QFN部品実装のエキスパートガイド：設計と半田ペースト印刷ソリューション

電子製品組立密度の継続的な向上により、電子部品とデバイスは小型化、微細ピッチ化、さらには無鉛化へと進んでいます。本記事では、QFN（クワッドフラットノーリード）部品に適合した優れた半田ペースト印刷技術について議論し、QFN部品とLCCC（無鉛セラミックチップキャリア）部品の特徴を詳述します。QFN構造とパッド設計を、QFNパッケージ外観設計、QFNパッド設計、QFNステンシル開口設計に基づいて紹介します。最後に、半田ペースト成分、ステンレスステンシル特性とパラメータ、印刷環境、半田ペースト印刷技術設計、印刷装置の観点からQFN部品の優れた半田ペースト印刷技術を分析し、QFN部品半田ペースト印刷の主要欠陥と、QFN部品に適合した優れた半田ペースト印刷実装の実践経験を紹介します。

QFNとLCCCは、一般的な2種類の珍しい無鉛部品です。鉛付き部品と比較して、両者のPCB（プリント基板）パッドと金属ステンシル開口は、微細で長いリード用のパッドとは異なり、特に半田ペースト印刷技術の面で異なります。

QFNの本質的利点

LCCCパッケージの主要材料はセラミックであるのに対し、QFNはプラスチックで、消費者向け電子製品により受け入れられる低価格です。その結果、QFNは小型家電で広く採用されています。QFN部品は正方形または長方形で、CSP（チップサイズパッケージ）と類似しています。唯一の違いは、QFN部品は下部にはんだボールを持たず、PCB基板とQFNの電気的・機械的接続が、リフロー半田付け時に溶ける半田ペーストに完全に依存し、冷却後に半田接続になる点です。QFNとPCBパッド間の接触距離が最短であるため、大多数の鉛付き部品より優れた電気的性能と熱性能を発揮し、特に放熱と電気的性能への要求が高い電子製品に適しています。従来のPLCC（プラスチックリードチップキャリア）部品と比較して、QFN部品はパッケージ面積、厚さ、重量が劇的に減少し、寄生インダクタンスが50%減少するため、携帯電話やコンピューターで特に優れています。

QFN部品のPCBパッド設計

・QFNパッケージの形状設計

新しいIC（集積回路）パッケージ形態として、QFN部品は基板上のパッドと平行な半田付け端子を含みます。裸銅が通常部品中央に設計され、より優れた熱伝導性と電気的性能を提供します。したがって、電気的接続用のI/O半田付け端子を中央冷却フィンの周囲に配置でき、PCB配線をより柔軟に実行できます。I/O半田付け端子は2タイプあり：一方は部品底面を露出させ他部分をパッケージ内に封止、もう一方は部分的な半田付け端子が部品側面に露出しています。

パンチングまたはジグザグタイプを適用し、銅リードを用いて内部ウェハと中央半田付け端子銅チップ、周辺半田付け端子を接続してフレーム構造を生成します。その後、樹脂を用いて金型固定と封止を行い、中央半田付け端子と周辺半田付け端子をパッケージ外部に露出させます。

・QFNパッド設計

QFN部品底面に大面積銅シートが熱放散用にあるため、優れたPCBパッド設計と金属ステンシル設計を実装し、QFN部品で信頼性の高いはんだ接続を生成すべきです。QFNパッド設計は3側面を含みます：

a. 周辺I/Oピンパッド設計

基板上のI/O用パッドは、QFNのI/O半田付け端子よりわずかに大きく設計すべきです。パッド内側は円形に設計し、パッド形状と適合させます。PCBに十分な設計スペースがある場合、基板上のI/Oパッド周方向長さは少なくとも0.15mm、内側持続長さは少なくとも0.05mmとして、QFN周辺のパッドと中央部のパッド間に十分なスペースを確保し、ブリッジ発生を防止すべきです。

b. PCBソルダーマスク設計

PCBソルダーマスク設計は主に2カテゴリに分類されます：SMD（ソルダーマスク定義）とNSMD（非ソルダーマスク定義）。前者のソルダーマスクは金属パッドより小さい開口を持ち、後者は金属パッドより大きい開口を持ちます。NSMD技術は銅腐食技術で制御しやすく、半田ペーストを金属パッド周辺に配置でき、はんだ接続の信頼性が大幅に向上します。中央放熱パッドのソルダーマスク設計には、比較的大きな面積を持つSMD技術を採用すべきです。

ソルダーマスク開口はパッドより120〜150μm大きく、すなわちソルダーマスクと金属パッドの間に60〜75μmの間隔を保つべきです。カーブしたパッド設計には、それに適合したカーブしたソルダーマスク開口が必要です。特にコーナーで十分なソルダーマスクを維持し、ブリッジ発生を防止すべきです。各I/Oパッドでソルダーマスクを覆うべきです。

放熱用スルーホールのパッドでソルダーマスクがスルーホールを覆い、放熱スルーホールから半田ペーストが流出するのを防止すべきです。これはQFN中央裸半田付け端子とPCB中央放熱パッド間のボイド半田付けを引き起こす可能性があるためです。スルーホールソルダーマスクは主に3タイプあり：トップソルダーマスク、ボトムソルダーマスク、スルーホール。スルーホールソルダーマスク径はスルーホール径より100μm大きくすべきです。PCB裏面でスルーホールにソルダーマスクオイルを塗布してブロックすることが推奨され、これにより放熱パッド表面側に多数のキャビティが生成され、リフロー半田付けプロセス中のガス放出に有益です。

c. 中央熱パッドとスルーホール設計

QFN底面中央に放熱用パッドが設計されているため、優れた熱性能を持ちます。IC内部からPCB基板へ効率的に熱を伝導するため、PCB底面に対応する熱パッドと放熱スルーホールを設計する必要があります。熱パッドは信頼性の高いはんだ付け面積を提供し、放熱スルーホールは放熱機能を提供します。

部品底面の大きなパッドにより半田付け時にエアホールが生成されます。エアホール数を最小限に抑えるため、熱スルーホールを熱パッドで開口し、熱を速やかに伝導し放熱に有益とすべきです。熱スルーホールの数とサイズ設計は、パッケージの適用分野、IC電力の程度、電気的性能要件に依存します。

・QFNステンシル開口設計

a. 周辺I/Oパッドリーホール設計

金属ステンシル開口設計は一般に面積比と幅厚比の原則に従います。特定タイプの部品が局所的な肥厚や局所的な薄化の原則を利用する可能性があるためです。

b. 中央放熱大型パッド開口設計

中央放熱パッドは大規模であり、ガスが逃げようとして気泡が生成されます。大量の半田ペーストを適用すると、より多くのガスホールが生じ、スパッタやはんだボールなど多数の欠陥も発生します。ガスホール数を最小限に抑え、放熱大型パッド設計で最適な半田ペースト量を得るため、ネットリーホールアレイを選択し、大きなリーホールに置き換えます。各小さなリーホールは円形または正方形で設計でき、サイズは無制限ですが、中央放熱パッドの50%〜80%が半田ペーストで覆われる範囲内とします。

c. ステンシルタイプと厚さ

金属ステンシル放熱パッド開口設計は、半田ペースト塗布厚に直接関連し、実装部品の接続高さを決定します。

優れた半田ペースト印刷技術

QFN半田ペースト印刷品質を決定する要素には、主に半田ペースト、PCBパッド、金属ステンシル、半田ペーストプリンター、手動操作が含まれます。

半田ペーストは純スズ鉛合金よりはるかに複雑な成分を持ち、はんだ合金粒子、フラックス、流動調整剤、粘度制御剤、溶剤を含みます。QFN部品は中央部に大型放熱パッドを持つ無鉛デバイスであるため、粘度と粘度制御技術に比較的高い要求が設定されています。半田ペースト粘度は高すぎてはならず、高すぎるとステンシル開口を通過し困難になります。さらに、粘度が低いと印刷トレースが不完全になります。

半田ペースト粒子が小さいほど、半田ペーストはより粘性が高くなります。含まれる粒子量が多いほど、半田ペーストはより粘性が高くなります。半田ペーストは球状粒子で最高粘度を示し、逆も然り。超微細ピッチ印刷では、より薄い粒子を持つ半田ペーストを使用して、より良い半田ペースト解像度を獲得する必要があります。

半田ペースト印刷は、多数の技術パラメータを含む複雑なプロセスで、それぞれが不適切に調整されると多大な損害をもたらします。これらのパラメータは主に、スクレーパー圧力、印刷厚、印刷速度、印刷方法、スクレーパーパラメータ、剥離速度、ステンシル洗浄頻度を含みます。スクレーパー圧力が低いと、半田ペーストがステンシル開口底部に効果的に到達せず、パッドに落下しません。スクレーパー圧力が大きすぎると、半田ペーストが薄くなりすぎたり、ステンシルを損傷したりします。適切な半田ペースト印刷肥厚は、QFN部品の組立信頼性向上に有益です。

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