Заграждения маски пайки — единственное, что останавливает мостик между мелкими контактами

Самый дорогой звук в производстве электроники — это тишина платы, которая должна загрузиться. Когда вы смотрите на мертвую плату под микроскопом, ожидая увидеть взорванный конденсатор или неправильно подключённый диод, вы часто обнаруживаете нечто гораздо более оскорбительное: микроскопический мост из паяльника, соединяющий два пина на разъёме с шагом 0,4 мм. Производственный дефект $2 просто уничтожил сборку $500.

Большинство дизайнеров сразу обвиняют сборочный цех. Они предполагают, что отверстия в трафарете были слишком широкими или профиль пайки слишком горячим. Но обычно отказ был заложен ещё на этапе разметки, когда было принято решение игнорировать физическую реальность жидкого припоя. Если между двумя контактами отсутствует физический барьер, припо́й попытается соединиться. Это закон физики и строгое правило.

Физика Моста

Когда припо́й расплавляется в печи рельефа, он перестает быть грубой пастой и становится жидкостью с высокой поверхностной натяжённостью. Он хочет минимизировать свою площадь поверхности. В идеале, он смачивается до посадочной поверхности и выводного пина компонента, образуя правильный филе. Но на компонентах с мелким шагом — всё, что ниже 0,5 мм — контакты опасно расположены близко друг к другу. Если маска-па́на (тонкая изоляционная полоска между контактами) отсутствует, ничто не мешает этой жидкой массе дотянуться до соседнего пина.

Некоторые инженеры пытаются решить проблему, «голодая» соединение — уменьшая отверстие в трафарете для нанесения меньшего количества пасты. Это распространённое временное решение, часто предлагается на форумах, когда кто-то пытается исправить плохой дизайн. Снижение объема пасты может снизить вероятность моста, но не устраняет механизм сбоя. Если у вас есть BGA или QFN с шагом 0,4 мм и вы полагаетесь только на поверхностное натяжение для удержания припоя, вы рискуете. Небольшое смещение, вибрация в печи или незначительные колебания активности флюса вызовут протекание припоя через зазор. Единственное, что надёжно останавливает такое капиллярное действие — физическая стена: маска-па́на.

Геометрия среза

Проблема в том, что достаточно просто нарисовать барьер, и от этого он не появится. Маска для припоя — это физический материал, обычно жидкая фотоотверждаемая эпоксидная смола (LPI), который необходимо наносить, запекать и проявлять. Как любой материал, она имеет предельную точку. Если разработать слишком тонкий слой маски, он не прилипнет к основе из FR4. Он отклеится во время производства, утонет в растворе или, что ещё хуже, отслоится позже, загрязняя сборку.

Именно отсюда возникают ошибки «Розовое кольцо» или «Фиолетовое кольцо» в вашем CAD-инструменте. Когда ваше проверка правил проектирования (DRC) указывает на нарушение «Масочный срез», это не для того, чтобы вас раздражать. Оно говорит вам, что запрашиваемая геометрия физически невозможна для стандартного химического процесса.

Стандартные технологические процессы обычно требуют минимальной маскировочной дамбы в 4 мил (приблизительно 0,1 мм), чтобы обеспечить адгезию. Продвинутые цеха «HDI» могут уменьшить это до 3 мил. Но посчитаем для компонента с шагом 0,4 мм. Если контакты шириной 0,25 мм, зазор между ними — всего 0,15 мм (прибл. 6 мил). Если вам нужна дамба в 4 мил и предусмотрено расширение маски (зазорный допуск), чтобы маска не зашла на контакт, место заканчивается. У вас просто закончилась физическая зона для изоляции.

Эта геометрическая ловушка значительно усугубляется, если вы отдаете предпочтение эстетике. Мы видим проекты, где корпус открыт, и промышленный дизайнер требует «матово-черную» маску припоя, чтобы выглядеть «премиально». Матовые черные маски часто мягче и требуют иной химической обработки, чем стандартная зелень. Они по-разному удерживают тепло и зачастую хуже держатся на мелких деталях. Барьер, идеально державшийся на стандартной глянцевой зеленой маске, может облупиться на матово-черной. Мы наблюдали целые серии производства из 5000 единиц с уровнем отказов 35%, потому что иногда красивый черный слой не мог удержать 3-милевую структуру между пинами разъёма. Физика не заботится о том, как красиво выглядит ваша плата.

Ловушка для помощи бандитам

Когда геометрия становится слишком плотной — например, на BGA с шагом 0,35 мм или неправильно спроектированном контуре QFN — изготовитель выдаст вам «Вопрос инженера» (EQ). Они укажут, что не могут напечатать барьер между контактами. Их решение почти всегда — «Групповая помощь» (или «Группировка маски»).

Облегчение на группе означает, что они просто полностью удаляют маску между подушками, создавая один большой проём вокруг ряда выводов. Это соответствует производственным требованиям: нет тонкой полоски маски, которую нужно снимать. Но это влечёт за собой катастрофический риск сборки.

Без дамбы у вас создаётся дорога для припоя. На корпусе QFN (Quad Flat No-lead) припой может протечь по нижней части корпуса между выводами. Такой мостик коварен, потому что он часто скрыт под корпусом компонента, невидим стандартной автоматизированной оптической инспекцией (AOI). Вы можете обнаружить его только при неудаче функционального теста платы или, что хуже, при рентгеновском контроле, выявляющем короткое замыкание.

Здесь также есть долгосрочная проблема надёжности. Маска припоя не только предотвращает мостики; она изолирует медь. Если вы делаете облегчение для тонкопористого разъёма, вы оставляете открытым голый FR4 между активными выводами. В условиях высокой влажности или при неполной очистке флюсовых остатков эта щель становится местом для роста дендритов. Мы наблюдали медицинские отказы, вызванные не сразу, а ростом дендритов через прорезанный мостиком за шесть месяцев эксплуатации. Дамба — это изолятор; её удаление — уступка перед возможными поломками.

Миф о «Стандартной Возможности»

Почему же фабрики настаивают на облегчении группы? Потому что это защищает их урожай, а не ваш. Если они попытаются напечатать дамбу 2,5 мили, и она отклеится, им придётся выбросить голую плату. Если они сделают облегчение на группе, голая плата успешно пройдет их электрический тест (потому что подушки не соединены мостиком). ещё). Мостик появляется у вашего сборочного цеха, что больше не является проблемой производителя голой платы.

Вы должны понимать, что технические характеристики фабрик часто являются маркетинговой выдумкой. Когда национальный зарубежный цех объявляет о возможности сделать «маску дамбы 3 мили», это их «золотой стандарт» — то, что они могут достигнуть на идеально откалиброванной машине с новой химией в хороший день. Это не их производительность с Cpk > 1.33. Если вы отправите проект с дамбами в 3 мили в обычную службу, они часто тихо удалят дамбы с помощью CAM-скрипта, если сочтут, что не смогут удержать их. Вы об этом узнаете только после получения плат и отсутствия дамб.

Решение часто связано с затратами. Стандартные процессы LPI используют фотошаблон и ультрафиолетовое освещение, которые имеют ограничения по выравниванию и дифракции. Чтобы надёжно удержать тонкую полоску на компоненте с шагом 0,4 мм, часто необходима лазерная прямое изображение (LDI). LDI пропускает использование фотошаблона и использует лазер для непосредственного затвердевания маски прямо на плате. Это значительно точнее и позволяет удерживать более тонкие дамбы. Но это стоит дороже. Когда вы спорите с менеджером по закупкам, который хочет перевести плату к более дешевому поставщику, чтобы сэкономить $0.40 за единицу, вам нужно рассчитать стоимость бракованных изделий. Экономия $200 на производстве PCB — пустая победа, если вы теряете $4,000 на перепайке мостиков на первых 100 платах из-за времени инженеров и техники.

Стратегия оборонительного дизайна

Самая опасная настройка в вашем CAD-инструменте — глобальное правило «Расширение маски». Младшие инженеры часто устанавливают его в безопасные 4 мили по всему полю. На крупном резисторе 0805 это нормально. Но на компоненте с шагом 0,4 мм такое глобальное правило перекроет отверстия маски и удалит ваши дамбы, даже не заметив этого.

Вы должны использовать локальные правила. Компоненты с тонким шагом требуют собственных настроек расширения маски, часто усечённых до 2 мили или даже 1:1 (без расширения), если возможности фабрики это позволяют. Ваша задача — заставить геометрию обеспечить дамбу толщиной 3 или 4 мили.

Но окончательная защита осуществляется после завершения проекта. Когда вы создаёте файлы Gerber, не доверяйте 3D-просмотрщику. Откройте исходный файл GTS (верхняя маска для пайки). Увеличьте изображение на самый узкий компонент. Измерьте физический зазор между отверстиями маски. Если эта цифра меньше 3 мили (примерно 0,075 мм), вы находитесь в опасной зоне.

Если вы видите эту опасную зону, у вас есть два варианта: перейти на фабрику с проверенными возможностями LDI, способной удерживать такой тонкий зазор, или изменить габариты компонента. Не позволяйте фабрике удалять дамбу. Не позволяйте им убеждать вас делать облегчение на группе для соединителя, если вы не готовы принять потерю урожая. Если фабрика говорит «мы не можем напечатать это», поверте им. Но не позволяйте им исправлять это путём удаления защиты. Перенесите проект или смените фабрику. Без дамбы — без сборки.