Лучшие практики для создания надежной маски для солдера и дизайна пада для предотвращения стыковки и открытия схем

Понимание основ маски и пада

Маска припоя представляет собой диэлектрический полимерный слой, нанесенный на медные следы печатной платы (PCB), чтобы защитить их от окисления, загрязнения и случайных коротких замыканий. Она подвергает воздействию только медные прокладки, где будут припаивать компоненты. Сама прокладка представляет собой зону посадки меди, где применяется компонент свинца или пайки. Взаимодействие между открытием маски и геометрией пайки непосредственно определяет надежность припоев. Когда эти два элемента не подобраны должным образом, могут возникнуть дефекты, такие как мостик припоя - где избыток припоя соединяет две соседние прокладки - или открытые цепи - где припой не мочится полностью - эти дефекты являются одними из наиболее распространенных причин функционального отказа в электронных узлах, особенно когда плотность компонентов увеличивается и подушки пайки уменьшаются ниже 0,5 мм.

Фундаментальная задача заключается в балансировании потребности в достаточном объеме припоя для формирования сильного механического и электрического соединения с необходимостью предотвращения распространения припоя за пределы предполагаемой площади. Маска-солдер действует как плотина, которая ограничивает расплавленный припой к прокладке. Если отверстие маски слишком велико по отношению к прокладке, припой может вытекать наружу и перекидывать соседние черты. И наоборот, если отверстие маски слишком мало, прокладка может быть не полностью смочена, что приводит к плохому образованию суставов и открытым цепям. Поэтому для любого дизайнера, стремящегося производить надежные ПХБ в масштабе, необходимо глубокое понимание клиренсов, допусков масок и металлургии прокладок.

Основные правила проектирования для Pad геометрии

Геометрия пада является единственным наиболее влиятельным фактором в предотвращении мостовых и открытых цепей. Физические размеры колодки - ее размер, форма и расстояние - определяют, сколько пайки может присутствовать и как этот пай ведет себя во время перелива или волновой пайки.

Размер и форма пада

Для компонентов технологии поверхностного монтажа (SMT) подушка должна соответствовать размерам оконечности компонентов, но обеспечивать небольшую допускаемость. Отраслевые стандарты, такие как IPC-7351, обеспечивают рекомендуемые схемы земли для различных типов компонентов. Общее правило заключается в том, чтобы сделать подкладку немного шире (от 0,2 мм до 0,5 мм), чем терминал компонента, чтобы обеспечить адекватное образование филе. Круглые или овальные подушки, как правило, предпочтительны для дискретных компонентов, таких как резисторы и конденсаторы, поскольку они способствуют равномерному распределению припоя под поверхностным натяжением, снижая риск образования уплотнений или мостиков. Для упаковок интегральных схем (IC) с мелкими подводами шага, прямоугольные подушки с закругленными углами (R = 0,1 мм) используются для предотвращения концентраций напряжения.

Не менее важна длина пада. Для компонентов чипа прокладка должна простираться на 0,3 мм до 0,5 мм за конец окончания для создания видимого филе припоя, которое можно осмотреть. Если прокладка слишком короткая, сустав может быть слабым; если слишком длинный, избыточный припой может отвернуться от окончания, оставляя недостаточный объем на совместном интерфейсе. Для ИС длина прокладки должна быть примерно равна длине свинца плюс 0,2 мм, но должна быть согласована с отверстием маски припоя, чтобы избежать воздействия слишком большого количества меди.

Pad Spacing и Solder Mask Clearance

Расстояние между падами имеет решающее значение для предотвращения мостов, особенно в конструкциях с высокой плотностью, таких как шаровые решетки (BGA) и пакеты Quad Flat No-lead (QFN). Минимальное расстояние между смежными прокладками регулируется возможностью регистрации маски припоя изготовителя печатной платы. Типичное правило заключается в поддержании ширины плотины маски припоя не менее 0,1 мм между прокладками. Для смол ниже 0,5 мм часто необходимы прокладки, определяемые маской, где отверстие маски определяет пайку, а не саму медь. В этих случаях медная прокладка делается больше, чем отверстие маски, и маска служит основным барьером против распространения припоя.

При установке маски припоя зазор должен быть на 0,05 мм до 0,15 мм меньше, чем медная прокладка с каждой стороны. Это оставляет «маск-губку», которая удерживает припой на месте и предотвращает его кровотечение на поверхность маски. Если зазор слишком велик, маска может отрываться от меди во время отверждения, создавая полость, которая улавливает остатки потока и приводит к коррозии или электрохимической миграции. Точное значение зазора зависит от типа маски - жидкие фотоизображаемые (LPI) маски обычно предлагают регистрацию ± 0,05 мм, в то время как сухие маски пленки могут достигать ± 0,03 мм.

Термальная помощь Pads

Для компонентов сквозных отверстий и сквозных сквозняков, соединенных с большими медными плоскостями, необходимы тепловые рельефы. Тепловой рельеф представляет собой спицевую схему, которая соединяет прокладку с медной плоскостью через набор узких следов (обычно четыре спицы с интервалом 90°). Эта конструкция уменьшает эффект теплоотвода во время пайки, позволяя суставу быстро достигать необходимой температуры. Без тепловых рельефов прокладка может не достичь надлежащего смачивания, что приводит к холодным соединениям или открытым контурам. Ширина спиц должна быть равна минимальной ширине следа, допускаемой стеком ПХБ, и зазор между спицами должен быть по крайней мере в два раза больше разрешения маски паяльника. Общая рекомендация заключается в использовании шириной спиц 0,25 мм для стандартных конструкций и 0,15 мм для тонкого шага. Кольцо кольцевой панели термооблегчения также должно быть достаточно большим, чтобы вместить отверстие маски - обычно в 1,5 раза больше диаметра сверла для сквозных отвер

Дизайнерская маска Solder Mask

Маска припоя — это не просто косметический слой; это функциональный компонент ПХБ, который непосредственно влияет на выход припоя.Масочный материал, толщина и геометрия открывания должны быть заданы с осторожностью.

Тип маски для солдера и толщина

Жидкие фотоизображаемые (LPI) паяльные маски являются наиболее распространенными, поскольку они предлагают хорошее разрешение и могут применяться в тонких слоях (25-35 мкм сухой толщины). Сухие пленочные маски обеспечивают более высокую точность и используются для очень тонких конструкций шага, но они толще (50-75 мкм) и дороже. Выбор типа маски влияет на достижимый клиренс и ширину плотины. Более толстые маски обеспечивают лучшую изоляцию, но могут привести к теневым эффектам во время печати припоя, где паста не полностью оседает в маскировочных углублениях. Для общих конструкций SMT рекомендуется толщина маски 25-30 мкм над медью. Для высоковольтных конструкций могут потребоваться более толстые маски (40-50 мкм) для предотвращения разрушения диэлектрика.

Однородность толщины маски имеет решающее значение. Изменения более ±5 мкм могут вызывать несогласованное осаждение припоя и неравномерную пайку. Дизайнеры должны запросить отчет о возможностях производителя и убедиться, что толщина маски указана на чертеже изготовления. Также важно учитывать цвет маски; стандартные зеленые маски предлагают высокую контрастность для автоматического оптического контроля (AOI), в то время как другие цвета (красный, синий, черный) могут иметь различные диэлектрические свойства или более низкий контраст.

Дамбы маски Solder и веб-клиренсы

Между смежными прокладками SMT маска припоя образует плотину, которая препятствует перемычке припоя при переливе. Минимальная ширина плотины определяется разрешением маски и допусками медного транша. Для масок LPI ширина плотины не менее 0,1 мм осуществима, но для массового производства 0,15 мм безопаснее учитывать регистрационные сдвиги. Когда ширина плотины падает ниже 0,1 мм, маска может поднимать или трескаться, обнажая медь, которая может вызвать шорты. Конструкторы должны избегать размещения прокладок так близко, что ширина плотины составляет менее 0,08 мм; вместо этого рассмотрите возможность уменьшения ширины прокладки или перехода на прокладки, определенные маской.

Для БГА с шаровыми шагами 0,8 мм или менее отдельные прокладки часто разделяются пайками маски, которые узки, как 0,05 мм. В этих ультратонких футлярах обычно используется конструкция с помощью прокладки с заполненными и заколотыми прокладками, но маска все еще должна быть тщательно зарегистрирована. Хорошей практикой является добавление рельефа маски пайки 0,05 мм вокруг прокладок БГА, чтобы позволить коллапсу паяльного шара без перехода к соседним шарам.

Через палатку и вилку

Виас, помещенный под компоненты или рядом с прокладками, может вызвать фиксацию припоя, где расплавленный пай втягивается в проточную скважину капиллярным действием, лишая стык припоя и создавая открытую цепь. Для предотвращения этого прокладки должны быть либо палаточными (полностью покрытыми припоем маской), либо заглушенными непроводящей эпоксидной прокладкой. Тентинг эффективен для прокладок с диаметрами отверстия до 0,3 мм, но маска может трескаться, если прокладка слишком велика. Для более крупных прокладок или в зонах выдувания BGA рекомендуется подключение. Прокладка также предотвращает протекание пайки во время перелива, что может вызвать мостик на противоположной стороне доски. При использовании прокладки для конструкций высокой плотности прокладка должна быть заполнена и затем планаризована перед нанесением маски припоя, чтобы поверхность пайки оставалась плоской. Это устраняет любой риск фиксации припоя и обеспечивает полный контакт прокладки.

Поверхностные отделки и их влияние на соледоходность

Даже лучшая конструкция подушки и маски выйдет из строя, если отделка на медных подушках не поддерживает хорошую смачивание. Поверхностная отделка защищает медь от окисления и обеспечивает паяльную поверхность. Выбор отделки влияет на требуемое открытие маски и риск мостки.

Выравнивание горячего воздуха (HASL) представляет собой лид-основанную или беспроводную отделку, которая обеспечивает отличную смачивание припоя, но может привести к неравномерному покрытию подкладки. Поскольку HASL оставляет толстое, нерегулярное покрытие, отверстие маски должно быть больше, чтобы приспособить изменение толщины припоя. Это может увеличить риск мостика на тонких частях шага. Для подкладок с шагом ниже 0,65 мм предпочтительнее Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG). ENIG обеспечивает плоскую, устойчивую к окислению поверхность, которая обеспечивает плотные маски. Никелевый подслой предотвращает медно-оловянное межметаллическое образование, которое может вызвать дефекты медно-оловянного интерметалла, если процесс погружения золота не контролируется; черная подкладка может привести к открытым цепям, потому что никель становится пассивированным, а припой не мокрый.

Другие отделки включают Immersion Tin, Immersion Silver и Organic Solderability Preservant (OSP). OSP является самым дешевым вариантом, но предлагает ограниченный срок хранения и склонен к обработке повреждений. Он подходит для плат низкой плотности с широким интервалом между прокладками. Погружение Silver является хорошим компромиссом между стоимостью и плоскостью, но его можно запятнать серой в окружающей среде. Для RF и высоконадежных приложений часто используется Electroless Palladium Immersion Gold (ENEPIG), поскольку он устраняет риск черной прокладки и обеспечивает отличную способность к связыванию проводов. Независимо от отделки, конструкция должна включать маску, которая учитывает толщину отделки - обычно дополнительно 0,02 мм на сторону для ENIG и 0,05 мм для HASL.

Обычные подводные камни и как их избежать

Опытные дизайнеры признают повторяющиеся режимы отказа, связанные с конструкцией припоя. Одним из наиболее частых является солдерная баллонизация , вызванная навесом маски. Если маска выходит за пределы края подкладки — даже на несколько микрометров — паста солдера может быть захвачена под маской во время перелива. Застрявший припой образует небольшие шарики, которые могут мигрировать и вызывать прерывистые шорты. Чтобы этого избежать, маска должна быть оттянута от края подкладки по меньшей мере на 0,02 мм (для масок LPI) или 0,01 мм (для сухой пленки).

Другой подводный камень - недостаточный масочный зазор вокруг через отверстия . Когда с помощью помещают близко к прокладке SMT, маска может не полностью покрывать прокладку через бочку, позволяя припою забивать в прокладку во время перелива. Это создает голодный сустав на компонентной прокладке. Решение состоит в том, чтобы либо увеличить расстояние между с помощью и прокладкой до по меньшей мере 0,25 мм, либо полностью проложить прокладку. Если палатка невозможна, может потребоваться использование другого типа с помощью (например, микрофлора или захороненная через).

Медные ломтики являются еще одной распространенной проблемой. Когда маска наносится на область с изолированными медными островами (например, прокладка, соединенная только тонким следом), маска может не прилипать должным образом, и медь может отслаиваться во время пайки. Конструкторы должны обеспечить, чтобы все медные характеристики были привязаны к основной плоскости с шириной следов, которая составляет по меньшей мере 0,2 мм для стандартного веса меди (1 унция). Для более тяжелой меди (2 унции или более) требуются более широкие привязи.

Наконец, термическое несоответствие между маской и медью может вызвать растрескивание во время теплового цикла. Коэффициент теплового расширения (CTE) типичных масок LPI выше, чем у меди. Если маска перекрывает широкую медную плоскость без достаточного зазора, маска может трескаться после повторного нагрева и охлаждения. Для смягчения этого конструкторы должны использовать значение «расширения маски золдера» (SME), которое оставляет зазор не менее 0,1 мм вокруг больших медных областей. Производителю следует проконсультироваться для рекомендованного МСП на основе их процесса.

Методы проверки и испытания

Проверка правил проектирования (DRC) в программном обеспечении проектирования печатных плат является первой линией защиты. Современные инструменты EDA могут автоматически проверять расстояние между колодками, зазоры от маски до колодки и правила палатки. Однако DRC только проверяет дизайн на соответствие определяемым пользователем параметрам; он не может уловить изменения процесса. Поэтому физическое тестирование образцов имеет важное значение для новых конструкций.

Автоматизированная оптическая инспекция (AOI) используется после печати припоя и после перелива для обнаружения мостов, недостаточного припоя и неправильной регистрации. Системы AOI могут измерять фактическое положение открывания маски и прокладки с точностью ±0,01 мм. Для тонкого проскальзывания конструкций (≤0,5 мм) рекомендуется рентгеновский осмотр, поскольку он может видеть через корпус компонента, чтобы выявить скрытое мостов в BGA или QFNs. Рентген также обнаруживает пустотирование в припоях, которое может быть вызвано отслоением из маски или материалов подложки.

Пересечение является деструктивным, но высокоинформативным тестом. Доска образца прорезается через критический сустав и полируется, чтобы выявить интерфейс прокладки, маски и припоя. Этот метод может идентифицировать свес маски, неполное смачивание и дефекты межметаллического слоя. Он используется во время квалификации процесса или когда сбои являются прерывистыми.

В дополнение к физическим испытаниям, обзоры дизайна с производителем печатных плат бесценны. Многие производители предлагают обратную связь с дизайном для производства (DFM), которая включает рекомендуемые маски и настройки прокладки. Взаимодействие с производителем на ранней стадии снижает риск дорогостоящих повторных вращений.

Заключение

Создание надежных конструкций припоя и подкладки требует систематического подхода, который уравновешивает геометрию, свойства материала и возможности процесса. Придерживаясь правил размера подкладки и интервала, определяя соответствующие зазоры маски и ширину плотины, и выбирая правильную поверхность для предполагаемой плотности, дизайнеры могут резко уменьшить появление мостовых и открытых цепей. Внимание к тепловым рельефам, через тентирование и толщину маски дополнительно повышает выход сборки и долгосрочную надежность. Проверка через AOI, рентгеновский снимок и обратную связь с производителем гарантирует, что дизайн переходит в технологическую плату. Поскольку шаг компонентов продолжает сокращаться, эти лучшие практики теперь будут платить дивиденды в меньшем количестве полевых отказов, более низких затрат на производство и более высокой удовлетворенности клиентов. Для дальнейшего чтения, проконсультируйтесь с IPC-7351 для земельных участков, IPC-6012 для квалификационных требований и конкретных правил проектирования вашего изготовителя печатной платы, чтобы адаптировать эти руководящие принципы к вашим уникальным потребностям проекта.