Factores clave para un diseño superior de pads PCB QFN

Con el desarrollo de las tecnologías de encapsulado de componentes electrónicos hacia la miniaturización, ligereza y alto rendimiento, ha sido una tendencia de desarrollo de los componentes electrónicos aumentar la densidad de función del componente y disminuir el espaciado entre terminales de entrada y salida, lo que se muestra mejor mediante la tecnología de montaje automático caracterizada por SMT (tecnología de montaje superficial). Para implementar el montaje superficial de componentes, el primer paso es fabricar los pads correspondientes en el PCB para que se obtenga un PCB estructurado. Luego, se aplica la tecnología de impresión con plantilla para cubrir pasta de soldadura en la superficie de los pads del PCB. Finalmente, se lleva a cabo el calentamiento para transformar la pasta de soldadura en líquido que forma un puente líquido entre los pines de los componentes y el pad del PCB. Bajo la influencia de la máscara de soldadura en el PCB, la pasta de soldadura fundida se limita en el área del pad de soldadura correspondiente para prohibir puentes entre uniones de soldadura, de modo que se implementa el montaje automático del chip en el PCB. Según diferentes tipos de encapsulado, los pads de soldadura circulares y rectangulares son los principales seleccionados, es decir, encapsulado BGA (ball grid array) y QFN (quad flat no-lead). Si desea saber más sobre BGA, solo CUATRO pasos son suficientes.

Wiki QFN

Comparado con otros componentes con diferentes tipos de encapsulados, el encapsulado QFN está diseñado para soldarse directamente en sustrato PCB o FPC. Es capaz de ofrecer mejor disipación de calor gracias a sus pads metálicos expuestos en la parte inferior. Además, el encapsulado QFN presenta un excelente rendimiento eléctrico ya que sus pines son más cortos que los de componentes con encapsulado extendido. Por tanto, es de gran importancia diseñar pads QFN en PCB para que se pueda mantener y garantizar la alta fiabilidad y rendimiento del PCB.

Ángulo de mojado

Debido a que el tamaño de los pines QFN y el espaciado entre pines son relativamente pequeños, se puede causar puente de unión de soldadura o pseudo-soldadura debido a la cantidad precisa de recubrimiento de pasta de estaño. Por tanto, un diseño razonable del tamaño del pad del PCB basado en el espesor de la plantilla (h₀) es de gran ayuda para la tasa de éxito de la soldadura. Supongamos que el ángulo de mojado de la soldadura en el pad de soldadura (θₐ) es 30° y el ángulo de mojado de la soldadura en la máscara de soldadura (θᵣ) es 160°. Si se descuida la rugosidad de la superficie del pad, el ángulo de mojado puede considerarse aproximadamente como ángulo de avance o retroceso de la línea de contacto trifásica. De acuerdo con la técnica práctica de soldadura de componentes QFN, un control razonable de las curvas de temperatura de soldadura por reflujo bajo una condición ideal con la soldadura completamente fundida y la superficie del pad mojada es capaz de garantizar tanto la eficiencia de soldadura como ayudar a los componentes a alcanzar el equilibrio de soldadura de montaje automático. Si el pad está razonablemente diseñado, el estado ideal de las uniones de soldadura no solo cumple el requisito de rendimiento eléctrico del PCB y conexión mecánica, sino que también evita el fallo de uniones de soldadura como puentes y pseudo-soldadura. En esa luz, el estado de las uniones de soldadura debe cumplir las siguientes fórmulas:

a. Cuando las uniones de soldadura dentro del QFN están completamente distribuidas en el pad del PCB, θₐ ≤ θⱼ(Zᵤ) ≤ θᵣ, θⱼ(0)=30°, x₃(0)=x₄(0)=Dₓ₄

b. Cuando el estaño fuera del QFN crece en el pad lateral,
(1) θⱼ(Zᵤ)=θₛ₃+90°, θ₄(0)=30°, θ₃(0)=30°,
(2) x₃(0)=x₄(0)=Dₓ₄(0), x₃(Zᵤ)=0.

Diseño de pads

En esta fórmula, θₛ₃ es igual a θₐ, ambos son el ángulo de mojado de la soldadura en el pad lateral.

En la dirección vertical, la ecuación de equilibrio estático del líquido de puente es:
P_dL_y(x₃(0)-x₄(0)+L_x)+W_z-[T(x₃(0)-x₄(0)+L_x)(senθ₂(0)+senθ₁(0))+TL_y(senθ₃(0)+senθ₄(0))]-ρgV₀=0

La intensidad de presión en la parte inferior de las uniones de soldadura (P_d) es:
P_d=[T(x₃(0)-x₄(0)+L_x)(senθ₂(0)+senθ₁(0))+TL_y(senθ₃(0)+senθ₄(0))+ρgV₀-W_z]/[L_y(x₃(0)-x₄(0)+L_x)]

En estas fórmulas, ρ se refiere a la densidad del líquido de soldadura; T se refiere a la tensión superficial del líquido de la unión de soldadura; x₃(0) y x₄(0) se refieren al deslizamiento de los dos extremos de las uniones de soldadura líquidas en el pad inferior líquido; θ₁(0) y θ₂(0) se refieren a los ángulos de contacto en ambos lados formados por la interfaz líquido-gas en ambos lados de las uniones de soldadura y la superficie del pad inferior, mientras que θ₃(0) y θ₄(0) se refieren a los ángulos de contacto en ambos extremos formados por la interfaz líquido-gas en ambos lados; V₀ se refiere al volumen de la unión de soldadura; W_z se refiere a la fuerza aplicada del pad en el extremo del chip y la unión de soldadura en la dirección vertical.

Bajo el límite de las fórmulas (1) y (2), las curvas de marco de las uniones de soldadura pueden hacer condiciones de frontera equivalentes en el extremo superior de las uniones de soldadura a condiciones iniciales basadas en el método efectivo de soluciones a valor inicial. Dado que la solución al valor inicial es incapaz de cumplir el requisito de que z sea igual a 0, se transforma en un problema equivalente en términos de minimización de función objetivo que se muestra en la Ecuación (3).

Esta función objetivo minimizada puede aplicarse para determinar el tamaño de diseño ideal del pad Dₓ₄.

Además, las características geométricas del ángulo de envoltura de estaño del pad del PCB deben tenerse en cuenta. En esa luz, el tamaño de expansión del pad debe adherirse a la ecuación aproximada siguiente:

En esta ecuación, D_h se refiere al espesor del pad lateral expuesto fuera del chip. Mediante la optimización de variables implícitas, el requisito de error esperado es cumplido por la función objetivo y el tamaño de diseño de pads interior y exterior (Dₓ₄ y Dₓ₃) puede calcularse con la necesidad del valor lateral en el extremo inferior cumplida.

Este método asegura que un pad adecuado para QFN pueda diseñarse bien para alcanzar el alto rendimiento eléctrico de tanto este componente como del PCB. Luego, con capacidad de montaje profesional y calificada, PCBCart es capaz de transformar su diseño ideal en realidad.

Recursos útiles:
• Introducción a la tecnología Via-in-pad (VIP)
• Requisito de diseño de PCBs SMT Parte Uno: Diseño de pads de algunos componentes ordinarios
• Requisito de diseño de PCBs SMT Parte Dos: Configuraciones de conexión pad-trace, vías, punto de prueba, máscara de soldadura e impresión de serigrafía
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