Los paquetes planos sin cables , como los de cuatro planos sin cables ( QFN ) y los dos planos sin cables ( DFN ), conectan física y eléctricamente los circuitos integrados a las placas de circuito impreso . Flat no-leads, también conocido como micro leadframe (MLF) y SON (pequeño contorno sin cables), es una tecnología de montaje en superficie , una de varias tecnologías de paquete que conectan los circuitos integrados a las superficies de los PCB sin orificios pasantes . Flat sin plomo es un paquete encapsulado de plástico casi a escala de chip fabricado con cobre planosustrato de marco de plomo. Los terrenos perimetrales en la parte inferior del paquete proporcionan conexiones eléctricas a la PCB . [1] Los paquetes planos sin plomo incluyen una almohadilla conductora térmica expuesta para mejorar la transferencia de calor desde el IC (hacia la PCB). La transferencia de calor se puede facilitar aún más mediante vías metálicas en la almohadilla térmica. [2] El paquete QFN es similar al paquete cuádruple plano (QFP) y una matriz de rejilla de bola (BGA).
Sección transversal plana sin plomo
La figura muestra la sección transversal de un paquete plano sin plomo con un marco de plomo y uniones de cables . Hay dos tipos de diseños de carrocería, individualización de punzón y singularización de sierra . [3] La separación por sierra corta un gran conjunto de paquetes en partes. En la singularización de punzones, se moldea un solo paquete en forma. La sección transversal muestra un cuerpo de sierra individual con una almohadilla térmica adjunta. El marco de plomo está hecho de aleación de cobre y se utiliza un adhesivo termoconductor para unir el troquel de silicona a la almohadilla térmica. La matriz de silicio está conectada eléctricamente a la estructura de plomo mediante cables de oro de 1-2 mil de diámetro .
Las almohadillas de un paquete con sierra individual pueden estar completamente debajo del paquete o pueden doblarse alrededor del borde del paquete.
Diferentes tipos
Son comunes dos tipos de paquetes QFN: QFN con cavidad de aire, con una cavidad de aire diseñada en el paquete, y QFN moldeados en plástico con aire en el paquete minimizado.
Los QFN moldeados de plástico menos costosos generalmente se limitan a aplicaciones de hasta ~ 2–3 GHz. Por lo general, se compone de solo 2 partes, un compuesto de plástico y un marco de plomo de cobre, y no viene con tapa.
Por el contrario, la QFN de la cavidad de aire suele estar formada por tres partes; un marco de cobre, un cuerpo moldeado en plástico (abierto y no sellado) y una tapa de cerámica o de plástico. Suele ser más caro debido a su construcción y se puede utilizar para aplicaciones de microondas de hasta 20-25 GHz.
Los paquetes QFN pueden tener una sola fila de contactos o una doble fila de contactos.
Ventajas
Este paquete ofrece una variedad de beneficios que incluyen una inductancia de plomo reducida, una huella de tamaño pequeño "casi a escala de chip", un perfil delgado y un peso reducido. También utiliza almohadillas de E / S perimetrales para facilitar el enrutamiento de seguimiento de PCB, y la tecnología de almohadilla de cobre expuesta ofrece un buen rendimiento térmico y eléctrico. Estas características hacen del QFN una opción ideal para muchas aplicaciones nuevas donde el tamaño, el peso y el rendimiento térmico y eléctrico son importantes.
Desafíos de diseño, fabricación y confiabilidad
Las tecnologías de empaque mejoradas y la miniaturización de componentes a menudo pueden conducir a problemas de confiabilidad, fabricación y diseño nuevos o inesperados. Este ha sido el caso de los paquetes QFN, especialmente cuando se trata de adopción por parte de nuevos fabricantes de equipos originales electrónicos que no son de consumo .
Diseño y fabricación
Algunas consideraciones clave de diseño de QFN son el diseño de almohadillas y plantillas. Cuando se trata del diseño de la almohadilla de unión, se pueden tomar dos enfoques: máscara de soldadura definida (SMD) o máscara sin soldadura definida (NSMD). Un enfoque NSMD generalmente conduce a uniones más confiables, ya que la soldadura puede unirse tanto a la parte superior como a los lados de la almohadilla de cobre. [4] El proceso de grabado de cobre también generalmente tiene un control más estricto que el proceso de enmascaramiento de soldadura, lo que resulta en uniones más consistentes. [5] Esto tiene el potencial de afectar el rendimiento térmico y eléctrico de las juntas, por lo que puede ser útil consultar al fabricante del paquete para conocer los parámetros de rendimiento óptimos. Las almohadillas SMD se pueden usar para reducir las posibilidades de puentes de soldadura , sin embargo, esto puede afectar la confiabilidad general de las uniones. El diseño de la plantilla es otro parámetro clave en el proceso de diseño de QFN. El diseño de apertura y el grosor de la plantilla adecuados pueden ayudar a producir uniones más consistentes (es decir, partes mínimas de vaciado, desgasificación y flotación) con el grosor adecuado, lo que mejora la confiabilidad. [6]
También hay problemas en el lado de la fabricación. Para componentes QFN más grandes, la absorción de humedad durante el reflujo de soldadura puede ser una preocupación. Si hay una gran cantidad de absorción de humedad en el paquete, el calentamiento durante el reflujo puede provocar una deformación excesiva de los componentes. Esto a menudo da como resultado que las esquinas del componente se despeguen de la placa de circuito impreso , lo que provoca una formación inadecuada de la junta. Para reducir el riesgo de problemas de deformación durante el reflujo, se recomienda un nivel de sensibilidad a la humedad de 3 o más. [7] Varios otros problemas con la fabricación de QFN incluyen: parte flotante debido a la pasta de soldadura excesiva debajo de la almohadilla térmica central, gran vacío de soldadura, características de trabajo deficientes y optimización del perfil de reflujo de soldadura. [8]
Fiabilidad
El envasado de componentes suele estar impulsado por el mercado de la electrónica de consumo y se presta menos atención a las industrias de mayor fiabilidad, como la automoción y la aviación. Por tanto, puede resultar complicado integrar familias de paquetes de componentes, como QFN, en entornos de alta fiabilidad. Se sabe que los componentes QFN son susceptibles a problemas de fatiga de soldadura , especialmente fatiga termomecánica debido a ciclos térmicos . El distanciamiento significativamente menor en los paquetes QFN puede conducir a mayores tensiones termomecánicas debido al desajuste del coeficiente de expansión térmica (CTE) en comparación con los paquetes con plomo. Por ejemplo, en condiciones de ciclos térmicos acelerados entre -40 ° C y 125 ° C, varios componentes de paquete cuádruple plano (QFP) pueden durar más de 10,000 ciclos térmicos, mientras que los componentes QFN tienden a fallar en alrededor de 1,000-3,000 ciclos. [7]
Históricamente, las pruebas de confiabilidad han sido impulsadas principalmente por JEDEC , [9] [10] [11] [12] sin embargo, esto se ha centrado principalmente en las interconexiones de primer nivel y matrices. IPC -9071A [13] intentó abordar esto enfocándose en las interconexiones de segundo nivel (es decir, paquete a sustrato de PCB). El desafío con este estándar es que ha sido adoptado más por los fabricantes de equipos originales que por los fabricantes de componentes, quienes tienden a verlo como un problema específico de la aplicación. Como resultado, se han realizado muchas pruebas experimentales y análisis de elementos finitos en varias variantes de paquetes QFN para caracterizar su confiabilidad y comportamiento de fatiga de soldadura . [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20]
Serebreni y col. [21] propuso un modelo semi-analítico para evaluar la confiabilidad de las uniones de soldadura QFN bajo ciclos térmicos. Este modelo genera propiedades mecánicas efectivas para el paquete QFN y calcula el esfuerzo cortante y la deformación utilizando un modelo propuesto por Chen y Nelson. [22] La densidad de energía de deformación disipada se determina a partir de estos valores y se utiliza para predecir los ciclos característicos hasta la falla mediante una curva de Weibull de 2 parámetros .
Comparación con otros paquetes
El paquete QFN es similar al paquete cuádruple plano , pero los cables no se extienden desde los lados del paquete. Por tanto, es difícil soldar a mano un paquete QFN.
Variantes
Diferentes fabricantes usan diferentes nombres para este paquete: ML (micro-leadframe) versus FN (flat no-lead), además hay versiones con almohadillas en los cuatro lados (cuádruple) y almohadillas en solo dos lados (doble), de grosor variable. entre 0,9 y 1,0 mm para paquetes normales y 0,4 mm para extremadamente delgados. Las abreviaturas incluyen:
Paquete | Fabricante | |
---|---|---|
DFN | paquete doble plano sin plomo | Atmel |
DQFN | paquete dual quad flat sin plomo | Atmel |
cDFN | iC-Haus | |
TDFN | paquete delgado doble plano sin plomo | |
UTDFN | paquete ultrafino doble plano sin plomo | |
XDFN | paquete sin plomo plano dual extremadamente delgado | |
QFN | paquete quad flat sin plomo | Tecnología Amkor |
QFN-TEP | paquete quad flat sin plomo con almohadilla superior expuesta | |
TQFN | paquete delgado cuádruple plano sin plomo | |
LLP | paquete leadframe sin cables | Semiconductor nacional |
LPCC | portador de chips de plástico sin plomo | Participaciones de ASAT |
MLF | micro-marco de plomo | Tecnología Amkor y Atmel |
MLPD | paquete de micro-leadframe dual | |
MLPM | paquete micro-leadframe micro | |
MLPQ | paquete de micro-leadframe quad | |
DRMLF | paquete de micro-leadframe de doble fila | Tecnología Amkor |
VQFN / WQFN | quad flat sin plomo muy fino | Texas Instruments y otros (como Atmel) |
UDFN | ultra doble plano sin plomo | Tecnología de microchip |
UQFN | quad flat ultradelgado sin plomo | Texas Instruments y tecnología de microchip |
El paquete de marco de micro plomo (MLP) es una familia de paquetes QFN de circuito integrado , que se utiliza en diseños de circuitos electrónicos montados en superficie . Está disponible en 3 versiones que son MLPQ (Q significa quad ), MLPM (M significa micro ) y MLPD (D significa dual ). Estos paquetes generalmente tienen una almohadilla de sujeción de troquel expuesta para mejorar el rendimiento térmico. Este paquete es similar a los paquetes de escala de chips (CSP) en construcción. Los MLPD están diseñados para proporcionar un reemplazo compatible con el tamaño de los paquetes de circuitos integrados de contorno pequeño (SOIC).
El marco de micro-plomo (MLF) es un paquete encapsulado de plástico casi CSP con un sustrato de marco de plomo de cobre. Este paquete utiliza terrenos perimetrales en la parte inferior del paquete para proporcionar contacto eléctrico con la placa de circuito impreso . La paleta de sujeción de la matriz está expuesta en la parte inferior de la superficie del paquete para proporcionar una ruta de calor eficiente cuando se suelda directamente a la placa de circuito. Esto también permite una conexión a tierra estable mediante el uso de enlaces descendentes o mediante una conexión eléctrica a través de un material conductor de sujeción de la matriz.
Una variación de diseño más reciente que permite conexiones de mayor densidad es el paquete de marco de micro cables de doble fila (DRMLF). Este es un paquete MLF con dos filas de tierras para dispositivos que requieren hasta 164 E / S. Las aplicaciones típicas incluyen unidades de disco duro, controladores USB y LAN inalámbrica.
Ver también
- Porta chips Lista de tipos de paquetes y empaque de chips
- Paquete cuádruple plano
Referencias
- ^ Requisitos de diseño para esquemas de estado sólido y productos relacionados, PUBLICACIÓN JEDEC 95, GUÍA DE DISEÑO 4.23
- ^ Bonnie C. Baker, Paquetes más pequeños = Desafíos térmicos más grandes , Microchip Technology Inc.
- ^ http://www.freescale.com/files/analog/doc/app_note/AN1902.pdf
- ^ http://www.dfrsolutions.com/hubfs/Resources/services/Manufacture-and-Reliability-Challenges-With-QFN.pdf?t=1503583170559
- ^ https://www.microsemi.com/document-portal/doc_view/130006-qfn-an
- ^ http://www.dfrsolutions.com/hubfs/Resources/services/Understanding-Criticality-of-Stencil-Aperture-Design-and-Implementation-QFN-Package.pdf
- ^ a b http://www.dfrsolutions.com/hubfs/Resources/services/The-Reliability-Challenges-of-QFN-Packaging.pdf?t=1502980151115
- ^ http://www.aimsolder.com/sites/default/files/overcoming_the_challenges_of_the_qfn_package_rev_2013.pdf , Seelig, K. y Pigeon, K. "Overcoming the Challenges of the QFN Package," Proceedings of SMTAI, octubre de 2011.
- ^ JEDEC JESD22-A104D, mayo de 2005, Ciclismo de temperatura
- ^ JEDEC JESD22-A105C, enero de 2011, Ciclos de potencia y temperatura
- ^ JEDEC JESD22-A106B, junio de 2004, choque térmico
- ^ JEDEC JESD22B113, marzo de 2006, Método de prueba de flexión cíclica a nivel de placa para caracterización de confiabilidad de interconexión de componentes para productos electrónicos portátiles
- ^ IPC IPC-9701A, febrero de 2006, métodos de prueba de rendimiento y requisitos de calificación para accesorios de soldadura de montaje en superficie
- ^ Syed, A. y Kang, W. "Consideraciones de confiabilidad y ensamblaje a nivel de tablero para paquetes de tipo QFN". Conferencia Internacional SMTA, 2003
- ^ Yan Tee, T., et al. "Modelado y prueba integral de confiabilidad de juntas de soldadura a nivel de placa de paquetes QFN y PowerQFN". Microelectronics Reliability 43 (2003): 1329-1338.
- ^ Vianco, P. y Neilsen, MK "Fatiga mecánica térmica de un paquete de plástico quad-flat nolead (PQFN) de 56 E / S". Conferencia Internacional SMTA, 2015.
- ^ Wilde, J. y Zukowski, E. "Análisis comparativo de fiabilidad μBGA y QFN". Octavo. En t. Conf. sobre simulación y experimentos térmicos, mecánicos y multifísicos en microelectrónica y microsistemas, 2007 IEEE, 2007.
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- ^ 17. Li, L. et al. "Fiabilidad a nivel de placa y proceso de montaje de paquetes QFN avanzados". Conferencia Internacional SMTA, 2012.
- ^ Birzer, C. y col. "Investigaciones de confiabilidad de paquetes QFN sin cables hasta el final de su vida útil con pruebas de estrés a nivel de placa para aplicaciones específicas". Conferencia sobre tecnología y componentes electrónicos, 2006.
- ^ Serebreni, M., Blattau, N., Sharon, G., Hillman, C., Mccluskey, P. "Modelo de vida de fatiga semi-analítica para evaluación de confiabilidad de juntas de soldadura en paquetes qfn bajo ciclos térmicos". SMTA ICSR, 2017. Toronto, ON.
- ^ Chen, WT y CW Nelson. "Tensión térmica en uniones adheridas". IBM Journal of Research and Development 23.2 (1979): 179-188.
enlaces externos
- Notas de montaje en placa para paquetes QFN
- MicroLeadFrame® de Amkor Technology
- Tecnología de protección de bordes para paquetes QFN de Amkor Technology
- Revista ChipScale Review , julio-agosto de 2000.]
- Tecnología lineal - Guía del usuario del paquete QFN