Les barrières de la résine de soudure sont la seule chose qui empêche le pontage à haute résolution

Le son le plus cher dans la fabrication électronique est le silence d'une carte qui aurait dû démarrer. Lorsque vous mettez cette carte morte sous le microscope, à la recherche d’un condensateur grillé ou d’une diode inversée, vous trouvez souvent quelque chose de beaucoup plus insultant : un pont microscopique de soudure reliant deux broches sur un connecteur à pas de 0,4mm. Un défaut de fabrication $2 a simplement mis à la poubelle une assemblage $500.

La plupart des concepteurs blâment immédiatement l’atelier d’assemblage. Ils supposent que les ouvertures du pochoir étaient trop larges ou que le profil de refusion était trop chaud. Mais généralement, l’échec était prévu depuis des mois lors de la phase de conception, lorsqu’une décision a été prise d’ignorer la réalité physique de la soudure liquide. S’il n’y a pas de barrière physique entre deux plots, la soudure essayera de fusionner. C’est une loi de la physique, et elle est strictement appliquée.

La Physique du Pont

Lorsque la pâte à souder fond dans le four de refusion, elle cesse d’être une pâte granuleuse pour devenir un liquide à haute tension de surface. Elle veut réduire sa superficie. Idéalement, elle mouille le plot et la patte du composant, formant un véritable rayon. Mais sur des composants à pas fin — tout ce qui est en dessous de 0,5mm — les plots sont dangereusement proches. Si la barrière de masque de soudure (cette fine bande d’isolation entre les plots) manque, rien n’empêche ce liquide en fusion d’atteindre son voisin.

Certains ingénieurs essaient de résoudre cela en « sous-alimentant » le joint—réduisant l’ouverture du pochoir pour déposer moins de pâte. C’est un pansement courant, souvent suggéré dans les forums lorsque quelqu’un essaie de sauver une mauvaise conception. Réduire le volume de pâte peut réduire la probabilité d’un pont, mais cela n’élimine pas le mécanisme de défaillance. Si vous avez un BGA ou QFN à 0,4mm de pas et que vous comptez uniquement sur la tension de surface pour maintenir la soudure en place, vous jouez avec le feu. Un léger désalignement, une vibration dans le four ou une variation mineure de l’activité de flux fera que la soudure coulera à travers l’écart. La seule chose qui arrête de façon fiable cette action capillaire est un mur physique : la barrière de masque de soudure.

La Géométrie du Fraisage

Le problème, c’est que vous ne pouvez pas simplement tracer une barrière et espérer qu’elle existe. Le masque de soudure est un matériau physique—habituellement un époxy à photo-impression liquide (LPI)—qui doit être imprimé, durci et développé. Comme tout matériau, il a un point de rupture. Si vous concevez une fine tranche de masque trop mince, elle n’adhérera pas à la base FR4. Elle se décollera pendant la fabrication, flottant dans le réservoir de développement ou, pire, s’écaillera plus tard pour contaminer l’assemblage.

C’est d’ici que viennent les erreurs de « Anneau Rose » ou « Anneau Violet » dans votre outil CAD. Lorsqu’un contrôle de règles de conception (DRC) signale une violation de « Fissure de masque », ce n’est pas pour vous embêter. Cela vous indique que la géométrie que vous avez demandée est physiquement impossible à réaliser avec le procédé chimique standard.

Les processus de fabrication standards nécessitent généralement une barrière de masque minimale de 4 mils (environ 0,1mm) pour garantir l’adhésion. Les ateliers « HDI » avancés pourraient réduire cela à 3 mils. Mais considérez la mathématique pour un composant à 0,4mm de pas. Si les plots font 0,25mm de large, l’écart entre eux n’est que de 0,15mm (environ 6 mils). Si vous avez besoin d’une barrière de 4 mils, et que vous devez prendre en compte l’expansion du masque (tolérance d’enregistrement) pour que le masque ne monte pas sur le plot, il n’y a plus de place. Vous avez simplement manqué d’espace physique pour l’isolation.

Ce piège géométrique devient beaucoup plus grave si vous privilégiez l’esthétique. Nous voyons des conceptions où le boîtier est ouvert, donc le designer industriel exige un masque de soudure « Noir Mat » pour avoir un aspect « premium ». Les masques noirs mats sont souvent plus mous et requièrent un traitement chimique différent de celui du vert standard. Ils retiennent la chaleur différemment et ont souvent une adhérence inférieure pour les détails fins. Un masque qui tient parfaitement dans le vert brillant standard pourrait s’écailler dans le noir mat. Nous avons vu des séries complètes de production de 5 000 unités atteindre un taux d’échec 35% simplement parce que le masque noir élégants ne pouvait pas maintenir la toile de 3 mil entre les broches du connecteur. La physique n’importe pas si votre carte a l’air cool.

Le Piège de Secours du Gang

Lorsque la géométrie devient trop serrée—par exemple, sur un BGA à 0,35mm de pas ou un empreinte QFN mal conçue—la société de fabrication vous enverra un « EQ » (Question d’Ingénierie). Ils souligneront qu’ils ne peuvent pas imprimer la barrière entre les plots. Leur solution proposée est presque toujours « Relief de Secours » (ou « Masquage en Groupe »).

La soulagement du groupe signifie qu'ils enlèvent simplement le masque entre les coussinets, créant une grande ouverture autour d'une rangée de broches. Cela satisfait la contrainte de fabrication : il n'y a pas de mince éclat de masque à décoller. Mais cela introduit un risque catastrophique d'assemblage.

Sans la digue, vous avez créé une voie express pour la brasure. Sur un boîtier QFN (Quad Flat No-lead), la brasure peut s'infiltrer le long du fond du boîtier entre les broches. Ce type de pont est insidieux car il se cache souvent sous le corps du composant, invisible lors d'une inspection optique automatique (AOI). Vous ne le détecterez peut-être qu'une fois que la carte échoue au test fonctionnel, ou pire, lorsque l'inspection aux rayons X révèle le court-circuit.

Il y a aussi un coût de fiabilité à long terme. Le masque de brasure ne stoppe pas seulement les ponts ; il isole le cuivre. Si vous soulagez un connecteur à haute densité, vous laissez du FR4 nu exposé entre les broches alimentées. En environnement à haute humidité, ou si le dispositif n'est pas parfaitement nettoyé des résidus de flux, cet intervalle devient un terrain propice à la croissance dendritique. Nous avons vu des rappels médicaux déclenchés non pas par une défaillance immédiate, mais par la croissance de dendrites à travers l'espace souligné après six mois sur le terrain. La digue est un isolant ; la retirer constitue une concession à la défaillance.

La fiction de la “Capacité Standard”

Alors pourquoi les fabricants poussent-ils pour un soulagement de groupe ? Parce que cela protège leur rendement, pas le vôtre. S'ils essaient d'imprimer une digue de 2,5 mils et qu'elle se décolle, ils doivent mettre au rebut la carte nue. S'ils la soulageaient en groupe, la carte nue passerait parfaitement leur test électrique (car les coussinets ne sont pas reliés). pourtant). Le pont se forme chez votre fabricant d'assemblage, ce qui n'est plus le problème du fabricant du circuit nu.

Vous devez comprendre que les fiches techniques des fabricants sont souvent de la fiction marketing. Lorsqu'un fabricant offshore avec un budget limite liste “digue de masque de 3 mils” comme une capacité, c'est leur chiffre “échantillon d'or” — ce qu'ils peuvent obtenir avec une machine parfaitement calibrée, une chimie fraîche, et un bon jour. Ce n'est pas leur capacité de processus Cpk > 1.33. Si vous envoyez un design avec des digues de 3 mils à un service de pool “Standard”, ils retireront souvent silencieusement les digues via un script CAM s'ils pensent ne pas pouvoir les maintenir. Vous ne le saurez pas jusqu'à ce que les cartes arrivent et que les digues soient absentes.

La solution implique souvent de l'argent. Les processus LPI standard utilisent un art graphique en film et une lumière UV, qui ont des limites d'alignement et de diffraction. Pour tenir de manière fiable une mince lame sur une pièce à pas de 0,4 mm, vous avez souvent besoin de LDI (Imagerie Directe Laser). LDI évite le film et utilise un laser pour durcir directement le masque sur la carte. C'est beaucoup plus précis et peut maintenir des digues plus serrées. Cela coûte aussi plus cher. Lorsque vous argumentez avec un responsable achats qui veut déplacer la carte vers un fournisseur moins cher pour économiser $0,40 par unité, vous devez calculer le coût du rebut. Économiser $200 en fabrication de PCB est une victoire creuse si vous perdez $4 000 en silicium et temps de technicien à re-travailler des ponts sur les 100 premières cartes.

Stratégie de Conception Défensive

Le paramètre le plus dangereux dans votre outil de CAO est la règle globale d’“Expansion du Masque”. Les jeunes ingénieurs la règlent souvent à 4 mils “sûrs” globalement. Sur une résistance de 0805, c'est correct. Sur un composant à pas de 0,4 mm, cette règle globale superposera les ouvertures du masque et supprimera vos digues sans même que vous vous en rendiez compte.

Vous devez utiliser des règles locales. Les composants à haute densité nécessitent leurs propres réglages spécifiques d'expansion du masque, souvent resserrés à 2 mils ou même 1:1 (zéro expansion) si la capacité de la fab le permet. Vous devez forcer la géométrie pour permettre une digue de 3 ou 4 mils.

Mais la défense ultime se produit après la finalisation du design. Lorsque vous générez vos Gerbers, ne faites pas confiance au visualiseur 3D. Ouvrez le fichier brut GTS (Masque de Solder Top). Zoomez sur votre composant le plus serré. Mesurez l’écart physique entre les ouvertures du masque. Si ce chiffre est inférieur à 3 mils (environ 0,075 mm), vous êtes dans la zone dangereuse.

Si vous voyez cette zone dangereuse, vous avez deux choix : passer à une fab avec des capacités LDI vérifiées qui peut maintenir cette minceur, ou changer l'empreinte du composant. Ne laissez pas la fab supprimer la digue. Ne la laissez pas vous convaincre du soulagement en groupe sur un connecteur, à moins que vous ne soyez prêt à accepter la perte de rendement. Si la fab dit “nous ne pouvons pas imprimer cela”, croyez-les. Mais ne leur laissez pas la corriger en supprimant la protection. Déplacez le design, ou changez la fab. Pas de digue, pas de fabrication.