सोल्डर मास्क डैम्स ही फाइन-पिच ब्रिजिंग को रोकने वाली एकमात्र बात हैं

इलेक्ट्रॉनिक्स निर्माण में सबसे महंगा ध्वनि वह है जो बोर्ड बूट होने के बाद भी शांत रहता है। जब आप उस मृत बोर्ड को माइक्रोस्कोप के नीचे रखते हैं, तो आप अक्सर कुछ बहुत ही अपमानजनक पाते हैं: एक सूक्ष्म सोल्डर का पुल जो 0.4mm पिच कनेक्टर पर दो पिनों को जोड़ रहा है। एक $2 निर्माण दोष ने बस एक $500 असेंबली को रद्द कर दिया।

अधिकांश डिज़ाइनर तुरंत असेंबली हाउस को दोष देते हैं। वे मानते हैं कि स्टेंसिल के छिद्र बहुत चौड़े थे या रिफ्लो प्रोफ़ाइल बहुत गर्म थी। लेकिन आमतौर पर, विफलता महीनों पहले लेआउट चरण में ही बेक हो चुकी थी, जब तरल सोल्डर की भौतिक वास्तविकता को अनदेखा करने का निर्णय लिया गया था। यदि दो पैडों के बीच कोई भौतिक बाधा नहीं है, तो सोल्डर मिलाने की कोशिश करेगा। यह भौतिकी का नियम है, और कड़ाई से लागू होता है।

पुल का भौतिकी

जब सोल्डर पेस्ट रिफ्लो ओवन में पिघलता है, तो यह एक खुरदरे पेस्ट से तरल में बदल जाता है जिसमें उच्च सतह तनाव होता है। यह अपनी सतह क्षेत्र को कम करना चाहता है। आदर्श रूप से, यह पैड और घटक के लीड से भीगता है, एक उचित फिले बनाता है। लेकिन फाइन-पिच घटकों—कोई भी 0.5mm पिच से नीचे—पर, पैड खतरनाक रूप से करीब होते हैं। यदि सोल्डर मास्क डैम (पैड के बीच की पतली इन्सुलेशन पट्टी) गायब है, तो कुछ भी उस पिघले हुए तरल को अपने पड़ोसी तक पहुंचने से नहीं रोकता।

कुछ इंजीनियर इसे “स्टार्विंग” जॉइंट से हल करने की कोशिश करते हैं—स्टेंसिल के छिद्र को कम करके कम सोल्डर डालना। यह एक सामान्य पट्टी है, अक्सर फोरम में सुझाई जाती है जब कोई खराब लेआउट बचाने की कोशिश कर रहा हो। जबकि सोल्डर मात्रा को कम करने से पुल की संभावना कम हो सकती है, यह विफलता के तंत्र को समाप्त नहीं करता। यदि आपके पास 0.4mm पिच का BGA या QFN है और आप केवल सतह तनाव पर निर्भर हैं कि सोल्डर जगह पर रहे, तो आप जुआ खेल रहे हैं। एक मामूली असमानता, ओवन में कंपन, या फ्लक्स गतिविधि में मामूली भिन्नता सोल्डर को गैप के पार खींच लेगी। इस कैपिलरी क्रिया को भरोसेमंद रूप से रोकने वाली एकमात्र चीज़ एक भौतिक दीवार है: सोल्डर मास्क डैम।

स्लिवर का ज्यामिति

समस्या यह है कि आप केवल एक डैम खींच सकते हैं और उम्मीद कर सकते हैं कि यह मौजूद रहेगा। सोल्डर मास्क एक भौतिक सामग्री है—आम तौर पर एक लिक्विड फोटोइमेजेबल (LPI) एपॉक्सी—जिसे प्रिंट, क्योर, और डेवलप करना पड़ता है। किसी भी सामग्री की तरह, इसकी भी एक सीमा होती है। यदि आप एक बहुत पतली मास्क स्लिवर डिज़ाइन करते हैं, तो यह FR4 सब्सट्रेट से चिपक नहीं पाएगा। यह निर्माण के दौरान छील जाएगा, डेवलपर टैंक में तैरता रहेगा या, और भी बुरा, बाद में फट जाएगा और असेंबली को प्रदूषित करेगा।

यहां से ही आपके CAD टूल में “पिंक रिंग” या “पर्पल रिंग” त्रुटियां आती हैं। जब आपका DRC (डिज़ाइन नियम जांच) “मास्क स्लिवर” उल्लंघन को चिह्नित करता है, तो इसका मतलब यह नहीं है कि यह आपको परेशान करने की कोशिश कर रहा है। यह आपको बता रहा है कि आपकी अनुरोधित ज्यामिति भौतिक रूप से मानक रासायनिक प्रक्रिया से बनाना असंभव है।

मानक निर्माण प्रक्रियाओं में आमतौर पर 4 मिल्स (लगभग 0.1mm) का न्यूनतम मास्क डैम आवश्यक होता है ताकि चिपकने की गारंटी दी जा सके। उन्नत “HDI” शॉप्स इसे 3 मिल्स तक कम कर सकते हैं। लेकिन 0.4mm पिच घटक के लिए गणना देखें। यदि पैड 0.25mm चौड़े हैं, तो उनके बीच का गैप केवल 0.15mm (लगभग 6 मिल्स) है। यदि आपको 4 मिल का डैम चाहिए, और आपको मास्क के विस्तार (रजिस्ट्रेशन टोलरेंस) का ध्यान रखना है ताकि मास्क पैड पर न चढ़े, तो आपके पास जगह नहीं है। आपने बस भौतिक स्थान समाप्त कर दिया है।

यदि आप सौंदर्यशास्त्र को प्राथमिकता देते हैं, तो यह ज्यामिति जाल और भी खराब हो सकता है। हम ऐसे डिज़ाइनों को देखते हैं जहां एनक्लोजर खुला है, इसलिए औद्योगिक डिज़ाइनर “मेट ब्लैक” सोल्डर मास्क की मांग करता है ताकि यह “प्रिमियम” दिखे। मेट ब्लैक मास्क अक्सर नरम होते हैं और मानक हरे रंग की तुलना में अलग रासायनिक प्रक्रिया की आवश्यकता होती है। वे गर्मी को अलग तरह से पकड़ते हैं और अक्सर फाइन फीचर्स के लिए खराब चिपकने वाले होते हैं। एक डैम जो मानक हरे ग्लॉस में पूरी तरह से रहता है, वह मेट ब्लैक में फट सकता है। हमने पूरे 5,000 यूनिट की उत्पादन श्रृंखला को 35% विफलता दर का सामना करते देखा है, बस इसलिए कि कूल दिखने वाला काला मास्क कनेक्टर पिनों के बीच 3-मिल वेब को पकड़ नहीं पाया। भौतिकी को परवाह नहीं है कि आपका बोर्ड अच्छा दिखता है।

गैंग राहत जाल

जब ज्यामिति बहुत तंग हो जाती है—मान लीजिए, 0.35mm पिच BGA या खराब डिज़ाइन किए गए QFN फुटप्रिंट पर—निर्माण हाउस आपको “EQ” (इंजीनियरिंग प्रश्न) भेजेगा। वे बताएंगे कि वे पैड के बीच डैम प्रिंट नहीं कर सकते। उनका प्रस्तावित समाधान लगभग हमेशा “गैंग राहत” (या “गैंग मास्किंग”) होता है।

गैंग राहत का मतलब है कि वे पूरी तरह से पैड के बीच का मास्क हटा देते हैं, जिससे पिन की कतार के चारों ओर एक बड़ा खिड़की का उद्घाटन बनता है। यह निर्माण प्रतिबंध को पूरा करता है: कोई पतली स्लिवर मास्क नहीं है जिसे छीलना हो। लेकिन यह एक विनाशकारी असेंबली जोखिम को जन्म देता है।

बांध के बिना, आपने सोल्डर के लिए एक हाइवे बना दिया है। एक QFN (क्वाड फ्लैट नो-लीड) पैकेज पर, सोल्डर नीचे के भाग में पिनों के बीच वीक हो सकता है। इस प्रकार का पुल खतरनाक है क्योंकि यह अक्सर घटक के शरीर के नीचे छुपा रहता है, जो मानक AOI (स्वचालित ऑप्टिकल निरीक्षण) से अदृश्य होता है। आप इसे तभी पाएंगे जब बोर्ड कार्यात्मक परीक्षण में विफल हो, या उससे भी बदतर, जब एक्स-रे निरीक्षण शॉर्ट का पता लगाए।

यहां एक दीर्घकालिक विश्वसनीयता लागत भी है। सोल्डर मास्क पुलों को नहीं रोकता, बल्कि तांबे को इन्सुलेट करता है। यदि आप एक फाइन-पिच कनेक्टर को गैंग रिलीव करते हैं, तो आप ऊर्जा से भरपूर पिनों के बीच बिना आवरण के FR4 छोड़ देते हैं। उच्च आर्द्रता वाले वातावरण में, या यदि डिवाइस को फ्यूक्स अवशेषों से पूरी तरह साफ नहीं किया गया है, तो वह गैप डेंड्राइट विकास के लिए एक प्रजनन स्थल बन जाता है। हमने देखा है कि चिकित्सा रिकॉल तुरंत विफलता से नहीं, बल्कि छह महीने के बाद फील्ड में डेंड्राइट के बढ़ने से ट्रिगर होते हैं। बांध एक इन्सुलेटर है; इसे हटाना विफलता के लिए एक समझौता है।

“मानक क्षमता” कल्पना

तो फेब हाउस गैंग रिलीफ के लिए क्यों धकेलते हैं? क्योंकि यह उनके उत्पादन को सुरक्षित करता है, आपका नहीं। यदि वे 2.5 मिल डैम प्रिंट करने की कोशिश करते हैं और वह छील जाता है, तो उन्हें बिना कवर वाली बोर्ड को रद्द करना पड़ता है। यदि वे इसे गैंग रिलीव करते हैं, तो बिना कवर वाली बोर्ड उनकी विद्युत परीक्षा को पूरी तरह पास कर लेता है (क्योंकि पैड ब्रिज नहीं हैं)। फिर भी). पुल आपके असेंबली हाउस पर होता है, जो अब बोरड की फेब की समस्या नहीं है।

आपको समझना चाहिए कि फेब डेटा शीट अक्सर मार्केटिंग कल्पना होती हैं। जब एक बजट ऑफशोर फेब “3 मिल मास्क डैम” को एक क्षमता के रूप में सूचीबद्ध करता है, तो वह उनका “गोल्डन सैंपल” नंबर है—जो वे एक पूरी तरह से कैलिब्रेट मशीन पर, ताजा रसायनों के साथ, अच्छे दिन पर प्राप्त कर सकते हैं। यह उनके Cpk > 1.33 प्रक्रिया क्षमता नहीं है। यदि आप 3 मिल डैम के साथ एक डिज़ाइन भेजते हैं तो एक “मानक” पूल सेवा, तो यदि उन्हें लगता है कि वे उन्हें नहीं रख सकते, तो वे चुपचाप CAM स्क्रिप्ट के माध्यम से डैम हटा देंगे। आपको तब तक पता नहीं चलेगा जब तक बोर्ड नहीं आते और डैम गायब नहीं हो जाते।

समाधान अक्सर पैसे से जुड़ा होता है। मानक LPI प्रक्रियाएं फिल्म आर्टवर्क और यूवी लाइट का उपयोग करती हैं, जिनकी संरेखण और विवर्तन सीमा होती है। 0.4 मिमी पिच भाग पर स्लिवर को विश्वसनीय रूप से पकड़ने के लिए, आपको अक्सर LDI (लेजर डायरेक्ट इमेजिंग) की आवश्यकता होती है। LDI फिल्म को छोड़ देता है और सीधे बोर्ड पर मास्क को ठीक करने के लिए लेजर का उपयोग करता है। यह कहीं अधिक सटीक है और टाइटर डैम्स को पकड़ सकता है। इसका खर्च भी अधिक है। जब आप एक खरीद प्रबंधक के साथ बहस कर रहे होते हैं जो बोर्ड को सस्ते विक्रेता पर ले जाना चाहता है ताकि $0.40 प्रति यूनिट बचाया जा सके, तो आपको स्क्रैप की लागत की गणना करनी चाहिए। पीसीबी निर्माण पर $200 की बचत एक खोखली जीत है यदि आप पहले 100 बोर्डों पर पुलों को फिर से बनाने में $4,000 का सिलिकॉन और तकनीशियन समय गंवाते हैं।

रक्षात्मक डिज़ाइन रणनीति

आपके CAD टूल में सबसे खतरनाक सेटिंग है वैश्विक “मास्क विस्तार” नियम। जूनियर इंजीनियर अक्सर इसे एक “सुरक्षित” 4 मिल्स पर सेट करते हैं। एक बड़े 0805 रेसिस्टर पर, यह ठीक है। 0.4 मिमी पिच वाले घटक पर, यह वैश्विक नियम मास्क उद्घाटन को ओवरलैप कर देगा और आपके डैम्स को बिना आपकी जानकारी के हटा देगा।

आपको स्थानीय नियमों का उपयोग करना चाहिए। फाइन-पिच घटकों को उनके अपने विशिष्ट मास्क विस्तार सेटिंग्स की आवश्यकता होती है, अक्सर 2 मिल्स या यहां तक कि 1:1 (शून्य विस्तार) तक कड़ा किया जाता है यदि फेब क्षमता इसकी अनुमति देती है। आपको जियोमेट्री को मजबूर करना होगा ताकि 3 या 4 मिल डैम की अनुमति मिल सके।

लेकिन अंतिम रक्षा तब होती है जब डिज़ाइन पूरा हो जाता है। जब आप अपने जेरबर्स बनाते हैं, तो 3D व्यूअर पर भरोसा न करें। कच्ची GTS (टॉप सोल्डर मास्क) फ़ाइल खोलें। अपने सबसे टाइट घटक पर ज़ूम इन करें। मास्क उद्घाटन के बीच भौतिक गैप को मापें। यदि वह संख्या 3 मिल्स (लगभग 0.075 मिमी) से कम है, तो आप खतरे के क्षेत्र में हैं।

यदि आप उस खतरे के क्षेत्र को देखते हैं, तो आपके पास दो विकल्प हैं: एक ऐसी फेब पर स्विच करें जिसमें सत्यापित LDI क्षमताएं हैं और जो उस स्लिवर को पकड़ सकता है, या घटक का फुटप्रिंट बदलें। फेब को डैम को हटाने न दें। उन्हें गैंग रिलीफ पर बात करने न दें जब तक कि आप उत्पादन हानि स्वीकार करने को तैयार न हों। यदि फेब कहता है “हम इसे प्रिंट नहीं कर सकते,” तो उन पर विश्वास करें। लेकिन उन्हें इसे सुरक्षा हटाकर ठीक करने न दें। डिज़ाइन को स्थानांतरित करें, या फेब को। बिना डैम के, कोई निर्माण नहीं।