חבילת QFN – הסבר מלא: סוגים, מבנה, QFN עם מכסה, וכיצד להלחים QFN שלב-אחר-שלב

בעת תכנון אלקטרוניקה קומפקטית ובעלת ביצועים גבוהים, חבילת QFN ‏(Quad Flat No-Lead) היא אחת מחבילות ה-SMD הנפוצות ביותר בדפי נתונים. היא ידועה בשטח התקנה קטן, בביצועים חשמליים מצוינים ובמוליכות תרמית יעילה, ולכן נפוצה במכשירים ניידים, במערכות רכב וביישומי RF שבהם מקום וביצועים קריטיים.

במדריך זה תמצאו כל מה שצריך לדעת על QFN — מה היא וכיצד היא עובדת, אילו סוגים קיימים (כולל QFN עם מכסה), השוואה ל-QFP, וכן טיפים שלב-אחר-שלב כיצד להלחים חבילת QFN בפרוטוטייפ ובייצור סדרתי.

מהי חבילת QFN?

QFN היא חבילת רכיב משולב מרובעת וקומפקטית שבה משטחי המגע ממוקמים בתחתית במקום רגליים בולטות. המגעים התחתונים מולחמים ישירות לרחבות הנחושת על ה-PCB ומאפשרים חיבור נמוך-גובה וביצועים גבוהים.

לרוב חבילות QFN יש גם משטח מרכזי חשוף (Exposed Pad – EP) — אלמנט מרכזי לשיפור פיזור החום ולהוספת יציבות מכנית בזמן ההרכבה.

בתיעוד טכני תוכלו למצוא שמות נוספים: MLF, ‏DFN או SON. כולם מבוססים על אותו עיקרון: גוף דק ומעוצב בתבנית, עם מגעים חשמליים/תרמיים היוצאים מתחתית החבילה.

המבנה הפנימי של QFN

למרות המראה הפשוט, QFN מורכבת ממספר שכבות מדויקות:

• Lead frame (מסגרת מוליכה): שלד מתכתי לנשיאת המגעים ומסלולי החום.
• Die (שבב): שבב הסיליקון המודבק/מולחם למסגרת.
• Bond wires או Flip-Chip bumps: מחברים את משטחי השבב למגעי המסגרת.
• Mold compound: חומר המגן ומבודד את השבב.
• Exposed Pad (EP): משטח מתכתי גדול במרכז התחתון שמעביר חום ל-PCB.

במכשירי תדר גבוה נעשה לעיתים שימוש ב-Flip-Chip לקיצור המסלולים ולשיפור שלמות האות.

למה לבחור QFN – יתרונות ומגבלות

יתרונות

1. גודל וגובה קטנים.
2. ביצועים חשמליים מצוינים בזכות מסלולים קצרים ומעט פרזיטים.
3. יעילות תרמית גבוהה הודות ל-EP המחובר ישירות לנחושת ה-PCB.
4. זול מ-BGA, כי אינו דורש כדורי הלחמה.

מגבלות

1. מפרקי הלחמה נסתרים מתחת לרכיב — לא ניתן לבדוק בעין.
2. רגישות לתהליך ההלחמה — דרוש עיצוב שבלונה ופרופיל Reflow מדויקים.
3. קושי בעבודות תיקון/החלפה — נדרש ניסיון וציוד מתאים.

למרות המגבלות, QFN מספקת לעיתים קרובות את האיזון הטוב ביותר בין גודל, עלות וביצועים.

סוגים נפוצים של QFN

1) חיתוך באגרוף (Punch) לעומת ניסור (Sawn)

בעבר הופרדו החבילות מהפאנל באמצעות אגרוף מכני, שהותיר קצוות מעט מעוגלים. כיום נפוץ יותר ניסור, המייצר קצוות נקיים וסובלנות הדוקה יותר. שני הסוגים מתאימים להרכבת PCB.

2) Wettable-Flank QFN

בחבילה זו הדפנות מצופות ומתאימות להרכבה, כך שבמהלך Reflow נוצרים עווי הלחמה צדדיים שניתן לבדוק ב-AOI ללא צורך תמידי ברנטגן. נפוץ ברכב וביישומים עתירי אמינות.

3) דק/דק מאוד (TQFN/VQFN)

כאשר גובה הרכיב קריטי (טלפונים, לבישים), משתמשים בגרסאות דקיקות תוך שמירה על ביצועים חשמליים.

4) QFN עם מכסה – Air-Cavity QFN

QFN עם מכסה הוא לרוב QFN עם חלל אוויר: השבב מותקן בקוויטה פתוחה ומאוחר יותר נאטם במכסה במקום יציקה פלסטית מלאה. הדבר מפחית השפעות דיאלקטריות ומאפשר עבודה בתדרים גבוהים מאוד.

למה להוסיף מכסה?

• הגנה על מבני MEMS או RF עדינים.
• אטימה הרמטית ליישומי תעופה/חלל ואמינות גבוהה.
• אפשרות לכיוון/בדיקה אופטית לפני האטימה.

חומרי מכסה נפוצים: מתכת, קרמיקה או זכוכית, בהדבקה אפוקסית או בהלחמה. Air-Cavity יקר יותר אך מציע ביצועי RF ועמידות חום טובים יותר מגרסאות יצוקות-פלסטיק.

QFN לעומת QFP – מה לבחור?

• מגעים: QFN — מגעים תחתונים ללא רגליים צדדיות; QFP — רגלי “כנף-שחף” גלויים בצדדים.
• בדיקה: QFN — רנטגן או AOI (עדיף עם Wettable-Flank); QFP — בדיקה ויזואלית קלה.
• הרכבה: QFN — דורש שבלונה מדויקת/פרופיל Reflow; QFP — נוח יותר להלחמה ידנית.
• מסלול תרמי: QFN — ישיר דרך EP ל-PCB; QFP — מוגבל יותר.
• שימוש טיפוסי: QFN — צפיפות גבוהה, RF ודרישות תרמיות; QFP — פרוטוטייפ ותיקון קל.

בקיצור:

• בחרו QFN כשנדרשים גודל קטן, מהירות גבוהה או ביצועים תרמיים חזקים.
• בחרו QFP כשעדיפות לבדיקות קלות, הלחמה ידנית או בדיקה בעין.

טיפים לתכנון PCB עבור QFN

הצלחת ההרכבה תלויה מאוד ב-Footprint:

1) צורת משטחי הלחמה ומסכת הלחמה

היצמדו למידות בדף הנתונים. לרוב מומלץ NSMD כי הוא יוצר עווי הלחמה אמינים יותר. סמנו בבירור Pin-1 ודאגו לרווח מסכת הלחמה מתאים.

2) תכנון ה-EP

חברו את ה-EP לשטח נחושת גדול לפיזור חום. הוסיפו Thermal Vias לשכבות הפנימיות; אם הוייאות פתוחות — מלאו/כסו (Tented) כדי למנוע משיכת בדיל בזמן Reflow.

3) עיצוב השבלונה (Stencil)

למגעים הצדדיים — פתיחה רגילה. למשטח ה-EP — לא פתח יחיד גדול; השתמשו במספר חלונות קטנים (Window-Pane, כ-50% כיסוי כולל). זה שולט בכמות הבדיל, מפחית ציפה/הטיה וממזער חללים (Voids).

4) מיקום ויישור

ל-QFN יש התמרכזות עצמית בריפלואו, אך אחידות בהדפסת הבדיל קריטית כדי למנוע הטיה או פתוחים.

כיצד להלחים חבילת QFN

יש שתי שיטות עיקריות:

1) Reflow בתנור (ייצור)

1. הדפסת בדיל-הלחמה דרך שבלונה לייזר.
2. השמת הרכיב בדיוק בעזרת Pick-and-Place.
3. הרצת פרופיל Reflow: חימום מוקדם → השריה → הלחמה → קירור לפי נתוני המשחה.
4. בדיקה ב-AOI או רנטגן; להתמקד במיוחד ב-EP (מועט מדי → מגע תרמי חלש, רב מדי → הרכיב עשוי לצוף).

להקפיד על MSL (רמת רגישות ללחות) ועל אחסון/ייבוש, ולא לעבור את טמפרטורת השיא (כ-260°C).

2) הלחמה ידנית/אוויר חם (פרוטוטייפ)

ציוד: תחנת אוויר חם, Flux, פינצטה עדינה, משחת הלחמה/Preform והגדלה.

שלבים:

1. מרחו שכבה דקה של משחה על הרחבות.
2. מקמו בקפידה ויישרו Pin-1.
3. חממו בהדרגה עד להמסה.
4. קררו ונקו שאריות Flux.
5. בדקו רציפות וקצרים במולטימטר.

הימנעו מחימום יתר או תזוזה כשהבדיל נוזלי. לפיץ' קטן עדיף Reflow.

בדיקה ואיתור תקלות

AOI ורנטגן

• AOI יעיל במיוחד בחבילות Wettable-Flank.
• רנטגן הוא האמצעי המהימן ביותר לראות מפרקים וחללים תחת הרכיב.

תקלות נפוצות ופתרונות

• גשרי הלחמה: עודף משחה/שבלונה לא מתאימה → להפחית משחה ולהתאים פתחים.
• פתוחים (Open): חוסר בדיל/הסטה → לבדוק כיסוי משחה ולשפר מיקום.
• ציפה/הטיה: עודף בדיל על EP → להקטין כיסוי ל-50–70%.
• חללים (Voids) ב-EP: פרופיל לא נכון/לכידת Flux → לשפר פרופיל ולהשתמש בשבלונת חלונות.
• תזוזת רכיב: חימום לא אחיד/משחה לא מאוזנת → לאזן כמות בדיל וזרימת אוויר.

תכנון PCB נכון ושליטה בשבלונה מונעים את רוב הבעיות.

היכן משתמשים ב-QFN?

• צרכני: סמארטפונים, טאבלטים, לבישים.
• רכב: חיישנים, בקרי-מנוע, מערכות בידור.
• תקשורת ו-RF: Wi-Fi, ‏Bluetooth, רכיבי חזית 5G.
• תעשייה/רפואה: בקרים וחיישנים קומפקטיים.

שילוב של גודל קטן וביצועים גבוהים הופך את QFN לבחירה מצוינת בדור הבא של עיצובים.

שאלות נפוצות

סיכום

חבילת QFN מספקת גודל קומפקטי, שלמות אות מעולה וביצועים תרמיים חזקים — אידיאלית לעיצובים צפופים מודרניים. אף שהתהליך דורש הקפדה, תכנון PCB נכון, שבלונה מתאימה ושליטה ב-Reflow יובילו לאמינות גבוהה בייצור סדרתי.

ליישומי RF, ‏MEMS או אטימות גבוהה, שקלו QFN עם מכסה (Air-Cavity) לשיפור בידוד ואמינות.

FastTurnPCB מציעה ייצור והרכבת PCB מדויקים לחבילות QFN, ‏BGA ורכיבי Fine-Pitch אחרים — מהאב-טיפוס ועד ייצור בכמויות.