Dams de Máscara de Solda São a Única Proteção Contra Pontes de Alta Densidade

A emissão de som mais cara na fabricação de eletrônicos é o silêncio de uma placa que deveria ter iniciado. Quando você coloca essa placa morta sob o microscópio, esperando ver um capacitor blowado ou um diodo invertido, frequentemente encontra algo muito mais insultante: uma ponte microscópica de solda conectando dois pinos em um conector de passo 0,4mm. Um defeito de fabricação $2 destruiu uma montagem $500.

A maioria dos projetistas imediatamente culpa a casa de montagem. Eles assumem que as aberturas na estêncil eram muito largas ou o perfil de recirculação muito quente. Mas geralmente, a falha foi prevista meses atrás durante a fase de layout, quando uma decisão foi tomada de ignorar a realidade física da solda líquida. Se não houver uma barreira física entre dois pads, a solda tentará se fundir. Isso é uma lei da física, e é rigorosamente aplicada.

A Física da Ponte

Quando a pasta de solda derrete na fornalha de recirculação, ela para de ser uma pasta granulada e se torna um fluido com alta tensão superficial. Ela quer minimizar sua área de superfície. Idealmente, ela molha o pad e o terminal do componente, formando uma filete adequada. Mas em componentes de passo fino—qualquer coisa abaixo de 0,5mm de passo—os pads estão perigosamente próximos. Se a barreira de máscara de solda (aquela fita fina de isolamento entre os pads) estiver faltando, nada impede que esse fluido derretido alcance seu vizinho.

Alguns engenheiros tentam resolver isso ‘privando’ o estágio de solda—reduzindo a abertura na estêncil para depositar menos pasta. É uma solução paliativa comum, frequentemente sugerida em fóruns quando alguém tenta salvar um layout ruim. Embora reduzir o volume de pasta possa diminuir a probabilidade de uma ponte, ela não elimina o mecanismo de falha. Se você tem um BGA ou QFN de passo 0,4mm e depende apenas da tensão superficial para manter a solda no lugar, está jogando. Uma desalinhamento sutil, uma vibração na fornalha ou uma pequena variação na atividade do fluxo fará com que a solda atravesse a lacuna. A única coisa que impede essa ação capilar de forma confiável é uma parede física: a barreira de máscara de solda.

A Geometria do Vira

O problema é que você não pode simplesmente desenhar uma barreira e esperar que ela exista. A máscara de solda é um material físico—geralmente uma epóxi fotossensível líquida (LPI)—que precisa ser impresso, curado e desenvolvido. Como qualquer material, ela tem um ponto de ruptura. Se você projetar uma camada de máscara que seja muito fina, ela não aderirá ao substrato de FR4. Ela descascará durante a fabricação, flutuando na cuba de desenvolvimento ou, pior, lascando posteriormente, contaminando a montagem.

É aqui que surgem os erros de “Anel Rosa” ou “Anel Púrpura” na sua ferramenta CAD. Quando seu DRC (Verificador de Regras de Projeto) sinaliza uma violação de “Sliver de Máscara”, não está tentando te irritar. Está te dizendo que a geometria que você solicitou é fisicamente impossível de criar com o processo químico padrão.

Processos de fabricação padrão geralmente requerem um mínimo de 4 mils (aproximadamente 0,1mm) de barreira de máscara para garantir a aderência. Oficinas avançadas de “HDI” podem reduzir isso para 3 mils. Mas veja a matemática para um componente de passo 0,4mm. Se os pads têm 0,25mm de largura, o espaço entre eles é de apenas 0,15mm (aproximadamente 6 mils). Se você precisa de uma barreira de 4 mils e precisa considerar a expansão da máscara (tolerância de registro) para que ela não suba no pad, você está sem espaço. Você simplesmente ficou sem espaço físico para a isolação.

Essa armadilha de geometria fica significativamente pior se você priorizar a estética. Vemos projetos onde a caixa é aberta, então o designer industrial exige uma máscara de solda “Preto Fosco” para parecer “premium”. Máscaras pretas foscas costumam ser mais macias e requerem processamento químico diferente do verde padrão. Elas mantêm o calor de forma diferente e frequentemente têm pior adesão para recursos finos. Uma barreira que funciona perfeitamente no verde brilhante pode lascar no preto fosco. Vemos toda uma produção de 5.000 unidades atingir uma taxa de falha de 35% simplesmente porque a máscara preta de visual legal não conseguiu sustentar a tela de 3 mils entre os pinos do conector. A física não se importa se sua placa parece legal.

A Armadilha de Alívio da Gangue

Quando a geometria fica muito apertada—digamos, em um BGA de passo 0,35mm ou em uma pegada de QFN mal projetada—a casa de fabricação enviará uma “Pergunta de Engenharia” (EQ). Eles irão apontar que não podem imprimir a barreira entre os pads. A solução proposta deles quase sempre é “Alívio em Grupo” (ou “Mascara em Grupo”).

Alívio de máscara de circuito significa que eles simplesmente removem a máscara entre as páginas, criando uma grande abertura ao redor de uma fileira de pinos. Isso satisfaz a restrição de fabricação: não há uma fina lasca de máscara para descascar. Mas isso introduz um risco catastrófico na montagem.

Sem a barreira, você criou uma estrada para o solda. Em um pacote QFN (Quad Flat No-lead), o solda pode escorrer ao longo da parte inferior do pacote entre os pinos. Esse tipo de ponte é insidioso porque muitas vezes fica escondido sob o corpo do componente, invisível para a inspeção óptica automatizada (AOI). Você pode só descobri-lo quando a placa falha no teste funcional, ou pior, quando a inspeção de raio-X revela o curto.

Há também um custo de confiabilidade a longo prazo aqui. A máscara de solda não impede apenas as pontes; ela isola o cobre. Se você aliviar uma conexão de passo fino, deixa o FR4 exposto entre pinos energizados. Em ambientes de alta umidade, ou se o dispositivo não for limpo perfeitamente de resíduos de fluxos, essa lacuna se torna um espaço de reprodução para crescimento dendrítico. Já vimos recalls médicos acionados não por falha imediata, mas por dendritos crescendo através da lacuna de alívio de gangue após seis meses em campo. A barreira é um isolador; removê-la é uma concessão ao fracasso.

A Ficção da “Capacidade Padrão”

Então por que as fábricas empurram pelo alívio de gangue? Porque isso protege a sua produtividade, não a deles. Se tentarem imprimir uma barreira de 3 mil (milésimos de polegada) e ela descasca, terão que descartar a placa nua. Se aliviar em gangue, a placa nua passa no teste elétrico perfeitamente (porque as pads não estão ligadas). ainda). A ponte ocorre na sua casa de montagem, que não é mais problema da fábrica de placas nuas.

Você precisa entender que as fichas técnicas das fábricas são frequentemente ficção de marketing. Quando uma fábrica offshore orçamentária lista “barreira de máscara de 3 mil” como uma capacidade, esse é o número do “amostra de ouro” – o que eles podem alcançar em uma máquina perfeitamente calibrada, com química nova, em um dia bom. Não é sua capacidade de processo Cpk > 1.33. Se você enviar um projeto com barreiras de 3 mil para um serviço de pool “Padrão”, eles muitas vezes removerão silenciosamente as barreiras via um script CAM se acharem que não podem mantê-las. Você só descobrirá quando as placas chegarem e as barreiras estiverem ausentes.

A solução muitas vezes envolve dinheiro. Processos LPI padrão usam arte de filme e luz UV, que têm limites de alinhamento e difração. Para segurar de forma confiável uma lasca em uma peça com passo de 0,4 mm, muitas vezes você precisa de LDI (Impressão a Laser Direta). O LDI pula o filme e usa um laser para curar a máscara diretamente na placa. É muito mais preciso e pode segurar barreiras mais apertadas. Também custa mais. Quando você discute com um gerente de compras que quer mover a placa para um fornecedor mais barato para economizar $0.40 por unidade, você precisa calcular o custo do descarte. Economizar $200 na fabricação de PCB é uma vitória vazia se você perder $4.000 em silício e tempo de técnico refazendo pontes nas primeiras 100 placas.

Estratégia de Design Defensivo

A configuração mais perigosa na sua ferramenta CAD é a regra global de “Expansão da Máscara”. Engenheiros juniores frequentemente definem isso como 4 mil de forma “segura”. Com um resistor grande de 0805, isso é bom. Com um componente de passo de 0,4 mm, essa regra global sobrepõe as aberturas da máscara e exclui suas barreiras sem você perceber.

Você deve usar regras locais. Componentes de passo fino requerem configurações específicas de expansão da máscara, muitas vezes ajustadas para 2 mil ou até 1:1 (sem expansão), se a capacidade da fábrica permitir. Você precisa forçar a geometria para permitir uma barreira de 3 ou 4 mil.

Mas a defesa final acontece após o término do projeto. Quando você gera seus arquivos Gerbers, não confie no visualizador 3D. Abra o arquivo GTS (Máscara de Solda Superior) bruto. Faça zoom na sua componente mais apertada. Meça a lacuna física entre as aberturas da máscara. Se esse número for menor que 3 mil (cerca de 0,075 mm), você está na zona de perigo.

Se você perceber essa zona de perigo, tem duas opções: mudar para uma fábrica com capacidades verificadas de LDI que possa segurar essa lasca, ou alterar a pegada do componente. Não deixe a fábrica excluir a barreira. Não deixe que te convencem de aliviar em gangue em um conector a menos que você esteja disposto a aceitar a perda de produtividade. Se a fábrica disser “não podemos imprimir isso”, acredite neles. Mas não deixe que resolvam removendo a proteção. Mude o projeto ou a fábrica. Sem barreira, sem construção.