การขยายหน้ากากบัดกรี: ตัวทำลายผลผลิตที่มองไม่เห็น

กลิ่นของการตัดสินใจผิดพลาดเกี่ยวกับ solder mask นั้นชัดเจน มันมีกลิ่นเหมือนฟลักซ์ไหม้ โพลีอิไมด์ร้อน และบ่ายวันเสาร์ที่ใช้เวลาค้อมตัวอยู่กับกล้องจุลทรรศน์ Mantis พร้อมกับมือที่ถือหัวแร้ง เมื่อคุณมอง QFN-32 ภายใต้การขยาย 10 เท่าและเห็นขาแต่ละขาเชื่อมต่อกันกับข้างเคียง คุณไม่ได้คิดถึงการเดินสายที่สวยงามหรือการจำลองความสมบูรณ์ของสัญญาณ คุณกำลังมองความล้มเหลวทางกายภาพของการกั้น เขื่อน solder paste ที่ควรจะแยกแผ่น 1 ออกจากแผ่น 2 นั้นไม่มีอยู่จริง หลังจากที่ solder paste ถูกให้ความร้อนในเตา reflow มันไม่มีที่หยุด มันไหลย้อย ดูดซึม และรวมตัวกัน

อย่าโทษหัวแร้ง และหยุดโทษสเตนซิล นี่คือปัญหาข้อมูลที่กลายเป็นฝันร้ายทางกายภาพ สาเหตุหลักอยู่ที่การตั้งค่า CAD ซึ่งมักถูกตั้งไว้ที่ค่าเริ่มต้น "ปลอดภัย" ที่ขยาย 4 mils ซึ่งลบตาข่าย solder mask ระหว่างแผ่นขาเล็กอย่างเงียบๆ ฟิสิกส์ไม่สนใจการเรนเดอร์ของคุณ ถ้าเขื่อนหายไป solder จะเชื่อมกัน

ทำไม The Fab House ถึงอยากทำลายการประกอบของคุณ

ผู้ผลิตบอร์ดเปล่าและผู้ประกอบของคุณมีความขัดแย้งทางผลประโยชน์อย่างพื้นฐาน โรงงานผลิตกลัว "การล้ำเส้น" หากพวกเขาพิมพ์ชั้นหน้ากากสีเขียวผิดตำแหน่งเล็กน้อย (ซึ่งเป็นความจริงที่แน่นอนของกระบวนการฟิล์มเปียก) และหน้ากากนั้นไปทับบนแผ่นทองแดง คุณจะปฏิเสธบอร์ดเพราะความสามารถในการบัดกรีไม่ดี เพื่อปกป้องตัวเองจากต้นทุนของเศษซาก พวกเขาต้องการบัฟเฟอร์ความปลอดภัย พวกเขาต้องการให้คุณขยายช่องเปิดหน้ากากเพื่อให้แม้ว่าการจัดตำแหน่งจะเลื่อน 2 หรือ 3 mils ช่องเปิดก็ยังไม่ทับแผ่นทองแดง

ระยะปลอดภัยนี้ช่วยประหยัดเงินให้พวกเขา แต่ทำให้คุณเสียความน่าเชื่อถือ เมื่อคุณใช้กฎการขยายทั่วโลก—เช่น มาตรฐานอุตสาหกรรม 4 mils (0.1 มม.)—กับชิ้นส่วนที่มีระยะขา 0.5 มม. คุณจะลบสะพานระหว่างแผ่นขาออกทางคณิตศาสตร์ คุณกำลังแลกข้อบกพร่องด้านความสวยงามที่อาจเกิดขึ้น (หน้ากากบนแผ่นขา) กับข้อบกพร่องด้านการทำงานที่แน่นอน (การเชื่อมของ solder)

ถ้าคุณทำงานกับร้านผลิตงบประมาณ คุณมักจะได้รับอีเมล "คำถามทางวิศวกรรม" หรือ "รอการดำเนินการ" พวกเขาจะชี้ให้เห็น footprint ระยะขาเล็กของคุณและอ้างว่า "แถบ" ของหน้ากากระหว่างแผ่นขาบางเกินไปที่จะพิมพ์ได้อย่างน่าเชื่อถือ พวกเขาไม่ได้โกหก; กระบวนการของพวกเขาอาจไม่สามารถรักษาตาข่าย 3 mil ได้โดยไม่ให้มันลอกออก แต่ถ้าคุณปล่อยให้พวกเขา "แก้ไข" โดยการลบตาข่ายออกทั้งหมด คุณอนุญาตให้พวกเขาสร้างทะเลสาบทองแดงเปลือยที่ควรจะเป็นเกาะแยกกัน พวกเขาให้ความสำคัญกับผลผลิตของพวกเขามากกว่าของคุณ

กลไกของเขื่อน

หน้ากากบัดกรีทำหน้าที่น้อยกว่าเหมือนสีและมากกว่าเหมือนเขื่อนไฮดรอลิก งานหลักของมันในเตา reflow คือการทำลายแรงตึงผิวของบัดกรีหลอม เมื่อพาสต์ละลาย มันต้องการลดพื้นที่ผิวให้ต่ำที่สุด ถ้าชิ้นหน้ากากวางอยู่ระหว่างแผ่นขาสองแผ่น บัดกรีจะจับตัวเป็นหยดบนแผ่นขานั้น ถูกกั้นโดยผนังหน้ากาก นี่คือผลของ "ปะเก็น" หน้ากากให้ผนังแนวตั้งสำหรับสเตนซิลวางอยู่ และเป็นอุปสรรคแนวนอนที่บัดกรีไม่สามารถเปียกได้

เมื่อคุณลบเขื่อนนั้น—ไม่ว่าจะด้วยการตั้งค่าขยายที่รุนแรงหรือโรงงานผลิตที่ใช้ "gang relief"—คุณจะสูญเสียการกั้น พื้นที่ระหว่างแผ่นขากลายเป็นแผ่น FR4 เปลือย บัดกรีหลอมจะไหลผ่านช่องว่างนั้นได้ง่าย โดยเฉพาะถ้าช่องเปิดสเตนซิลถูกออกแบบโดยสมมติว่ามีซีลแบบปะเก็น หากไม่มีความสูงของหน้ากากมาขวาง บัดกรีจะไหลย้อย

นี่มักเป็นจุดที่เกิดความตื่นตระหนกสำหรับชิ้นส่วน BGA คุณอาจเห็นการลัดวงจรใต้รังสีเอกซ์และคิดว่าปริมาณพาสต์มากเกินไปหรือโปรไฟล์ร้อนเกินไป ดูบอร์ดเปล่าก่อน หากช่องเปิดหน้ากากสำหรับแผ่น BGA ใหญ่จนสัมผัสกัน คุณได้สร้างเส้นทางที่มีความต้านทานต่ำสุดให้ลูกบัดกรีรวมตัวกับข้างเคียง แผ่นที่ไม่ได้กำหนดโดยหน้ากากบัดกรี (NSMD) เป็นมาตรฐานสำหรับ BGA เพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือ แต่ถ้าการขยายรุนแรงเกินไป "คูน้ำ" รอบแผ่นจะกลายเป็นช่องทางสำหรับการเชื่อมกัน

กับดักเรียกคืนแก๊ง

เวอร์ชันที่อันตรายที่สุดของปัญหานี้เกิดกับ QFN และตัวเชื่อมต่อระยะขาเล็ก นักออกแบบที่เหนื่อยกับการแก้ไขข้อผิดพลาด DRC (ตรวจสอบกฎการออกแบบ) เกี่ยวกับ "แถบหน้ากากบัดกรีขั้นต่ำ" มักเลือกทางที่ง่ายที่สุด: Gang Relief ซึ่งเกี่ยวข้องกับการวาดสี่เหลี่ยมผืนผ้าขนาดใหญ่ของช่องเปิดหน้ากากครอบแถวขาทั้งหมด

มันดูสะอาดในโปรแกรมดู Gerber ผ่านการตรวจสอบของโรงงานผลิตทันทีเพราะไม่มีแถบบางที่บอบบางให้พิมพ์ แต่บนสายการประกอบ มันคือหายนะ ฉันเคยเห็นถาดซิลิคอนราคาแพง—QFP-100 บนต้นแบบอุปกรณ์การแพทย์—ถูกทิ้งเพราะเรื่องนี้ เมื่อคุณใช้ gang relief กับแถวขาที่มีระยะ 0.5 มม. คุณกำลังขอให้แรงตึงผิวของบัดกรีเป็นสิ่งเดียวที่แยกข้อต่อออกจากกัน ซึ่งแทบจะไม่เคยสำเร็จ บัดกรีจะดึงเข้าหากัน และคุณจะได้แท่งโลหะผสมเดียวที่ลัดวงจรสิบขา

การแก้ไขด้วยมือบนสิ่งเหล่านี้โหดร้าย คุณต้องดูดบัดกรีทั้งหมดออก ทำความสะอาดบริเวณด้วยแอลกอฮอล์ และพยายามบัดกรีข้อต่อใหม่โดยไม่มีเขื่อนหน้ากากนำทาง มันเปลี่ยนการประกอบบอร์ด $5 เป็นโครงการแก้ไข $50

เกณฑ์ LDI

คุณไม่สามารถลดขนาดเว็บได้เรื่อยๆ เพราะวัสดุจะเสียหายทางกายภาพในที่สุด ทางแก้จริงคือการจ่ายเงินเพื่อความแม่นยำ กระบวนการภาพถ่ายแบบดั้งเดิมต้องการปัจจัยความคลาดเคลื่อนนั้น การถ่ายภาพโดยตรงด้วยเลเซอร์ (LDI) เปลี่ยนคณิตศาสตร์นี้ LDI ไม่ใช้ฟิล์ม แต่ใช้เลเซอร์ในการรักษาหน้ากากโดยตรงบนบอร์ด โดยอ้างอิงจาก fiducials ของบอร์ดเองเพื่อการจัดตำแหน่ง

ด้วย LDI คุณไม่จำเป็นต้องขยาย 3 หรือ 4 มิล คุณสามารถใช้หน้ากาก 1:1 (ไม่มีการขยาย) หรือขยายเพียง 1 มิลที่เข้มงวดมาก ซึ่งช่วยให้คุณรักษาเขื่อน 3 มิลที่แข็งแรงแม้ในชิ้นส่วนที่มีระยะห่าง 0.4 มม. ใช่ LDI มีค่าใช้จ่ายสูงกว่า มันเป็นกระบวนการระดับพรีเมียม แต่เปรียบเทียบต้นทุนนี้กับต้นทุนการทำงานซ้ำ หากคุณกำลังสร้างอุปกรณ์สำหรับผู้บริโภคที่ใช้ชิ้นส่วน 0805 passive และชิป SOIC ให้ประหยัดเงินและใช้กระบวนการที่ไม่แม่นยำ แต่ถ้าคุณวาง QFN ระยะห่าง 0.4 มม. หรือ BGA 0.5 มม. “การประหยัด” บนบอร์ดเปล่าจะหายไปทันทีที่ตรวจพบสะพานแรกที่ AOI

เส้นฐานใหม่

หยุดเชื่อถือค่าปริยายในเครื่องมือ EDA ของคุณ การขยายทั่วโลก 4 มิลเป็นสิ่งล้าสมัยจากยุคที่ชิ้นส่วนมีขนาดใหญ่

สำหรับชิ้นส่วนใดๆ ที่มีระยะห่าง 0.5 มม. หรือน้อยกว่า คุณต้องเข้าแทรกแซง:

1. ตรวจสอบเว็บ: ตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีหน้ากากอย่างน้อย 3 มิล (0.075 มม.) ระหว่างแผ่นรองในแบบของคุณ
2. ตรวจสอบการขยาย: ถ้าการรักษาเว็บนั้นต้องลดการขยายเหลือ 0 หรือ 1 มิล ให้ทำเช่นนั้น
3. ระบุ LDI: ถ้าคุณลดการขยาย แจ้งโรงงานว่าคุณต้องการ LDI หากไม่แจ้ง พวกเขาอาจระงับงานคุณ หรือแย่กว่านั้น ขยายกลับโดยไม่บอกคุณ
4. ไม่มีการผ่อนคลายกลุ่ม: อย่าอนุญาตให้แถวของพินแชร์ช่องเปิดหน้ากากเดียวกัน เว้นแต่ datasheet จะระบุอย่างชัดเจน (ซึ่งพบได้น้อย)

หน้ากากเป็นส่วนหนึ่งของการประกอบทางกลไก ปฏิบัติต่อมันด้วยความแม่นยำเท่ากับที่คุณปฏิบัติต่อทองแดง