RF-Abschirmungen und das Argument gegen gezogene Via's

Der Reflow-Ofen durchläuft sein thermisches Profil, die Platinen kommen aus der Dampffase hervor und die RF-Schutzschilde sitzen sauber gelötet auf ihren Pads. Das Gehäuse sieht makellos aus. Drei Wochen im Funktionstest treten jedoch intermittent Fehler auf. Wenn Sie den Schutz entfernen, ist der Beweis unmissverständlich: Kleine Lötperlen, die über die Platine verteilt sind, Feuchtigkeitsflecken, die von Vias ausstrahlen, und im schlimmsten Fall Lötbrücken, die Leiterbahnen kurzschließen.

Die Ursache? Eine Designentscheidung, die als konservativ erschien, eine Standardpraxis, die aus dem generellen PCB-Design übernommen wurde, ohne die einzigartige Umgebung unter einem Schutzschild zu berücksichtigen. Diese Entscheidung war via Tenting.

Während das Tenting von Vias in vielen Kontexten Sinn macht, verwandelt der geschlossene Raum unter einem RF-Schild den Reflow-Prozess in ein Druckbehälter-Experiment. Eingeschlossene Feuchtigkeit, flüchtige Substanzen in der Lötmaske und die Zerfallsprodukte von Epoxidharz suchen alle Fluchtwege, wenn die Temperaturen ansteigen. Mit einem metallenen Gehäuse, das an die Platine versiegelt ist, sind diese Wege nur wenige. Die Konsequenzen zeigen sich als Ausgasungsschäden, Lötperlenfehler und beeinträchtete Zuverlässigkeit. Wir argumentieren, dass das Tenting von Vias insgesamt unter und unmittelbar neben RF-Schutzschildern vermieden werden sollte. Das Argument dagegen basiert auf der Physik des Reflows und dem Materialverhalten der Lötmaske unter thermischer Belastung.

Der häufige Umgang Verstecken einer Reflow-Bombe

Via Tenting, bei dem die Lötmaske über dem Via-Loch aufgebracht wird, soll das Via von oben versiegeln. Dies verhindert, dass Lötpaste beim Reflow nach unten wandert - ein völlig rationaler Ansatz für viele Designs. Diese Praxis ist in IPC-Standards gut dokumentiert und war jahrzehntelang eine zuverlässige Wahl. In den meisten Anwendungen funktioniert sie ohne Zwischenfälle.

RF-Schutzschilde durchbrechen dieses Modell. Ein Schutzschild ist ein Metallgehäuse, das an die Platine gelötet ist, um eine elektromagnetische Barriere zu schaffen. Während des Reflows wird dieses Gehäuse zu einer halbversiegelten Kammer, die das Innere vom Atmosphären des Ofens isoliert. Entstandene Gase im Inneren sind eingeschlossen. Das ist grundlegend anders als die offene Umgebung, in der die meisten Komponenten leben.

Die Falle wird durch die Wechselwirkung zwischen diesem eingeschlossenen Raum und den Materialien der Platine gestellt. Die Lötmaske, ein epoxidbasierter Polymer, absorbiert Feuchtigkeit aus der Luft. Beim Erhitzen über den Glasübergangspunkt dehnen sich die eingeschlossenen flüchtigen Substanzen aus und suchen einen Weg zur Freilassung. Auf einer offenen Platine entweichen sie einfach in den Ofen. Unter einem Schutzschild sind sie eingesperrt. Das Tenting der Vias, das eine versiegelte Barriere sein soll, wird nun zu einem Schwachpunkt. Der Film aus Lötmaskenmaterial über einem Via ist dünner als die umgebende Maske, und wenn der Druck durch Ausgasung steigt, kann dieser dünne Film reißen oder Blasen schlagen. Was entsteht, ist keine saubere Freisetzung von Dampf, sondern ein lokaler Defekt, der durch geschmolzenes Lötzeug peitscht.

Was passiert unter dem Schild

Der Reflow-Prozess für bleifreien Lötzinn erreicht typischerweise einen Höhepunkt bei etwa 250°C, deutlich über der Glasübergangstemperatur von 120-150°C der meisten Lötmasken. Während sich die Leiterplatte erwärmt, wechselt die Epoxidharz-Lackierung der Maske von einem glasartigen, starren Zustand zu einem weicheren, gummiartigen Zustand. Dies ermöglicht es absorbierter Feuchtigkeit zu vaporisieren und zu migrieren, wodurch innere Druckgradienten entstehen, die ihren Schwachpunkt finden: die dünne Maske über einem Via.

Der Ausgasungsmechanismus

Ausgasungen sind die gewaltsame Freisetzung von eingeschlossenen Gasen aus einem Material unter Hitze. Während der 30 bis 90 Sekunden des Spitzen-Reflows muss der dünne Film der Lötmaske über einem Via—oft nur 15-25 Mikrometer dick—diesen Druck enthalten. Wenn der Film reißt, entweicht das Gas schnell in eine Umgebung, in der Lötpaste vollständig geschmolzen ist.

Dieser Gasstrahl und Epoxidzerfallsprodukte erzeugen Turbulenzen, die winzige Löttröpfchen von ihren Pads wegtreiben. Diese Lötperlen verteilen sich im Inneren des Schutzschilds und schaffen ein Minenfeld potentieller Fehler.

Wie Lötperlen entstehen und warum sie wichtig sind

Lötperlen sind kleine Kugeln aus Legierung, die sich bilden, wenn flüssiges Lot verdrängt wird und in Isolation aushärtet. Der Gasstrahl eines geplatzen Via schleudert diese Tropfen, die aufgrund der Oberflächenspannung natürlich Kugeln bilden. Während die Leiterplatte abkühlt, verhärten sie sich überall dort, wo sie landen.

Das elektrische Risiko ist einfach. Eine leitfähige Kugel kann zwei Leitungen überbrücken und einen Kurzschluss verursachen. Auch wenn sie keinen unmittelbaren Fehler verursacht, ist eine lockere Lötzinnkugel eine Zuverlässigkeitszeitbombe; Vibrationen oder thermisches Cycling können sie lösen und später im Produktlebenszyklus einen Kurzschluss verursachen. Für Hochzuverlässigkeitsanwendungen im Automobil-, Medizin- oder Luft- und Raumfahrtbereich ist die bloße Anwesenheit von Lötzinnkugeln ein Ablehnungsgrund.

Das mechanische Risiko ist subtiler. Lötzinnkugeln, die unter einem Shield eingeschlossen sind, können verhindern, dass es bündig auf der Leiterplatte sitzt, was die Abschirmwirkung verschlechtert. In extremen Fällen kann eine Kugel zwischen Shield und Bauteil mechanischen Stress erzeugen, was zu Rissbildung im Bauteil oder Ermüdung der Lötstellen führt. Das Nacharbeiten einer Leiterplatte, um ein Shield zu entfernen, ist zeitaufwendig und teuer, häufig ist ein vollständiger Reflow-Zyklus erforderlich, wobei das Risiko besteht, die Leiterplatte und das Shield selbst zu beschädigen.

Durch Behandlungen, die den Reflow überleben

Die Lösung besteht darin, die dünne Lötstoppmaske über das Via zu eliminieren und einen kontrollierten Weg für eventuelles Entgasen zu schaffen. Für Vias unter RF-Schirmen gibt es drei Hauptalternativen.

Offene Vias: Die einfachste Wahl ist, die Vias offen zu lassen, ohne Lötstoppmaske über der Öffnung. Dadurch entsteht ein klarer Entlüftungspfad für Feuchtigkeit oder flüchtige Substanzen im Laminat, was einen Druckaufbau verhindert. Das Hauptproblem bei offenen Vias – Kapillarwirkung von Lötzinn in die Barrel – ist unter Schirmen selten ein Problem, da die Montageschienen des Shields groß sind und nicht typischerweise in der Nähe von fein-pitch-Komponenten liegen. Dies ist die kostengünstigste und direkteste Lösung.

Gefüllte Vias: Hier wird das Via mit einem nicht-leitenden Epoxid ausgefüllt, dann planparallel gemacht und übergezogen. Das eliminiert den Hohlraum, der Feuchtigkeit einschließen kann, und verhindert effektiv das Entgasen aus dem Via. Gefüllte Vias sind deutlich teurer und werden meist für Via-in-Pad-Designs reserviert, bei denen eine Komponente direkt über dem Via sitzen muss. Obwohl effektiv, ist dies oft overkill für den Bereich unter einem Shield.

Vergitterte Vias: Eine Zwischenlösung ist eine vergitterte Via, die mit einer Lötstoppmaske oder Harz gefüllt ist und direkt unter der Oberfläche sitzt. Das Gitter verhindert Kapillarwirkung, schafft aber keine hermetische Abdichtung. Obwohl weniger teuer als vollständig gefüllte Vias, bieten sie in diesem speziellen Anwendungsfall nur begrenzte Vorteile gegenüber offenen Vias, da das primäre Ziel die Entlüftung und nicht die Abdichtung ist.

Ein verwandter und kostengünstigerer Ansatz ist via-near-pad. Durch das Platzieren offener Vias direkt außerhalb der Shield-Montagepads – wobei ein Abstand von mindestens 0.2 mm vom Lotpaste-Deposit eingehalten wird – wird die notwendige elektrische Verbindung ohne Risiko des Kapillarwirkens oder der Füllkosten hergestellt.

Design für Nacharbeit

Das Vermeiden von abgedeckten Vias ist der erste Schritt. Der nächste besteht darin, das Design so zu gestalten, dass Abschirmungen oft für Debugging, Reparaturen oder Upgrades entfernt werden müssen.

Lötlöchöffnungen rund um den Shield-Rand sollten so bemessen sein, dass sie den Zugriff für Nacharbeitswerkzeuge ermöglichen. Eine gängige Praxis ist es, eine Öffnung zu definieren, die 0,1 bis 0,15 mm über die Shield-Pad hinausgeht. Dies bietet eine visuelle Orientierung und stellt sicher, dass die gesamte Lötverbindung zugänglich ist. Ist die Öffnung zu eng, wirkt die Maske als Wärmesenke, was die Nacharbeit erschwert; ist sie zu groß, sind benachbarte Leiterbahnen potenziell beschädigt.

Ausgehend davon, dass der Shield entfernt wird, entwerfen Sie die Befestigungspads mit genug thermischer Masse und Lötstoppmaske-Abstand, um mehrere Nacharbeitszyklen ohne Abheben zu überleben. Das bedeutet, Pads zu verwenden, die größer sind als das Minimum für die Befestigung, und das richtige Nacharbeitsverfahren zu dokumentieren, einschließlich Werkzeugtemperatur und Dwell-Zeit.

Testpunktstrategie, wenn Schilde den Zugang blockieren

Ein RF-Schutz ist eine Wand, die den direkten Zugang zum Signal mit dem Messgerät blockiert. Kritische Testpunkte müssen während der Designphase außerhalb des Shield-Perimeters verlegt werden.

Für Strom- und Masseleitungen ist das einfach, da man an anderen Stellen auf der Leiterplatte darauf zugreifen kann. Für empfindliche RF- oder Hochgeschwindigkeitssignale ist die Lösung oft eine kleine, AC-gekoppelte Messpad, das sich direkt außerhalb der Shield-Wand befindet. Dies ermöglicht Tests, ohne die Schirmung zu beeinträchtigen, wobei die kleine parasitäre Kapazität im Design berücksichtigt werden muss.

Unterscheiden Sie zwischen via stitching und Testvías. Die dichten Arrays kleiner Vias unter einem Shield dienen der Erdung, nicht dem Testen. Wenn Sie eine Erdungsverbindung messen müssen, fügen Sie ein dediziertes, größer dimensioniertes Testvia in der Nähe des Perimeters hinzu, das deutlich auf dem Siebdruck gekennzeichnet ist.

Ein bestehendes Design korrigieren

Wenn Sie bereits Gasaustragungsprobleme bei einer Leiterplatte haben, die mit gezogenen Vias gestaltet wurde, sind Ihre Optionen begrenzt. Der beste Weg ist eine Gerber-Level-Revision, bei der der Hersteller gebeten wird, die Lötstoppmaske über den Vias im betroffenen Bereich zu entfernen. Wenn die Leiterplatten bereits hergestellt wurden, kann das Vorbaken bei 120°C für mehrere Stunden vor der Montage die Feuchtigkeit austreiben und die Schwere des Gasaustritts verringern. Allerdings ist keine dieser Prozessanpassungen ein Ersatz für eine korrekte Gestaltung der Leiterplatte von Anfang an.