QFN-Bauteile

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Inhaltsverzeichnis

Gehäuseform

Ein QFN-Gehäuse ( Quad Flat No Leads ) ist ein quadratisches Kunststoffgehäuse mit den Anschlüssen an der Unterseite. Die Lötstellen sind von Außen nicht zu betrachten. Es gibt zwei Typen von QFN Bauelementen, AIR-Cavity QFN und Plastik-Moulded QFN die sich im Aufbau und durch die Anwendung in unterschiedlichen Frequenzbereichen unterscheiden. Entwickelt wurden die Bauformen von den Firmen Texas Instrument, Integrated Device Technology und Hitachie. Andere Bezeichnungen für die gleiche Gehäuseform sind MLF ( Firma Amkor Technology ) und MLP ( Firma Carsem ). Durch den kompakten Aufbau eignen sich diese Bauelemente für hochdichte Leiterplatten, besonders für die Anwendung im mobilen Bereich. Im Gegensatz zu den ähnlichen Bauformen QFJ ( Gull-Wing-Anschlüsse ) und QFP ( Anschlüsse wie beim SOI-Gehäuse ) befindet sich an der Unterseite der QFN-Bauteile eine große Massefläche. Die Fläche ( ExposedPad oder ThermalPad ) dient zur Wärmeabfuhr aus dem Baustein, da der Siliziumchip direkt auf diese montiert ist. Zudem können bei auftretender Wärmebelastung die Scherkräfte wesentlich beeinflusst und damit die Lötstellen der Anschlüsse entlastet werden.

Weitere Informationen zu den Gehäuseformen

Probleme und Lösungen beim Einsatz von QFN-Bauelementen

In diesem Abschnitt wird eine Diskussion der Jahre 2003, 2005 und 2007 im FED-Forum, nachzulesen auch im Forums-Archiv unter QFN, bzw. QFN-Package, bzw. Bauteile in der Automotivindustrie im QFN Package, zusammengefasst.

2003

• Bei der Verwendung von QFN mit blanker Oberfläche der Seitenflanken, an der sich sehr schlecht oder gar nicht Lötstellen ausbilden, besteht die Schwierigkeit der optischen Prüfung der Lötstellen, da sich diese unter dem Bauteil befinden. Eine Qualitätskontrolle mit AOI, bzw. AOX, war zu der Zeit nicht möglich und damit nur Vertrauen in eine „gute“ Lötung die Lösung des Problems.

2005

  • Zur Ausgestaltung der Footprints von QFN-Bauteilen war in der IPC-SM-782 noch nichts zu finden, erst in der Ausgabe der Nachfolgeschrift IPC 7351 sind entsprechende Vorgaben zu finden. Das Thermalpad ist vollflächig ausgelegt und komplett lackfrei, für die Lotpaste wird eine aufgerasterte Fläche empfohlen.
  • Eine vollflächige Bedruckung mit Lotpaste führt im Lötvorgang zu einem Zusammenziehen des Lotes und Einschluss von Lotmittelgasen. Das Bauteil stellt sich damit schief und verhindert Lötungen an den Außenkanten.
  • Abhilfe wurde mit ovalen Pads geschaffen, damit die Lotmittelgase entweichen können. In Applikationen von TI und Freescale wird auf das Verhältnis von Lotpaste zu Thermalpad eingegangen und hier eine Bedruckung von 50% bis 60% empfohlen, die in mehreren Lotdepots aufgeteilt sein sollte.
  • An anderer Stelle wurde darauf hingewiesen, dass damit auch eine Rotationsbewegung während des Lötvorganges verhindert werden kann.
  • Je nach Größe des Bauteiles kann es für die Ausführung der Pads, bzw. der Aufrastung unterschiedliche Möglichkeiten geben.
  • Vor eine Verwendung der Innenfläche für Layoutmaßnahmen wird gewarnt, da damit die Kühlfläche vermindert wird und ein Absinken der Zuverlässigkeit die Folge sein kann. Die Funktion des Thermalpad oder Exposedpad wird unter dem Abschnitt Gehäuseform beschrieben.

2007

  • Auch in diesem Jahr wird die Frage nach der Prüfbarkeit der Lötstellen gestellt. Eine Prüfung, auch mit AXI, ist nach wie vor kritisch. Eine Prüfung ist dann gegeben, wenn seitlich benetzbare Flächen vorhanden sind und mit einem AOI-System der Meniskus geprüft werden kann. Mehrreihige Bauteile sind nicht prüfbar.
  • Im Gegensatz zu den vorstehenden Aussagen wird die Verarbeitung von QFN-Bauteilen von einem anderen Produkthersteller als gut dargestellt und auch die Prüfbarkeit durch Merkmale für AOI-Systeme hervorgehoben. Jedoch ist das Design ein wesentlicher Faktor. Zu beachten sind:
Pitch (Mitte-Mitte-Abstand von Bauteilanschlüssen), die Padgestaltung, Padverkleinerung, Lötstoppreststege, saubere Trennung durch Lötstoppmaske, Fertigungstoleranzen und Maskenversatz des Leiterplattenherstellers Vias unter dem QFN, Schablonengestaltung, Pastenmenge und Absetzkräfte und Versatz beim Bestückungsprozess.
  • Diese Aussage wird von anderer Seite bestätigt, allerdings sind Regeln, wie schon vorstehend erwähnt, einzuhalten, die nachfolgend detailliert werden:
1. Cu-Pads
im Wesentlichen wie bei QFPs dimensionieren, bei großem Pad unter dem IC auf den Innenseiten nicht größer als unbedingt notwendig machen. Da muss man etwas mit den manchmal großzügigen Toleranzen der Hersteller spielen, um auch im ungünstigsten Fall keine Schlüsse zu generieren.
2. großes Pad unter dem IC sofern vorhanden, wie die Fläche beim Bauteil oder geringfügig kleiner dimensionieren
3. Lotpaste auf den äußeren Anschlüssen deutlich gegenüber dem Cu-Pad verkleinern (je nach Abmessung umlaufend 0,075...0,1 mm) da ja kaum die Möglichkeit besteht, Paste nach außen zu verdrängen.
4. Lotpaste auf dem inneren Pad unter dem IC nur punktuell auftragen: 50-Volumen-% der Paste sind flüchtig und müssen hinaus. Dafür sind "Entlüftungskanäle" gut. Weiterhin besteht die Gefahr, dass Paste sich auf einer großen Fläche zu einem deutlich höheren Berg zusammenzieht und die Pads am Rande abheben.
5. Lötstopplack ist hier kontraproduktiv - vorausgesetzt dass keine Leitungen zwischen den Pads hindurchgeführt werden müssen. Auf FR4 haften Lotkugeln schlechter als auf Lack und schmale Lackstege neigen zum Abbröseln (habe ich schon selber an der optimalen Stelle gefunden: in der Lötstelle). Bei extremen Unterschieden zwischen Lackhöhe und Cu-Schichtdicke kann es zu unerwünschten Aufsetzern kommen. Der Lack bringt hier keinerlei Vorteile sondern ganz im Gegenteil. Also eher eine großes "Lackfreifenster" um die gesamte Pad-Geometrie herum dimensionieren.
  • Bei der Verwendung der QFN-Bauteile kann der Layouter durch ein gutes Design wesentlich die Verarbeitung beeinflussen. Eine Absprache mit Entwickler, Leiterplattenhersteller und Baugruppenproduzent ist zwingend notwendig.
  • Für die Zuverlässigkeit der Baugruppen mit QFN-Bauteilen ist die Ausführung, Keramik oder normales Halbleitergehäusematerial und die Größe der Bauteile zu beachten. Der CTE-Wert von Keramik liegt mit dem Faktor 2 bis 3 unter dem von FR4-Material, während der CTE-Wert von Kunststoffgehäusen um den Faktor 2 bis 3 über dem FR4-wert liegt.
  • Im Zusammenhang mit den Exposedpads stellt sich das Problem der Stand-Off Angaben mit großen Toleranzen ( 50 bis 150µm ). Die Menge der Lotpaste, aber auch die Rezeptur, kann wie schon oben geschrieben hier Abhilfe schaffen. Zur Pastendimensionierung ist in der PLUS 11/2007 auf der Seite 64 und folgende ein Artikel über „Porenfrei Löten“ zu finden.
  • Eine weitere Anfrage zum Umgang mit dem Exposedpas betrifft ein Bauteil im QFN16-Gehäuse ( MMA7260Q). Hier wird davor gewarnt, das Pad an Ground anzuschließen. Der Grund: üblicherweise ist das Pad mit dem Chip direkt verbunden und welches Potential dann dort vorhanden ist hängt vom Aufbau des Chips ab. In vielen Fällen ist das Pad für ein besseres Wärmemanagement gedacht und sollte als solches benutzt werden. In einem passenden Datenblattwird an drei Stellen darauf hingewiesen, dass auf keinem Fall das Exposedpad für dieses Bauteil gelötet werden soll. Als Zusammenfassung wird von einem Forumsteilnehmer empfohlen:
1. Auf das Pad kann für die normale Consumer-Anwendung verzichtet werden.
2. Ein Pad ohne irgendwelche Anbindung an ein Potential, kann schnell zu einer Antenne werden. Dieses Pad sollte dann auch nicht gelötet werden.
3. Das Pad mit Ground verbinden und aber nicht Löten könnte elektrische Vorteile bringen. Eine Isolierung mit Stopplack, über die Wirksamkeit gibt es unterschiedliche Meinungen, ist dann notwendig.
4. Ein Löten des mit Ground verbundenen Pads ist nicht zu empfehlen.
  • Schlechte Erfahrungen mit einem QFN-Gehäuse, das um ein universell verwendbares Package zu haben, ein zugedrucktes Exposedpad hatte, werden von einem anderen Forumsteilnehmer berichtet, mit dem Hinweis,dass das oben angeführte Datenblatt nicht 100%ig Anwendung finden kann. Das Exposedpad war nicht immer vollständig mit Lack abgedeckt und zog von den kleinen Pads am Gehäuserand das Zinn weg. Ausfälle wegen offener Lötstellen waren die Folge. Abhilfe bzw. der Tip, um diesen Fehler zu vermeiden: Exposedpad immer auf dem Layout spiegeln und löten, aber nicht elektrisch anschließen. Ein besseres Wärmemanagement ist damit immer gewährleistet.

Weitere Informationen

Ein Artikel in der PLUS-Ausgabe 9 / 2007 auf Seite 1700 und folgende „Kostenreduktion durch den Einsatz eines optimierten Leiterplattendesigns für AOI und AXI, Detlef Beer, Viscom AG“ beinhaltet einen Hinweis auf das QFN-Paddesign. Der Verfasser referierte zum gleichen Thema auf der FED-Konferenz 2007 in Bremen. Die Vortragsfolien sind im Konferenzband, bzw. auf der Konferenz-CD enthalten.

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