Что такое solder mask
паяльная защитная маска печатной платы
Термостойкое покрытие, наносимое избирательно для защиты отдельных участков печатной платы в процессе пайки.
Защитная паяльная маска служит для защиты участков печатных плат от наплывов припоя. Существует 2 типа масок – сухая пленочная и жидкая. Сухая пленочная паяльная маска наносится методом ламинирования. Жидкая паяльная маска наносится методом сеткографии через сетчатый трафарет, причем существует 2 варианта: через готовый трафарет, когда в сетке уже сформированы все окна вскрытия и маска наносится только на защищаемые участки печатной платы (такой вариант имеет невысокое разрешение и применяется как правило на односторонних печатных платах ниже 3 класса точности) и сплошное нанесение маски с последующим проявлением с использованием фотошаблонов. Требования к совмещению фотошаблонов маски ниже, чем к фотошаблонам топологии, поэтому окна вскрытия должны быть шире контактных площадок. Это нужно учитывать при создании компонентов, особенно в САПР где этот параметр задается непосредственно в компоненте (например, ORCAD), как правило, размер вскрытия задается на 0,1 мм больше размера контактной площадки. Следует также отметить, что разрешение (мостики в маске) распространенных масок составляет не менее 0,15 мм, это нужно учитывать в компонентах с шагом выводов 0,5мм.
Для компонентов с мелким шагом можно применять специальные LDI маски. В этом случае размер вскрытия может быть на 0,05мм больше размера контактной площадки. Разрешение таких масок 0,10мм.
С разновидностями масок на производстве «Резонит» вы можете ознакомиться по ссылке. Рекомендуем также ознакомиться с познавательным видеороликом, в котором наглядно показан процесс нанесения паяльной маски.
Связанные термины
Фоторезист печатной платы, в пленке которого под действием излучения протекают фотохимические реакции, приводящие к увеличению скорости его растворения в соответствующих проявителях.
Расстояние между осями соседних печатных проводников печатной платы.
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.
Различают 3 типа паяльных масок:
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.
Основным критерием при выборе паяльной маски является тентирование (перекрытие) отверстий. (Рис. 120).
Цели тентирования отверстий:
Преимущества жидкой паяльной маски:
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:
К недостаткам можно отнести:
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 паяльной маски.
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:
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.
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:
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.
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.
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.
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
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.
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.
PCB Solder mask
Solder mask or solder stop mask or solder resist is a thin lacquer-like layer of polymer that is usually applied to the copper traces of a printed circuit board (PCB) for protection against oxidation and to prevent solder bridges from forming between closely spaced solder pads. A solder bridge is an unintended electrical connection between two conductors using a small blob of solder. PCBs use solder masks to prevent this from happening. Solder mask is not always used for hand-soldered assemblies but is essential for mass-produced boards that are soldered automatically using reflow or Wave Solder techniques. Once applied, openings must be made in the solder mask wherever components are soldered, which is accomplished using photolithography. Solder mask is traditionally green but is now available in many colors.
Solder mask comes in different media depending upon the demands of the application. The lowest-cost solder mask is an epoxy liquid that is silkscreened through the pattern onto the PCB. Other types are the liquid photoimageable solder mask (LPSM or LPI) inks and dry-film photoimageable solder mask (DFSM). LPSM can be silkscreened or sprayed on the PCB, exposed to the pattern and developed to provide openings in the pattern for parts to be soldered to the copper pads. DFSM is vacuum-laminated on the PCB then exposed and developed. All three processes typically go through a thermal cure of some type after the pattern is defined although LPI solder masks are also available in the ultraviolet (UV) cure.
In electronic design automation, the solder mask is treated as a layer of the printed circuit board and is described as a Gerber file like any other layer, such as the copper and silkscreen layers. Typical names for these layers include tStop/bStop (EAGLE), LSMVS/LSMRS (WEdirekt) or GTS/GBS (Gerber and many others).
The functions of the solder mask layer on the PCB board are shown:
．Preventing the physical breakage of a conductor circuit
．Preventing short circuit from bridge connection in the soldering process
．Preventing the copper layer from oxidation
．Prevent short circuit between conductive lines and solder joints when proceeding reflow soldering, wave soldering, and manual welding
．Its high Insulating brings the possibility to the high density of PCB boards
standard PCB:
．1oz outer copper thickness For solder bridge, the spacing between IC pads should be min 0.2 mm(8mil) for green color,others require min 0.22 mm(9mil)
. 2oz outer copper thickness For solder bridge, the spacing between IC pads should be min 0.25 mm(9.8mil) for green color,others require min 0.27 mm(10.6mil)
Advanced PCB:
．1oz outer copper thickness For solder bridge, the spacing between IC pads should be min 7mil for green color,black require min 9mil
(prototype pcb green min 6mil,black min 8mil)
. 2oz outer copper thickness For solder bridge, the spacing between IC pads should be min 8mil for green (solder bridge 4mil) color,black color (solder bridge 5-6mil) require min 10mil
．As for normal case, the lead time for green mask should be shorter than others
．Since we just refer to solder bridge above, now comes to a briefly knowing for it:
The solder bridge is the green oil between the two pads or the IC pins, For its narrow need, so it is called the solder resist bridge. If the distance between the pins is too small to meet the factory process, it will be recommended to cancel it and proceeded with full mask openings.
Mask opening: any area without mask printing can be called window opening, it includes areas for solder PAD, paste PAD, trenching, etc.
Solder mask clearance: the suggested soldermask clearance in GERBER is 2-4 mils.
There are total 9 solder masker color in PCBWay, here is the sample PCBWay ruler:
If you are interested in, more information please check our gift shop