Meilleures pratiques de redistribution QFN pour réduire les vides : manuel convivial pour l'acheteur (spécifications, risques, liste de contrôle)

La réalisation de joints de soudure Quad Flat No-Lead (QFN) fiables nécessite un contrôle précis du processus de refusion afin de minimiser les vides, ce qui peut avoir un impact important sur la dissipation thermique et la mise à la terre électrique. En tant qu'acheteur ou responsable de programme, vous devez spécifier des critères d'acceptation clairs et valider que votre partenaire de fabrication utilise des conceptions de pochoirs et des profils de refusion optimisés. Ce guide fournit les spécifications techniques, les stratégies d'atténuation des risques et les protocoles d'inspection nécessaires pour garantir que vos assemblages QFN répondent à des normes de qualité strictes.

Points clés à retenir

Seuils de vide : La norme IPC-A-610 classe 2 autorise jusqu'à 50 % de vide dans les tampons thermiques, mais les applications à haute fiabilité doivent spécifier < 25 % ou même < 10 % pour les circuits intégrés de gestion de l'alimentation critiques.
La conception du pochoir est essentielle : L'utilisation d'une conception d'ouverture en forme de « fenêtre » avec une couverture de 50 % à 80 % empêche le piégeage des gaz volatils, principale cause des grands vides.
Contrôle du profil de refusion : Un profil linéaire de rampe à pointe ou une zone de trempage optimisée (60 à 90 secondes entre 150°C et 200°C) permet aux solvants de dégazer avant que la soudure ne devienne liquide.
Sélection de la pâte à souder : La pâte à souder de type 4 est souvent préférée pour les QFN à pas fin (pas < 0,5 mm) afin d'améliorer le démoulage et de réduire les risques de formation de billes de soudure.
Méthode de validation : Une inspection aux rayons X à 100 % est obligatoire pour vérifier les pourcentages de vides sur le tampon thermique, car l'inspection visuelle ne peut pas voir sous le corps du composant.
Gestion des vias : Les vias thermiques du tampon doivent être bouchés, recouverts ou mis sous tente ; les vias ouverts peuvent évacuer la soudure, entraînant une couverture insuffisante et une augmentation des mictions.
Conseil de validation : Demandez un rapport « Inspection du premier article » (FAI) qui inclut spécifiquement des images radiographiques et des pourcentages de calcul de vides pour tous les composants QFN.

Portée, contexte décisionnel et critères de réussite

La gestion de la qualité des assemblages QFN ne concerne pas seulement la soudure ; il s'agit de gestion thermique et de fiabilité mécanique. Le grand coussin thermique central d'un QFN est conçµ pour transférer la chaleur de la puce au PCB. Des vides excessifs créent des entrefers qui agissent comme des isolants, provoquant potentiellement une surchauffe et une défaillance du composant.

Mesures de réussite mesurables

Pour vous assurer que votre projet répond à vos objectifs de fiabilité, définissez ces mesures dès le début :

Pourcentage de vides du coussin thermique : La surface totale des vides divisée par la surface totale du coussin thermique. Cible < 25 % pour un usage industriel général et < 15 % pour les applications LED ou RF haute puissance.
Le plus grand vide unique : Aucun vide unique ne doit dépasser 10 % de la surface totale du coussin, ni s'étendre sur toute la largeur du coussin, ce qui pourrait perturber complètement le chemin thermique.
Hauteur d'entretoise du joint de soudure : Une hauteur d'entretoise constante (généralement 50 à 75 microns) garantit un soulagement des contraintes pendant le cycle thermique.

Cas limites

Limites de pas : Pour les QFN avec un pas < 0,4 mm, la pâte standard de type 3 peut être insuffisante. Vous devez valider la capacité du fournisseur à manipuler les pâtes de type 4 ou de type 5.
Technologie Via-in-Pad : Si votre conception utilise des vias traversants ouverts dans le tampon thermique sans branchement, attendez-vous à ce que le vide augmente considérablement en raison du drainage de la soudure. Cela nécessite des ajustements de processus spécifiques ou des modifications de la conception des PCB.

Spécifications à définir dès le départ (avant de vous engager)

Laisser entièrement les paramètres du processus au fabricant sous contrat (CM) peut conduire à des résultats incohérents. Définissez ces spécifications dans votre dessin d'assemblage ou votre énoncé des travaux (EDT).

Exigences de conception du pochoir

Le pochoir est la première ligne de défense contre les vides.

Réduction de l'ouverture : N'imprimez pas 100 % de la surface du tampon thermique. Spécifiez une couverture de 50 % à 80 %.
Conception des panneaux de fenêtre : Divisez la grande ouverture du tampon thermique en carrés plus petits (par exemple, 4, 9 ou 16 panneaux) séparés par des largeurs de bande de 0,2 mm à 0,3 mm. Cela permet aux gaz volatils de s'échapper par les canaux pendant la refusion.
Épaisseur : Un pochoir en acier inoxydable électropoli de 4 mil (0,10 mm) ou 5 mil (0,127 mm) est standard.

Paramètres du profil de redistribution

Le profil thermique doit correspondre à la fiche technique de la pâte à souder et à la masse thermique de la carte.

Zone de trempage : 60 à 90 secondes à 150°C–200°C. Cette durée est critique pour l’activation du flux et le dégazage des substances volatiles.
Temps au-dessus du Liquidus (TAL) : 45 à 75 secondes. Des joints trop courts entraînent des joints froids ; une durée trop longue endommage les composants et augmente la croissance intermétallique.
Température maximale : 235°C à 250°C pour les alliages sans plomb SAC305.
Taux de refroidissement : < 4°C/seconde pour éviter les chocs thermiques et les problèmes de structure des grains.

Conception de PCB pour la fabricabilité (DFM)

Définition du tampon : Utilisez des tampons sans masque de soudure (NSMD) pour une meilleure adhérence du cuivre et une meilleure répartition des contraintes, bien que le masque de soudure défini (SMD) puisse parfois aider à contenir la soudure sur le tampon thermique.
Finition de surface : ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) ou OSP (Organic Solderability Preservative) offrent généralement des surfaces plus plates que le HASL, réduisant ainsi les risques de vides.

Tableau des paramètres clés

Paramètre	Gamme de spécifications	Pourquoi c'est important	Méthode de vérification
Couverture de l'ouverture du pochoir	50% – 80%	Empêche l'excès de soudure et permet le dégazage.	Inspection SPI
Largeur Web (volet de la fenêtre)	0,20 mm – 0,30 mm	Crée des canaux pour l'évacuation des gaz.	Contrôle Gerber / Pochoir
Type de pâte à souder	Type 4 (20-38µm)	Meilleur déclenchement pour les pas fins (< 0,5 mm).	Certificats de matériaux
Temps de trempage par refusion	Années 60 – 90	Permet aux substances volatiles du flux de s’évaporer complètement.	Données du profileur
Température de refusion maximale	235°C – 250°C	Assure un mouillage complet sans surchauffe.	Données du profileur
Temps au-dessus de Liquidus	45 ans – 75 ans	Critique pour la formation des joints et le mouillage.	Données du profileur
Limite nulle (Classe 2)	< 50 % Superficie	Base de référence de fiabilité standard.	Inspection aux rayons X
Limite nulle (classe 3)	< 25 % Superficie	Haute fiabilité/base de puissance élevée.	Inspection aux rayons X

Ressources connexes

Pochoir PCB

Risques clés (causes profondes, détection précoce, prévention)

Comprendre le mécanisme de formation des vides permet de mettre en œuvre des mesures préventives ciblées.

1. Piégeage de substances volatiles (dégazage)

Cause fondamentale : Les solvants du flux ne s'évaporent pas avant que la soudure ne fonde, emprisonnant les bulles de gaz à l'intérieur du joint liquide.
Détection précoce : Grands vides sphériques visibles aux rayons X lors de l'exécution du prototype.
Prévention : Optimiser la zone de trempage par refusion. Utilisez un pochoir en forme de « vitre » pour fournir des voies d'évacuation pour le gaz.

2. Soudure évacuant les vias

Cause fondamentale : Les vias ouverts placés dans le tampon thermique éloignent la soudure liquide du joint par action capillaire.
Détection précoce : Faible hauteur d'écartement ou joints « affamés » observés dans les coupes transversales ; saillies de soudure sur la face inférieure du PCB.
Prévention : Branchez, bouchez ou tentez les vias dans le coussin thermique. Si les vias ouverts sont inévitables, réduisez le volume de l’ouverture du pochoir à proximité des vias.

3. Composant incliné/flottant

Cause fondamentale : Un excès de pâte à souder sur le tampon thermique central agit comme un pivot, soulevant les câbles périmétriques de leurs tampons.
Détection précoce : Circuits ouverts sur les broches périmétriques ; Le composant semble incliné lors de l’inspection visuelle.
Prévention : Réduisez la couverture de l'ouverture du tampon thermique (par exemple, de 80 % à 60 %). Assurer une force de placement équilibrée.

4. Oxydation des plaquettes ou des fils

Cause première : Des composants vieillis ou de mauvaises conditions de stockage des PCB entraînent un mauvais mouillage.
Détection précoce : Angles de mouillage irréguliers ; zones « non humides » visibles en radiographie ou en inspection visuelle.
Prévention : Appliquez des contrôles stricts MSL (Moisture Sensitivity Level). Cuire les planches/composants si les limites d’exposition sont dépassées. Utiliser un flux agressif si nécessaire (avec nettoyage).

5. Pontage par soudure

Cause première : Pâte à souder affaissée ou volume de pâte excessif reliant les plots à pas fin.
Détection précoce : Inspection SPI détecte les violations de volume/surface avant la refusion.
Prévention : Utilisez des tampons NSMD avec des barrages de masque de soudure appropriés. Assurez-vous que la fréquence de nettoyage du pochoir est adéquate (par exemple, toutes les 5 impressions).

6. Ombrage thermique

Cause première : Les gros composants adjacents bloquent la chaleur, empêchant le QFN d'atteindre sa température de refusion maximale.
Détection précoce : Joints de soudure à froid ; finition de surface granuleuse.
Prévention : Optimisez la disposition des cartes pour l'équilibre thermique. Utilisez plus de 10 fours de refusion de zones pour un contrôle précis.

7. Risques d'inadéquation des nomenclatures

Cause première : Remplacement d'un QFN par une empreinte ou une taille de tampon thermique légèrement différente sans mettre à jour le pochoir.
Détection précoce : BGA/QFN Fine Pitch problèmes d'alignement lors du placement.
Prévention : Validation stricte de la nomenclature. Assurez-vous que les alternatives sont identiques en termes de forme et de fonction, y compris les dimensions du tampon thermique.

8. Fissuration induite par l'humidité (Popcorning)

Cause première : L'humidité emprisonnée dans le boîtier QFN se dilate rapidement pendant la refusion.
Détection précoce : Pack bombé ; délaminage interne observé en microscopie acoustique ou en coupe transversale.
Prévention : Conservez les QFN dans des emballages secs avec des cartes indicatrices d'humidité. Cuire les composants si HIC indique > 10 % HR.

Validation et acceptation (tests et critères de réussite)

Vous ne pouvez pas améliorer ce que vous ne mesurez pas. Un plan de validation robuste est essentiel pour la fiabilité du QFN.

Inspection aux rayons X PCBA

Tests non destructifs

Inspection automatisée aux rayons X (AXI) :
- Exigence : Inspection à 100 % pour les lots NPI (New Product Introduction) ; Échantillonnage AQL (Acceptable Quality Level) pour la production de masse.
- Critères : Mesurez le pourcentage total de vides sur le tampon thermique. Vérifiez qu'il n'y a pas de pontage sur les broches périmétriques.
- Réussite : Zone vide < 25 % (ou selon les spécifications). Pas de ponts.
Inspection de la pâte à souder (SPI) :
- Exigence : Inspection en ligne à 100 %.
- Critères : Collez le volume, la surface, la hauteur et le décalage.
- Réussite : Volume compris entre 75 % et 125 % du nominal.

Tests destructifs (exemple de base)

Coupe transversale (micro-coupe) :
- Exigence : 1 à 2 planches par lot pendant la qualification.
- Critères : Vérifiez la formation de composés intermétalliques (IMC), l'angle de mouillage et la hauteur d'écartement.
- Réussite : Couche IMC continue (1-3 µm). Bonne formation de filet.
Teindre et faire levier :
- Exigence : Utilisé pour l'analyse des défaillances si des fissures sont suspectées.
- Critères : La pénétration du colorant indique des fissures ou des joints ouverts.

Tableau des critères d'acceptation

Article de test	Méthode	Taux d'échantillonnage	Critères d'acceptation
Coller le volume	SPI	100%	75 % à 125 % du volume d'ouverture.
Coller l'alignement	SPI	100%	< 20 % de décalage par rapport au tampon.
Précision du placement	Zone d'intérêt	100%	Centré sur le composant ; polarité correcte.
Pourcentage de vide	Radiographie (2D/3D)	100 % (NPI) / NQA 1,0 (MP)	< 25 % (Classe 3) ou < 50 % (Classe 2).
Pont de soudure	Rayons X / AOI	100%	Zéro pont autorisé.
Boules de soudure	Visuel / AOI	100%	Pas de billes lâches > 0,13 mm.

Liste de contrôle de qualification des fournisseurs (RFQ, Audit, Traçabilité)

Lors de la sélection d'un partenaire pour Assemblage clé en main, vérifiez qu'il dispose des capacités spécifiques pour gérer l'annulation QFN.* Capacités de l'équipement : * [ ] Le fournisseur dispose-t-il d'un SPI (inspection de la pâte à souder) en ligne ? * [ ] Disposent-ils de capacités de radiographie 2D ou 3D en interne ? * [ ] Le four de refusion comporte-t-il au moins 8 zones (de préférence 10) pour un contrôle fin du profil ? * [ ] Offrent-ils la soudure Vacuum Reflow ? (Fortement recommandé pour les QFN haute puissance afin de réduire les vides à < 5 %).

Contrôle des processus :
- Existe-t-il une procédure définie pour la modification de l'ouverture du pochoir (DFM) ?
- Effectuent-ils un profilage pour chaque nouvelle configuration d'assemblage ?
- Existe-t-il un système de suivi des composants sensibles au temps (contrôle MSL) ?
Assurance qualité :
- Peuvent-ils fournir des images radiographiques dans le cadre du rapport d'inspection du premier article (FAI) ?
- Adhérent-ils aux normes IPC-A-610 Classe 2 ou Classe 3 ?
- Existe-t-il un processus de « purge » pour la pâte à souder qui est restée trop longtemps sur le pochoir (> 4 heures) ?
Traçabilité :
- Peuvent-ils retracer des lots de pâtes et des profils de refusion spécifiques jusqu'à un numéro de série PCBA spécifique ?
- Enregistrent-ils les données radiologiques pour référence future ?
Support technique :
- Proposent-ils un examen des Directives DFM avant la fabrication ?
- Peuvent-ils suggérer des modèles de pochoirs alternatifs basés sur des données historiques ?

Comment choisir (compromis et règles de décision)

Faire les bons choix implique d’équilibrer les coûts, la fiabilité et la complexité. Utilisez ces règles pour guider vos décisions.

Si le QFN dissipe > 1 W de puissance, choisissez un fournisseur doté d'une capacité de refusion sous vide pour garantir une évacuation < 10 %.
Si le pas QFN est < 0,5 mm, choisissez une pâte à souder de type 4 et des pochoirs électropolis.
Si le PCB a des vias ouverts dans le tampon thermique, choisissez de les boucher ou de les mettre en tente au stade de la fabrication (VIPPO) plutôt que de compter sur le processus d'assemblage pour les remplir.
Si vous avez besoin d'une fiabilité IPC classe 3, choisissez une inspection aux rayons X à 100 %, malgré le coût plus élevé.
Si le coût est le principal facteur et que la puissance est faible, choisissez la refusion standard, mais appliquez une conception de pochoir stricte (vitre) pour maintenir les vides < 50 %.
Si vous voyez des « vides de champagne » (minuscules bulles à l'interface), choisissez d'étudier la qualité de la finition de surface (par exemple, la teneur en phosphore ENIG) ou l'activité du flux.
Si vous utilisez un service Assemblage clé en main, choisissez d'approuver explicitement la nomenclature et l'AVL (liste des fournisseurs approuvés) pour éviter les pièces « similaires » avec des tailles de tampons thermiques différentes.
Si la carte est à forte mixité/faible volume, choisissez un CM spécialisé dans le NPI et offrant des commentaires DFM détaillés.
Si le tampon thermique est exceptionnellement grand (> 10 mm x 10 mm), choisissez un modèle de pochoir à plusieurs volets avec des bandes plus larges pour empêcher la pâte de s'écouler.
Si vous rencontrez des ponts sur les prototypes, choisissez de réduire la largeur de l'ouverture du pochoir de 10 % sur les pastilles périmétriques avant de modifier la disposition du PCB.

FAQ (coût, délai de livraison, fichiers DFM, matériaux, tests)

Q : Dans quelle mesure la refusion sous vide ajoute-t-elle au coût d'assemblage ? R : La refusion sous vide ajoute généralement 10 à 20 % au coût de main-d'œuvre d'assemblage en raison du temps de cycle plus lent et de l'équipement spécialisé. Cependant, c’est le moyen le plus efficace de réduire les vides en dessous de 5 % pour les applications critiques.

Q : Puis-je compter sur l'inspection visuelle pour les QFN ? R : Non. L’inspection visuelle ne peut vérifier que les congés du périmètre des pieds. Il ne peut pas détecter les vides sous le coussin thermique ou les ponts sous le corps de l'emballage ; La radiographie est obligatoire.

Q : Quelle est l'épaisseur de pochoir idéale pour les QFN ? R : Un pochoir de 4 mil (0,10 mm) ou 5 mil (0,127 mm) est standard. Les pochoirs plus épais (6 mil) déposent trop de pâte, augmentant le risque de pontage et de composants flottants.

Q : Comment la finition de surface affecte-t-elle les mictions ? R : Les finitions de surface des PCB comme ENIG entraînent généralement moins de vides que HASL car la surface est plus plate. L'OSP est également bon mais nécessite une manipulation prudente pour éviter l'oxydation avant la refusion.

Q : Que dois-je envoyer pour un examen DFM concernant les QFN ? R : Envoyez vos fichiers Gerber (y compris les couches de collage), la nomenclature et les fiches techniques des composants QFN. Demandez explicitement à l'ingénieur de revoir la conception de l'ouverture du tampon thermique.Q : Pourquoi est-ce que je vois des vides même avec un pochoir pour vitre ? R : Cela peut être dû au profil de refusion (temps de trempage trop court), à la pâte à souder périmée ou au dégazage du stratifié PCB lui-même. Vérifiez d'abord le profil et la qualité du collage.

Q : La refusion d'azote est-elle nécessaire pour les QFN ? R : L'azote n'est pas strictement nécessaire pour les QFN standard, mais il contribue à améliorer le mouillage et à réduire l'oxydation, ce qui peut indirectement réduire les mictions. Il est recommandé pour les finitions OSP et les assemblages à pas fin.

Q : Comment puis-je éviter les inadéquations de nomenclature et les risques de substitution dans une PCBA clé en main ? R : Spécifiez le fabricant exact et le numéro de pièce des QFN. N'autorisez pas les substitutions génériques des composants d'alimentation, car les dimensions des tampons thermiques varient considérablement d'un fournisseur à l'autre.

Demander un devis/examen DFM pour les meilleures pratiques de redistribution QFN pour réduire les vides (quoi envoyer)

Pour obtenir un devis précis et un plan de processus robuste, incluez les éléments suivants dans votre demande de prix :

Fichiers Gerber : Inclut toutes les couches, en particulier les couches de pâte à souder et de masque de soudure.
Bill of Materials (BOM) : Mettez en surbrillance les composants QFN et notez toutes les exigences thermiques critiques.
Dessins d'assemblage : Ajoutez une remarque : "La vide du tampon thermique QFN doit être < 25 % selon IPC-A-610 classe 3. Inspection aux rayons X requise."
Exigences du test : Précisez si vous avez besoin d'une inspection à 100 % par rayons X ou par échantillon.

Glossaire (termes clés)

Terme	Définition
QFN (Quad Flat sans plomb)	Un ensemble de composants à montage en surface sans fils dépassant du corps, doté d'un coussin thermique central.
Annulation	La présence de bulles d'air ou de gaz dans un joint de soudure, réduisant la conductivité thermique et électrique.
Coussin thermique	Le grand tampon métallique sous un QFN utilisé pour transférer la chaleur de la puce au PCB.
Conception de volet de fenêtre	Une conception d'ouverture de pochoir qui divise un grand tampon en carrés plus petits pour permettre au gaz de s'échapper.
Zone de trempage	Phase du profil de refusion où la température est maintenue stable pour activer le flux et éliminer les substances volatiles.
TAL (Temps au-dessus de Liquidus)	La durée pendant laquelle la soudure reste à l’état liquide pendant la refusion.
SPI (Inspection de la pâte à souder)	Inspection optique automatisée des dépôts de pâte à souder avant le placement des composants.
AXI (inspection automatisée aux rayons X)	Utiliser les rayons X pour inspecter les joints de soudure cachés, tels que ceux sous les QFN et les BGA.
Refusion sous vide	Un processus de soudure qui utilise une chambre à vide pendant la phase de liquidus pour extraire les vides.
NSMD (masque sans soudure défini)	Une conception de pastille dans laquelle l'ouverture du masque de soudure est plus grande que la pastille de cuivre.
IMC (Composé Intermétallique)	La couche de liaison chimique formée entre le

Conclusion

qfn reflow best practices to reduce voids est plus facile à mettre en œuvre lorsque vous définissez tôt les spécifications et le plan de vérification, puis les confirmez via DFM et testez la couverture. Utilisez les règles, les points de contrôle et les modèles de dépannage ci-dessus pour réduire les boucles d'itération et protéger le rendement à mesure que les volumes augmentent. Si vous n'êtes pas sûr d'une contrainte, validez-la avec une petite version pilote avant de verrouiller la version de production.