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QFN이란 Quad Flat No-Lead의 줄임말로서 Quad는 네개 한 세트를 의미합니다. Quad는 다른 의미로 사분면이라는 뜻을 가지고 있는데요, 고등학교 수학시간에 Sine Cosine에 대해서 배울 때에 그 사분면을 정의 내리는 단어입니다.
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SMD Soldering – Hand Soldering – QFN Package (WQFN48)
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IC 패키지(Package) 종류 – 네이버 블로그
뒤에 설명할 SIP(Single In-line Package) 와 함께 PCB를 관통하는 Through … QFN(Quad Flat No Leads)와 DFN(Dual Flat No Leads)가 있습니다.
Source: m.blog.naver.com
Date Published: 1/16/2022
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QFN/SON FAQ | 품질 및 안정성 FAQ | TI.com
QFN/SON은 플라스틱으로 된 소형 아웃라인만 있고 패키지 바디보다 긴 리드가 없는 패키지입니다. 도체 패드(contact pad)는 노출되어 있으며 패키지 밑면과 높이가 …
Source: www.ti.com
Date Published: 10/7/2021
View: 7521
DNP, 반도체 패키지 QFN 패키지용 리드 프레임 개발
DNP는 고정밀, 고신뢰성 리드 프레임을 공급해 차량용 반도체 QFN 패키지(Quad Flat Non-leaded package)의 용도를 확대하는 것을 목표로 한다.
Source: www.elec4.co.kr
Date Published: 10/13/2021
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Flat no-leads package – Wikipedia
Flat no-leads packages such as quad-flat no-leads (QFN) and dual-flat no-leads (DFN) physically and electrically connect integrated circuits to printed …
Source: en.wikipedia.org
Date Published: 1/9/2021
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i-매거진 – 전시/컨퍼런스
QFN 설계 및 제조 도전과제. 오늘날 전자업계에서 가장 급속한 성장세를 보이고 있는 패키지 타입 중 하나는 바로 QFN(Quad Flat Pack No Lead)이다. QFN에 대한 장점 …
Source: magazine.hellot.net
Date Published: 4/28/2021
View: 9389
KR101763852B1 – Qfn 반도체 패키지, 이의 제조방법 및 qfn …
본 발명은 우수한 다이 접합성 및 와이어 접합성을 구현하고 봉지수지의 누설을 효과적으로 억제할 수 있고 이를 통해 QFN 반도체 패키지의 신뢰성과 제조 공정에서 …
Source: patents.google.com
Date Published: 8/5/2022
View: 5926
What Are QFN (Quad Flat No-Lead) Packages – Sierra Circuits
QFN stands for quad flat no-lead package. It is a leadless package that comes in small size and offers moderate heat dissipation in PCBs.
Source: www.protoexpress.com
Date Published: 3/5/2021
View: 1950
QFN : Quad Flat No Leads – Packaging – | 제품정보 | SFA반도체
SFA Semicon offers Quad Flat No lead, QFN package services by utilizing plastic encapsulated leadframe base CSP with a lead pad on the bottom of the package …
Source: www.sfasemicon.com
Date Published: 7/17/2022
View: 5810
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- Author: Androkavo
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- Date Published: 2017. 12. 30.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=BvhE16vBfX4
QFN(Quad Flat No-lead) Package
QFN Package에 대해서 간단하게 공부합니다. QFN이란 Quad Flat No-Lead의 줄임말로서 Quad는 네개 한 세트를 의미합니다. Quad는 다른 의미로 사분면이라는 뜻을 가지고 있는데요, 고등학교 수학시간에 Sine Cosine에 대해서 배울 때에 그 사분면을 정의 내리는 단어입니다. 직관적인 의미로는 동일한 네 개의 면을 가진 정도로 해석하면 되겠네요. Flat은 평평하다는 뜻입니다. 납작한 구조의 Chip Package 모양을 정의내립니다. No Lead에서는 설명이 조금 길어집니다. No Lead, 납을 사용하지 않다라고 해석을 해야 하는데, 일반적으로 납을 넣지 않고 어떻게 이 칩을 PCB에 붙일 수 있을까요? 물론 납 외에도 붙일 수 있는 여러가지 방법들이 있지만, QFN Package chip 역시 납을 사용하여 실장하게 됩니다. 그렇다면 No Lead의 진정한 의미는 무엇일까요? 여기서의 Lead란 위 그림에 금속들을 연결한 인출선을 의미합니다. PCB 설계가 잘못되어서 연결하는 Jump선을 우리는 Lead Wire라 부릅니다. 물론 그 재질은 납이 아니라 구리 혹은 금을 많이 사용합니다. 그리고 Chip의 바닥면에 Pad와 연결되는 Lead Frame에 연결이 됩니다. 위 그림의 금색 단색으로 맨 아래에 위치한 것 처럼 보이는 면입니다. QFN Package를 Google의 Wikipedia에서는 다음과 같이 정의내립니다.
IC 패키지(Package) 종류
이 부분을 어디에 넣을 까 고민을 했습니다.
잠시 쉬어간다는 생각으로 간단히 몇 가지만 다루겠습니다.
1. DIP (Dual In-line Package)
뒤에 설명할 SIP(Single In-line Package) 와 함께 PCB를 관통하는 Through Hole Package 입니다.
다른 Package에 비해 Pin 수 대비 Package가 큰 편입니다.
2. SIP(Single In-line Package)
위 사진처럼 한쪽에만 Lead가 있는 Package 입니다.
다음에 있는 ZIP Package 와의 차이점을 살펴봅시다.
3. ZIP(Zig-zag In-line Package)
한쪽에만 lead가 있고 lead가 zig-zag로 엇갈려 있는 Package
4. SOP(Small Outline Package)
Dual lead 표면실장(Surface Mount) Device Package 로 Package 두께와 dimension에 따라
TSOP(Thin Small Outline Package), SSOP(Shrink Small Outline Package) 등으로 구분됩니다.
5. QFP(Quad Flat Package)
표면실장 Package로 lead가 4면에 있고 lead는 갈매기 날개 모양으로 구부러져 있습니다.
두께에 따라 QFP, TQFP(Thin Quad Flat Package), LQFP(Low-profile Quad Flat Package) 등으로
구분됩니다.
6. PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier)
역시 표면실장형으로 lead가 “J” 모양으로 안쪽으로 구부러져 있습니다.
사진 오른쪽은 PLCC 용 Socket 입니다.
7. BGA (Ball Grid Array)
Matrix type의 표면실장형으로 lead 대신 PCB 뒷면에 납땜을 위한 Solder Ball Array를 갖는 Package
PBGA(Plastic BGA), FBGA(Fine-pitch BGA) 등 여러 종류로 구분됩니다.
8. FN (Flat No Leads)
QFN(Quad Flat No Leads)와 DFN(Dual Flat No Leads)가 있습니다.
요즘 많이 볼 수 있는 Package 입니다.
저는 이것은 손으로 납땜이 어렵던데….
제가 아는 분은 이것도 손으로 남땜을 하시더군요.
9. 기타 Transistor 및 Regulator 용 표면실장 Package
마지막으로 표면실장용 Transistor나 Regulator 등에 많이 사용되는 Package 입니다.
이 외에도 더 많지만 이 정도만 알아도 충분할 것 같습니다.
사실 더 자세한 것은 저도 잘 모르겠구요.
아무튼 제 자료가 단순히 학교 Report를 위한 자료가 되지 않았으면 하는 바램입니다.
품질 및 안정성 FAQ
QFN/SON이란 무엇입니까?
QFN/SON은 플라스틱으로 된 소형 아웃라인만 있고 패키지 바디보다 긴 리드가 없는 패키지입니다. 도체 패드(contact pad)는 노출되어 있으며 패키지 밑면과 높이가 같습니다.
QFN/SON의 장점은 무엇입니까?
작은 풋프린트(PCB 공간의 절감)
얇은 패키지(패키지 높이 < 1mm) 우수한 열 성능(노출된 열 패들을 보드에 솔더링하여 다이에서 보드로 열을 전달하는 탁월한 경로 제공) 작은 크기, 폼 팩터 및 도체 패드의 위치 덕분에 보드에서 부품을 다른 부품과 더 가까이에 배치할 수 있음 무시해도 될 정도로 작은 패키지 리드 인덕턴스 PCB 조립에 표준 표면 실장 장비 및 흐름 사용 이 패키지는 리드 평탄도 문제가 없음 QFN/SON 패키지의 핀 수, 패키지 크기, 피치가 어떻게 됩니까? QFN/SON 패키지는 다양한 핀 수, 패키지 크기 및 피치로 제공됩니다. 자세한 내용은 TI의 패키지 선택 툴을 참조하십시오. TI에서 지금도 LLP를 제공합니까? QFN/SON은 “리드 없는 리드 프레임 패키지"의 LLP 표준이며 National의 QFN/SON 기술을 가리키는 용어였습니다. TI는 LLP를 회사의 QFN/SON 패키지에 통합했습니다. 자세한 내용은 TI의 패키지 선택 툴을 참조하십시오. TI는 듀얼 로우 또는 멀티 로우 QFN/SON을 제공합니까? 네, TI는 듀얼 로우 QFN을 제공합니다. 패키지 선택 툴의 VQFN-MR 및 WQFN-MR 패키징에서 옵션을 살펴볼 수 있습니다. QFN/SON에 대한 SMT(표면 실장 기술) 권장 사항 및 리플로우 프로필이 어떻게 됩니까? QFN SMT 권장 사항은 여기에서 확인할 수 있습니다. QFN/SON 및 멀티 로우 QFN에 대한 애플리케이션 노트, 자세한 내용 포함. QFN/SON 사용에 대한 지침이 있습니까? TI의 Quad Flat Pack No-Lead 로직 패키지 애플리케이션 노트에 QFN/SON에 대한 일반 지침이 포함되어 있습니다. 최종 사용자는 PCB 설계, 스텐실 설계 및 SMT 조립 단계에서 SMT 공정을 성공적으로 마칠 수 있도록 TI의 경험을 바탕으로 작성된 이러한 권장 지침을 따르는 것이 중요합니다. QFN/SON 풋프린트 정보는 어디서 찾을 수 있습니까? 자세한 내용을 보려면 여기를 클릭한 다음 검색 툴에 TI 부품 번호를 입력하십시오.
DNP, 반도체 패키지 QFN 패키지용 리드 프레임 개발
DNP, 반도체 패키지 QFN 패키지용 리드 프레임 개발
다이 니폰 프린팅(Dai Nippon Printing)이 반도체 칩을 고정하고 외부로 연결하는 리드 프레임에 사용되는 고정밀 은도금 영역을 형성하는 신뢰도 높은 제조 기술을 개발했다.이 신기술은 구리 표면을 몰딩 화합물에 밀착시키는 업계 최고 수준의 표면 조면화(surface roughening) 기술을 통해 접착력을 향상한다.DNP는 고정밀, 고신뢰성 리드 프레임을 공급해 차량용 반도체 QFN 패키지(Quad Flat Non-leaded package)의 용도를 확대하는 것을 목표로 한다.DNP는 ±25um의 리드 프레임 은도금 영역 형성을 성공적으로 달성하기 위해 수년에 걸쳐 개발된 미세 가공 기술을 활용하는 한편, 몰딩 화합물과 리드 프레임의 접착력을 향상해 높은 수준의 신뢰성을 유지할 수 있게 했다.합동 전자장치 엔지니어링 협의회(JEDEC: Joint Electron Device Engineering Council)는 금형 화합물에서 공기 중에 있는 수분의 흡수 및 기화로 인한 여러 가지 부피 팽창 현상을 방지하기 위해 수분 민감도 수준(MSL)을 정했다. 이에 따라 DNP가 새로 개발한 제품은 MSL1 최고 등급을 인증받았다.DNP는 새로 개발한 고정밀, 고신뢰도의 리드 프레임을 반도체 후가공 업체에 공급하고 사업을 확대할 예정이다. 또한 늘어나는 수요를 맞추기 위해 시설을 강화하고 2023 회계연도의 생산 능력을 2020 회계연도에 비해 두 배로 늘릴 계획이다.
Flat no-leads package
Integrated circuit package with contacts on all 4 sides, on the underside of the package
“QFN” redirects here. For the airport, see Narsaq Kujalleq Heliport
28-pin QFN, upside down to show contacts and thermal/ground pad
Flat no-leads packages such as quad-flat no-leads (QFN) and dual-flat no-leads (DFN) physically and electrically connect integrated circuits to printed circuit boards. Flat no-leads, also known as micro leadframe (MLF) and SON (small-outline no leads), is a surface-mount technology, one of several package technologies that connect ICs to the surfaces of PCBs without through-holes. Flat no-lead is a near chip scale plastic encapsulated package made with a planar copper lead frame substrate. Perimeter lands on the package bottom provide electrical connections to the PCB.[1] Flat no-lead packages include an exposed thermally conductive pad to improve heat transfer out of the IC (into the PCB). Heat transfer can be further facilitated by metal vias in the thermal pad.[2] The QFN package is similar to the quad-flat package (QFP), and a ball grid array (BGA).
Flat no-lead cross-section [ edit ]
QFN side view.
The figure shows the cross section of a flat no-lead package with a lead frame and wire bonding. There are two types of body designs, punch singulation and saw singulation.[3] Saw singulation cuts a large set of packages in parts. In punch singulation, a single package is moulded into shape. The cross section shows a saw-singulated body with an attached thermal head pad. The lead frame is made of copper alloy and a thermally conductive adhesive is used for attaching the silicon die to the thermal pad. The silicon die is electrically connected to the lead frame by 1–2 thou diameter gold wires.
The pads of a saw-singulated package can either be completely under the package, or they can fold around the edge of the package.
Different types [ edit ]
Two types of QFN packages are common: air-cavity QFNs, with an air cavity designed into the package, and plastic-moulded QFNs with air in the package minimized.
Less-expensive plastic-moulded QFNs are usually limited to applications up to ~2–3 GHz. It is usually composed of just 2 parts, a plastic compound and copper lead frame, and does not come with a lid.
In contrast, the air-cavity QFN is usually made up of three parts; a copper leadframe, plastic-moulded body (open, and not sealed), and either a ceramic or plastic lid. It is usually more expensive due to its construction, and can be used for microwave applications up to 20–25 GHz.
QFN packages can have a single row of contacts or a double row of contacts.
Advantages [ edit ]
This package offers a variety of benefits including reduced lead inductance, a small sized “near chip scale” footprint, thin profile and low weight. It also uses perimeter I/O pads to ease PCB trace routing, and the exposed copper die-pad technology offers good thermal and electrical performance. These features make the QFN an ideal choice for many new applications where size, weight, and thermal and electrical performance are important.
Design, manufacturing, and reliability challenges [ edit ]
Improved packaging technologies and component miniaturization can often lead to new or unexpected design, manufacturing, and reliability issues. This has been the case with QFN packages, especially when it comes to adoption by new non-consumer electronic OEMs.
Design and manufacturing [ edit ]
Some key QFN design considerations are pad and stencil design. When it comes to bond pad design two approaches can be taken: solder mask defined (SMD) or non-solder mask defined (NSMD). A NSMD approach typically leads to more reliable joints, since the solder is able to bond to both the top and sides of the copper pad.[4] The copper etching process also generally has tighter control than the solder masking process, resulting in more consistent joints.[5] This does have the potential to affect the thermal and electrical performance of the joints, so it can be helpful to consult the package manufacturer for optimal performance parameters. SMD pads can be used to reduce the chances of solder bridging, however this may affect overall reliability of the joints. Stencil design is another key parameter in QFN design process. Proper aperture design and stencil thickness can help produce more consistent joints (i.e. minimal voiding, outgassing, and floating parts) with proper thickness, leading to improved reliability.[6]
There are also issues on the manufacturing side. For larger QFN components, moisture absorption during solder reflow can be a concern. If there is a large amount of moisture absorption into the package then heating during reflow can lead to excessive component warpage. This often results in the corners of the component lifting off the printed circuit board, causing improper joint formation. To reduce the risk of warpage issues during reflow a moisture sensitivity level of 3 or higher is recommended.[7] Several other issues with QFN manufacturing include: part floating due to excessive solder paste under the center thermal pad, large solder voiding, poor reworkable characteristics, and optimization of the solder reflow profile.[8]
Reliability [ edit ]
Component packaging is often driven by the consumer electronics market with less consideration given to higher reliability industries such as automotive and aviation. It can therefore be challenging to integrate component package families, such as the QFN, into high reliability environments. QFN components are known to be susceptible to solder fatigue issues, especially thermomechanical fatigue due to thermal cycling. The significantly lower standoff in QFN packages can lead to higher thermomechanical strains due to coefficient of thermal expansion (CTE) mismatch as compared to leaded packages. For example, under accelerated thermal cycling conditions between -40 °C to 125 °C, various quad flat package (QFP) components can last over 10,000 thermal cycles whereas QFN components tend to fail at around 1,000-3,000 cycles.[7]
Historically, reliability testing has been mainly driven by JEDEC,[9][10][11][12] however this has primarily focused on die and 1st level interconnects. IPC-9071A[13] attempted to address this by focusing on 2nd level interconnects (i.e. package to PCB substrate). The challenge with this standard is that it has been more adopted by OEMs than component manufacturers, who tend to view it as an application-specific issue. As a result there has been much experimental testing and finite element analysis across various QFN package variants to characterize their reliability and solder fatigue behavior.[14][15][16][17][18][19][20]
Serebreni et al.[21] proposed a semi-analytical model to assess the reliability QFN solder joints under thermal cycling. This model generates effective mechanical properties for the QFN package, and calculates the shear stress and strain using a model proposed by Chen and Nelson.[22] The dissipated strain energy density is then determined from these values and used to predict characteristic cycles to failure using a 2-parameter Weibull curve.
Comparison to other packages [ edit ]
The QFN package is similar to the quad flat package, but the leads do not extend out from the package sides. It is hence difficult to hand-solder a QFN package, inspect solder joint quality, or probe lead(s).
Variants [ edit ]
Different manufacturers use different names for this package: ML (micro-leadframe) versus FN (flat no-lead), in addition there are versions with pads on all four sides (quad) and pads on just two sides (dual), thickness varying between 0.9–1.0 mm for normal packages and 0.4 mm for extremely thin. Abbreviations include:
Package Manufacturer DFN dual flat no-lead package Atmel DQFN dual quad flat no-lead package Atmel cDFN iC-Haus TDFN thin dual flat no-lead package UTDFN ultra-thin dual flat no-lead package XDFN extremely thin dual flat no-lead package QFN quad flat no-lead package Amkor Technology QFN-TEP quad flat no-lead package with top-exposed pad TQFN thin quad flat no-lead package LLP leadless leadframe package National Semiconductor LPCC leadless plastic chip carrier ASAT Holdings MLF micro-leadframe Amkor Technology and Atmel MLPD micro-leadframe package dual MLPM micro-leadframe package micro MLPQ micro-leadframe package quad DRMLF dual-row micro-leadframe package Amkor Technology VQFN/WQFN very thin quad flat no-lead Texas Instruments and others (such as Atmel) UDFN ultra dual flat no-lead Microchip Technology UQFN ultrathin quad flat no-lead Texas Instruments and Microchip Technology
Micro lead frame package
Micro lead frame package (MLP) is a family of integrated circuit QFN packages, used in surface mounted electronic circuits designs. It is available in 3 versions which are MLPQ (Q stands for quad), MLPM (M stands for micro), and MLPD (D stands for dual). These package generally have an exposed die attach pad to improve thermal performance. This package is similar to chip scale packages (CSP) in construction. MLPD are designed to provide a footprint-compatible replacement for small-outline integrated circuit (SOIC) packages.
Micro lead frame (MLF) is a near CSP plastic encapsulated package with a copper leadframe substrate. This package uses perimeter lands on the bottom of the package to provide electrical contact to the printed circuit board. The die attach paddle is exposed on the bottom of the package surface to provide an efficient heat path when soldered directly to the circuit board. This also enables stable ground by use of down bonds or by electrical connection through a conductive die attach material.
A more recent design variation which allows for higher density connections is the dual row micro lead frame (DRMLF) package. This is an MLF package with two rows of lands for devices requiring up to 164 I/O. Typical applications include hard disk drives, USB controllers, and wireless LAN.
See also [ edit ]
Chip carrier Chip packaging and package types list
Quad flat package
i-매거진
QFN과 관련된 설계, 제조 및 신뢰성 도전과제
QFN 설계 및 제조 도전과제
오늘날 전자업계에서 가장 급속한 성장세를 보이고 있는 패키지 타입 중 하나는 바로 QFN(Quad Flat Pack No Lead)이다. QFN에 대한 장점이 문서화된 가운데, DfR 솔루션은 QFN을 다음과 같은 이유로, 비소비재 전자 OEM을 위한 차세대 기술로 꼽고 있다.
· 설계 및 제조가능성
· 다른 OEM 공정과의 호환성
· 신뢰성
긴 수명, 가혹한 환경, 신뢰성이 높은 애플리케이션에서는 이 패키지가 제한적으로 사용되고 있다. 이 글에서는 CM/OEM의 설계 및 제조가능성과 관련된 특정 문제를 살펴보고 가능한 완화방법 및 해결책을 제시하여 QFN 부품 채택을 지원하고자 한다. 또한 QFN의 신뢰성 관련 문제에 대해서도 다루고자 한다.
▲ 그림 1
1. QFN은 무엇인가
QFN(Quad Flat Pack No Lead 또는 Quad Flat Non-Leaded) 패키지는 경제적인 BGA(Ball Grid Array)로 언급되며, 다음과 같은 것으로도 알려져 있다.
· LF-CSP(Leadframe Chip Scale Package)
· MLF(Micro Lead Frame)
· 기타(MLP, LPCC, QLP, HVQFN 등)
QFN은 하나 또는 두 개 열의 패키지에 따라 배열된 결합 패드(하단에 노출됨)를 가진 오버몰딩된 리드프레임으로 구성되어 있다. QFN은 쏘우(Saw) 또는 펀치(Punch)된 리드를 사용해 2 또는 4 측면으로 구성되며, 1990년대 여러 부품 제조업체에 의해 개발되고 1990년대 말에 JEDEC/EIAJ에 의해 표준화되었다.
2. QFN 설계 및 제조가능성
QFN 사용과 관련해 본드 패드(Bond Pad) 설계, 스텐실 설계, 리플로우 프로파일 제어, 재작업 및 검사, 기판 굽힘 등 여러 사항들이 논의되고 있다. 주요 분야 각각에 대해 문제와 권장사항을 간략하게 정리해 보았다.
(1) 결합 패드
NSMD(Non Solder Mask Defined Pads 또는 Copperdefined Pads)는 PCB 구리 에칭 공정이 솔더 마스크 공정보다 고차원적인 반복성과 제어를 제공해주기 때문에 선호되고 있다. NSMD 패드는 패드의 상단 및 측면 모두에 솔더를 위한 결합을 제공하므로 더욱 강력하고 반복성이 우수한 결합을 보장할 수 있다. 설계 시 SMD(Solder Mask Defined) 패드가 요구된다면, PCB 공급업체의 능력에 따라 패드 크기와 확장성이 매우 다르다는 점을 명심해야 한다. 이러한 문제로 인해 솔더 브리징에 취약할 수 있다.
뿐만 아니라 본드 패드가 패키지 크기를 초과해 0.2∼0.3mm 확대될 수 있다는 점도 고려해야 한다. 솔더는 확장된 에지를 젖게 할 수도 젖지 않게 할 수도 있지만, 바깥쪽 결합이 검사자에게 더 잘 보이므로 검사가 보다 쉽다. 추가 패드 길이는 컴포넌트 아래로부터 솔더에 통로를 형성하도록 해 과잉 페이스트 디포지션으로 인한 브리징을 줄일 수 있다.
패드에서 비아를 처리할 때는 각별한 주의가 필요하다. 막혀있지 않은 비아는 조인트에서 떨어져 있는 솔더를 비아, 그리고 PCB의 반대편으로 흘려 보내는 솔더 배출구 역할을 한다. 최악의 경우에는, 패드 상의 솔더가 불충분하고 반대편에 솔더 범프가 발생할 수도 있다. 이로 인해 최상단의 솔더가 불안정하고 반대편에 솔더 부족 현상이 발생하며 인쇄가 어려워진다.
대부분의 PCB 제조업체들은 패드 상에 충분한 페이스트 양을 유지할 수 있도록 구멍을 메울 수 있는 몇 가지 방법[플러깅(Plugging), 캡핑(Capping), 텐팅(Tenting)]을 제공한다. 구멍을 메울 수 있는 가장 저렴한 방법은 텐팅이나 플러깅인데 보이딩 및 평면성 결핍 때문에 배치 및 화학적 문제에 취약하다. 캡핑은 이 두 가지 문제를 방지할 수 있는 보다 강력한 방법이지만 더 많은 비용이 든다.
(2) 스텐실 설계
적절한 스텐실 두께 및 애퍼처(Aperture) 설계는 신뢰할 만한 QFN 솔더링에 있어 매우 중요하다. 제조업체의 설계 가이드라인을 준수해야 하지만, 일반적인 목적은 약 2∼3mils의 솔더 두께를 제공하는 것이다. 과도한 양의 페이스트는 열 패드에 커다란 구멍이 생기게 하고 컴포넌트가 떠버리도록 만들어 QFN도 기판에서 들어올려진다. 여러 개의 소형 윈도우 패인 애퍼처를 사용하면 보다 크고 많은 보이드를 유발하는 두꺼운 솔더 페이스트를 방지할 수 있다. 윈도우 패인은 또한 솔더 볼링의 부정적 속성을 줄여준다. 열 패드의 경우 패드 대 애퍼처에 대한 최적의 비율이 약 0.5:1이다.
(3) 수분 흡수 & 리플로우 프로파일
보다 오래된 부품 패키지에서의 수분 민감도 수준(MSL)을 문서화하기 위해 J-STD-020 및 J-STD-033이 업계 표준으로 현재 사용되고 있지만, 더 얇은 QFN 패키지에서의 수분 흡수가 리플로우 동안 과도한 워페이지를 유발한다는 증거가 많이 보고되고 있다. QFN 공급업체에서도 이 패키지가 당초 예상했던 것보다 수분 흡수에 더욱 취약하다고 인정했다.
그 결과, 리플로우 솔더링 동안 간헐적으로 부풀림 현상이 발생해 수직 리프트와 솔더 분열을 일으킨다. 부품 패키지에 크래킹이나 얇은 층으로 갈라지는 문제가 일어난다는 것을 증명할 수 없기 때문에 이것을 팝코닝 현상으로 단정지을 수는 없다. 이러한 문제를 줄이기 위해서는 보다 크고 얇은 QFN을 3 MSL 이상처럼 처리하고 낮은 램프율로 리플로우 프로파일을 주의 깊게 통제해야 한다.
(4) 재작업 & 검사
수리 기술자는 열 패드와 내부 조인트를 볼 수도 없고 액세스할 수도 없어 QFN 재작업이 더욱 힘들어질 수 있다. 솔더 양을 조정하거나 추가하기 위해 소형 스텐실, 재범핑, 솔더링을 수행할 수 있다.
소형의 휴대 가능한 예열기는 충분한 열이 수동 솔더링 작업에서 더 커다란 열 패드와 내부 패드를 안전하게 재솔더링할 수 있도록 도와준다.
QFN에 대해 완벽한 조인트, 적절한 솔더 커버리지, 패키지의 보이드 비율을 정확하게 검사하려면 X-레이 장비가 필요하다(열 패드의 허용 가능한 보이딩에 대해, 현재 일반적으로 승인된 적절한 기준이 없음).
쏘우 또는 펀치된 QFN으로 강력한 오목 솔더 필렛을 구현할 수 있다. 그러나 펀칭된 QFN은 컴포넌트 패드에 더 많은 구리가 노출될 수 있어 오목 필렛 가능성이 더 높다. 또 리드프레임 에칭으로 본드 패드가 패키지 가장자리까지 도달하지 못하고 보드 패드 가장자리가 솔더 가능성에 대해 도금이 되지 않아 오목 필렛이나 필렛이 없을 가능성이 더 높다.
▲ 그림 2. 패드 확장과 솔더 필렛 가시성을 보여주는 사례
볼록한 대형 필렛은 또한 다음과 같이 솔더링에 문제가 있다는 것을 보여준다.
· QFN에서의 젖음성 불량
· 열 패드 상의 과도한 솔더 페이스트로 인한 기울어짐
· 열 패드에서의 불충분한 솔더 페이스트로 인해 솔더 표면
장력이 높아지고 패키지가 저하됨
(5) 기판 굽힘
에이리어 어레이(Area Array) 장치는 기판 굽힘(Flexure) 제약을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. SAC 합금 부착의 경우 최대 마이크로스트레인은 최하 500이다. QFN은 더 낮은 수준의 적합성을 보이고 플렉스(Flex)를 유도하는 조인트 및 라미네이트 크랙에 더욱 취약하다. 이 분야와 관련해 정량화 가능한 지식도 제한되어 있어 기판 구축 동안 더 많은 주의가 필요하다. 특히, ICT(In-Circuit Test) 및 디패널(Depanel) 공법 공정에 중점을 두어야 한다.
또 이들 분야가 일반적으로 가장 높은 변형을 유발하므로 수동 어셈블리 작업에도 주의를 기울여야 한다. IPC는 현재 BGA에서와 유사한 QFN 변형 사양에 대해 연구 중이다.
▲ 그림 3. QFN에서의 솔더 분리
3. QFN의 리스크 완화
설계 및 제조에 QFN 컴포넌트를 성공적으로 안전하게 도입하기 위해서는 엄격한 평가가 이루어져야 한다. 최소한, 다음과 같이 QFN 설계 및 제조 기능에 대한 검토가 이루어져야 한다.
· 결합 패드 및 설계 제약사항
· 두께 및 애퍼처 최적화를 위한 스텐실 설계에서의 DOE
· 리플로우 프로파일링 제어 수준
· 재작업및검사기능
· 기판굽힘제어
이처럼 주요 분야에서 모범사례를 검토, 구현, 통제함으로써 QFN을 성공적으로 도입할 수 있다. 일단 QFN이 완벽하게 도입되면 사용자는 QFN의 신뢰성을 검토해야 한다.
QFN 신뢰성 도전과제
오늘날의 전자업계에서 가장 급속도로 성장하고 있는 패키지 형태 중 하나는 바로 bottom-termination SMT 부품으로 알려진 QFN이다. QFN의 이점이 잘 알려져 있긴 하지만, 제조성, 다른 OEM 공정과의 호환성, 신뢰성과 관련된 문제가 여전히 제기되고 있다. 앞서 DfM(Design for Manufacturability)과 제품에 도입된 QFN에 대해 살펴본 것에 이어, QFN 컴포넌트의 신뢰성에 대해서도 살펴보고자 한다.
특히, 신뢰성이 높으며 수명이 긴 엄격한 환경의 애플리케이션에 이 패키지를 적용하는 데 한계가 있다. 신뢰성 문제를 일으키는 가장 일반적인 문제 중 하나는 신기술을 부적절하게 도입하기 때문이다. QFN과 같은 새로운 부품 패키지의 경우에는 더욱 그러하다. 데이터가 분류되고 신뢰성 문제가 아닌 설계 기회에 중점을 두다 보니, 관련 정보를 획득하는 것이 어려울 수밖에 없다.
대부분의 OEM은 부품 패키징에 대해 거의 영향력을 발휘하고 있지 않아 대부분의 장치가 하나 또는 두 개의 패키징 스타일만을 제공한다. 부품 제조업체가 실시하는 신뢰성 테스트가 JEDEC(JESD22 series A & B)에 의해 추진되며 전적으로 다이, 패키징, 일차 수준의 상호연결(와이어 본드, 솔더 범프 등)에 중점을 두고 있다. JEDEC 내 이차 수준의 상호연결(솔더 조인트)은 JESD22-B113 Cyclic Bend Test로 휴대폰 업계에 의해 실행된다.
IPC-9701을 통해 정보 부재를 바로잡고자 하는 시도가 있어 왔다. 그러나 안타깝게도 대부분의 컴포넌트 제조업체가 이차수준 인터커넥트의 열순환이나 진동 테스트 수행에 관심이 없기 때문에 결과가 제한적일 수밖에 없다. 이러한 한계는 또한, 주요 시장(소비재, 컴퓨터)이 스트레스 환경에 관심이 없거나 이러한 문제를 애플리케이션에 국한된 것으로 치부해‘나와는 상관없는 상대방의 문제’로만 인식해버리기 때문에 발생한다.
1. QFN 신뢰성 문제
장치의 신뢰성 문제는 장치가 노출되어 있는 환경에 달려 있다. QFN의 경우 열순환, 기계적 순환, 수지상정의 성장 가능성 등 다양한 문제가 제기된다.
(1) 열순환 실패
오늘날 여러 패키지 설계 변경들이 합쳐지다 보니 전자 부품에서 솔더 조인트에 오류가 발생할 가능성이 높아지고 있다. 리드를 제거하면 전반적인 조인트 컴플라이언스를 줄일 수 있다. 패키지 사이즈가 축소됨에 따라 실리콘은 많아지고 플라스틱은 줄어들어 부품과 PCB 간에 CTE(Coefficients of Thermal Expansion)가 불일치할 가능성이 높아진다. 또, 부품 실행이 과열되면서 해당 지점에서 온도(ΔT) 변화도 높아진다.
QFN 도입으로 이차 수준 인터커넥트의 견고성이 저하되었다. 가령, 표준 열순환 환경에서 QFN은 QFP(Quad Flat Pack)로부터 TtF(Time to Failure)에서 크기가 줄어들고 BGA(Ball Grid Array)에서 3× 감소를 보인다. 표 1에서 관련 내용을 확인할 수 있다.
▲ 표 1
이같은 감소는 다이-투-패키지(Die-to-package) 비율, 패키지 크기 및 I/O 횟수, 열 패드 솔더 조인트의 무결성 때문에 발생한다.
일반적으로 다이 사이즈, 패키지 사이즈, I/O 개수가 증가할수록 사이클 오류 가능성은 줄어드는데, 어떤 경우에는 현저하게 낮아지기도 한다. 그림 4는 다이-투-패키지 비율의 함수로서 시간에 따른 실패를 보여준다.
▲ 그림 4. 다이-투-패키지 비율과 관련된 실패
열순환의 중요성은 QFN이 컨포멀 코팅할 때 더욱 커진다. 코팅 재료가 QFN에 침투하면 적은 스탠드오프로 인해 컨포멀 코팅이 온도 순환 동안 확장될 경우 솔더에서 응력이 높아진다.
Hamilton Sundstrand에서는 코팅되지 않은 QFN이 ∼2,500 주기로 오류가 발생하고 코팅된 QFN이 300 주기만큼 오류가 발생하면서 －55℃에서 125℃ 주기로 평균 오류 주기가 현저하게 낮아졌다고 밝혔다(그림 5). 많은 기업들은 컨포멀 코팅 공정 동안에 QFN을 방지함으로써 이러한 문제에 대응하고 있다.
▲ 그림 5
(2) 기계적 주기
낮은 수준의 리드 컴플라이언스 및 상대적으로 넓은 QFN 면적 또한 반복적인 휨 동안 굴곡 주기 및 진동과 같은 문제를 일으킨다. 가령, International Rectifier에서는 JEDEC JESD22-B113에 대한 5×6mm QFN 테스트를 진행했다(그림 6). 수명 특성이 광범위한 실패 주기를 증명하는 반면, 매우 낮은 베타(∼1)는 취성 파괴(Brittle Fracture)를 나타내 특정 환경에 대한 문제를 발생시킨다. 불행하게도, 이러한 환경에서 QFN 패키지의 견고성을 평가하는 데 사용할 테스트나 분석 자료가 거의 없다.
▲ 그림 6
(3) 수지상정의 성장
커다란 부품 면적, 여러 개의 I/O, 낮은 스탠드오프가 결합돼 QFN 포스트 리플로우에서 플럭스를 차단한다. 특정 설계 및 공정 구성이 유기산 농도를 최대한 바람직한(＞150㎍/in2) 수준 이상으로 높일 수 있기 때문에 무세척 플럭스를 이용하는 공정을 재평가할 필요가 있다.
무세척 플럭스를 이용하지 않는 공정은 물/세제 온도 변화, 감화제 및 계면활성제 사용이나 유형 변화, 압력 및 위치 충돌 제트 변화 등 세척 공정 수정이 없는 경우에 수지상정 성장 가능성이 높다.
인접 도체(전압/거리)와의 전기장 세기 또한 수지상정 성장에 주요 원인이다. 디지털 기술은 일반적으로 최대 전기장이 0.5V/mil이다. 이전 세대의 아날로그/전력 기술은 1.6V/mil 전기장에 국한되는 경향이 있었다.
그러나 QFN이 도입돼 일부 부품이 3.5V/mil만큼의 높은 전기장을 갖게 됨에 따라 최대 전기장 세기도 높아지고 있다(표 2). 일부 부품 제조업체들은 이 문제를 인지하고 전원간의 거리를 극대화하기 위해 설계를 수정하고 있는 한편, 인접 핀에 전원을 지속적으로 가지고 있는 제조업체도 있다.
▲ 표 2
2. QFN의 리스크 완화
높은 신뢰성/엄격한 환경을 가진 애플리케이션에서 QFN 부품 도입을 안전하게 하기 위한 길을 열기 위해 설계자, 부품 엔지니어, 신뢰성 담당자들은 휴리스틱 법칙(Heuristic Rules)만으로는 충분하지 않으며 더욱 광범위한 테스트 및 분석이 필요하다는 사실을 인지해야 한다. 여기에는 이차 수준의 인터커넥트 구축이 포함되는데 이건 자주 결핍될 가능성이 높다. 따라서 필요한 전기장 신뢰성을 보장하기 위해 테스트 자료와 검증된 모형을 사용해야 하며, 포스트 리플로우 처리, 코팅, 재작업 등 기존 공정을 검토하고 QFN 범핑이나 리볼링 같은 완화 전략을 고려해야 한다.
Craig Hillman, Cheryl Tulkoff
DfR Solutions, Inc.
This article is republished with permission from PennWell Corporation/SMT.
KR101763852B1 – Qfn 반도체 패키지, 이의 제조방법 및 qfn 반도체 패키지 제조용 마스크 시트 – Google Patents
H — ELECTRICITY
H01 — BASIC ELECTRIC ELEMENTS
H01L — SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
H01L21/00 — Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
H01L21/02 — Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
H01L21/04 — Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
H01L21/18 — Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
H01L21/30 — Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 – H01L21/26
What Are QFN (Quad Flat No-Lead) Packages
The surface-mount IC packages that are assembled on a PCB are available in different types. The most popular ones among these are the QFN packages. These miniature packages are suitable for consumer, industrial, automotive, and power applications. When it comes to these packages, we have a lot to learn regarding their types, features, design, and assembly.
What does QFN stand for?
QFN stands for quad flat no-lead package. It is a leadless package that comes in small size and offers moderate heat dissipation in PCBs. Like any other IC package, the function of a QFN package is to connect the silicon die of the IC to the circuit board.
Inside a QFN package
The QFN packages come with a die that is surrounded by a lead frame. The lead frame is made up of a copper alloy with a matt tin coating.
The die and the frame are usually connected to each other using wire bonding. Copper/gold is usually preferred for wire bonding. Some manufacturers use flip-chip technology for this interconnection. The flip-chip technique offers better electrical performance compared to the conventional one.
The metalized terminal pads are located at the bottom surface. These terminal pads are present along the four edges of the bottom surface and provide electrical interconnections to the PCB.
The bottom side of the package consists of an exposed pad. This pad provides an efficient heat path to the PCB. The exposed pad enables ground connection as well. The QFN package is soldered to the circuit board at the exposed pad. The die attach is the epoxy material used to fix the die to the exposed pad.
For thermal management in PCBs, check out 12 PCB Thermal Management Techniques to Reduce PCB Heating.
The following are some of the properties of standard QFN packages:
0.35mm to 2.10mm maximum seated height (standard: 0.85 mm)
Terminal platings of Ni-Pd-Au and Sn
Halogen-free and lead-free
RoHS, ELV, and REACH compliance
The commonly used variants of QFN packages include thin QFN (TQFN), very-thin QFN (VQFN), micro lead-frame (MLF), etc.
Advantages of QFN packages
Quad flat no-lead packages come in lightweight and are easy to handle.
These packages are available in a thin profile and a small form factor.
The bond wires that are used to connect the die and frame are short.
The lead inductance of these packages is low.
They are ideal for applications that require good heat dissipation.
These packages are easily available at a low cost.
What are the different types of QFN packages?
Based on the method of molding, the QFN packages are classified into punch-type and sawn-type packages.
Punch-type
In punch-type singulation, the package is molded in the single mold cavity format and is separated using a punch tool. This means that only a single package is molded into shape using this method.
Sawn-type
These packages are molded using the mold array process (MAP). This method involves cutting a large set of packages into parts. A final saw process helps to separate the sawn-type packages into individual packages.
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What are the different QFN package terminal pads?
The terminal pads of the QFN can be different from each other on the basis of their design, shape, and dimensions. Given below are the different types of terminal pads available.
Fully exposed terminal ends
In this type, the terminal ends are fully exposed all the way to the edge of the package and to the side of the package.
Pull-back terminal ends
The terminal ends are pulled back from the edges of the package. Solder fillets are not added after the reflow soldering process for this type of terminal end packages.
Side wettable flank terminal ends
These types of terminal ends are an altered form of fully exposed terminal ends. Side wettable flank terminal ends enable solder wetting for the formation of solder fillets. The solder failure inspection using AOI becomes easier if uniform solder fillets are formed. This eliminates the need for X-ray inspection.
QFN footprint design
While designing the footprint for the QFN refer to the datasheet of the component. The datasheet will have the package outline drawing. This drawing forms the basis for the footprint design. The detailed package outline of an HVQFN48 package from NXP is given below:
The following things must be taken care of while designing the footprint of a QFN package:
Orientation marking/pin 1 marking.
The ground pad (EP pad) should have a sufficient number of vias for heat dissipation.
Check the solder mask and solder paste layers. Keep the openings as recommended by the manufacturer.
Solder mask bridge should be 4mil or more.
The figure below shows the recommended footprint for the same HVQFN48 package:
QFN assembly
The following are the basic steps involved in the surface-mount assembly of the QFN components:
Solder-paste printing: Solder paste printing is the process of uniformly spreading the solder paste on the board before placement of components.
Solder paste printing is the process of uniformly spreading the solder paste on the board before placement of components. Component placement: The QFN IC components are mounted on the circuit board as per the layout decided during the PCB design stage. Since these components have high interconnection density, precise and accurate pick and place tools are used.
The QFN IC components are mounted on the circuit board as per the layout decided during the PCB design stage. Since these components have high interconnection density, precise and accurate pick and place tools are used. Pre-reflow inspection: Pre-reflow inspection is done to ensure that the board is ready to go into the reflow oven. This helps to remove contaminants on the surface of the board that may interfere with the soldering process.
Pre-reflow inspection is done to ensure that the board is ready to go into the reflow oven. This helps to remove contaminants on the surface of the board that may interfere with the soldering process. Reflow soldering: QFN components are commonly soldered using reflow soldering.
QFN components are commonly soldered using reflow soldering. Post reflow inspection: This inspection is done to check the quality of the soldering.
A proper PCB footprint and stencil design are required for the assembled components to operate as per the design intent.
Also read, Thermal profile for solder reflow.
How to solder QFN on to a PCB?
Soldering is a part of the QFN assembly process. During the assembly process, the components are mounted after solder paste screening. After QFN components are mounted using a pick and place tool, they are soldered using reflow soldering. When the PCB goes into a reflow oven, the temperature inside will make certain areas of the board heat faster than the rest. The heavier components and large copper areas will take more time to get heated.
The top surface temperature of the QFN package is monitored using thermocouples throughout the process. This is to check that the peak package body temperature (T P ) does not exceed the standard values.
How are the QFN solder joints inspected?
The solder joints of the QFN components are formed underneath the package. Hence for the inspection of these, optical inspection and X-ray inspection are used.
Rework on assembled components
If a defect is noticed post assembly on any QFN component, that particular component can be removed and replaced. Special rework stations are available for this purpose. A rework station should have the following components.
Split-light system: acts as a vision system to observe the bottom side of the package and the site on the PCB.
An X-Y table for alignment.
A hot-air system with top and bottom heaters for component removal.
The procedure for rework is given below.
A pre-bake process is done before heating to avoid any moisture-related failures of the board and the components.
The next step is de-soldering and the temperature profile of the board and the components should be kept in mind.
Once de-soldering is done, the component should be mechanically removed. For large components, pipettes can be used and for smaller ones, tweezers are a good option.
After removal, the PCB pads should be cleaned to remove any solder residue. This also prepares the site for the new component placement.
The placement of the new component takes place through the same steps mentioned earlier during assembly.
What is the difference between QFN and QFP?
Quad flat package (QFP) is also a surface mount integrated circuit package. In QFP, unlike QFN, the leads extend out in a gull-wing shape (L-shaped). This provides a good footing for the package during the PCB assembly process.
Just like QFN, the leads extend out on all four sides of the package, hence the name quad flat package.
QFP packages with different numbers of pins are available starting from 8 pins per side to 70 pins per side. QFP32, QFP64, etc. are some examples. The usual pin spacing ranges from 0.4mm to 1mm.
Variants of the QFP package include thin QFP (TQFP), very thin QFP (VQFP), low-profile QFP (LQFP), etc.
What is LQFP64 package?
LQFP64 is an example of a low-profile QFP with 64 pins and offers the same advantages as QFP. The difference is that LQFP comes with a thinner body thickness (1.4mm). They have a standard lead-frame footprint of 2mm.
Because of their small size and heat-dissipating characteristics, QFN IC packages are widely used. The available QFN variants are suitable for a broad range of applications. Hence QFN packages are in high demand when it comes to surface-mount packages.
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