Lötstoppmaskenerweiterung: Der unsichtbare Ertragskiller

Der Geruch einer schlechten Entscheidung bezüglich der Lötstoppmaske ist unverkennbar. Er riecht nach verbranntem Flussmittel, heißem Polyimid und einem Samstagnachmittag, den man über einem Mantis-Mikroskop mit einem Lötkolben in der Hand verbracht hat. Wenn man eine QFN-32 unter 10-facher Vergrößerung betrachtet und jeden einzelnen Pin sieht, der mit seinem Nachbarn verbunden ist, denkt man nicht an elegantes Routing oder Signal-Integritätssimulationen. Man sieht einen physischen Fehler der Abgrenzung. Die Lötpaste, die einmal im Reflow-Ofen erhitzt wurde, hatte keinen Halt. Sie sackte ab, wurde aufgesogen und verschmolz, weil der mechanische Damm, der Pad 1 von Pad 2 trennen sollte, einfach nicht vorhanden war.

Geben Sie nicht dem Lötkolben die Schuld und hören Sie auf, die Schablone zu beschuldigen. Dies ist ein Datenproblem, das zu einem physischen Albtraum wurde. Die Ursache liegt in den CAD-Einstellungen, die oft auf einem „sicheren“ Standardwert von 4 mils Erweiterung belassen werden, wodurch die Lötstoppmasken-Verbindung zwischen Feinpitch-Pads stillschweigend gelöscht wird. Die Physik kümmert sich nicht um Ihre Darstellung. Wenn der Damm fehlt, wird die Lötpaste überbrücken.

Warum The Fab House Ihre Montage ruinieren will

Ihr Leiterplattenhersteller und Ihr Bestücker haben einen grundlegenden Interessenkonflikt. Das Fertigungsunternehmen fürchtet sich vor „Überlappungen“. Wenn sie die grüne Maskenschicht leicht versetzt drucken (eine garantierte Realität bei Nassfilmprozessen) und diese Maske auf einem Kupferpad landet, lehnen Sie die Platine wegen schlechter Lötbarkeit ab. Um sich vor Ausschusskosten zu schützen, verlangen sie einen Sicherheitsabstand. Sie möchten, dass Sie die Maskenöffnung so erweitern, dass selbst wenn ihre Ausrichtung um 2 oder 3 mils abweicht, die Öffnung das Pad noch freigibt.

Dieser Sicherheitsabstand spart ihnen Geld, kostet Sie aber Zuverlässigkeit. Wenn Sie eine globale Erweiterungsregel anwenden – sagen wir den Industriestandard von 4 mils (0,1 mm) – auf ein Bauteil mit 0,5 mm Rastermaß, eliminieren Sie mathematisch die Brücke zwischen den Pads. Sie tauschen einen potenziellen kosmetischen Fehler (Maske auf Pad) gegen einen garantierten funktionalen Fehler (Lötbrücke).

Wenn Sie mit günstigen Fertigungsbetrieben zu tun haben, erhalten Sie oft die gefürchtete „Engineering Query“ oder „On Hold“-E-Mail. Sie markieren Ihre Feinpitch-Footprints und behaupten, der „Spalt“ der Maske zwischen den Pads sei zu dünn, um zuverlässig gedruckt zu werden. Sie lügen nicht; ihr Prozess kann möglicherweise keinen 3-mil-Spalt halten, ohne dass er abblättert. Aber wenn Sie ihnen erlauben, das „Problem“ durch vollständiges Entfernen des Spalts zu beheben, autorisieren Sie sie, einen See aus freiliegendem Kupfer zu schaffen, wo diskrete Inseln sein sollten. Sie priorisieren ihre Ausbeute über Ihre.

Die Mechanik des Damms

Die Lötstoppmaske funktioniert weniger wie Farbe und mehr wie ein hydraulischer Damm. Ihre Hauptaufgabe im Reflow-Ofen ist es, die Oberflächenspannung des geschmolzenen Lots zu brechen. Wenn die Paste schmilzt, will sie ihre Oberfläche minimieren. Wenn ein Streifen Maskenmaterial zwischen zwei Pads sitzt, perlt das Lot auf seinem jeweiligen Pad ab, gehalten von der Maskenwand. Dies ist der „Dichtungs“-Effekt. Die Maske bietet eine vertikale Wand, auf der die Schablone sitzt, und eine horizontale Barriere, die das Lot nicht benetzen kann.

Wenn Sie diesen Damm entfernen – entweder durch aggressive Erweiterungseinstellungen oder durch eine Fertigung, die „Gang Relief“ anwendet – verlieren Sie die Abgrenzung. Der Raum zwischen den Pads wird zu nacktem FR4-Laminat. Geschmolzenes Lot zieht leicht über diese Lücke, besonders wenn die Schablonenöffnung unter der Annahme eines Dichtungseffekts entworfen wurde. Ohne die Maskenhöhe, die es blockiert, sackt das Lot ab.

Hier setzt oft die Panik bei BGA-Bauteilen ein. Sie sehen Kurzschlüsse unter dem Röntgenbild und vermuten, dass das Pastenvolumen zu hoch oder das Profil zu heiß ist. Schauen Sie zuerst auf die nackte Platine. Wenn die Maskenöffnungen für die BGA-Pads so groß sind, dass sie sich berühren, haben Sie einen Weg mit geringstem Widerstand geschaffen, damit sich die Lötperle mit ihrer Nachbarperle verbindet. Nicht-Lötstoppmaskendefinierte (NSMD) Pads sind bei BGAs Standard zur Verbesserung der Zuverlässigkeit, aber wenn die Erweiterung zu aggressiv ist, wird der „Graben“ um das Pad zum Kanal für Brückenbildung.

Die Gang Relief Falle

Die gefährlichste Variante dieses Problems betrifft QFNs und Feinpitch-Steckverbinder. Designer, die es leid sind, DRC-Fehler (Design Rule Check) wegen „minimaler Lötstoppmasken-Spalte“ zu bekämpfen, wählen oft den Weg des geringsten Widerstands: Gang Relief. Dabei wird ein einzelnes großes Rechteck der Maskenöffnung über eine ganze Reihe von Pins gezogen.

Im Gerber-Viewer sieht das sauber aus. Es besteht sofort die Prüfung der Fertigung, da keine empfindlichen Spalte gedruckt werden müssen. Aber in der Bestückungslinie ist es eine Katastrophe. Ich habe teure Silizium-Trays – QFP-100 auf Prototypen medizinischer Geräte – wegen dieses Problems verschrottet gesehen. Wenn Sie eine Reihe von 0,5-mm-Rasterpins gang-relieven, fordern Sie die Oberflächenspannung des Lots heraus, die einzige Kraft zu sein, die die Verbindungen trennt. Das funktioniert selten. Das Lot zieht sich zusammen und Sie erhalten eine einzelne Legierungsbrücke, die zehn Pins kurzschließt.

Manuelle Nacharbeit an diesen Stellen ist brutal. Sie müssen das gesamte Lot absaugen, den Bereich mit Alkohol reinigen und versuchen, frische Verbindungen ohne Maskendamm als Führung zu löten. Das verwandelt eine $5-Platinenbestückung in ein $50-Nacharbeitsprojekt.

Die LDI-Schwelle

Man kann das Netz nicht einfach immer weiter verkleinern; irgendwann versagt das Material physisch. Die wirkliche Lösung ist, für Präzision zu bezahlen. Traditionelle fotoempfindliche Prozesse benötigen diesen Toleranzfaktor. Laser Direct Imaging (LDI) ändert die Rechnung. LDI verwendet keinen Film. Es nutzt einen Laser, um die Maske direkt auf der Leiterplatte auszuhärten und richtet sich dabei an den eigenen Passermarken der Leiterplatte aus.

Mit LDI benötigen Sie keine 3 oder 4 mils Expansion. Sie können eine 1:1-Maske (keine Expansion) oder eine sehr enge 1-mil-Expansion verwenden. Dadurch können Sie selbst bei Bauteilen mit 0,4 mm Raster einen robusten 3-mil-Damm beibehalten. Ja, LDI kostet mehr. Es ist ein Premiumprozess. Aber setzen Sie diese Kosten in Relation zu den Kosten für Nacharbeit. Wenn Sie ein Konsumgerät mit 0805-Passivkomponenten und SOIC-Chips herstellen, sparen Sie Ihr Geld und verwenden den ungenauen Prozess. Aber wenn Sie 0,4 mm Raster QFNs oder 0,5 mm BGAs bestücken, werden die „Einsparungen“ auf der nackten Leiterplatte sofort verschwinden, sobald die erste Brücke bei der AOI erkannt wird.

Die neue Basislinie

Vertrauen Sie nicht mehr auf die Standardeinstellungen Ihrer EDA-Tools. Eine globale Expansion von 4 mils ist ein Relikt aus einer Zeit, als Bauteile riesig waren.

Bei jedem Bauteil mit einem Raster von 0,5 mm oder weniger müssen Sie eingreifen:

1. Überprüfen Sie das Netz: Stellen Sie sicher, dass in Ihrem Design mindestens 3 mils (0,075 mm) Maske zwischen den Pads vorhanden sind.
2. Prüfen Sie die Expansion: Wenn die Einhaltung dieses Netzes eine Reduzierung der Expansion auf 0 oder 1 mil erfordert, tun Sie es.
3. Geben Sie LDI an: Wenn Sie die Expansion verringern, teilen Sie dem Fertiger mit, dass Sie LDI benötigen. Wenn nicht, setzen sie Sie auf Hold oder – noch schlimmer – erweitern es einfach wieder, ohne Sie zu informieren.
4. Kein Gang Relief: Erlauben Sie niemals, dass eine Reihe von Pins eine einzelne Maskenöffnung teilt, es sei denn, das Datenblatt verlangt dies ausdrücklich (was selten ist).

Die Maske ist Teil der mechanischen Baugruppe. Behandeln Sie sie mit der gleichen Präzision wie das Kupfer.