Влияние некорректной закупорки виа паяльной маской на целостность меди печатных плат и стратегии митигации

Казалось бы, нет прямой корреляции между виа печатных плат (PCB), закупоренными паяльной маской, и виа медью. Однако плохо выполненная закупорка паяльной маской может привести к деструктивным результатам для печатных плат. Как вид специальной технологии для шаблонной печати, технология закупорки виа паяльной маской развивается с применением и постоянным прогрессом SMT (поверхностного монтажа). Закупорка виа имеет следующие характеристики:

• Среди всех виа на печатных платах большинство не нуждаются в раскрытии, кроме виа для компонентов, теплоотводящих виа и тестовых виа. Закупорка паяльной маской предотвращает попадание флюса или паяльной пасты на компонентную сторону через виа на стадии поздней сборки компонентов, так как это может привести к коротким замыканиям. Кроме того, паяльная паста может быть сэкономлена через применение технологии закупорки виа паяльной маской.
• Закупоренные виа паяльной маской соответствуют требованиям SMT, предотвращая оттекание клея, застрявшего на поверхности компонентов (например, интегральных схем — IC) через виа.
• Технология закупорки паяльной маской предотвращает попадание флюса, химикатов или влаги в узкое пространство между BGA-компонентами и печатными платами, снижая риск надежности из-за трудностей очистки.
• Иногда, для удовлетворения требований автоматизированной сборочной линии, вакуум используется для всасывания печатной платы для транспортировки или инспекции. Поэтому виа должны быть закупорены паяльной маской, чтобы предотвратить утечку вакуума, которая может вызвать слабое удержание.

Причины плохо выполненной закупорки паяльной маской

Одна из причин плохой закупорки паяльной маской — неполная или недостаточная закупорка.

Неполная или недостаточная закупорка означает ситуацию, когда в верхней части виа нет масла паяльной маски, а в нижней части остаётся лишь немного масла паяльной маски.

Другой пример неполной закупорки: паяльная маска есть на левой стороне виа, а так называемая «воздушная дыра» расширяется вниз вдоль стенки отверстия от апертуры виа справа. Затем она расширяется к левой стенке виа, когда приближается к средней части, образуя поперечное сечение. Медь виа почти ломается на пересечении поперечного сечения и медной стенки виа.

Причины ломки или тонкости меди виа

Как только происходит неполная или недостаточная закупорка паяльной маской, раствор для микротравления или кислотный раствор может попасть в виа в более позднем процессе производства печатной платы. Виа обычно малы с диаметром менее 0,35 мм. При закупорке паяльной маской на верхушке виа нет или мало масла паяльной маски для тентования (tenting), в то время как паяльная маска есть в середине или внизу виа, так что для растворов внутри виа нет проходных путей. Растворы могут скрываться только на пересечении паяльной маски и стенки виа, не способны быть устранёнными, что в конечном итоге вызывает ломку или тонкость меди виа.

Ущерб от ломки или тонкости меди виа из-за плохой закупорки паяльной маской

• а. Когда медь становится настолько тонкой на внутренней стороне виа, сопротивление достигнет уровня миллиом. Оно не выявляется двухпроводным методом измерения, поэтому бракованные продукты не раскрываются.

Если электрический тест не выявляет проблему тонкой меди виа, тонкая медь будет сломана из-за высокотемпературной работы и Z-распространения в фазе PCBA (сборки печатных плат), содержащей пайку. В результате электронные изделия пострадают от недостаточной реализации функций или могут стать нестабильными в функциях при длительном использовании клиентами. Что касается тонкой меди виа без полного разрыва, это не обнаруживается обычными методами инспекции, включая AOI, AXI и визуальный контроль. Как только обнаружено, все продукты той же производственной партии должны быть утилизированы, вызывая большие потери.

• б. Что касается ломки меди виа или круговой ломки, производители печатных плат могут найти её через электрическое тестирование. Однако есть проблема: травление меди микротравляющим раствором — долгий процесс, который не генерируется до этапа клиента. Это значит, что ломка меди виа может быть найдена только клиентами, чувствующими нестабильное рабочее состояние электронных изделий. Например, когда клиенты обнаруживают чёрный экран или зависание, это может быть результатом ломки меди виа.

Решения

а. С точки зрения инженерного дизайна

После того как инженерный отдел фабрики по производству печатных плат получает файлы дизайна от клиентов, апертуру закупориваемого виа и его требования должны быть в фокусе. В общем, апертура закупориваемого виа должна быть ниже 0,35 мм и не должна быть слишком большой, так как слишком большая апертура легче приводит к неполной или недостаточной закупорке. Хотя клиенты выдвигают требования к закупориваемым виа, они обычно не устанавливают конкретные регламенты по полноте закупорки. Согласно правилам IPC, полнота закупорки виа также не определена конкретно. Основываясь на требованиях широкого круга производителей печатных плат и моём многолетнем инженерном опыте, считаю лучшим, чтобы закупориваемые виа имели полноту более 75%.

б. С точки зрения улучшения технологии закупорки паяльной маской

На данный момент индустрия печатных плат владеет следующими типами технологий закупорки виа паяльной маской:
Технология №1: Закупорка виа → Печать паяльной маски (алюминиевый лист участвует в закупорке виа, используется выхлопная плита)
Технология №2: Закупорка виа происходит одновременно с печатью масла паяльной маски.
Технология №3: Закупорка смолой → Печать паяльной маски
Технология №4: Покрытие поверхности → Закупорка виа

Что касается полноты закупорки виа, рекомендуется применять первую и третью технологии, так как оба метода способствуют высокой полноте. Однако они страдают от сложных производственных процессов с требованием алюминиевого листа и выхлопной плиты. Кроме того, нужно два или более принтера для синхронной печати, и выпекание платы занимает больше времени.

Технология №2 отличается высокой производственной эффективностью, но очень трудно контролировать полноту виа. Этот тип технологии не рекомендуется, потому что низкая полнота виа вызовет тонкую медь виа или ломку меди виа согласно обсуждению в предыдущей части.

Технология №4 обычно не применяется, поэтому не будет обсуждаться дальше.

в. Проблема раскрытого виа, выявленная в электрическом тестировании

Инспекция раскрытого виа указывает, происходит ли неполная или недостаточная закупорка виа с генерацией тонкой меди или ломки меди. Как обсуждалось ранее, электрическое тестирование редко способно выявить тонкую медь виа, но способно исследовать проблему круговой ломки меди. Если открытые виа исследуются во время электрического теста, это можно применить для верификации, результатирует ли это из химического напылении меди, напылении или плохой закупорки виа паяльной маской. С исследованной причиной соответствующие меры могут быть перечислены впоследствии.

г. С точки зрения качества паяльной маски или смолы

Технологический тест должен быть реализован на новом масле паяльной маски для закупорки виа и смоле для закупорки виа, чтобы гарантировать их качество. Затем они должны использоваться в тесте малой партии для дальнейшей верификации их производительности и качества. Как изображено в предыдущей части, низкое качество масла паяльной маски для закупорки виа или смолы для закупорки виа приведёт к некоторым проблемам, например, воздушной дыре. По мере того как раствор микротравления входит в воздушную дыру, медь виа будет медленно травлена с тонкой медией виа или ломкой меди виа. Их качество никогда не может быть компромиссом из-за их низкой стоимости.

Применение паяльной маски играет ключевую роль в производстве печатных плат, а полнота закупорки виа существенно важна, потому что она касается внешнего вида продуктов и коррелирует с проблемой качества меди виа из-за неполной или недостаточной закупорки. В результате extraordinaire внимание должно быть уделено практическому управлению. Конкретно, регламентированные процедуры должны соблюдаться; производственное управление должно быть уточнено; стандарты инспекции должны быть прояснены, чтобы полнота закупорки виа будет полностью гарантирована.

Полезные ресурсы:
• Solder Mask and Its Design Tips
• Design Requirement of SMT PCBs: Settings of Pad-Trace Connection, Thru-Holes, Test Point, Solder Mask and Silkscreen
• Influence on Soldermask Thickness Uniformity by Silkscreen Printing Nail-Bed Design
• Effective Measures to Improve Solder Mask Plugged Via Manufacturing Technology