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一、QFN封裝PCB設(shè)計(jì)基本介紹 

QFN（Quad Flat No Lead）是一種相對(duì)比較新的IC封裝形式，但由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用得到了快速的增長(zhǎng)。QFN是一種無(wú)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(shì)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(gè)大面積裸露焊端用來(lái)導(dǎo)熱，圍繞大焊端的外圍四周有實(shí)現(xiàn)電氣連接的I/O焊端，I/O焊端有兩種類(lèi)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(diǎn)使QFN在某些對(duì)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(jì)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(jìn)行QFN的焊盤(pán)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)。但需要說(shuō)明的是本文只是提供一些基本知識(shí)供參考，用戶需要在實(shí)際生產(chǎn)中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化焊盤(pán)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)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(cè)，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(pán)設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)物外觀 

 

三、QFN通用PCB設(shè)計(jì)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(shù)脂將其澆鑄在樹(shù)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(pán)設(shè)計(jì)應(yīng)該適應(yīng)工廠的實(shí)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(diǎn)。需要說(shuō)明的是中央裸焊端的焊接，通過(guò)“錨”定元件，不僅可以獲得良好的散熱效果，還可以增強(qiáng)元件的機(jī)械強(qiáng)度，有利于提高周邊I/O焊端的焊點(diǎn)可靠性。針對(duì)QFN中央裸焊端而設(shè)計(jì)的PCB散熱焊盤(pán)，應(yīng)設(shè)計(jì)導(dǎo)熱過(guò)孔連接到PCB內(nèi)層隱藏的金屬層。這種通過(guò)過(guò)孔的垂直散熱設(shè)計(jì)，可以使QFN獲得完美的散熱效果。 

 

四、QFN焊盤(pán)設(shè)計(jì)指南 

1、周邊I/O焊盤(pán) 

PCB I/O焊盤(pán)的設(shè)計(jì)應(yīng)比QFN的I/O焊端稍大一點(diǎn)，焊盤(pán)內(nèi)側(cè)應(yīng)設(shè)計(jì)成圓形以配合焊端的形狀，詳細(xì)請(qǐng)參考圖2和表1。 

圖2 典型的QFN元件焊端和PCB 焊盤(pán)外觀圖 

 

典型的QFN元件I/O焊端尺寸（mm）			典型的PCB I/O焊盤(pán)設(shè)計(jì)指南（mm）
焊盤(pán)間距	焊盤(pán)寬度（b）	焊盤(pán)長(zhǎng)度（L）	焊盤(pán)寬度（X）	外延（Tout）	內(nèi)延（Tin）
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
0.4	0.2	0.6	正常0.25	最小0.15	最小0.05

                                                                      表1 I/O焊盤(pán)設(shè)計(jì)指南 

 

如果PCB有設(shè)計(jì)空間， I/O焊盤(pán)的外延長(zhǎng)度（Tout）大于0.15mm，可以明顯改善外側(cè)焊點(diǎn)形成，如果內(nèi)延長(zhǎng)度（Tin）大于0.05mm，則必須考慮與中央散熱焊盤(pán)之間保留足夠的間隙，以免引起橋連。 

2、中央散熱焊盤(pán) 

中央散熱焊盤(pán)應(yīng)設(shè)計(jì)比QFN中央裸焊端各邊大0-0.15mm，即總的邊長(zhǎng)大出0-0.3mm，但是中央散熱焊盤(pán)不能過(guò)分的大，否則，會(huì)影響與I/O焊盤(pán)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(guò)孔 

散熱過(guò)孔應(yīng)按1.0mm-1.2mm的間隙均勻分布在中央散熱焊盤(pán)上，過(guò)孔應(yīng)連通到PCB內(nèi)層的金屬接地層上，過(guò)孔直徑推薦為0.3mm-0.33mm。 

雖然增加過(guò)孔（減小過(guò)孔間隙），表面上看好象可以改善熱性能，但因?yàn)樵黾舆^(guò)孔的同時(shí)也增加了熱氣回來(lái)的通道，所以實(shí)際效果不確定，需要根據(jù)實(shí)際PCB的情況來(lái)決定（如PCB散熱焊盤(pán)尺寸、接地層）。 

4、阻焊層設(shè)計(jì) 

目前有兩種阻焊層設(shè)計(jì)類(lèi)型：SMD（Solder Mask Defined）和NSMD（Non-Solder Mask Defined）。SMD：阻焊層開(kāi)口小于金屬焊盤(pán)；NSMD：阻焊層開(kāi)口大于金屬焊盤(pán)。 

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(huì)使焊盤(pán)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(diǎn)開(kāi)裂。采用NSMD工藝則使焊錫圍繞在金屬焊盤(pán)邊緣，可以明顯改善焊點(diǎn)的可靠性。 

由于以上原因，在中央散熱焊盤(pán)和周邊I/O焊盤(pán)的阻焊層設(shè)計(jì)中一般都推薦采用NSMD工藝。但是，在尺寸相對(duì)比較大的中央散熱焊盤(pán)阻焊層設(shè)計(jì)中應(yīng)該采用SMD工藝。 

在采用NSMD工藝時(shí)，阻焊層開(kāi)口應(yīng)比焊盤(pán)大120um-150um，即在阻焊層與金屬焊盤(pán)之間留有60um-75um的間隙，弧形焊盤(pán)應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的弧形阻焊層開(kāi)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(gè)I/O焊盤(pán)應(yīng)單獨(dú)設(shè)計(jì)阻焊層開(kāi)口，這樣可以使I/O相鄰焊盤(pán)之間布滿阻焊層，阻止相鄰焊盤(pán)之間形成橋連。但是，針對(duì)I/O焊盤(pán)寬度為0.25mm，間距只有0.4mm的細(xì)間距QFN，只能將處于一邊的所有I/O焊盤(pán)統(tǒng)一設(shè)計(jì)一個(gè)大的開(kāi)口，這樣I/O相鄰焊盤(pán)之間就沒(méi)有了阻焊層。 

    

I/O焊盤(pán)之間有阻焊層                                                         I/O焊盤(pán)之間無(wú)阻焊層

 

有些QFN的中央裸焊端設(shè)計(jì)過(guò)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(pán)的阻焊層設(shè)計(jì)應(yīng)采用SMD工藝，即阻焊層開(kāi)口應(yīng)每邊縮小100um，以增加中央散熱焊盤(pán)與I/O焊盤(pán)之間的阻焊層面積。 

阻焊層應(yīng)覆蓋散熱焊盤(pán)上的過(guò)孔，以防止焊錫從散熱過(guò)孔中流失，使QFN中央裸焊端與PCB中央散熱焊盤(pán)之間形成空焊。過(guò)孔阻焊層的直徑應(yīng)比過(guò)孔直徑大100um，建議在PCB背面涂布阻焊油堵塞過(guò)孔，這樣可以在正面散熱焊盤(pán)上會(huì)形成許多空洞，這些空洞有利于在回流焊接過(guò)程中釋放氣體，并圍繞過(guò)孔形成更大的氣泡，需要特別說(shuō)明的是，這些氣泡的存在不會(huì)影響熱性能、電性能和焊點(diǎn)可靠性，是可以接受的。