Konstrukce pouzder QFN, jejich výměna a trénink pájení

V současné době se začaly používat stále více integrované obvody v pouzdrech QFN (Quard Flat No Lead). Jedná se o speciální typ pouzdra, jehož montáž s sebou přináší určitá specifika a problémy. Pro svoje nesporné výhody, mezi které patří dobrý odvod tepla ze systému, tato pouzdra používá většina výrobců polovodičových součástek pro výkonové aplikace. Tento článek částečně navazuje na články uvedené ve dřívějších číslech časopisu DPS [1] a [2]. Provedení pouzder se může pro jednotlivé výrobce lišit, s čímž může souviset i způsob montáže. Vzhled pouzder QFN je na obr. 1.

Konstrukce a vlastnosti pouzder QFN

Jedná se o plastové pouzdro nejčastěji čtvercového půdorysu, méně potom i obdélníkového. Toto pouzdro patří spolu s pouzdry BGA do skupiny pouzder typu LGA, u kterých jsou vývody umístěny ve spodní části. Na obr. 2 je provedení dvou základních typů pouzder podle způsobu připojení polovodičového čipu. Ten může být připojen mikrodrátky bondováním (obr. 2a, b) nebo výčnělky (bumpy), případně válečky umístěnými přímo na polovodičovém čipu (obr. 2c, d). Vývody jsou umístěny po obvodu s centrální ploškou ve středu pouzdra. Obr. 2a ukazuje standardní provedení, obr. 2b, případně provedení „punch“. U tohoto provedení se jednotlivá pouzdra vysekávají z rovinné podložky a pouzdro má rovinný okraj. Kovové vývody jsou opatřeny bezolovnatou povrchovou úpravou, nejčastěji Sn nebo NiPdAu. 

Jedná se o

a) Vývody typu „S“. V tomto případě jsou vývody odleptány tak, aby kontaktní ploška nebyla na boku pouzdra. Po zapájení se nevytváří z boku charakteristický meniskus pájky.

b) U vývodů typu „E“ je ploška vývodu obnažena i z boku, vytváří se charakteristický meniskus pájky podobně, jako můžeme najít u pájení čipových součástek.

c) Speciálním provedením je vývod „D“ (dimpled) s vybráním, které zvětšuje pájecí plochu a zvyšuje celkovou mechanickou pevnost a tím i spolehlivost pájeného spojení.

Pouzdra QFN zaujímají na desce plošného spoje velice malou pracovní plochu, podle [3] je to až o 70 % méně než vývodová pouzdra QFP a je to přibližně stejně jako pouzdra BGA. Díky konstrukci, kdy je polovodičový čip umístěn na střední chladicí plošce, mají tato pouzdra velice dobrý odvod tepla z čipu, a proto mohou zpracovávat velké výkony za předpokladu, že je vhodně navržena kresba (footprint) plošného spoje. Návrh musí být realizován tak, aby se teplo mohlo dobře šířit do desky plošného spoje bez tepelných můstků. Návrh je podrobně uveden v [4] a [5].

Ruční výměna a pájení pouzder QFN

Základním postupem při výměně QFN pouzder je jeho sundání pomocí horkého vzduchu, očištění pájecích plošek odsávačkou a knotem, nanesení pájecí pasty nebo pájky na pájecí plošky a opětovné připájení nového pouzdra horkým vzduchem. Při demontáži a montáži pouzder se doporučuje použít spodní předehřev, který výrazně sníží teplotní gradient mezi deskou plošného spoje a pouzdrem. Při pájení je nutno vždy sledovat termočlánkem teplotu v blízkosti pouzdra, aby došlo ke spolehlivému přetavení. Po přetavení je většinou třeba doopravit připájení jednotlivých vývodů ostrým pájecím hrotem z boku. Při opravách je vhodné používat větší množství pastovitého tavidla.

Trénink pájení pouzder QFN

Stejně jako trénink pájení obecně je praktické odzkoušení výměny těchto pouzder velice důležité. Pracovník si musí udělat přibližnou představu o tepelném chování systému a osvojit si pracovní postupy, zvláště pak při dopájení jednotlivých vývodů na obvodě pouzdra.

Pro trénink pájení je vhodné použít zkušební desku plošného spoje a testovací pouzdra buď profesionální, nebo amatérsky zhotovená. Testovací desky a pouzdra vyrábějí například společnosti TOPLINE nebo Practical Components [6]. Jsou poměrně drahá (přibližně 100 Kč/ks) a je možno je částečně nahradit amatérsky vyrobenými přípravky. Příklady navržených přípravků jsou uvedeny na obr. 4. Testovací deska je zhotovena z materiálu FR4 tloušťky 1,5 mm s povrchovou úpravou HAL. Testovací pouzdro je zhotoveno z materiálu FR4 tloušťky 1 mm s frézovanou hranou. Na horní i spodní části pouzdra je nanesena černá nepájivá maska, aby byly alespoň přibližně zajištěny podobné tepelné vlastnosti, jako má originální pouzdro. Je vhodné použít tloušťku mědi 70 μm nebo větší s povrchovou úpravou ENIG, pro postup podle bodu c) uvedeného v další části článku je vhodnější povrchová úprava HAL. Na testovací desce i tréninkovém pouzdru je realizováno propojení („Daisy Chain“), které realizuje elektrické sériové propojení desky a pouzdra a plošek na plošném spoji. Ohmetrem je potom možno zkontrolovat správné zapájení (včetně střední chladicí plošky). Toto propojení je znázorněno červeně na obr. 4b.

Doporučené postupy při výměně pouzder QFN

Vzhledem ke své konstrukci a provedení přívodů je třeba pájet horkým vzduchem. Pokud bychom netrvali na připojení střední plochy nebo by se jednalo o pouzdro bez střední plochy a při dostatečně dlouhých ploškách pro vývody na obvodu, lze pouzdra pájet pouze hrotem pájky. Pro pájení pouzder QFN existuje celá řada obecných postupů:

a) Osazení pouzdra do pájecí pasty a následné přetavení. V tomto případě je třeba pájecí pastu nanést na desku plošného spoje minišablonkou, případně precizním dispenzerem.

b) Nanesení pájecí pasty přímo na pouzdro a následné osazení. Vzhledem k velikosti pouzder je manipulace s pouzdry velice komplikovaná. V obou případech je potřeba používat speciální držák s posuvem, abychom zamezili rozmazání pájecí pasty při pokládání pouzdra na desku.

c) Osazení pouzdra přímo na desku plošného spoje a následné přetavení. Tento postup je pro opravy nejlépe realizovatelný. Na pájecí plošky a střední plochu pouzdra i desky plošného spoje na desce naneseme pájecím hrotem (minivlnou) malé množství pájky, pouzdro osadíme (pozor na správnou orientaci) do pastovitého tavidla na desku plošného spoje. Celou sestavu důkladně přetavíme horkým vzduchem. Někdy se se pájka nanáší hrotem pájky i na plošky pouzdra. Je velice důležité nanést na plošky správné množství pájky, jinak dochází k nezapájení některých plošek. Zvláště kritická je situace pro připájení střední chladicí plochy. Pro tyto případy je možno použít vhodnou velikost kuliček pájky, které se používají pro opravu BGA pouzder. Kuličky ve vhodném počtu položíme na plošky do pastovitého tavidla.

Ve všech uvedených případech je třeba desku v místě pouzdra přetavit horkým vzduchem. Abychom měli jistotu přetavení, je třeba do blízkosti pouzdra (otvor vpravo dole na obr. 4c) nebo na spodek desky umístit termočlánek. Systém zahříváme na teplotu přibližně o 15 °C vyšší, než je teplota tání použité pájky. Je účelné použít spodní předehřev (teplota asi 80 °C), čímž snížíme teplotní gradient mezi horní částí pouzdra a spodkem desky.

Závěr

Uvedené postupy výměny QFN pouzder jsou pouze odzkoušeným doporučením, které vyplývá z praxe, a mohou se samozřejmě lišit. Postupy jsou stejné i při tréninku pájení. Uvedená náhrada originálních pouzder QFN pouzdrem zhotoveným z laminátu FR4 umožňuje relativně levnou možnost pro trénink pracovníků, kteří se budou výměnou zabývat.

Popsaná metoda výměny pouzder podle bodu c) je používaná v praxi, tréninkové pájení bude použito v praktických kurzech pro studenty předmětu „Mikroelektronické praktikum“, které probíhají na FEKT VUT v Brně.