一、QFN封裝PCB設(shè)計基本介紹
QFN（Quad Flat No Lead）是一種相對比較新的IC封裝形式，但由于其獨特的優(yōu)勢，其應(yīng)用得到了快速的增長。QFN是一種無引腳封裝，它有利于降低引腳間的自感應(yīng)系數(shù)，在高頻領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢明顯。QFN外觀呈正方形或矩形，大小接近于CSP，所以很薄很輕。元件底部具有與底面水平的焊端，在中央有一個大面積裸露焊端用來導(dǎo)熱，圍繞大焊端的外圍四周有實現(xiàn)電氣連接的I/O焊端，I/O焊端有兩種類型：一種只裸露出元件底部的一面，其它部分被封裝在元件內(nèi)；另一種焊端有裸露在元件側(cè)面的部分。
QFN采用周邊引腳方式使PCB布線更靈活，中央裸露的銅焊端提供了良好的導(dǎo)熱性能和電性能。這些特點使QFN在某些對體積、重量、熱性能、電性能要求高的電子產(chǎn)品中得到了重用。
由于QFN是一種較新的IC封裝形式，IPC-SM-782等
PCB設(shè)計指南上都未包含相關(guān)內(nèi)容，本文可以幫助指導(dǎo)用戶進行QFN的焊盤設(shè)計和生產(chǎn)工藝設(shè)計。但需要說明的是本文只是提供一些基本知識供參考，用戶需要在實際生產(chǎn)中不斷積累經(jīng)驗，優(yōu)化焊盤設(shè)計和生產(chǎn)工藝設(shè)計方案，以取得令人滿意的焊接效果。
二、QFN封裝描述
QFN的外形尺寸可參考其產(chǎn)品手冊，它符合一般工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。QFN通常采用JEDEC MO-220系列標(biāo)準(zhǔn)外形，在焊盤設(shè)計時可以參考這些外形尺寸（示例如圖1）。
圖1 QFN元件三維剖視圖和實物外觀
三、QFN通用PCB設(shè)計指南
QFN的中央裸焊端和周邊I/O焊端組成了平坦的銅引線結(jié)構(gòu)框架，再用模鑄樹脂將其澆鑄在樹脂里固定，底面露出的中央裸焊端和周邊I/O焊端，均須焊接到PCB上。
PCB焊盤設(shè)計應(yīng)該適應(yīng)工廠的實際工藝能力，以求取得最大的工藝窗口，得到良好的高可靠性焊點。需要說明的是中央裸焊端的焊接，通過“錨”定元件，不僅可以獲得良好的散熱效果，還可以增強元件的機械強度，有利于提高周邊I/O焊端的焊點可靠性。針對QFN中央裸焊端而設(shè)計的PCB散熱焊盤，應(yīng)設(shè)計導(dǎo)熱過孔連接到PCB內(nèi)層隱藏的金屬層。這種通過過孔的垂直散熱設(shè)計，可以使QFN獲得完美的散熱效果。
四、QFN焊盤設(shè)計指南
1、周邊I/O焊盤
PCB I/O焊盤的設(shè)計應(yīng)比QFN的I/O焊端稍大一點，焊盤內(nèi)側(cè)應(yīng)設(shè)計成圓形以配合焊端的形狀，詳細請參考圖2和表1。
圖2 典型的QFN元件焊端和PCB 焊盤外觀圖
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典型的QFN元件I/O焊端尺寸（mm） |
典型的PCB I/O焊盤設(shè)計指南（mm） |
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焊盤間距 |
焊盤寬度（b） |
焊盤長度（L） |
焊盤寬度（X） |
外延（Tout） |
內(nèi)延（Tin） |
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0.8 |
0.33 |
0.6 |
正常0.42 |
最小0.15 |
最小0.05 |
|
0.65 |
0.28 |
0.6 |
正常0.37 |
最小0.15 |
最小0.05 |
|
0.5 |
0.23 |
0.6 |
正常0.28 |
最小0.15 |
最小0.05 |
|
0.5 |
0.23 |
0.4 |
正常0.28 |
最小0.15 |
最小0.05 |
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0.4 |
0.2 |
0.6 |
正常0.25 |
最小0.15 |
最小0.05 |
表1 I/O焊盤設(shè)計指南
如果PCB有設(shè)計空間， I/O焊盤的外延長度（Tout）大于0.15mm，可以明顯改善外側(cè)焊點形成，如果內(nèi)延長度（Tin）大于0.05mm，則必須考慮與中央散熱焊盤之間保留足夠的間隙，以免引起橋連。
2、中央散熱焊盤
中央散熱焊盤應(yīng)設(shè)計比QFN中央裸焊端各邊大0-0.15mm，即總的邊長大出0-0.3mm，但是中央散熱焊盤不能過分的大，否則，會影響與I/O焊盤之間的合理間隙，使橋連概率增加。此間隙最小為0.15mm，可能的話，最好是0.25mm或更大。
3、散熱過孔
散熱過孔應(yīng)按1.0mm-1.2mm的間隙均勻分布在中央散熱焊盤上，過孔應(yīng)連通到PCB內(nèi)層的金屬接地層上，過孔直徑推薦為0.3mm-0.33mm。
雖然增加過孔（減小過孔間隙），表面上看好象可以改善熱性能，但因為增加過孔的同時也增加了熱氣回來的通道，所以實際效果不確定，需要根據(jù)實際PCB的情況來決定（如PCB散熱焊盤尺寸、接地層）。
4、阻焊層設(shè)計
目前有兩種阻焊層設(shè)計類型：SMD（Solder Mask Defined）和NSMD（Non-Solder Mask Defined）。SMD：阻焊層開口小于金屬焊盤；NSMD：阻焊層開口大于金屬焊盤。
由于在銅腐蝕工藝中更易控制，所以NSMD工藝更優(yōu)選。而且SMD工藝會使焊盤阻焊層與金屬層重疊區(qū)域壓力集中，在極端疲勞條件下容易使焊點開裂。采用NSMD工藝則使焊錫圍繞在金屬焊盤邊緣，可以明顯改善焊點的可靠性。
由于以上原因，在中央散熱焊盤和周邊I/O焊盤的阻焊層設(shè)計中一般都推薦采用NSMD工藝。但是，在尺寸相對比較大的中央散熱焊盤阻焊層設(shè)計中應(yīng)該采用SMD工藝。
在采用NSMD工藝時，阻焊層開口應(yīng)比焊盤大120um-150um，即在阻焊層與金屬焊盤之間留有60um-75um的間隙，弧形焊盤應(yīng)設(shè)計相應(yīng)的弧形阻焊層開口與之匹配，特別是在拐角處應(yīng)有足夠的阻焊層以阻止橋連。
每個I/O焊盤應(yīng)單獨設(shè)計阻焊層開口，這樣可以使I/O相鄰焊盤之間布滿阻焊層，阻止相鄰焊盤之間形成橋連。但是，針對I/O焊盤寬度為0.25mm，間距只有0.4mm的細間距QFN，只能將處于一邊的所有I/O焊盤統(tǒng)一設(shè)計一個大的開口，這樣I/O相鄰焊盤之間就沒有了阻焊層。
I/O焊盤之間有阻焊層 I/O焊盤之間無阻焊層
有些QFN的中央裸焊端設(shè)計過大，使得與周邊I/O焊端之間的間隙很小，很容易引起橋連。在這種情況下，PCB散熱焊盤的阻焊層設(shè)計應(yīng)采用SMD工藝，即阻焊層開口應(yīng)每邊縮小100um，以增加中央散熱焊盤與I/O焊盤之間的阻焊層面積。
阻焊層應(yīng)覆蓋散熱焊盤上的過孔，以防止焊錫從散熱過孔中流失，使QFN中央裸焊端與PCB中央散熱焊盤之間形成空焊。過孔阻焊層的直徑應(yīng)比過孔直徑大100um，建議在PCB背面涂布阻焊油堵塞過孔，這樣可以在正面散熱焊盤上會形成許多空洞，這些空洞有利于在回流焊接過程中釋放氣體，并圍繞過孔形成更大的氣泡，需要特別說明的是，這些氣泡的存在不會影響熱性能、電性能和焊點可靠性，是可以接受的。
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