QFN 컴포넌트 마운팅 전문가 가이드: 설계 및 솔더 페이스트 인쇄 솔루션

QFN의 필수 장점

전자 제품 조립 밀도의 지속적인 향상으로 전자 컴포넌트와 디바이스는 소형화, 미세 피치, 심지어 무연화되고 있습니다. 이 기사는 QFN(쿼드 플랫 노-리드) 컴포넌트와 호환되는 우수한 솔더 페이스트 인쇄 기술을 논의하고, QFN 컴포넌트와 LCCC(무연 세라믹 칩 캐리어) 컴포넌트의 특징을 소개합니다. QFN 패키지 외관 설계, QFN 패드 설계, QFN 스텐실 오프닝 설계를 기반으로 QFN 구조와 패드 설계를 소개합니다. 마지막으로 솔더 페이스트 성분, 스테인리스 스텐실 속성 및 파라미터, 인쇄 환경, 솔더 페이스트 인쇄 기술 설계, 인쇄 장비 관점에서 QFN 컴포넌트의 우수한 솔더 페이스트 인쇄 기술을 분석하고, QFN 컴포넌트 솔더 페이스트 인쇄의 주요 결함을 논의하며 QFN 컴포넌트와 호환되는 우수한 솔더 페이스트 인쇄 구현의 실무 경험을 소개합니다.

QFN과 LCCC는 일반적인 두 가지 무연 컴포넌트 유형으로 특이합니다. 리드 컴포넌트와 비교하여 PCB(인쇄 회로 기판) 패드와 금속 스텐실 오프닝은 특히 솔더 페이스트 인쇄 기술 측면에서 미세하고 긴 리드용 패드와 다른 패드를 가집니다.

QFN의 주요 장점

LCCC 패키지의 주요 재료는 세라믹인 반면 QFN은 플라스틱으로, 소비자 가전 제품에서 더 받아들여지는 저렴한 가격을 가집니다. 결과적으로 QFN은 소형 가전 제품에 널리 적용됩니다. QFN 컴포넌트는 정사각형이나 직사각형으로 작동하며, 이는 CSP(칩 사이즈 패키지)와 유사합니다. 유일한 차이점은 QFN 컴포넌트 아래에 솔더 볼이 없어 PCB 보드와 QFN 간의 전기적 및 기계적 연결이 리플로우 납땜 중 녹는 솔더 페이스트에 전적으로 의존하며 냉각 후 솔더 연결이 된다는 점입니다. 접촉 거리가 QFN과 PCB 패드 사이에서 가장 짧아 대다수 리드 컴포넌트보다 더 나은 전기적 성능과 열적 성능을 가지며, 특히 열 방산과 전기적 성능에 더 높은 요구 사항이 있는 전자 제품에 더 적합합니다. 기존 PLCC(플라스틱 리드 칩 캐리어) 컴포넌트와 비교하여 QFN 컴포넌트는 패키지 면적, 두께, 무게가 크게 감소하고 기생 인덕턴스가 50% 감소하여 휴대폰과 컴퓨터에 특히 더 잘 작동합니다.

QFN 컴포넌트를 위한 PCB 패드 설계

QFN 패키지 형상 설계

보다 새로운 IC(집적 회로) 패키지 형태로서 QFN 컴포넌트는 회로 보드의 패드와 평행한 납땜 단을 포함합니다. 보통 컴포넌트 중간에 네이키드 구리가 설계되어 더 나은 열전도율과 전기적 성능을 제공합니다. 따라서 I/O 납땜 단은 중앙 냉각 핀 주변에 분포하여 PCB 배선을 더 유연하게 수행할 수 있습니다. I/O 납땜 단은 두 가지 유형이 있습니다: 하나는 컴포넌트 하단을 노출시키고 다른 부분은 패키징하는 유형이고, 다른 하나는 부분적인 납땜 단이 컴포넌트 측면에 노출되는 유형입니다.

펀칭 또는 지그재그 유형을 적용하여 구리 리드를 사용해 내부 웨이퍼와 중앙 납땜 단 구리 칩, 주변 납땜 단을 연결하여 프레임 구조를 생성합니다. 그런 다음 수지를 몰드 고정과 캡슐화를 통해 활용하여 중앙 납땜 단과 주변 납땜 단을 패키지 외부에 노출시킵니다.

QFN을 위한 패드 설계

QFN 컴포넌트 하단에 열 방산을 위한 큰 구리 시트가 있으므로, 신뢰할 수 있는 QFN 컴포넌트 납땜 연결을 생성하기 위해 우수한 PCB 패드 설계와 금속 스텐실 설계를 구현해야 합니다. QFN 패드 설계는 세 가지 측면을 포함합니다:

a. 주변 I/O 핀 패드 설계

PCB 보드의 I/O 패드는 QFN의 I/O 납땜 단보다 약간 크게 설계되어야 합니다. 패드 내부 쪽은 패드 모양과 호환되도록 원형으로 설계되어야 합니다. PCB에 충분한 설계 공간이 있으면 회로 보드상의 I/O 패드 주변 길이는 최소 0.15mm, 내부 지속 길이는 최소 0.05mm여야 QFN 주변 패드와 중앙 부분 패드 간 충분한 공간을 보장하여 브리징 발생을 방지할 수 있습니다.

b. PCB 솔더 마스크 설계

PCB 솔더 마스크 설계는 주로 두 범주로 나뉩니다: SMD(솔더 마스크 정의)와 NSMD(비솔더 마스크 정의). 전자 카테고리의 솔더 마스크는 금속 패드보다 작은 오프닝을 가지며 후자 카테고리는 금속 패드보다 큰 오프닝을 가집니다. NSMD 기술이 구리 부식 기술에서 더 쉽게 제어될 수 있으므로 솔더 페이스트를 금속 패드 주변에 배치할 수 있어 납땜 연결 신뢰성이 크게 향상됩니다. 중앙 열방산 패드 솔더 마스크 설계에는 상대적으로 큰 면적을 가진 SMD 기술을 선택해야 합니다.

솔더 마스크 오프닝은 패드보다 120~150μm 커야 하며, 즉 솔더 마스크와 금속 패드 사이에 60~75μm 간격을 유지해야 합니다. 캠버드 패드 설계는 그에 상응하는 캠버드 솔더 마스크 오프닝을 가져야 합니다. 특히 모서리에 충분한 솔더 마스크를 유지하여 브리징 발생을 방지해야 합니다. 각 I/O 패드에 솔더 마스크를 덮어야 합니다.

열 방산을 위한 패드의 관통 홀에 솔더 마스크를 덮어 솔더 페이스트가 열 관통 홀에서 흘러나가는 것을 방지해야 합니다. 이는 QFN 중앙 네이키드 납땜 단과 PCB 중앙 열방산 패드 사이의 보이드 납땜을 유발할 수 있기 때문입니다. 관통 홀 솔더 마스크는 주로 상단 솔더 마스크, 하단 솔더 마스크, 관통 홀 세 가지 유형입니다. 관통 홀 솔더 마스크 직경은 관통 홀 직경보다 100μm 커야 합니다. PCB 뒷면에 솔더 마스크 오일을 코팅하여 관통 홀을 차단하는 것이 좋습니다. 이는 열방산 패드 전면면에 많은 공동을 생성하여 리플로우 납땜 공정 중 가스 배출에 유리합니다.

c. 중앙 열 패드 및 관통 홀 설계

QFN 하단 중앙에 열 방산을 위한 패드가 설계되어 있어 우수한 열 성능을 가집니다. IC 내부 부분에서 PCB 보드로 열을 효율적으로 전도하기 위해 PCB 하단에 상응하는 열 패드와 열방산 관통 홀을 설계해야 합니다. 열 패드는 신뢰할 수 있는 납땜 영역을 제공하고 열방산 관통 홀은 열 방산 기능을 제공합니다.

컴포넌트 하단의 큰 패드로 인해 납땜 중 에어 홀이 생성됩니다. 에어 홀 수를 최소화하기 위해 열 패드에 열 관통 홀을 열어야 하며, 이는 열을 빠르게 전도하고 열 방산에 유리합니다. 열 관통 홀의 수와 크기 설계는 패키지 적용 분야, IC 전력 정도, 전기적 성능 요구 사항에 따라 달라집니다.

QFN 스텐실 오프닝 설계

a. 주변 I/O 패드 누출 홀 설계

금속 스텐실 오프닝 설계는 일반적으로 면적 비율과 폭-두께 비율 원칙을 준수합니다. 특정 유형의 컴포넌트는 국부적 두껍게 하기 또는 국부적 얇게 하기 원칙을 활용할 수 있습니다.

b. 중앙 열방산 대형 패드 오프닝 설계

중앙 열방산 패드는 대형에 속하고 가스가 거품과 함께 빠져나가는 경향이 있습니다. 많은 양의 솔더 페이스트를 적용하면 더 많은 가스 홀이 발생하고 스패터와 솔더 볼 같은 수많은 결함이 생성됩니다. 가스 홀 수를 최소화하고 열방산 대형 패드 설계 중 최적의 솔더 페이스트 양을 얻기 위해, 하나의 큰 누출 홀 대신 네트 누출 홀 어레이를 선택합니다. 각 작은 누출 홀은 원형이나 정사각형으로 설계할 수 있으며, 중앙 열방산 패드의 50%~80%가 솔더 페이스트로 덮이는 한 크기는 무제한입니다.

c. 스텐실 유형과 두께

금속 스텐실 열방산 패드 오프닝 설계는 솔더 페이스트 코팅 두께와 직접 관련되어 조립된 컴포넌트의 연결 높이를 결정합니다.

우수한 솔더 페이스트 인쇄 기술

QFN 솔더 페이스트 인쇄 품질을 결정하는 요소에는 주로 솔더 페이스트, PCB 패드, 금속 스텐실, 솔더 페이스트 프린터, 수동 조작이 포함됩니다.

솔더 페이스트는 순수 주석-납 합금보다 훨씬 복잡한 성분을 가지며, 솔더 합금 입자, 플럭스, 레올로지 조절제, 점도 제어제, 용제를 포함합니다. QFN 컴포넌트는 중앙 부분에 큰 열방산 패드를 가진 무연 장치이므로 점도와 점도 제어 기술에 상대적으로 높은 요구 사항이 설정되었습니다. 솔더 페이스트 점도는 너무 높지 않아야 합니다. 너무 높은 점도는 스텐실 오프닝을 통과하기 어렵게 만듭니다. 또한 점도가 낮으면 인쇄 흔적이 불완전합니다.

솔더 페이스트 입자가 작을수록 솔더 페이스트는 더 점성이 됩니다. 포함된 입자 양이 많을수록 솔더 페이스트는 더 점성이 됩니다. 솔더 페이스트는 원형 입자에서 가장 높은 점도를 가지며 그 반대도 마찬가지입니다. 초미세 간격 인쇄의 경우 더 얇은 입자를 가진 솔더 페이스트를 사용하여 더 나은 솔더 페이스트 해상도를 얻어야 합니다.

솔더 페이스트 인쇄는 많은 기술 파라미터를 포함하는 복잡한 공정으로, 각 파라미터가 부적절하게 조정되면 큰 손상을 초래합니다. 주요 파라미터에는 스크레이퍼 압력, 인쇄 두께, 인쇄 속도, 인쇄 방법, 스크레이퍼 파라미터, 탈형 속도, 스텐실 세척 빈도가 포함됩니다. 스크레이퍼 압력이 낮으면 솔더 페이스트가 스텐실 오프닝 바닥까지 효과적으로 도달하지 못하고 패드에 떨어지지 않습니다. 스크레이퍼 압력이 너무 크면 솔더 페이스트가 너무 얇아지거나 스텐실을 손상시킬 수 있습니다. 적절한 솔더 페이스트 인쇄 두께 증가는 QFN 컴포넌트 조립 신뢰성 향상에 좋습니다.

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