Проектирование трафаретов на печатной плате для микросхем с теплоотводящей контактной площадкой
Правильно спроектированный трафарет для пайки для микросхемы в корпусе, у которого имеется дополнительная теплоотводящая контактная площадка, помогает обеспечить успешную пайку оплавлением.
Корпуса с теплоотводящими контактными площадками стали довольно распространенным явлением. Они имеют различные аббревиатуры – например, QFN («quad flat no-lead»), DFN («dual flat no-lead»), MLF («micro leadframe»), MLP («micro leadframe package»), LLP («leadless leadframe package»), LFCSP («leadframe chip scale package»). Эти корпуса по понятным причинам популярны; они выгодны с точки зрения форм-фактора (благодаря низкому профилю и небольшой занимаемой площади), электрическим характеристикам (то есть низкой индуктивности выводов) и тепловым характеристикам.
Однако, как обычно, есть и некоторые трудности. Одна из них (а именно правильная компоновка печатной платы с теплоотводящей площадкой) обсуждалась в предыдущем техническом обзоре. Еще одним осложнением является обеспечение того, что процесс сборки не будет нарушен неправильными методами нанесения паяльной пасты.
Проблема паяльной пайки, возможно, наиболее проблематична для разработчиков, которые 1) имеют ограниченный опыт работы с корпусами с теплоотводящими контактными площадками и 2) создают собственное посадочное место элемента для печатной платы вместо использования существующего посадочного места из надежной библиотеки компонентов. Проблема в том, что если вы используете обычную контактную площадку поверхностного монтажа для теплоотводящей площадки компонента, программное обеспечение разводки печатной платы будет обрабатывать эту площадку так же, как и любую другую. Это означает, что в слое с паяльной маской будет отверстие, которое включает в себя всю площадку (за исключением указанного уменьшения паяльной маски). Обычно это нормально, но с теплоотводящими площадками это может стать проблемой.
Основная проблема при нанесении паяльной пасты на всю площадку – это «плавание»: чрезмерное количество припоя между теплоотводящей контактной площадкой микросхемы и печатной платой может привести к тому, что весь компонент всплывает над уровнем, на котором площадки на плате по периметру посадочного места могут вступать в контакт с соответствующими площадками на микросхеме.
Еще один недостаток применения сплошных площадок связан с химическими изменениями, которые происходят в процессе пайки. При повышении температуры летучие соединения паяльной пасты испаряются в процессе, известном как дегазация. Если эти газы не могут выходить упорядоченным образом, они могут помешать размещению компонентов и привести к непредсказуемым пустотам припоя.
Прежде чем мы продолжим, следует иметь в виду, что на риск, связанный с нанесением паяльной пасты на сплошную площадку на плате, влияет размер теплоотводящей контактной площадки микросхемы – небольшие теплоотводящие контактные площадки больше похожи на обычные соединения для поверхностного монтажа, которые, конечно, не требуют модификации паяльной маски. Я предполагаю, что большинство теплоотводящих площадок достаточно велики, чтобы требовать особую конструкцию трафарета, но эта проблема, безусловно, становится более заметной по мере увеличения размера теплоотводящей контактной площадки.
Доминирующей специальной конструкцией трафарета является размещение «оконной рамы», также называемой такими терминами, как «массив площадок», «перекрестная штриховка» и «матрица». Этот подход позволяет летучим веществам выходить без проблем и уменьшает количество припоя между печатной платой и теплоотводящей контактной площадкой микросхемы. Следующая диаграмма передает общую идею.
Общее покрытие припоем (т.е. отношение площади пайки к площади теплоотводящей площадки, выраженное в процентах) может контролироваться путем настройки геометрии матрицы – при условии, что вы знаете, каким должно быть общее покрытие. Вы вряд ли сможете определить «идеальное» соотношение, но обзор надежной литературы показывает, что вы должны стремиться к не менее 50% и не более 80%.
В целом, более низкие проценты, вероятно, предпочтительнее просто потому, что они дальше от рисков, связанных со 100-процентным (то есть полным) покрытием. Если вы работаете с высоким энергопотреблением, вы можете склониться к 80%, чтобы облегчить отток тепла от теплоотводящей контактной площадки микросхемы к печатной плате; однако этот документ от Texas Instruments указывает на то, что покрытие в 50% является достаточным даже для мощных приложений.