Dinding Mask Solder Hanya Item yang Mencegah Jembatan Fine-Pitch

Suara paling mahal dalam pembuatan elektronik adalah keheningan dari papan yang seharusnya sudah berhasil bootstrap. Ketika Anda menempatkan papan mati itu di bawah mikroskop, mengharapkan melihat kapasitor yang terbakar atau dioda terbalik, Anda sering menemukan sesuatu yang jauh lebih menghina: sebuah jembatan solder mikroskopis yang menghubungkan dua pin pada konektor dengan pitch 0.4mm. Cacat manufaktur $2 hanya membuang satu set assembly $500.

Kebanyakan desainer langsung menyalahkan pabrik perakitan. Mereka menganggap apertur stensil terlalu lebar atau profil reflow terlalu panas. Tetapi biasanya, kegagalan tersebut sudah terpatri berbulan-bulan yang lalu selama fase penataan tata letak, ketika keputusan dibuat untuk mengabaikan realitas fisik dari solder cair. Jika tidak ada penghalang fisik antara dua pad, solder akan mencoba untuk bergabung. Itu adalah hukum fisika, dan ditegakkan secara ketat.

Fisika Jembatan

Ketika pasta solder meleleh di oven reflow, itu berhenti menjadi pasta berkerikil dan berubah menjadi cairan dengan tegangan permukaan tinggi. Ia ingin meminimalkan luas permukaannya. Secara ideal, ia membasahi pad dan ujung komponen, membentuk fillet yang tepat. Tetapi pada komponen dengan pitch halus—apa saja di bawah 0.5mm pitch—pad berdekatan berbahaya. Jika dam masker solder (strip insulasi tipis antara pad) hilang, tidak ada yang menghentikan cairan cair itu menjangkau tetangganya.

Beberapa insinyur mencoba menyelesaikan ini dengan mengurangi “starving” sambungan—mengurangi ukuran apertur stensil untuk menempelkan lebih sedikit pasta. Ini adalah solusi 'plester' umum, sering disarankan di forum ketika seseorang mencoba menyelamatkan tata letak yang buruk. Meskipun mengurangi volume pasta dapat menurunkan kemungkinan terbentuknya jembatan, hal itu tidak menghilangkan mekanisme kegagalan. Jika Anda memiliki BGA atau QFN dengan pitch 0.4mm dan hanya mengandalkan tegangan permukaan untuk menjaga solder tetap di tempatnya, Anda sedang bertaruh. Penyelarasan kecil yang salah, getaran di oven, atau variasi kecil dalam aktivitas flux akan menyebabkan solder merambat melintasi celah tersebut. Satu-satunya hal yang secara andal menghentikan aksi kapiler ini adalah dinding fisik: dam masker solder.

Geometri Sliver

Masalahnya adalah Anda tidak bisa hanya menggambar dam dan berharap itu ada. Masker solder adalah bahan fisik—biasanya epoksi Liquid Photoimageable (LPI)—yang harus dicetak, disembuhkan, dan dikembangkan. Seperti bahan apa pun, ia memiliki titik pecah. Jika Anda merancang sliver masker yang terlalu tipis, itu tidak akan menempel pada substrat FR4. Itu akan mengelupas selama proses manufaktur, melayang-layang di dalam tangki pengembang atau, yang lebih buruk, pecah-pecah kemudian mencemari rangkaian.

Di sinilah kesalahan “Pink Ring” atau “Purple Ring” dalam alat CAD Anda berasal. Saat DRC (Pemeriksaan Aturan Desain) menandai pelanggaran “Mask Sliver”, itu bukan bertujuan untuk mengganggu Anda. Itu memberi tahu Anda bahwa geometri yang Anda minta secara fisik tidak mungkin dihasilkan oleh proses kimia standar.

Proses fabrikasi standar biasanya membutuhkan dam masker minimum sebesar 4 mil (sekitar 0.1mm) untuk menjamin daya rekat. Toko “HDI” tingkat lanjut mungkin mendorong ini menjadi 3 mil. Tetapi lihatlah matematika untuk komponen dengan pitch 0.4mm. Jika pad berukuran 0.25mm, jarak di antara mereka hanya 0.15mm (sekitar 6 mil). Jika Anda memerlukan dam 4 mil, dan Anda harus memperhitungkan perluasan masker (toleransi registrasi) agar masker tidak naik ke pad, Anda kehabisan ruang. Anda benar-benar kehabisan ruang fisik untuk isolasi.

Perangkap geometri ini menjadi jauh lebih buruk jika Anda memprioritaskan estetika. Kami melihat desain di mana enclosure terbuka, sehingga desainer industri menuntut masker solder “Matte Black” agar terlihat “premium.” Masker matte black sering lebih lembut dan memerlukan proses kimia yang berbeda dibandingkan hijau standar. Mereka memegang panas dengan berbeda dan sering memiliki daya rekat yang lebih buruk untuk fitur halus. Dam yang sempurna di masker hijau mengilap bisa pecah-pecah di masker matte black. Kami telah melihat seluruh produksi sebanyak 5.000 unit mengalami tingkat kegagalan 35% hanya karena masker hitam yang keren itu tidak mampu menahan web 3 mil di antara pin konektor. Fisika tidak peduli jika papan Anda terlihat keren.

Jerat Bantuan Gang

Ketika geometri menjadi terlalu rapat—misalnya pada BGA dengan pitch 0.35mm atau footprint QFN yang dirancang buruk—pabrik manufaktur akan mengirimkan Anda sebuah “EQ” (Pertanyaan Teknik). Mereka akan menunjukkan bahwa mereka tidak bisa mencetak dam antara pad yang ada. Solusi yang mereka usulkan hampir selalu “Gang Relief” (atau “Gang Masking”).

Relief gang berarti mereka cukup menghapus masker di antara bantalan sepenuhnya, menciptakan satu bukaan jendela besar di sekitar baris pin. Ini memenuhi kendala manufaktur: tidak ada iris tipis masker yang perlu dikupas. Tapi ini memperkenalkan risiko perakitan yang katastrofik.

Tanpa dam, Anda telah menciptakan jalan untuk timah solder. Pada paket QFN (Quad Flat No-lead), solder dapat menyusup di sepanjang bagian bawah paket antara pin. Jenis jembatan ini berbahaya karena sering kali tersembunyi di bawah badan komponen, tak terlihat oleh AOI (Inspeksi Optik Otomatis) standar. Anda mungkin hanya menemukannya saat papan gagal dalam pengujian fungsional, atau yang lebih buruk, saat inspeksi X-ray mengungkapkan hubungan singkat.

Ada juga biaya keandalan jangka panjang di sini. Masker timah tidak hanya mencegah jembatan; ini mengisolasi tembaga. Jika Anda menghapus relief gang dari konektor berpitch halus, Anda meninggalkan FR4 polos yang terbuka di antara pin yang diberi energi. Dalam lingkungan dengan kelembapan tinggi, atau jika perangkat tidak dibersihkan sempurna dari residu flux, celah itu menjadi tempat berkembang biak bagi pertumbuhan dendritik. Kita telah melihat recall medis dipicu bukan oleh kegagalan langsung, tetapi oleh dendrit yang tumbuh melintasi celah relief gang setelah enam bulan di lapangan. Dam adalah isolator; menghapusnya adalah koncesi terhadap kegagalan.

Fiksyen “Kemampuan Standar”

Jadi mengapa rumah fabrikasi mendorong relief gang? Karena itu melindungi hasil produksi mereka, bukan hasil Anda. Jika mereka mencoba mencetak dam 2,5 mil dan mengelupas, mereka harus membuang papan polos. Jika mereka menghapus relief gang, papan polos tersebut lulus pengujian listrik mereka dengan sempurna (karena bantalan tidak terbentang). namun). Jembatan terjadi di rumah perakitan Anda, yang bukan lagi menjadi masalah pabrik papan polos.

Anda harus memahami bahwa lembar data fab seringkali fiksi pemasaran. Ketika sebuah fab offshore anggaran mencantumkan “dam masker 3 mil” sebagai kemampuan, itu adalah angka “contoh emas” mereka—apa yang dapat mereka capai pada mesin yang benar-benar dikalibrasi dengan kimia segar pada hari yang baik. Itu bukan kemampuan proses Cpk > 1.33 mereka. Jika Anda mengirimkan desain dengan dam 3 mil ke layanan pool “Standar”, mereka sering kali diam-diam menghapus dam tersebut melalui skrip CAM jika mereka merasa tidak dapat menahannya. Anda tidak akan tahu sampai papan tiba dan dam hilang.

Solusinya sering melibatkan uang. Proses LPI standar menggunakan karya seni film dan cahaya UV, yang memiliki batasan penjajaran dan difraksi. Untuk secara andal menahan iris tipis pada bagian dengan pitch 0,4mm, sering kali Anda memerlukan LDI (Laser Direct Imaging). LDI melewati film dan menggunakan laser untuk mengeraskan masker langsung di papan. Ini jauh lebih tepat dan dapat menahan dam yang lebih rapat. Tentu saja biayanya lebih tinggi. Saat Anda berdebat dengan manajer pengadaan yang ingin memindahkan papan ke vendor yang lebih murah untuk menghemat $0.40 per unit, Anda perlu menghitung biaya kerugian. Menghemat $200 pada fabrikasi PCB adalah kemenangan kosong jika Anda kehilangan $4.000 dalam waktu silikon dan teknisi untuk mengulang jembatan pada 100 papan pertama.

Strategi Desain Pertahanan

Pengaturan paling berbahaya dalam alat CAD Anda adalah aturan “Perluasan Masker” global. Insinyur junior sering mengaturnya ke angka “aman” 4 mil secara global. Pada resistor besar 0805, itu baik-baik saja. Pada komponen dengan pitch 0.4mm, aturan global ini akan menimpa bukaan masker dan menghapus dam Anda tanpa Anda sadari.

Anda harus menggunakan aturan lokal. Komponen berpitch halus memerlukan pengaturan perluasan masker mereka sendiri yang spesifik, sering kali diperketat menjadi 2 mil atau bahkan 1:1 (tanpa perluasan) jika kemampuan fab mengizinkan. Anda harus memaksa geometri untuk memungkinkan dam 3 atau 4 mil.

Tapi perlindungan utama terjadi setelah desain selesai. Saat Anda menghasilkan Gerber Anda, jangan percaya pada penampil 3D. Buka file GTS (Masker Solder Atas) mentah. Perbesar bagian komponen terkecil Anda. Ukur celah fisik antara bukaan masker. Jika angka itu kurang dari 3 mil (sekitar 0,075mm), Anda berada di zona bahaya.

Jika Anda melihat zona bahaya itu, Anda memiliki dua pilihan: beralih ke fab dengan kemampuan LDI yang terverifikasi yang dapat menahan iris tersebut, atau ubah jejak komponen. Jangan biarkan fab menghapus dam. Jangan biarkan mereka meyakinkan Anda untuk relief gang pada konektor kecuali Anda bersedia menerima kehilangan hasil. Jika fab mengatakan “kami tidak dapat mencetak ini,” percayalah pada mereka. Tapi jangan biarkan mereka memperbaikinya dengan menghilangkan perlindungan. Pindahkan desainnya, atau pindahkan fabrikasi. Tanpa dam, tanpa pembangunan.