QFN PCBパッド設計の極意：高信頼性実装を実現するキー設計要素

電子部品パッケージ技術が小型・軽量・高性能化に向かう中、部品機能密度を高め、入出力端子間隔を狭めることは必須のトレンドとなっています。これはSMT（表面実装技術）を特徴とする自動実装技術によって最もよく体現されています。部品を表面実装するための第一歩は、PCB上に対応するパッドを製造し、構造化されたPCBを得ることです。次にステンシル印刷技術でPCBパッド表面に半田ペーストを塗布し、加熱して半田ペーストを液状化させ、部品ピンとPCBパッドの間に液体ブリッジを形成します。PCBのレジストの影響で溶融半田は対応するパッド領域内に制限され、半田ブリッジによるショートを防止し、チップのPCBへの自動実装が実現されます。パッケージタイプに応じて、円形と長方形の半田パッドが主に選択されます。つまり、BGA（ボールグリッドアレイ）とQFN（クワッドフラットノーリード）パッケージです。BGAについて知りたい方は、わずか4ステップで理解できます。

QFNの基礎知識

他のパッケージタイプの部品と比較して、QFNパッケージはPCBまたはFPC基板に直接半田付けされるよう設計されています。底面の露出金属パッドにより優れた放熱性を発揮します。また、ピンが延長パッケージ部品より短いため、優れた電気的性能を備えています。したがって、PCB上のQFNパッドを適切に設計することは、PCBの高信頼性と高性能を維持・確保する上で極めて重要です。

濡れ角

QFNピンのサイズとピン間隔が比較的小さいため、半田ペースト塗布量の精度不足により半田ブリッジや疑似半田が発生する可能性があります。ステンシル厚（h₀）に基づいたPCBパッドサイズの合理的設計は、半田付け成功率を大きく向上させます。パッド上の半田濡れ角（θₐ）を30°、レジスト上の濡れ角（θᵣ）を160°と仮定し、パッド表面粗さを無視すれば、濡れ角は三相接触線の前進角または後退角とみなせます。QFN部品の実践的なリフロー半田付け工程において、半田が完全に溶融しパッド表面が濡れた理想的条件下で、リフロー温度プロファイルを合理的に制御することは、半田付け効率を確保するだけでなく、部品が自動実装の半田付けバランスに達するのを助けます。パッドが合理的に設計されていれば、理想的な半田接合状態は、PCBの電気的性能と機械的接続の要求を満たすだけでなく、ブリッジや疑似半田などの半田接合不良を回避できます。したがって、半田接合状態は以下の式を満たす必要があります：

a. QFN内部の半田接合がPCBパッド上に完全に分布している場合：θₐ ≤ θⱼ(Zᵤ) ≤ θᵣ、θⱼ(0)=30°、x₃(0)=x₄(0)=Dₓ₄

b. QFN外部の半田が側面パッドで成長する場合：

(1) θⱼ(Zᵤ)=θₛ₃+90°、θ₄(0)=30°、θ₃(0)=30°

(2) x₃(0)=x₄(0)=Dₓ₄(0)、x₃(Zᵤ)=0

パッド設計

この式において、θₛ₃はθₐと等しく、どちらも側面パッド上の半田濡れ角です。

垂直方向におけるブリッジ液体の静的平衡方程式：
P_dL_y(x₃(0)-x₄(0)+L_x)+W_z-[T(x₃(0)-x₄(0)+L_x)(sinθ₂(0)+sinθ₁(0))+TL_y(sinθ₃(0)+sinθ₄(0))]-ρgV₀=0

半田接合底部の圧力強度（P_d）は：
P_d=[T(x₃(0)-x₄(0)+L_x)(sinθ₂(0)+sinθ₁(0))+TL_y(sinθ₃(0)+sinθ₄(0))+ρgV₀-W_z]/[L_y(x₃(0)-x₄(0)+L_x)]

ここで、ρは半田液体密度、Tは半田接合液体の表面張力、x₃(0)とx₄(0)は底部パッド液体における液体半田接合両端の滑り量、θ₁(0)とθ₂(0)は半田接合両側の液気界面と底部パッド面で形成される接触角、θ₃(0)とθ₄(0)は両端で形成される接触角、V₀は半田接合体積、W_zはチップ端部のパッドと半田接合に作用する垂直方向の力を指します。

式(1)と(2)の制約下で、半田接合のフレーム曲線は、初期値問題の効果的な解法に基づき、上端における境界条件を初期条件と等価にできます。初期値問題の解はz=0の要件を満たせないため、目的関数最小化の等価問題に変換され、式(3)で表されます。

この最小化目的関数を用いて、理想的なパッド設計サイズDₓ₄を決定できます。

さらに、PCBパッドの半田巻き角の幾何学的特徴も考慮する必要があります。その観点から、パッドの拡張サイズは以下の式に従うべきです：

この式でD_hはチップ外部の露出側面パッド厚を指します。陰変数の最適化により、目的関数が期待誤差要件を満たし、パッド内側と外側の設計サイズ（Dₓ₄とDₓ₃）が、下端の側面値の必要条件を満たして計算できます。

この手法により、QFNに適したパッドを適切に設計し、この部品とPCBの両方の高い電気的性能を実現できます。そして、専門的で資格のある実装能力を持つPCBCartが、あなたの理想的な設計を現実のものに変えます。

参考資料

• ビアインパッド（VIP）技術の紹介
• SMT PCB設計要求 第1部：一般的部品のボンディングパッド設計
• SMT PCB設計要求 第2部：パッド・トレース接続、スルーホール、テストポイント、レジスト、シルクスクリーンの設定
• QFN部品のステンシル設計要求：PCBA最適性能のために
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