتی بازپخت چگونه بر تشکیل حفره‌های QFN اثر می‌گذارد؟
پروفایل حرارتی باید بر اساس نوع خمیر قلع و جرم حرارتی برد تنظیم گردد:
- پروفایل دارای فاز تثبیت در برابر شیب یکنواخت: پروفایل Ramp-Soak-Spike برای بسته‌های QFN اکیداً توصیه می‌شود.
- مدت زمان فاز تثبیت حرارتی: برد باید بین دمای 150 تا 200 درجه به مدت 60 تا 90 ثانیه باقی بماند. زمان تثبیت بسیار کوتاه باعث تبخیر ناگهانی فلاکس در نقطه ذوب و محبوس شدن حباب‌های بزرگ می‌شود.
- زمان بالای دمای مایع TAL: این زمان را بین 45 تا 75 ثانیه نگه دارید. زمان بیشتر از 75 ثانیه به اکسید شدن فلاکس و رشد لایه‌های بین‌فلزی IMC می‌انجامد.
آیا باید از ویا در پد حرارتی QFN استفاده کرد؟
ویاهای حرارتی برای انتقال حرارت به لایه‌های زمین داخلی ضروری هستند، اما اگر باز بمانند خطرات جدی تولیدی به همراه دارند:
خطر ویاهای باز
اگر سوراخ‌های باز داخل پد حرارتی بدون پر شدن باقی بمانند، خاصیت مویینگی قلع مذاب را به درون سوراخ می‌کشد. این پدیده پد حرارتی را خالی کرده، ارتفاع قطعه را کاهش داده و حفره‌های بسیار بزرگی ایجاد می‌کند.
فرایند VIPPO
برای بردهای با قابلیت اطمینان بالا، ویاهای حرارتی باید با رزین اپوکسی پر شده و سطح آن با مس پوشانده و مسطح شود. فرایند VIPPO سطحی صاف ایجاد می‌کند که مانع مکش قلع مذاب شده و دفع حرارت را تضمین می‌نماید.
در صورت محدودیت هزینه، شابلون باید طوری طراحی شود که خمیر مستقیماً روی سوراخ‌ها چاپ نشود، هرچند این کار مجاری فرار گاز را محدودتر می‌کند.
چگونه حفره‌های QFN را در بازرسی اشعه ایکس عیب‌یابی کنیم؟
بازرسی چشمی خودکار AOI قادر به بررسی اتصالات مخفی زیر قطعه نیست. بازرسی خودکار سه بعدی با اشعه ایکس AXI برای تولید اولیه و نمونه اول FAI الزامی است.
جدول عیب‌یابی با استفاده از بازرسی اشعه ایکس PCB:
| تصویر حفره در اشعه ایکس | علت محتمل در فرایند تولید | اقدام اصلاحی پیشنهادی |
|---|---|---|
| یک حفره بزرگ مرکزی بالای 30 درصد | انسداد خروج گازها به علت پوشش 100 درصدی خمیر | به‌کارگیری استنسیل پنجره‌ای با پوشش 60 درصد، افزایش زمان تثبیت |
| تعداد زیاد حفره‌های ریز پراکنده | اکسیداسیون پوشش برد، فلاکس ناسازگار، فسفر در ENIG | استفاده از خمیر نوع 4، خشک کردن بردها طبق MSL، ممیزی وان ENIG |
| کمبود قلع در اطراف ویاها | مکش قلع به درون ویاهای حرارتی باز | اصلاح مستندات ساخت و الزام به پر کردن و آبکاری ویاها VIPPO |
| تجمع نامتقارن حفره‌ها در یک سمت | تراز نبودن قطعه به علت حجم نابرابر خمیر یا فشار | کاهش حجم خمیر در مرکز به 50 درصد، تنظیم فشار جای‌گذاری |
چگونه کیفیت QFN را در APTPCB تضمین می‌کنیم (چک‌لیست استعلام RFQ)
برای اطمینان از اعمال بالاترین استانداردها، این بندها را در استعلام مونتاژ کامل بردهای الکترونیکی لحاظ کنید:
- حدود پذیرش حفره‌ها: تعیین سقف کمتر از 25 درصد مساحت کل و کمتر از 10 درصد برای حفره منفرد طبق IPC-A-610 کلاس 3. APTPCB به طور استاندارد به زیر 15 درصد دست می‌یابد و فرایند بازپخت خلأ را برای زیر 5 درصد ارائه می‌دهد.
- دستورالعمل آزمون اشعه ایکس: الزام به بازرسی 100 درصدی اشعه ایکس برای تمام قطعات QFN و BGA در گزارش نمونه اول FAI. APTPCB از سامانه‌های 3D AXI استفاده می‌کند.
- بهینه‌سازی استنسیل: مجوز دادن به مهندسان CAM برای طراحی روزنه‌های شبکه‌ای پد حرارتی با پوشش 60 درصد.
- بستن ویاها: الزام به اجرای فرایند VIPPO برای تمام سوراخ‌های زیر قطعات QFN جهت جلوگیری از نشت قلع.
- مشخصات خمیر قلع: تصریح استفاده از خمیر قلع no-clean نوع 4 برای قطعات با گام کمتر از 0.5 میلی‌متر.
پرسش‌های متداول درباره حفره‌های لحیم در قطعات QFN
آیا بازپخت در کوره خلأ حفره‌های QFN را از بین می‌برد؟ بله، بازپخت در محیط خلأ کارآمدترین روش است. با ایجاد خلأ در حدود 50 میلی‌بار هنگامی که قلع مذاب است، حباب‌های گاز به بیرون رانده شده و درصد حفره‌ها به کمتر از 5 درصد کاهش می‌یابد.
کدام خمیر قلع در کاهش حفره‌های زیر QFN موفق‌تر است؟ خمیر نوع 4 ارزیابی‌شده برای قطعات BTC را انتخاب نموده و نتایج آن را با تصویربرداری اشعه ایکس روی برد خود اعتبارسنجی کنید.
چرا خمیر قلع نوع 4 از نوع 3 در پایه‌های ظریف بهتر است؟ نوع 4 دارای ذرات ریزتر 20 تا 38 میکرومتر در مقایسه با 25 تا 45 میکرومتر در نوع 3 است. این ذرات از شبکه‌های باریک استنسیل تمیزتر جدا می‌شوند.
چگونه از خطرات عدم تطابق قطعات QFN در لیست قطعات جلوگیری کنیم؟ قطعات QFN سازندگان مختلف با وجود پایه‌های یکسان، ابعاد پد حرارتی بسیار متفاوتی دارند. جایگزینی قطعه بدون تغییر فوت‌پرینت سبب اتصال کوتاه یا حفره‌های شدید می‌شود. همیشه فهرست سازندگان مجاز AVL را رعایت کنید.
رعایت دقیق این اصول در طراحی و سفارش مونتاژ تضمین می‌کند که حفره‌های لحیم در حداقل ممکن باقی مانده و کارکرد حرارتی برد در شرایط واقعی پایدار بماند.