Что такое маска на печатной плате

6

Защитная паяльная маска: с самого начала

При изготовлении печатных плат для изделий электроники используется паяльная маска, при пайке защищающая проводники от попадания припоя и флюса, а также от перегрева. Паяльная маска применяется при производстве 97,7% всех печатных плат.

Маска — теплостойкий полимерный защитный материал, который наносят избирательно на отдельные участки печатной платы, чтобы предохранить их от попадания припоя. Она закрывает проводники и оставляет открытыми контактные площадки и разъемы, а также является защитным слоем для готовой печатной платы со сформированным рисунком в последующих процессах — при выравнивании припоя горячим воздухом (HAL) и поверхностном монтаже (рис. 1).

Рис. 1. Фрагмент печатной платы с защитной паяльной маской

Диэлектрическая основа платы, стеклотекстолит, не обладает достаточной теплостойкостью при температурах пайки, которые достигают порядка +220…+260 °C. Без защитного термостойкого покрытия за время пайки, составляющее 0,5–2,5 мин, может произойти поверхностная деструкция материала диэлектрика [1].

Назначение защитной паяльной маски:

• представляет собой хорошую механическую, термическую и химическую защиту печатных плат;
• предотвращает образование паяльных перемычек, или так называемых мостиков припоя, между элементами рисунка и тем самым расширяет возможности получения рисунка высокой плотности на наружных слоях;
• служит защитой проводников от окисления в процессе эксплуатации;
• служит изоляцией на поверхности монтажа компонентов;
• дает экономию припоя при использовании процесса горячего лужения;
• уменьшает загрязнение ванны припоя (прежде всего растворенной медью или золотом);
• создает влагозащиту для печатных плат;
• увеличивает срок службы и надежность плат;
• обеспечивает внешний вид платы.

Классификация, преимущества и недостатки

Защитные паяльные маски можно классифицировать по различным признакам. Паяльные маски бывают сухие и жидкие, однокомпонентные и двухкомпонентные, фоточувствительные и нефоточувствительные. Можно также разделить маски по цвету или применяемому методу нанесения.

В основном паяльные маски делят на сеткографические и фотоформируемые, по методу получения изображения. Сеткографические нефоточувствительные паяльные маски представляют собой жидкие однокомпонентные или двухкомпонентные полимерные системы на основе эпоксидных смол. Технология их применения такова: рисунок формируется с помощью сеткографической маски, нанесенной на участки печатной платы, которые требуют защиты и последующего термического отверждения. При дешевизне и отработанной годами технологии сеткографические маски имеют основной недостаток — низкую разрешающую способность и необходимость использования сеткографического трафарета [2]. Повторяемость сеткографической печати составляет около ±0,2 мм (рис. 2). Нужный зазор вокруг контактной площадки до края масочного покрытия соответственно должен быть не менее этого значения. Таким образом, нефоточувствительные паяльные маски имеют ограниченное применение для высокотехнологичных печатных плат.

Рис. 2. Разрешающая способность сеткографических масок

Поскольку сеткографические маски практически уходят в прошлое и утрачивают популярность, массовое распространение получают фотоформируемые маски, которые в свою очередь делят на сухие и жидкие.

В настоящий момент сухие паяльные маски используются редко и целесообразны лишь при мелкосерийном и единичном выпуске, где критично время производственного цикла, а также при изготовлении плат с теплоотводом. Сухие паяльные маски представляют собой сухой полимерный фоточувствительный пленочный материал толщиной 100 мкм и более, наносимый на печатные платы методом вакуумного ламинирования. Основные преимущества сухих паяльных масок:

• способность к образованию приподнятых затеняющих зон;
• упрощение техпроцесса за счет отсутствия операций сушки и термоотверждения;
• минимальное время цикла, что особенно заметно при изготовлении двухсторонних плат;
• идеальная равномерность толщины;
• возможность покрытия маской выступающих проводников и деталей [1].

Рис. 3. Вырезы паяльной маски:
а) над контактными площадками;
б) над отверстиями

Жидкие фоточувствительные паяльные маски позволяют получать изображения с высоким разрешением и точностью совмещения (рис. 3, 4). Точность нанесения при использовании жидкой фоточувствительной маски составляет около ±0,1 мм [2].

Рис. 4. Разрешающая способность фотоформируемых масок

Жидкая фоточувствительная водопроявляемая паяльная маска — это двухкомпонентная высоконаполненная, чувствительная к ультрафиолетовому излучению полимерная система, выполненная на основе модифицированных эпоксидных смол. Ее в жидком состоянии наносят на плату любым удобным методом, предварительно подсушивают до отлипа для испарения растворителя, затем после экспонирования в УФ-­лучах, формирующего рисунок, и окончательного термического отверждения получается прочный несмываемый защитный слой толщиной примерно 27–32 мкм (рис. 5).

Рис. 5. Шлиф платы. Слой паяльной маски 27–32 мкм

К достоинствам жидких масок относятся:

• высокая разрешающая способность (до 50 мкм), что предоставляет возможность работы со сверхмалыми элементами и многослойными платами;
• возможность получения рисунков любой сложности при высокой плотности;
• независимость от способа нанесения;
• высокая технологичность и максимальная производительность;
• механическая, термическая, химическая и электрическая прочность;
• возможность использования на поточных линиях;
• стойкость к гальванике и химическим процессам;
• минимальная адгезия по отношению к припою;
• пригодность к бессвинцовой пайке;
• более высокая адгезия по сравнению с пленочным резистом;
• стойкость к растворам иммерсионного золочения;
• более низкая стоимость материала.

Благодаря всем перечисленным качествам жидкие фоточувствительные водопроявляемые защитные маски обрели в настоящее время максимальную популярность и нашли широкое применение на предприятиях электронной промышленности.

С самого начала

До появления огромного выбора высокотехнологичных фоточувствительных защитных паяльных масок, пригодных для выполнения различных задач, данный продукт прошел долгий путь развития. Защитные паяльные маски применялись уже с 1950‑х годов, в основном для уменьшения коррозии, которая действовала на проводники и компоненты. На поверхность печатных плат наносились различные составы эпоксидных смол, подобные тем, что теперь мы знаем как конформные покрытия. Целенаправленная разработка и промышленное производство началось чуть позже [3].

В мае 1961 года японской компанией Tamura Corporation была создана защитная паяльная маска для печатных плат. В мае 1973‑го еще одна японская компания, Taiyo, разработала и начала маркетинг однокомпонентной термически отверждаемой паяльной маски на основе эпоксидной смолы.

В Европе такие маски появились чуть позже. В 1974 году итальянская компания Sirpi Srl представила свою первую двухкомпонентную защитную паяльную маску. В 1977‑м немецкая компания Peters выпустила легко снимающуюся паяльную маску для закрытия золотых контактов в процессе пайки, а спустя четыре года предложила паяльную маску с оптимизированными характеристиками для метода нанесения сеткографией и пригодную для процесса HAL. Серия паяльных масок Elpemer этой компании хорошо известна и в нашей стране.

В конечном счете, маски были защитным покрытием, выполненным методом сеткографии перед сборкой платы. Области, которые предназначались для пайки, закрывались. Таким образом удавалось сохранить платы в чистоте, уменьшить коррозию и окисление, однако покрытие олово/свинец, используемое для проводников, плавилось во время пайки и приводило к отслаиванию маски. Из-­за широкого интервала между проводниками это рассматривалось скорее как косметическая, чем функциональная проблема. В конце 1970‑х появились методы пайки горячим воздухом, что позволяло без проблем удалять после травления покрытие олово/свинец. Затем можно было наносить паяльную маску на медные проводники, оставляя покрытые металлом отверстия и контактные площадки свободными от масочного слоя.

Шло время, технологии развивались, отверстия становились все меньше, а проводники — все более плотно упакованными. Именно тогда на смену жидкой эпоксидной паяльной маске пришла сухая пленочная маска. Впервые ее начали использовать в США, в то время как в Европе и Японии [3] занялись созданием фотоэкспонируемых масок.

В 1982 году компания Sirpi Srl выпустила УФ-­отверждаемый резист. В апреле 1976‑го Tamura Corporation разработала основу для жидкой фотоотверждаемой маски. Серия паяльных фоточувствительных водопроявляемых жидких масок FINEDEL этой компании широко известна на мировом рынке. В Европе маски, выполненные на основе растворителя Probimer, наносились на платы методом полива через завесу. Японцы сосредоточились на процессах сеткографии, использующих различные водопроявляемые жидкие фоточувствительные паяльные маски.

В июне 1984 года на шоу JPCA (Japan Electronics Packagingand Circuits Association) компания Taiyo представила жидкую защитную водопроявляемую паяльную маску, способную к более точному проявлению и отвечающую требованиям к увеличению плотности проводников в производстве печатных плат. В настоящее время паяльные маски серии PSR‑4000, изготовленные компанией Taiyo, достаточно распространены и в России. В апреле 1985‑го Tamura Corporation разработала фоточувствительную жидкую защитную паяльную маску, и сегодня существуют различные марки масок серии DSR данной фирмы.

Английская компания Electra Polymers, автор многочисленных инновационных продуктов для промышленного применения, в 1987 году изготовила двухкомпонентную жидкую защитную водопроявляемую фоточувствительную паяльную маску, предназначенную и для процесса нанесения методом факельно­форсуночного напыления. Серия паяльных масок Carapace представлена сегодня и в нашей стране.

Итальянская Sirpi Srl предложила свою фоточувствительную жидкую защитную паяльную маску лишь в 1993 году. Компания Sirpi Srl сотрудничала с другой известной фирмой по производству полимеров, пигментов и красителей для полиграфических красок — Ciba, также выпустившей собственную серию фоточувствительных жидких паяльных масок Probimer.

В промышленности обычно применялись три основных типа масок — теплоотверждаемые сеткографические маски, сухие пленочные и жидкие фоточувствительные маски. Все три типа использовали стандартное оборудование для нанесения и отверждения. Тепловые маски преобладали в течение многих десятилетий, затем постепенно стали заменяться жидкими фоточувствительными масками, хотя и были самой дешевой и отработанной альтернативой. Основной их недостаток — низкая разрешающая способность. Метод нанесения сеткографии постепенно терял свою привлекательность из­за трудностей, возникающих при его использовании. У сухой пленочной маски есть определенные преимущества, упомянутые выше, но постепенно ее популярность сокращалась, так как начали появляться новые, усовершенствованные жидкие фоточувствительные паяльные маски.

К середине 1990‑х водопроявляемые жидкие фотоформируемые защитные паяльные маски доминировали в промышленности со специализированным оборудованием, разработанным для их использования. Объемы применения жидких фотоэкспонируемых паяльных масок в мире постоянно растут и в настоящее время превышают 90%. Для сравнения: объемы применения сухих пленочных резистов составляют меньше 3%.

Развитие электронной промышленности, рост потребности в новых материалах привели к увеличению количества фирм, разрабатывающих и производящих защитные паяльные маски. Большая часть таких компаний сосредоточена в азиатских странах.

Тайваньская компания Eternal, занимающаяся изготовлением смол и мономеров для различных отраслей промышленности, в 1990‑м предложила сухой пленочный резист, а спустя четыре года выпустила на рынок свою жидкую фоточувствительную паяльную маску. Еще одна тайваньская компания, NanYA, известная на российском рынке и производящая полимеры и смолы, тоже имеет в ассортименте жидкую защитную паяльную маску серии LP‑4G. Другими производителями паяльных масок в Тайване являются фирмы Onstatic, Chung Yu, Greencure.

Сингапурская компания Union Inks and Graphics Pte Ltd, выпускающая смолы и мономеры для различных отраслей промышленности, а также чернила для различных видов печати, тоже выпустила жидкую паяльную маску.

Китайская фирма Kuang Chun имеет в своей серии KSM не только термически отверждаемые сеткографические паяльные маски, но и фоточувствительные паяльные маски. Жидкие фоточувствительные паяльные маски представлены и такими китайскими компаниями, производящими материалы для электронной промышленности, как Delada, Fotochem, Rongda, и другими.

Мировой производитель пигментных паст и чернил для флексографической печати компания Sun Chemicals предлагает большую линию паяльных масок. Ее серия фоточувствительных водоразбавляемых паяльных масок XV501T‑4 широко используется и у нас в стране. Еще одна американская компания Florida Cir Tech, изготовитель материалов для электронной промышленности, производит и жидкие фоточувствительные паяльные маски. Известная компания Huntsman также выпускает паяльные маски. Словом, сегодня технологии изготовления и применения паяльных масок имеют массовое распространение практически во всех развитых странах. Доступен широкий ассортимент паяльных масок под любые технологические процессы.

Развитие электронной промышленности, увеличение классов точности печатных плат, повышение сложности и плотности проводников стимулирует развитие новых типов паяльных масок, модификацию существующих рецептур, поиск новых классов веществ.

В следующей статье речь пойдет о взаимосвязи между требованиями, предъявляемыми к жидким паяльным маскам, и материалами, из которых их изготавливают.

Что такое паяльная маска?

паяльная маска — это защитный экран, предотвращающий прилипание расплавленного свинца к нецелевым металлам во время пайки. В операциях пайки печатных печатных плат цель состоит в том, чтобы сформировать токопроводящий путь между проводящей площадкой и ведущий компонент. Паяльная маска гарантирует, что в процессе не возникнет непреднамеренных коротких замыканий.

паяльная маска

Печатные платы удерживают проводящие дорожки и электронные компоненты на месте. Пустая печатная плата представляет собой тонкий лист, приклеенный к изоляционной плате, например стекловолокно или эпоксидная смола смола. Печатная плата сначала обрабатывается с помощью кислотной маски, чтобы определить дорожки или электрические проводники, которые останутся, когда плата будет погружена в кислота, растворяющая медь, например хлорид железа, в процессе, называемом травлением. После травления плата очищается, а затем печатается как с этикетками, так и с паяльной маской или припоем, чтобы обнажить только точки соединения.

паяльная маска

Поэтому химические реакции важны для процесса производства печатных плат. На одностороннюю печатную плату сначала наносится маска для травления, обнажающая медные ламинаты, которые необходимо удалить. Под действием кислоты замаскированные участки остаются.

После монтажа компонентов на печатную плату ее предварительно нагревают и готовят к пайке. Соединения на нижней стороне платы могут подвергаться процессу, называемому пайкой волной припоя, когда расплавленный свинец вступает в контакт с открытыми контактными площадками, обычно из меди с металлическим покрытием. Если паяльная маска не применялась, длинные отрезки отдельных дорожек замыкаются в процессе пайки.

Массовое производство в производстве электроники использует паяльную маску для подготовки плат к пайке. Маска с жидким припоем полезна для печати маски с использованием шелкографии или других методов печати. Маски для пайки эпоксидного типа могут быть более стойкими, чем маски для пайки лакового типа.

Травленная плата будет выглядеть как лист изолятора с линиями, которые представляют собой узоры медных проводников. Следующим шагом может быть печать паяльной маски. Затем в плате можно просверлить отверстия для любых компонентов, которым нужны сквозные отверстия. Для односторонних печатных плат единственным вариантом является использование компонентов со сквозными отверстиями.

После монтажа компонентов лишние выводы со стороны трассы будут обрезаны. Следующим шагом обычно является пайка волной припоя, которая предварительно нагревает плату и позволяет волне расплавленного свинца пройти через нижнюю часть печатной платы. При этом плата полностью спаивается за несколько секунд, даже с сотнями точек пайки.

Нанесение паяльной маски

Что такое паяльная маска. Выбор типа паяльной маски

Паяльная маска (ПМ) является для готовой печатной платы со сформированным рисунком защитным слоем в последующих процессах нанесения финишных покрытий и групповой пайки.

Поскольку основа печатной платы состоит из стекловолокна и эпоксидной смолы, плата не обладает достаточной теплостойкостью при температурах проведения процессов HAL и пайки при поверхностном монтаже, и без паяльной маски при длительном и высокотемпературном воздействии может происходить поверхностное разрушение материала диэлектрика. При проектировании и нанесении паяльной маски нужно обеспечить изоляцию групп контактных площадок (например, под выводы микросхем) от других проводящих элементов печатной платы – переходных отверстий, контактных площадок, проводников.

Такая изоляция позволяет снизить время и трудоемкость процесса пайки. Дело в том, что в процессе монтажа компонентов на печатную плату, между смежными контактными площадками (если они не изолированы) могут образоваться тончайшие перемычки припоя. И чтобы их обнаружить и устранить, нужно дополнительное время. Если по тем или иным причинам такая перемычка не будет обнаружена, то получится замыкание. Это может привести к неправильной работе прибора или даже к выходу из строя элементов.

Также паяльная маска должна обеспечивать защиту поверхности печатных плат от воздействия агрессивных технологических сред во время нанесения химическими и химико-технологическими способами некоторых паяемых покрытий. Следует иметь ввиду, что паяльная маска не защищает плату от влаги в жестких условиях эксплуатации платы (поскольку она достаточно гигроскопична) и для влагозащиты используются специальные органические покрытия, которые иногда в технической литературе называются — конформными.

Различают 3 типа паяльных масок:

• 1.Сухая пленочная (фотоформируемая) паяльная маска СППМ
• 2.Жидкая двухкомпонентная (фотоформируемая) паяльная маска (ЖФПМ).
• 3.Жидкая однокомпнентная паяльная маска под трафаретную печать.

Последняя из перечисленных имеет существенные ограничения по возможности прецизионного нанесения (зазор между проводящим рисунком и рисунком ПМ должен быть не менее 0,2мм при оптимальном выборе типа сетки и степени ее натяжения). Поэтому с учетом устойчивой тенденции к миниатюризации узлов РЭА и ужесточением в связи с этим требований к прецизионности (по допускам к размерам элементов рисунка и точности совмещения с рисунками наружных слоев печатных плат), не смотря на простоту применения, она все реже и реже используется при изготовлении печатных плат для инновационной РЭА. Учитывая это обстоятельство, считаю целесообразным подробно рассмотреть здесь только первые два варианта фотоформируемых паяльных масок.

Стоит отметить также, что паяльные маски не применяются для нанесения поверх рисунка СВЧ печатных плат. Но СВЧ печатные платы это достаточно специфический продукт с массой особенностей требующих отдельного рассмотрения вне рамок этого руководства.

Итак — сухая или жидкая паяльная маска?

Основным критерием при выборе паяльной маски является тентирование (перекрытие) отверстий. (Рис. 120).

Цели тентирования отверстий:

• 1. Изоляция при монтаже, предохраняющая от контакта проводящего рисунка с навесными компонентами, имеющими токопроводящие (металлические) поверхности.
• 2. Защита медного столба металлизации переходных отверстий от воздействия агрессивных технологических сред (растворов декапирования, промывочных жидкостей, флюсов и т.п.), в случае если он не защищен финишными покрытиями.

Преимущества жидкой паяльной маски:

• — дешевизна техпроцесса из-за малого удельного расхода материала, связанного с возможностью формирования тонких защитных слоев ≈30 мкм (даже на относительно высоком рельефе до 70 мкм);
• — сравнительно более высокая адгезия, чем у сухой паяльной маски, из-за того, что материал наносится в жидком состоянии;
• — возможность формирования перемычек шириной до 0,15 мм и менее;
• — стойкость после окончательной полимеризации к горячим и концентрированным щелочным растворам (в первую очередь, к растворам техпроцесса иммерсионного золочения на всех его стадиях).

Главный недостаток – технология нанесения жидкой паяльной маски не обеспечивает тентирования переходных отверстий. Связано это с тем, что при нанесении жидкого материала паяльной маски при нормальной температуре на поверхность печатных плат внутри отверстия закупоривается некоторый объем газа (воздуха). При предварительной сушке при температуре 60…80⁰С этот газ, имея свойство расширяться, вскрывает тенты, не успевшие высохнуть. Чем больше диаметр отверстия, тем больше вскрытых тентов. Количество их заранее не прогнозируемо, но вскрытий всегда достаточно много.

Вскрываются тенты с одной стороны отверстия, формируя глухой капилляр, который становится накопителем агрессивных технологических сред (в первую очередь, растворов декапирования, флюсов), а также агрессивных сред, имеющих место при эксплуатации электронного модуля, если он не покрыт конформной защитой (см. рис.121). Избавиться от этого недостатка можно введением дополнительной операции заполнения отверстий специальными составами ( например «филлерами»).

При этом теряется основное преимущество жидкой паяльной маски – ее дешевизна, так как приходится проводить дополнительную операцию планаризации. Добавляются дополнительная трудоемкость, необходимость оснащения дополнительным технологическим оборудованием и необходимость использования еще одного базового материала. Варианты планаризации поверхности печатных плат будут рассмотрены ниже.

Справедливости ради следует упомянуть, что некоторые фирмы – производители жидких паяльных масок декларируют возможность тентирования отверстий при условии выполнения определенных технологических приемов. Мне, к сожалению, ни разу не довелось стать свидетелем успешной практической реализации подобных рекомендаций на отверстиях диаметром более 0,4 мм, но они тентируются и обычной ЖПМ.

Еще одним недостатком жидкой паяльной маски является короткий срок живучести рабочего состава (фотоформируемые жидкие паяльные маски всегда двухкомпонентные). И это притом, что в высокопроизводительные машины нанесения ЖПМ (поливом) необходимо одновременно заправить до 20 литров рабочего состава, который должен быть израсходован в течение 1-2 рабочих дней.

Такие машины можно использовать только в условиях крупносерийного производства. В значительной мере этих недостатков лишены установки факельного нанесения ф. Плюритек. Более подробно их устройство также будет рассмотрено в этом разделе ниже.

Всех этих проблем нет у сухой паяльной маски. Ее основные преимущества:

• — тентирование отверстий ( см. рис. 120);
• — возможность адаптации к условиям неравномерной загрузки в сочетании с высокой производительностью (вакуумный ламинатор или аппликатор).

К недостаткам можно отнести:

• — высокую удельную стоимость материала ( стандартная сухая пленочная паяльная маска поставляется с толщиной минимум 75 мкм, при этом соотношение толщины сухой пленочной паяльной маски (СППМ) и высоты рельефа рисунка проводящего слоя на наружных слоях должно быть не менее чем 1,5:1) ;
• — невозможность использования для селективного (по паяльной маске) иммерсионного золочения (в связи со слабой стойкостью СППМ к щелочным растворам иммерсионного золочения, работающими при повышенной температуре);
• — невозможность получения перемычек шириной менее 0,18÷0,20 мм;
• — необходимость приложения значительных технологических усилий для обеспечения адгезии (вакуумное ламинирование, тщательная подготовка поверхности, контроль адгезии тонких перемычек).

На мой взгляд, современному контрактному производству печатных плат для реализации широкого спектра конструктивных требований необходимо иметь оба процесса нанесения маски, т.к. они далеко не полностью взаимо заменяют друг друга.

Технология нанесения паяльной маски

Технолгия нанесения паяльной маски включает в себя следующие этапы:

• — нанесение;
• — экспонирование;
• — проявление;
• — окончательное задубливание.

Нанесение паяльной маски.

Как уже было сказано выше СППМ наносится с рулонов вакуумным ламинатором или предварительно вырезанными из рулона пленочными фрагментами ПМ вакуумным аппликатором . Нельзя недооценивать важности подготовки поверхности из чистой меди в особенности для нанесения СППМ. Медная поверхность должна быть освобождена от окислов, на ней не должны оставаться какие-либо загрязняющие вещества, возникающие в процессе очистки от остатков металлорезиста.

По окончании очистки поверхность должна быть высушена. Этапы подготовки, начиная с предварительной очистки и заканчивая щеточной, пемзовой или химической обработкой позволяют дополнительно к основным функциям медной поверхности улучшить ее адгезионные характеристики, способствующие последующему успешному нанесению паяльной маски. Подготовка медной поверхности подробно была рассмотрена в предыдущих разделах. Для собственно нанесения СППМ РТС предлагает вакуумный аппликатор ф. Optek – DPL 24A. (Рис.122). С возможностью ламинировать платы размером до 610х610х3,8 мм.

При изготовлении прототипов, на которых предполагается только опробовать идеи, и которые не предназначенные для длительной эксплуатации в жестких условиях возможно нанесение СППМ на тех же ламинаторах, что и для нанесения травильного фоторезиста с соответствующим подбором режимов, (увеличив температуру нагрева валков и усилие их прижима, уменьшив скорость протяжки печатных плат).

Компоненты состава жидкой фотоформируемой паяльной маски (основной состав, отвердитель-сенсибилизатор, а также, возможно, несколько дополнительных растворителей, играющих роль разбавителей) перед использованием необходимо тщательно перемешать, для чего предпочтительнее использовать механический смеситель. Многие знакомы с тем, что энергичное перемешивание может привести к появлению в жидком составе воздушных пузырей. Но, обеспечив постоянное перемешивание ЖПМ в течение определенного времени, можно удалить все газы из смеси.

Жидкая паяльная маска может наноситься трафаретной печатью, факельным способом или занавесным поливом.

Трафаретная печать является давно освоенным технологическим методом при котором жидкая фотоформируемая паяльная маска наносится сплошным слоем с помощью сеточных трафаретов из полиэстера с помощью ракеля из резины или полиуретана. См. рис. 123. Трафарет представляет из себя открытую сетку площадью чуть меньше чем печатная плата. На периферийной части трафарета для экономии расхода паяльной маски сетка замазывается резистом или заклеивается любым материалом выдерживающим воздействие технологических сред.

В РФ сетки из полиэстера пригодные для нанесения жидкой паяльной маски изготавливаются Рахмановским ткацким комбинатом. Существует оборудование для правильной заточки ракеля при его износе. Диаметр нитей сетки является фактором влияющим на количество наносимой жидкой паяльной маски – ее толщину. В целом, чем больше номер сетки ( для полимерной сетки это обычно число нитей на см), тем тоньше наносимый слой жидкой паяльной маски. Как правило в ТТ на материал жидкой паяльной маски предназначенной для нанесения трафаретной печатью приводятся подробные рекомендации по маркам материалов и режимам нанесения.

Метод занавесного полива, как уже говорилось используется только на крупносерийных производствах. В РФ практически не используется и рассматриваться здесь не будет.

Более подробно хочу рассмотреть метод факельного нанесения паяльной маски, сочетающий в себе гибкость необходимую при многономенклатурном производстве с высокой производительностью, высокую адгезию при обеспечении качественной подготовки и хорошее облегание рельефа проводящего рисунка наружных слоев.

«РТС-Инжиниринг» предлагает для реализации этого процесса установку факельного нанесения паяльной маски Ecosprey ф. Плюритек.

Эта установка интересна не только своей относительно низкой стоимостью, но и такими особенностями как:

• — использование до 4-х распылительных подогреваемых форсунок, которые позволяют эффективно наносить 4 разные типа ПМ (обычно разных цветов) и легко переходить от одного типа маски к другому;
• — наличие встроенной станции переворота, позволяющей наносить ПМ с двух сторон;
• — малым отходом ПМ связанным с тем, что маска наносится только на поверхность платы и практически не распыляется внутри установки;
• — отсутствием запаха снаружи , так как местный отсос внутри установки производится снизу.

После нанесения у жидкой паяльной маски есть еще один этап – предварительная сушка. Для СППМ этот этап также существует, но он проводится у изготовителя и там обеспечен соответственным подбором режимов и оборудования. Пользователь жидкой паяльной маски должен провести эту операцию самостоятельно. Операция предварительной сушки имеет очень узкое технологическое окно. При ее реализации необходимо выдерживать температуру сушки с точностью ± 1⁰С и строго рекомендуемое время выдержки. Цель предварительной сушки полное удаление растворителя.

Недостаточная сушка, т.е. наличие остатков растворителя в слое нанесенной жидкой паяльной маски приводят к прилипанию фотошаблона к поверхности платы, образованию отпечатков пальцев, следов от контактирующих деталей при обработках на установках экспонирования и проявления.

Пересушивание приводит значительному ухудшению, вплоть до полного отсутствия проявления (прекращения чувствительности слоя фотоформируемой паяльной маски к экспонирующему излучению).

Экспонирование паяльной маски

Экспонирование паяльной маски являясь этапом фотолитографического формирования рисунка может производиться как на оптических установках экспонирования, так и методами прямого экспонирования (ПЭ) и в этом плане процессы происходящие в ней сходны с процессами происходящими в СПФ, которые подробно рассмотрены ранее. Однако эти процессы имеют и свои особенности в первую очередь связанные с тем, что паяльная маска является базовым материалом и должна выдерживать все эксплуатационные воздействия предусмотренные ТУ на ЭМ в течении всего жизненного цикла. Это проявляется, прежде всего, в том, что материалы паяльной маски требуют гораздо больших энергий экспонирования по сравнению с технологическими СПФ. Для оптического экспонирования это означает, что для реализации разумной производительности необходимо производить засветку 8-ми киловаттными УФ лампами (сравните требуемые 3 или 5 квт для технологического СПФ).

Что касается оборудования ПЭ то здесь уникальными возможностями с точки зрения высокой по сравнению с аналогами производительностью по паяльной маске и обеспечения в дальнейшем бездефектной пайки прецизионных компонентов обладает оборудование прямого экспонирования ф. Screen марки Ledia о котором ранее уже упоминалось. Производительность обеспечивается путем индивидуального изменения интенсивности свечения каждого светодиода, т.о. источник экспонирования может быть отрегулирован для конкретного типа паяльной маски на максимальную производительность.

Очень важный момент , связанный также с формированием перемычек (полосок) паяльной маски между ламелями. Этот пример относится к тому, как новое оборудование ( в данном случае оборудование прямого экспонирования ) позволяет устанавливать более жесткие конструктивно-технологические нормы (КТН), если производство соответствующим образом оснащено. Известно, что при традиционном оптическом экспонировании паяльной маски, ее наружные слои полимеризуются сильнее, чем слои, прилежащие к поверхности печатных плат.

Поэтому в технических требованиях на паяльной маске всегда есть ограничения по минимально допустимой ширине перемычек, связанные с наличием «подтрава» паяльной маски, возникающим при проявлении после традиционного оптического (контактного) экспонирования, и значительного уменьшения адгезии, которое происходит из-за этого. Именно поэтому при проектировании посадочных мест компонентов с малым шагом выводов («fine-pitch» компонентов) приходится переходить на групповые освобождения. (Рис. 125.).

Установки прямого экспонирования Ledia ф. Screen, которые используются при производства печатных плат позволяют формировать перемычки паяльной маски до 50 мкм ( в отличие от 120-150 мкм макс. при оптическом экспонировании). (Рис. 126.)

С помощью уникальной системы экспонирования (с модуляцией много- волнового источника экспонирования) на установках прямого экспонирования Ledia можно добиться практически вертикальной стенки у паяльной маски и за счет этого выполнить индивидуальные освобождения в паяльной маске для каждой ламели «fine-pitch».

Использование установок прямого экспонирования с модуляцией много волнового источника экспонирования (например, установок марки Ledia ф. Screen) позволяет существенно сократить дефекты паяных соединений связанные с образованием мостиков припоя между выводами компонентов «fine-pitch.

Таким образом технология ультрафиолетовых светодиодов в комбинации с оптимально подобранной полосой длин волн позволяет получить на этих установках прямого экспонирования достаточную производительность при высоком качестве экспонирования и на СПФ и на паяльной маске.

Проявление паяльной маски

Операция проявления паяльной маски при условии оптимального подбора режимов предварительной сушки и экспонирования проводится на стандартном оборудовании проявления, (аналогичным установкам, используемым для проявления травильного фоторезиста). Однако при выполнении этой технологической операции надо обратить внимание на обеспечении тщательной отмывки (теплая вода, повышенная интенсивность струй), так как остатки неотмытого резиста паяльной маски после окончательного задубливания будут препятствовать нанесению паяемого покрытия на ламели печатных плат. Поэтому для проявления паяльной маски рекомендуется иметь отдельную установку.

Окончательное задубливание паяльной маски

Операция окончательного задубливания паяльной маски связана, как уже говорилось ранее, с необходимостью формирования слоя защищающего печатные платы от последующих технологических воздействий и одновременно являющегося базовым материалом обязанным выдерживать все эксплуатационные воздействия предусмотренные ТУ в течении всего жизненного цикла печатных плат. Операция заключается в проведении термического воздействия – обычно 2 часа, 155⁰С. При этом время необходимо отсчитывать не от момента появления заданной температуры на индикаторах термошкафа, а от момента достижения заданной температуры поверхностью печатных плат ( в общем случае эти температуры могут не совпадать).

В процессе окончательного задубливания (отверждения) происходит окончательная полимеризация материала паяльной маски с образованием трехмерных поперечных межмолекулярных связей, которые обеспечивают появление соответствующих механических, химических и электрических свойств паяльной маски. Дополнительная УФ обработка позволяет добиться следующих улучшений характеристик паяльной маски:

• — повышается химическая стойкость к процессам химического и иммерсионного нанесения паяемых покрытий;
• — снижается степень ионных загрязнений от флюсов при процессах горячего лужения (HALS);
• — уменьшается вероятность побеления вследствии абсорбции влаги после процессов горячего лужения (HALS);
• — поверхность становится более блестящей и глянцевой.

УФ воздействие проводится на специальных конвеерных установках путем засветки поверхности печатных плат мощными УФ лампами, причем мощность экспонирования может достигать 3000-4000 мДж/см 2 . В этой связи хочу привести интересные данные. Одной из защитных функций паяльной маски является защита поверхности печатных плат от образования и прилипания шариков припоя. Так вот: статистика практического опыта однозначно говорит, что использование паяльной маски, образующих матовую поверхность, снижает количество образующихся шариков припоя. Существует множество гипотез, объясняющих это явление. Приведу здесь только одну (рис. 127).

Гипотеза утверждает, что несмотря на тот факт, что поверхность матовой паяльной маски значительно увеличивается площадь к которой может прикрепиться шарик уменьшается. Т.е. шарики припоя могут крепиться только к выступам.

В качестве примера оборудования обеспечивающего эффективное окончательное задубливание хочу привести одного представителя из линейки сушильных шкафов оснащенного принудительной вентиляцией и таймером, с регулировкой подачи свежего воздуха, обеспечивающего температуру от +20°C до +300°C. (Рис. 128.)

Подробные характеристики представленного в этом разделе технологического оборудования можно посмотреть здесь.

Прямое формирование рисунка паяльной маски струйным принтером

Операция прямого формирования рисунка печатных плат струйным принтером, в отличии от прямого экспонирования, позволяет обойтись без этапа фотолитографических операций.

Установки прямого формирования рисунка используют технику струйной печати. Их принцип действия основан на так называемой системе «капля- по-запросу» (DOD — drop-on-demand) c пьезоэлектрической генерацией капель. Принцип работы печатающих головок таких принтеров представлен на рис 129.

С помощью струйного принтера можно наносить различные материалы, используемые при изготовлении печатных плат

Помимо обычных графических приложений, струйную печать активно пытаются адаптировать для нанесения различных функциональных материалов, используемых в производстве печатных плат, тем более, что она позволяет создавать структуры с высоким разрешением.

Что касается паяльной маски — сокращение числа технологических операций при ее нанесении позволяет при использовании техники прямого формирования рисунка паяльной маски струйной печатью избавиться от большого количества технологических операций (и, соответственно оборудования, требуемого для их выполнения). Для реализации процесса потребуется только принтер и установка термодубления.

На Продуктронике 2017 в Мюнхене были представлены несколько установок струйной печати паяльной маски. Одна из которых ( разработанная фирмой MEYER BURGER) представлена на рис. 130. Известно, что существенным фактором, позволяющим использовать конкретную операцию в реальном производстве является доступность расходного материала.

MEYER BURGER активно сотрудничает с таким крупным производителем паяльной маски как Electra и Agfa, что вселяет уверенность в скорейшем комплексном освоении процесса и представлении принтера и паяльной маски, как единого коммерческого продукта. Кроме того фирма нашла интересное решение одной из сложных проблем процесса струйной печати именно паяльной маски. См. рис. 131.

Дело в том, что при нанесении паяльной маски необходимо покрыть до ≈90% площади заготовки (в отличие от 3-5% для маркировки. Где струйные принтеры давно и успешно применяются), что существенно увеличивает трудоемкость процесса.

Ф. MEYER BURGER разработала технологию нанесения паяльной маски прецизионными каплями по контуру рисунка с последующим заполнением контура крупными каплями , что значительно уменьшает трудоемкость и соответственно увеличивает производительность на данной операции.

В 2019 на форуме Issue EIPC опубликована информация о разработке на фирме состава Agfa DiPaMat SolderMask для струйной печати паяльной маски вносящей существенный вклад в разработку установки струйной печати PiXDRO для производства печатных плат (PCB) фирмы Meyer Burger. Использование установки струйной печати PiXDRO в сочетании с паяльной маской Agfa DiPaMat SolderMask заменяет традиционный субтрактивный метод , при котором сперва вся поверхность печатной платы покрыта сплошным слоем фотоформируемого состава , а затем выборочно удаляется с некоторых участков.

Установка PiXDRO от Meyer Burger предусматривает использование DiPaMat SolderMask, что позволяет компании представить полностью оптимизированное и готовое к продаже решение для струйного нанесения паяльной маски. DiPaMat SolderMask — УФ-краска для струйной печати, не содержащая растворителей. У нее лучше всего сбалансированы свойства вязкости и отверждения для обеспечения гибкой настройки и быстрой интеграции с большинством основных струйных печатных машин.

Фирма Agfa представила целую линейку составов под торговой маркой DiPaMat. Это торговая марка линейки материалов, пригодных для нанесения струйной печатью в индустрии печатных плат. В портфолио входят чернила Legend (для маркировки), чернила Etch Resist (для травильного резиста), а также недавно выпущенный SolderMask (паяльная маска), что ставит Agfa в авангард перехода индустрии на струйные решения для производства печатных плат.

Планаризация

Учитывая актуальность и увеличивающуюся популярность применения жидкой паяльной маски стоит наверное рассмотреть методы планаризации поверхности печатных плат, позволяющие избавиться от ее главного недостатка — не способности обеспечивать тентирование переходных отверстий.

Конечно, как упоминалось ранее, при использовании техники планаризации увеличивается трудоемкость (за счет введения дополнительных операций), требуется дополнительное оснащение и, в некоторых вариантах, дополнительные материалы.

Планаризация поверхности печатных плат заключается в заполнении отверстий печатных плат перед нанесением паяльной маски. В настоящее время известны следующие варианты реализации техники планаризации:

1) Заполнение отверстий «филлерами»

Это составы идентичные паяльной маски, но содержащие минимум растворителя. Заполнение проводят на установках трафаретной печати с использованием специальной оснастки, обеспечивающей вакуумный подсос отверстий с нижней стороны платы.

Выполнение операции требует применения хорошей оснастки, индивидуальной для каждого типономинала печатных плат, и высокого профессионализма исполнителя.

• — селективное заполнение только тех отверстий, которые должны быть заполнены (монтажные отверстия остаются незаполненными);
• — использование традиционного оборудования трафаретной печати.

• — для каждого типа платы нужен своей трафарет;
• — изготовление специальной оснастки для закрепления трафарета и совмещения его с заготовкой.
• — наличие воздушных пузырей внутри заполненного отверстия;
• — большой расход , заполняющего отверстия материала.

2) Гальваническое заполнение отверстий.

Этот процесс удобен, так как может быть встроен в процесс общей металлизации отверстий. Как правило требуется отдельная ванна с специальным рабочим раствором, оснащенная нерастворимыми анодами (из окиси иридия) и системами дополнительного орошения рабочим раствором по всей площади заготовки. Метод имеет ограничение по максимально допустимому диаметру заполняемых отверстий. В качестве примера может быть приведен процесс Мicrofill THF 100 ф. DOW. Это процесс гальванического заполнения отверстия, который представлен на рис. 133.

Процесс рекомендуется для заполнения отверстий печатных плат диаметром до 90-100мкм. При этом для отверстий, например с глубиной 100-150мкм, впадина над заполненным отверстием составит <10мкм.

3) Заполнение отверстий эпоксидными составами.

Этот процесс практически не имеет ограничений по максимальному диаметру отверстий требующих планаризации, но требует оснащения комплектом сложного технологического оборудования и приобретение специальной достаточно дорогостоящей пасты.

В комплект оборудования входит:

• — специализированная установка заполнения отверстий с вакуумной камерой, обеспечивающая заполнение отверстий диэлектрической пастой (например pluging past PP 2795 CD ф. Peters);
• — установка прецизионного шлифования, сошлифовывающая выступающую над поверхностью пасту после полимеризации. Результат заполнения отверстий диэлектрической пастой см. рис.134.

Защитная паяльная маска

Паяльная маска (Solder Resist или Solder Mask) – обязательное теплостойкое защитное покрытие токопроводящего рисунка печатных плат. Предназначение: защита отдельных участков ПП от неблагоприятного воздействия флюса и припоя, а также влияния влажной окружающей среды и механического воздействия.

Типовое разнообразие

Финишная толщина: 20-25 мкм. Как следствие – высокие показатели точности совмещения вырезов. Создается сеткографическим методом.

Финишная толщина: 40-100 мкм. Низкие показатели точности совмещения вырезов и наличие возможности частичного «наползания» маски на контактные площадки. Не применяется для ПП 3-го и более классов точности.

Особенности нанесения

Паяльная маска наносится либо на одну (однослойные), либо на обе стороны печатной платы. Необходима обязательная изоляция, контактных областей (под вывод микросхемы и пр.) от токопроводящих элементов – проводников или отверстий переходного типа. Как результат – снижение трудоемкости/времени пайки.

При необходимости изоляции смежных контактных областей применяется метод вырезов (создание области непокрытой слоем паяльной маски). При этом размер вырезов должен быть больше на 100-150 мкм от общего размера контактной области. Расстояние от одного края паяльной маски до другого края контактной области должно находиться в пределах 50-75 мкм. Минимальная ширина перемычки – площадки между 2-мя соседними контактными областями – 75 мкм.

Цвет – красный, белый, зеленый, синий, черный, желтый или супер-белый — выбирается заказчиком. В светодиодной промышленности используется супер-белый/белый цвет паяльной маски, в других сферах наиболее популярен зеленый цвет. При этом следует учитывать, что окончательное цветовое насыщение ПП создается не базовым материалом, а масочным покрытием.

Процесс создания защитного слоя

Маску наносят через трафарет в виде сетки (размер одной ячейки – 150 мкм). Толщина сырого слоя: 30-35 мкм. Затем, изделие подвергают сушке. Температура в сушильной камере: не более 75 ˚ . Подсушенные заготовки поступают на этап фотолитографии – совмещения фотошаблонов масок с изделиями – и УФ-экспонирования высокой мощности. Завершающий этап – проявление заготовок в растворе (температура вещества 32-34 ˚ ).