La máscara de soldadura de la PCB: una gran desconocida

El color verde, tan característico de las tarjetas de circuito impreso es, precisamente, la llamada máscara de soldadura. Me gusta especialmente cómo define una PCB el experto en la industria Jesús Castañé en uno de sus artículos: “Esa complicada tarjetita verde”. Además de darle un toque elegante a nuestra PCB, cumple con ciertas funciones físicas mucho más importantes que la estética.

Profundicemos.

Qué es exactamente la máscara de soldadura en una PCB

La máscara de soldadura se trata de una capa de material asimilable a una laca que recubre la mayor parte de la superficie de una PCB en ambas caras y que le proporciona ese característico color verde (aunque otros colores son perfectamente posibles).

Se aplica en uno de los últimos pasos del proceso de fabricación, justo antes del acabado de superficie:

Aplicación de máscara de soldadura en el ciclo de fabricación de PCBs (fuente: The Printed Circuit Designer’s Guide to Design for Manufacturing (DFM), David Marrakchi)

Qué función tiene la máscara de soldadura en una PCB

La máscara de soldadura se trata esencialmente de un material no conductor que protege la superficie de una PCB frente a contaminación, corrosión, oxidación, humedad, daño mecánico y, sobre todo, frente a cortocircuitos eléctricos.

¿Qué partes de la PCB están cubiertas por la máscara de soldadura exactamente? Prácticamente todas, con excepción de aquellos puntos donde tengamos que soldar.

Cualquiera con un mínimo de experiencia en un laboratorio de electrónica sabe perfectamente que es prácticamente imposible colocar una gota de hilo de estaño fundido encima de la máscara de soldadura. Simplemente, la repele. Es, por tanto, una grandísima ayuda para soldar componentes con una separación entre pines pequeña.

La porción o brazo de máscara de soldadura remanente entre dos pines se denomina en inglés solder sliver (o solder mask bridge, o solder dam) y su valor mínimo se define en las reglas de diseño de Altium:

El valor mínimo de solder mask sliver dependerá del tipo de máscara de soldadura elegido

Como regla general, cuanto menor sea el valor de la máscara de soldadura entre dos pines (o solder mask sliver), y el fabricante pueda realizarlo, más podremos miniaturizar un diseño (eligiendo, por ejemplo, componentes con encapsulados más pequeños). Nuestro montador nos lo agradecerá, puesto que tendrá mayores garantías para evitar cortocircuitos.

Cómo se define la máscara de soldadura

En Altium, la máscara de soldadura es una capa más dentro del apilado, como puede serlo una de dieléctrico, conductor o acabado superficial:

El editor de apilado de capas (layer stack manager) nos permite configurar el tipo y grosor de máscara de soldadura

En el proceso de creación de las bibliotecas de componentes ya se incluye la máscara de soldadura: esto es, cuando colocamos un pad en la definición de una huella, por defecto, Altium ubica también la apertura en la máscara:

Cada uno de los pads viene acompañado por defecto de su correspondiente apertura en la máscara de soldadura: áreas entorno a cada pad en color púrpura

Sabiendo que, esencialmente, sólo los elementos de la PCB donde se sueldan componentes quedan sin cubrir por la máscara de soldadura, tiene sentido que ésta esté definida en negativo:

Fichero Gerber correspondiente a la máscara de soldadura de la capa superior de una PCB

Como se aprecia en la imagen superior, los elementos en color denotan la ausencia de máscara de soldadura (esencialmente los pads), mientras que aquellas partes en negro marcan la presencia de la misma.

Siendo uno más del conjunto de ficheros Gerber, cabe suponer que el fabricante puede tener problemas a la hora de alinearlo correctamente con el resto de capas. Es por ello que en la fase de diseño, se define una regla que establece la expansión de la máscara con respecto al pad:

Permitiendo una pequeña expansión en la máscara de soldadura, facilitamos el alineamiento con el resto de capas

Los valores de expansión y puente mínimo (sliver) deben ser en todo caso consultados con el fabricante y dependerán fuertemente del tipo de máscara.

Tipos de máscaras de soldadura en la PCB

Las máscaras de soldaduras de una PCB se clasifican en dos tipos según el método de aplicación:

• Exposición directa (direct imaging): la máscara de soldadura se aplica directamente sobre la superficie sin necesidad de revelados u otros procesos adicionales. Dos subtipos serían:
  • Serigrafía (screen print): se usa una malla o tejido impregnado de resina epoxi líquida. Se transfiere a la PCB por contacto directo. La técnica es idéntica a la empleada para estampar una camiseta, por ejemplo, y requiere de curado ultravioleta o térmico para secar la resina. Es una forma barata y popular de máscara de soldadura, aunque poco precisa.
  • Impresión con chorro de tinta (ink jet): literalmente, imprimimos sobre la PCB la máscara de soldadura.
• Exposición indirecta (indirect imaging): estas técnicas son similares a las de eliminación del cobre sobrante de una PCB (etching). Se marcan las zonas de la superficie donde no se debe depositar máscara de soldadura y se aplica la misma sobre el resto de la superficie.
  • LDI (laser direct imaging): el nombre puede llevar a engaño, pero se trata en realidad de una técnica de exposición indirecta. Se cubren por completo las dos caras de la PCB con resina líquida y, usando láser, eliminamos el sobrante sin necesidad de máscara. Nos da una precisión muy grande y es uno de los tipos preferidos para alta integración.
  • LPI (liquid photo imageable): depositamos la resina con spray (aunque puede haber otros métodos) de forma que cubra toda la superficie. Después, con técnicas de fotolitografía, transferimos el patrón de la máscara a la superficie de la PCB. Luego disolvemos las zonas no expuestas, eliminándolas.
  • Película seca (dry film): en este caso, tanto la capa superior como la inferior de la PCB se cubren totalmente con resina seca y se laminan. Luego, se eliminan las partes sobrantes.

Grosor de la máscara de soldadura

El espesor de la máscara de soldadura depende en gran medida del grosor del cobre en la PCB y es variable, siendo más constante con técnicas en las que la resina se deposita con spray.

Típicamente, tendremos unas 20 micras medidas perpendicularmente a la superficie de la PCB. Sin embargo, en los bordes de las pistas habrá grosores menores (hasta 7.5 micras). Es recomendable garantizar sobre las pistas al menos 12.5 micras. Como siempre, consultar con el fabricante es esencial.

¿Qué ocurre con pitches muy pequeños?

En el caso de componentes con separación entre pines mínima, podría darse el caso de que el fabricante no puede garantizar la presencia de máscara de soldadura entre patas (solder sliver). Lo que se suele hacer ante esta circunstancia es crear una apertura en la máscara de soldadura para todos esos pines.

A la izquierda, datos originales. A la derecha, datos modificados creando la apertura en la máscara (Fuente)

Evidentemente, esto incrementa el riesgo de crear cortocircuitos durante el proceso de soldadura, y requerirá de especial atención y subsiguientes tests por parte del ensamblador, pero, en ocasiones, no hay otra solución.

Influencia en la impedancia

Otro factor a menudo infravalorado es la influencia de la máscara de soldadura en la impedancia de las pistas en las capas externas de nuestra tarjeta.

Tendemos a considerar dichas pistas como microstip cuando en realidad son microstrip embebidas.

La máscara de soldadura, siendo una resina, tiene también su grosor y su coeficiente dieléctrico.

Por suerte, el Stackup Manager de Altium nos facilita este cálculo a través de los perfiles de impedancia, hasta hacerlo transparente al usuario. Veamos un ejemplo:

50 Ohmios sin considerar la máscara de soldadura

50 Ohmios considerando la máscara de soldadura

Observemos que la diferencia de ancho de pista no es despreciable (0.22mm frente a 0.25mm).

Conclusiones

De nuevo recae sobre los hombros del diseñador de PCBs la elección del tipo de máscara de soldadura adecuada para su proyecto. Igualmente, como siempre que medie una decisión de diseño, la comunicación con el fabricante es fundamental. La precisión en el alineamiento y la influencia en el cálculo de impedancia de pista son factores que el diseñador debe tener bajo control.

En este artículo he proporcionado información acerca de cómo proceder adecuadamente a la hora de decidir que tipo de máscara de soldadura elegir para el proyecto de PCB en el que estás trabajando.