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フラットノーリードパッケージ（クワッドフラットノーリード（QFN）など）デュアルフラットノーリード（DFN ）は、集積回路をプリント基板に物理的および電気的に接続します。フラットノーリードは、マイクロリードフレーム（MLF）およびSON（スモールアウトラインノーリード）とも呼ばれ、表面実装技術であり、スルーホールなしでICをPCBの表面に接続するパッケージ技術の1つです。フラットノーリードは、平面銅リードフレーム基板で作られた、チップスケールに近いプラスチック封止パッケージです。パッケージ底面の周囲ランドは、PCBへの電気的接続を提供します。[ 1 ]フラットノーリードパッケージは通常、ICから（PCBへ）熱を伝達するために露出した熱伝導パッドを含みますが、常にそうとは限りません。熱伝達は、サーマルパッド内の金属ビアによってさらに促進されます。 [ 2 ] QFNパッケージは、クワッドフラットパッケージ（QFP）およびボールグリッドアレイ（BGA）に似ています。
図は、リードフレームとワイヤボンディングを備えたフラットな無鉛パッケージの断面図を示しています。ボディデザインには、パンチ分割とソー分割の 2 種類があります。[ 3 ]ソー分割では、多数のパッケージを分割します。パンチ分割では、単一のパッケージを成形します。断面図は、ソー分割されたボディと、取り付けられたサーマルヘッドパッドを示しています。リードフレームは銅合金でできており、シリコンダイをサーマルパッドに取り付けるために熱伝導性接着剤が使用されます。シリコンダイは、直径1～2ミルの金線でリードフレームに電気的に接続されています。
鋸で切断された包装のパッドは、包装の真下に完全に配置される場合もあれば、包装の端を囲むように折り畳まれる場合もある。
QFNパッケージには、一般的に2種類あります。パッケージ内に空気空洞が設計されたエアキャビティQFNと、パッケージ内の空気を最小限に抑えたプラスチック成形QFNです。
安価なプラスチック成形QFNは、通常、2～3GHzまでの周波数帯域に限定されます 。通常、プラスチックコンパウンドと銅製リードフレームの2つの部品のみで構成され、蓋は付属していません。
一方、エアキャビティ型QFNは通常、銅製のリードフレーム、プラスチック成形ボディ（開放型で密閉されていない）、そしてセラミックまたはプラスチック製の蓋の3つの部分で構成されています。構造上、一般的に高価ですが、20～25GHzまでのマイクロ波アプリケーションに使用できます 。
QFNパッケージは、単列の接点を持つものと、二列の接点を持つものがある。
このパッケージは、低コスト[ 4 ] 、リードインダクタンスの低減、小型の「ニアチップスケール」フットプリント、薄型プロファイル、軽量など、さまざまな利点を提供します。また、周辺I/Oパッドを使用することでPCB配線が容易になり、露出銅ダイパッド技術により優れた熱特性と電気特性を実現しています。これらの特長により、QFNはサイズ、重量、熱特性、電気特性が重要な多くの新しいアプリケーションにとって理想的な選択肢となります。
パッケージング技術の向上と部品の小型化は、しばしば新たな、あるいは予期せぬ設計、製造、信頼性の問題を引き起こす可能性があります。これはQFNパッケージにも当てはまり、特に新規の非民生用電子機器OEMによる採用において顕著です。
QFN設計における重要な考慮事項には、パッドとステンシルの設計があります。ボンドパッドの設計に関しては、ソルダーマスク定義（SMD）と非ソルダーマスク定義（NSMD）の2つのアプローチがあります。NSMDアプローチでは、はんだが銅パッドの上面と側面の両方に接合できるため、一般的に信頼性の高い接合が得られます。[ 5 ]また、銅のエッチングプロセスは、ソルダーマスクプロセスよりも一般的に制御が厳密に行われるため、より一貫性のある接合が得られます。[ 6 ]ただし、これは接合部の熱的および電気的性能に影響を与える可能性があるため、最適な性能パラメータについてはパッケージメーカーに相談すると良いでしょう。SMDパッドを使用すると、はんだブリッジの可能性を減らすことができますが、これは接合部の全体的な信頼性に影響を与える可能性があります。ステンシル設計は、QFN設計プロセスにおけるもう1つの重要なパラメータです。適切な開口部設計とステンシルの厚さにより、適切な厚さでより一貫性のある接合（つまり、ボイド、アウトガス、および浮遊部品が最小限）が得られ、信頼性が向上します。[ 7 ]
製造面でも問題があります。大型のQFN部品の場合、はんだリフロー中の吸湿が懸念事項となることがあります。パッケージ内に大量の吸湿があると、リフロー中の加熱によって部品が過度に反ってしまうことがあります。その結果、部品の角がプリント基板から剥がれ、接合部の形成不良につながることがよくあります。リフロー中の反り問題のリスクを軽減するために、吸湿感度レベルを3以上にすることが推奨されます。[ 8 ] QFN製造におけるその他の問題としては、中央のサーマルパッド下の過剰なはんだペーストによる部品の浮遊、大きなはんだボイド、リワーク特性の悪さ、はんだリフロープロファイルの最適化などが挙げられます。[ 9 ]
部品パッケージは、自動車や航空などの高信頼性産業への配慮があまりなされず、多くの場合、民生用電子機器市場によって推進されています。そのため、QFNなどの部品パッケージファミリーを高信頼性環境に統合することは困難です。QFN部品は、はんだ疲労の問題、特に熱サイクルによる熱機械的疲労の影響を受けやすいことが知られています。QFNパッケージのスタンドオフが著しく低いため、リード付きパッケージと比較して熱膨張係数（CTE）の不一致により、熱機械的歪みが大きくなる可能性があります。たとえば、-40 ℃から125 ℃までの加速熱サイクル条件下では、さまざまなクワッドフラットパッケージ（QFP）部品は10,000サイクル以上持続できますが、QFN部品は1,000～3,000サイクル程度で故障する傾向があります。[ 8 ]
歴史的に、信頼性テストは主にJEDECによって推進されてきましたが、[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]これは主にダイと第 1 レベルの相互接続に焦点を当ててきました。IPC -9071A [ 14 ]は、第 2 レベルの相互接続 (つまり、パッケージから PCB 基板) に焦点を当てることで、この問題に対処しようとしました。この規格の課題は、コンポーネントメーカーよりも OEM によって採用されていることです。コンポーネントメーカーは、これをアプリケーション固有の問題とみなす傾向があります。その結果、さまざまな QFN パッケージのバリアントの信頼性と半田疲労挙動を特徴付けるために、多くの実験的テストと有限要素解析が行われてきました。[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]
Serebreni ら[ 22 ]は、熱サイクル下での QFN はんだ接合部の信頼性を評価するための半解析モデルを提案した。このモデルは、QFN パッケージの有効な機械的特性を生成し、Chen と Nelson が提案したモデル[ 23 ]を使用してせん断応力とひずみを計算する。次に、これらの値から散逸ひずみエネルギー密度が決定され、2 パラメータWeibull 曲線を使用して故障までの特性サイクルを予測するために使用される。
QFNパッケージはクワッドフラットパッケージに似ていますが、リード線がパッケージ側面から突き出ていません。そのため、QFNパッケージを手作業で半田付けしたり、半田接合部の品質を検査したり、リード線をプローブしたりすることは困難です。
メーカーによってこのパッケージの名称は異なり、ML（マイクロリードフレーム）とFN（フラットノーリード）があります。さらに、4面すべてにパッドがあるバージョン（クワッド）と2面のみにパッドがあるバージョン（デュアル）があり、厚さは 通常のパッケージで0.9～1.0mm、 極薄パッケージで0.4mmです。略語は以下のとおりです。
マイクロリードフレームパッケージ（MLP）は、表面実装型電子回路設計で使用される集積回路QFNパッケージのファミリーです。MLPQ（Qはクワッドの略）、MLPM（Mはマイクロの略）、MLPD（Dはデュアルの略）の3つのバージョンがあります。これらのパッケージは一般的に、熱性能を向上させるために露出したダイアタッチパッドを備えています。このパッケージは、構造的にはチップスケールパッケージ（CSP）に似ています。MLPDは、小型アウトライン集積回路（SOIC）パッケージのフットプリント互換の代替品として設計されています。
マイクロリードフレーム（MLF）は、銅製リードフレーム基板を備えた、ほぼCSPサイズのプラスチック封止パッケージです。このパッケージは、パッケージ底面の外周ランドを使用してプリント基板との電気的接続を提供します。ダイアタッチパドルはパッケージ底面に露出しており、プリント基板に直接はんだ付けする際に効率的な放熱経路を確保します。また、ダウンボンディングまたは導電性ダイアタッチ材を介した電気的接続により、安定した接地も可能になります。
より高密度な接続を可能にする、より新しい設計バリエーションとして、デュアルロウマイクロリードフレーム（DRMLF）パッケージがあります。これは、最大164個のI/Oを必要とするデバイス向けに、2列のランドを備えたMLFパッケージです。代表的な用途としては、ハードディスクドライブ、USBコントローラ、無線LANなどが挙げられます。