Для получения надежных паяных соединений Quad Flat No-lead (QFN) требуется точный контроль над процессом оплавления, чтобы свести к минимуму образование пустот, которые могут серьезно повлиять на рассеивание тепла и электрическое заземление. Как покупатель или менеджер программы вы должны указать четкие критерии приемки и подтвердить, что ваш партнер-производитель использует оптимизированные конструкции трафаретов и профили оплавления. В этом руководстве представлены технические характеристики, стратегии снижения рисков и протоколы проверок, необходимые для обеспечения соответствия ваших сборок QFN строгим стандартам качества.

Ключевые выводы

• Пороги пропускания: Стандарт IPC-A-610 класса 2 допускает образование пустот в термопрокладках до 50 %, однако в высоконадежных приложениях следует указывать < 25 % или даже < 10 % для критически важных микросхем управления питанием.
• Дизайн трафарета имеет решающее значение: Использование конструкции проема «оконного стекла» с покрытием 50–80% предотвращает захват летучих газов, что является основной причиной образования больших пустот.
• Контроль профиля оплавления: Линейный профиль плавного перехода к пику или оптимизированная зона выдержки (60–90 секунд при температуре от 150 до 200 °C) позволяют растворителям выйти из газов до того, как припой станет жидким.
• Выбор паяльной пасты: Паяльная паста типа 4 часто предпочтительна для QFN с мелким шагом (шаг < 0,5 мм) для улучшения отделения и снижения риска слипания припоя.
• Метод проверки: 100% рентгеновский контроль обязателен для проверки процентного содержания пустот на термопрокладке, поскольку при визуальном осмотре невозможно увидеть нижнюю часть корпуса компонента.
• Управление переходами: Тепловые переходы в контактной площадке должны быть закрыты заглушками или закрыты тентами; открытые переходные отверстия могут впитывать припой, что приводит к недостаточному покрытию и увеличению пустот.
• Совет по проверке: Запросите отчет «Первой проверки изделия» (FAI), который включает рентгеновские изображения и процентные значения расчета пустот для всех компонентов QFN.

Объем, контекст принятия решения и критерии успеха

Управление качеством сборки QFN заключается не только в пайке; речь идет о терморегулировании и механической надежности. Большая центральная термопрокладка на QFN предназначена для передачи тепла от кристалла к печатной плате. Чрезмерные пустоты создают воздушные зазоры, которые действуют как изоляторы, что может привести к перегреву и выходу компонента из строя.

Измеримые показатели успеха

Чтобы гарантировать, что ваш проект соответствует целям надежности, определите эти показатели заранее:

1. Процент пустот на термопрокладке: Общая площадь пустот, деленная на общую площадь термопрокладки. Целевое значение < 25 % для общепромышленного использования и < 15 % для мощных светодиодов или радиочастотных приложений.
2. Самая большая одиночная пустота: Ни одна отдельная пустота не должна превышать 10 % общей площади площадки и не должна занимать всю ширину площадки, поскольку это может полностью нарушить тепловой путь.
3. Высота зазора паяного соединения: Постоянная высота зазора (обычно 50–75 микрон) обеспечивает снятие напряжений во время термоциклирования.

Граничные случаи

• Ограничения шага: Для QFN с шагом < 0,4 мм стандартной пасты типа 3 может быть недостаточно. Вы должны подтвердить способность поставщика работать с пастой типа 4 или 5.
• Технология Via-in-Pad: Если в вашей конструкции используются открытые сквозные переходные отверстия в термопрокладке без закупоривания, ожидайте значительного увеличения пустот из-за дренажа припоя. Это требует определенных корректировок процесса или изменений в конструкции печатной платы.

Спецификации для определения заранее (до того, как вы примете решение)

Если полностью оставить параметры процесса контрактному производителю (CM), это может привести к противоречивым результатам. Определите эти характеристики в сборочном чертеже или Техническом задании (SOW).

Требования к дизайну трафарета

Трафарет — первая линия защиты от пустот.

• Уменьшение диафрагмы: Не печатайте на 100 % площади термопрокладки. Укажите покрытие от 50% до 80%.
• Конструкция оконного стекла. Разделите большое отверстие термопрокладки на меньшие квадраты (например, 4, 9 или 16 окон), разделенные перемычками шириной от 0,2 до 0,3 мм. Это позволяет летучим газам выходить через каналы во время оплавления.
• Толщина: В стандартную комплектацию входит трафарет из электрополированной нержавеющей стали толщиной 4 мил (0,10 мм) или 5 мил (0,127 мм).

Параметры профиля перекомпоновки

Термический профиль должен соответствовать паспорту паяльной пасты и тепловой массе платы.

• Зона выдержки: 60–90 секунд при температуре 150–200 °C. Эта продолжительность имеет решающее значение для активации флюса и выделения летучих газов.
• Время над ликвидусом (TAL): от 45 до 75 секунд. Слишком короткие результаты в холодных швах; слишком долгое время повреждает компоненты и увеличивает интерметаллидный рост.
• Пиковая температура: от 235°C до 250°C для бессвинцовых сплавов SAC305.
• Скорость охлаждения: < 4°C/секунду для предотвращения теплового удара и проблем с зернистой структурой.

Проектирование печатных плат для обеспечения технологичности (DFM)

• Определение контактной площадки: Используйте площадки без паяльной маски (NSMD) для лучшего сцепления меди и распределения напряжения, хотя паяльная маска (SMD) иногда может помочь удержать припой на термопрокладке.
• Отделка поверхности: ENIG (электрическое никель-иммерсионное золото) или OSP (органический консервант для пайки) обычно обеспечивают более плоскую поверхность, чем HASL, что снижает риск образования пустот.

Таблица ключевых параметров

Параметр	Диапазон технических характеристик	Почему это важно	Метод проверки
Покрытие апертуры трафарета	50% – 80%	Предотвращает избыток припоя и способствует выделению газов.	Инспекция SPI
Ширина веб-сайта (окнная панель)	0,20–0,30 мм	Создает каналы для выхода газов.	Гербер / Проверка трафарета
Тип паяльной пасты	Тип 4 (20–38 мкм)	Лучшее освобождение при мелком шаге (< 0,5 мм).	Сертификаты материалов
Время выдержки оплавления	60-е – 90-е годы	Позволяет летучим компонентам флюса полностью испаряться.	Данные профилировщика
Пиковая температура оплавления	235°С – 250°С	Обеспечивает полное смачивание без перегрева.	Данные профилировщика
Время выше ликвидуса	45-е – 75-е годы	Критически важен для формирования и смачивания суставов.	Данные профилировщика
Предел пустоты (класс 2)	< 50% площади	Стандартный базовый уровень надежности.	Рентгеновский контроль
Предел пустоты (класс 3)	< 25% площади	Высокая надежность/высокая базовая мощность.	Рентгеновский контроль

Связанные ресурсы

• Трафарет печатной платы

Ключевые риски (коренные причины, раннее выявление, предотвращение)

Понимание механизма образования пустот позволяет осуществлять целенаправленные профилактические меры.

1. Летучий захват (дегазация)

• Основная причина: Растворители флюса не испаряются до плавления припоя, захватывая пузырьки газа внутри жидкостного шва.
• Раннее обнаружение: Большие сферические пустоты, видимые на рентгеновском снимке во время испытаний прототипа.
• Профилактика: Оптимизируйте зону выдержки оплавления. Используйте трафарет в виде «окна», чтобы обеспечить пути выхода газа.

2. Впитывание припоя в переходные отверстия

• Основная причина: Открытые переходные отверстия внутри термопрокладки вытягивают жидкий припой из соединения под действием капиллярных сил.
• Раннее обнаружение: Низкая высота зазора или «голодные» стыки, видимые в поперечных сечениях; Припаяйте выступы на нижней стороне печатной платы.
• Профилактика: Заглушки, заглушки или переходные отверстия в термопрокладке. Если открытые переходные отверстия неизбежны, уменьшите объем апертуры трафарета рядом с переходными отверстиями.

3. Компонент наклонен/плавающий

• Основная причина: Избыток паяльной пасты на центральной термоплощадке действует как шарнир, поднимая выводы по периметру с площадок.
• Раннее обнаружение: Обрывы цепей на выводах по периметру; При визуальном осмотре компонент выглядит наклоненным.
• Профилактика: Уменьшите закрытие апертуры термопрокладки (например, с 80 % до 60 %). Обеспечьте сбалансированную силу размещения.

4. Окисление контактных площадок или выводов

• Основная причина: Старые компоненты или плохие условия хранения печатной платы приводят к плохому смачиванию.
• Раннее обнаружение: Неправильные углы смачивания; «немокрые» участки, видимые при рентгеновском или визуальном осмотре.
• Профилактика: Обеспечьте строгий контроль MSL (уровня чувствительности к влаге). Запекайте платы/компоненты, если превышены пределы воздействия. При необходимости используйте агрессивный флюс (с очисткой).

5. Соединение пайкой

• Основная причина: Стекшая паяльная паста или слишком большой объем пасты забивается между контактными площадками с мелким шагом.
• Раннее обнаружение: SPI Inspection обнаруживает нарушения объёма/площади перед перекомпоновкой.
• Профилактика: Используйте площадки NSMD с соответствующими заглушками паяльной маски. Убедитесь, что частота очистки трафарета достаточна (например, каждые 5 отпечатков).

6. Термическое затенение

• Основная причина: Большие соседние компоненты блокируют нагрев, не позволяя QFN достичь полной температуры оплавления.
• Раннее обнаружение: Холодная пайка соединений; зернистая поверхность.
• Профилактика: Оптимизируйте компоновку платы для обеспечения теплового баланса. Используйте более 10 зонных печей оплавления для точного контроля.

7. Риски несоответствия родов

• Основная причина: Замена QFN на немного другой размер или размер термопрокладки без обновления трафарета.
• Раннее обнаружение: BGA/QFN Fine Pitch проблемы с выравниванием во время размещения.
• Профилактика: Строгая проверка спецификации. Убедитесь, что альтернативные варианты идентичны по форме и функциям, включая размеры термопрокладки.

8. Растрескивание под действием влаги (попкорн)

• Основная причина: Влага, попавшая в пакет QFN, быстро расширяется во время оплавления.
• Раннее обнаружение: Вздутие упаковки; внутреннее расслоение видно при акустической микроскопии или поперечном сечении.
• Профилактика: Храните QFN в сухих упаковках с карточками с индикаторами влажности. Выпекайте компоненты, если HIC показывает относительную влажность >10%.

Проверка и приемка (тесты и критерии прохождения)

Вы не можете улучшить то, что не измеряете. Надежный план проверки необходим для надежности QFN.

Неразрушающий контроль

1. Автоматизированный рентгеновский контроль (AXI):
   • Требование: 100% проверка партий NPI (внедрение нового продукта); Отбор проб AQL (приемлемый уровень качества) для массового производства.
   • Критерии: Измерьте общий процент пустот на термопрокладке. Убедитесь в отсутствии перемычек на контактах по периметру.
   • Пройден: Площадь пустот < 25 % (или согласно спецификации). Никаких мостов.
2. Проверка паяльной пасты (SPI):
   • Требование: 100 % встроенная проверка.
   • Критерии: вставка объема, площади, высоты и смещения.
   • Пройден: Объем в пределах 75–125 % от номинального.

Разрушающий контроль (выборка)

1. Поперечное сечение (микросечение):
   • Требование: 1-2 доски на лот во время квалификации.
   • Критерии: Проверьте образование интерметаллического соединения (IMC), угол смачивания и высоту зазора.
   • Пройдено: Сплошной слой IMC (1–3 мкм). Хорошее формирование филе.
2. Покрась и подбери:
   • Требование: Используется для анализа отказов при подозрении на наличие трещин.
   • Критерии: Проникновение красителя указывает на наличие трещин или открытых швов.

Таблица критериев приемки

Тестовый предмет	Метод	Частота выборки	Критерии приемки
Вставить объем	СПИ	100%	75% – 125% объема диафрагмы.
Вставить выравнивание	СПИ	100%	Смещение < 20 % от площадки.
Точность размещения	АОИ	100%	Центрирование компонента; Полярность правильная.
Процент недействительности	Рентгеновский снимок (2D/3D)	100 % (NPI) / AQL 1,0 (MP)	< 25% (класс 3) или < 50% (класс 2).
Паяное соединение	Рентген/АОИ	100%	Разрешены нулевые мосты.
Шарики припоя	Визуальный / AOI	100%	Никаких незакрепленных шариков > 0,13 мм.

Контрольный список квалификации поставщика (запрос предложений, аудит, отслеживаемость)

При выборе партнера для Сборки под ключ убедитесь, что у него есть конкретные возможности для управления аннулированием QFN.* Возможности оборудования: * [ ] Имеет ли поставщик встроенную систему SPI (проверку паяльной пасты)? * [ ] Имеются ли у них собственные возможности 2D- или 3D-рентгенографии? * [ ] Имеет ли печь оплавления не менее 8 зон (предпочтительно 10) для точного контроля профиля? * [ ] Предлагают ли они пайку вакуумным оплавлением? (Настоятельно рекомендуется для мощных QFN для уменьшения пустот до < 5%).

• Управление процессом:
  • Существует ли определенная процедура модификации апертуры трафарета (DFM)?
  • Выполняют ли они профилирование для каждой новой настройки сборки?
  • Существует ли система отслеживания чувствительных ко времени компонентов (контроль MSL)?
• Гарантия качества:
  • Могут ли они предоставить рентгеновские снимки в рамках отчета о первой проверке изделия (FAI)?
  • Соответствуют ли они стандартам IPC-A-610 класса 2 или класса 3?
  • Существует ли процедура «очистки» паяльной пасты, которая слишком долго находилась на трафарете (> 4 часов)?
• Прослеживаемость:
  • Могут ли они отслеживать определенные партии пасты и профили оплавления по определенному серийному номеру печатной платы?
  • Записывают ли они данные рентгеновского исследования пустот для дальнейшего использования?
• Инженерная поддержка:
  • Предлагают ли они Рекомендации DFM проверку перед изготовлением?
  • Могут ли они предложить альтернативные конструкции трафаретов на основе исторических данных?

Как выбирать (компромиссы и правила принятия решений)

Правильный выбор предполагает баланс между стоимостью, надежностью и сложностью. Используйте эти правила для принятия решений.

1. Если QFN рассеивает мощность > 1 Вт, выберите поставщика с возможностью вакуумного оплавления, чтобы обеспечить образование пустот < 10 %.
2. Если шаг QFN < 0,5 мм, выберите паяльную пасту типа 4 и электрополированные трафареты.
3. Если на печатной плате имеются открытые переходные отверстия в термопрокладке, закройте их на этапе изготовления (VIPPO), а не полагайтесь на их заполнение в процессе сборки.
4. Если вам требуется надежность IPC класса 3, выберите 100% рентгеновский контроль, несмотря на более высокую стоимость.
5. Если стоимость является основным фактором, а мощность низкая, выберите стандартную оплавку, но соблюдайте строгий дизайн трафарета (окна), чтобы сохранить пустоты < 50%.
6. Если вы видите «пустоты цвета шампанского» (мельчайшие пузырьки на границе раздела), выберите исследование качества поверхности (например, содержание фосфора ENIG) или активности флюса.
7. Если вы используете услугу Сборка под ключ, выберите явно утвердить спецификацию и AVL (список утвержденных поставщиков), чтобы избежать «похожих» деталей с термопрокладками разных размеров.
8. Если на форуме много смешанных/малых объемов, выберите менеджера по связям с общественностью, который специализируется на NPI и предлагает подробную обратную связь по DFM.
9. Если термопрокладка очень большая (> 10 x 10 мм), выберите трафарет с несколькими панелями и более широкими перемычками, чтобы предотвратить выскальзывание пасты.
10. Если вы столкнулись с перемычками на прототипах, выберите уменьшить ширину апертуры трафарета на 10% на площадках по периметру, прежде чем менять разводку печатной платы.

Часто задаваемые вопросы (стоимость, время выполнения, файлы DFM, материалы, тестирование)

Вопрос: Насколько увеличивается стоимость сборки при помощи вакуумного оплавления? Ответ: Вакуумное оплавление обычно увеличивает затраты на рабочую силу на 10–20 % из-за более медленного цикла и использования специального оборудования. Тем не менее, это наиболее эффективный способ уменьшить количество пустот ниже 5% для критически важных применений.

В: Могу ли я полагаться на визуальный осмотр QFN? О: Нет. Визуальный осмотр позволяет проверить только скругления пальцев по периметру. Он не может обнаружить образование пустот под термопрокладкой или перемычку под корпусом упаковки; Рентгеновский снимок обязателен.

Вопрос: Какова идеальная толщина трафарета для QFN? О: В стандартную комплектацию входит трафарет толщиной 4 мил (0,10 мм) или 5 мил (0,127 мм). На более толстые трафареты (6 мил) наносится слишком много пасты, что увеличивает риск образования перемычек и плавающих компонентов.

В: Как качество поверхности влияет на образование пустот? О: Отделка поверхности печатной платы, как и ENIG, обычно приводит к меньшему количеству пустот, чем HASL, поскольку поверхность более плоская. OSP также хорош, но требует осторожного обращения во избежание окисления перед оплавлением.

Вопрос: Что мне следует отправить на проверку DFM относительно QFN? О: Отправьте файлы Gerber (включая слои вставки), спецификацию и таблицы данных для компонентов QFN. Явно попросите инженера проверить конструкцию апертуры термопрокладки.В: Почему я вижу пустоты даже при использовании трафарета для оконного стекла? О: Это может быть связано с профилем оплавления (слишком короткое время выдержки), паяльной пастой с истекшим сроком годности или выделением газа из самого ламината печатной платы. Сначала проверьте профиль и качество вставки.

Вопрос: Требуется ли оплавление азотом для QFN? Ответ: Азот не является строго необходимым для стандартных QFN, но помогает улучшить смачивание и снижает окисление, что может косвенно уменьшить образование пустот. Рекомендуется для отделки OSP и сборок с мелким шагом.

Вопрос: Как избежать несоответствия спецификации и риска замены печатной платы под ключ? О: Укажите точного производителя и номер детали QFN. Не допускайте замены компонентов питания на стандартные, поскольку размеры термопрокладок значительно различаются у разных поставщиков.

Запросить цену / Обзор DFM для лучших методов перекомпоновки QFN для уменьшения пустот (что отправить)

Чтобы получить точное ценовое предложение и подробный план процесса, включите в свой запрос предложения следующее:

1. Файлы Gerber: Включите все слои, в частности слои паяльной пасты и паяльной маски.
2. Спецификация: Выделите компоненты QFN и отметьте все критические температурные требования.
3. Сборочные чертежи: Добавьте примечание: "Пустоты на термопрокладке QFN должны составлять < 25 % в соответствии с классом 3 IPC-A-610. Требуется рентгеновский контроль."
4. Требования к испытаниям: Укажите, требуется ли вам 100% рентгеновский контроль или контроль на основе образцов.

Глоссарий (ключевые термины)

Срок	Определение
QFN (Quad Flat без отведения)	Пакет компонентов для поверхностного монтажа без выводов, выходящих за пределы корпуса, с центральной термопрокладкой.
Мустошение	Наличие пузырьков воздуха или газа внутри паяного соединения, снижающих тепло- и электропроводность.
Термальная прокладка	Большая металлическая площадка под QFN, используемая для передачи тепла от кристалла к печатной плате.
Дизайн оконного стекла	Трафаретная конструкция с отверстиями, разделяющая большую площадку на более мелкие квадраты для обеспечения выхода газа.
Зона замачивания	Фаза профиля оплавления, на которой температура поддерживается постоянной для активации флюса и удаления летучих веществ.
TAL (Время выше ликвидуса)	Время, в течение которого припой остается в жидком состоянии во время оплавления.
SPI (проверка паяльной пасты)	Автоматизированный оптический контроль отложений паяльной пасты перед установкой компонентов.
AXI (автоматизированный рентгеновский контроль)	Использование рентгеновских лучей для проверки скрытых паяных соединений, например, под QFN и BGA.
Вакуумное оплавление	Процесс пайки, в котором на этапе ликвидуса используется вакуумная камера для удаления пустот.
NSMD (без паяльной маски)	Конструкция площадки, в которой отверстие паяльной маски больше, чем медная площадка.
IMC (интерметаллическое соединение)	Слой химической связи, образующийся между

Заключение

qfn reflow best practices to reduce voids легче всего получить правильно, если заранее определить спецификации и план проверки, а затем подтвердить их с помощью DFM и тестового покрытия. Используйте приведенные выше правила, контрольные точки и шаблоны устранения неполадок, чтобы сократить циклы итераций и защитить доход по мере увеличения объемов. Если вы не уверены в ограничении, проверьте его с помощью небольшой пилотной сборки, прежде чем блокировать производственную версию.

Related links

• Инспекция SPI
• Трафарет печатной платы
• BGA/QFN Fine Pitch
• Сборки под ключ
• Рекомендации DFM
• Отделка поверхности печатной платы