Requisito de diseño de plantilla en componentes QFN para un rendimiento óptimo de PCBA

Paquete QFN

Los últimos años han sido testigos de amplias aplicaciones de los componentes del paquete QFN (Quad Flat No-lead) debido a sus ventajas integrales que incluyen un excelente rendimiento eléctrico y térmico, peso ligero y tamaño pequeño. Como paquete sin plomo, los componentes QFN han recibido numerosos enfoques de la industria ya que presentan una baja inductancia entre los cables. Los componentes del paquete QFN cuentan con un cuadrado o un rectángulo cuyas formas de paquete son similares a las de los componentes del paquete BGA (Ball Grid Array). A diferencia de BGA, QFN no tiene bolas de soldadura en la parte inferior y su conexión eléctrica y mecánica con otros componentes se logra a través de uniones de soldadura que se generan mediante soldadura por reflujo antes de que la pasta de soldadura se imprima en almohadillas que están en la superficie de impreso placa de circuito (PCB).

La impresión de pasta de soldadura es una fase tan importante durante el proceso de PCBA (ensamblaje de placa de circuito impreso) que determinará aún más la calidad final y el rendimiento del ensamblaje. La impresión de pasta de soldadura nunca se puede realizar de manera uniforme o precisa a menos que se diseñen y utilicen las plantillas adecuadas, razón por la cual se genera este artículo.

Diseño de plantillas

La impresión de soldadura en pasta juega un papel tan esencial en el ensamblaje de montaje en superficie (SMA) y la tecnología de ensamblaje electrónico que la calidad de la impresión de soldadura en pasta a través de la plantilla está directamente asociada con el primer rendimiento (FTY) de la soldadura de componentes eléctricos/electrónicos de montaje en superficie. Se concluye que del 60% al 70% de los defectos de soldadura se derivan de la baja calidad de la impresión de pasta de soldadura realizada a través de stencil. Por lo tanto, es necesario implementar un estudio integral sobre todos los aspectos relacionados con la impresión de pasta de soldadura a través de la tecnología de plantilla.

Cuando se trata del diseño de esténciles, una excelente apertura es el primer elemento que garantiza uniones de soldadura óptimas y confiables.

• Diseño de marco de plantilla

El marco de la plantilla generalmente está hecho de aleación de aluminio y su tamaño es compatible con los parámetros de la impresora. La fabricación automática requiere que la plantilla tenga que ir a la línea de producción y el tamaño de la plantilla debe ser aceptado por la impresora. Ni el tamaño demasiado grande ni el tamaño demasiado pequeño pueden impulsar una fabricación fluida.

• Diseño de estiramiento de plantilla

El estiramiento se refiere al proceso durante el cual la placa del stencil de acero inoxidable se pega al marco. El pegamento y la cinta de pasta de aluminio se usan generalmente para estirar. El agente adhesivo se recubre primero en la conexión del marco de aleación de aluminio y la placa de acero inoxidable y luego se raspa uniformemente una capa protectora. Durante el proceso de estiramiento, se debe dejar una distancia interna de 25 mm a 50 mm entre la placa del esténcil de acero inoxidable y el marco para garantizar una excelente planitud y estiramiento durante la impresión de pasta de soldadura. Una plantilla recién fabricada debe mantener la tensión en el rango de 40 a 50 N por centímetro.

• Diseño de marca fiduciaria de plantilla

La impresora debe realizar el posicionamiento automático durante la línea de fabricación automática para que la plantilla deba contener marcas fiduciales. El diseño de la marca fiduciaria se basa en las dimensiones de las marcas en el archivo Gerber de PCB y luego la apertura se establece en una proporción de 1:1 con grabado realizado en la parte posterior de la plantilla. En términos generales, se requieren al menos dos marcas de referencia en una plantilla en dos ángulos opuestos.

• Diseño de plantilla para pads de E/S alrededor de componentes QFN

El tamaño de apertura de la plantilla debe ser equivalente al de las almohadillas de E/S periféricas para que dicho tamaño de apertura pueda garantizar que las uniones de soldadura se puedan formar con una altura de pasta de soldadura de 50 a 75 μm después de soldar por reflujo alrededor de la almohadilla. Cuando se trata de componentes QFN de línea fina, especialmente aquellos cuyo paso de E/S es inferior a 0,4 mm, el ancho de apertura de la plantilla debe reducirse un poco que las almohadillas de PCB para evitar puentes entre las almohadillas de E/S ambientales. La relación de apertura de la plantilla entre el ancho y el grosor (W/T) debe ser superior a 1,5.

• Diseño de plantilla para almohadillas de disipación térmica central de componentes QFN

La almohadilla central inadecuada para el diseño de la abertura de disipación térmica provocará todo tipo de defectos. Cuando los componentes QFN se someten a la soldadura por reflujo, la pasta de soldadura en las almohadillas grandes se derretirá con el fundente derretido, lo que generará algo de aire, lo que generará problemas como orificios de aire, orificios, salpicaduras de soldadura y bolas de soldadura. Aunque es casi imposible eliminar esos problemas, su efecto negativo se puede reducir con algunas medidas. Por ejemplo, se recoge una matriz de múltiples aberturas de malla pequeña en lugar de una abertura grande. La forma de cada pequeña abertura puede ser circular o cuadrada, siempre que entre el 50 % y el 80 % de las almohadillas para la disipación de calor central estén cubiertas con soldadura en pasta, lo que garantizará una altura de soldadura en pasta de 50 a 75 μm.

• Categoría de plantilla y grosor de plantilla

Se sugiere que el material de la plantilla sea inoxidable, mientras que el método de grabado se sugiere que sea corte por láser. El pulido electrolítico se lleva a cabo en la pared del orificio para que la pared del orificio quede lisa con una fricción reducida, lo que es beneficioso para el desmoldeo y moldeado de soldadura en pasta.

El grosor de la plantilla juega un papel decisivo en la cantidad de pasta de soldadura impresa en PCB. Demasiada o muy poca pasta de soldadura conducirá a la generación de defectos durante la soldadura por reflujo. Demasiada pasta de soldar tiende a causar puentes mientras que muy poca pasta de soldar tiende a causar soldadura abierta. Se sugiere que los componentes QFN de línea fina (el paso es de 0,4 mm por debajo) dependan de las plantillas con un grosor en el rango de 0,12 mm a 0,13 mm y los componentes QFN de alto espaciado (el paso es de 0,4 mm por encima) dependan de las plantillas con un grosor en el rango de 0,15 mm a 0,2 mm.

• Inspección de plantillas

La plantilla debe inspeccionarse cuidadosamente antes del ensamblaje SMT auténtico con los siguientes elementos de inspección:
a. Se debe realizar una inspección visual para comprobar la planitud del estiramiento y asegurarse de que la abertura esté ubicada en el centro de la plantilla.
b. Se debe realizar una inspección visual para garantizar que las posiciones de apertura del esténcil sean compatibles con las almohadillas de PCB.
c. Se debe inspeccionar el tamaño de la abertura del stencil (largo, ancho).
d. El microscopio se utiliza para inspeccionar la suavidad de la pared del orificio de apertura y la superficie de la plantilla.
e. El tensiómetro se aprovecha para medir la tensión del esténcil.
f. El grosor de la plantilla debe validarse mediante el resultado de la impresión de pasta de soldadura.

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