Bei der Entwicklung kompakter, leistungsstarker Elektronik begegnet Ihnen das QFN-Gehäuse (Quad Flat No-Lead) in vielen Datenblättern. Es ist bekannt für kleine Grundfläche, sehr gute elektrische Eigenschaften und effiziente Wärmeableitung. Daher wird QFN in Mobilgeräten, Fahrzeugsystemen und RF-Anwendungen eingesetzt, bei denen Platz und Performance entscheidend sind.
Dieser Leitfaden deckt alles zum QFN-Gehäuse ab – was es ist, wie es funktioniert, welche Varianten es gibt (inklusive QFN mit Deckel), den Vergleich zu QFP sowie Schritt-für-Schritt-Tipps zum Löten eines QFN in Prototypen und in der Serienfertigung.
Was ist ein QFN-Gehäuse?
Das QFN (Quad Flat No-Lead) ist ein kompaktes, quadratisches SMD-Gehäuse mit Kontaktflächen an der Unterseite statt seitlich herausragender Pins. Diese Pads werden direkt auf die Kupferflächen der Leiterplatte gelötet und ermöglichen eine flache Bauform mit hoher elektrischer Performance.
Die meisten QFN-Bauteile besitzen zusätzlich eine große zentral freiliegende Wärmeableitfläche (Exposed Pad, EP) – entscheidend für die Wärmeableitung und für mechanische Stabilität beim Bestücken.
In technischen Unterlagen finden sich auch Bezeichnungen wie MLF, DFN oder SON. Das Prinzip ist identisch: ein dünn vergossenes Gehäuse mit elektrischen/thermischen Kontakten auf der Unterseite.
Innerer Aufbau eines QFN
Obwohl QFN von außen einfach wirkt, besteht es aus mehreren präzisen Schichten:
- Leadframe: Metallträger für elektrische Anschlüsse und Wärmepfade.
- Die (Chip): auf dem Leadframe verklebt oder verlötet.
- Bonddrähte oder Flip-Chip-Bumps: verbinden Chip-Pads mit dem Leadframe.
- Vergussmasse (Mold Compound): schützt den Chip.
- Exposed Pad (EP): große Metallfläche unten in der Mitte für den Wärmeübergang zur Leiterplatte.
Bei Hochfrequenz-Bauteilen wird oft Flip-Chip genutzt, um Leitungswege zu verkürzen und die Signalintegrität zu verbessern.
Warum QFN – Vorteile und Grenzen
Vorteile
- Sehr kompakt und flach.
- Hervorragende elektrische Eigenschaften dank kurzer Wege und geringer parasitärer Elemente.
- Hohe Wärmeeffizienz durch die direkte EP-Ankopplung an Kupferflächen.
- Günstiger als BGA, da kein Ball-Grid benötigt wird.
Grenzen
- Verdeckte Lötstellen: liegen unter dem Bauteil und sind nicht direkt sichtbar.
- Prozesssensibel: exaktes Schablonen-Design und Reflow-Profil erforderlich.
- Aufwändige Nacharbeit: Entlöten/Nachlöten erfordert Erfahrung und geeignetes Equipment.
Trotzdem bietet QFN oft den besten Kompromiss aus Baugröße, Kosten und Leistung.
Gängige QFN-Varianten
1. Gestanzt vs. gesägt (Punch vs. Sawn)
Früher wurden Gehäuse gestanzt, was leicht gerundete Kanten hinterließ. Heute dominiert Sägen, das sauberere Kanten und engere Toleranzen liefert. Für die Bestückung sind beide geeignet.
2. Wettable-Flank-QFN
Hier sind seitliche Flanken galvanisch beschichtet, sodass beim Reflow sichtbare Lötkehlen entstehen. Diese lassen sich per AOI optisch prüfen – oft ohne Röntgen. Beliebt in Automotive/High-Reliability.
3. Dünn/Sehr dünn (TQFN/VQFN)
Für geringe Bauhöhe, z. B. in Smartphones/Wearables, bei weiterhin guten elektrischen Eigenschaften.
4. QFN mit Deckel – Air-Cavity-QFN
Ein QFN mit Deckel ist meist ein Air-Cavity-QFN: Der Chip sitzt in einer offenen Kavität, die anschließend mit einem Deckel verschlossen wird statt voll umspritzt zu werden. Das reduziert dielektrische Einflüsse und erlaubt sehr hohe Frequenzen.
Warum ein Deckel?
- Schutz empfindlicher MEMS- oder RF-Strukturen.
- Hermetische Dichtheit für Luft-/Raumfahrt und hohe Zuverlässigkeit.
- Optischer Zugang oder Abgleich vor dem Versiegeln.
Deckelmaterialien: Metall, Keramik oder Glas; verklebt oder gelötet. Air-Cavity-QFN ist teurer, bietet aber bessere RF-Eigenschaften und Temperaturfestigkeit als Kunststoff-Molded-Typen.
QFN vs. QFP – welche Wahl?
- Anschlüsse: QFN mit Unterseiten-Pads ohne seitliche Pins; QFP mit Gull-Wing-Beinchen an den Seiten.
- Prüfbarkeit: QFN per Röntgen oder AOI (besser mit wettable flank); QFP einfach visuell prüfbar.
- Bestückung: QFN verlangt präzise Schablone/Reflow; QFP leichter von Hand zu löten.
- Wärmeweg: QFN direkt über EP in die Leiterplatte; QFP begrenzter Wärmepfad.
- Typische Nutzung: QFN für hohe Packdichte, RF und thermisch anspruchsvolle Designs; QFP für Prototyping und leichte Nacharbeit.
Kurzfassung:
- QFN, wenn kompakt, schnell oder thermisch robust gefordert.
- QFP, wenn Debugging, Handlöten oder Sichtprüfung im Vordergrund stehen.
PCB-Design-Tipps für QFN
Der Erfolg beim QFN hängt stark vom Footprint ab:
1. Lötflächen & Lötstopp
Halten Sie sich an die Datenblatt-Maße. NSMD-Pads sind oft vorteilhaft, da sie zuverlässige Lötkehlen bieten. Pin-1 deutlich markieren und ausreichende Lötstopp-Abstände vorsehen.
2. EP-Layout
Die EP an eine größere Kupferfläche anbinden. Thermal-Vias in innere Lagen führen; offene Vias füllen oder abdecken (tenten), um Lotabzug zu vermeiden.
3. Schablonendesign
Seitliche Pads normal öffnen. Für die EP keine große Einzelöffnung, sondern mehrere kleinere „Window-Pane“-Ausschnitte (ca. 50 % Gesamt-Bedeckung). Das reduziert Schwimmen/Neigung und Voids.
4. Platzierung
QFN zentriert sich beim Reflow leicht selbst. Entscheidend ist eine gleichmäßige Lotpasten-Deposition; Ungleichheiten führen zu Kipp- oder Open-Fehlern.
Wie lötet man ein QFN?
Richtiges Löten ist entscheidend für die Zuverlässigkeit. Zwei Hauptwege:
1. Reflow (Serienfertigung)
- Lotpaste drucken (Laser-Schablone).
- Bestücken mit Pick-and-Place.
- Reflow-Profil fahren: Vorheizen → Soak → Reflow → Abkühlen gemäß Pasten-Datenblatt.
- Prüfen per Röntgen oder AOI. Besonders die EP-Lötfläche beachten (zu wenig → schlechter Wärmekontakt; zu viel → Bauteil schwebt).
Beachten: MSL-Einstufung, richtig lagern/backen; Peak-Temperatur (typisch ≤ 260 °C) nicht überschreiten.
2. Handlöten/Heißluft (Prototyp)
Werkzeuge: Heißluftstation, Flussmittel, feine Pinzette, Lotpaste/Preform, Vergrößerung.
Ablauf:
- Dünne Lotpastenschicht auf Pads.
- Bauteil exakt platzieren (Pin-1 ausrichten).
- Schonend erhitzen, bis das Lot fließt.
- Abkühlen lassen, Flussmittelreste reinigen.
- Durchgang/Kurzschluss messen.
Überhitzen oder Bewegen im flüssigen Zustand vermeiden. Bei sehr feinem Pitch lieber Reflow nutzen.
Inspektion & Troubleshooting
1. AOI vs. Röntgen
- AOI funktioniert gut mit wettable flanks.
- Röntgen ist am zuverlässigsten für verdeckte Lötstellen und Voids.
2. Häufige Fehler & Abhilfe
- Lötbrücken: zu viel Paste/Schablone ungeeignet → Paste reduzieren, Öffnungen anpassen.
- Open/Unterbrechung: zu wenig Lot/Fehlposition → Pastenauftrag prüfen, Platzierung verbessern.
- Schwimmen/Kippen: zu viel Lot auf EP → EP-Bedeckung auf 50–70 % reduzieren.
- Voids im EP: falsches Profil/Flussmitteleinschluss → Profil optimieren, Fenster-Schablone nutzen.
- Bauteilverschiebung: ungleichmäßige Erwärmung/Paste → Pastenmenge & Luftstrom balancieren.
Ein sauberer Footprint und kontrolliertes Schablonendesign verhindern die meisten Probleme.
Typische Einsatzbereiche
- Consumer: Smartphones, Tablets, Wearables.
- Automotive: Sensoren, Steuergeräte, Infotainment.
- Kommunikation/RF: Wi-Fi, Bluetooth, 5G-Frontends.
- Industrie/Medizin: kompakte Steuerungen und Sensorik.
Die Kombination aus kleiner Baugröße und hoher Leistung macht QFN ideal für moderne Designs.
FAQ
Ist QFN dasselbe wie MLF oder DFN?
Ja, alles „No-Lead“-Gehäuse. DFN bezeichnet meist zweireihige Varianten, QFN hat Pads auf vier Seiten.
Wofür dient ein QFN mit Deckel?
Ein luftkavitätenbasiertes QFN mit Metall-/Keramikdeckel für RF, MEMS oder hermetische Anwendungen, wo Standard-Kunststoff nicht ausreicht.
Kann man QFN von Hand löten?
Ja, für Prototypen mit Heißluft, Lotpaste und Flussmittel. In der Serie immer Reflow verwenden.
Warum ist das Exposed Pad so wichtig?
Es ist der Hauptwärmepfad zum PCB und oft mit GND verbunden. Schlechte EP-Lötung führt zu Überhitzung.
Brauche ich immer Röntgenprüfung?
Nicht immer. Mit wettable flanks ist optische Prüfung möglich; Standard-QFN erfordern häufig Röntgen für Qualitätssicherung.
Zusammenfassung
Das QFN-Gehäuse bietet kompakte Baugröße, exzellente Signalintegrität und starke Wärmeleistung – ideal für dichte moderne Designs. Obwohl die Montage anspruchsvoller ist, sorgen korrektes PCB-Layout, gutes Schablonendesign und kontrolliertes Reflow für hohe Zuverlässigkeit in der Serie.
Für RF, MEMS oder hermetische Anforderungen lohnt sich ein QFN mit Deckel (Air-Cavity) für bessere Abschirmung und Zuverlässigkeit.
FastTurnPCB bietet präzise Leiterplatten-Fertigung und -Bestückung für QFN, BGA und andere Fine-Pitch-Gehäuse – vom Prototyp bis zur Großserie.
