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Qu'est-ce que QFN (boîtier plat sans broches sur quatre côtés) ?

Boîtier pour montage en surface dont les bornes affleurent sur le pourtour de la face inférieure, sans broches dépassant des côtés. Le plot thermique central de la face inférieure peut être brasé sur la carte, ce qui le rend compact et bon dissipateur de chaleur.

Nom japonais: QFN

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Domaine: Boîtiers et assemblage

Structure du QFN

QFN signifie quad flat no-lead ; c'est un type de boîtier à grille de connexion. La puce est posée sur un plot de puce, reliée aux bornes qui l'entourent par câblage par fil et recouverte de composé de moulage, mais les bornes ne dépassent pas des côtés : elles affleurent le long des quatre bords de la face inférieure du boîtier. Le plot de puce est lui aussi généralement exposé au centre de la face inférieure ; on l'appelle pad exposé (exposed pad) ou plot thermique. Des pas de bornes d'environ 0,4 à 0,65 mm sont courants. La plupart des QFN sont fabriqués en moulant de nombreuses unités à la fois sur une bande de grilles de connexion, puis en les séparant à la scie de découpe. Les versions à bornes sur deux côtés seulement s'appellent DFN ou SON.

Performances électriques et thermiques

Comme les bornes sont sous le boîtier et courtes, leur inductance et leur résistance sont faibles, ce qui convient aux circuits RF à haute fréquence et aux circuits intégrés d'alimentation à commutation rapide. Le plot thermique central est brasé sur une pastille de la carte de circuit imprimé, et plusieurs vias thermiques en dessous conduisent la chaleur vers le cuivre des couches internes ou de la face arrière : la résistance thermique peut ainsi être plus faible que celle d'un boîtier à broches de même taille. Le plot thermique est souvent relié à la masse et sert aussi de connexion électrique. Son faible encombrement et sa faible hauteur rendent le QFN courant dans les appareils compacts comme les smartphones.

Assemblage et inspection

Comme les bornes sont sur la face inférieure, la majeure partie de chaque joint de brasure est cachée, et l'inspection repose surtout sur les rayons X. Lorsque les joints doivent être vérifiés par inspection optique, comme dans l'automobile, on utilise des versions à flancs mouillables (wettable flanks), traitées pour que la brasure mouille aussi les côtés des bornes. Trop de brasure sur le plot thermique peut faire flotter le boîtier et dégrader les joints du pourtour, trop peu nuit à la dissipation : l'ouverture du pochoir est donc divisée en grille pour maîtriser le volume de brasure et les cavités. La couche de brasure étant mince, la fatigue des joints sous cyclage thermique demande aussi de l'attention pour les grands boîtiers.

Noms comme VQFN et comparaison avec QFP et BGA

Les lettres V, W ou U placées devant QFN désignent surtout des classes d'épaisseur ; le VQFN est un QFN très mince (very thin), c'est-à-dire un composant bas d'une hauteur montée d'environ 1 mm ou moins. Les limites des classes et les appellations varient d'un fabricant à l'autre ; il faut donc vérifier les dimensions sur chaque plan de boîtier. Le QFP sort des broches en aile de mouette sur quatre côtés, ce qui rend les joints faciles à inspecter, mais occupe plus de surface de carte. Le BGA dispose des billes de brasure en matrice sur toute la face inférieure et peut offrir bien plus de bornes. Comme le QFN ne peut placer de bornes que sur le pourtour, il sert surtout aux circuits intégrés ayant relativement peu de broches.

S'entraîner : questions sur QFN (boîtier plat sans broches sur quatre côtés)

Quelle est la caractéristique du boîtier QFN (Quad Flat No-lead) ?

  1. ADe longues broches sortent vers l’extérieur sur les quatre côtés du boîtier
  2. BPetit boîtier sans broches saillantes, dont les électrodes sont disposées sur les quatre côtés de la face inférieure
  3. CDes billes de brasure sont disposées en matrice sur toute la face inférieure
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Réponse : B. Petit boîtier sans broches saillantes, dont les électrodes sont disposées sur les quatre côtés de la face inférieure

Le QFN est un boîtier sans broches saillantes sur les côtés, dont les électrodes affleurent en périphérie de la face inférieure. Les connexions courtes donnent une faible inductance et permettent un boîtier petit et mince. La grande pastille thermique au centre de la face inférieure est brasée au substrat, et la chaleur s’évacue par les vias du substrat, d’où une bonne dissipation. En revanche, les joints cachés sous le boîtier rendent l’inspection visuelle difficile. Les longues broches sur quatre côtés caractérisent le QFP, les billes en matrice le BGA.

Quel est le traitement usuel du grand plot exposé (exposed pad) situé sous un boîtier QFN ?

  1. AComme il se fissure facilement sous les contraintes thermiques s'il est soudé, on ne prévoit pas de pastille côté carte et on le laisse en l'air, sans contact avec la carte
  2. BPour l'isoler électriquement, on recouvre la zone correspondante de la carte de vernis épargne et on ne le connecte pas
  3. COn prévoit aussi une pastille côté carte, on le soude, on le relie au potentiel indiqué (souvent GND) et on évacue la chaleur par des vias thermiques
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Réponse : C. On prévoit aussi une pastille côté carte, on le soude, on le relie au potentiel indiqué (souvent GND) et on évacue la chaleur par des vias thermiques

Le plot exposé est la face arrière du support de puce (die pad) qui affleure à l'extérieur du boîtier ; c'est le principal chemin d'évacuation de la chaleur vers la carte. La valeur θJA de la fiche technique est généralement mesurée avec ce plot soudé à la carte et relié par des vias thermiques à des plans de cuivre internes ; sans soudure, la dissipation se dégrade fortement. Les motifs de pastilles recommandés montrent aussi des exemples où l'ouverture du pochoir est fractionnée, afin d'ajuster la quantité de brasure et d'éviter les vides (voids) et le soulèvement du composant. Le potentiel de connexion suit les indications de la fiche technique.

Questions fréquentes

Que signifie QFN ?

Quad flat no-lead : un boîtier plat à bornes sur quatre côtés, sans broches dépassant des côtés. Les bornes affleurent sur la face inférieure du boîtier.

Quelle différence entre VQFN et QFN ?

VQFN est le nom d'un QFN mince (very thin) ; la structure est la même. Les classes d'épaisseur et les appellations varient selon le fabricant : vérifiez les dimensions sur le plan du boîtier.

À quoi sert le plot au centre de la face inférieure d'un QFN ?

C'est le plot de puce exposé qui porte la puce. Brasé sur la carte de circuit imprimé, il devient un chemin d'évacuation de la chaleur par les vias thermiques, et il est souvent relié aussi à la masse, servant de connexion électrique.

« QFN (boîtier plat sans broches sur quatre côtés) » dans les explications

Questions mentionnant « QFN (boîtier plat sans broches sur quatre côtés) » (2)

  1. Quelle est la caractéristique du boîtier QFN (Quad Flat No-lead) ?
  2. Quel est le traitement usuel du grand plot exposé (exposed pad) situé sous un boîtier QFN ?

Comparatifs incluant ce terme

Termes associés

QFP (boîtier plat à broches sur quatre côtés) BGA Pad exposé (exposed pad) Amincissement face arrière (back grinding) Brasage par refusion Câblage par fil (wire bonding) CSP (boîtier à l'échelle de la puce) Découpe (dicing) Flip-chip Grille de connexion (lead frame)

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