Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
CControls
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 1 - obudowy QFN

ghost666 27 Lip 2018 23:40 3423 11
  • Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 1 - obudowy QFN
    Obudowy typu QFN mogą być dla elektroników sporym wyzwaniem, ale nie spowoduje to, że znikną z rynku. Z odrobiną dbałości o szczegóły, dzięki ich wykorzystaniu możemy zmniejszyć nasze płytki drukowane i oszczędzić na kosztach montażu. W poniższym artykule, pierwszym z cyklu, poświęconego rozmaitym niuansom projektowania obwodów drukowanych, przyjrzymy się bliżej obudowom QFN i ich stosowaniu w naszych urządzeniach.

    Z punktu widzenia producenta urządzeń (tzw. OEM) niewiele rzeczy jest bardziej frustrujące niż niepoprawnie zaprojektowana płytka drukowana z elementami w obudowie QFN. Zdarza się to niestety częściej, niż pracownicy tych firm by chcieli. Niepoprawnie zaprojektowane pady dla obudów QFN czy DFN są jednymi z najczęstszych problemów, z jakimi borykają się projekty PCB. Najczęściej udaje się je wyłapać, zanim płytki trafią na linię produkcyjną, w przeciwnym wypadku natomiast często wymagają manualnego poprawiania montażu tych elementów. Dlatego też lepiej jest od razu porządnie przyłożyć się do projektu płytki drukowanej z elementami w obudowach QFN.

    Na zdjęciu po lewej widzimy dwa elementy w obudowach QFN (skrajne) i jeden w obudowie DFN (na środku). Obudowy QFN (Quad Flat Pack, No lead - ang.: kwadratowa płaska obudowa bez wyprowadzeń) oraz DFN (Dual Flat Pack, No lead - ang.: Podwójna płaska obudowa bez wyprowadzeń) należą do klasy elementów nazwanej BTC (Bottom Terminated Components - ang.: komponenty z wyprowadzeniami od spodu). Oznacza to, że pola lutownicze tych elementów znajdują się na spodzie obudowy. Stosuje się je chętnie zwłaszcza w projektach, gdzie miejsce na PCB jest niezwykle cenne. Elementy BTC nie są nowością na rynku, jednakże obecnie zwiększa się ich popularność dzięki elektronice noszonej i urządzeniom mobilnym.

    Niewielkie wymiary to nie jedyne zalety, jakie oferują obudowy QFN. Jednakże dzięki nim i braku fizycznych wyprowadzeń, odległość, jaką pokonać muszą w nich sygnały elektroniczne jest niezwykle mała. Dodatkowo, duże pole kontaktu padów z polami lutowniczymi na PCB zapewnia doskonałe parametry termiczne - większość układów ma w tym celu duże pole lutownicze na środku elementu. Pozwala ono na bardzo dobre odprowadzanie ciepła.

    Struktura krzemowa w takim układzie leży bezpośrednio na dużym centralnym polu. Dzięki temu rezystancja termiczna złącze-otoczenie jest bardzo niska. Spotyka się obecnie układy QFN nie większe niż 3 mm x 3 mm, które stabilizować mogą napięcia 5 V przy prądzie 800 mA - do niedawna wymagało to stosowania elementów w obudowach TO-220 z dużymi radiatorami.





    Niestety wszystkie te zalety pociągają za sobą pewne problemy, głównie w zakresie produkcji urządzeń z tymi elementami. Główne problemy wiążą się z ilością pasty lutowniczej, jaka nakładana jest na te elementy oraz z dużą różnicą w wielkości centralnego pola lutowniczego na środku układu i małych pól, które go otaczają. W poniższym materiale dowiemy się, jak unikać tego rodzaju problemów w naszych projektach.

    Pastę lutowniczą nakłada się na PCB w procesie sitodruku lub z pomocą specjalnej drukarki atramentowej. W przypadku sitodruku najpierw przygotowuje się specjalne sita z stali nierdzewnej - laserem wycina się w nich otwory w miejscu pól lutowniczych - tam znajdzie się finalnie pasta na PCB. Sito przykłada się do płytki drukowanej i z pomocą specjalnego gumowego pióra (jak w wycieraczkach lub ściągaczce wody z szyb) nakłada się pastę lutowniczą. Po zdjęciu maski pasta zostaje tylko tam, gdzie wykonane były otwory w sicie. Zasadniczo proces ten nie różni się niczym od np. sitodruku na koszulkach.

    W niektórych zakładach do nakładania pasty zamiast sitodruku stosuje się specjalne drukarki atramentowe. Zaletą tego rozwiązania jest możliwość modyfikacji wzoru past na PCB w zasadzie w dowolnym momencie; wadą - mniejsza rozdzielczość, która staje się problemem dla najnowszych supermałych elementów.

    Typowe sito do nakładania pasty ma grubość 3 lub 4 milsów (0,067 mm lub 0,100 mm). Jeśli spojrzymy teraz ponownie na pola lutownicze elementów QFN pokazane po lewej stronie, to widzimy, że stosunek grubości szablonu (np., 4 milsy) do powierzchni padów jest diametralnie inny dla małych pól i dużego pola. Pod centralnym dużym polem znajdzie się de facto o wiele więcej pasty lutowniczej niż pod mniejszymi polami na krawędzi układu.

    W momencie, gdy płytka drukowana wjeżdża do pieca lutowniczego, kształt nałożonego spoiwa oczywiście zmieni się. Bez wchodzenia w detale dynamiki płynów - finalny rezultat będzie taki, że na centralnym polu będzie za dużo spoiwa. Spowoduje to, że po jego roztopieniu się element będzie unosił się na kropli lutowia, a co za tym idzie mamy niewielką szansę, że boczne pola poprawnie się przylutują. Sytuację taką ilustruje poniższy rysunek (przykład u góry).

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 1 - obudowy QFN


    Jak zatem poradzić sobie z tym problemem? Kontrolując wielkość otworu w sicie, przez które nakładana jest pasta lutownicza. Rozmiar i położenie tego pola kontrolować można edytując dokumentację elementu w naszym programie CAD, który używamy do projektowania płytki drukowanej. Niestety domyślne biblioteki tych programów bardzo często mają niepoprawnie zaprojektowane warstwy pasty dla obudów DFN oraz QFN. Domyślnie, pasta lutownicza nakładana jest na całe pole lutownicze znajdujące się w środku układu. Nie tylko biblioteki programów CADowskich mają ten problem - często nawet w samych kartach katalogowych pojawiają się takie rysunki.

    Zamiast pełnego pokrycia, maska powinna pozwolić na pokrycie dużego pada w około 50..70%, tak jak pokazano na ilustracji poniżej. Widzimy na niej sito do nakładania pasty lutowniczej - centralny pad nie jest dużym wycięciem a zestawem mniejszych. Pozwala to w kontrolowany sposób nałożyć mniej pasty na powierzchnię pola lutowniczego.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 1 - obudowy QFN


    Takie wycięcia, jak pokazane na zdjęciu powyżej, zaprojektować musimy w odpowiedniej warstwie naszego programu CAD. Zazwyczaj warstwa odpowiedzialna za pastę lutowniczą nazywa się po prostu "paste layer" lub "cream layer". W większości edytorów elementy na tej warstwie dodawane są automatycznie, gdy na projektowanej płytce drukowanej dodamy element.

    Tutaj właśnie tkwi problem. Automatyczne generowanie warstwy pasty zakłada, że ma ona pokrywać całe pole lutownicze. O ile dla większości pól sprawdza się to, to w przypadku elementów QFN, DFN i innych dużych pól lutowniczych może być problemem. Fakt, że wszystko to dzieje się automatycznie sprawia, że użytkownicy często nie zastanawiają się nad tym, w jaki sposób tworzony jest wzór sita do nakładania pasty lutowniczej. Co więcej - często inżynierowie uważają, że skoro dzieje się to automatycznie, to nie muszą się tym przejmować. Są oczywiście w ogromnym błędzie, bo jest to spory problem, szczególnie dla dużych elementów QFN z dużym polem lutowniczym na spodzie.

    Poprawienie bibliotek elementów QFN, kiedy już wiemy, co i jak zrobić, nie jest problemem. I taki jest właśnie cel tego artykułu - pokazać Wam potencjalne problemy. Z detalami, tj. jak edytować biblioteki elementów w używanym przez siebie oprogramowaniu CAD, na pewno poradzicie sobie samodzielnie. Pamiętać trzeba jednakże, żeby w edytorze wyłączyć opcję odpowiedzialną za automatyczne generowanie szablonów do pasty lutowniczej - chcemy mieć nad tym pełną kontrolę. Elementy powinny wyglądać mniej więcej tak jak na ilustracji poniżej.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 1 - obudowy QFN


    Wypełnienie dużego pola lutowniczego utrzymać trzeba na poziomie około 50..75% powierzchni pada. Jeśli na płytce są w tym miejscu przelotki (sporo elementów wykorzystuje tą technikę np. do poprawy odprowadzania ciepła lub zwiększenie maksymalnego przewodzonego prądu), to nie umieszczajmy na nich pasty lutowniczej - istnieje duża szansa, że przecieknie ona na drugą stronę PCB. Jeśli chcemy umieszczać przelotki na polach lutowniczych powinny być one zatkane w jakiś sposób. Ten temat jednakże poruszymy może w kolejnej części cyklu. A póki co - powodzenia w edytowaniu bibliotek i lutowaniu elementów w obudowach QFN.


    Źródło: https://www.eeweb.com/profile/duane-benson-2/articles/how-to-build-a-pcb-qfn-footprints


    Fajne! Ranking DIY
  • CControls
  • #2 28 Lip 2018 07:18
    jotbegie
    Poziom 11  

    Super. Dzieki za tłumaczenie. Pociesza fakt że, nie tylko w pl są wielcy projektanci którzy, nie mają pojęcia o montażu ich wypocin. Ale cóż, nawet w datasheet pojawiają się takie kwiatki.

    Autor mógłby też poruszyć temat minimalnych odległości termopadu i padów nóżek.
    Co do przelotek na termopadzie to sądzę że, ryzyko przecieknięcia lutowia na drugą stronę jest mniejsze niż korzyści: polepszone odprowadzanie ciepła i odprowadzenie nadmiaru lutowia z termopadu ( lepiej siada).

  • #3 28 Lip 2018 07:25
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    jotbegie napisał:
    Autor mógłby też poruszyć temat minimalnych odległości termopadu i padów nóżek.
    Co do przelotek na termopadzie to sądzę że, ryzyko przecieknięcia lutowia na drugą stronę jest mniejsze niż korzyści: polepszone odprowadzanie ciepła i odprowadzenie nadmiaru lutowia z termopadu ( lepiej siada).


    W planach jest artykuł poświęcony tylko temu zagadnieniu.

  • #4 29 Lip 2018 10:22
    oloam
    Poziom 20  

    ghost666 napisał:
    Sito przykłada się do płytki drukowanej i z pomocą specjalnego gumowego pióra (jak w wycieraczkach lub ściągaczce wody z szyb) nakłada się pastę lutowniczą.

    Proponowalbym wyciac lub zmienic to zdanie. Takie rzeczy to robilo sie chyba na poczatku recznego kladzenia pasty za pomoca szablonow. W tym temacie troche opisalem technike recznego nakladania pasty (kolega zakladajacy temat rowniez uzywal gumowej rakli), sa tam rowniez zdjecia recznego kladzenia pasty dla qfp z rastrem 0,4mm (wg mnie qfp z takim rastrem jest bardziej wymagajacy niz qfn) oraz opisana redukcja otworow w szablonie 'wendy house' . Druga sprawa, ze obok opisu nakladania pasty przez te nieszczesne gumowe pioro, pojawia sie drukarka 'atramentowa', ja zaznaczylbym ze chyba wciaz na rynku wiecej jest drukarek mechanicznych nakladajacych paste paste w podobny sposob jak robi sie to recznie - posiadaja one 'ostrza' ze stali nierdzewnej (nic gumowego :P)

    Sam artykul jest troche ... amatorski. Jezeli mial poruszac temat projektowania (redukcji otworow dla szblonow) bibliotek, to powinien tylko przy tym pozostac a nie opisywac proces budowy smt. Autor wymienil tylko czynnik szablonu i nakladania pasty gdzie przy dobrze dobranych innch czynnikach (powiem tu o dwoch istotnych) smt blad wielkosci otworu w szablonie (nawiasem z Eagle jeszcze nie zdazylo mi sie uzyc biblioteki w ktorej otwor szabloy byl wielkosci pola lutowniczego, chyba ten artykul ma za zadanie ostrzec przy tworzeniu wlasnej biblioteki, gdyz te dostarczane przez producentow ukladow sa poprawne) mozna wyeliminowac nawet w 100%.

    Pasta lutownicza - nie tylko olowiowa czy bezolowiowa, obie jeszcze moga wystepowac w wersji wodorozpuszczalnej, samej pasty jednego rodzaju mozemy miec kilka rodzajow a to ma bardzo duzy wplyw na efekt koncowy naszej pracy. Duze znaczenie ma tez otoczenie (klimat), w ktorym pracujemy - odpowiednia temperatua i wilgotnosc. Sama pasta nieuzywana tez powinna byc przechowywana w odpowidnich wrunkach (najczesciej lodowka). Posmarowana plytka (zwlaszcza dla pasty wodorozcieczlnej) tez nie pwinna czekac zbyt dlugo na proces pieca tunelowego.
    Widzialem przypadek ,ze na plytce po kilkunastu godzinach (mimo ze byla przez ten czas przechowywana w optymalnych warunkach) elementy typu sot-223 poprostu na niej skakaly w procesie lutowania . Drugi czynnik scisle zwiazany z rodzajem pasty lutowniczej, to profil pieca tunelowego - do kazdej pasty+plytka+komponenty (ich wielkos,oddawanie ciepla) jest inny. U mnie w pracy kazdy nowy produkt jest profilowany dla danej pasty lutowniczej (piec 4 strefowy, 3 sterfy sterowane gora,dol, jedna strefa tylko gora).

    Na koniec jeszcze jedna uwaga- kladzenie elementu na plytke. Recznie chyba nigdy nie polozymy tak elemenu jak maszyna. Przy elemencie polzonym przez maszyne (zwlaszcza typu qfn - duza powierzchnia styku), przy sciaganiu poczujemy lekki opor, wiadomo maszyna kladzie taki element z duza precyzja, bez zadnych drgan, z lekkim dociskiem, tworzy sie jakby polacznie z pasta lutownicza na wszystkich padach. Recznie nawet jak 'docisniemy' element to i tak da sie go zdjac z latwoscia i nie czuc tego opporu co przy polozeniu maszynowemu.

  • CControls
  • #5 29 Lip 2018 10:28
    leonow32

    Poziom 30  

    QFN nie są takie złe jak się wydają ;) nawet ręcznie da się to polutować, tylko trzeba wiedzieć jak. Tutaj widzimy ręcznie lutowany QFN z rastrem 0,5mm do ręcznie robionej płytki :)

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 1 - obudowy QFN

    A w warunkach produkcyjnych nawet wolę QFP niż TQFP. Odpowiednio zaprojektowana płytka z QFN jest zwarcioodporna. Trzeba zrobić odpowiednio małe okienka w soldermasce po jednym na każdy pad. W ten sposób pady są rozdzielone paskami z soldermaski. Soldermaska trochę wystaje ponad powierzchnię miedzi, więc pasta lutownicza jest troszkę poniżej. QFN po położeniu na płytce leży na soldermasce i od góry blokuje możliwość powstania zwarcia. Może trochę chaotycznie opisałem, ale to skuteczna metoda i jeszcze nigdy nie widziałem zwarcia na QFN przy prawidłowo zaprojektowanej płytce.

  • #6 29 Lip 2018 13:35
    Baskhaal
    Poziom 7  

    W pracy kładziemy tysiące QFN i podobnych dziennie (5 linii smt) i akurat te komponenty należą do grupy, przy której mamy najmniej problemów. Ocena AOI jest prosta - polaryzacja, pozycja, płaskość, obecność zwilżenia lutowiem (od frontu) i koniec. Ilość błędów na poziomie może 50PPM. Dowodem to jest na to, że dobrze przygotowany projekt to podstawa. Do tego odpowiednio przechowywana pasta - w lodówce - wyjęcie 8 godzin przed planowanym użyciem, nadruk automatyczny (sito 0.125mm, rakle stalowe, docisk 9kg) z również automatycznym pomiarem każdego nadrukowanego pada, dopieszczony profil na piecu i jedziemy :) Płyta co 16 sekund w magazynku :)

  • #7 29 Lip 2018 20:31
    Owiec_
    Poziom 6  

    leonow32 napisał:
    Może trochę chaotycznie opisałem, ale to skuteczna metoda i jeszcze nigdy nie widziałem zwarcia na QFN przy prawidłowo zaprojektowanej płytce.

    Jeden obrazek powie więcej niż tysiąc słow ;)

  • #8 31 Lip 2018 10:22
    Linoge
    Poziom 26  

    @oloam
    Z jednej strony piszesz, artykuł jest amatorski a potem w telegraficznym skrócie przedstawiasz proces SMT na temat, którego powstała niejedna książka.

    Ogólnie artykuł całkiem fajny. Tylko że można by wszystkie jemu podobne zebrać w rozdziały, podrozdziały bym nawigacja po nich była maksymalnie prosta i stanowiły całość.

  • #9 02 Sie 2018 09:15
    oloam
    Poziom 20  

    Linoge napisał:
    ...potem w telegraficznym skrócie przedstawiasz proces SMT na temat, którego powstała niejedna książka


    Linoge napisał:
    Z jednej strony piszesz, artykuł jest amatorski

    Dokladnie, nie da sie krotko opisac zagadnienia a artykul zawiera teorie, ktorych nie powinno sie praktykowac.

    Druga sprawa - zgadzam sie z kolegami, ktorzy twierdza, ze qfn to calkiem wdzieczny i bezproblemowy rodzaj obudowy

  • #10 20 Sie 2018 14:01
    kamyczek
    Poziom 34  

    Jak już zaczęliśmy o obudowach qfn to przydały by się gotowe elementy do eagla itp.
    Poza tym może ktoś zna namiary na firmę ,która robi sitka pod QFN często nie trzeba robić sita na całe pcb ale pod qfn z pewnością by się przydało .

  • #12 20 Sie 2018 23:00
    kamyczek
    Poziom 34  

    Są ale nie do wszystkich układów ...