Perluasan Masker Solder: Pembunuh Hasil Tak Terlihat

Bau dari keputusan solder mask yang buruk sangat khas. Bau itu seperti flux terbakar, poliimid panas, dan sore Sabtu yang dihabiskan membungkuk di depan mikroskop Mantis dengan solder di tangan. Ketika Anda melihat QFN-32 di bawah pembesaran 10x dan melihat setiap pin terhubung ke tetangganya, Anda tidak memikirkan routing elegan atau simulasi integritas sinyal. Anda sedang melihat kegagalan fisik dari penahanan. Pasta solder, setelah dipanaskan di oven reflow, tidak punya tempat untuk berhenti. Ia melorot, meresap, dan menyatu karena bendungan mekanis yang seharusnya memisahkan pad 1 dari pad 2 ternyata tidak ada.

Jangan salahkan soldering iron, dan berhenti menyalahkan stencil. Ini adalah masalah data yang menjadi mimpi buruk fisik. Penyebab utamanya ada pada pengaturan CAD, yang sering dibiarkan pada default "aman" sebesar 4 mil ekspansi, yang diam-diam menghapus jaring solder mask antara pad pitch halus. Fisika tidak peduli dengan render Anda. Jika bendungan hilang, solder akan menjembatani.

Mengapa The Fab House Ingin Menghancurkan Perakitan Anda

Pabrik papan kosong Anda dan perakit Anda memiliki konflik kepentingan yang mendasar. Rumah fabrikasi takut akan "penyusupan." Jika mereka mencetak lapisan masker hijau sedikit meleset (realitas pasti dari proses film basah) dan masker itu menempel di atas pad tembaga, Anda akan menolak papan karena solderabilitas yang buruk. Untuk melindungi diri dari biaya scrap, mereka menuntut buffer keamanan. Mereka ingin Anda memperbesar bukaan masker sehingga meskipun penyelarasan mereka bergeser 2 atau 3 mil, bukaan masih melewati pad.

Margin keamanan ini menghemat uang mereka, tetapi mengorbankan keandalan Anda. Ketika Anda menerapkan aturan ekspansi global—misalnya, standar industri 4 mil (0,1mm)—pada komponen pitch 0,5mm, Anda secara matematis menghilangkan jembatan antara pad. Anda menukar cacat kosmetik potensial (masker pada pad) dengan cacat fungsional yang dijamin (jembatan solder).

Jika Anda berurusan dengan toko fabrikasi anggaran, Anda sering akan menerima email "Engineering Query" atau "On Hold" yang ditakuti. Mereka akan menandai footprint pitch halus Anda dan mengklaim "iris" masker antara pad terlalu tipis untuk dicetak dengan andal. Mereka tidak berbohong; proses mereka mungkin tidak dapat mempertahankan jaring 3 mil tanpa mengelupas. Tetapi jika Anda membiarkan mereka "memperbaikinya" dengan menghapus jaring sepenuhnya, Anda memberi wewenang kepada mereka untuk menciptakan danau tembaga terbuka di mana seharusnya ada pulau-pulau terpisah. Mereka memprioritaskan hasil produksi mereka di atas milik Anda.

Mekanika Bendungan

Fungsi solder mask lebih mirip bendungan hidrolik daripada cat. Tugas utamanya di oven reflow adalah memecah tegangan permukaan solder cair. Ketika pasta meleleh, ia ingin meminimalkan luas permukaannya. Jika sepotong bahan masker berada di antara dua pad, solder akan menggumpal di pad masing-masing, tertahan oleh dinding masker. Ini adalah efek "gasket". Masker menyediakan dinding vertikal untuk stencil bertumpu, dan penghalang horizontal yang tidak dapat dibasahi solder.

Ketika Anda menghilangkan bendungan itu—baik melalui pengaturan ekspansi agresif atau rumah fabrikasi yang melakukan "gang relief"—Anda kehilangan penahanan. Ruang antara pad menjadi laminasi FR4 kosong. Solder cair dengan mudah meresap melintasi celah itu, terutama jika bukaan stencil dirancang dengan asumsi segel gasket. Tanpa ketinggian masker untuk menghalangi, solder melorot.

Ini sering menjadi titik panik untuk komponen BGA. Anda mungkin melihat short di bawah sinar-X dan mengira volume pasta terlalu tinggi atau profil terlalu panas. Lihat papan kosong terlebih dahulu. Jika bukaan masker untuk pad BGA sangat besar sehingga saling menyentuh, Anda telah menciptakan jalur resistansi terendah bagi bola solder untuk menyatu dengan tetangganya. Pad Non-Solder Mask Defined (NSMD) adalah standar untuk BGA guna meningkatkan keandalan, tetapi jika ekspansi terlalu agresif, "parit" di sekitar pad menjadi saluran untuk jembatan.

Jerat Bantuan Gang

Versi paling berbahaya dari masalah ini menyerang QFN dan konektor pitch halus. Perancang, lelah melawan kesalahan DRC (Design Rule Check) tentang "iris solder mask minimum," sering mengambil jalan termudah: Gang Relief. Ini melibatkan menggambar satu persegi panjang besar bukaan masker di atas seluruh baris pin.

Ini terlihat bersih di penampil Gerber. Langsung lolos pemeriksaan rumah fabrikasi karena tidak ada iris halus yang harus dicetak. Tapi di lini perakitan, ini bencana. Saya pernah melihat baki silikon mahal—QFP-100 pada prototipe perangkat medis—dibuang karena ini. Ketika Anda melakukan gang relief pada baris pin pitch 0,5mm, Anda meminta tegangan permukaan solder menjadi satu-satunya yang menjaga sambungan tetap terpisah. Jarang berhasil. Solder menarik bersama, dan Anda berakhir dengan satu batang paduan yang short pada sepuluh pin.

Perbaikan manual pada ini sangat berat. Anda harus menyedot semua solder, membersihkan area dengan alkohol, dan mencoba menyolder sambungan baru tanpa bendungan masker sebagai panduan. Ini mengubah perakitan papan $5 menjadi proyek perbaikan $50.

Ambang Batas LDI

Anda tidak bisa terus memperkecil web; pada akhirnya, material secara fisik akan gagal. Solusi sebenarnya adalah membayar untuk presisi. Proses foto-imageable tradisional membutuhkan faktor kelonggaran itu. Laser Direct Imaging (LDI) mengubah perhitungannya. LDI tidak menggunakan film. Ia menggunakan laser untuk menyembuhkan masker langsung di papan, merujuk pada fiducial papan itu sendiri untuk penyelarasan.

Dengan LDI, Anda tidak perlu ekspansi 3 atau 4 mil. Anda bisa menjalankan masker 1:1 (ekspansi nol) atau ekspansi 1 mil yang sangat ketat. Ini memungkinkan Anda mempertahankan dam 3 mil yang kuat bahkan pada bagian dengan pitch 0,4mm. Ya, LDI lebih mahal. Ini adalah proses premium. Tetapi timbanglah biaya itu dengan biaya pengerjaan ulang. Jika Anda membuat gadget konsumen dengan pasif 0805 dan chip SOIC, hemat uang Anda dan gunakan proses yang longgar. Tetapi jika Anda menempatkan QFN pitch 0,4mm atau BGA 0,5mm, "penghematan" pada papan kosong akan menguap saat jembatan pertama terdeteksi di AOI.

Garis Dasar Baru

Berhenti mempercayai pengaturan default di alat EDA Anda. Ekspansi global 4 mil adalah peninggalan dari masa ketika komponen sangat besar.

Untuk komponen apa pun dengan pitch 0,5mm atau kurang, Anda harus campur tangan:

1. Periksa Web: Pastikan ada setidaknya 3 mil (0,075mm) masker di antara pad dalam desain Anda.
2. Audit Ekspansi: Jika mempertahankan web itu mengharuskan mengurangi ekspansi menjadi 0 atau 1 mil, lakukanlah.
3. Spesifikasikan LDI: Jika Anda memperketat ekspansi, beri tahu pabrik bahwa Anda memerlukan LDI. Jika tidak, mereka akan menunda Anda atau, lebih buruk, hanya memperluasnya kembali tanpa memberi tahu Anda.
4. Tidak Ada Gang Relief: Jangan pernah membiarkan satu baris pin berbagi satu bukaan masker kecuali datasheet secara eksplisit memintanya (yang jarang terjadi).

Masker adalah bagian dari perakitan mekanis. Perlakukan dengan presisi yang sama seperti Anda memperlakukan tembaga.