PCB技術 - PCBはんだマスク設計とPCBA製造性に関する研究

現代の電子技術の急速な発展に伴い、PCBAも高密度、高信頼性へと発展しています。現段階では、PCBとPCBAの製造プロセスのレベルは大幅に改善されていますが、従来のPCBソルダーマスクプロセスは、製品の製造性に致命的な影響を与えることはありません。しかし、デバイスのピン間隔が非常に狭いデバイスの場合、PCBはんだパッド設計とPCBはんだマスク設計に無理があるため、SMTはんだ付け工程の難易度が上がり、PCBA表面実装加工品質のリスクが高まります。不合理なPCBはんだ付けとソルダーマスク設計によって引き起こされる製造性と信頼性の隠れた問題を考慮し、PCBとPCBAの実際のプロセスレベルと組み合わせることで、製造性の問題は、デバイスパッケージの最適化設計によって回避することができます。最適化設計は主に二つの側面から始まります。一つはPCBレイアウトの最適化設計、もう一つはPCBエンジニアリングの最適化設計です。

PCBレイアウト設計

IPC 7351標準パッケージライブラリに従い、デバイス仕様の推奨パッドサイズを参考にパッケージ設計を行う。迅速に設計するために、レイアウトエンジニアは推奨パッドサイズに従って設計を増やし、修正することを優先します。PCBはんだパッド設計の長さと幅は0.1mm増加し、はんだマスクパッドもはんだパッドに基づいて長さと幅が異なる。0.1mmずつ増やします。

PCBエンジニアリング設計

従来のPCBソルダーマスクプロセスでは、図2（2）に示すように、はんだパッドのエッジを0.05mmカバーする必要があり、2つのはんだパッド間の中間はんだマスクは0.1mmより大きくなります。PCB設計段階では、ソルダーレジストパッドのサイズを最適化することができず、2つのパッド間のソルダーレジストブリッジが0.1mm未満である場合、PCBプロジェクトはグループパッドウィンドウ設計プロセスを採用しています。

PCBレイアウト設計要件

2つのはんだパッド間のエッジ距離が0.2mm以上の場合、パッケージは従来のパッドに従って設計され、2つのはんだパッド間のエッジ距離が0.2mm未満の場合、DFM最適化設計が必要であり、DFM 最適化設計法は、はんだフラックスとソルダーマスクパッドサイズの最適化があります。ソルダーマスクプロセスのソルダーレジストがPCB製造時に最小のソルダーマスクブリッジ絶縁パッドを形成できるようにします。

2つのはんだパッド間のエッジ距離が0.2mm以上の場合は、従来の要件に従ってエンジニアリング設計を実施する必要があります、2つのはんだパッド間のエッジ距離が0.2mm未満の場合は、DFM設計が必要です。銅の除去サイズはデバイスの仕様を参照する必要があり、銅の除去後のはんだ付けはんだ付け層パッドは、推奨されるパッド設計のサイズ範囲内でなければなりません。PCBAの製造工程では、はんだの外観品質の問題や電気的性能の信頼性の問題を避けるために、2つのパッドの間にはんだマスクブリッジがあることを確認してください。

PCBAプロセス能力要件

ソルダーマスクは、はんだアセンブリプロセス中のはんだブリッジの短絡を効果的に防止することができます。高密度ファインピッチのピンを持つPCBでは、ピン間に絶縁のためのソルダーマスクブリッジがない場合、PCBA加工工場は製品の局所的なはんだ付け品質を保証することができません。ソルダーマスクの絶縁がない高密度でファインピッチのピンを持つPCBについては、現在のPCBA製造工場の処理方法は、そのPCBが供給不良であると判断し、オンライン生産を行わないというものです。顧客がどうしてもオンライン生産を希望する場合、PCBA製造工場は品質リスクを避けるため、製品の溶接品質を保証しない。PCBA工場の製造工程で発生した溶接品質の問題は、交渉して対処することが予見される。

PCB 設計要件

従来のソルダーマスク技術設計によると、片面ソルダーマスクのサイズはフラックスパッドのサイズより0.05mm大きくなければならず、そうでなければソルダーマスクがフラックス層を覆ってしまう危険性があります。上記の図5に示すように、片面ソルダーマスクの幅は0.05mmであり、ソルダーマスクの製造と加工の要件を満たしています。しかし、2つのレジストパッド間のエッジ距離はわずか0.05mmで、ソルダーレジストブリッジプロセスの最小要件を満たしていません。技術設計では、チップのピン列全体をグループ・パッド・タイプのウィンドウ・デザインとして直接設計します。

実際の溶接効果

技術設計の要求に従って基板を製作した後、SMTパッチを完成する。チップのはんだ付け不良率が50％以上であることを機能試験で確認し、再度温度サイクル実験に合格した後、5％以上の不良率を選別することができる。第一に、デバイスの外観分析（20倍の拡大鏡）を行い、チップの隣接するピン間にはんだ付け後の錫スラグと残留物があることを発見する。第二に、不良品を分析し、不良チップピンが短絡して焼けていることを発見する。

PCBレイアウト設計の最適化

IPC 7351標準パッケージライブラリを参照し、ソルダーパッド設計は1.2mm*0.3mm、ソルダーレジストパッド設計は1.3*0.4mm、隣接パッド間の中心距離は0.65mm不変です。上記の設計により、片面ソルダーマスクのサイズは0.05mmでPCBプロセス要件を満たし、隣接するソルダーマスクのエッジ間隔は0.25mmサイズでソルダーマスクプロセスを満たします。ソルダーマスクブリッジの冗長設計を増やすことで、溶接品質のリスクを大幅に低減することができ、それによって製品の信頼性を向上させます。

はんだパッドの幅は銅をカットし、はんだマスクの幅のサイズを調整します。デバイスの2つのはんだ付けパッドのエッジが0.2mm以上であり、2つのはんだ付けレジストパッドのエッジが0.1mm以上であり、はんだ付けはんだパッドとはんだ付けレジストパッドの長さが変化しないことを確認します。PCBソルダーマスクシングルパッドタイプのウィンドウ設計の製造可能要件を満たしています。

設計検証

上記の問題点を解決するために、パッドとソルダーマスクの設計を最適化する。隣接するパッドのエッジ間隔は0.2mm以上であり、ソルダーマスクのパッドのエッジ間隔は0.1mm以上である。このサイズは、ソルダーマスクプロセスのニーズを満たすことができます。

テスト歩留まりの比較

PCBレイアウト設計とPCBエンジニアリング設計からソルダーマスク設計を最適化した後、組織は同じ数のPCBを再投資し、同じ製造プロセスに従って配置と製造を完了した。

以上により、最適化スキームが有効であり、製品の製造性設計を満たしていることが検証された。

最適化設計のまとめ

まとめると、デバイスのピンエッジ間隔が 0.2mm 未満のチップは、従来のパッケージングでは設計できない。PCB LAYOUT設計におけるはんだパッドの幅は補正されず、はんだ接触部の信頼性問題を回避するためにはんだパッドの長さが長くなります。はんだパッドが大きすぎ、2つのはんだマスクのエッジ間の距離が小さすぎる場合は、銅の除去を優先する必要があります。大きすぎるはんだマスクについては、PCBA溶接の品質保証を確保するために、2つのはんだマスクのエッジ幅を効果的に増加させるために、はんだマスクの設計を最適化する必要があります。はんだフラックスとソルダーマスクパッド設計の間の調整は、PCBAの製造性とはんだ付けスルー率を向上させる上で決定的な役割を果たしていることがわかります。