Comprendre les principes fondamentaux du masque et du Pad de soldat

Le masque à souder est une couche de polymère diélectrique appliquée aux traces de cuivre d'un circuit imprimé (PCB) pour les protéger de l'oxydation, de la contamination et des courts circuits accidentels. Il ne présente que les tampons en cuivre où les composants seront soudés. Le tampon lui-même est la zone d'atterrissage en cuivre où le plomb ou la pâte de souder est appliqué. L'interaction entre l'ouverture du masque et la géométrie du tampon détermine directement la fiabilité des joints de souder.

Le défi fondamental consiste à équilibrer le besoin de volume de soudure suffisant pour former une forte connexion mécanique et électrique avec la nécessité d'empêcher la soudure de se propager au-delà de la zone prévue. Masque de soudure agit comme un barrage qui limite la soudure fondue au tampon. Si l'ouverture du masque est trop grande par rapport au tampon, le soudure peut s'écouler vers l'extérieur et ponter les caractéristiques voisines. Inversement, si l'ouverture du masque est trop petite, le tampon peut ne pas être entièrement mouillé, ce qui entraîne une formation de joints médiocre et des circuits ouverts.

Règles de conception clés pour la géométrie des Pad

La géométrie des bandes est le facteur le plus important pour empêcher les circuits de pont et les circuits ouverts. Les dimensions physiques du tapis – sa taille, sa forme et son espacement – déterminent la quantité de soudure possible et la façon dont cette soudure se comporte pendant le reflow ou la soudure par vague.

Taille et forme de la plaquette

Pour les composants de la technologie de montage en surface (SMT), le tampon doit correspondre étroitement aux dimensions de terminaison des composants, mais il doit être possible de les tolérer peu. Les normes industrielles telles que la CIB-7351 offrent des modèles de terrain recommandés pour divers types de composants. Une règle courante est de rendre le tampon légèrement plus large (0,2 mm à 0,5 mm) que le terminal de l'élément pour assurer une formation adéquate de filet.

La longueur du tampon est également importante. Pour les composants de la puce, le tampon doit s'étendre de 0,3 mm à 0,5 mm au-delà de l'extrémité de la terminaison pour créer un filet de soudure visible qui peut être inspecté. Si le tampon est trop court, l'articulation peut être faible; si trop long, le souder excédentaire peut mordre loin de l'extrémité, laissant un volume insuffisant à l'interface de joint.

Espacement de la paillasse et enlèvement du masque de souder

L'espacement des bandes est essentiel pour empêcher les ponts, surtout dans les conceptions à haute densité comme les grilles à billes (BGA) et les blocs Quad Flat No-lead (QFN). L'espacement minimal entre les plaques adjacentes est régi par la capacité d'enregistrement du masque à souder du fabricant de BPC. Une règle typique est de maintenir une largeur de barrage de masque à souder d'au moins 0,1 mm entre les plaques. Pour les emplacements de moins de 0,5 mm, les plaquettes définies par masque sont souvent nécessaires, lorsque l'ouverture du masque définit la zone de soudure plutôt que le cuivre lui-même.

Lors de la mise en place des espaces de séparation du masque de soudure, l'ouverture doit être de 0,05 mm à 0,15 mm plus petite que le tampon de cuivre de chaque côté. Cela laisse une lèvre --masque qui maintient la pâte de soudure en place et l'empêche de saigner sur la surface du masque. Si la clairance est trop grande, le masque peut s'éloigner du cuivre pendant le durcissement, créant une cavité qui piège les résidus de flux et conduit à la corrosion ou à la migration électrochimique.

Plaquettes de protection thermique

Pour les composants et les vias reliés aux grands plans en cuivre, les reliefs thermiques sont essentiels. Un relief thermique est un motif qui relie le bloc à un plan en cuivre à travers un ensemble de traces étroites (généralement quatre rayons à 90° d'intervalle).Cette conception réduit l'effet de dissipateur thermique pendant le brasage, permettant à l'articulation d'atteindre rapidement la température requise. Sans reliefs thermiques, le bloc peut ne pas obtenir un mouillage approprié, conduisant à des joints froids ou à des circuits ouverts. La largeur du rayon doit être égale à la largeur minimale permise par le cumul de PCB, et l'écart entre les rayons doit être au moins deux fois la résolution du masque de brasage. Une recommandation commune est d'utiliser une largeur de rayon de 0,25 mm pour les plans standard et 0,15 mm pour le pas fin.

Considérations de conception du masque à souder

Le masque de soudure n'est pas seulement une couche cosmétique; c'est un composant fonctionnel du PCB qui influence directement le rendement de soudure. Le matériau du masque, l'épaisseur et la géométrie d'ouverture doivent être spécifiés avec soin.

Type et épaisseur de masque de souder

Les masques à film sec offrent une plus grande précision et sont utilisés pour des plans de pas très fins, mais ils sont plus épais (50 à 75 μm) et plus coûteux. Le choix du type de masque affecte la clairance réalisable et la largeur du barrage. Les masques à thicker offrent une meilleure isolation mais peuvent entraîner des effets d'ombre lors de l'impression de pâte de soudure, où la pâte n'est pas entièrement déposée dans des encastrements masqués. Pour les modèles SMT généraux, une épaisseur de masque de 25 à 30 μm par-dessus le cuivre est recommandée.

L'uniformité de l'épaisseur du masque est critique. Les variations de plus de ±5 μm peuvent causer des dépôts de pâte de soudure incohérents et une soudure inégale. Les concepteurs devraient demander au fabricant de rapport de capacité et s'assurer que l'épaisseur du masque est spécifiée sur le dessin de fabrication. Il est également important de considérer la couleur du masque; les masques verts standard offrent un contraste élevé pour l'inspection optique automatisée (AOI), tandis que d'autres couleurs (rouge, bleu, noir) peuvent avoir des propriétés diélectriques différentes ou un contraste inférieur.

Masque à souder Dams et autorisations Web

Entre les coussinets SMT adjacents, le masque à soudure forme un barrage qui empêche la soudure de se raccorder pendant le refument. La largeur minimale du barrage est déterminée par la résolution du masque et les tolérances de l'enduit en cuivre. Pour les masques LPI, une largeur de barrage d'au moins 0,1 mm est possible, mais pour la production en masse, 0,15 mm est plus sûre pour tenir compte des changements d'immatriculation. Lorsque la largeur du barrage tombe sous 0,1 mm, le masque peut soulever ou fissurer, exposant le cuivre qui peut causer des shorts.

Pour les BGA avec des emplacements de boules de 0,8 mm ou moins, les coussinets individuels sont souvent séparés par des bandes de masques à soudure qui sont aussi étroites que 0,05 mm. Dans ces cas de pas ultra-fins, il est courant d'utiliser un design via-in-pad avec des vias remplis et encastrés, mais le masque doit encore être soigneusement enregistré. Une bonne pratique est d'ajouter un relief de masque de soudure de 0,05 mm autour des coussinets BGA pour permettre l'effondrement de boules à soudure sans pont aux billes adjacentes.

Via Tenting et Plugging

Pour éviter cela, les vias doivent être soit tentées (entièrement recouvertes de masque de soudure) soit bouchées avec de l'époxy non conducteur. La traction est efficace pour les vias avec un diamètre de trou jusqu'à 0,3 mm, mais le masque peut se fissurer si le via est trop grand. Pour les vias plus grands ou ceux dans les zones de fanout BGA, le plugging est recommandé. Plugage vias empêche également la pâte de soudure de s'échapper pendant le reflow, ce qui peut causer le pontage sur le côté opposé de la planche. Lorsque l'utilisation de via-in-pad pour les conceptions à haute densité, le via doit être rempli et ensuite planisé avant d'appliquer le masque de soudure de façon à ce que la surface du pad reste plate. Cela élimine tout risque de flétrissement de soudure et assure le contact complet avec le pad.

Finitions de surface et leur impact sur la soudabilité

Même la meilleure conception de coussinet et de masque échouera si la finition sur les coussinets en cuivre ne supporte pas un bon mouillage. La finition de surface protège le cuivre de l'oxydation et fournit une surface soudée. Le choix de la finition influence l'ouverture du masque nécessaire et le risque de pont.

Le revêtement à souder à air chaud (HASL) est une finition sans plomb ou à base de plomb qui offre un excellent mouillage de soudure, mais qui peut entraîner des surfaces inégales de la plaque. Comme le revêtement est épais et irrégulier, l'ouverture du masque doit être plus grande pour tenir compte de la variation d'épaisseur de la soudure. Cela peut augmenter le risque de pont sur les parties à pas fin. Pour les plaquettes dont le tangage est inférieur à 0,65 mm, l'immersion en nickel électronique (ENIG) est préférée. ENIG fournit une surface plate et résistante à l'oxydation qui permet de dégager les masques serrés. La couche inférieure en nickel empêche la formation intermétallique de cuivre-étain, ce qui peut causer des articulations fragiles.

L'OSP est l'option la plus économique, mais offre une durée de conservation limitée et est sujette aux dommages de manipulation. Il convient aux panneaux à faible densité avec un large espacement des coussinets. Immersion L'argent est un bon compromis entre le coût et la planéité, mais il peut être terni par le soufre dans l'environnement. Pour les applications RF et haute fiabilité, l'Immersion de palladium sans électro (ENEPIG) est souvent utilisé parce qu'il élimine le risque de coussinets noirs et offre une excellente capacité de collage de fil.

Pièges courants et comment les éviter

Les concepteurs expérimentés reconnaissent les modes de défaillance récurrents associés au masque de soudure et à la conception de la plaquette. L'un des plus fréquents est la balle de solder causée par le surplomb du masque. Si le masque s'étend au-delà du bord de la plaquette – même par quelques micromètres – la pâte de solder peut être piégée sous le masque pendant le reflow. La soudure piégée forme de petites boules qui peuvent migrer et causer des courts-métrages intermittents. Pour éviter cela, le masque doit être tiré du bord de la plaquette d'au moins 0,02 mm (pour les masques LPI) ou 0,01 mm (pour les films secs).

Un autre piège est un espace suffisant autour du masque par des trous. Lorsqu'un via est placé près d'un tampon SMT, le masque ne peut pas couvrir complètement le via baril, permettant au souder de mouiller dans le via pendant le reflow. Cela crée un joint affamé sur le tampon composant. La solution est soit d'augmenter la distance entre le via et le tampon à au moins 0,25 mm ou de tenter le via complètement. Si la tente n'est pas possible, en utilisant un autre type via (p. ex., microvia ou enterré via) peut être nécessaire.

Les éclats de cuivre sont un autre problème courant. Lorsque le masque est appliqué sur une zone avec des îles isolées de cuivre (comme un tampon relié uniquement par une mince trace), le masque peut ne pas adhérer correctement, et le cuivre peut se détacher pendant la soudure. Les concepteurs doivent s'assurer que toutes les caractéristiques de cuivre sont attachées au plan principal avec des largeurs de trace d'au moins 0,2 mm pour le poids standard en cuivre (1 oz).

Enfin, un décalage thermique entre le masque et le cuivre peut provoquer des fissures pendant le cycle thermique.Le coefficient d'expansion thermique (CTE) des masques LPI typiques est plus élevé que celui du cuivre. Si le masque se trouve sur un vaste plan de cuivre sans dégagement suffisant, le masque peut se fissurer après un chauffage et un refroidissement répétés. Pour atténuer ce phénomène, les concepteurs devraient utiliser une valeur d'expansion du masque -solder (SME) qui laisse au moins 0,1 mm de dégagement autour de grandes zones de cuivre.

Méthodes de vérification et d'essai

La vérification des règles de conception (DRC) dans le logiciel de conception de PCB est la première ligne de défense. Les outils EDA modernes peuvent vérifier automatiquement l'espacement des zones, les dégagements de masques à tampons et par le biais de règles de tente.

Les systèmes AOI peuvent mesurer l'ouverture du masque et la position du tampon à une précision de ± 0,01 mm. Pour les dessins à point fin (=0,5 mm), l'inspection par rayons X est recommandée parce qu'il peut voir à travers le corps du composant pour révéler une liaison cachée sous les BGA ou les QFN. La radiographie révèle également l'annulation dans les joints de soudure, qui peut être causée par l'exténuation des matériaux du masque ou du substrat.

La coupe en section[ est un test destructif mais très informatif. Un échantillon est découpé à travers un joint critique et poli pour révéler l'interface du tampon, du masque et du souder. Cette technique permet d'identifier le surplomb du masque, les défauts de mouillage incomplets et les défauts de couche intermétalliques.

En plus des essais physiques, les examens de conception avec le fabricant de BPC sont inestimables. De nombreux fabricants offrent la rétroaction de Design for Manufacturing (DFM) qui comprend les compensations de masques et les ajustements de coussinets recommandés.

Conclusion

La création de masques de soudure et de coussinets fiables exige une approche systématique qui équilibre la géométrie, les propriétés matérielles et les capacités de traitement. En respectant les règles de taille et d'espacement des coussinets, en précisant les dégagements appropriés et la largeur des barrages, et en choisissant la finition de surface appropriée pour la densité prévue, les concepteurs peuvent réduire considérablement la présence de circuits de pontage et d'ouverture. L'attention aux reliefs thermiques, par le biais de la tente et de l'épaisseur du masque améliore encore le rendement de l'assemblage et la fiabilité à long terme. La vérification par l'intermédiaire de l'AI, de la radiographie et de la rétroaction du fabricant garantit que la conception se traduit en une planche de fabrication.