Elektronische Geräte entwickeln sich rasant weiter und erfordern kompaktes Design und hohe Effizienz. QFN-Gehäuse sind unter vielen wichtigen Optionen eine beliebte Wahl. Was macht diesen Gehäusetyp so beliebt? Sollten Sie ihn auch in Ihren Projekten einsetzen? Dieser Leitfaden bietet einen klaren und umfassenden Überblick.
Was sind QFN-Pakete?
QFN steht für Quad Flat No-leads. QFN-Gehäuse verbinden Siliziumchips (den ASIC) mit einer Leiterplatte (PCB). Die Implementierung erfolgt mit oberflächenmontierte TechnologieWie der Name schon sagt, enthielt dieses Paket nicht die klassischen Anschlüsse, die es früher gab. Anstelle der üblichen Anschlüsse verfügen Quad Flat No-Lead-Pakete über Randpads mit einem offenen Lötpad darunter. Diese Struktur kann die elektrische und thermische Leistung verbessern, weshalb QFN-Pakete bei Benutzern sehr beliebt sind.
Ein QFN-Gehäuse besteht im Allgemeinen aus den folgenden Grundkomponenten:
Leadframe: Dieser Teil ist für die Leistung des ICs von entscheidender Bedeutung. Er dient im Wesentlichen als Träger für das Gehäuse.
Einzel- oder Mehrfachchips: Dabei handelt es sich um die Siliziumchips im Gehäuse, die mithilfe der Oberflächenmontagetechnik auf der Leiterplatte montiert werden.
Drahtverbindungen: Diese bestehen normalerweise aus Kupfer oder Gold. Diese Drähte bilden die notwendigen Verbindungen zwischen dem Leadframe und den Chips.
Formmasse: Dieses Material umgibt und schützt die internen Komponenten. Es sorgt für elektrische Isolierung, verhindert Korrosion und erhöht die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit des Gehäuses.
Arten von Quad Flat No-Lead-Paketen
- Lufthohlraum-QFN: Dieser Typ zeichnet sich durch einen Kunststoff- oder Keramikdeckel, einen Kupfer-Leiterrahmen und ein aus Kunststoff geformtes, nicht versiegeltes Gehäuse aus. Dieser Typ wird üblicherweise in Mikrowellensystemen mit einer Frequenz von 20 bis 25 GHz eingesetzt, bei denen ein Lufthohlraum erforderlich ist.
- Mehrreihiges QFN-Gehäuse: Diese Art von Design erfüllt die Anforderungen einer hohen Anzahl von Pins durch die Verwendung mehrerer Pinreihen, ähnlich wie BGA-Technologie aber oft wird es zu einem niedrigeren Preis hergestellt.
- QFN mit benetzbaren Flanken: Dieses flache, bleifreie Quad-Gehäuse verfügt über freiliegende Metallflanken oder Anschlüsse an allen vier Seiten des Gehäusekörpers. Alle Flanken sind so konzipiert, dass sie mit Lot benetzbar sind. Dadurch kann das Lot aufsaugen und eine starke Lötverbindung zwischen Gehäuse und Leiterplatte herstellen.
- FC-QFN-Gehäuse (Flip-Chip Quad Flat No Lead): Es verwendet Flip-Chip-Verbindungen in einem Kupfer-Anschlussrahmen. Es ist kleiner als ein herkömmliches QFP-Gehäuse und verbessert aufgrund des kürzeren Strompfads auch die elektrische Leistung.
- Drahtbond-QFN: Bei einem Drahtbond-QFN-Gehäuse wird der Halbleiterchip auf einem Leadframe montiert. Anschließend werden die Anschlüsse des Gehäuses über Drahtbonds mit dem Halbleiterchip verbunden. Dies führt natürlich zu einem geringeren Platzbedarf im Vergleich zu herkömmlichen Gehäusen. Quad-Flat-Pakete (QFPs) mit freiliegenden Leitungen.
Gestanzter QFN-Typ vs. gesägter QFN-Typ
QFN-Gehäuse können je nach Herstellungsverfahren auch in zwei Haupttypen unterteilt werden:
Stanztyp QFN: Dieser Typ wird mit einer Formkavität hergestellt. Nach dem Formprozess wird jedes einzelne Gehäuse mit einem Spezialwerkzeug aus der Formmatrize ausgestanzt. Diese Methode ist für die Massenproduktion sehr produktiv und führt in der Regel zu einem sauberen, scharfen Schnitt.
Gesägte QFNs: Gesägte QFNs hingegen werden im Mold-Array-Verfahren hergestellt. Dabei wird eine große Platte geformter Gehäuse mithilfe einer Säge in einzelne Einheiten zerschnitten. Diese Technologie ist sehr effizient bei der Verarbeitung großer Stückzahlen.
Vorteile und Einschränkungen von QFN-Paketen
Vorteile:
- Es ist kompakt und hat ein niedriges Profil, sodass es ideal für platzbeschränkte Anwendungen in Geräten wie Smartphones, Wearables und IoT-Geräten ist.
- Bessere Wärmeableitung durch das freiliegende Chippad, wodurch die Wärme effizienter auf die Leiterplatte übertragen werden kann.
- Ein höherer thermischer Wirkungsgrad führt zu besserer Leistung und Zuverlässigkeit.
- Gut für Anwendungen, bei denen Größe, Gewicht und Stromverbrauch sehr kritische Faktoren sind.
Einschränkungen:
- Das Fehlen externer Leitungen erschwert die Sichtprüfung oder Nacharbeit der Lötstellen, die unter dem Gehäuse verborgen sind.
- Bei kleinen Pin-Abständen und einer höheren Anzahl von E/A besteht ein höheres Risiko Lötbrücken, und um sie zu vermeiden, müssen die Prozesse sehr gut kontrolliert werden.
- Für einige Zwecke, bei denen hohe Zuverlässigkeit erforderlich ist, nicht ideal.
QFP vs. QFN: Was ist der Unterschied? Wie wählt man zwischen ihnen?
QFP und QFN sind die beiden gängigsten Gehäuse für integrierte Schaltkreise. Obwohl sich ihre Namen nur durch einen Buchstaben unterscheiden, verfügt das QFP-Gehäuse über Gullwing-Anschlüsse, die aus dem Gehäusekörper herausragen. Dies ist bei der Inspektion oder Nachbearbeitung sehr hilfreich und gleichzeitig recht kompakt.
QFNs bieten eine bessere Wärmeableitung, da das Chip-Pad freiliegt und diese Bauweise eine höhere Wärmeübertragung auf die Leiterplatte ermöglicht. Allerdings sind QFNs aufgrund der unter dem Gehäuse vergrabenen Lötstellen schwer optisch zu prüfen und nachzubearbeiten.
Berücksichtigen Sie den Platzbedarf auf der Platine für das Bauteil, die Anforderungen an die Wärmedämmung und die Möglichkeiten des Herstellungsprozesses. Wenn Platz und Wärmedämmung im Vordergrund stehen, könnten QFNs die richtige Wahl sein. Sind jedoch einfache Inspektion und Nachbearbeitung gefragt, können QFPs die bessere Alternative sein.
Weiter lesen: IC-Gehäusetypen: Wie wählt man den richtigen aus?
Anwendungen von QFN-Paketen
QFN-Gehäuse sind besonders in Bereichen beliebt, in denen Platzersparnis und hohe Leistungsfähigkeit von größter Bedeutung sind. QFNs werden in folgenden Bereichen eingesetzt:
- Unterhaltungselektronik: Das Quad-Flat-No-Lead-Paket wird häufig in Smartphones und Tablet-PCs verwendet und dient im Allgemeinen dazu, wenig Platz einzunehmen und über ein ausgezeichnetes Wärmemanagement zu verfügen.
- Automobilsysteme: Die hohe Leistung von QFN-Paketen macht sie zu einem Gerät, das in wichtigen Modulen wie Motorsteuergeräten verwendet wird.
- Kommunikationsgeräte: QFNs finden Anwendung in Hochgeschwindigkeits-Netzwerkgeräten, bei denen eine schnelle Signalverarbeitung unerlässlich ist.
