Yarı iletken teknolojisinde, kompakt boyutlu ve yüksek
performanslı paketlere olan talep oldukça fazladır. Keşfedilen birçok yarı
iletken paketleme teknolojisi arasında, Quad Flat Pack (QFP), Şekil 1'de
sunulan bazı aşamalarıyla elektronik paketlemede canlılığını korumuştur. QFP,
kompakt boyutlu, yüksek performanslı ve düşük maliyetli modern elektronik
cihazlar (tüketici elektroniği, iletişim ekipmanları ve kontrol sistemleri
gibi) için olgun bir yarı iletken paketleme teknolojisidir. Yarı iletkenlere
olan gereksinimler ve talep arttıkça, QFP teknolojileri bu boşluğu doldurmak
için sürekli ilerlemektedir. Bu sürekli gelişim, QFP'nin entegre devre (IC)
endüstri pazarında rekabetçi kalmasını sağlamaktadır. Bu makale, QFP
teknolojilerini, tasarımlarını, uygulamalarını, avantajlarını ve
dezavantajlarını modern elektronikteki belirli rolleriyle vurgulamaktadır.
Şekil 1 QFP paketi
QFP Entegre Devre Paketi Genel Bakış
QFP, çok sayıda pin gerektiren uygulamalar için IC
paketlemede en yaygın yüzey montaj teknolojisi türüdür. Şekil 2'de gösterildiği
gibi, dört tarafında birçok pin veya bacağı destekleyen dikdörtgen/kare
şeklinde düz bir yüzeye sahiptir. Mikroişlemciler, bellek çipleri ve diğer IC
bileşenleri gibi birçok büyük ölçekli entegrasyon uygulamasında kullanılır.
Şekil 2 QFP paketi
Her bir taraftan uzatılan bacaklar, belirli uygulamalar için
uygun bir adım mesafesiyle bir ızgara deseninde organize edilmiştir; bu da
paketlemeyi 'Quad' (dörtlü) bir yapılandırmaya dönüştürür. Bacaklar
incedir ve yüzey montaj teknolojisi kullanılarak baskılı devre kartlarına (PCB)
altın, gümüş, bakır veya kalay gibi iletken malzemelerle lehimlenebilirler,
Şekil 3'te gösterildiği gibi. QFP paketlerinin kalıpları genellikle plastik
malzemelerden yapılır, çünkü düşük maliyetli ve kolay bulunabilirler; ayrıca
seramik veya metal de olabilirler.
Şekil 3 QFP paketindeki kurşun yapılandırması
QFP paketinde temel spesifikasyonlar, pin sayısı ve pinler
arasındaki adım mesafesidir. Pinler, IC'yi dış PCB devresine bağlayan elektrik
bağlantılarıdır, bu nedenle QFP'ler, farklı karmaşıklık derecelerine sahip
çeşitli uygulamalar için 32'den 304'e kadar pin aralığına sahiptir. Adım
mesafesi de 0,4-1,0 mm aralığındadır, bu da tasarım esnekliği ve alan
verimliliği gerektiren uygulamaları desteklemeye olanak tanır. 'Martı
kanadı' şeklindeki bacaklar, PCB lehimleme işlemi sırasında mekanik destek
ve sağlam bağlantı sağlar. İnce bir şekilde işlenmiş bir bacak çerçevesi,
QFP'nin daha fazla bacak içermesine ve yüksek frekanslı uygulamalar için
özellikle parazitik parametreleri azaltarak daha küçük bir paket boyutuna ve
daha iyi elektriksel özelliklere sahip olmasına olanak tanır.
QFP Paketinin Avantajları ve Dezavantajları
Avantajları
* Alan
Verimliliği: QFP paketleri, kompakt elektronik cihazlar için alan
verimli, düz ve kompakt tasarımlardır.
* Yüksek
Pin Sayısı: Yoğun pinleri barındırabilirler, bu da karmaşık IC'ler
için daha uygundur.
* Kolay
Montaj ve Denetim: QFP'lerin incelenmesi ve montajı, yüzey montaj
teknolojisi kullanılarak kolayca yapılabilir.
* Dayanıklılık
ve Maliyet Etkinliği: Plastik veya seramik malzemeler kullandıkları
için son derece sağlam, dayanıklı ve maliyet etkindirler.
* Standartlaşma
ve Uyumluluk: Birçok uygulama ve endüstride çok yönlü ve
standartlaştırılmıştır.
* Isı
Dağılımı: Altındaki metal ped, termal hassas uygulamalar için iyi olan
ısı dağılımını artırır.
Dezavantajları
* Yüksek
Frekans Performansı: QFP paketleri, yüksek frekanslı uygulamalarda
istenen performansı göstermezler.
* Yüzey
Montaj Sınırlaması: Sadece yüzey montajlı tasarımlarla sınırlıdır,
delikli bileşenler için uygun değildir.
* Lehimleme
Hassasiyeti: Lehimleme sırasında fiziksel hasar riski vardır, bu da
dikkatli paketleme teknikleri gerektirir.
* Termal
Verimlilik: İyi termal özelliklere sahip olsa da, bazı diğer paketleme
türleri kadar etkili değildir.
QFP'nin Fiziksel Bileşenleri
QFP'nin iç yapısı birkaç bileşenden oluşur. Standart bir
QFP'deki en yaygın bileşenler aşağıda ve Şekil 4'te sunulmuştur:
Die
Pedi: Ölçü yerleştirme için bir platform sağlar ve genellikle termal
bir toprak görevi görür. Genellikle bakırdan yapılır ve şekli paket
boyutuna bağlı olarak yuvarlak, dikdörtgen veya kare olabilir.
Die:
İşlevsel yarı iletken elemanı veya entegre devreyi içerir ve die pedinin
üst merkezine bağlanır.
Die
Bağlantı Pedleri: Die üzerinde bulunur ve giriş/çıkış için elektriksel
bağlantılar olarak kullanılır.
Bağlantı
Telleri: Mikrometre çapında genellikle altın teller, die bağlantı pedi
ile bacak arasında ultrasonik tel bağlama teknikleri kullanarak
elektriksel bağlantı oluşturur.
Bacaklar/Pinler:
Elektriksel olarak iletken metal bacaklardır. İç uçları die ile tel
bağıyla bağlıdır ve dış uçları kenardan uzanarak harici elektriksel
giriş/çıkış için hazırdır. Genellikle paketlerin dört bir yanında martı
kanadı şeklinde bir ızgara deseninde düzenlenirler.
Pin
Adımı: Bitişik pinlerin merkezden merkeze mesafesidir. Daha ince adım,
aynı paket boyutuyla daha fazla giriş/çıkış desteği sağlar.
Bacak
Çerçevesi: Bakır alaşımlarından yapılmış sürekli metal şeritlerdir ve
iyi elektriksel ve termal iletkenlik sunarlar. Die, merkezi bacak
çerçevesi pedine ve paket bacağına bağlanır.
Bacak
Bağlama Çubukları: İmalat için pozisyonlarını doğru bir şekilde
ayarlamak üzere bacakların dış ve iç kısımlarını bağlarlar.
Kalıp
Bileşiği: İç devreler için elektriksel yalıtım ve mekanik koruma
sağlar. Tüm montaj üzerine kaplanmış epoksi bazlı bir malzeme, plastik
veya seramiktir.
Kalıp
Kilitleme Pinleri: Enkapsülasyon işlemi sırasında, kalıp kilitleme
pinleri bacak çerçevesini ayrılan konumda kilitlemek için kullanılır.
Şekil 4 QFP paketinin bileşenleri
Boyutlandırma
QFP'nin tasarım gereksinimleri, fiziksel boyutlandırmasını
standart boyutlar açısından belirler. PCB yerleşimleri, verilen bir adım
boyutuyla bacakları monte etmek için yeterli alan sağlamalıdır. QFP sürecinde,
pin merkez mesafesi 0,65 mm'den az ise, pin bükülmesine daha duyarlı hale
geldikleri için özel bakım gerektirirler. Geleneksel QFP kalınlığı 2 mm'den 3,8
mm'ye kadardır, bu da iyi bir yapısal bütünlük sağlar ve kompakt bir profil
gereksinimini karşılar. Ayrıca, diğer rafine QFP paket varyantları daha küçük
kalınlıklara sahiptir.
Boyutlandırmada diğer faktörler, bacak adımı ve pin
sayısıdır. Bacak adımı, bitişik pinlerin merkezden merkeze mesafesidir. Daha
küçük bacak adımı, verilen bir alanda daha fazla bağlantı oluşturmak için daha
yüksek pin yoğunlukları anlamına gelir.
QFP yapısı, die'ın iç elektriksel bağlantılarını, mekanik
bağlantılarını ve diğer çevresel korumalarını içerir. Die bağlantı pedi, teller
ve bacak çerçevesinin uygun tasarımı, QFP paket performansını optimize
edecektir.
QFP Paketlerinin Türleri
QFP paketi, boyutlarına, pin sayısına ve kalıplama
malzemelerine göre kategorize edilebilir. Aşağıda en yaygın QFP varyantları
vurgulanmıştır:
TQFP
(İnce QFP): Sınırlı yükseklik boşluğu ve dikey boyutu olan uygulamalar
için, TQFP benzer avantajlar sağlar ancak daha ince bir profil sunar.
Kalınlıkları 1 mm ile 1,4 mm arasındadır ve 32'den 176'ya kadar pin
sayısına sahiptir. Pinler, 0,4 mm, 0,5 mm, 0,65 mm, 0,8 mm ve 1 mm gibi
çeşitli adım mesafesi standartlarında mevcuttur.
VQFP
(Çok İnce QFP): Kalınlığı 0,4 mm'den fazla olmayan adım mesafesiyle
ekstra ince elektronik bileşenler için uygundur.
LQFP
(Düşük Profilli QFP): QFP'nin genel yüksekliğini düşürürken standart
QFP ile benzer kalınlığı korur. Genel boyut küçültmenin kalınlığı
inceltmekten daha önemli olduğu uygulamalarda yaygındır.
PQFP
(Plastik QFP): Paket gövdesi için geleneksel epoksi bir alt tabaka
yerine plastik bir kalıp bileşiğinden yapılan bir QFP türüdür. 2 mm'den
3,8 mm'ye kadar daha geniş bir kalınlık aralığına sahip birçok pin içerir.
Diğer türlere göre daha ekonomiktirler. Standart boyutlar 32-264 pin
arasında değişir ve adım mesafesi 0,5 mm ile 1,0 mm arasında değişir.
Mekanik sağlamlık ve uygun fiyat açısından avantajlıdırlar, ancak daha
kalın alt tabakalara sahiptirler.
CQFP
(Seramik QFP'ler): Seramik alt tabakaları plastik QFP'lere göre daha
pahalı ve dayanıklıdır. Isı dağılımının kritik olduğu yüksek performanslı
elektronik cihazlarda, yüksek termal iletkenliği nedeniyle CQFP tercih
edilir.
Bunların yanı sıra, QFP teknolojilerinde Bumpered QFP
(BQFP), Metric QFP, Near Chip Scale QFP ve Fine Pitch QFP gibi alt tipler, aynı
alan içinde daha yüksek giriş/çıkış sayıları için kullanılır. Plastik
geliştirilmiş QFP'ler, Küçük QFP'ler ve Çok Küçük QFP'ler de çeşitli
uygulamalar için mevcuttur. Her QFP varyantı, elektronik endüstrisinde
paketleme tasarımcıları için daha fazla seçenek sunar ve yoğunluk, kalınlık,
maliyet veya termal koşullarla ilgili belirli gereksinimlere uyum sağlar.
QFP Paketleme Süreci
QFP paketleme sürecinde adımlar şunlardır:
Die
Hazırlığı: Bir silikon wafer üzerinde entegre devre oluşturulur ve
die'ler alt tabakaya bağlanır.
Bağlantı:
Die'ler, tel bağlama kullanılarak bacaklara bağlanır.
Kalıp
Enkapsülasyonu: Plastik veya seramik malzeme ile kalıp enkapsülasyonu
yapılır.
Lehim
Kaplama: Bacaklar lehimleme için kaplanır.
Montaj
ve Lehimleme: Yüzey montajı ile PCB'ye monte edilir ve lehimlenir.
Test
ve Kontrol: Son olarak, fonksiyonellik ve kalite kontrol testleri
yapılır.
Lehimleme ve onarım işlemleri sırasında uç ve
topukların dikkatlice ayarlanması, ayak çubuğunun seviyelenmesi ve bükülmüş
pinlerin düzeltilmesi gibi adımlar, paketleme güvenliği açısından önemlidir.
Şekil 5 QFP Paket İşlem Akışı
QFP'nin Termal Özellikleri
Yarı iletken paketleme endüstrisinde, termal özellikler en
önemli parametrelerden biridir; çünkü IC'ler, çevre ısısı uygun değilse düzgün
çalışmayabilir. QFP paketinde termal parametreyi kontrol etmek ve istenen
seviyede tutmak, sistem performansını artırır.
Die
Pedi Tasarımı: Termal olarak iletken malzemeden yapılmalı ve uygun
boyutta olmalıdır. Daha büyük die pedleri, daha iyi ısı dağılımı sağlar.
Malzeme
Seçimi: Bakır veya bakır alaşımları, yüksek termal iletkenlikleri
nedeniyle die pedi ve bacak çerçevesi tasarımında sıklıkla kullanılır.
Kalıp
Bileşiği: Tüm sistemi enkapsüle eden kalıp bileşiği, ısı enerjisini
die pedinden ortama dağıtmak için yüksek termal iletkenliğe sahip
olmalıdır. Epoksi ve seramik malzemeler yaygın olarak kullanılır.
Termal
Azaltma Teknikleri: Yüksek iletken malzemeyle doldurulmuş ek delikler
eklemek, termal arayüzler oluşturmak ve doğrudan ısı yayıcıya montaj
yapmak gibi teknikler kullanılabilir.
QFP'nin Elektriksel Özellikleri
QFP'nin elektriksel performansı, tasarım kalitesine ve
varyantlarına bağlı olarak değişiklik gösterir:
Giriş/Çıkış
Sayısı: Pin sayısının yoğunluğu ile belirlenir. Daha yüksek pin
yoğunluğu, daha fazla giriş/çıkış özelliği sunar.
Parazitik
Etkiler: Bacak uzunluğu ve şekli, yüksek hızlı sinyallerde parazitik
kapasitans ve endüktansa neden olabilir. Daha kısa ve uniform bacaklar, bu
etkileri minimize eder.
Malzeme
Seçimi: Kaplama ve bağ teli için altın ve gümüş gibi malzemeler
kullanılır, bu da daha düşük temas direnci sağlar.
Güç
Dağıtımı ve Topraklama: Optimum bakır dağılımı ve uygun topraklama,
elektriksel gürültüyü en aza indirir ve performansı artırır.
Kalıp
Bileşiği: İyi yalıtım ve dielektrik özellikleri sağlar.
Markalama Spesifikasyonları
Paketlemenin son aşamasında, tamamlanmış QFP dielektrik
malzemelerle enkapsüle edilir ve aşağıdaki bilgiler işaretlenir:
Üretici
Bilgileri: Üreticinin logosu veya adı.
Tarih
ve Parti Kodu: Cihazın izlenebilirliğini sağlar.
Parça
Numarası: Cihaz paketini benzersiz bir şekilde tanımlar.
Pin-1
İşaretleyicisi: Pin-1 ve paketin yönlendirmesini belirtir.
Diğer
Bilgiler: Seri numarası, wafer numarası, menşe ülkesi ve muayene
verileri.
Şekil 6 QFP İşaretleme Örneği
QFP IC Paketinin Zorlukları
Hassas
Bacaklar: QFP'nin bacakları ve adım mesafesi hasara oldukça duyarlıdır
ve onarılması zordur.
Tasarım
Karmaşıklığı: Pin sayısı arttıkça, PCB izlerinin yoğunluğu da artar,
bu da tasarımı zorlaştırır.
Sinyal
Bütünlüğü: QFP IC'lerin PCB üzerindeki konumlandırılması, RF sinyal
iletimini, empedans kontrolünü ve güç dağıtımını etkiler.
QFP Paketinin Uygulamaları
QFP paketleri, aşağıdaki alanlarda yaygın olarak kullanılır:
Mikroişlemciler
ve Bilgisayarlar: Yüksek performanslı işlemciler ve bellek çiplerinde.
Tüketici
Elektroniği: Akıllı telefonlar, tabletler ve diğer taşınabilir
cihazlarda.
Gömülü
Sistemler: Mikrodenetleyiciler ve dijital sinyal işlemcilerinde.
İletişim
Ekipmanları: Anahtarlama, yönlendirme ve ağ arayüz kartları.
Endüstriyel
Uygulamalar: Robotik kontrol, PLC'ler ve otomasyon sistemleri.
Askeri
ve Havacılık: FPGA'ler ve yüksek performans gerektiren uygulamalarda.
QFP ve QFN Karşılaştırması
En yaygın yüzey montajlı IC paketleme mekanizmaları olan QFP
ve QFN arasındaki farklar:
No.
Parametre
QFP
QFN
1
Pin Düzeni
Dört tarafın hepsinde bulunur
90 derece açıyla
dizili
Görünür
Alt kısımda bulunur
Kenarlarında
hizalı
Gizli
2
Pin Boyutu ve Sayısı
Büyük boyutlu
Yüksek yoğunluklu
Daha küçük boyutlu
Düşük sayıda
3
Termal Performans
Daha düşük
Daha iyi
4
Bacak Adımı
Daha küçük
Daha büyük
QFP paketi, yüksek yoğunluklu elektriksel bağlantılara, düz
bir profile ve yüzey montaj teknolojilerine uygun martı kanadı şeklinde
bacaklara sahip olması sayesinde yarı iletken endüstrisinde önemli bir yer
edinmiştir. Elektronik endüstrisi hızlı bir büyüme içindeyken, QFP paketleri
termal kontrol sistemleri gibi ek özellikler ekleyerek ve verimli ısı dağılımı
için malzeme teknolojilerini kullanarak sürekli gelişmektedir. Günümüzde, QFP
yüksek seviyeli endüstriyel kontrol elektroniğinden tüketici elektroniğine
kadar çeşitli uygulamalar için yaygın olarak benimsenen bir paketleme
çözümüdür.
**Bu yazı ilk olarak anysilicon websitesinde görülmüştür.