Espansione della Maschera di Saldatura: Il Killer Invisibile della Resa

L'odore di una cattiva decisione sulla maschera di saldatura è distinto. Odora di flussante bruciato, poliimmide calda e un pomeriggio di sabato passato curvi su un microscopio Mantis con un saldatore in mano. Quando guardi un QFN-32 con ingrandimento 10x e vedi ogni singolo pin collegato al suo vicino, non stai pensando a un instradamento elegante o a simulazioni di integrità del segnale. Stai guardando un fallimento fisico del contenimento. La pasta saldante, una volta riscaldata nel forno di rifusione, non aveva dove fermarsi. Si è afflosciata, ha fatto capillarità e si è fusa perché la diga meccanica che avrebbe dovuto separare il pad 1 dal pad 2 semplicemente non c'era.

Non incolpare il saldatore e smetti di incolpare la maschera. Questo è un problema di dati che è diventato un incubo fisico. La causa principale risiede nelle impostazioni CAD, spesso lasciate a un valore predefinito “sicuro” di espansione di 4 mils, che elimina silenziosamente la rete della maschera di saldatura tra i pad a passo fine. La fisica non si preoccupa del tuo rendering. Se la diga manca, la saldatura farà ponte.

Perché The Fab House vuole rovinare il tuo Assembly

Il tuo produttore di schede nude e il tuo assemblatore hanno un conflitto di interessi fondamentale. La fabbrica di produzione è terrorizzata dall’“invadenza”. Se stampano lo strato di maschera verde leggermente fuori bersaglio (una realtà garantita del processo a film umido) e quella maschera finisce sopra un pad di rame, rigetterai la scheda per scarsa saldabilità. Per proteggersi dai costi di scarto, richiedono un margine di sicurezza. Vogliono che tu espanda l’apertura della maschera in modo che anche se il loro allineamento si sposta di 2 o 3 mils, l’apertura copra comunque il pad.

Questo margine di sicurezza fa risparmiare loro denaro, ma ti costa affidabilità. Quando applichi una regola di espansione globale—ad esempio, lo standard industriale di 4 mils (0,1 mm)—a un componente con passo 0,5 mm, elimini matematicamente il ponte tra i pad. Stai scambiando un potenziale difetto estetico (maschera sul pad) per un difetto funzionale garantito (ponte di saldatura).

Se ti rivolgi a laboratori di produzione a basso costo, spesso riceverai la temuta email di “Richiesta di Ingegneria” o “In Attesa”. Segnaleranno i tuoi footprint a passo fine e affermeranno che la “fetta” di maschera tra i pad è troppo sottile per essere stampata in modo affidabile. Non mentono; il loro processo potrebbe non essere in grado di mantenere una rete di 3 mils senza che si sfaldi. Ma se li lasci “correggere” rimuovendo completamente la rete, autorizzi loro a creare un lago di rame esposto dove dovrebbero esserci isole discrete. Prioritizzano il loro rendimento rispetto al tuo.

La Meccanica della Diga

La maschera di saldatura funziona meno come vernice e più come una diga idraulica. Il suo compito principale in un forno di rifusione è rompere la tensione superficiale della saldatura fusa. Quando la pasta si scioglie, vuole minimizzare la sua area superficiale. Se una striscia di materiale della maschera si trova tra due pad, la saldatura si raggruma sul rispettivo pad, contenuta dalla parete della maschera. Questo è l’effetto “guarnizione”. La maschera fornisce una parete verticale su cui si appoggia la maschera, e una barriera orizzontale che la saldatura non può bagnare.

Quando rimuovi quella diga—sia tramite impostazioni di espansione aggressive sia tramite una fabbrica che applica il “gang relief”—perdi il contenimento. Lo spazio tra i pad diventa laminato FR4 nudo. La saldatura fusa si diffonde facilmente attraverso quel gap, specialmente se l’apertura della maschera è stata progettata assumendo una guarnizione. Senza l’altezza della maschera a bloccarla, la saldatura si affloscia.

Qui spesso scatta il panico per i componenti BGA. Potresti vedere cortocircuiti sotto i raggi X e presumere che il volume di pasta sia troppo alto o che il profilo sia troppo caldo. Guarda prima la scheda nuda. Se le aperture della maschera per i pad BGA sono così grandi da toccarsi, hai creato un percorso di minima resistenza per la sfera di saldatura per fondersi con la sua vicina. I pad Non-Solder Mask Defined (NSMD) sono standard per i BGA per migliorare l’affidabilità, ma se l’espansione è troppo aggressiva, il “fossato” intorno al pad diventa un canale per il ponte.

La Trappola di Soccorso della Banda

La versione più pericolosa di questo problema colpisce QFN e connettori a passo fine. I progettisti, stanchi di combattere gli errori DRC (Design Rule Check) riguardo alla “fetta minima di maschera di saldatura”, spesso scelgono la via di minor resistenza: Gang Relief. Questo comporta disegnare un unico grande rettangolo di apertura della maschera su un’intera fila di pin.

Sembra pulito nel visualizzatore Gerber. Supera immediatamente i controlli della fabbrica perché non ci sono fette delicate da stampare. Ma sulla linea di assemblaggio è un disastro. Ho visto vassoi di silicio costoso—QFP-100 su prototipi di dispositivi medici—scartati a causa di questo. Quando applichi il gang relief a una fila di pin con passo 0,5 mm, chiedi alla tensione superficiale della saldatura di essere l’unica cosa che mantiene separati i giunti. Raramente funziona. La saldatura si unisce e finisci con una barra unica di lega che cortocircuita dieci pin.

La rilavorazione manuale su questi è brutale. Devi aspirare tutta la saldatura, pulire l’area con alcool e cercare di saldare a trascinamento giunti freschi senza una diga di maschera che ti guidi. Trasforma un assemblaggio di scheda $5 in un progetto di rilavorazione $50.

La Soglia LDI

Non si può semplicemente continuare a ridurre la maglia; alla fine, il materiale si rompe fisicamente. La vera soluzione è pagare per la precisione. I processi tradizionali foto-imagabili necessitano di quel fattore di tolleranza. La Laser Direct Imaging (LDI) cambia i calcoli. LDI non usa un film. Usa un laser per indurire la maschera direttamente sulla scheda, facendo riferimento ai fiduciali della scheda stessa per l'allineamento.

Con LDI, non hai bisogno di 3 o 4 mil di espansione. Puoi usare una maschera 1:1 (espansione zero) o un'espansione molto stretta di 1 mil. Questo ti permette di mantenere una robusta diga da 3 mil anche su componenti con passo da 0,4 mm. Sì, LDI costa di più. È un processo premium. Ma valuta quel costo rispetto al costo della rilavorazione. Se stai costruendo un gadget consumer con passivi 0805 e chip SOIC, risparmia i tuoi soldi e usa il processo meno preciso. Ma se stai posizionando QFN con passo 0,4 mm o BGA da 0,5 mm, il “risparmio” sulla scheda nuda evaporerà nel momento in cui il primo ponte sarà rilevato all'AOI.

La Nuova Baseline

Smetti di fidarti dei valori predefiniti nei tuoi strumenti EDA. Un'espansione globale di 4 mil è un retaggio di un'epoca in cui i componenti erano enormi.

Per qualsiasi componente con passo di 0,5 mm o meno, devi intervenire:

1. Controlla la maglia: Assicurati che ci siano almeno 3 mil (0,075 mm) di maschera tra i pad nel tuo progetto.
2. Verifica l'espansione: Se mantenere quella maglia richiede di ridurre l'espansione a 0 o 1 mil, fallo.
3. Specifica LDI: Se stringi l'espansione, informa la fabbrica che richiedi LDI. Altrimenti, ti metteranno in attesa o, peggio, la espanderanno di nuovo senza avvisarti.
4. Nessun sollievo di gruppo: Non permettere mai che una fila di pin condivida una singola apertura della maschera a meno che il datasheet non lo richieda esplicitamente (cosa rara).

La maschera fa parte dell'assemblaggio meccanico. Trattala con la stessa precisione con cui tratti il rame.