Fenêtre de traitement du masque de soudure : un guide pratique de bout en bout (des bases à la production)

La fenêtre de traitement du masque de soudure définit la plage de tolérance de fabrication autorisée pour l'application, l'imagerie et le développement du revêtement protecteur sur une carte de circuit imprimé (PCB). Il représente l'équilibre critique entre la précision de l'enregistrement, la résolution des caractéristiques (telles que les barrages de soudure) et la résistance chimique, garantissant que les plots restent exposés pour le soudage tandis que les traces adjacentes restent isolées. La maîtrise de cette fenêtre est essentielle pour éviter les ponts de soudure dans les composants à pas fin et garantir une fiabilité électrique à long terme.

Points clés à retenir

Définition : La fenêtre de processus est le delta entre le désalignement maximal autorisé et la taille minimale requise (largeur du barrage) qu'un fabricant peut produire de manière fiable.
Metrique critique : L'expansion du masque de soudure (SME) standard est généralement 2 à 3 mils (50 à 75 µm) plus grande que le tampon de cuivre pour tenir compte de la dérive d'enregistrement.
Barrage minimum : pour le masque vert liquide photoimageable (LPI), le barrage de soudure fiable minimum est généralement de 4 mils (100 µm) ; tomber en dessous risque de briser le barrage.
Impact des couleurs : Les masques de soudure noirs et blancs nécessitent des contrôles de processus plus stricts et nécessitent souvent des jeux plus importants (généralement +1 mil) en raison de la difficulté de polymérisation à la lumière.
Conseil de validation : utilisez une analyse transversale pour vérifier que l'épaisseur du masque de soudure sur le genou de la trace de cuivre est d'au moins 0,3 mils (7 à 8 µm).
Compensation de gravure : une planification appropriée de la compensation de gravure est vitale ; si les plots de cuivre sont gravés plus petits que prévu, le jeu effectif du masque de soudure augmente, exposant potentiellement le stratifié adjacent.
Règle de décision : si le pas du composant est de 0,5 mm ou moins, passez de l'imagerie sur film standard à l'imagerie laser directe (LDI) pour conserver une fenêtre de processus viable.

Ce que cela signifie réellement (portée et limites)

La fenêtre de traitement du masque de soudure n'est pas un nombre unique mais une plage de capacités statistiques qui prend en compte le mouvement des matériaux, l'alignement de la machine et les taux de réaction chimique. Dans le Processus de fabrication des PCB, le masque de soudure est appliqué sur les circuits en cuivre gravés. La « fenêtre » détermine dans quelle mesure l'image peut se déplacer (erreur d'enregistrement) avant de recouvrir un tampon qui doit être exposé (empiétement) ou d'exposer du cuivre qui doit être recouvert (exposition).

Les trois dimensions de la fenêtre

Enregistrement (axe X/Y) : Il s'agit de l'alignement de l'image du masque sur la couche de cuivre. Les facteurs affectant cela incluent la mise à l'échelle de l'œuvre d'art, la dilatation thermique du panneau pendant le durcissement et la précision de l'unité d'exposition. Une tolérance d'enregistrement typique est de ±2 mils (50 µm).
Résolution (taille de la fonctionnalité) : Il s'agit de la plus petite structure que le processus peut définir. La caractéristique la plus critique est le « barrage de soudure » : le ruban de masque entre deux pastilles adjacentes. Si le barrage est trop étroit, il se décollera lors du développement ou de la refusion.
Épaisseur (axe Z) : Le masque doit être suffisamment épais pour fournir une isolation électrique (rigidité diélectrique) mais suffisamment fin pour ne pas interférer avec l'impression au pochoir pour l'assemblage SMT.

Interaction de planification de la rémunération Etch

La fenêtre de traitement du masque de soudure dépend fortement de la géométrie du cuivre sous-jacente. Au cours du processus de gravure, le cuivre est éliminé latéralement et verticalement. La planification de la compensation de gravure implique d'augmenter la taille des éléments de cuivre sur le film de production pour tenir compte de ce facteur de gravure latérale.

Si la compensation de gravure est mal calculée, la pastille de cuivre finale peut être plus petite que prévu. Même si le masque de soudure est parfaitement aligné sur les coordonnées de conception, l'écart entre le bord du masque et le bord réel du tampon de cuivre (le jeu) sera plus grand que prévu. Cela peut exposer des plans de masse ou des traces adjacents, créant un risque de court-circuit lors de l'assemblage. À l’inverse, si le cuivre est sous-gravé (trop grand), le masque de soudure pourrait chevaucher le plot, réduisant ainsi la zone soudable.

Mesures importantes (comment les évaluer)

Pour contrôler la fenêtre de processus du masque de soudure, les fabricants surveillent les dimensions physiques spécifiques et les capacités du processus. Les tableaux suivants présentent les critères d'acceptation standard et les limites de capacité des cartes haute fiabilité.

Tableau 1 : Mesures des dimensions physiques

Métrique	Capacité standard	Capacité avancée (HDI)	Pourquoi c'est important
Extension du masque de soudure (SME)	3 mils (75 µm)	2 mils (50 µm)	Garantit que le masque n’empiète pas sur le coussin malgré un mauvais alignement.
Barrage de masque de soudure (SMD)	4 mils (100 µm)	3 mils (75 µm)	Empêche les ponts de soudure entre les pastilles ; critique pour BGA/QFN pas fin.
Tolérance d'inscription	±2 mils (50 µm)	±1 mil (25 µm)	Définit le décalage maximum autorisé de la couche de masque par rapport au cuivre.
Épaisseur (sur cuivre)	> 0,5 mil (12 µm)	> 0,3 mil (8 µm)	Fournit une rigidité diélectrique et une protection physique.
Épaisseur (sur stratifié)	0,8 à 1,2 mil (20 à 30 µm)	0,8 à 1,2 mil (20 à 30 µm)	Assure l'adhérence au matériau de base.
Via diamètre maximum de la tente	12 mils (0,3 mm)	8 mils (0,2 mm)	Détermine si un via peut être recouvert uniquement par la résistance du film du masque.

Tableau 2 : Capacité du processus par méthode

Fonctionnalité	Sérigraphie	Couche d'inondation + exposition au film	Imagerie directe laser (LDI)
Précision d'alignement	±4 à 6 mils	±2 à 3 mils	±0,5 à 1 mil
Largeur minimale du barrage	6 à 8 mils	4 milles	2,5 à 3 mils
Débit	Élevé	Moyen	Inférieur
Facteur de coût	Faible	Moyen	Élevé
Meilleur pour	Planches simples à faible densité	PCB multicouches standards	PCB HDI et pas fin
Risque de contre-cotation	Faible	Modéré	Faible (parois latérales droites)

Seuils numériques clés

Test d'adhérence : Doit réussir le test de bande selon IPC-TM-650 2.4.28.1 (évaluation 5B).
Dureté : Dureté du crayon généralement > 6H après durcissement final.
Tension de claquage : Généralement > 500 V/mil pour le masque LPI standard.

Gros plan du PCB HDI montrant des barrages de masque de soudure serrés

Comment choisir (Guide de sélection par scénario)

La sélection des paramètres du masque de soudure et de la méthode d'application appropriés est un compromis entre le coût, le rendement et la densité de conception. Utilisez ces règles de décision pour naviguer dans la fenêtre de processus.

Si le pas du composant est < 0,5 mm, choisissez Imagerie directe laser (LDI). Les illustrations de film standard s'étirent et se rétrécissent, ce qui rend impossible le maintien d'un barrage de 3 mil sur un grand panneau.
Si la conception nécessite des tampons Non-Solder Mask Defined (NSMD) pour les BGA, choisissez une extension de masque d'au moins 2 mils (50 µm). Cela garantit que la bille de soudure s'enroule autour du tampon de cuivre pour plus de résistance mécanique.
Si vous utilisez du cuivre lourd (> 2 oz), choisissez plusieurs passes de revêtement ou un revêtement par pulvérisation. La sérigraphie ou le revêtement en rideau peuvent entraîner une fine couverture sur le « genou » (coin) de la trace, entraînant une coupure de tension.
Si le PCB fonctionne à haute tension (> 100 V), choisissez un masque de soudure à rigidité diélectrique élevée et assurez-vous d'une épaisseur minimale de 1 mil (25 µm) sur les conducteurs.
Si vous avez besoin d'un masque de soudure blanc ou noir, choisissez d'assouplir la largeur minimale du barrage à 5–6 mils. Ces pigments bloquent la lumière UV, ce qui rend difficile le durcissement complet du fond du barrage, entraînant une sous-cotation et un pelage.
Si la carte est un circuit flexible, choisissez un revêtement flexible en polyimide ou un masque LPI flexible spécialisé. Le LPI rigide standard se fissurera lorsqu'il sera plié.
Si vous devez tenter des vias, choisissez un diamètre de via de 12 mils (0,3 mm) ou moins. Les vias plus grands nécessitent un branchement (conducteur ou non conducteur) avant le masquage pour éviter que le masque ne s'affaisse et ne se brise.
Si la conception a un contrôle d'impédance sur les microrubans de surface, choisissez pour spécifier la tolérance d'épaisseur du masque de soudure. Les variations d'épaisseur du masque affectent la constante diélectrique et l'impédance caractéristique.
Si vous utilisez une finition ENIG, choisissez un masque de soudure à haute résistance chimique. La chimie agressive du procédé nickel/or par immersion peut attaquer les masques mal durcis, provoquant une « lixiviation des masques de soudure ».
Si le coût est le facteur principal et que le pas est > 0,8 mm, choisissez un masque photoimageable liquide (LPI) standard avec exposition sur film. Il offre le meilleur équilibre entre performances et économie.

Points de contrôle de mise en œuvre (de la conception à la fabrication)

Pour obtenir une fenêtre de processus de masque de soudure robuste, il faut une synchronisation entre les données de conception et l'atelier de fabrication. Suivez ce plan d'exécution en 10 étapes.

Phase 1 : Préparation des données

Vérification des règles de conception (DRC) :
- Action : Exécutez un DRC en vous concentrant sur le « dégagement du masque au cuivre » et la « largeur du pont (barrage) du masque ».
- Acceptation : Aucun dégagement < 2 mils ; aucun barrage < 4 mils (sauf si LDI est spécifié).
Planification de la rémunération Etch :
- Action : Ajustez les couches de cuivre dans CAM pour tenir compte des facteurs de gravure.
- Acceptation : Vérifiez que la taille du tampon en cuivre fini correspond à la conception, en vous assurant que l'espace libre du masque reste valide.
Mise à l'échelle de la panélisation :
- Action : Appliquez des facteurs d'échelle non linéaires à l'illustration du masque de soudure pour correspondre au mouvement prévu du matériau de base pendant le laminage.
- Acceptation : Les cibles d'alignement mesurées sur le bord du panneau doivent être à moins de ± 1 mil des cibles en cuivre.

Phase 2 : Préparation de la surface

Processus de pré-nettoyage :
- Action : Utiliser une micro-attaque chimique ou un récurage mécanique (pierre ponce/oxyde d'aluminium) pour rendre rugueuse la surface du cuivre.
- Acceptation : La rugosité de surface (Ra) doit être de 0,2 à 0,4 µm pour garantir un verrouillage mécanique (adhérence).
- Mesurable : Test de rupture d'eau : l'eau doit s'écouler du panneau sans perler pendant > 30 secondes.

Phase 3 : Application et imagerie5. Application de revêtement :

* *Action :* Appliquez l'encre LPI par sérigraphie, par application de rideau ou par pulvérisation.
* *Acceptation :* L'épaisseur du film humide doit être uniforme (généralement **30 à 40 µm** humide pour atteindre 20 µm sec).

Tack Dry (pré-durcissement) :
- Action : Cuire le panneau pour éliminer les solvants, ce qui rend le masque non collant mais non réticulé.
- Acceptation : Le revêtement ne doit pas coller au film d'art ou à la table LDI. Une cuisson excessive réduit ici la fenêtre de processus en rendant le développement difficile.
Exposition :
- Action : Exposer à la lumière UV (longueur d'onde de 365 nm).
- Acceptation : Lecture Stouffer Step Wedge de 10–12 (étape solide) pour confirmer la densité d'énergie correcte (mJ/cm²).

Phase 4 : Développement et guérison

Développement :
- Action : Laver le masque non exposé à l'aide d'une solution de carbonate de sodium.
- Acceptation : Les parois latérales doivent être verticales. Aucune « écume » (résidu) laissée sur les tampons.
- Mesurable : Le point d'arrêt de développement doit être situé à 50–60 % de la longueur de la chambre.
Remède final :
- Action : Cuisson thermique (typiquement 150°C pendant 60 min) pour réticuler complètement le polymère.
- Acceptation : Le masque doit réussir le test de résistance aux solvants (MEK rub) et le test d'adhérence du ruban adhésif.
Inspection finale :
- Action : Inspection optique automatisée (AOI) ou contrôle visuel.
- Acceptation : Aucun cuivre exposé sur les traces ; pas de masque sur les serviettes. Enregistrement dans un délai de ±2 mils.

Erreurs courantes (et la bonne approche)

Le non-respect de la fenêtre de traitement du masque de soudure entraîne des défauts d'assemblage. Voici les erreurs les plus fréquentes et leurs corrections.

1. Largeur de barrage insuffisante

Erreur : Concevoir un barrage de 2 mil pour un processus LPI standard.
Impact : Le barrage se décolle pendant le développement ou la refusion, provoquant un pont de soudure entre les plots.
Correction : Augmentez la largeur du barrage à 4 mils ou passez à la fabrication LDI.
Vérifiez : Vérifiez le rapport « éclat de masque de soudure » dans votre outil DFM.

2. Ignorer la hauteur du cuivre (hauteur de la trace)

Erreur : Utilisation des paramètres de revêtement standard pour 3 oz de cuivre.
Impact : Le masque s'amincit au niveau du « genou » de la trace, entraînant une rupture diélectrique ou une exposition.
Correction : Spécifiez « double couche » ou « pulvérisation électrostatique » pour le cuivre lourd empilement de PCB.
Vérifiez : Analyse par microsection montrant une couverture > 0,5 mil au coin.

3. Camping trop agressif

Erreur : Tenter d'appliquer un via de 20 mil avec un masque liquide.
Impact : Le masque s'affaisse dans le trou et se brise, emprisonnant les produits chimiques ou permettant l'évacuation de la soudure.
Correction : Limitez les vias sous tente à < 12 mils ou utilisez un processus de branchement de via spécifique (IPC-4761 Type III ou IV).
Vérifier : Test de rétroéclairage pour vérifier la présence de trous d'épingle dans les vias sous tente.

4. Mauvaise planification de la compensation Etch

Erreur : Appliquer des données de masque 1:1 sans tenir compte de la réduction du cuivre lors de la gravure.
Impact : L'écart entre le masque et le tampon de cuivre devient trop grand, exposant le sol adjacent.
Correction : Coordonnez-vous avec le service CAM pour garantir que les dégagements du masque sont calculés en fonction de la taille du tampon fini, et non de la taille du tampon outillage.
Vérifiez : Comparez les fichiers Gerber avec la netlist et les tableaux de compensation de fabrication.

5. Développement incomplet (Scumming)

Erreur : Ancienne solution de développement ou vitesse de convoyeur incorrecte.
Impact : Des résidus invisibles restent sur les pads, provoquant une mauvaise soudabilité ou un « pad noir » dans ENIG.
Correction : Maintenir le pH et la densité du développeur ; effectuer un entretien régulier des buses.
Vérifiez : Trempez un coupon de test dans la soudure ; non mouillant indique un résidu.

6. Sous-cotation des masques colorés

Erreur : Utiliser une énergie d'exposition standard pour les masques noirs ou bleus.
Impact : la lumière UV ne pénètre pas jusqu'au bas de la couche ; la base du barrage se dissout, laissant un surplomb qui emprisonne le flux.
Correction : Augmentez l'énergie d'exposition (mJ) et le temps d'exposition pour les encres à haute teneur en pigments.
Vérifier : Inspection en coupe transversale à la recherche d'un profil trapézoïdal (base large) plutôt que d'un trapèze inversé.

7. Dérive d'enregistrement sur les grands panneaux

Erreur : Utiliser des illustrations de film sur de grands panneaux (24" x 18") avec des tolérances serrées.
Impact : Le retrait du matériau provoque un désalignement des bords du panneau, même si le centre est aligné.
Correction : Utilisez LDI qui utilise des « repères locaux » pour redimensionner l'image de manière dynamique selon les dimensions réelles du panneau.
Vérifiez : Mesurez l'enregistrement aux quatre coins du panneau de fabrication.

8. Masque de soudure sur tampon (empiétement)

Erreur : Conception à tolérance zéro (tampon défini par masque) sans capacité LDI.
Impact : Zone soudable réduite, provoquant un tombstoning ou des joints ouverts sur les petits passifs.
Correction : Utilisez une expansion nominale de 2 à 3 mils pour les pastilles NSMD (Non-Solder Mask Defined).
Vérifier : Inspection AOI définie pour détecter une intrusion de masque > 1 mil sur le tampon.

FAQ (coût, délai de livraison, matériaux, tests, critères d'acceptation)

1. Comment le resserrement de la fenêtre de processus du masque de soudure affecte-t-il le coût du PCB ? Le resserrement de la fenêtre (par exemple, nécessitant des barrages de 2 mil ou un alignement de ± 1 mil) force l'utilisation de l'imagerie directe laser (LDI) et des rendements potentiellement inférieurs.

Impact sur les coûts : Attendez-vous à une augmentation de 10 à 15 % du prix unitaire.
Rendement : Taux de rebut plus élevé en raison d'échecs d'enregistrement.
Équipement : Nécessite des salles blanches avancées (classe 10 000 ou supérieure).

2. Quelle est la différence entre les tampons définis par masque de soudure (SMD) et les tampons définis par masque de soudure (NSMD) ? Les tampons SMD ont une ouverture de masque plus petite que celle du tampon en cuivre, tandis que les tampons NSMD ont une ouverture de masque plus grande que celle du cuivre.

NSMD : Préféré pour les BGA ; offre une meilleure adhérence du cuivre au stratifié.
SMD : Utilisé pour les zones à haute densité afin d'empêcher le soulèvement des tampons, mais réduit la zone soudable.
Fenêtre de processus : NSMD nécessite une fenêtre de processus plus grande (espace libre) pour empêcher le masque de toucher le tampon.

3. Puis-je utiliser différentes couleurs de masque de soudure sur la même carte ? Bien que cela soit possible, cela est rarement réalisé en raison du coût extrême et de la complexité des multiples cycles de revêtement et de durcissement.

Processus : Nécessite un masquage, un revêtement, un durcissement et une répétition.
Risque : Risque élevé d'erreurs de repérage entre les couleurs.
Alternative : Utilisez la sérigraphie pour la différenciation des couleurs au lieu du masque.

4. Comment l’épaisseur du masque de soudure affecte-t-elle le contrôle de l’impédance ? Le Soldermask est un matériau diélectrique (Dk ≈ 3,5–4,0) qui se trouve directement au-dessus des microrubans de surface, modifiant le champ électromagnétique.

Impact : Peut réduire l'impédance de 2 à 5 ohms.
Contrôle : Les fabricants doivent contrôler l'épaisseur à ±5 µm.
Simulation : Les calculs de conception doivent inclure la présence et l'épaisseur du masque.

5. Quel est l'impact typique des délais de livraison pour l'imagerie LDI par rapport à l'imagerie film ? LDI est un processus en série (numérisation de chaque panneau), tandis que l'exposition du film est un processus parallèle (exposition au flash).

LDI : Débit plus lent par panneau, mais aucun temps de configuration pour la génération d'illustrations. Plus rapide pour les prototypes.
Film : Débit de production rapide, mais nécessite du temps pour tracer et inspecter les films.
Temps total : Pour quick turn PCB, LDI est souvent plus rapide malgré des vitesses de numérisation plus lentes.

6. Pourquoi les vias branchés semblent-ils parfois différents sous le masque de soudure ? Lorsque les vias sont bouchés (tentés ou remplis), le masque de soudure s'accumule sur le trou ou sur le matériau du bouchon, créant une bosse ou une fossette.

Fossettes : Acceptable si < 5 mils de profondeur (IPC-600).
Bosses : Ne doivent pas interférer avec le placement des composants (exigences de planéité).
Visuel : Apparaît souvent sous la forme d'un point plus foncé en raison de l'épaisseur accrue de l'encre.

7. Comment puis-je vérifier la qualité du durcissement du masque de soudure ? La norme industrielle est le test de résistance aux solvants.

Méthode : Frottez la surface avec un chiffon imbibé de chlorure de méthylène ou de MEK.
Critères : Aucune dégradation, aucun caractère collant ou transfert de couleur après le nombre spécifié de doubles frottements.
Importance : Un masque sous-durci se dégradera lors du soudage HASL ou par refusion.8. Quel est le dégagement minimum pour l'ouverture d'un masque « soulagement des gangs » ? Le soulagement des gangs ouvre un bloc de masque autour d'un groupe de broches (comme un connecteur) plutôt que de pastilles individuelles.
Dégagement : Généralement 3 à 5 mils autour du périmètre du groupe de broches.
Avantage : Élimine le besoin de barrages fins entre les broches.
Inconvénient : Augmente le risque de pontage de soudure lors du brasage à la vague.

Glossaire (termes clés)

Terme	Définition
LPI (Liquide Photoimageable)	Une encre qui peut être imagée photographiquement (comme un film) pour définir des motifs précis. La norme industrielle pour le masque de soudure.
LDI (imagerie directe laser)	Un processus d'imagerie numérique qui utilise des lasers UV pour exposer le masque directement à partir des données CAO, en contournant les films physiques.
SME (extension du masque de soudure)	La distance entre le bord de la pastille de cuivre et le bord de l'ouverture du masque de soudure.
Barrage (Web)	Bande étroite de matériau de masque de soudure qui reste entre deux plages exposées adjacentes.
Contre-dépouille	L'érosion de la paroi latérale du masque de soudure à la base, généralement causée par une exposition insuffisante ou un développement excessif.
Tente	Couvrir un via avec un masque de soudure pour empêcher la soudure d'y pénétrer.
Saignement	L'écoulement indésirable de l'encre du masque de soudure sur un tampon où elle

Conclusion

soldermask process window est plus facile à obtenir lorsque vous définissez tôt les spécifications et le plan de vérification, puis les confirmez via DFM et testez la couverture. Utilisez les règles, les points de contrôle et les modèles de dépannage ci-dessus pour réduire les boucles d'itération et protéger le rendement à mesure que les volumes augmentent. Si vous n'êtes pas sûr d'une contrainte, validez-la avec une petite version pilote avant de verrouiller la version de production.