Ventana de proceso de máscara de soldadura: una guía práctica de principio a fin (desde lo básico hasta la producción)

La ventana del proceso de máscara de soldadura define el rango de tolerancia de fabricación permitido para aplicar, generar imágenes y desarrollar la capa protectora en una placa de circuito impreso (PCB). Representa el equilibrio crítico entre la precisión del registro, la resolución de las características (como los diques de soldadura) y la resistencia química, lo que garantiza que las almohadillas permanezcan expuestas para soldar mientras las trazas adyacentes permanecen aisladas. Dominar esta ventana es esencial para prevenir puentes de soldadura en componentes de paso fino y garantizar la confiabilidad eléctrica a largo plazo.

Conclusiones clave

Definición: La ventana del proceso es el delta entre la desalineación máxima permitida y el tamaño mínimo requerido de la característica (ancho de la presa) que un fabricante puede producir de manera confiable.
Métrica crítica: La expansión de máscara de soldadura (SME) estándar suele ser 2 a 3 mils (50–75 µm) más grande que la almohadilla de cobre para tener en cuenta la desviación del registro.
Represa mínima: Para la máscara verde líquida fotoimagenable (LPI), la barrera de soldadura mínima confiable es generalmente 4 mils (100 µm); caer por debajo de este riesgo corre el riesgo de romper la presa.
Impacto del color: Las máscaras de soldadura en blanco y negro requieren controles de proceso más estrictos y, a menudo, requieren espacios libres más grandes (normalmente +1 mil) debido a la dificultad en la polimerización ligera.
Consejo de validación: Utilice un análisis de sección transversal para verificar que el espesor de la máscara de soldadura sobre el codo de la traza de cobre sea de al menos 0,3 mils (7–8 µm).
Compensación del grabado: una planificación adecuada de la compensación del grabado es vital; Si las almohadillas de cobre se graban más pequeñas de lo diseñado, el espacio libre efectivo de la máscara de soldadura aumenta, exponiendo potencialmente el laminado adyacente.
Regla de decisión: si el paso del componente es 0,5 mm o menos, cambie de la imagen de película estándar a la imagen directa por láser (LDI) para mantener una ventana de proceso viable.

Lo que realmente significa (alcance y límites)

La ventana del proceso de máscara de soldadura no es un número único, sino un rango de capacidad estadística que tiene en cuenta el movimiento del material, la alineación de la máquina y las velocidades de reacción química. En el proceso de fabricación de PCB, la máscara de soldadura se aplica sobre los circuitos de cobre grabados. La "ventana" determina cuánto puede desplazarse la imagen (error de registro) antes de cubrir una almohadilla que debe quedar expuesta (invasión) o exponer el cobre que debe cubrirse (exposición).

Las tres dimensiones de la ventana

Registro (eje X/Y): Esta es la alineación de la imagen de la máscara con la capa de cobre. Los factores que afectan esto incluyen el escalado de la obra de arte, la expansión térmica del panel durante el curado y la precisión de la unidad de exposición. Una tolerancia de registro típica es ±2 mils (50 µm).
Resolución (Tamaño de característica): Esto se refiere a la estructura más pequeña que el proceso puede definir. La característica más importante es el "dique de soldadura", la franja de máscara entre dos almohadillas adyacentes. Si el dique es demasiado estrecho, se desprenderá durante el desarrollo o el reflujo.
Espesor (Eje Z): La máscara debe ser lo suficientemente gruesa como para proporcionar aislamiento eléctrico (rigidez dieléctrica) pero lo suficientemente delgada como para no interferir con la impresión de la plantilla para ensamblaje SMT.

Interacción de planificación de compensación de grabado

La ventana del proceso de máscara de soldadura depende en gran medida de la geometría del cobre subyacente. Durante el proceso de grabado, el cobre se elimina tanto lateral como verticalmente. Planificación de compensación de grabado implica aumentar el tamaño de la característica de cobre en la película de producción para tener en cuenta este factor de grabado lateral.

Si la compensación de grabado se calcula incorrectamente, la almohadilla de cobre final puede ser más pequeña de lo previsto. Incluso si la máscara de soldadura está perfectamente alineada con las coordenadas de diseño, el espacio entre el borde de la máscara y el borde real de la almohadilla de cobre (el espacio libre) será mayor de lo esperado. Esto puede exponer rastros o planos de tierra adyacentes, creando un riesgo de cortocircuitos durante el montaje. Por el contrario, si el cobre está poco grabado (demasiado grande), la máscara de soldadura podría superponerse a la almohadilla, reduciendo el área soldable.

Métricas que importan (cómo evaluarlas)

Para controlar la ventana del proceso de la máscara de soldadura, los fabricantes monitorean dimensiones físicas específicas y capacidades del proceso. Las siguientes tablas describen los criterios de aceptación estándar y los límites de capacidad para placas de alta confiabilidad.

Tabla 1: Métricas de la dimensión física

Métrica	Capacidad estándar	Capacidad avanzada (HDI)	Por qué es importante
Expansión de máscara de soldadura (SME)	3 mil (75 µm)	2 mil (50 µm)	Garantiza que la máscara no invada la almohadilla a pesar de la desalineación.
Dique de máscara de soldadura (SMD)	4 mil (100 µm)	3 mil (75 µm)	Evita puentes de soldadura entre almohadillas; crítico para paso fino BGA/QFN.
Tolerancia de registro	±2 milésimas (50 µm)	±1 mil (25 µm)	Define el desplazamiento máximo permitido de la capa de máscara en relación con el cobre.
Espesor (Sobre Cobre)	> 0,5 milésimas (12 µm)	> 0,3 milésimas (8 µm)	Proporciona rigidez dieléctrica y protección física.
Espesor (sobre laminado)	0,8 a 1,2 mil (20 a 30 µm)	0,8 a 1,2 mil (20 a 30 µm)	Garantiza la adherencia al material base.
A través del diámetro máximo de la tienda de campaña	12 milésimas (0,3 mm)	8 mil (0,2 mm)	Determina si una vía puede cubrirse únicamente con la resistencia de la película de la máscara.

Tabla 2: Capacidad del proceso por método

Característica	Serigrafía	Capa de inundación + exposición de película	Imagen láser directa (LDI)
Precisión de alineación	±4–6 milésimas de pulgada	±2–3 milésimas de pulgada	±0,5–1 mil
Ancho mínimo de presa	6 a 8 milésimas	4 milésimas	2,5 a 3 mil
Rendimiento	Alto	Medio	Inferior
Factor de costo	Bajo	Medio	Alto
Mejor para	Tableros simples de baja densidad	PCB multicapa estándar	PCB HDI y paso fino
Riesgo reducido	Bajo	Moderado	Bajo (Paredes laterales rectas)

Umbrales numéricos clave

Prueba de adhesión: Debe pasar la prueba de cinta según IPC-TM-650 2.4.28.1 (Clasificación 5B).
Dureza: Dureza del lápiz típicamente > 6H después del curado final.
Voltaje de ruptura: Normalmente > 500 V/mil para máscara LPI estándar.

Primer plano de PCB HDI que muestra represas de máscara de soldadura apretadas

Cómo elegir (orientación para la selección por escenario)

Seleccionar los parámetros de la máscara de soldadura y el método de aplicación correctos es una compensación entre costo, rendimiento y densidad de diseño. Utilice estas reglas de decisión para navegar por la ventana del proceso.

Si el paso del componente es < 0,5 mm, elija Imagen directa por láser (LDI). Las ilustraciones cinematográficas estándar se estiran y encogen, lo que hace imposible sostener una presa de 3 mil a lo largo de un panel grande.
Si el diseño requiere almohadillas Non-Solder Mask Defined (NSMD) para BGA, elija una expansión de máscara de al menos 2 mils (50 µm). Esto asegura que la bola de soldadura se enrolle alrededor de la almohadilla de cobre para brindar resistencia mecánica.
Si está utilizando cobre pesado (> 2 oz), elija varias pasadas de recubrimiento o recubrimiento por aspersión. La serigrafía o el revestimiento de cortina pueden dar como resultado una cobertura delgada en la "rodilla" (esquina) del rastro, lo que provoca una falla de voltaje.
Si la PCB funciona a alto voltaje (> 100 V), elija una máscara de soldadura con una alta rigidez dieléctrica y asegúrese de un espesor mínimo de 1 mil (25 µm) sobre los conductores.
Si necesita una máscara de soldadura blanca o negra, elija reducir el ancho mínimo del dique a 5–6 mils. Estos pigmentos bloquean la luz ultravioleta, lo que dificulta el curado completo del fondo del dique, lo que provoca socavamiento y descamación.
Si la placa es un circuito flexible, elija una cubierta de poliimida flexible o una máscara LPI flexible especializada. El LPI rígido estándar se agrietará cuando se doble.
Si necesita carpear vías, elija un diámetro de vía de 12 mils (0,3 mm) o menos. Las vías más grandes requieren taparse (conductoras o no conductoras) antes de enmascararlas para evitar que la máscara se hunda y se rompa.
Si el diseño tiene control de impedancia en microbandas de superficie, elija especificar la tolerancia del espesor de la máscara de soldadura. Las variaciones en el espesor de la máscara afectan la constante dieléctrica y la impedancia característica.
Si está utilizando acabado ENIG, elija una máscara de soldadura con alta resistencia química. La química agresiva del proceso de níquel no electrolítico/oro por inmersión puede atacar las máscaras curadas incorrectamente, provocando "lixiviación de la máscara de soldadura".
Si el costo es el factor principal y el paso es > 0,8 mm, elija una máscara líquida fotoimagen (LPI) estándar con exposición de película. Ofrece el mejor equilibrio entre rendimiento y economía.

Puntos de control de implementación (desde el diseño hasta la fabricación)

Lograr una ventana de proceso de máscara de soldadura robusta requiere sincronización entre los datos de diseño y el piso de fabricación. Siga este plan de ejecución de 10 pasos.

Fase 1: Preparación de datos

Verificación de reglas de diseño (DRC):
- Acción: Ejecute un DRC centrándose en el "espacio libre entre la máscara y el cobre" y el "ancho del puente (presa) de la máscara".
- Aceptación: Sin autorizaciones < 2 mils; sin presas < 4 mils (a menos que se especifique LDI).
Planificación de compensación por grabado:
- Acción: Ajuste las capas de cobre en CAM para tener en cuenta los factores de grabado.
- Aceptación: Verifique que el tamaño de la almohadilla de cobre terminada coincida con el diseño, asegurándose de que la autorización de la máscara siga siendo válida.
Escalado de panelización:
- Acción: Aplique factores de escala no lineales al diseño de la máscara de soldadura para que coincida con el movimiento previsto del material del núcleo durante la laminación.
- Aceptación: Los objetivos de alineación medidos en el borde del panel deben estar dentro de ±1 mil de los objetivos de cobre.

Fase 2: Preparación de la superficie

Proceso de limpieza previa:
- Acción: Utilice micrograbado químico o fregado mecánico (piedra pómez/óxido de aluminio) para hacer áspera la superficie de cobre.
- Aceptación: La rugosidad de la superficie (Ra) debe ser 0,2–0,4 µm para garantizar el entrelazado mecánico (adhesión).
- Medible: Prueba de rotura de agua: el agua debe salir del panel sin formar gotas durante > 30 segundos.

Fase 3: Aplicación e imágenes5. Aplicación de recubrimiento:

* *Acción:* Aplique tinta LPI mediante serigrafía, capa de cortina o spray.
* *Aceptación:* El espesor de la película húmeda debe ser uniforme (normalmente **30–40 µm** húmeda para lograr 20 µm seca).

Secado adherente (precurado):
- Acción: Hornee el panel para eliminar los solventes, haciendo que la máscara quede libre de pegajosidad pero no entrecruzada.
- Aceptación: El recubrimiento no debe adherirse a la película artística ni a la tabla LDI. El horneado excesivo aquí reduce la ventana del proceso al dificultar el desarrollo.
Exposición:
- Acción: Exponer a la luz ultravioleta (longitud de onda de 365 nm).
- Aceptación: Lectura de Stouffer Step Wedge de 10–12 (paso sólido) para confirmar la densidad de energía correcta (mJ/cm²).

Fase 4: desarrollo y curado

En desarrollo:
- Acción: Lave la mascarilla no expuesta con una solución de carbonato de sodio.
- Aceptación: Las paredes laterales deben ser verticales. No quedan "escoria" (residuos) en las almohadillas.
- Medible: El punto de ruptura de desarrollo debe estar en 50–60% de la longitud de la cámara.
Cura final:
- Acción: Horneado térmico (normalmente a 150 °C durante 60 minutos) para reticular completamente el polímero.
- Aceptación: La mascarilla debe pasar la prueba de resistencia a solventes (frotación MEK) y la prueba de adhesión de la cinta.
Inspección final:
- Acción: Inspección óptica automatizada (AOI) o verificación visual.
- Aceptación: Sin cobre expuesto en rastros; sin máscara en las almohadillas. Registro dentro de ±2 mils.

Errores comunes (y el enfoque correcto)

El incumplimiento de la ventana del proceso de máscara de soldadura provoca defectos de montaje. A continuación se detallan los errores más frecuentes y sus correcciones.

1. Ancho de presa insuficiente

Error: Diseñar una presa de 2 mil para un proceso LPI estándar.
Impacto: El dique se levanta durante el desarrollo o el reflujo, lo que provoca puentes de soldadura entre las almohadillas.
Solución: Aumentar el ancho de la presa a 4 mils o cambiar a fabricación LDI.
Verificar: Verifique el informe "astilla de máscara de soldadura" en su herramienta DFM.

2. Ignorar la altura del cobre (altura de seguimiento)

Error: Usar parámetros de recubrimiento estándar para 3 oz de cobre.
Impacto: La máscara se adelgaza en la "rodilla" de la traza, lo que provoca una ruptura dieléctrica o exposición.
Solución: Especifique "doble capa" o "pulverización electrostática" para cobre pesado apilamiento de PCB.
Verificar: Análisis de microsección que muestra una cobertura > 0,5 mil en la esquina.

3. Tiendas de campaña demasiado agresivas

Error: Intentar cubrir una vía de 20 mil con una mascarilla líquida.
Impacto: La máscara se hunde en el orificio y se rompe, atrapando la química o permitiendo que la soldadura se absorba.
Solución: Limite las vías en tienda a < 12 mils o use un proceso de conexión de vía específico (IPC-4761 Tipo III o IV).
Verificar: Prueba de retroiluminación para comprobar si hay agujeros en las vías tipo tienda de campaña.

4. Mala planificación de la compensación por grabado

Error: Aplicar datos de máscara 1:1 sin considerar la reducción de cobre durante el grabado.
Impacto: El espacio entre la máscara y la almohadilla de cobre real se vuelve demasiado grande, exponiendo el vertido de tierra adyacente.
Solución: Coordine con el departamento de CAM para garantizar que los espacios libres de la máscara se calculen en función del tamaño de la almohadilla terminada, no del tamaño de la almohadilla de herramientas.
Verificar: Compare los archivos Gerber con la lista de redes y las tablas de compensación de fabricación.

5. Desarrollo incompleto (escoria)

Error: Solución de revelador antigua o velocidad incorrecta del transportador.
Impacto: Quedan residuos invisibles en las almohadillas, lo que provoca una mala soldabilidad o "almohadilla negra" en ENIG.
Solución: Mantener el pH del revelador y la gravedad específica; Realice un mantenimiento regular de la boquilla.
Verificar: Sumerja un cupón de prueba en soldadura; la falta de humectación indica residuos.

6. Socavado en máscaras de colores

Error: Usar energía de exposición estándar para máscaras negras o azules.
Impacto: La luz ultravioleta no penetra hasta el fondo de la capa; la base de la presa se disuelve, dejando un saliente que atrapa el flujo.
Solución: Aumentar la energía de exposición (mJ) y el tiempo de exposición para tintas con alto contenido de pigmentos.
Verificar: Inspección de sección transversal buscando un perfil trapezoidal (base ancha) en lugar de un trapezoide invertido.

7. Desviación del registro en paneles grandes

Error: Usar ilustraciones cinematográficas en paneles grandes (24" x 18") con tolerancias estrictas.
Impacto: La contracción del material provoca una desalineación en los bordes del panel, incluso si el centro está alineado.
Solución: Utilice LDI, que utiliza "fiduciales locales" para escalar la imagen dinámicamente a las dimensiones reales del panel.
Verificar: Mida el registro en las cuatro esquinas del panel de fabricación.

8. Máscara de soldadura en la plataforma (invasión)

Error: Diseño de tolerancia cero (panel definido por máscara) sin capacidad LDI.
Impacto: Área soldable reducida, lo que provoca desprendimientos o uniones abiertas en pasivos pequeños.
Solución: Utilice una expansión nominal de 2 a 3 mils para las almohadillas NSMD (Non-Solder Mask Defined).
Verificar: La inspección AOI está configurada para detectar una intrusión de la máscara > 1 mil en la almohadilla.

Preguntas frecuentes (costo, plazo de entrega, materiales, pruebas, criterios de aceptación)

1. ¿Cómo afecta el ajuste de la ventana del proceso de máscara de soldadura al costo de la PCB? Ajustar la ventana (por ejemplo, requerir presas de 2 mil o alineación de ±1 mil) obliga al uso de imágenes directas por láser (LDI) y rendimientos potencialmente más bajos.

Impacto en los costos: Espere un aumento del 10 % al 15 % en el precio unitario.
Rendimiento: Mayor tasa de desperdicio debido a fallas en el registro.
Equipo: Requiere salas limpias avanzadas (Clase 10,000 o mejor).

2. ¿Cuál es la diferencia entre las almohadillas definidas con máscara de soldadura (SMD) y sin máscara definida por soldadura (NSMD)? Las almohadillas SMD tienen la abertura de la máscara más pequeña que la almohadilla de cobre, mientras que las almohadillas NSMD tienen la abertura de la máscara más grande que la de cobre.

NSMD: Preferido para BGA; Proporciona una mejor adhesión del cobre al laminado.
SMD: Se utiliza en áreas de alta densidad para evitar el levantamiento de la almohadilla, pero reduce el área soldable.
Ventana de proceso: NSMD requiere una ventana de proceso (espacio libre) más grande para evitar que la máscara toque la almohadilla.

3. ¿Puedo usar diferentes colores de máscara de soldadura en la misma placa? Si bien es posible, rara vez se realiza debido al costo extremo y la complejidad de los múltiples ciclos de recubrimiento y curado.

Proceso: Requiere enmascarar, recubrir, curar y repetir.
Riesgo: Alto riesgo de errores de registro entre colores.
Alternativa: Use serigrafía para diferenciar el color en lugar de máscara.

4. ¿Cómo afecta el espesor de la máscara de soldadura al control de impedancia? Soldermask es un material dieléctrico (Dk ≈ 3,5–4,0) que se asienta directamente sobre las microtiras de la superficie, alterando el campo electromagnético.

Impacto: Puede reducir la impedancia en 2–5 ohmios.
Control: Los fabricantes deben controlar el espesor dentro de ±5 µm.
Simulación: Los cálculos de diseño deben incluir la presencia y el espesor de la máscara.

5. ¿Cuál es el impacto típico en el tiempo de entrega para LDI versus imágenes en película? LDI es un proceso en serie (escaneo de cada panel), mientras que la exposición de la película es un proceso paralelo (exposición con flash).

LDI: Rendimiento más lento por panel, pero cero tiempo de configuración para la generación de ilustraciones. Más rápido para prototipos.
Película: Rendimiento rápido para la producción, pero requiere tiempo para trazar e inspeccionar las películas.
Tiempo total: Para PCB de giro rápido, LDI suele ser más rápido a pesar de las velocidades de escaneo más lentas.

6. ¿Por qué las vías conectadas a veces se ven diferentes bajo la máscara de soldadura? Cuando las vías están tapadas (en forma de carpa o llenas), la máscara de soldadura se acumula sobre el orificio o el material del tapón, creando un bulto o un hoyuelo.

Hoyuelos: Aceptable si < 5 mils de profundidad (IPC-600).
Golpes: No debe interferir con la colocación de los componentes (requisitos de planitud).
Visual: A menudo aparece como un punto más oscuro debido al mayor espesor de la tinta.

7. ¿Cómo verifico la calidad del curado de la máscara de soldadura? El estándar de la industria es la prueba de resistencia a los solventes.

Método: Frote la superficie con un paño empapado en cloruro de metileno o MEK.
Criterios: No hay degradación, pegajosidad ni transferencia de color después del número especificado de frotaciones dobles.
Importancia: La máscara poco curada se degradará durante la soldadura HASL o por reflujo.8. ¿Cuál es el espacio mínimo para la apertura de una máscara de "alivio de pandillas"? El alivio de grupo abre un bloque de máscara alrededor de un grupo de pines (como un conector) en lugar de almohadillas individuales.
Liquidación: Normalmente 3–5 mils alrededor del perímetro del grupo de pasadores.
Beneficio: Elimina la necesidad de barreras delgadas entre los pasadores.
Inconveniente: Aumenta el riesgo de que se produzcan puentes de soldadura durante la soldadura por ola.

Glosario (términos clave)

Término	Definición
LPI (Fotoimagen líquida)	Una tinta que se puede reproducir fotográficamente (como una película) para definir patrones precisos. El estándar de la industria para máscaras de soldadura.
LDI (Imagen directa por láser)	Un proceso de imágenes digitales que utiliza láseres UV para exponer la máscara directamente a partir de datos CAD, sin pasar por las películas físicas.
SME (Expansión de Máscara de Soldadura)	La distancia desde el borde de la almohadilla de cobre hasta el borde de la abertura de la máscara de soldadura.
Presa (Web)	La tira estrecha de material de máscara de soldadura que queda entre dos almohadillas expuestas adyacentes.
Rebajado	La erosión de la pared lateral de la máscara de soldadura en la base, generalmente causada por una exposición insuficiente o por un desarrollo excesivo.
Carpa	Cubrir un orificio de paso con una máscara de soldadura para evitar que entre soldadura.
Sangrado	El flujo no deseado de tinta de máscara de soldadura hacia una almohadilla donde

Conclusión

soldermask process window es más fácil de lograr cuando se definen las especificaciones y el plan de verificación con anticipación, luego se confirman a través de DFM y se prueba la cobertura. Utilice las reglas, puntos de control y patrones de solución de problemas anteriores para reducir los bucles de iteración y proteger el rendimiento a medida que aumentan los volúmenes. Si no está seguro acerca de una restricción, valídela con una pequeña compilación piloto antes de bloquear la versión de producción.