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34 PCB giugno 2011 ▶ speciale - TecnoloGie Di packaGinG Quad flatpack no lead Quad flatpack no lead (QFN) e Small Outline No lead (SON o DFN: Dual side No Lead) sono package leadless le cui connessioni elettriche di I/O sono costituite da piazzole disposte perimetralmente sul lato bottom del componente di Dario Gozzi QFN e SON sono dispositivi in package plastico con caratteristiche di dissipazione termica particolarmente buone. Utilizzando la convenzionale tecnologia del leadframe in rame; la loro caratteristica costruttiva li rende competitivi rispetto ai tradizionali componenti a pin, per il minor spazio richiesto sul pcb, per le migliori caratteristiche elettriche e di dissipazione termica e non ultimo sotto il profilo del costo. Il QFN ha le terminazioni disposte lungo i quattro lati del package, il SON (o DFN) le ha distribuite lungo due lati. Possiedono una piazzola di maggiori dimensioni (die pad) il cui compito è quello di convogliare sul pcb il calore da dissipare. Il valore medio dell’impedenza termica di questa famiglia di componenti è circa la metà rispetto ai normali componenti provvisti di pin, prerogativa che li rende particolarmente adatti per le applicazioni ad alta potenza e ad alta frequenza (20–25 GHz). Sono disponibili in numerosi formati, che dipendono sostanzialmente dalla dimensione del die e dal numero degli I/O. La struttura Il lead frame è realizzato in rame, con l’adesivo vi si fissa il die che con tecnologia wire bonding (filo in oro dal diametro di 1 o 2 mil) è collegato elettricamente ai terminali di I/O del componente. Ci sono principalmente due tecniche per produrli: punch singulation e saw singulation. Nel primo caso sono singolarizzati da una sequenza lineare di dispositivi e nel secondo da una matrice. Al lato pratico la maggiore differenza che si può avere tra due package risiede nell’esposizione dei terminali, che possono essere liberi solo sulla superficie bottom del componente o essere esposti anche per lo spessore lungo i fianchi del componente. Pro e contro Tra i benefici funzionali offerti da questo package c’è la riduzione del fattore induttivo, la già citata dissipazione termica e il miglioramento delle caratteristiche elettriche delle interconnessioni. Strutturalmente occupa un’area ridotta e gode di un sottile profilo e di un bassissimo peso. Di contro alcuni plus costituiscono anche una difficoltà per quanto
iguarda il processo di assemblaggio. La differenza tra la piccola area dei contatti e la più grande dimensione della piazzola termica, nei componenti di piccola dimensione come ad esempio per i DFN 3x3 mm, può provocare il galleggiamento del pad termico durante la rifusione e terminare con la mancanza di contatto sui pad di I/O a fine ciclo di saldatura. Per via delle buone caratteristiche di conduzione termica di questo package diventa difficile la sua rilavorazione; il flusso di aria calda può non essere sufficiente a rifondere la lega sottostante il thermal pad, ma può benissimo causare problemi all’intorno del componente. Non c’è spazio per la punta del saldatore per lavorare sulle aree di contatto, se non nel caso in cui ci sia l’esposizione della piazzola sul fianco del componente, ma comunque il giunto non sarebbe affidabile. La geometria del solder mask Uno dei fattori principali da considerare nel loro utilizzo è costituito dalla geometria delle piazzole sul pcb. Premesso che a livello di processo sottostanno alle normali pratiche di serigrafia e rifusione utilizzate comunemente nei processi SMT, la bontà della tenuta meccanica e della dissipazione termica è in funzione dei giunti di saldatura realizzati. Ci sono due tipi di geometria per le piazzole: - Solder Mask Defined (SMD) in cui le aperture nel solder mask sono più piccole delle piazzole; - Non-Solder Masl Defined (NSMD) in cui le aperture nel solder mask sono di dimensione maggiore rispetto alle piazzole. Sebbene ci sia chi propende per la prima e chi per la seconda, di massima sono ambedue accettate per l’utilizzo dei QFN. Tendenzialmente la soluzione NSMD è preferita in quanto la definizione del rame è più controllabile rispetto a quella del solder; inoltre in questo caso il solder mask favorisce il contenimento del deposito di pasta all’interno della sua apertura. Ultimo, ma non meno importante, durante la rifusione la lega ha modo di ancorarsi anche sui bordi della piazzola, fattore che, ampliando l’area di bagnabilità, irrobustisce ulteriormente il giunto di saldatura. La soluzione SMD è invece utilizzata senza problemi sul thermal land, la piazzola di maggiori dimensioni adibita alla trasmissione del calore. Nella geometria NSMD le aperture nel solder mask dovrebbero essere da 120 a 150 µm maggiori rispetto alla dimensione della piazzola, designando da 60 a 75 µm di libertà tra la fine del primo e l’inizio della seconda. Il problema si pone con i componenti fine pitch. Nel caso di piazzole da 0,25 mm con passo 0,4 mm, diventa difficile non solo mantenere uno spazio tra solder e piazzola, ma addirittura inserire del solder mask di isolamento tra una piazzola e l’altra. In questo caso si utilizza una singola apertura che abbraccia l’intera sequenza di pin su ogni lato. Serigrafia e giunti di saldatura La prima considerazione riguarda la planarità del pcb, che va attentamente tenuta sotto controllo perché potrebbe inficiare sulla formazione dei giunti sotto il QFN. I giunti di rifusione perimetrali al componente dovrebbero avere un’altezza compresa tra 50 e 75 µm e la loro corretta realizzazione è demandata alla buona costruzione dello stecil. Per passi di 0,5mm lo spessore dello stecil dovrebbe essere di 0,125 mm e le aperture dovrebbero essere in rapporto 1:1 con la dimensione delle piazzole. Scendendo con la dimensione del passo (ad esempio con passo 0,4 mm) le aperture devono essere leggermente ridotte per evitare la formazione dei corti. È consigliato l’utilizzo di pasta saldante no-clean di tipo 3 e dove possibile l’atmosfera inerte o il processo con vapor phase. Per questi giunti di saldatura la normativa non richiede particolari forme del filetto, ma solo il rispetto delle dimensioni di lunghezza, larghezza e dello spessore. Per la loro posizione e per la loro conformazione, questi giunti non sono facilmente ispezionabili se non col ricorso all’ispezione con raggi x. PCB giugno 2011 35
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