Reparatur von QFNs

Kraus Hardware bietet Entwicklung, Produktion, diverse Testverfahren und Inbetriebnahme an – aber auch die Mechanik und Analyse bis zur Reparatur. Dabei partizipiert man von den Erfahrungen aus der Entwicklung und Fertigung eigener Produkte. „Wir bieten die Kompetenz und Fertigungstiefe besonders bei Kleinstaufträgen, die häufig nur bei Großaufträgen zur Verfügung stehen“, betont Andreas Kraus, Geschäftsführer der Kraus Hardware GmbH.

Was ist ein QFN

Texas Instrument, Integrated Device Technology, Amkor Technology und Hitachi haben die Quad Flat No Leads Package-Gehäusebauform (QFN) entwickelt, die unter anderem auch unter der Bezeichnung MLF (Micro Lead Frame) und weiteren Namen vertrieben werden. Verschiedene QFNs sind mit der Norm JEDEC MO-220 spezifiziert.

Im Unterschied zur QFP-Bauform ragen die Anschlüsse nicht seitlich über das Kunststoffgehäuse hinaus, sondern sind in Form von flachen PADs (Anschlussmetallisierungen) an der Bauteilunterseite angebracht. Anders als BGAs bringen QFN kein eigenes Lotdepot mit, das Gehäuse kann nicht direkt unter Verwendung von Flussmitteln auf der Baugruppe im Reworkprozess verlötet werden. Zur Wärmeabführung befinden sich häufig ein oder mehrere Exposed- oder Thermal-Pads an der Unterseite, die nicht zwingend mit Potenzial verbunden sind. Auch bei diesen Bauteilen zeichnet sich der Trend ab, möglichst viele Anschlüsse an dem Gehäuse unterzubringen. So gibt es mittlerweile schon QFN-Bausteine, bei denen es zwei oder mehr Anschlussringe gibt.

Varianten mit Anschlüssen an zwei Seiten nennt man Dual-Flat-No-Leads-Package (DFN).

Die Verarbeitung von QFNs

Die Inspektion der Anschlüsse, insbesondere der inneren Reihen, ist nur schwer möglich. Bei vielen Bauteilherstellern sind die Bauteilanschlüsse bis an die Bauteilstirnseite geführt, sodass eine optische Inspektion mittels AOI am Meniskus durchgeführt werden kann. Eine so festgestellte, für einwandfrei befundene Lötstelle ist zwar nicht wesentlich qualitätsrelevant, funktioniert aber in den meisten Fällen.

Um eine möglichst gute vollflächige Anbindung des Exposed-Pads zu gewährleisten, sollten Entlüftungskanäle in Form von nicht bedruckten Bereichen oder Bohrungen vorgesehen werden. Die Bedruckung sollte ca. 50 bis 60 % der Exposed-Pad-Fläche betragen.

Laut IPC-A-610 Rev. D werden zur Bewertung der Belotung der Signal-Anschlüsse und des Exposed-Pads keine genauen Angaben gemacht. Was die Anforderung an dieses Exposed-Pad betrifft: Häufig werden aus der Praxis zwischen 50 und 75 % mit Lot benetzte Fläche (ohne Lufteinschlüsse) bezogen auf die Gesamtfläche des Exposed-Pads gefordert. Die neue IPC-7093 bringt hier etwas mehr Information zu Design, Verarbeitung, Inspektion und Reparatur von QFN-, DFN-, und LGA-Bauteilen.

Wie notwendig eine thermische Anbindung sein kann, lässt sich mit einer Wärmebildkamera ermitteln.

Die bei einer Röntgenuntersuchung ermittelte benetzte Fläche und das dazu gehörige Wärmebild des ICs können eine klare Aussage über die minimal benötigte Fläche des Exposed-Pads geben. Wie bekannt, lassen sich schließlich durch eine hinreichende Wärmeabfuhr und eine homogene Temperaturverteilung auf der Baugruppe die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Schaltung maßgeblich positiv beeinflussen.

Die Vorteile von QFNs nutzen

Natürlich führt der geringe Platzbedarf auf der Baugruppe zur Erhöhung der Packungsdichte. Das Anschlussraster (Pitch) liegt zwischen 0,4 bis 1,0 mm. Die Bauhöhe beträgt meist £1 mm und QFNs besitzen gewöhnlich 8 bis 200 Pins.

Gute Wärmeableitung der Verlustleistung über das Exposed- bzw. Thermal-Pad bringt hier noch einmal eine Halbierung des Wärmewiderstandes bei 12 % der Fläche im Vergleich eines QFN-20 zu einem SOIC-20. Den Trumpf aus dem Ärmel zieht die QFN-Gehäusebauform aber durch die sehr guten elektrischen Eigenschaften für Hochfrequenzanwendungen. Dies lässt sich durch den kompakten Aufbau und der damit kurzen Bonddrahtverbindungen zwischen dem Anschlusspad und dem Substrat erklären.

Vergleicht man hier wieder die voran aufgeführten Gehäuseformen QFN-20 und SOIC-20, ist der dominante Unterschied die Induktivität des Anschlusspads, der nur ca. 20% beträgt. Arbeitet man hier im Frequenzbereich von ca. 1 GHz oder höher, sieht man anhand der Simulation, dass sich Hochfrequenzschaltungen mit althergebrachten Gehäuseformen überhaupt nicht mehr zuverlässig realisieren lassen.

Nachteile in den Griff bekommen

QFNs weisen wenig Fehlertoleranz gegenüber anderen Gehäuseformen auf. Bei ihrer Verwendung kann der Layouter durch ein gutes Design wesentlich die Verarbeitung und die Qualität der Baugruppe beeinflussen. Eine Absprache unter Entwickler, Layouter, Leiterplattenhersteller und Baugruppenproduzent mit der Verifizierung der Ergebnisse ist allerdings zwingend notwendig und vermeidet kostspielige Probleme bei der Serienfertigung.

Nacharbeit und Reparatur

Nacharbeit bzw. Reparatur sind nur eingeschränkt möglich, insbesondere bei einer sehr guten thermischen Anbindung des Exposed-Pads an die Baugruppe. Um eine möglichst schonende Baugruppenreparatur durchzuführen, benötigt man eine starke und gut regelbare Unterheizung mit dem entsprechenden Heißgaskopf. Auch die Überwachung der verschiedenen Prozessparameter und Visualisierung ist unumgänglich. Nicht zu vernachlässigen ist das Personal, das mit der nötigen Sorgfalt und dem Gefühl für den Prozess und der spezifischen Herausforderung an die Baugruppe herangeht. Häufig stehen nur Unikate oder Kleinststückzahlen zur Verfügung, sodass es keine Möglichkeiten gibt, lange Prozessevaluierungen durchzuführen.

Bei Kraus Hardware liegt die nötige Erfahrung zum Rework von komplexen Bauteilformen wie LGA und QFN vor. Bei Bedarf kann der Reworkprozess auch im Haus röntgentechnisch überwacht und dokumentiert werden.

Damit die meist sehr hochwertigen Baugruppen nicht beschädigt werden, benötigt man auch entsprechendes Equipment, wie z. B. das Reworksystem Onyx 29 von Zevac. Es verfügt über eine berührungslose Restlotabsaugung, kann Lotpaste, Kleber, Vergussmasse usw. dispensen, BGAs reballen und verfügt über ein Vision-System mit Splitoptik für die exakte Positionierung. Verschiedene Temperaturüberwachungen sorgen für eine hohe Reproduzierbarkeit und Dokumentation des Nacharbeits- bzw. Reparaturprozesses.

So können schlecht platzierte, defekte, falsche und verdrehte Bauteile getauscht bzw. repariert werden, bei denen Lötprobleme aufgetreten sind. QFNs u. a. können nachträglich bestückt werden. 

(hb)