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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，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(gè)大面積裸露焊端用來導(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的焊盤設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)。但需要說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，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(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(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(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，應(yīng)設(shè)計(jì)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(jì)，可以使QFN獲得完美的散熱效果。 

 

四、QFN焊盤設(shè)計(jì)指南 

1、周邊I/O焊盤 

PCB I/O焊盤的設(shè)計(jì)應(yīng)比QFN的I/O焊端稍大一點(diǎn)，焊盤內(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 焊盤外觀圖 

 

典型的QFN元件I/O焊端尺寸（mm）			典型的PCB I/O焊盤設(shè)計(jì)指南（mm）
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）
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焊盤設(shè)計(jì)指南 

 

如果PCB有設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jì)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(huì)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?yàn)樵黾舆^孔的同時(shí)也增加了熱氣回來的通道，所以實(shí)際效果不確定，需要根據(jù)實(shí)際PCB的情況來決定（如PCB散熱焊盤尺寸、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(huì)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(diǎn)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(diǎn)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(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(jì)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(gè)I/O焊盤應(yīng)單獨(dú)設(shè)計(jì)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(duì)I/O焊盤寬度為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焊盤統(tǒng)一設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)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(jì)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(huì)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(huì)影響熱性能、電性能和焊點(diǎn)可靠性，是可以接受的。