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PCB设计之QFN焊盘设计指南

time : 2019-08-15 09:04       作者:凡亿pcb

一、QFN封装PCB设计基本介绍 
QFN(Quad Flat No Lead)是一种相对比较新的IC封装形式,但由于其独特的优势,其应用得到了快速的增长。QFN是一种无引脚封装,它有利于降低引脚间的自感应系数,在高频领域的应用优势明显。QFN外观呈正方形或矩形,大小接近于CSP,所以很薄很轻。元件底部具有与底面水平的焊端,在中央有一个大面积裸露焊端用来导热,围绕大焊端的外围四周有实现电气连接的I/O焊端,I/O焊端有两种类型:一种只裸露出元件底部的一面,其它部分被封装在元件内;另一种焊端有裸露在元件侧面的部分。 
QFN采用周边引脚方式使PCB布线更灵活,中央裸露的铜焊端提供了良好的导热性能和电性能。这些特点使QFN在某些对体积、重量、热性能、电性能要求高的电子产品中得到了重用。 
由于QFN是一种较新的IC封装形式,IPC-SM-782等PCB设计指南上都未包含相关内容,本文可以帮助指导用户进行QFN的焊盘设计和生产工艺设计。但需要说明的是本文只是提供一些基本知识供参考,用户需要在实际生产中不断积累经验,优化焊盘设计和生产工艺设计方案,以取得令人满意的焊接效果。 
 
二、QFN封装描述 
QFN的外形尺寸可参考其产品手册,它符合一般工业标准。QFN通常采用JEDEC MO-220系列标准外形,在焊盘设计时可以参考这些外形尺寸(示例如图1)。 
QFN元件三维剖视图和实物外观
图1  QFN元件三维剖视图和实物外观 
 
三、QFN通用PCB设计指南 
QFN的中央裸焊端和周边I/O焊端组成了平坦的铜引线结构框架,再用模铸树脂将其浇铸在树脂里固定,底面露出的中央裸焊端和周边I/O焊端,均须焊接到PCB上。 
PCB焊盘设计应该适应工厂的实际工艺能力,以求取得最大的工艺窗口,得到良好的高可靠性焊点。需要说明的是中央裸焊端的焊接,通过“锚”定元件,不仅可以获得良好的散热效果,还可以增强元件的机械强度,有利于提高周边I/O焊端的焊点可靠性。针对QFN中央裸焊端而设计的PCB散热焊盘,应设计导热过孔连接到PCB内层隐藏的金属层。这种通过过孔的垂直散热设计,可以使QFN获得完美的散热效果。 
 
四、QFN焊盘设计指南 
1、周边I/O焊盘 
PCB I/O焊盘的设计应比QFN的I/O焊端稍大一点,焊盘内侧应设计成圆形以配合焊端的形状,详细请参考图2和表1。 
典型的QFN元件焊端和PCB 焊盘外观图
图2 典型的QFN元件焊端和PCB 焊盘外观图 
 
典型的QFN元件I/O焊端尺寸(mm) 典型的PCB I/O焊盘设计指南(mm) 焊盘间距 焊盘宽度(b) 焊盘长度(L) 焊盘宽度(X) 外延(Tout) 内延(Tin) 0.8 0.33 0.6 正常0.42 最小0.15 最小0.05 0.65 0.28 0.6 正常0.37 最小0.15 最小0.05 0.5 0.23 0.6 正常0.28 最小0.15 最小0.05 0.5 0.23 0.4 正常0.28 最小0.15 最小0.05 0.4 0.2 0.6 正常0.25 最小0.15 最小0.05
                                                                      表1 I/O焊盘设计指南 
 
如果PCB有设计空间, I/O焊盘的外延长度(Tout)大于0.15mm,可以明显改善外侧焊点形成,如果内延长度(Tin)大于0.05mm,则必须考虑与中央散热焊盘之间保留足够的间隙,以免引起桥连。 
2、中央散热焊盘 
中央散热焊盘应设计比QFN中央裸焊端各边大0-0.15mm,即总的边长大出0-0.3mm,但是中央散热焊盘不能过分的大,否则,会影响与I/O焊盘之间的合理间隙,使桥连概率增加。此间隙最小为0.15mm,可能的话,最好是0.25mm或更大。 
3、散热过孔 
散热过孔应按1.0mm-1.2mm的间隙均匀分布在中央散热焊盘上,过孔应连通到PCB内层的金属接地层上,过孔直径推荐为0.3mm-0.33mm。 
虽然增加过孔(减小过孔间隙),表面上看好象可以改善热性能,但因为增加过孔的同时也增加了热气回来的通道,所以实际效果不确定,需要根据实际PCB的情况来决定(如PCB散热焊盘尺寸、接地层)。 
4、阻焊层设计 
目前有两种阻焊层设计类型:SMD(Solder Mask Defined)和NSMD(Non-Solder Mask Defined)。SMD:阻焊层开口小于金属焊盘;NSMD:阻焊层开口大于金属焊盘。 
由于在铜腐蚀工艺中更易控制,所以NSMD工艺更优选。而且SMD工艺会使焊盘阻焊层与金属层重叠区域压力集中,在极端疲劳条件下容易使焊点开裂。采用NSMD工艺则使焊锡围绕在金属焊盘边缘,可以明显改善焊点的可靠性。 
由于以上原因,在中央散热焊盘和周边I/O焊盘的阻焊层设计中一般都推荐采用NSMD工艺。但是,在尺寸相对比较大的中央散热焊盘阻焊层设计中应该采用SMD工艺。 
在采用NSMD工艺时,阻焊层开口应比焊盘大120um-150um,即在阻焊层与金属焊盘之间留有60um-75um的间隙,弧形焊盘应设计相应的弧形阻焊层开口与之匹配,特别是在拐角处应有足够的阻焊层以阻止桥连。 
 
每个I/O焊盘应单独设计阻焊层开口,这样可以使I/O相邻焊盘之间布满阻焊层,阻止相邻焊盘之间形成桥连。但是,针对I/O焊盘宽度为0.25mm,间距只有0.4mm的细间距QFN,只能将处于一边的所有I/O焊盘统一设计一个大的开口,这样I/O相邻焊盘之间就没有了阻焊层。 
I/O焊盘之间有阻焊层    I/O焊盘之间无阻焊层
I/O焊盘之间有阻焊层                                                         I/O焊盘之间无阻焊层
 
有些QFN的中央裸焊端设计过大,使得与周边I/O焊端之间的间隙很小,很容易引起桥连。在这种情况下,PCB散热焊盘的阻焊层设计应采用SMD工艺,即阻焊层开口应每边缩小100um,以增加中央散热焊盘与I/O焊盘之间的阻焊层面积。 
阻焊层应覆盖散热焊盘上的过孔,以防止焊锡从散热过孔中流失,使QFN中央裸焊端与PCB中央散热焊盘之间形成空焊。过孔阻焊层的直径应比过孔直径大100um,建议在PCB背面涂布阻焊油堵塞过孔,这样可以在正面散热焊盘上会形成许多空洞,这些空洞有利于在回流焊接过程中释放气体,并围绕过孔形成更大的气泡,需要特别说明的是,这些气泡的存在不会影响热性能、电性能和焊点可靠性,是可以接受的。