Soldeermaskeruitbreiding: De onzichtbare opbrengstreducent

De geur van een slechte soldeermaskerbeslissing is duidelijk. Het ruikt naar verbrande flux, hete polyimide en een zaterdagmiddag gebogen over een Mantis-microscoop met een soldeerbout in de hand. Wanneer je een QFN-32 onder 10x vergroting bekijkt en elke pin verbonden ziet met zijn buur, denk je niet aan elegante routing of signaalintegriteitssimulaties. Je kijkt naar een fysieke falen van de afbakening. De soldeerpasta, eenmaal verwarmd in de reflow-oven, had nergens te stoppen. Het zakte door, werd geabsorbeerd en samengesmolten omdat de mechanische dam die pad 1 van pad 2 moest scheiden er simpelweg niet was.

Geef de soldeerbout niet de schuld, en stop met het de sjabloon de schuld te geven. Dit is een data-probleem dat een fysieke nachtmerrie werd. De hoofdoorzaak ligt in de CAD-instellingen, vaak ingesteld op een "veilige" standaard van 4 mils uitbreiding, die stilletjes het soldeermaskerweb tussen fijn-pitch pads verwijdert. Fysica geeft niets om je weergave. Als de dam ontbreekt, zal het soldeer overbruggen.

Waarom The Fab House Je Assemblage Wil Verpesten

Je bare board-fabrikant en je assembler hebben een fundamenteel belangenconflict. Het fabricagebedrijf is bang voor "inbreuk." Als ze de groene masklaag iets naast het doel afdrukken (een gegarandeerde realiteit van natfilmverwerking) en dat masker op een koperen pad terechtkomt, zal je het bord afkeuren vanwege slechte soldeerbaarheid. Om zichzelf te beschermen tegen afvalkosten, eisen ze een veiligheidsbuffer. Ze willen dat je de maskeroveropening vergroot zodat zelfs als hun uitlijning 2 of 3 mils afwijkt, de opening nog steeds het pad vrijlaat.

Deze veiligheidsmarge bespaart hen geld, maar kost jou betrouwbaarheid. Wanneer je een globale uitbreidingsregel toepast—bijvoorbeeld de industriestandaard van 4 mils (0,1 mm)—op een component met een pitch van 0,5 mm, elimineer je wiskundig de brug tussen de pads. Je ruilt een potentieel cosmetisch defect (masker op pad) in voor een gegarandeerd functioneel defect (soldeerbrug).

Als je met budgetfabricagebedrijven werkt, krijg je vaak de gevreesde "Engineering Query" of "On Hold" e-mail. Ze zullen je fijn-pitch footprints markeren en beweren dat het "spleetje" van masker tussen de pads te dun is om betrouwbaar te printen. Ze liegen niet; hun proces kan misschien geen 3-mil web vasthouden zonder dat het afbladdert. Maar als je ze toestaat het te "repareren" door het web volledig te verwijderen, geef je ze toestemming om een meer van bloot koper te creëren waar discrete eilanden zouden moeten zijn. Ze geven prioriteit aan hun opbrengst boven die van jou.

De Mechanica van de Dam

Soldeermasker functioneert minder als verf en meer als een hydraulische dam. De primaire taak in een reflow-oven is het doorbreken van de oppervlaktespanning van gesmolten soldeer. Wanneer pasta smelt, wil het zijn oppervlak minimaliseren. Als er een strook maskermateriaal tussen twee pads zit, parelt het soldeer op zijn respectievelijke pad, ingesloten door de maskerwand. Dit is het "pakking"-effect. Het masker biedt een verticale wand waarop de sjabloon kan rusten, en een horizontale barrière waar het soldeer niet aan kan hechten.

Wanneer je die dam verwijdert—hetzij door agressieve uitbreidingsinstellingen of een fabrieksbedrijf dat "gang relief" toepast—verlies je de afbakening. De ruimte tussen de pads wordt bloot FR4-laminaat. Gesmolten soldeer trekt gemakkelijk over die opening, vooral als de sjabloonopening ontworpen was met een pakkingafdichting in gedachten. Zonder de maskerhoogte om het te blokkeren, zakt het soldeer door.

Dit is vaak het moment waarop de paniek toeslaat bij BGA-componenten. Je ziet misschien kortsluitingen onder röntgen en denkt dat het pastavolume te hoog is of het profiel te heet. Kijk eerst naar het bare board. Als de maskeropeningen voor de BGA-pads zo groot zijn dat ze elkaar raken, heb je een pad van de minste weerstand gecreëerd waardoor de soldeerbal met zijn buur kan samensmelten. Niet-Solder Mask Defined (NSMD) pads zijn standaard voor BGA's om de betrouwbaarheid te verbeteren, maar als de uitbreiding te agressief is, wordt de "gracht" rond het pad een kanaal voor brugvorming.

De gang hulpontsnapping

De gevaarlijkste versie van dit probleem treft QFN's en fijn-pitch connectoren. Ontwerpers, moe van het vechten tegen DRC (Design Rule Check) fouten over "minimale soldeermaskerspleet," kiezen vaak de weg van de minste weerstand: Gang Relief. Dit houdt in dat er een enkele grote rechthoek van maskeropening over een hele rij pinnen wordt getekend.

Het ziet er schoon uit in de Gerber-viewer. Het slaagt onmiddellijk voor de controles van het fabricagebedrijf omdat er geen delicate spleetjes zijn om te printen. Maar op de assemblagelijn is het een ramp. Ik heb trays met dure silicium—QFP-100's op medische apparaatprototypes—weggegooid gezien vanwege dit. Wanneer je een rij pinnen met een pitch van 0,5 mm gang relieveert, vraag je de oppervlaktespanning van het soldeer het enige te laten zijn dat de verbindingen gescheiden houdt. Het werkt zelden. Het soldeer trekt samen en je eindigt met een enkele legeringsstaaf die tien pinnen kortsluit.

Handmatige nabewerking hiervan is zwaar. Je moet al het soldeer wegzuigen, het gebied met alcohol reinigen en proberen verse verbindingen te solderen zonder een masker dam die je leidt. Het verandert een $5 board-assemblage in een $50 nabewerkingsproject.

De LDI-drempel

Je kunt het web niet steeds kleiner maken; uiteindelijk faalt het materiaal fysiek. De echte oplossing is betalen voor precisie. Traditionele foto-beeldbare processen hebben die speling nodig. Laser Direct Imaging (LDI) verandert de rekensom. LDI gebruikt geen film. Het gebruikt een laser om de maskering direct op de printplaat uit te harden, waarbij de eigen fiducials van de printplaat worden gebruikt voor uitlijning.

Met LDI heb je geen 3 of 4 mils expansie nodig. Je kunt een 1:1 maskering (nul expansie) of een zeer strakke 1-mil expansie gebruiken. Dit stelt je in staat om een robuuste 3-mil dam te behouden, zelfs bij onderdelen met een pitch van 0,4 mm. Ja, LDI kost meer. Het is een premium proces. Maar weeg die kosten af tegen de kosten van nabewerking. Als je een consumentengadget bouwt met 0805 passieve componenten en SOIC-chips, bespaar je geld en gebruik je het slordige proces. Maar als je 0,4 mm pitch QFNs of 0,5 mm BGA's plaatst, zullen de "besparingen" op de kale printplaat verdampen op het moment dat de eerste brug wordt gedetecteerd bij AOI.

De Nieuwe Basislijn

Stop met vertrouwen op de standaardinstellingen in je EDA-tools. Een globale expansie van 4 mils is een overblijfsel uit een tijd waarin componenten enorm waren.

Voor elk component met een pitch van 0,5 mm of minder moet je ingrijpen:

1. Controleer het web: Zorg ervoor dat er minstens 3 mils (0,075 mm) maskering tussen de pads in je ontwerp zit.
2. Controleer de expansie: Als het behouden van dat web vereist dat je de expansie terugbrengt naar 0 of 1 mil, doe dat dan.
3. Specificeer LDI: Als je de expansie aanscherpt, vertel dan aan de fabrikant dat je LDI vereist. Zo niet, dan zetten ze je in de wacht of, erger nog, breiden ze het gewoon weer uit zonder het je te vertellen.
4. Geen gang relief: Sta nooit toe dat een rij pinnen een enkele maskeringsopening deelt, tenzij het datasheet dit expliciet vereist (wat zeldzaam is).

De maskering is onderdeel van de mechanische assemblage. Behandel het met dezelfde precisie als het koper.