Преимущества сборки микросхем в компактных QFN-корпусах

QFN (Quad Flat No-lead Package) – тип пластикового корпуса квадратной формы с планарными выводами, расположенными непосредственно под микросхемой по всем четырём сторонам. Является одним из наиболее востребованных в мире стандартов корпусирования электронных устройств. В статье мы рассмотрим его преимущества и технологический маршрут сборки микросхем в QFN-корпусах.

Преимущества

Стоимость производственной линии микросхем в QFN-корпусах ниже, чем для более сложных корпусов (например, FCBGA) или активно развиваемых в последнее десятилетие 2,5D- и 3D-сборок. На рис. 1 видно, что корпус QFN был разработан позже большинства стандартных типов корпусов, таких как DIP, SOP, SOT и TO. Корпус QFN имеет большую плотность контактов и более широкий спектр применений.

Рис. 1 Хронология разработки различных типов корпусов и методов микросборки

Среди преимуществ QFN – небольшой размер, малый вес, хорошее рассеивание тепла, хорошие электрические характеристики и надежность. Сравним 32-контактный QFN и 28-контактный PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier), которые решают одни и те же задачи (рис 2).

Рис. 2 28-контактный PLCC (слева) и 32-контактный QFN (справа)

По сравнению с PLCC площадь поверхности корпуса QFN (5 × 5 мм) меньше на 84 %, толщина (0,9 мм) меньше на 80 %, а вес (0,06 г) меньше на 95 %. Такое существенное превосходство QFN в компактности относительно других корпусов с выводами по четырём сторонам определило их использование для поверхностных сборок большой плотности, применяемых в мобильных телефонах, цифровых камерах, планшетах и других электронных изделиях.

Технологический маршрут

На рис. 3 проиллюстрирована последовательность сборки микросхем в QFN-корпусах:

• тейпинг;
• монтаж кристаллов;
• отверждение адгезива;
• разварка соединений тонкой проволокой;
• заливка в пластик;
• детейпинг;
• резка пластины выводной рамки;
• тестирование;
• сортировка и упаковка.

Рис. 3 Последовательность сборки микросхем в QFN-корпусах

Рассмотрим каждый из основных этапов данного техпроцесса отдельно.

Тейпинг

Специальная полиамидная лента наносится на нижнюю сторону выводной рамки, чтобы предотвратить натёки пластика на контакты по время заливки. Самыми распространёнными для данной задачи являются ленты на основе силикона. Перед нанесением ленты рекомендуется плазменная очистка выводных рамок. Тейпинг производится на специализированных автоматических установках. Для отверждения клейкого состава выводную рамку с лентой нагревают.

Монтаж кристаллов

Далее следует нанесение на выводную рамку адгезива или припоя. Дозирование данных материалов производится самой установкой монтажа до размещения кристалла.

Затем следует монтаж кристаллов в соответствующие области выводной рамки (рис. 4). Важным параметром здесь является точность монтажа. Неточная и неплоскопараллельная установка кристаллов на выводную рамку повлияет на последующий процесс разварки проволочных соединений. Требуемая точность техпроцесса – не более ±25 мкм, а параллельность должна быть не более ±2°. Также важна поддержка работы с пластинами 150 мм (6") и 200 мм (8"), так как не все производители QFN-устройств работают с пластинами 300 мм (12").

Рис. 4 Пример выводной рамки типа QFN

Сам процесс может быть двух типов – либо адгезионный монтаж, либо пайка. Обычно выбирают первый вариант по причине себестоимости. Основное различие между процессами состоит в том, что адгезив отверждается в отдельных печах, а при пайке это происходит в рабочей зоне установки.

Отверждение адгезива

На этом этапе происходит отверждение адгезива и, следовательно, скрепление кристаллов с выводящей рамкой. Сам процесс отверждения производится в нейтральной азотной среде с постоянным контролем температуры нагрева. Обычно для данной задачи используются анаэробные печи с настраиваемым термопрофилем по нескольким точкам и с точностью поддержания температуры в пределах 1–1,5 °C.

Разварка соединений тонкой проволокой

Суть процесса состоит в том, чтобы соединить контактные площадки кристалла с контактами выводной рамки. Разварка тонкой проволокой является вторым важным этапом микросборки после монтажа кристаллов, и из-за количества контактов вероятность возникновения брака высока. На рис. 5 показана разварка проволокой в корпусах типа QFN48. К кристаллу размером примерно в ~1 см2 приварены десятки проволочных соединений, расстояние между контактами 35 мкм, при этом требуется минимальная высота петель.

Рис. 5 Устройство QFN после разварки проволочных соединений

Поэтому помимо точности при подборе установки разварки тонкой проволокой следует также принимать во внимание наличие функции контроля высоты, длины и формы соединения. Из-за высокой сложности процесса встроенная система технического зрения для визуального контроля качества соединений в режиме реального времени также является важным элементом данного типа оборудования.

Заливка в пластик (Molding)

Данный этап заключается в заливке устройства эпоксидным составом для изоляции электрических элементов от внешних разрушающих воздействий (рис 6).

Рис. 6 Темная поверхность – изолирующий слой пластика

Затвердевший пластик защищает кристалл и проволочные соединения от механических повреждений и химического воздействия воздуха и влаги внешней среды. Непокрытыми остаются только контакты выводной рамки на нижней поверхности, закрытые плёнкой.

Основным элементом установки заливки в пластик является пресс-форма, которая изготавливается согласно используемой выводной рамке.

Детейпинг

После заливки в пластик непокрытой остаётся только нижняя поверхность рамки, защищённая лентой, нанесённой на первом этапе (рис 7). Съем с ленты производится на тех же автоматических установках, что и тейпинг.

Рис. 7 Примеры облоя на поверхности контактов

Резка пластины выводной рамки

До этой стадии устройства ещё располагаются на единой выводной рамке. Процесс резки выводной рамки QFN на отдельные элементы аналогичен резке полупроводниковых пластин на кристаллы. Для этой операции используется то же оборудование – установки дисковой резки (рис 8), с учетом замены оснастки и режущего инструмента.

Рис. 8 Рабочая зона установки дисковой резки

Тестирование

Данный этап не является обязательным в процессе корпусирования, если предыдущие этапы произведены идеально, и брак был ранее обнаружен системами технического зрения установок монтажа и разварки.

Но тестирование необходимо. Устройства, которые не были проверены на данном этапе, несут риск короткого замыкания при эксплуатации после монтажа на печатную плату. Такие виды дефектов, как повреждение контактов, обрыв электрических соединений и критические отклонения изделия от правильной геометрической формы должны быть своевременно обнаружены, и устройство отсортировано как брак.

Сортировка и упаковка

Прошедшие проверку QFN-корпуса помещаются в ленту-носитель или другой формат упаковки. Большое количество единиц продукции при массовом производстве, их малый размер и вес, а также необходимость работы установки с разными типами носителей и устройств делают надежность и производительность этого типа оборудования одними из важных параметров.

В связи с востребованностью на рынке представлен широкий спектр оборудования для производства устройств QFN – от малых серий в рамках НИОКР до массового производства на крупных предприятиях. Это даёт необходимую гибкость в подборе оборудования для создания компактных и эффективных QFN-устройств даже с учётом существующих сегодня ограничений.

___________________________________________

Григорий Савушкин
Пресейл-инженер по вопросам микросборки и корпусирования
Май 2023

____________________________________________

Подписывайтесь на наш канал на Яндекс.Дзен

Вебсайт Остек-ЭК: решения по микросборке и корпусированию

#QFN #корпусирование #микросборка