Por Tim O'Neill
Este artigo técnico explora uma técnica não convencional, porém promissora, para reduzir a anulação de QFN na fabricação de tecnologia de montagem em superfície (SMT). Ao mudar o foco da almofada de aterramento para as almofadas de E/S (entrada/saída) do pacote QFN, esse método não só oferece uma nova perspectiva sobre a atenuação de problemas de anulação, mas também apresenta uma solução econômica sem acrescentar complexidade ao processo de montagem de solda.
Introdução aos desafios de vazamento do QFN
A integração de pacotes Quad Flat No-lead (QFN) em processos de montagem de solda geralmente resulta em um desafio persistente: o vazamento.
Os vazios ou bolsas de ar dentro da solda podem comprometer a confiabilidade térmica e mecânica da junta de solda. Isso é particularmente crítico para os QFNs, que são comumente usados em dispositivos de alto desempenho e alta confiabilidade aplicativos.
Os esforços tradicionais para reduzir a anulação do QFN envolvem a modificação dos perfis de refluxo, o refinamento das formulações de pasta de solda e a experimentação de diferentes designs de estêncil e tamanhos de abertura. Essas modificações no design da abertura do estêncil geralmente se concentram no ground pad. Embora esses métodos ofereçam algum sucesso, eles também exigem alterações significativas no processo de fabricação, o que leva ao aumento da complexidade e dos custos. Além disso, a natureza persistente do esvaziamento do QFN indica que é necessária uma abordagem mais inovadora para resolver esse problema de forma eficaz.
Nas seções a seguir, analisamos uma nova abordagem que envolve a modificação das aberturas do estêncil do pad de E/S. Descrevemos a metodologia experimental usada para testar essa abordagem, os resultados observados e as implicações teóricas.
Metodologia experimental
O estudo se concentrou em três dispositivos Micro Lead Frame (MLF) distintos: MLF16, MLF32 e MLF48. Para cada um desses dispositivos MLF, foram testados quatro padrões distintos de impressão de blocos de E/S:
- Uma impressão de 1 para 1, que correspondia exatamente aos leads de E/S, servindo como linha de base para comparação.
- Uma sobreimpressão que estende a impressão em 10 mils além dos condutores de E/S.
- Uma sobreimpressão que estende a impressão em 20 mils além dos condutores de E/S.
- Uma sobreimpressão que estende a impressão em 30 mils além dos condutores de E/S.
Essa escolha de variação do padrão de impressão foi informada por observações incidentais anteriores de redução de vazamento com sobreimpressão de E/S. A hipótese era de que esses pequenos incrementos na sobreimpressão (10, 20 e 30 mils) seriam efetivamente recuados durante o processo de refluxo e que poderíamos determinar quaisquer efeitos associados ao vazamento. A Figura 1 mostra exemplos do design do estêncil para esse experimento.
Tipo 4, pasta de solda SAC305 não limpa foi impresso por meio de um estêncil de aço inoxidável premium de 4mil (100μm) com um nanorrevestimento de fluoropolímero em placas de teste PCB2009. Foi usado um perfil de rampa a pico ou linear.
Maior redução de vazios perfis de refluxo incorporar exposição térmica prolongada ou zonas de imersão para promover a volatilização do fluxo antes de a liga atingir o estado líquido. Como o objetivo deste estudo era isolar e avaliar a eficácia da impressão sobreposta de E/S, escolhemos o perfil térmico menos tolerante. Os resultados de raios X foram então analisados visualmente e com software estatístico.
Observações e resultados
Os pacotes QFN com aberturas de almofada de E/S modificadas apresentaram uma redução consistente na formação de espaços vazios com maior sobreimpressão de E/S. Em média, houve uma redução de mais de 50% na formação de vazios em vários tipos e tamanhos de dispositivos, desde a linha de base de 0mil até as amostras de 30mil. Isso é claramente visível na Figura 2, que mostra os resultados de vazamento para o MLF48.
A Figura 3 destaca ainda mais a análise comparativa de vazamento em projetos de pad tradicionais versus modificados. Independentemente do tamanho ou da configuração, a abordagem de modificação do pad de E/S demonstrou uma eficácia uniforme na redução de vazamentos.
Os resultados desse estudo validam a eficácia da modificação do pad de E/S, além de abrir novos caminhos para a otimização do processo de montagem de solda.
Proposta de explicação dos resultados
A explicação proposta a seguir é hipotética e não foi confirmada experimentalmente, mas acreditamos que ela fornece uma descrição plausível dos mecanismos por trás desses resultados notáveis.
Como as E/S estão no perímetro, elas atingem a temperatura liquidus antes do pad central. À medida que derretem, as impressões sobrepostas se aglutinam nos pads de E/S. Isso eleva o componente por um breve período - o tempo entre o derretimento externo e o interno. Isso eleva o componente por um breve período - o tempo entre a fusão externa e a fusão interna.
Assim que a impressão na almofada central derrete e umedece, a embalagem colapsa a solda. Essa elevação momentânea pode estar permitindo a rápida liberação de gás e/ou o colapso do próprio componente pode forçar a saída do gás à medida que comprime a solda líquida. Esse processo é ilustrado na Figura 4.
Implicações e direções de pesquisas futuras
A demonstração de que pequenas modificações nas aberturas do estêncil do pad de E/S podem levar a uma redução significativa da anulação apresenta uma possível mudança de paradigma nas técnicas de soldagem de QFN. Os fabricantes podem adotar essa abordagem com o mínimo de interrupção dos processos existentes, pois ela não exige novos equipamentos ou materiais.
Embora o estudo tenha se concentrado em tipos e condições específicos de QFN, pesquisas futuras poderiam expandir o escopo dessa abordagem. As explorações poderiam incluir vários tipos de pasta de solda, diferentes perfis de refluxo e outros tipos de pacotes. Além disso, estudos de confiabilidade de longo prazo seriam benéficos para entender o impacto dessas modificações durante a vida útil dos dispositivos eletrônicos.
Baseado no artigo "Aperture Design to Minimize QFN Voiding", de Tim O'Neill, publicado originalmente na Circuits Assembly.