Von Tim O'Neill
In diesem technischen Artikel wird eine unkonventionelle, aber vielversprechende Technik zur Verringerung von QFN-Löchern in der SMT-Fertigung (Surface Mount Technology) untersucht. Durch die Verlagerung des Schwerpunkts vom Masse-Pad auf die E/A-Pads (Input/Output) des QFN-Gehäuses bietet diese Methode nicht nur eine neue Perspektive zur Verringerung von Lunkerbildung, sondern auch eine kosteneffiziente Lösung ohne zusätzliche Komplexität des Lötprozesses.
Einführung in die QFN-Voiding-Herausforderungen
Die Integration von Quad Flat No-Lead (QFN)-Gehäusen in den Lötprozess führt häufig zu einem hartnäckigen Problem: Voiding.
Hohlräume oder Lufteinschlüsse im Lot können die thermische und mechanische Zuverlässigkeit der Lötstelle beeinträchtigen. Dies ist besonders kritisch bei QFNs, die üblicherweise in Hochleistungs- und hohe Zuverlässigkeit Anwendungen.
Herkömmliche Bemühungen zur Verringerung von QFN-Voids beinhalten die Änderung von Reflow-Profilen, die Verfeinerung von Lotpastenformulierungen und das Experimentieren mit verschiedenen Schablonendesigns und Öffnungsgrößen. Diese Modifikationen des Schablonendesigns konzentrieren sich in der Regel auf das Ground Pad. Diese Methoden bieten zwar einen gewissen Erfolg, erfordern aber auch erhebliche Änderungen im Herstellungsprozess, was zu einer erhöhten Komplexität und Kosten führt. Darüber hinaus deutet die anhaltende Natur des QFN-Voidings darauf hin, dass ein innovativerer Ansatz erforderlich ist, um dieses Problem effektiv anzugehen.
In den folgenden Abschnitten wird ein neuartiger Ansatz untersucht, bei dem die Öffnungen der E/A-Pads verändert werden. Wir skizzieren die experimentelle Methodik, mit der dieser Ansatz getestet wurde, die beobachteten Ergebnisse und die theoretischen Implikationen.
Experimentelle Methodik
Die Studie konzentrierte sich auf drei verschiedene Micro Lead Frame (MLF) Geräte: MLF16, MLF32 und MLF48. Für jedes dieser MLF-Geräte wurden vier verschiedene E/A-Pad-Druckmuster getestet:
- Ein 1:1-Ausdruck, der exakt mit den E/A-Leitungen übereinstimmte, diente als Vergleichsgrundlage.
- Ein Überdruck, der den Druck um 10 mils über die E/A-Leitungen hinaus verlängert.
- Ein Überdruck, der den Druck um 20 mils über die E/A-Leitungen hinaus verlängert.
- Ein Überdruck, der den Druck um 30 mils über die E/A-Leitungen hinaus verlängert.
Die Wahl des Druckmusters wurde durch frühere zufällige Beobachtungen von reduziertem Voiding bei E/A-Aufdruck beeinflusst. Die Hypothese war, dass diese kleinen Schritte im Überdrucken (10, 20 und 30 mils) sich während des Reflow-Prozesses effektiv zurückziehen würden und wir alle damit verbundenen Auswirkungen auf die Hohlraumbildung bestimmen könnten. Abbildung 1 zeigt Beispiele für das Schablonendesign für dieses Experiment.
Typ 4, keine saubere SAC305-Lötpaste wurde durch eine 4mil (100μm) Premium-Edelstahlschablone mit einer Fluorpolymer-Nanobeschichtung auf PCB2009-Testplatinen gedruckt. Es wurde ein lineares Rampen-zu-Spitzen-Profil verwendet.
Die meisten Lückenfüller Reflow-Profile verlängerte thermische Exposition oder Durchwärmungszonen, um die Verflüchtigung des Flussmittels zu fördern, bevor die Legierung den Liquidus erreicht. Da das Ziel dieser Studie darin bestand, die Wirksamkeit des E/A-Aufdrucks zu isolieren und zu bewerten, wählten wir das am wenigsten nachsichtige thermische Profil. Die Röntgenergebnisse wurden dann sowohl visuell als auch mit statistischer Software analysiert.
Beobachtungen und Ergebnisse
Bei den QFN-Gehäusen mit modifizierten E/A-Pad-Öffnungen wurde eine konsistente Verringerung der Porenbildung bei größerem E/A-Aufdruck festgestellt. Im Durchschnitt gab es eine Verringerung der Porenbildung um mehr als 50% bei den verschiedenen Bauteiltypen und -größen von der 0-Mil-Basislinie bis zu den 30-Mil-Proben. Dies ist deutlich in Abbildung 2 zu sehen, die die Ergebnisse der Hohlraumbildung für MLF48 zeigt.
Abbildung 3 verdeutlicht die vergleichende Analyse der Porenbildung bei herkömmlichen und modifizierten Pad-Designs. Unabhängig von der Größe oder Konfiguration zeigte der Ansatz der E/A-Pad-Modifikation eine einheitliche Wirksamkeit bei der Verringerung der Lunkerbildung.
Diese Studienergebnisse bestätigen die Effektivität der Modifikation von E/A-Pads und eröffnen neue Wege zur Optimierung des Lötprozesses.
Vorgeschlagene Erläuterung der Ergebnisse
Der folgende Erklärungsvorschlag ist hypothetisch und wurde nicht experimentell bestätigt, aber wir glauben, dass er eine plausible Beschreibung der Mechanismen hinter diesen bemerkenswerten Ergebnissen liefert.
Da sich die E/A-Pads am Rand befinden, erreichen sie die Liquidustemperatur vor dem mittleren Pad. Wenn sie schmelzen, verschmelzen die Aufdrucke mit den E/A-Pads. Dadurch wird das Bauteil für einen kurzen Zeitraum angehoben - die Zeit zwischen dem Schmelzen der Außenseite und dem Schmelzen der Innenseite.
Sobald der Druck auf dem mittleren Pad schmilzt und nass wird, lässt das Gehäuse das Lot zusammenfallen. Dieses kurzzeitige Anheben kann ein schnelles Ausgasen ermöglichen und/oder das Zusammenfallen des Bauteils selbst kann Gas herausdrücken, wenn es das flüssige Lot komprimiert. Dieser Prozess ist in Abbildung 4 dargestellt.
Implikationen und zukünftige Forschungsrichtungen
Die Demonstration, dass geringfügige Änderungen an den E/A-Pad-Schablonenöffnungen zu einer erheblichen Verringerung der Fehlstellen führen können, stellt einen potenziellen Paradigmenwechsel bei den QFN-Löttechniken dar. Die Hersteller können diesen Ansatz mit minimaler Unterbrechung der bestehenden Prozesse übernehmen, da er keine neuen Geräte oder Materialien erfordert.
Während sich die Studie auf bestimmte QFN-Typen und -Bedingungen konzentrierte, könnten zukünftige Forschungen den Umfang dieses Ansatzes erweitern. Die Untersuchungen könnten unterschiedliche Lotpastentypen, verschiedene Reflow-Profile und andere Gehäusetypen umfassen. Darüber hinaus wären Langzeit-Zuverlässigkeitsstudien von Vorteil, um die Auswirkungen dieser Änderungen auf die Lebensdauer von elektronischen Geräten zu verstehen.
Basierend auf dem Artikel "Aperture Design to Minimize QFN Voiding" von Tim O'Neill, ursprünglich veröffentlicht in Circuits Assembly.