PCB組立最適化：QFN部品ステンシル設計ガイドライン

QFNパッケージ

近年、QFN（クワッドフラットノーリード）パッケージ部品は、優れた電気的・熱的性能、軽量、小型といった包括的利点により広く採用されています。無鉛パッケージとして、QFN部品はリード間インダクタンスが低いことから業界から多くの注目を集めています。QFNパッケージ部品は正方形または長方形で、パッケージ形態はBGA（ボールグリッドアレイ）パッケージ部品と類似しています。BGAと異なり、QFNは底面にはんだボールを持たず、プリント基板（PCB）表面のパッド上に半田ペーストを印刷し、リフロー半田付け前に半田接合部を生成することで、他部品との電気的・機械的接続を達成します。

半田ペースト印刷は、PCBA（プリント基板組立）プロセス中の極めて重要な段階であり、組立の最終品質と性能をさらに決定します。適切なステンシルが設計・使用されない限り、半田ペースト印刷をスムーズかつ正確に行うことはできません。これが本記事が作成された理由です。

ステンシル設計

半田ペースト印刷は表面実装組立（SMA）と電子組立技術において極めて本質的な役割を果たし、ステンシルを通じた半田ペースト印刷品質は、表面実装電子/電気部品半田付けの初回歩留まり（FTY）と直接関連します。半田付け欠陥の60%〜70%が、ステンシルを通じた低品質半田ペースト印刷に起因すると結論付けられています。したがって、ステンシル技術を通じた半田ペースト印刷のあらゆる側面について包括的研究を実施する必要があります。

ステンシル設計において、優れた開口は最適で信頼性の高いはんだ接合部を保証する最初の要素です。

・ステンシルフレーム設計

ステンシルフレームは通常アルミニウム合金製で、そのサイズはプリンターパラメータと互換性を持つ必要があります。自動製造では、ステンシルが生産ラインに乗せられ、ステンシルサイズがプリンターに受け入れられる必要があります。サイズが大きすぎても小さすぎても、スムーズな製造を推進できません。

・ステンシルテンション設計

テンションとは、ステンレスステンシルプレートをフレームに固定するプロセスを指します。接着剤とアルミニウムペーストテープが通常テンションで使用されます。接着剤をアルミニウム合金フレームとステンレスステンシルプレートの接続部にまず塗布し、その後保護コーティングを均一にスクレープします。テンションプロセス中、ステンレスステンシルプレートとフレームの間に25mm〜50mmの内部距離を残し、半田ペースト印刷時の優れた平坦性とテンションを保証する必要があります。新規製造ステンシルは、センチメートルあたり40〜50Nの範囲でテンションを維持すべきです。

・ステンシルフィデューシャルマーク設計

自動製造ラインではプリンターによる自動位置決めが実行されるため、ステンシルにはフィデューシャルマークが必要です。フィデューシャルマーク設計は、PCBガーバーファイルのマーク寸法に基づき、1:1の比率で開口を設定し、ステンシル裏面でエッチングを実行します。一般的に、ステンシルには対角の2箇所に少なくとも2つのフィデューシャルマークが必要です。

・QFN部品周辺I/Oパッド用ステンシル設計

ステンシル開口サイズは周辺I/Oパッドと同等であるべきで、そのような開口サイズはリフロー半田付け後にパッド周辺で50〜75μmのはんだペースト高さではんだ接合部を形成できます。微細ラインQFN部品、特にI/Oピッチが0.4mm未満の場合、ステンシル開口幅をPCBパッドよりわずかに小さくし、周辺I/Oパッド間のブリッジを防止すべきです。ステンシル開口幅厚比（W/T）は1.5以上であるべきです。

・QFN部品中央放熱パッド用ステンシル設計

不適切な中央放熱パッド開口設計はあらゆる種類の欠陥を引き起こします。QFN部品がリフロー半田付けを通過するとき、大型パッド上の半田ペーストが溶け、フラックス溶融により一部の空気が流れ、エアホール、ピンホール、半田飛散、はんだボールなどの問題を引き起こします。これらの問題を完全に排除することはほぼ不可能ですが、いくつかの対策で悪影響を軽減できます。例えば、大きな開口ではなく複数の小さなメッシュ開口アレイを採用します。各小さな開口形状は円形または正方形で、中央放熱パッドの50%〜80%が半田ペーストで覆われる限り、50〜75μmのはんだペースト高さを確保できます。

・ステンシルカテゴリと厚さ

ステンシル材料はステンレスを推奨し、エッチング方法はレーザー切断を推奨します。穴壁に電解研磨を施し、穴壁を滑らかにして摩擦を低減し、半田ペーストの脱型と成形に有益とします。

ステンシル厚はPCBに印刷される半田ペースト量を決定する決定的役割を果たします。半田ペーストが多すぎても少なすぎても、リフロー半田付け時に欠陥を生じます。半田ペースト過多はブリッジを引き起こしやすく、過少はオープン半田付けを引き起こしやすいです。微細ラインQFN部品（ピッチ0.4mm未満）は0.12mm〜0.13mm厚のステンシル、高間隔QFN部品（ピッチ0.4mm以上）は0.15mm〜0.2mm厚のステンシルに依存することを推奨します。

・ステンシル検査

本格的なSMT組立前に、以下の検査項目でステンシルを慎重に検査すべきです：
a. 目視検査でテンション平坦性を検査し、開口がステンシル中央に位置することを確認。
b. 目視検査でステンシル開口位置がPCBパッドと互換性があることを確認。
c. ステンシル開口サイズ（長さ、幅）を検査。
d. 顕微鏡で開口穴壁とステンシル表面の滑らかさを検査。
e. テンションメーターでステンシルテンションを測定。
f. 半田ペースト印刷結果でステンシル厚を検証。

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