Le dighe della maschera di saldatura sono l’unica cosa che impedisce il ponticello in passo fine

Il suono più costoso nell'assemblaggio elettronico è il silenzio di una scheda che avrebbe dovuto avviarsi. Quando metti quella scheda morta sotto il microscopio, aspettandoti di vedere un condensatore bruciato o un diodo invertito, spesso trovi qualcosa di molto più insultante: un ponte microscopico di saldatura che collega due pin su un connettore a passo di 0,4mm. Un difetto di produzione $2 ha appena scartato un assemblaggio $500.

La maggior parte dei progettisti incolpa immediatamente la casa di assemblaggio. Presumono che le aperture dello stencil fossero troppo larghe o il profilo di reflow troppo caldo. Ma di solito, il fallimento era previsto già mesi fa durante la fase di layout, quando si è deciso di ignorare la realtà fisica della saldatura liquida. Se non c’è una barriera fisica tra due piazzole, la saldatura cercherà di fondersi. Questa è una legge della fisica, e rigorosamente applicata.

La Fisica del Ponte

Quando la pasta di saldatura si scioglie nel forno di reflow, smette di essere una pasta granulosa e diventa un fluido con alta tensione superficiale. Vuole minimizzare la sua area di superficie. Idealmente, si inumidisce alla piazzola e al pin del componente, formando una filetto adeguato. Ma sui componenti a passo fine—qualsiasi cosa sotto 0,5mm—le piazzole sono pericolosamente vicine. Se il dam del mascheramento di saldatura (quella sottile striscia di isolamento tra le piazzole) manca, niente impedisce a quel fluido fuso di raggiungere il suo vicino.

Alcuni ingegneri cercano di risolvere questo “fame” della giunzione riducendo l’apertura dello stencil per depositare meno pasta. È un rimedio comune, spesso suggerito nei forum quando qualcuno cerca di salvare un layout cattivo. Mentre ridurre il volume di pasta può abbassare la probabilità di ponte, non elimina il meccanismo di fallimento. Se hai un BGA o QFN a passo di 0,4mm e ti affidi esclusivamente alla tensione superficiale per mantenere la saldatura in posizione, stai giocando d’azzardo. Un leggero disallineamento, una vibrazione nel forno o una lieve variazione nell’attività del flusso causeranno alla saldatura di risalire il gap. L’unica cosa che ferma affidabilmente questa azione capillare è una barriera fisica: il dam del mascheramento di saldatura.

La Geometria dello Sliver

Il problema è che non puoi semplicemente disegnare un dam e aspettarti che esista. Il mascheramento di saldatura è un materiale fisico—di solito una resina epoxy foto-immaginabile liquida (LPI)—che deve essere stampato, curato e sviluppato. Come qualsiasi materiale, ha un punto di rottura. Se progetti uno striscia di mascheramento troppo sottile, non aderirà al substrato FR4. Si staccherà durante la produzione, galleggiando nel serbatoio di sviluppo o, peggio, sfaldandosi successivamente contaminando l’assemblaggio.

Da qui derivano gli errori “Pink Ring” o “Purple Ring” nel tuo strumento CAD. Quando il controllo delle regole di progettazione (DRC) segnala una violazione di “Mask Sliver”, non sta cercando di infastidirti. Ti sta dicendo che la geometria richiesta è fisicamente impossibile da creare con il processo chimico standard.

I processi di fabbricazione standard solitamente richiedono un dam minimo di mascheramento di 4 mil (circa 0,1mm) per garantire l’adesione. I negozi avanzati “HDI” potrebbero spingere questo a 3 mil. Ma guardate i calcoli per un componente a passo di 0,4mm. Se le piazzole sono larghe 0,25mm, lo spazio tra di esse è di solo 0,15mm (circa 6 mil). Se hai bisogno di un dam di 4 mil, e devi considerare l’espansione del mascheramento (tolleranza di registrazione) affinché il mascheramento non salga sulla piazzola, sei senza spazio. Sei semplicemente riuscito a esaurire lo spazio fisico per l’isolamento.

Questa trappola geometrica peggiora notevolmente se si dà priorità all’estetica. Vediamo progetti in cui l’involucro è aperto, quindi il progettista industriale richiede una mascheratura di saldatura “Nera Matte” per sembrare “di alta qualità”. Le maschere nere matt sono spesso più morbide e richiedono lavorazioni chimiche diverse rispetto al verde standard. Gestiscono il calore diversamente e spesso hanno un’adesione peggiore per le caratteristiche fini. Un dam che funziona perfettamente nel verde lucido potrebbe sfaldarsi nel nero opaco. Abbiamo visto intere produzioni di 5.000 unità raggiungere un tasso di fallimento 35% semplicemente perché la maschera nera attraente non riusciva a trattenere la web di 3 mil tra i pin del connettore. La fisica non si interessa se la tua scheda ha un aspetto cool.

La Trappola di Soccorso della Banda

Quando la geometria diventa troppo stretta—ad esempio, su un BGA a passo di 0,35mm o un footprint QFN mal progettato—l’azienda di fabbricazione ti invierà una “EQ” (Domanda di Ingegneria). Segnalano che non possono stampare il dam tra le piazzole. La loro soluzione proposta è quasi sempre “Gang Relief” (o “Masking collettivo”).

Il sollievo del gang significa che rimuovono semplicemente la maschera tra le piazzole, creando un'ampia apertura intorno a una fila di pin. Ciò soddisfa il vincolo di produzione: non c'è una sottile sottiletta di maschera da staccare. Ma introduce un rischio catastrofico di assemblaggio.

Senza la diga, hai creato un'autostrada per la saldatura. Su un package QFN (Quad Flat No-lead), la saldatura può risalire lungo la parte inferiore del pacchetto tra i pin. Questo tipo di ponte è insidioso perché spesso si nasconde sotto il corpo del componente, invisibile ai normali sistemi AOI (Inspection Ottica Automatizzata). Potresti accorgertene solo quando la scheda fallisce il test funzionale, o peggio, quando l'ispezione a raggi X rivela il cortocircuito.

C'è anche un costo a lungo termine per l'affidabilità. La maschera di saldatura non interrompe solo i ponti; isola il rame. Se si esegue il sollievo del gang su un connettore a pitch fine, si lascia il FR4 nudo tra i pin energizzati. In ambienti ad alta umidità, o se il dispositivo non viene pulito perfettamente dai residui di flussante, quella fessura diventa un terreno fertile per la crescita dendritica. Abbiamo visto richiami medici scatenati non da un guasto immediato, ma dalla crescita di dendriti attraverso la fessura del gang relief dopo sei mesi sul campo. La diga è un isolante; rimuoverla è una concessione al fallimento.

La finzione della “Capacità Standard”

Allora perché le aziende di produzione spingono per il sollievo del gang? Perché protegge il loro rendimento, non il tuo. Se tentano di stampare una diga di 3 mil e questa si stacca, devono scartare la scheda nuda. Se eseguono il sollievo del gang, la scheda nuda supera perfettamente il test elettrico (perché le piazzole non sono collegate) e). Il ponte si verifica nella tua azienda di assemblaggio, che non è più un problema del produttore di schede nudo.

Devi capire che le schede tecniche dei produttori sono spesso finzione di marketing. Quando un produttore offshore con budget elenca “diga di maschera di 3 mil” come capacità, quel numero rappresenta il loro “campione d'oro” — quello che possono ottenere su una macchina perfettamente calibrata con una chimica fresca in un buon giorno. Non rappresenta la loro capacità di processo Cpk > 1.33. Se invii un progetto con dighe di 3 mil a un servizio di pool “Standard”, spesso rimuoveranno silenziosamente le dighe tramite uno script CAM se pensano di non poterle mantenere. Non lo scoprirai finché le schede non arriveranno e le dighe saranno assenti.

La soluzione spesso coinvolge soldi. I processi LPI standard utilizzano disegni in pellicola e luce UV, che hanno limiti di allineamento e diffrazione. Per tenere affidabilmente una sottiletta su una componente con passo di 0,4mm, spesso hai bisogno di LDI (Laser Direct Imaging). LDI salta la pellicola e utilizza un laser per curare direttamente la maschera sulla scheda. È molto più preciso e può mantenere dighe più strette. Costa anche di più. Quando discuti con un responsabile degli acquisti che vuole spostare la scheda a un fornitore più economico per risparmiare $0,40 per unità, devi calcolare il costo dei rottami. Risparmiare $200 sulla fabbricazione di PCB è una vittoria vuota se perdi $4.000 in silicio e tempo dei tecnici a rifare i ponti sulle prime 100 schede.

Strategia di Progetto Difensivo

L'impostazione più pericolosa nel tuo strumento CAD è la regola globale di “Espansione della Maschera”. I giovani ingegneri spesso impostano questa a un valore “sicuro” di 4 mils globalmente. Su una resistenza grande come 0805, va bene. Su un componente con passo di 0,4mm, questa regola globale sovrapporrà le aperture della maschera e cancellerà le dighe senza che te ne renda nemmeno conto.

Devi usare regole locali. I componenti a passo fine richiedono impostazioni di espansione della maschera specifiche, spesso ridotte a 2 mils o anche 1:1 (nessuna espansione) se il produttore permette. Devi forzare la geometria a consentire una diga di 3 o 4 mils.

Ma la difesa finale avviene dopo che il progetto è stato completato. Quando generi i tuoi Gerber, non fidarti del visualizzatore 3D. Apri il file GTS (Top Solder Mask) grezzo. Ingrandisci la tua componente più stretta. Misura la distanza fisica tra le aperture della maschera. Se quel numero è inferiore a 3 mils (circa 0,075mm), sei in zona pericolosa.

Se vedi quella zona di pericolo, hai due scelte: passare a un produttore con capacità di LDI verificata che può mantenere quella sottiletta, oppure cambiare il footprint del componente. Non lasciare che il produttore elimini la diga. Non lasciarli convincerti a un sollievo del gang su un connettore a meno che tu non sia disposto ad accettare la perdita di rendimento. Se il produttore dice “non possiamo stamparlo”, credigli. Ma non lasciarli risolvere rimuovendo la protezione. Sposta il progetto, oppure sposta il produttore. Nessuna diga, nessuna costruzione.