Atténuer l’obsolescence de la chaîne d’approvisionnement : L’évolution de la fabrication des semi-conducteurs vers les assemblages QFN et DFN
Assurer un approvisionnement à long terme des composants pour les empreintes SOIC existantes et les PLCC à faible nombre de broches
Dans la première partie de notre exploration du casse-tête que constitue la fabrication, nous avons examiné comment et pourquoi les assemblages de semi-conducteurs ont peu à peu remplacé les assemblages classiques de grille de connexion. Pour rappel, ces derniers nécessitent des outils de découpe et de formage coûteux, tels que PDIP, PLCC, PQUAD et PGA, et le marché s’est plutôt orienté vers des assemblages de type substrat BGA (Ball Grid Array) et QFN (Quad Flat No-lead Package) ou DFN (Dual Flat No-lead Package). Concentrons-nous à présent sur les assemblages QFN et DFN, qui se situent au bas de l’échelle en termes de complexité et de coût, mais qui auront un impact important sur l’avenir des assemblages SOIC et PLCC à faible nombre de broches.
Pourquoi le secteur s’est-il tourné vers les assemblages QFN et DFN pour réduire le nombre de broches et quel sera l’impact sur l’obsolescence des composants ?
Nous avons étudié précédemment les raisons pour lesquelles les technologies classiques de grilles de connexion sont en train de disparaître et nous avons vu que le coût le plus important dans ce type d’assemblage correspond à celui des outils de découpe et de formage. Pour rappel, les marges bénéficiaires pour les assemblages de grilles de connexion classiques à haut volume ont été réduites à un chiffre en 2000, car il s’agissait désormais d’un article spécialisé que peu de fabricants de semi-conducteurs prenaient en charge. Un boîtier PLCC de taille unique peut revenir à plus de 300 000 $ rien que pour les outils de découpe et de formage. Néanmoins, le volume de ces boîtiers a atteint son maximum dans les années 1990, lorsque le coût de l’assemblage était nettement inférieur pour les volumes plus élevés et comprenait la fixation de la die, la soudure par fils, le moule, la découpe et le formage.
Examinons en détail les raisons pour lesquelles le QFN présente un intérêt pour l’avenir. Bien que les assemblages QFN soient basés sur une grille de connexion, ils ne nécessitent pas d’outils de découpe et de formage. La grille de connexion d’un QFN est une matrice X x Y, qui ressemble à une tablette de chocolat avec des carrés, où les dimensions X et Y des QFN individuels sont flexibles. Les dimensions des outils de moulage et du cadre extérieur sont les mêmes pour de nombreuses dimensions d’assemblage final des QFN. Les dimensions courantes des assemblages QFN individuels sont, entre autres, 3 x 3 mm, 4 x 4 mm et 5 x 5 mm. Les grilles de connexion QFN et DFN sont moulées en une seule fois, puis sciées pour former les assemblages QFN individuels. Les dimensions des assemblages DFN sont plus variées, mais comptent toujours le plus petit nombre de broches par rapport aux assemblages QFN. Les outils de moulage peuvent être les mêmes pour la plupart des dimensions des QFN et des DFN.
Après l’opération de sciage, l’assemblage est en grande partie terminé. Le résultat est un assemblage QFN/DFN moulé qui ne nécessite pas d’opération coûteuse de découpe et de formage, et qui n’exige qu’un seul outil de moulage pour de nombreuses tailles différentes de QFN/DFN. Le débit est également beaucoup plus rapide sans les opérations de découpe et de formage. En l’absence de ces opérations, le rendement d’un assemblage QFN/DFN est plus élevé que celui d’un boîtier à nombre de broches équivalent nécessitant une découpe et un formage. Un encombrement réduit, un débit plus rapide et des rendements plus élevés conduisent à l’obsolescence ultime des assemblages classiques à grille de connexions (lead frame) nécessitant des opérations de découpe et de formage.
Les QFN/DFN entraîneront la disparition des assemblages à grille de connexions à nombre de broches équivalent qui nécessitent des opérations de découpe et de formage. Cela s’est déjà produit avec les boîtiers DIP classiques. Bien que les opérations de découpe et de formage soient moins coûteuses dans leur cas, les DIP existent depuis plus de 50 ans et la technologie d’assemblage traversant (through-hole) ne représente plus un volume de production significatif. On pourrait dire que les DIP ont déjà été remplacés par les boîtiers SOIC, mais ce n’est pas le cas en ce qui concerne les exigences de support à long cycle de vie des systèmes.
Les boîtiers SOIC seront finalement remplacés par des assemblages de type QFN et DFN. Nous avons déjà constaté des pénuries de boîtiers SOIC ainsi que l’obsolescence complète de versions SOIC de certains produits, tandis que les versions QFN restaient actives. Si l’on examine les composants logiques couramment proposés aujourd’hui, on constate qu’ils sont généralement disponibles à la fois en versions QFN et SOIC côte à côte. Ceux-ci nécessitent toutefois des implantations de carte différentes, car les assemblages QFN sont proposés dans les dimensions carrées classiques mentionnées précédemment. Chez Rochester Electronics, nous pensons qu’offrir la flexibilité de conserver les implantations PCB SOIC existantes pour le signal, tout en fournissant un assemblage QFN, constitue la meilleure approche pour soutenir les systèmes à long cycle de vie.
Lorsque des joints de soudure à plus haute fiabilité sont nécessaires sur la carte, la technologie des « flancs mouillables » (wettable flank) est utilisée. Un QFN classique ne présente de la soudure que sous les connexions, laissant du cuivre exposé sur les côtés du boîtier. Cela rend l’inspection des joints de soudure difficile. Le procédé « wettable flank » permet au fabricant de QFN/DFN de déposer de la soudure sur le côté du cadre de connexion exposé. Cela permet à la fois de recouvrir tout ou partie du cuivre exposé et d’offrir une plus grande surface pour l’inspection post-assemblage des soudures. Cette technologie implique généralement des étapes de fabrication supplémentaires et un coût de production plus élevé.
Aujourd’hui, Rochester Electronics propose à ses clients des empreintes QFN compatibles avec les empreintes SOIC ou PLCC à faible nombre de broches existantes. Cela peut être réalisé par une simple modification de la carte au niveau de la zone du pad sous le QFN. Cette modification est nécessaire pour obtenir une équivalence avec le SOIC dans les environnements soumis aux chocs et vibrations. Sans soudure du pad QFN, les assemblages à cadre de connexion découpé et formé offrent de meilleures performances que les QFN dans ces environnements.
Rochester Electronics a anticipé ces tendances du marché et a investi dans les assemblages QFN/DFN. L’entreprise propose aujourd’hui en production de volume des QFN carrés classiques, mais aussi la flexibilité recherchée par les entreprises de systèmes à long cycle de vie lors de migrations depuis d’autres boîtiers, en offrant également des QFN non carrés avec compatibilité d’empreinte et de légères modifications de carte. Rochester Electronics résout ainsi une autre partie de l’équation de l’obsolescence pour ses clients mondiaux.
