Экраны RF и аргументы против накрытых vias

Печь для рефлоу завершает свой тепловой профиль, платы выходят из паровой фазы, а RF-экраны аккуратно припаяны к своим контактам. Сборка выглядит безупречно. Однако через три недели испытаний начинают проявляться прерывистые сбои. Когда вы снимаете щит, очевидна картина: крошечные шарики припоя, разбросанные по плате, следы влаги, радиирующие от отверстий, и в худших случаях, короткие замыкания мостами. Свинцовые шарики и остатки на плате — прямое следствие дегазации из-за неправильно обработанных отверстий при пайке.

Причина? Решение дизайна, которое казалось консервативным, стандартная практика, заимствованная из общего проектирования PCB, без учета уникальной окружающей среды под щитом. Это было чрез отверстия.

Хотя закрытие отверстий в большинстве случаев имеет смысл, закрытая зона под RF-щитом превращает процесс рефлоу в эксперимент с давлением. Захваченная влага, летучие вещества в маске припоя и продукты разложения эпоксидной смолы ищут выход при повышении температуры. Закрепленный металлический кожух на плате — их малое количество. Последствия проявляются как дегазационные повреждения, дефекты шариков припоя и снижение надежности. Мы полагаем, что закрытие отверстий под и рядом с RF-щитами следует полностью избегать. Аргумент против этого базируется на физике процесса рефлоу и поведении материалов маски припоя под тепловым стрессом.

Общая практика: скрытая рефлоунная бомба

Закрытие отверстий, при котором маска припоя наносится поверх отверстия, рассчитано на герметизацию отверстия сверху. Это предотвращает проникновение пасты в отверстие во время рефлоу, что является вполне рациональным подходом для многих конструкций. Эта практика широко задокументирована в стандартах IPC и уже десятилетиями считается надежной. В большинстве случаев она работает без происшествий.

RF-защиты ломают эту модель. Щит — это металлический корпус, припаянный к плате, создающий электромагнитный барьер. Во время рефлоу этот корпус становится полузакрытой камерой, изолирующей внутреннее пространство от атмосферы печи. Все газы, образующиеся внутри, задерживаются. Это принципиально отличается от открытой среды на плате, где живет большинство компонентов.

Ловушка создается взаимодействием этого закрытого пространства и материалов платы. Маска припоя, эпоксидный полимер, поглощает влагу из воздуха. При нагревании выше точки стеклования эти задержанные летучие вещества расширяются и ищут выход. На открытой плате они просто выходят в печь. Под щитом они задерживаются. Закрытые отверстия, предназначенные для герметизации, становятся слабыми местами. Толщина пленки маски поверх отверстия меньше, чем у окружающей маски, и при нарастании давления от дегазации эта тонкая пленка может порваться или вспучиться. В результате получается не чистый выпуск пара, а локальный дефект, пробивающийся через расплавленный припой.

Что происходит под щитом

Процесс повторной обработки для бессвинцовых паяльных сплавов обычно достигает пика при около 250°C, что значительно выше температуры стеклования 120-150°C для большинства масок для пайки. По мере нагрева платы эпоксидные материалы маски переходят из стеклоподобного, жесткого состояния в более резиновое. Это позволяет поглощенной влаге испаряться и мигрировать, создавая внутренние градиенты давления, которые ищут свою наиболее слабую точку: тонкую маску над vias.

Механизм дегазации

Дегазация — это взрывное высвобождение захваченного газа из материала под действием тепла. Во время пикового рефлоу, который длится от 30 до 90 секунд, тонкая пленка маски припоя над отверстием — часто всего 15–25 микрон — должна сдерживать это давление. Если пленка разрывается, газ быстро выходит в среду, где припой полностью расплавлен.

Этот струй газа, выходящего при разбавлении, и продукты разложения эпоксидной смолы создают турбулентность, отбрасывая крошечные капельки припоя от их посадочных площадок. Эти шарики припоя рассеяны по внутренней части экрана, образуя минапул потенциалных дефектов.

Как образуются шарики для пайки и почему они важны

Шарики для пайки — это небольшие сферы из сплава, образующиеся, когда расплавленный припой смещается и затвердевает поодиночке. Газовая струя из разорванного отверстия запускает эти капли, которые естественным образом формируют сферы из-за поверхностного натяжения. По мере охлаждения платы, они затвердевают в любом месте их приземления.

Электрический риск очевиден. Провідна сфера может замкнуть два дорожки, создав короткое замыкание. Даже если это не вызывает немедленный отказ, свободный припойный шар — это бомба замедленного действия для надежности; вибрация или тепловое циклирование могут его dislodge, вызвав короткое замыкание позже в эксплуатации устройства. Для приложений высокой надежности в автомобильной, медицинской или аэрокосмической сферах наличие шариков припоя является критерием для отбора.

Механический риск более тонкий. Шарики припоя, застрявшие под экранав, могут мешать его садиться ровно на плату, снижая эффективность экранирования. В крайних случаях шар между экраном и компонентом может создавать механические напряжения, вызывая трещины компонентов или усталость пайки. Переделка платы для удаления экрана занимает много времени и дорого обходится, зачастую требуя полного цикла перепайки и рискуя повреждением платы и самого экрана.

Через обработки, выдерживающие рефлоу

Решение — убрать тонкий слой фоторезистной маски надvias и обеспечить управляемый путь для выхода газов. Дляvias под RF-экраном существуют три основные альтернативы.

Open Vias: Самый простой вариант — оставитьvias открытыми, без покрытие фоторезистной маски. Это создает свободный канал для выхода влаги или паров из ламинации, предотвращая накопление давления. Основная проблема с открытымиvias — капание припоя в ствол — редка подэкранами, поскольку крепежные площадки экрана крупнее и обычно не расположены рядом с компонентами с тонким шагом. Это самое дешевое и самое понятное решение.

Filled Vias: Здесь стволvias заполняется непроводящим эпоксидным материалом, после чего планируется и покрывается металлическим слоем. Это исключает воздушное пространство, которое задерживает влагу, эффективно предотвращая выход газов изствола vias. Залитыеvias значительно дороже и обычно используются дляvia-in-pad конструкций, где компонент должен располагаться непосредственно надvias. В то время как это эффективно, зачастую избыточно для области подэкраном.

Plugged Vias: Золотая среда — заглушенныеvias заполняются пайолентай или Resin-пломбой, которая располагается чуть ниже поверхности. Такой пломба препятствует проникновению припоя, но не создает герметичной оболочки. Хотя они дешевле полностью залитыхvias, их преимущество перед открытымиvias в этой конкретной ситуации ограничено, так как основная задача — вентиляция, а не герметизация.

Связанным и более экономичным подходом является via-near-pad. Размещая открытуюvia чуть за пределами крепежных площадок шильд, при условии соблюдения зазора не менее 0,2 мм от нанесения паяльной пасты, вы получаете необходимое электрическое соединение без риска капания или стоимости заливки.

Проектирование для повторной обработки

Избегайте закрытыхvias как первый шаг. Следующий — проектировать так, чтобы учитывалась необходимость снятия экранов для отладки, ремонта или обновлений.

Открытые отверстия фоторезистной маски вокруг периметраэкрана должны быть sized так, чтобы обеспечить доступ для инструментов для переделки. Общая практика — определять отверстие, которое выходит за границы площадкиэкрана на 0.1–0.15 мм. Это обеспечивает визуальный контроль и доступность всей пайки. Если отверстие слишком узкое, маска действует как радиатор, усложняя переделку; если слишком большое — подвергает соседние дорожки повреждению.

Предположим с самого начала, что щит будет удален. Разработайте монтажные площадки с достаточной тепловой массой и зазором для маски припоя, чтобы выдерживать многократные циклы перепайки без подъема. Это означает использование площадок, больших, чем минимально необходимое для крепления, и документирование правильной процедуры перепайки, включая температуру инструмента и время выдержки.

Стратегия тестовых точек, когда щиты блокируют доступ

RF-щит — это стена, блокирующая прямой доступ к сигналам внутри с помощью зонда. Важные точки тестирования должны быть перемещены за границы щита во время этапа проектирования.

Для линий питания и заземления это просто, поскольку их можно получить в другом месте на плате. Для чувствительных RF или высокоскоростных сигналов решением часто является небольшой, AC-связанной пробной площадки, расположенной чуть за стеной щита. Это позволяет проводить тестирование без нарушения целостности экрана, хотя нужно учитывать небольшую паразитную емкость в ходе проектирования.

Различайте между соединением через via (via stitching) и тестовыми via. Массивы из мелких via под щитом предназначены для заземления, а не для тестирования. Если вам нужно проверить заземляющее соединение, добавьте отдельный, большего диаметра тестовый via рядом с периметром, четко обозначенный на шелкографии.

Исправление существующего дизайна

Если у вас уже возникают проблемы с газообразованием на плате, разработанной с защищенными via, ваши возможности ограничены. Лучший вариант — ревизия на уровне Gerber, с просьбой у изготовителя удалить маску припоя с via в затронутой области. Если платы уже собраны, их предварительная выпечка при 120°C в течение нескольких часов перед монтажом поможет выпарить часть влаги и снизить интенсивность газообразования. Тем не менее, ни одно из этих исправлений не заменяет правильное проектирование платы с самого начала.