باقة مسطحة بدون رصاص

📅 آخر تحديث: ٢٠ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٠ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة
موصل QFN ذو 28 سنًا، مقلوبًا لإظهار نقاط التلامس والوسادة الحرارية/الأرضية.

حزم مسطحة بدون أسلاك مثل حزم رباعية مسطحة بدون أسلاك ( QFN )تُستخدم تقنية التوصيل المزدوج المسطح بدون أطراف ( DFN ) لتوصيل الدوائر المتكاملة بلوحات الدوائر المطبوعة ، سواءً من الناحية الفيزيائية أو الكهربائية. تُعرف تقنية التوصيل المسطح بدون أطراف أيضًا باسم تقنية الإطار الرصاصي الصغير (MLF) وتقنية SON (التوصيل بدون أطراف صغيرة الحجم)، وهي تقنية تركيب سطحي ، وإحدى تقنيات التغليف التي تربط الدوائر المتكاملة بأسطح لوحات الدوائر المطبوعة دون الحاجة إلى ثقوب نافذة . تُصنع هذه التقنية من غلاف بلاستيكي مغلف بحجم قريب من حجم الشريحة، باستخدام ركيزة إطار رصاصي نحاسي مستوٍ . توفر نقاط التوصيل المحيطية في أسفل الغلاف توصيلات كهربائية بلوحة الدوائر المطبوعة . [ 1 ] عادةً ما تتضمن أغلفة التوصيل المسطح بدون أطراف، ولكن ليس دائمًا، وسادة موصلة حراريًا مكشوفة لتحسين نقل الحرارة من الدائرة المتكاملة (إلى لوحة الدوائر المطبوعة). ويمكن تعزيز نقل الحرارة بشكل أكبر من خلال فتحات معدنية في الوسادة الحرارية. [ 2 ] يُشبه غلاف QFN غلاف QFP وغلاف مصفوفة الكرات الشبكية (BGA).

مقطع عرضي مسطح خالٍ من الرصاص

منظر جانبي لـ QFN.

يوضح الشكل المقطع العرضي لحزمة مسطحة بدون أسلاك توصيل، مزودة بإطار توصيل وأسلاك ربط . يوجد نوعان من تصميمات الهيكل: التقطيع بالثقب والتقطيع بالمنشار . [ 3 ] في التقطيع بالمنشار، تُقطع مجموعة كبيرة من الحزم إلى أجزاء. أما في التقطيع بالثقب، فتُصب حزمة واحدة في قالبها. يُظهر المقطع العرضي هيكلًا مقطّعًا بالمنشار مع وسادة حرارية مُلحقة. إطار التوصيل مصنوع من سبيكة نحاسية، ويُستخدم لاصق موصل حراريًا لتثبيت رقاقة السيليكون على الوسادة الحرارية. تُوصل رقاقة السيليكون كهربائيًا بإطار التوصيل بواسطة أسلاك ذهبية بقطر يتراوح بين 0.00 و0.000 بوصة . 

يمكن أن تكون وسادات العبوة المنفصلة بالمنشار إما أسفل العبوة بالكامل ، أو يمكن طيها حول حافة العبوة.

أنواع مختلفة

هناك نوعان شائعان من عبوات QFN: عبوات QFN ذات التجويف الهوائي ، والتي تحتوي على تجويف هوائي مصمم داخل العبوة، وعبوات QFN المصبوبة بالبلاستيك والتي يتم فيها تقليل الهواء داخل العبوة إلى الحد الأدنى.

تقتصر رقائق QFN المصبوبة بالبلاستيك الأقل تكلفة عادةً على تطبيقات تصل إلى 2-3  جيجاهرتز. وهي تتكون عادةً من جزأين فقط، مركب بلاستيكي وإطار توصيل نحاسي، ولا تأتي بغطاء.

في المقابل، يتكون غلاف QFN ذو التجويف الهوائي عادةً من ثلاثة أجزاء: إطار توصيل نحاسي، وجسم مصبوب من البلاستيك (مفتوح وغير مغلق)، وغطاء إما من السيراميك أو البلاستيك. وهو عادةً أغلى ثمناً نظراً لطريقة تصنيعه، ويمكن استخدامه في تطبيقات الموجات الدقيقة حتى تردد 20-25  جيجاهرتز.

يمكن أن تحتوي حزم QFN على صف واحد من جهات الاتصال أو صفين من جهات الاتصال.

المزايا

توفر هذه الحزمة مزايا عديدة، منها انخفاض التكلفة [ 4 ] ، وانخفاض حثّية الأسلاك، وصغر الحجم (قريب من حجم الشريحة)، ونحافة التصميم، وخفة الوزن. كما أنها تستخدم وسادات الإدخال/الإخراج المحيطية لتسهيل توجيه مسارات لوحة الدوائر المطبوعة، وتوفر تقنية وسادات النحاس المكشوفة أداءً حراريًا وكهربائيًا ممتازًا. هذه الميزات تجعل QFN خيارًا مثاليًا للعديد من التطبيقات الجديدة التي تُعدّ فيها عوامل الحجم والوزن والأداء الحراري والكهربائي بالغة الأهمية.

تحديات التصميم والتصنيع والموثوقية

قد تؤدي تقنيات التغليف المحسّنة وتصغير حجم المكونات في كثير من الأحيان إلى ظهور مشكلات جديدة أو غير متوقعة في التصميم والتصنيع والموثوقية. وقد كان هذا هو الحال مع عبوات QFN، لا سيما عند اعتمادها من قبل مصنعي المعدات الأصلية الجدد غير المتخصصين في الإلكترونيات الاستهلاكية .

التصميم والتصنيع

من الاعتبارات الرئيسية في تصميم QFN تصميم الوسادات والقوالب. عند تصميم وسادات التوصيل، يمكن اتباع نهجين: استخدام قناع اللحام (SMD) أو عدم استخدام قناع اللحام (NSMD). يؤدي نهج NSMD عادةً إلى وصلات أكثر موثوقية، حيث يتمكن اللحام من الالتصاق بسطح وجوانب وسادة النحاس. [ 5 ] كما تتميز عملية حفر النحاس عمومًا بتحكم أدق من عملية استخدام قناع اللحام، مما ينتج عنه وصلات أكثر اتساقًا. [ 6 ] مع ذلك، قد يؤثر هذا على الأداء الحراري والكهربائي للوصلات، لذا يُنصح باستشارة الشركة المصنعة للعبوة للحصول على معايير الأداء المثلى. يمكن استخدام وسادات SMD لتقليل احتمالية حدوث جسور اللحام ، ولكن قد يؤثر ذلك على الموثوقية الإجمالية للوصلات. يُعد تصميم القوالب معيارًا رئيسيًا آخر في عملية تصميم QFN. يساعد التصميم المناسب للفتحة وسُمك القالب على إنتاج وصلات أكثر اتساقًا (أي تقليل الفراغات وانبعاث الغازات والأجزاء العائمة) مع السُمك المناسب، مما يؤدي إلى تحسين الموثوقية. [ 7 ]

توجد أيضًا مشكلات تتعلق بالتصنيع. بالنسبة لمكونات QFN الكبيرة، قد يُشكل امتصاص الرطوبة أثناء إعادة تدفق اللحام مصدر قلق. فإذا امتصت العبوة كمية كبيرة من الرطوبة، فقد يؤدي التسخين أثناء إعادة التدفق إلى تشوه مفرط في المكون. غالبًا ما ينتج عن ذلك انفصال زوايا المكون عن لوحة الدوائر المطبوعة ، مما يُسبب عدم اكتمال وصلة اللحام. وللحد من مخاطر التشوه أثناء إعادة التدفق، يُوصى بمستوى حساسية للرطوبة يبلغ 3 أو أعلى. [ 8 ] تشمل المشكلات الأخرى في تصنيع QFN ما يلي: طفوّ المكونات بسبب وجود كمية زائدة من معجون اللحام أسفل الوسادة الحرارية المركزية، وفراغات كبيرة في اللحام، وضعف خصائص إعادة العمل، وتحسين خصائص إعادة تدفق اللحام. [ 9 ]

مصداقية

غالبًا ما يُهيمن سوق الإلكترونيات الاستهلاكية على تصميم عبوات المكونات، مع إيلاء اهتمام أقل للصناعات التي تتطلب موثوقية عالية، مثل السيارات والطيران. ولذلك، قد يكون من الصعب دمج عائلات عبوات المكونات، مثل QFN، في بيئات تتطلب موثوقية عالية. من المعروف أن مكونات QFN عُرضة لمشاكل إجهاد اللحام ، وخاصة الإجهاد الحراري الميكانيكي الناتج عن دورات التسخين والتبريد . قد يؤدي انخفاض المسافة بين نقاط اللحام في عبوات QFN إلى زيادة الإجهادات الحرارية الميكانيكية بسبب اختلاف معامل التمدد الحراري مقارنةً بالعبوات ذات الأطراف. على سبيل المثال، في ظل ظروف دورات التسخين والتبريد المُسرّعة بين -40 درجة  مئوية و125  درجة مئوية، يمكن أن تصمد مكونات QFP لأكثر من 10000 دورة حرارية، بينما تميل مكونات QFN إلى التعطل عند حوالي 1000 إلى 3000 دورة. [ 8 ]

تاريخيًا، كان اختبار الموثوقية مدفوعًا بشكل أساسي بمعيار JEDEC ، [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] إلا أن هذا التركيز انصبّ في المقام الأول على رقاقة المعالج والوصلات البينية من المستوى الأول. حاول معيار IPC -9071A [ 14 ] معالجة هذا الأمر بالتركيز على الوصلات البينية من المستوى الثاني (أي وصلة الغلاف بركيزة لوحة الدوائر المطبوعة). يكمن التحدي في هذا المعيار في أنه تم اعتماده على نطاق أوسع من قبل مصنعي المعدات الأصلية مقارنةً بمصنعي المكونات، الذين يميلون إلى اعتباره مسألة خاصة بتطبيق معين. ونتيجةً لذلك، أُجريت العديد من الاختبارات التجريبية وتحليلات العناصر المحدودة على مختلف أنواع أغلفة QFN لتحديد موثوقيتها وسلوك إجهاد اللحام فيها . [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]

اقترح سيربريني وآخرون [ 22 ] نموذجًا شبه تحليلي لتقييم موثوقية وصلات اللحام QFN تحت تأثير دورات التبريد والتسخين. يُولّد هذا النموذج خصائص ميكانيكية فعّالة لحزمة QFN، ويحسب إجهاد القص والانفعال باستخدام نموذج اقترحه تشين ونيلسون [ 23 ] . ثم تُحدد كثافة طاقة الانفعال المبددة من هذه القيم، وتُستخدم للتنبؤ بعدد الدورات المميزة حتى الفشل باستخدام منحنى ويبول ذي المعلمتين .

مقارنة بالحزم الأخرى

تُشبه حزمة QFN حزمة Quad Flat ، لكن أطرافها لا تمتد من جوانب الحزمة. ولذلك، يصعب لحام حزمة QFN يدويًا، وفحص جودة وصلات اللحام، أو فحص أطرافها.

المتغيرات

يستخدم المصنّعون المختلفون أسماءً مختلفة لهذه العبوة: ML (إطار توصيل دقيق) مقابل FN (مسطح بدون توصيل)، بالإضافة إلى وجود إصدارات مزودة بوسادات على جميع الجوانب الأربعة (رباعي) وإصدارات مزودة بوسادات على جانبين فقط (ثنائي)، ويتراوح سمكها بين 0.9 و1.0  مم للعبوات العادية و0.4  مم للعبوات الرقيقة جدًا. وتشمل الاختصارات ما يلي:

طَردوصفالشركة المصنعة
DFNعبوة مزدوجة مسطحة خالية من الرصاصأتميل، روهم لأشباه الموصلات
DG1677-2عبوة رباعية مسطحة خالية من الرصاصالدوائر المصغرة
DQFNعبوة مزدوجة رباعية مسطحة خالية من الرصاصأتميل
cDFNآي سي هاوس
تي دي إف إنعبوة مسطحة مزدوجة رفيعة خالية من الرصاص
UTDFNعبوة مسطحة مزدوجة فائقة النحافة وخالية من الرصاص
XDFNعبوة مسطحة مزدوجة رقيقة للغاية وخالية من الرصاص
QFNعبوة رباعية مسطحة خالية من الرصاصشركة أمكور للتكنولوجيا
QFN-TEPحزمة رباعية مسطحة خالية من الرصاص مع وسادة مكشوفة في الأعلى
TQFNعبوة رباعية مسطحة رفيعة خالية من الرصاص
شركة ذات مسؤولية محدودةحزمة إطار رصاصي بدون رصاصشركة ناشيونال سيميكوندكتور
LPCCحامل رقائق بلاستيكية بدون رصاصشركة ASAT القابضة
MLFإطار رصاصي صغيرشركة أمكور للتكنولوجيا وشركة أتميل
MLPDحزمة إطار رصاصي صغير مزدوج
MLPMحزمة إطار رصاصي صغير
MLPQحزمة إطار توصيل صغير رباعي
DRMLFحزمة إطار توصيل صغير مزدوج الصفوفشركة أمكور للتكنولوجيا
DRQFNصف مزدوج رباعي مسطح بدون رصاصتكنولوجيا الرقائق الدقيقة
VQFN/WQFNرباعي مسطح رقيق للغاية خالٍ من الرصاصشركة تكساس إنسترومنتس وغيرها (مثل أتميل، وروهم سيميكوندكتور)
HVQFNمشتت حراري فائق النحافة، عبوة رباعية مسطحة
UDFNألترا ثنائي مسطح بدون رصاصتكنولوجيا الرقائق الدقيقة
UQFNرباعي مسطح فائق الرقة خالٍ من الرصاصشركة تكساس إنسترومنتس وشركة مايكروشيب تكنولوجي
حزمة إطار الرصاص الصغير

تُعدّ حزمة الإطار الرصاصي الصغير (MLP) عائلة من حزم الدوائر المتكاملة QFN، تُستخدم في تصميمات الدوائر الإلكترونية المُثبّتة على السطح . وهي متوفرة بثلاثة إصدارات: MLPQ (حيث Q تعني رباعي )، وMLPM (حيث M تعني صغير )، وMLPD (حيث D تعني ثنائي ). تحتوي هذه الحزم عادةً على وسادة توصيل مكشوفة لتحسين الأداء الحراري. تُشبه هذه الحزمة حزم رقاقة الدوائر المتكاملة (CSP) في تركيبها. صُممت حزم MLPD لتوفير بديل متوافق من حيث الحجم لحزم الدوائر المتكاملة صغيرة الحجم (SOIC).

إطار التوصيل الدقيق (MLF) عبارة عن غلاف بلاستيكي مُغلف بتقنية CSP تقريبًا ، مزود بركيزة من النحاس. يستخدم هذا الغلاف نقاط توصيل محيطية في أسفله لتوفير اتصال كهربائي بلوحة الدوائر المطبوعة . يُكشف سطح تثبيت الرقاقة في أسفل الغلاف لتوفير مسار حراري فعال عند لحامه مباشرةً بلوحة الدوائر. كما يُتيح ذلك تأريضًا مستقرًا باستخدام وصلات سفلية أو عن طريق التوصيل الكهربائي عبر مادة موصلة لتثبيت الرقاقة.

يُعدّ غلاف الإطار الصغير ثنائي الصفوف (DRMLF) أحد أحدث تصاميم الحزم التي تسمح بكثافة توصيل أعلى . وهو عبارة عن حزمة MLF تحتوي على صفين من نقاط التوصيل للأجهزة التي تتطلب ما يصل إلى 164 منفذ إدخال/إخراج. تشمل التطبيقات الشائعة محركات الأقراص الصلبة، ووحدات تحكم USB، وشبكات LAN اللاسلكية.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ متطلبات تصميم المخططات الخارجية للأجهزة الصلبة والمنتجات ذات الصلة، منشور JEDEC رقم 95، دليل التصميم 4.23
  2. ↑ بوني سي. بيكر، عبوات أصغر = تحديات حرارية أكبر ، شركة مايكروشيب تكنولوجي.
  3. ↑ "حزمة رباعية مسطحة بدون رصاص (QFN)" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 28-08-2006 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 26-09-2008 .
  4. ↑ "دليل حزمة QFN: الأحجام، والوسادة المكشوفة، وإطار التوصيل، وعدد الأطراف، والتجميع والتكلفة - AnySilicon" . 13-03-2016 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 22-05-2026 .
  5. ↑ "تحديات التصنيع والموثوقية مع QFN" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 21-10-2017.
  6. ↑ "إرشادات التجميع وتصميم لوحة الدوائر المطبوعة لحزم QFN" . مؤرشفة من الأصل بتاريخ 2015-02-12.
  7. ↑ "فهم أهمية تصميم وتنفيذ فتحة الاستنسل لحزمة QFN" (ملف PDF) . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 21-10-2017.
  8. 1 2 "تحديات موثوقية تغليف QFN" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 21-10-2017.
  9. ↑ http://www.aimsolder.com/sites/default/files/overcoming_the_challenges_of_the_qfn_package_rev_2013.pdf ، Seelig, K.، و Pigeon, K. "التغلب على تحديات حزمة QFN"، وقائع SMTAI، أكتوبر 2011.
  10. ↑ JEDEC JESD22-A104D، مايو 2005، دورات درجة الحرارة
  11. ↑ JEDEC JESD22-A105C، يناير 2011، دورات الطاقة ودرجة الحرارة
  12. ↑ JEDEC JESD22-A106B، يونيو 2004، الصدمة الحرارية
  13. ↑ JEDEC JESD22B113، مارس 2006، طريقة اختبار الانحناء الدوري على مستوى اللوحة لتوصيف موثوقية التوصيلات البينية للمكونات الخاصة بالمنتجات الإلكترونية المحمولة
  14. ↑ IPC IPC-9701A، فبراير 2006، طرق اختبار الأداء ومتطلبات التأهيل لملحقات اللحام السطحية
  15. ↑ سيد، أ. وكانغ، و. "تجميع على مستوى اللوحة واعتبارات الموثوقية لحزم QFN." المؤتمر الدولي لجمعية تكنولوجيا المواد والتصنيع، 2003
  16. ↑ يان تي، تي، وآخرون. "نمذجة واختبار موثوقية وصلات اللحام على مستوى اللوحة لحزم QFN و PowerQFN." موثوقية الإلكترونيات الدقيقة 43 (2003): 1329-1338.
  17. ↑ فيانكو، ب. ونيلسن، إم كيه "الإجهاد الحراري الميكانيكي لحزمة بلاستيكية رباعية مسطحة بدون رصاص (PQFN) ذات 56 مدخل/مخرج." المؤتمر الدولي لجمعية تكنولوجيا المواد، 2015.
  18. ↑ وايلد، ج.، وزوكوفسكي، إي. "تحليل مقارن لموثوقية μBGA وQFN." المؤتمر الدولي الثامن حول المحاكاة والتجارب الحرارية والميكانيكية ومتعددة الفيزياء في الإلكترونيات الدقيقة والأنظمة الدقيقة، 2007 IEEE، 2007.
  19. ↑ دي فريس، ج.، وآخرون. "موثوقية وصلات اللحام في حزم HVQFN المعرضة لدورات حرارية." موثوقية الإلكترونيات الدقيقة 49 (2009): 331-339.
  20. ↑ 17. لي، ل. وآخرون. "موثوقية مستوى اللوحة وعملية تجميع حزم QFN المتقدمة." المؤتمر الدولي لجمعية تكنولوجيا المواد، 2012.
  21. ↑ بيرزر، سي، وآخرون. "دراسات موثوقية حزم QFN بدون أسلاك حتى نهاية العمر الافتراضي مع اختبارات إجهاد خاصة بالتطبيق على مستوى اللوحة." مؤتمر مكونات وتكنولوجيا الإلكترونيات، 2006.
  22. ↑ سيربريني، م.، بلاتاو، ن.، شارون، ج.، هيلمان، س.، ماكلوسكي، ب. "نموذج شبه تحليلي لعمر الإجهاد لتقييم موثوقية وصلات اللحام في حزم QFN تحت تأثير دورات حرارية". SMTA ICSR، 2017. تورنتو، أونتاريو.
  23. ↑ تشين، دبليو تي، وسي دبليو نيلسون. "الإجهاد الحراري في الوصلات الملصقة." مجلة آي بي إم للبحوث والتطوير 23.2 (1979): 179-188.