Lötmaskendämme sind das Einzige, was das Überbrücken bei Fein-Pitch verhindert

Der teuerste Ton in der Elektronikfertigung ist die Ruhe eines Boards, das hochgefahren sein sollte. Wenn man dieses tote Board unter das Mikroskop legt, erwartet man meist, einen durchgebrannten Kondensator oder eine verkehrtherum eingebaute Diode zu sehen. Stattdessen findet man oft etwas viel Beleidigenderes: eine mikroskopisch kleine Lötbrücke, die zwei Pins an einem 0,4mm Pitch-Connector verbindet. Ein Herstellungsfehler von $2 hat gerade eine $500-Baugruppe verschrottet.

Die meisten Designer schieben die Schuld sofort auf das Montagehaus. Sie nehmen an, die Schablonen-Öffnungen seien zu breit oder das Reflow-Profil sei zu heiß. Doch meist war der Fehler bereits während der Layoutphase eingebaut, als die Entscheidung getroffen wurde, die physikalische Realität des flüssigen Lotes zu ignorieren. Wenn es keine physikalische Barriere zwischen zwei Pads gibt, wird das Lot versuchen, sich zu verbinden. Das ist ein Gesetz der Physik und wird strikt durchgesetzt.

Die Physik der Brücke

Wenn das Lötpaste im Reflow-Ofen schmilzt, hört sie auf, eine grobe Paste zu sein, und wird zu einer Flüssigkeit mit hoher Oberflächenspannung. Sie will ihre Oberfläche minimieren. Idealerweise benetzt sie das Pad und die Bauteillötstift, bildet eine ordentliche Fase. Bei feinen Komponenten—alles unter 0,5mm Pitch—sind die Pads gefährlich nah beieinander. Wenn die Lötmaske (die dünne Isolierung zwischen den Pads) fehlt, hält nichts das flüssige Lot davon ab, den Nachbar zu erreichen.

Einige Ingenieure versuchen, das Problem durch 'Hunger' des Gelenks zu lösen—durch Verkleinerung der Schablonenöffnung, um weniger Paste zu depositieren. Das ist ein häufiges Pflaster, das oft in Foren vorgeschlagen wird, wenn jemand versucht, ein schlechtes Layout zu retten. Weniger Paste kann die Wahrscheinlichkeit einer Brücke senken, aber nicht den Mechanismus des Versagens eliminieren. Wenn Sie ein 0,4mm Pitch-BGA oder QFN haben und allein auf die Oberflächenspannung vertrauen, um das Lot an Ort und Stelle zu halten, setzen Sie aufs Spiel. Eine geringfügige Fehljustierung, eine Vibration im Ofen oder eine kleine Abweichung bei Flussmittelaktivität lassen das Lot den Spalt überqueren. Das Einzige, was dieses Kapillaren-Verhalten zuverlässig stoppt, ist eine physische Wand: die Lötmaske.

Die Geometrie des Slivers

Das Problem ist, dass man einfach eine Barriere zeichnen kann und erwarten, dass sie existiert. Lötmaske ist ein physisches Material—meist ein flüssiges photoempfindliches Epoxid—das gedruckt, gehärtet und entwickelt werden muss. Wie jedes Material hat es eine Belastungsgrenze. Wenn Sie eine Schicht Maske zu dünn gestalten, haftet sie nicht am FR4-Substrat. Sie löst sich während der Fertigung ab, treibt im Entwicklerbad weg oder, schlimmer noch, blättert später ab und kontaminiert die Baugruppe.

Hierher kommen die Fehler ‘Pink Ring’ oder ‘Purple Ring’ in Ihrem CAD-Werkzeug. Wenn Ihr DRC (Design Rule Check) eine Verletzung des ‘Mask Sliver’ anzeigt, versucht es nicht, Sie zu ärgern. Es zeigt Ihnen nur, dass die Geometrie, die Sie angefordert haben, physikalisch unmöglich ist, mit dem Standard-Chemieprozess zu erzeugen.

Standardfertigungsprozesse erfordern in der Regel eine minimale Maskenbarriere von 4 Mil (ca. 0,1mm), um die Haftung zu garantieren. Fortgeschrittene HDI-Firmen könnten diesen Wert auf 3 Mil reduzieren. Aber schauen Sie sich die Mathematik für ein 0,4mm Pitch-Teil an. Wenn die Pads 0,25mm breit sind, ist der Abstand zwischen ihnen nur 0,15mm (ca. 6 Mil). Wenn Sie eine 4-Mil-Barriere benötigen und die Maskenexpansion (Registrierungs-Toleranz) berücksichtigen, damit die Maske nicht auf das Pad steigt, sind Sie am Ende des Raums. Ihnen fehlt einfach der physische Platz für die Isolierung.

Dieses Geometriefalle verschärft sich erheblich, wenn das Design auf Ästhetik priorisiert wird. Wir sehen Designs, bei denen das Gehäuse offen ist, sodass der Industriedesigner eine matte schwarze Lötmaske zum 'Premium'-Aussehen fordert. Mattschwarze Masken sind oft weicher und erfordern andere chemische Prozesse als Standardgrün. Sie halten die Wärme anders und haben oft eine schlechtere Haftung für feine Merkmale. Eine Barriere, die in normaler grüner Hochglanzmaske perfekt hält, kann in mattschwarzer Maske abblättern. Wir haben ganze Produktionsläufe von 5.000 Einheiten gesehen, bei denen die Fehlerquote bei 35% einfach deshalb auf $500 gestiegen ist, weil die schicke schwarze Maske die 3-Mil-Web zwischen den Steckerkontakten nicht halten konnte. Physik kümmert sich nicht, ob Ihr Board cool aussieht.

Die Gang Relief Falle

Wenn das Geometrie-Design zu eng wird—zum Beispiel bei einem 0,35mm Pitch-BGA oder einer schlecht gestalteten QFN-Fußaufnahme—wird das Fertigungsunternehmen Ihnen eine ‘EQ’ (Engineering Question) schicken. Sie weisen darauf hin, dass sie die Barriere zwischen den Pads nicht drucken können. Ihre vorgeschlagene Lösung ist fast immer ‘Gang Relief’ (oder ‘Gang Masking’).

Gang-Relief bedeutet, dass sie einfach die Maske zwischen den Pads vollständig entfernen, wodurch eine große Fensteröffnung um eine Reihe von Pins entsteht. Dies erfüllt die Herstellungsanforderung: Da ist kein dünner Spalt an Maske zum Ablösen. Aber es birgt ein katastrophales Montagerisiko.

Ohne Damm haben Sie eine Autobahn für Lötmittel geschaffen. Bei einem QFN (Quad Flat No-lead) Gehäuse kann das Lötmittel entlang des Bodens des Gehäuses zwischen den Pins aufwandern. Diese Art von Brücke ist heimtückisch, weil sie oft unter dem Bauteilkörper versteckt ist, unsichtbar für die standardmäßige AOI (Automatisierte Optische Inspektion). Man entdeckt sie erst, wenn die Leiterplatte den Funktionstest nicht besteht oder noch schlimmer, wenn Röntgeninspektionen den Kurzschluss aufdecken.

Auch hier gibt es langfristige Zuverlässigkeitskosten. Die Lötmaske stoppt nicht nur Brücken; sie isoliert den Kupferleiter. Wenn Sie einen feinpunkigen Stecker gang-reliefen, bleiben blanke FR4 zwischen den energisierten Pins sichtbar. In Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit oder wenn das Gerät nicht perfekt von Flussmittelrückständen gereinigt wurde, wird dieser Spalt zu einem Nährboden für dendritisches Wachstum. Wir haben medizinische Rückrufaktionen gesehen, die nicht durch sofortigen Ausfall ausgelöst wurden, sondern durch Dendriten, die nach sechs Monaten im Feld den gang-relieften Spalt überquerten. Der Damm ist ein Isolator; ihn zu entfernen ist ein Zugeständnis an das Versagen.

Die "Standardfähigkeits"-Fiktion

Warum drängen Fertigungsbetriebe also auf Gang-Relief? Weil es ihre Ausbeute schützt, nicht Ihre. Wenn sie versuchen, einen 2,5-mil-Damm zu drucken, und dieser ablöst, müssen sie die blanke Leiterplatte ausschleifen. Wenn sie es gang-reliefen, besteht die Leiterplatte ihren elektrischen Test perfekt (weil die Pads nicht überbrückt sind). trotzdem). Die Brücke entsteht bei Ihrem Montagebetrieb, was kein Problem mehr für den Fertigungsbetrieb der Leiterplatte ist.

Sie müssen verstehen, dass Fertigungsdatenblätter oft Marketing-Fiktion sind. Wenn ein Offshore-Fertigungsbetrieb im Budget “3 mil Damm” als Fähigkeit auflistet, ist das ihre "Goldene Probe"-Nummer — das, was sie auf einer perfekt kalibrierten Maschine mit frischer Chemie an einem guten Tag erreichen können. Es ist nicht ihre Prozessfähigkeit mit Cpk > 1,33. Wenn Sie ein Design mit 3-mil-Dämmen an einen "Standard"-Dienstleister schicken, entfernen sie die Dämmung oft stillschweigend per CAM-Skript, wenn sie meinen, sie können sie nicht halten. Sie werden es erst wissen, wenn die Leiterplatten eintreffen und die Dämmung fehlt.

Die Lösung erfordert oft Geld. Standard-LPI-Prozesse verwenden Filmarbeiten und UV-Licht, die Ausrichtungs- und Beugungslimits haben. Um bei einem Bauteil mit 0,4 mm Abstand eine dünne Schicht zuverlässig zu halten, benötigen Sie oft LDI (Laser Direct Imaging). LDI überspringt den Film und verwendet einen Laser, um die Maske direkt auf die Leiterplatte zu härten. Es ist viel präziser und kann engere Dämmungen halten. Es kostet auch mehr. Wenn Sie mit einem Einkäufer streiten, der die Leiterplatte zu einem günstigeren Anbieter verlegen möchte, um $0,40 pro Stück zu sparen, müssen Sie die Entsorgungskosten berechnen. Einsparungen von $200 bei Leiterplattenfertigung sind ein hohler Sieg, wenn Sie $4.000 an Silizium- und Technikerzeit verlieren, um Brücken auf den ersten 100 Leiterplatten nachzubessern.

Abwehrstrategie im Design

Die gefährlichste Einstellung in Ihrem CAD-Tool ist die globale Regel "Maskenerweiterung". Jungingenieure setzen dies oft auf eine "sichere" 4 Mils global. Bei einem großen 0805-Widerstand ist das in Ordnung. Bei einem Bauteil mit 0,4 mm Abstand wird diese globale Regel die Maskenausgänge überlappen und Ihre Dämme löschen, ohne dass Sie es überhaupt merken.

Sie müssen lokale Regeln verwenden. Feinpunkige Komponenten erfordern eigene spezifische Maskenerweiterungseinstellungen, die oft auf 2 Mils oder sogar 1:1 (keine Erweiterung) reduziert werden, wenn die Fertigungskapazität es zulässt. Sie müssen die Geometrie so anpassen, dass eine 3- oder 4-Mil-Damm erlaubt ist.

Aber der letzte Schutz erfolgt, nachdem das Design fertiggestellt ist. Wenn Sie Ihre Gerber-Dateien generieren, vertrauen Sie nicht auf den 3D-Viewer. Öffnen Sie die Rohdatei GTS (Top Solder Mask). Zoomen Sie auf das engste Bauteil. Messen Sie den physischen Spalt zwischen den Maskenausgängen. Wenn dieser Wert weniger als 3 Mil (ca. 0,075 mm) beträgt, befinden Sie sich in der Gefahrenzone.

Wenn Sie diese Gefahrenzone erkennen, haben Sie zwei Möglichkeiten: auf eine Fertigung mit verifizierter LDI-Fähigkeit umsteigen, die diesen Spalt halten kann, oder den Komponenten- Footprint ändern. Lassen Sie die Fertigung den Damm nicht entfernen. Lassen Sie sich nicht auf Gang-Relief bei einem Stecker ein, es sei denn, Sie sind bereit, den Ertragsverlust in Kauf zu nehmen. Wenn die Fertigung sagt "wir können das nicht drucken", glauben Sie ihnen. Aber lassen Sie sie das nicht durch das Entfernen des Schutzes beheben. Verlegen Sie das Design oder wechseln Sie die Fertigung. Kein Damm, kein Bau.