Расширение паяльной маски: невидимый убийца выхода годных

Запах плохого решения с паяльной маской отчетливо узнаваем. Он пахнет сгоревшим флюсом, горячим полиимидом и субботним днем, проведённым, согнувшись над микроскопом Mantis с паяльником в руке. Когда вы смотрите на QFN-32 под 10-кратным увеличением и видите, что каждый контакт замкнут с соседним, вы не думаете об элегантной разводке или симуляциях целостности сигнала. Вы видите физический сбой удержания. Паяльная паста, однажды нагретая в печи оплавления, не имела куда остановиться. Она стекала, растекалась и сливалась, потому что механическая дамба, которая должна была разделять контакт 1 и контакт 2, просто отсутствовала.

Не вините паяльник и перестаньте обвинять трафарет. Это проблема данных, которая превратилась в физический кошмар. Корень проблемы кроется в настройках CAD, часто оставленных на «безопасном» значении расширения 4 мил, которое тихо удаляет паутину паяльной маски между контактами с мелким шагом. Физика не заботится о вашем рендере. Если дамба отсутствует, припой замкнёт контакты.

Почему Fab House хочет испортить вашу сборку

Ваш производитель печатных плат и сборщик имеют фундаментальный конфликт интересов. Производитель боится «вторжения». Если они нанесут слой зелёной маски немного не по центру (что гарантированно происходит при обработке влажной плёнкой), и эта маска попадёт на медную площадку, вы отклоните плату из-за плохой паяемости. Чтобы защититься от затрат на брак, они требуют запас безопасности. Они хотят, чтобы вы расширили отверстие маски так, чтобы даже при смещении выравнивания на 2 или 3 мил отверстие всё равно не касалось площадки.

Этот запас безопасности экономит им деньги, но стоит вам надёжности. Когда вы применяете глобальное правило расширения — скажем, отраслевой стандарт 4 мил (0,1 мм) — к компоненту с шагом 0,5 мм, вы математически устраняете мостик между площадками. Вы меняете потенциальный косметический дефект (маска на площадке) на гарантированный функциональный дефект (пайка мостиком).

Если вы работаете с бюджетными производителями, вы часто получите страшное письмо «Инженерный запрос» или «На удержании». Они отметят ваши посадочные места с мелким шагом и заявят, что «полоска» маски между контактами слишком тонкая для надёжной печати. Они не лгут; их процесс может не удержать 3-миловую паутину без отслаивания. Но если вы позволите им «исправить» это, полностью удалив паутину, вы разрешаете им создать озеро открытой меди там, где должны быть отдельные островки. Они ставят свой выход продукции выше вашего.

Механика дамбы

Паяльная маска работает скорее как гидравлическая дамба, а не как краска. Её основная задача в печи оплавления — разорвать поверхностное натяжение расплавленного припоя. Когда паста плавится, она стремится минимизировать свою поверхность. Если между двумя площадками лежит полоса маски, припой собирается в капли на соответствующих площадках, удерживаемых стенкой маски. Это эффект «прокладки». Маска обеспечивает вертикальную стенку для опоры трафарета и горизонтальный барьер, к которому припой не смачивается.

Когда вы удаляете эту дамбу — либо из-за агрессивных настроек расширения, либо из-за того, что производитель применяет «групповое снятие» — вы теряете удержание. Пространство между площадками становится открытым слоем FR4. Расплавленный припой легко растекается через этот зазор, особенно если отверстие трафарета было рассчитано с учётом уплотнения прокладки. Без высоты маски, чтобы блокировать его, припой стекает.

Часто именно здесь начинается паника с компонентами BGA. Вы можете увидеть короткие замыкания на рентгене и предположить, что объём пасты слишком велик или профиль слишком горячий. Сначала посмотрите на голую плату. Если отверстия маски для площадок BGA настолько велики, что касаются друг друга, вы создали путь наименьшего сопротивления для слияния шарика припоя с соседним. Площадки без паяльной маски (NSMD) являются стандартом для BGA для повышения надёжности, но если расширение слишком агрессивное, «ров» вокруг площадки становится каналом для мостиков.

Ловушка для помощи бандитам

Самая опасная версия этой проблемы возникает с QFN и разъёмами с мелким шагом. Проектировщики, уставшие бороться с ошибками DRC (проверка правил проектирования) о «минимальной полоске паяльной маски», часто выбирают путь наименьшего сопротивления: групповое снятие. Это означает создание одного большого прямоугольника отверстия маски над целым рядом контактов.

В просмотрщике Gerber это выглядит аккуратно. Это сразу проходит проверки производителя, потому что нет тонких полосок для печати. Но на сборочной линии это катастрофа. Я видел лотки дорогого кремния — QFP-100 на прототипах медицинских устройств — списанные из-за этого. Когда вы группируете ряд контактов с шагом 0,5 мм, вы просите поверхностное натяжение припоя быть единственным, что удерживает соединения раздельными. Это редко работает. Припой стягивается вместе, и в итоге получается одна сплошная шина, замыкающая десять контактов.

Ручной ремонт таких случаев — это мучение. Нужно убрать весь припой, очистить область спиртом и пытаться заново паять соединения без дамбы маски, которая могла бы направлять вас. Это превращает сборку платы $5 в проект по ремонту $50.

Порог LDI

Нельзя просто продолжать уменьшать переплет; в конечном итоге материал физически выходит из строя. Реальное решение — платить за точность. Традиционные фоточувствительные процессы требуют этого запаса. Лазерное прямое изображение (LDI) меняет правила. LDI не использует пленку. Он использует лазер для прямого отверждения маски на плате, ориентируясь на собственные метки платы для выравнивания.

С LDI вам не нужно расширение в 3 или 4 мил. Вы можете использовать маску 1:1 (нулевое расширение) или очень плотное расширение в 1 мил. Это позволяет сохранить надежную дамбу в 3 мил даже на деталях с шагом 0,4 мм. Да, LDI стоит дороже. Это премиальный процесс. Но сопоставьте эту стоимость с затратами на переделку. Если вы собираете потребительское устройство с пассивами 0805 и микросхемами SOIC, сэкономьте деньги и используйте менее точный процесс. Но если вы размещаете QFN с шагом 0,4 мм или BGA с шагом 0,5 мм, «экономия» на голой плате исчезнет в момент обнаружения первого моста на AOI.

Новая базовая линия

Перестаньте доверять настройкам по умолчанию в ваших EDA-инструментах. Глобальное расширение в 4 мил — это пережиток времени, когда компоненты были огромными.

Для любого компонента с шагом 0,5 мм или меньше необходимо вмешательство:

1. Проверьте переплет: Убедитесь, что в вашем проекте между контактами маска имеет толщину не менее 3 мил (0,075 мм).
2. Проверьте расширение: Если для сохранения переплета требуется уменьшить расширение до 0 или 1 мил, сделайте это.
3. Укажите LDI: Если вы уменьшаете расширение, сообщите производителю, что требуется LDI. Если не сообщите, вас могут поставить на паузу или, что хуже, просто расширят обратно без уведомления.
4. Без группового расширения: Никогда не позволяйте ряду контактов использовать одно отверстие маски, если это явно не требуется в техническом описании (что бывает редко).

Маска — часть механической сборки. Обращайтесь с ней с той же точностью, что и с медью.