Soldeermaskerdammen zijn het enige dat fijne brugvorming stopt

Het duurste geluid in elektronica productie is de stilte van een bord dat zou moeten zijn opgestart. Wanneer je dat doodgewone bord onder de microscoop plaatst, in de verwachting een geblazen condensator of een omgekeerde diode te zien, vind je vaak iets veel beledigender: een microscopisch bruggetje van soldeer dat twee pennen op een connector met een afstand van 0,4 mm verbindt. Een fabricagefout van $2 heeft een $500-assemblage geschrapt.

De meeste ontwerpers geven onmiddellijk de schuld aan het assemblagehuis. Ze gaan ervan uit dat de sjabloonopeningen te breed waren of dat het reflowprofiel te heet was. Maar meestal was de fout al maanden geleden ingebakken tijdens de lay-outfase, toen besloten werd de fysieke realiteit van vloeibaar soldeer te negeren. Als er geen fysieke barrière tussen twee paden is, zal soldeer proberen te versmelten. Dat is een natuurwet, en wordt strikt gehandhaafd.

De natuurkunde van de brug

Wanneer soldeerplak smelt in de reflow-oven, stopt het met een ruw pasta te zijn en wordt het een vloeistof met hoge oppervlaktespanning. Het wil de oppervlakte beperken. Idealiter bevochtigt het de pad en de pin van het onderdeel, waardoor een goede fillet ontstaat. Maar bij fijn-pitch componenten—alles onder 0,5 mm pitch—zijn de paden gevaarlijk dicht bij elkaar. Als de dam van de soldeermasker (die dunne isolatielijn tussen paden) ontbreekt, voorkomt niets dat de gesmolten vloeistof contact maakt met zijn buur.

Sommige ingenieurs proberen dit op te lossen door de verbinding te 'uithongeren'—de opening in de sjabloon te verkleinen om minder pasta te deponeren. Het is een veelgebruikte pleister, vaak voorgesteld op forums wanneer iemand een slechte lay-out probeert te redden. Hoewel het verminderen van de pasta-hoeveelheid de kans op een brug kan verminderen, elimineert het het mechanisme van de fout niet. Als je een BGA of QFN met 0,4 mm pitch hebt en alleen op de oppervlaktespanning vertrouwt om het soldeer op zijn plaats te houden, gok je. Een lichte verschuiving, een trilling in de oven, of een kleine variatie in flux-activiteit zal het soldeer doen wikkelen over de opening. Het enige betrouwbare middel om deze capillaire werking te stoppen, is een fysieke wand: de soldeermasker-dam.

De geometrie van de splijt

Het probleem is dat je niet zomaar een dam kunt tekenen en verwachten dat deze bestaat. Soldeermasker is een fysiek materiaal—meestal een vloeibaar photo-inkliseerbaar epoxy—that geprint, uitgehard en ontwikkeld moet worden. Zoals elk materiaal heeft het een breekpunt. Als je een splinter mask ontwerp dat te dun is, hecht het niet aan de FR4 ondergrond. Het zal tijdens de fabricage loslaten, drijvend in de ontwikkelaar tank of, erger nog, later afschilferend om de assemblage te besmetten.

Hier komen de "Roze Ring" of "paarse Ring" fouten uit je CAD-tool vandaan. Wanneer je DRC (Design Rule Check) een overtreding van "Mask Sliver" aangeeft, probeert het je niet te irriteren. Het vertelt je dat de geometrie die je hebt aangevraagd fysiek onmogelijk is om met het standaard chemische proces te maken.

Standaard fabricageprocessen vereisen meestal een minimale masker-dam van 4 mils (ongeveer 0,1 mm) om hechting te garanderen. Geavanceerde "HDI"-fabrieken kunnen dit naar 3 mils verlagen. Maar kijk naar de berekening voor een component met 0,4 mm pitch. Als de paden 0,25 mm breed zijn, is de ruimte tussen hen slechts 0,15 mm (ongeveer 6 mils). Als je een dam van 4 mils nodig hebt, en je moet rekening houden met masker-uitzetting (registratietolerantie) zodat het masker niet op de pad klimt, heb je geen ruimte meer. Je hebt simpelweg geen fysieke ruimte meer voor de isolatie.

Deze geometriefout wordt aanzienlijk erger als je prioriteit geeft aan esthetiek. We zien ontwerpen waarbij de behuizing open is, dus de industrieel ontwerper verlangt een "matzwarte" soldeermasker om er "premium" uit te zien. Matzwarte maskers zijn vaak zachter en vereisen een andere chemische verwerking dan standaard groen. Ze houden de warmte anders vast en hebben vaak een slechtere hechting voor fijne kenmerken. Een dam die in standaard glanzend groen perfect blijft, kan in matzwarte maskers afbladeren. We hebben complete productieruns van 5.000 eenheden gezien die een 35%-faillurepercentage bereikten, simpelweg omdat het coole zwarte masker de web van 3 mil tussen de connectorpennen niet kon vasthouden. Natuurkunde geeft niks om of je bord er cool uitziet.

De gang hulpontsnapping

Wanneer de geometrie te krap wordt—zeg, bij een 0,35 mm pitch BGA of een slecht ontworpen QFN-voetafdruk—zal het fabricagehuis je een "EQ" (Engineering Question) sturen. Zij zullen aangeven dat ze de dam niet tussen de paden kunnen printen. Hun voorgestelde oplossing is bijna altijd "Gang Relief" (of "Gang Masking").

Gangrelief betekent dat ze simpelweg het masker tussen de pads helemaal verwijderen, waardoor één grote vensteropening ontstaat rondom een rij pinnen. Dit voldoet aan de fabricage-eis: er is geen dun sliertje masker om af te pellen. Maar het introduceert een catastrofaal montage risico.

Zonder de barrière heb je een snelweg voor soldeer gemaakt. Bij een QFN (Quad Flat No-lead) pakket kan het soldeer langs de onderkant van het pakket tussen de pinnen omhoogtrekken. Dit type brug is verraderlijk omdat het vaak zich verschuilt onder de componentbehuizing, onzichtbaar voor standaard AOI (Automated Optical Inspection). Je merkt het misschien pas wanneer de print faalt bij functioneel testen, of erger nog, wanneer röntgeninspectie de kortsluiting onthult.

Hier is ook een langdurige betrouwbaarheid kostenpost. De soldeermasker stopt niet alleen bruggen; het isoleert het koper. Als je gangrelief toepast op een fijn-pitch connector, laat je bloot FR4 zien tussen de geëlektrificeerde pinnen. In vochtige omgevingen of als het apparaat niet perfect van fluxresten is gereinigd, wordt die opening een broedplaats voor dendritische groei. We hebben medische recalls gezien die niet door directe faal veroorzaakt werden, maar doordat dendrieten over de gang-relieved gap groeiden na zes maanden in gebruik. De barrière is een isolator; het verwijderen ervan is een concessie aan falen.

De 'Standaard Capaciteit' Fictie

Waarom dringen fabrieken dan aan op gangrelief? Omdat het hun opbrengst beschermt, niet de jouwe. Als ze proberen een barrière van 2,5 mil te printen en het delaminereert, moeten ze de lege print afschrijven. Als ze het gangrelief toepassen, slaagt de lege print perfect voor hun elektrische test (omdat de pads niet overbrugd zijn) nogeens). De brug ontstaat bij jouw assemblagehuis, dat is niet meer de verantwoordelijkheid van de lege print fabrikant.

Je moet begrijpen dat fab datasheets vaak marketingfictie zijn. Wanneer een offshore fabrieksbudge een '3 mil maskerbarrière' als capaciteit opsomt, is dat hun 'gouden monster' - wat ze kunnen bereiken op een perfect gekalibreerde machine met verse chemie op een goede dag. Het is niet hun Cpk > 1.33 procescapabiliteit. Als je een ontwerp met 3 mil barrières naar een 'Standaard' poolservice stuurt, verwijderen ze die vaak stilletjes via een CAM-script als ze voelen dat ze ze niet kunnen vasthouden. Je weet het pas als de printen arriveren en de barrières ontbreken.

De oplossing kost vaak geld. Standaard LPI-processen gebruiken filmmateriaal en UV-licht, die grenzen stellen aan uitlijning en diffractie. Om een sliertje betrouwbaar te bewaren op een 0,4 mm pitch onderdeel, heb je vaak LDI (Laser Direct Imaging) nodig. LDI laat het film weg en gebruikt een laser om het masker direct op de print te harden. Het is veel preciezer en kan strakkere barrières vasthouden. Het kost ook meer. Als je in discussie bent met een inkoopmanager die de print wil verplaatsen naar een goedkopere leverancier om $0.40 per stuk te besparen, moet je de kosten van de afval berekenen. $200 besparen op PCB-fabricage is een holle overwinning als je $4.000 verliest in silicium- en technicustijd door bruggen te herwerken op de eerste 100 printen.

Verdedigingsontwerpstrategie

De gevaarlijkste instelling in jouw CAD-tool is de globale 'Mask Expansion' regel. Junior engineers zetten dit vaak op een 'veilige' 4 mils wereldwijd. Op een grote 0805 weerstand is dat prima. Op een 0,4 mm pitch component zal die globale regel de maskeropeningen overlappen en je barrières verwijderen zonder dat je het doorhebt.

Je moet lokale regels gebruiken. Fijn-pitch componenten vereisen hun eigen specifieke maskeruitbreidingsinstellingen, vaak aangescherpt tot 2 mils of zelfs 1:1 (nul uitbereiding) als de fabriek dat toestaat. Je moet de geometrie afdwingen om een 3 of 4 mil dam toe te staan.

Maar de ultieme verdediging gebeurt nadat het ontwerp klaar is. Wanneer je je Gerbers genereert, vertrouw niet op de 3D-viewer. Open het ruwe GTS (Top Solder Mask) bestand. Zoom in op je meest strakke component. Meet de fysieke opening tussen de maskeropeningen. Als dat getal minder is dan 3 mils (ongeveer 0.075mm), bevind je je in het gevarenzone.

Als je die gevarenzone ziet, heb je twee keuzes: overschakelen naar een fabriek met geverifieerde LDI-capaciteiten die die sliertje kunnen vasthouden, of de footprint van de component aanpassen. Laat de fab geen barrière verwijderen. Laat ze je niet overtuigen tot gangrelief bij een connector tenzij je bereid bent het opbrengstverlies te accepteren. Als de fabriek zegt 'we kunnen dit niet printen', geloof dat dan. Maar laat ze het niet oplossen door het masker te verwijderen. Verplaats het ontwerp, of verplaats de fabriek. Geen barrière, geen productie.