Особенности монтажа микросхем в корпусах MLF

Статья знакомит с особенностями проектирования печатных плат для установки микросхем в корпусах MLF. Даны также рекомендации по монтажу и замене этих микросхем.

А. Мельниченко

Корпус MLF (MicroLeadFrame) подобно корпусу CSP (Chip Scale Package) выполнен из пластмассы с выводами в виде медных площадок на его нижней по­верхности. Созданный с использованием технологии ePad фирмы Amkor, корпус MLF имеет улучшенные тепловые и электрические характеристики. Теплоот­вод, расположенный в нижней части корпуса, обеспе­чивает эффективный тепловой и электрический кон­такт кристалла микросхемы с печатной платой. Такая конструкция позволяет, кроме того, увеличить рабо­чую полосу частот микросхемы до 10 ГГц.

Для более полного использования возможностей такого корпуса разработка топологии печатной платы и монтаж микросхемы должны проводиться с учетом изложенных ниже соображений. Однако для достиже­ния оптимального результата эти рекомендации долж­ны быть дополнены эксперементальной проверкой.

Как видно из рис. 1, корпус имеет выводы в виде прямоугольных площадок с закругленными с внутрен­ней стороны краями. Перед монтажом на плату нано­сится паяльная паста, после чего пайкой оплавлени­ем выполняется монтаж корпуса.

Рис. 1. Корпус MLF (внешний вид и разрез)

Размеры площадок под выводы. Площадки под выводы микросхем на плате выполняют, как правило, в соответствии с руководствами, принятыми в фирме, или в соответствии с промышленными стандартами, напри­мер, IPC-SM-782. Но поскольку рекомендации по монтажу корпуса MLF отсутствуют, для достижения оптималь­ных результатов в проектировании печатных плат необ­ходимо проведение ряда экспериментов. В основу из­ложенных в статье рекомендаций положена разрабо­танная фирмой IPC методика проектирования печатных плат с учетом особенностей, связанных с малыми рас­стояниями между выводами и теплоотводом.

На рис. 2 показаны виды корпуса снизу и сбоку с раз­мерами, необходимыми для выполнения площадок на плате. Поскольку в большинстве случаев корпуса имеют квадратную форму, для определения длины площадок достаточно размеров, приведенных на виде сбоку (D, S, D2 и L). Размеры площадок на плате показаны на рис. 3. Здесь Zmax и G_min – соответственно наружный и внутрен­ний размеры между площадками, X и Y – ширина и дли­на площадки, C_LL– расстояние между крайними площад­ками расположенных под углом 90° сторон и C_PL – рас­стояние между площадками для выводов и площадкой для теплоотвода, D2′_TH – максимальный размер сторо­ны площадки под теплоотвод (расчетное значение). Размеры корпусов и выводов микросхем, а также площадок платы сведены в таблицу 1.

Рис. 2. Размеры корпуса MLF, используемые при определении размеров площадок печатной платы

Таблица 1. Размеры корпусов и выводов микросхем и площадок платы

* Выводы расположены по двум сторонам корпуса, в остальных случаях – по четырем.

Допуски. Ниже рассмотрены три вида допусков: на размеры корпусов компонентов, на размеры пло­щадок печатной платы, на точность оборудования для установки компонентов. Кроме того, определены ми­нимальные размеры паяного соединения, необходи­мые для обеспечения его надежности.

Допуски на размеры корпусов компонентов указа­ны в таблице 1. Для определения размеров площадок печатной платы учитывают допуски на размер корпуса компонента, а также на расположение выводов мик­росхемы на каждой из сторон. Поскольку совпадение

всех трех предельных допусков маловероятно, в рас­четах обычно используют их среднеквадратичное зна­чение, как это принято в стандарте IPC-SM-782.

Указанный на рис. 2 размер S, необходимый для вычисления длины площадок, на чертежах корпусов, как правило, не приводят. Его можно вычислить по формулам

Smin = Dmin ^{— 2} Lmax, Smax = Smin + Stol  где

Рис. 3. Размеры контактных площадок печатной платы

Допуск на размеры площадок печатной платы, а также на точность установки компонента принимают равным 0.05 мм.

Минимальные размеры паяного соединения (рис. 4), используемые для определения размеров площадок, принимают равными: J_Tmin=0.1 мм, L_Hmin=0.05 мм, J_Smin=0. При этом все стороны вывода (кроме внешней) полно­стью закрыты припоем. Правда, в большинстве случаев размеры площадок делают несколько больше номи­нальных, отчего паяное соединение принимает форму, показанную на рис. 4. Наличие теплоотвода не позволя­ет увеличить размер площадок, поэтому для повышения надежности следует обеспечить хорошую форму соеди­нения на внешней стороне вывода.

Определение размеров площадок под выво­ды. Размеры площадок определяются следующими соотношениями:

(1)

где ТТ, T_S и TH – среднеквадратичные значения допус­ков на расстояния между передними’ боковыми и задними краями площадок соответственно. Более по­дробно этот расчет приведен в стандарте IPC-SM-782. Приведенная формула (1) для G_min не позволяет произвести расчет размеров площадок по всем четы­рем сторонам корпуса. Для предотвращения образо­вания мостиков припоя между соседними площадка­ми’ расположенными на перпендикулярных сторонах корпуса’ необходим зазор C_LL (рис. 3). Его принимают равным 0.1 мм’ и в результате формула для опреде­ления G_min выглядит следующим образом:

Gmn >Amax + 2Cll,                            (2)

где A_max = (шаг выводов) x (число выводов по одной стороне -1)x ширину вывода.

Тогда длина площадки определяется по формуле

Y= (Zmax – Gmin)/2.                                                        (3)

Внутренние края площадки должны быть закругле­ны. Размеры площадок’ рассчитанные по этой методике для различных корпусов MLF, приве­дены в таблице 1. Для корпусов с шагом выводов 0.5 и 0.4 мм значения X_max не­сколько уменьшены по сравнению с рас­четными во избежание образования мос­тиков припоя.

Минимальная длина площадок. Вычисленная по формуле (3) длина пло­щадки Y учитывает все допуски и получа­ется, как правило, больше, чем необходи­мо, так как допуски в реальных изделиях намного жестче. К примеру, для 32-выводного корпуса размерами 7×7 мм (с шагом выводов 0.65 мм) номинальная длина выводов составляет 0.6 мм. Однако из-за допусков длина площадок для них составля­ет 1.06 мм, т. е. на 0.46 мм больше номинальной длины выводов. При номинальных размерах корпуса площадки на плате выступают на 0.18 мм перед выво­дами и на 0.28 мм за ними. В большинстве случаев это оказывается излишним и, кроме того, приводит к ограничению размеров площадки для теплоотвода (см. ниже). Поэтому рекомендуется при проектировании исходить из номинальных размеров, увеличив впоследствии размер площадок на 0.1 мм перед и на 0.05 мм за выводами (рис. 5). Полученная в результа­те длина площадок достаточна для того, чтобы при монтаже корпуса по технологии, рекомендуемой фирмой Amkor, образовалось надежное паяное со­единение.

Проектирование площадки под теплоотвод. Для эффективного отвода тепла корпус MLF снабжен теплоотводом. Предполагается, что этот теплоотвод будет припаян к площадке на печатной плате, от кото­рой тепло будет отводиться по переходным отверсти­ям на другие слои платы.

Размеры площадки под теплоотвод равны, как правило, размерам теплоотвода. Однако, в зависи­мости от размеров выводов корпуса ее размеры мо­гут быть скорректированы во избежание образования мостиков припоя между выводами и теплоотводом. Расстояние между площадками под выводы и тепло­отводом принимают равным C_PL = 0.15 мм (рис. 3).

Рис. 4. Размеры паяного соединения

Рис. 5. Минимальные выступы контактных площадок

Максимальный размер каждой из сторон площадки под теплоотвод равен

D2′th = Gmn-2 Cpl ,                     (4)

Реальный размер каждой из сторон площадки D2′ выбирается из соотношения D2< D2 ’< D2′_TH, где D2 — размер стороны теплоотвода на микросхеме.

С увеличением числа переходных отверстий повы­шается эффективность отвода тепла от корпуса (рис. 6). Однако на практике выбирают такое их количество, при котором дополнительные отверстия уже не ока­зывают существенного влияния на процесс теплопередачи. В результате моделирования процесса теп­лопередачи установлено, что оптимальным является расположение отверстий с шагом 1-1.2 мм при их ди­аметре 0.3-0.33 мм. На рис. 7 показано расположение переходных отверстий для 48-выводного корпуса размером 7×7 мм.

Рис. 6. Зависимость теплового сопротивления “кристалл-окружающая среда” Θja от количества переходных отверстий под теплоотводом

Паяльная маска. С учетом допусков на точность нанесения паяльной маски отверстия в ней должны быть на 120-150 мкм больше размеров площадок на плате.

Как правило, каждая площадка должна иметь соб­ственное отверстие в паяльной маске. Но для выво­дов шириной 0.25 мм и шагом 0.4 мм перемычки меж­ду соседними отверстиями маски становятся слишком узкими. В этом случае делают одно общее отвер­стие на всю группу выводов (рис. 8).

Если размеры площадки под теплоотвод приближа­ются к максимальному значению, рассчитанному по формуле (4), то во избежание образования мостиков припоя рекомендуется ограничить область пайки теп­лоотвода, защитив паяльной маской края площадки под теплоотвод на ширину 0.1 мм по каждой из сторон.

Для предотвращения вытекания припоя через пе­реходные отверстия они также должны быть защище­ны паяльной маской. Диаметр маски на этих отвер­стиях должен на 0.1 мм превышать диаметр отвер­стия. Наносить ее можно как со стороны пайки, так и с обратной стороны. Эксперименты показали, что в первом случае в паяном соединении образуется меньше пустот (рис. 9).

Как видно из рис. 10, наличие пустот между теп­лоотводом и площадкой на плате общей площадью не более половины всей поверхности площадки су­щественно не влияет на теплопроводность соеди­нения. Следует избегать лишь пустот большой пло­щади.

Рекомендации по разработке трафарета. Как показали эксперименты, для обеспечения требуемой надежности паяное соединение должно иметь толщи­ну порядка 50-75 мкм и достаточное количество при­поя с внешней стороны площадки. Это достигается правильным выбором следующих соотноше­ний:

К₁ = площадь апертуры/пло- щадь стенки апертуры,

К₂ = ширина апертуры/толщи- на трафарета.

Для прямоугольной апертуры эти соотношения имеют вид:

К₁ = LW/2T(L+W), K₂= W/T, где L и W– длина и ширина апер­туры, Т – толщина трафарета. Для того чтобы количество наноси­мой пасты было оптимальным, должны соблюдаться соотношения: К₁>0.66, К₂>1.5.

Обычно размеры апертуры трафарета соответствуют размерам площадки печатной платы. В табл. 2 приведены коэффициенты К₁ и К₂, рассчитанные на основе данных табл. 1 для площадок минимальной длины. Толщина трафарета в этом случае принята рав­ной 0.125 мм. В таблице 2 приведены также значения коэффициентов для апертуры, ширина которой на 0.05 мм меньше ширины площадки. Это может потре­боваться при малом шаге выводов (например, 0.4 мм), т. к. в этом случае между площадками шириной 0.25 мм остается всего 0.15 мм. Из таблицы 2 видно, что в большинстве случаев коэффициенты К₁ и К₂ значитель­но больше указанных выше минимальных значений, приближаясь к ним лишь при шаге выводов 0.4 мм. Увеличения К₁ можно добиться путем увеличения дли­ны апертуры или уменьшения толщины трафарета.

Что касается отверстия трафарета, предназначен­ного для площадки под теплоотвод, то во избежание на­несения чрезмерного количества пасты и связанных с этим проблем рекомендуется вместо одного большого отверстия использовать ряд небольших (рис. 11). При этом площадь, покрытая пастой, составит 50-80 % пло­щади площадки, что, как было отмечено выше, сущест­венно не отразится на теплопроводности соединения. Однако в этом случае легче достигается оптимальная толщина паяных соединений на выводах (50-75 мкм).

Рис. 7. Площадка под теплоотвод (с переходными отверстиями) для 48-выводного корпуса размерами 7×7 мм

Рис. 8. Паяльная маска для площадок под выводы с шагом 0.5 мм и более (а), с шагом 0.4 мм (b)

Рис. 9. Пустоты в паяном соединении под теплоотводом при нанесении маски на переходные отверстия с нижней (а) и верхней стороны платы (b)

Толщина трафарета. Для площадок с шагом 0.4 и 0.5 мм рекомендуется выполнять трафарет толщиной 0.125 мм. Для площадок с шагом больше 0.5 мм она может быть увеличена до 0.15-0.2 мм. Рекомендуется применять трафарет из нержавеющей стали, изготовленный с помощью лазера, с поли­рованными трапецеидальными стенками.

Так как доступ к выводам микро­схемы после пайки отсутствует, ре­комендуется использовать паяль­ную пасту, не требующую последу­ющей чистки (No Clean).

Монтаж. Монтаж корпусов MLF выполняется так же, как и других SMD-компонентов. Желательно проведение контроля после нанесения пасты и после пайки, особенно на стадии раз­работки. Следует также контролировать расход пас­ты, который должен быть равным 80-90 % от расчет­ного значения. После пайки необходимо методом рентгеноскопии убедиться в отсутствии дефектов (пустот, шариков припоя и др.).

Типовой профиль пайки показан на рис. 12. Реаль­ный профиль зависит от используемой пасты и плот­ности монтажа компонентов. Температура пайки не должна превышать 220 °С, время воздействия темпе­ратуры, превышающей температуру плавления при­поя, не должно быть более 75 с. Для припоев, не со­держащих свинец, температура может быть увеличе­на, если позволяет материал корпуса. Скорость роста температуры не должна превышать 3 °С/с.

Замена микросхем, выполненных в корпусах MLF. Дефекты пайки выводов корпуса MLF можно ис­править сравнительно просто, однако для исправления дефектов, обнаруженных под корпусом, приходится вы­паивать его целиком. Здесь возникает сложность, свя­занная с нежелательным нагревом соседних компонен­тов. Процесс замены обычно состоит из следующих ста­дий: удаления микросхемы, устранения дефекта, нане­сения пасты, установки и припаивания новой микросхе­мы. Перед любой заменой компонента настоятельно ре­комендуется прогреть изделие в течение четырех часов при температуре 125 °С для удаления влаги.

Рис. 10. Зависимость тепловых сопротивлений Θja,ΨJB, ΨJV  от размеров пустот в паяном соединении теплоотвод-площадка платы

Рис. 11. Формы отверстий в трафарете для площадки под теплоотвод корпусов MLF размерами 7××7 (а, b) и 10×10 мм (c, d)

Для удаления компонента следует использовать нагрев горячим воздухом через специальные сопла, что предотвращает нагрев соседних компонентов. Расход воздуха рекомендуется поддерживать равным 15-20 л/мин. Желательно выдерживать температурный профиль, используемый при пайке, сократив до мини­мума время нахождения припоя в расплавленном состо­янии. Рекомендуется также подогрев платы снизу. Для удаления компонента используют вакуумную присоску.

Таблица 2. Размеры апертуры трафарета для площадок под выводы (Ш××Д, мм)

Рис. 12. Типовой профиль пайки для припоя Sn63/Pb37

После удаления компонента следует очистить площадки от припоя, что лучше выполнить с помощью па­яльника и металлической оплетки. Ширина жала должна соответствовать ширине площадки, его тем­пература не должна быть слишком высокой, чтобы не повредить плату. После удаления припоя плату очи­щают растворителем. При его использовании учиты­вают рекомендации изготовителя паяльной пасты.

Нанесение пасты должно выполняться с высокой точностью. Желательно использовать миниатюрный трафарет, соответствующий данному корпусу. Вырав­нивание его относительно площадок платы должно происходить под 50-100-кратным увеличением. Паста наносится небольшим металлическим ракелем, шири­на которого равна ширине корпуса. При этом паста на­носится за один проход ракеля без образования из­лишков. Толщина трафарета и размер апертуры – те же, что и во время основного процесса. Здесь также должен использоваться флюс, не требующий отмыв­ки, т. к. чистка платы с большим количеством малых компонентов затруднительна.

Установка корпуса MLF выполняется так же, как и корпуса BGA. Для выравнивания компонента на плате необходимо использовать оптическую систе­му с расщепленным лучом, формирующую изображение выводов, совмещен­ное с изображением кон­тактных площадок. Здесь также необходимо исполь­зовать 50-100-кратное уве­личение. Установочное оборудование должно обес­печивать возможность пово­рота компонента и смеще­ния его вдоль осей X и Y.

Пайка нового компонента ведется с использованием того же температурного про­филя, что и при пайке всей платы. При известном про­филе пайки контроль темпе­ратуры с помощью термопа­ры не обязателен.