Non sembra che esista una correlazione diretta tra i fori passanti (via) del PCB (printed circuit board) tappati con solder mask e il rame del via. Tuttavia, una tappatura della solder mask eseguita male può portare a risultati distruttivi sui PCB. Come una tecnologia speciale per la stampa con stencil, la tecnologia di tappatura con solder mask per la fabbricazione di PCB si sviluppa con l’applicazione e il costante progresso della SMT (surface mount technology). La tappatura dei via presenta le seguenti caratteristiche:
• Tra tutte le vias sulle schede PCB, la maggior parte non necessita di essere esposta, ad eccezione delle vias per l’inserimento dei componenti, delle vias per la dissipazione termica e delle vias di test. L’otturazione con solder mask impedisce che il flussante o la pasta saldante vengano esposti sul lato componenti attraverso le vias nella successiva fase di assemblaggio, poiché ciò potrebbe causare cortocircuiti. Inoltre, grazie all’applicazione della tecnologia di otturazione con solder mask è possibile risparmiare pasta saldante.
• I vias tappati con solder mask sono compatibili con i requisiti richiesti dall’SMT, impedendo alla colla applicata sulla superficie dei componenti come gli IC (circuiti integrati) di defluire attraverso i vias.
• La tecnologia di riempimento con solder mask impedisce al flussante, alle sostanze chimiche o all’umidità di entrare nello spazio ristretto tra i componenti BGA e le schede a circuito stampato, riducendo il rischio per l’affidabilità dovuto alla difficoltà di pulizia.
• A volte, per soddisfare le esigenze delle linee di assemblaggio automatizzate, è necessario sfruttare il vuoto per assorbire il PCB durante il trasporto o l’ispezione. Pertanto, è necessario tappare i via con la solder mask per evitare perdite di vuoto che potrebbero causare un fissaggio poco saldo.
Cause di una scarsa esecuzione dell’otturazione della solder mask
Una delle cause di una scarsa resa del riempimento della solder mask risiede in un riempimento della solder mask incompleto o insufficiente.
La mascheratura saldante incompleta o insufficiente si riferisce a una situazione in cui non è presente alcun resist per saldatura nella parte superiore dei via, mentre ne rimane solo una piccola quantità nella parte inferiore.
Un altro esempio di mascheratura saldante incompleta o insufficiente indica che è presente maschera saldante sul lato sinistro del via, mentre il cosiddetto foro d’aria si estende verso il basso lungo la parete del foro a partire dall’apertura del via sul lato destro. Successivamente si espande verso il lato sinistro della parete del via quando si avvicina alla parte centrale del via, generando una sezione trasversale. Il rame del via è quasi interrotto nel punto di intersezione tra la sezione trasversale e il rame della parete del via.
Cause di rottura o assottigliamento del rame nei via
Una volta che si verifica un riempimento della maschera di saldatura incompleto o insufficiente, la soluzione di micro-incisione o la soluzione acida possono fluire nel via nelle successive fasi di fabbricazione del PCB. I via sono solitamente piccoli, con un diametro inferiore a 0,35 mm. Quando si verifica il riempimento con maschera di saldatura, non rimane o rimane pochissimo olio di maschera di saldatura per la copertura (tenting) all’apertura del via, mentre è presente maschera di saldatura al centro del via o sul fondo del via, in modo che non esistano vie di passaggio per le soluzioni all’interno dei via. Le soluzioni possono solo rimanere nascoste all’intersezione tra la maschera di saldatura e la parete del via, senza poter essere eliminate, il che alla fine causerà la rottura o l’assottigliamento del rame del via.
Danni derivanti da rottura del via in rame o da eccessivo assottigliamento dovuti a una scarsa esecuzione dell’otturazione della solder mask
a.Quando il rame diventa così sottile sul lato interno del via, la resistenza raggiunge il livello dei milliohm. Non può essere rilevata con il metodo di misura a due fili, per cui i prodotti difettosi non vengono individuati.
Se il test elettrico non riesce a mettere in evidenza il problema dello spessore ridotto del rame nel via, il rame sottile si romperà a causa dell’alta temperatura di esercizio e dell’espansione sull’asse Z nella fase di assemblaggio del PCB (printed circuit board assembly) che include la saldatura. Di conseguenza, i prodotti elettronici soffriranno di un’insufficiente implementazione delle funzioni oppure potrebbero diventare instabili nelle loro funzioni quando i clienti li utilizzano a lungo termine. Nel caso di rame sottile nel via senza una rottura completa, ciò non riesce a essere individuato tramite l’applicazione dei metodi di ispezione ordinari, inclusiAOI,AXIe ispezione visiva. Una volta individuato, tutti i prodotti appartenenti allo stesso lotto di produzione dovranno essere scartati, causando ingenti perdite.
b.Per quanto riguarda la rottura del rame nei via o la rottura circolare, i produttori di PCB sono in grado di individuarla tramite test elettrici. Tuttavia, esiste un problema: l’incisione del rame tramite soluzione di micro-incisione è un processo così lungo che il difetto non si manifesta fino a quando il prodotto non arriva alla fase del cliente. Ciò significa che la rottura del rame nei via può essere rilevata solo dai clienti, i quali percepiscono semplicemente lo stato di funzionamento instabile dei prodotti elettronici. Ad esempio, quando i clienti riscontrano che i prodotti elettronici presentano schermo nero o si bloccano, ciò può essere dovuto alla rottura del rame nei via.
Soluzioni
a. Dal punto di vista della progettazione ingegneristica
Dopo che il reparto di ingegneria di una fabbrica di produzione di PCB riceve i file di progettazione PCB dai clienti, è necessario concentrarsi sul diametro dei via da riempire e sui relativi requisiti. In generale, il diametro di un via da riempire dovrebbe essere inferiore a 0,35 mm e non dovrebbe essere troppo grande, poiché un diametro eccessivo tende più facilmente a causare un riempimento incompleto o insufficiente. Sebbene i clienti avanzino requisiti in merito al riempimento dei via, di solito non stabiliscono regole specifiche sul grado di riempimento dei via. Anche secondo le normative IPC, il grado di riempimento dei via non è stato definito in modo specifico. In base ai requisiti stabiliti dalla maggior parte dei produttori di PCB e alla mia esperienza ingegneristica pluriennale, ritengo che sia ottimale che i via riempiti presentino un grado di riempimento superiore al 75%.
b. Dal punto di vista del miglioramento della tecnologia di tappatura della solder mask
Finora, l'industria dei PCB padroneggia i seguenti tipi di mascheratura saldante con tecnologia di riempimento dei fori:
Tecnologia n.1 Tappatura dei via → Stampa della solder mask (il foglio di alluminio partecipa alla tappatura dei via e viene utilizzata una piastra di scarico)
La tecnologia n. 2 di via plugging avviene contemporaneamente alla stampa dell’olio della solder mask.
Tecnologia#3 Tappatura con resina → Stampa della solder mask
Tecnologia#4Finitura superficiale→ Tramite collegamento
Per quanto riguarda il riempimento dei fori passanti tramite tappatura, si suggerisce di applicare la prima e la terza tecnologia di via plugging, poiché entrambi i metodi contribuiscono a un elevato grado di riempimento. Tuttavia, presentano processi di produzione complessi che richiedono un foglio di alluminio e una piastra di scarico. Inoltre, sono necessarie due o più stampanti per la stampa sincrona e la cottura della scheda richiede più tempo.
La tecnologia n. 2 presenta un'elevata efficienza di produzione, ma è piuttosto difficile da controllare tramite il riempimento dei via. Questo tipo di tecnologia non è consigliato perché un basso riempimento dei via provocherà rame del via sottile o rottura del rame del via, secondo quanto discusso nella parte precedente di questo articolo.
La tecnologia n. 4 di solito non viene applicata, quindi non verrà discussa nella parte successiva di questo articolo.
c. Tramite apertura del problema emerso nei test elettrici
L’ispezione dell’apertura della via indica se si verificano riempimenti della via incompleti o insufficienti con rame sottile della via o rotture del rame generate.
Come è stato discusso in precedenza, il collaudo elettrico è raramente in grado di individuare i via sottili nel rame, ma è in grado di rilevare problemi di rottura circolare del rame. Se durante il test elettrico vengono individuati via aperti, esso può essere utilizzato per verificare se il problema deriva dal rame di placcatura chimica, dalla placcatura o da un insufficiente riempimento dei via con solder mask. Una volta individuata la causa del problema, si possono quindi definire le misure corrispondenti.
d. Dal punto di vista della qualità della solder mask o della resina
È necessario eseguire un test tecnologico sui nuovi via plugging con solder mask e resina di riempimento dei fori passanti, in modo da garantirne la qualità. Successivamente, essi dovrebbero essere utilizzati in una prova su piccoli lotti per verificare ulteriormente le loro prestazioni e la loro qualità. Come descritto nella parte precedente di questo articolo, la bassa qualità del solder mask per via plugging o della resina di riempimento dei fori passanti porterà ad alcuni problemi, come ad esempio i pori d’aria. Quando la soluzione di micro-incisione penetra nei pori d’aria, il rame del via verrà lentamente inciso fino ad assottigliare il rame del via o provocarne la rottura. La loro qualità non può mai essere sacrificata in nome del basso costo.
L’applicazione della solder mask svolge un ruolo fondamentale nella fabbricazione dei PCB e il grado di riempimento dei fori metallizzati è estremamente importante, poiché riguarda l’aspetto dei prodotti ed è correlato a problemi di qualità del rame nei via dovuti a un riempimento incompleto o insufficiente. Di conseguenza, è necessario prestare un’attenzione particolare alla gestione pratica. In particolare, occorre attenersi a procedure regolamentate, perfezionare la gestione della produzione e chiarire gli standard di ispezione, in modo che il grado di riempimento dei via sia pienamente garantito.
