Protection pour circuits imprimés : comment choisir le bon masque de soudure pour votre PCB

En tant que débutant dans l'industrie électronique, je me suis toujours demandé pourquoi la couche supérieure des PCB était verte. La réponse varie en fonction de la personne à qui vous posez la question, mais une chose sur laquelle tout le monde s'accorde est la suivante : votre masque de soudure facilite l'inspection, offre une protection pour le circuit imprimé  et prévient la fatigue visuelle lors de l'assemblage à la main. Les différents types de masques de soudure pour circuits imprimés diffèrent dans leur mode d'application, leur composition et, bien sûr, leur prix.

Lorsque vous déterminez le type et l'épaisseur du masque de soudure dont vous avez besoin pour votre carte, vous devez tenir compte des capacités de votre fabricant et de votre processus d'inspection/assemblage. Voici les quatre types de masques de soudure pour circuits imprimés :

1. Masque de soudure en époxy liquide
2. Masque de soudure photoimageable liquide (LPSM)
3. Masque de soudure à film sec (DFSM)
4. Masques inférieur et supérieur

Qu'est-ce que le masque de soudure pour PCB ?

Le masque de soudure de circuit imprimé sert à protéger les éléments métalliques d'une carte de circuit imprimé contre l'oxydation et pour empêcher la formation de ponts conducteurs entre les plots de soudure. C'est une étape critique de la fabrication des circuits imprimés, surtout si l'on utilise la refusion ou un bain de soudure. Ces techniques n'offrent pas beaucoup de contrôle sur le positionnement des grains de soudure fondus sur la carte, mais la couche de masque de soudure vous donne un certain niveau de contrôle. Le masque de soudure est parfois appelé "réserve de soudure", ce qui me semble être un meilleur terme puisque je pensais que le masque de soudure était une couche complète couvrant toute la carte.

Types des masques de soudure PCB

Tous les masques de soudure consistent en une couche de polymère qui est appliquée sur les pistes métalliques du PCB. Il existe différents types de masques de soudure pour circuits imprimés, et la meilleure option pour votre carte dépend du coût et de votre application. L'option de masque de soudure la plus simple consiste à utiliser une sérigraphie pour imprimer de l’époxy liquide sur les conducteurs. C'est comme si on peignait à l'aérographe à travers un pochoir. Le masque de soudure peut être appliqué dans presque toutes les couleurs.

Masque de soudure en époxy liquide

L'option de masque de soudure la plus simple consiste à utiliser une sérigraphie pour imprimer de l’époxy liquide sur le circuit imprimé. C'est l'option de masque de soudure la moins coûteuse et la plus populaire. Dans ce processus, une maille tissée permet de stabiliser les motifs de blocage de l'encre. L'époxy liquide est un polymère thermodurcissable, qui durcit par chauffage. Le colorant du masque de soudure est mélangé à l'époxy liquide et durcit pour obtenir la couleur désirée.

Masque de soudure photoimageable liquide (LPSM)

Les masques de soudure plus sophistiqués utilisent un procédé photolithographique avec un film sec ou un masque de soudure liquide, similaire à celui utilisé pour l'exposition des photorésists dans la fabrication des semi-conducteurs. Les masques LPSM peuvent être sérigraphiés comme l’époxy, ou ils peuvent être pulvérisés sur la surface, ce qui est souvent une méthode d'application moins coûteuse. La méthode la plus avancée (et la plus précise) consiste à utiliser un procédé de lithographie pour définir les ouvertures du masque de soudure pour les pastilles, les vias et les trous de montage.

Dans ce processus, un masque de photolithographie qui correspond à votre masque de soudure souhaité est réalisé à partir de vos fichiers Gerber. Votre carte panélisée est ensuite nettoyée à fond pour éliminer les moindres particules étrangères coincées sous le masque de soudure durci. Les panneaux sont entièrement recouverts des deux côtés avec le LPSM liquide.

Vous remarquerez qu’avec le LPSM, les parties noires du masque de photolithographie définissent les zones où vous voulez que les conducteurs soient exposés, tandis que les zones de la carte que vous voulez couvrir avec le masque de soudure et de protectionde circuit imprimé seront de couleur claire.

_{Les masques de protection de circuit imprimé  sont appliqués sous forme d'époxy ou de polymère photo-imageable.}

Une fois que les cartes sont recouvertes de LPSM, elles sont séchées dans un four et placées dans un révélateur UV. Le masque de photolithographie est soigneusement aligné sur la carte séchée qui est ensuite éclairée par une lumière UV. Les zones de LPSM exposées sont durcies par la lumière UV, tandis que les zones non exposées sont lavées avec un solvant, laissant derrière elles une couche dure de masque de soudure.

Masque de soudure à film sec (DFSM)

Le masque de soudure DFSM est appliqué en utilisant un procédé similaire à celui du LPSM. Les deux types de masques de soudure pour circuits imprimés sont exposés selon un procédé de type photolithographie. Plutôt que d'être appliqué sous forme liquide, le film sec est appliqué en feuilles de film de masque de soudure par un procédé de laminage sous vide. Cette étape de laminage sous vide force le film de masque de soudure non exposé à adhérer à la carte et élimine les bulles du film. Après l'exposition, les zones non exposées du masque de soudure sont enlevées avec un solvant, et le film restant est durci dans un processus thermique.

Masques inférieur et supérieur

D’après d'autres guides sur les types de masques de soudure pour circuit imprimé , deux types de masques de soudure sont souvent mentionnés : les masques supérieurs et les masques inférieurs. Ces guides font simplement référence au masque de soudure particulier placé sur la face supérieure ou inférieure de la carte. Ils ne font pas référence à un procédé de fabrication particulier ou à un type spécifique de matériau de masque de soudure.

Les dernières étapes : Durcissement et finition de la surface

L'application des supports ci-dessus nécessite le nettoyage des panneaux afin d'éliminer les moindres poussières. Ensuite, ils subiront eux aussi leur dernier processus de durcissement et de finition. Le masque de soudure époxy liquide est durci thermiquement car il n'y a pas d'exposition aux UV. Les films LPSM et DFSM sont durcis par exposition aux UV pendant le processus de photolithographie. Après exposition, ces films sont traités et durcis par un traitement thermique.

Quel que soit le type de masque de soudure utilisé, le masque obtenu laissera des zones de cuivre exposées sur la carte. Ces zones exposées doivent être plaquées avec une finition de surface pour prévenir l'oxydation. La finition de surface la plus courante est le nivellement de soudure à l'air chaud (HASL), bien que d'autres finitions de surface populaires soient le nickel-or chimique par immersion (ENIG) et le nickel-or chimique par immersion au palladium (ENEPIG). Le cas échéant, des trous supplémentaires dans la couche du masque sont laissés pour le masque en pâte, selon les cas. Le masque en pâte sert à fixer des pastilles ou d'autres composants sur la carte de circuit imprimé, et se fait différemment selon les divers procédés de fabrication.

_{Placage ENIG sur le cuivre exposé à travers un masque de soudure de circuit imprimé.}

Quelle est l'épaisseur standard du masque de soudure ?

L'épaisseur du masque dépend principalement de l'épaisseur des pistes de cuivre sur votre carte de circuit imprimé. L'épaisseur des masques de soudure LPSM et DPSM dans les zones vides de la carte varie généralement en fonction de l'emplacement. L'épaisseur typique du masque de soudure (perpendiculaire à la carte) est d'au moins 0,8 mils. Le masque de soudure sera plus fin près des bords des pistes et peut atteindre une épaisseur de 0,3 mils ou moins. En général, il vous faudra environ 0,5 mils de masque de soudure sur vos pistes. Le masque de soudure à l'époxy pulvérisé peut créer une épaisseur plus uniforme sur l'ensemble de votre PCB.

En plus de prévenir la corrosion sur les pistes de cuivre, le masque de soudure permet de placer un barrage entre des pastilles voisines sur un PCB. Pour les pastilles, il faut définir un petit espace entre le masque de soudure et les pastilles exposées, comme un relief autour du masque de soudure. Cela crée un barrage qui empêche la soudure fondue d'une pastille de s'écouler sur une pastille voisine. Ceci est particulièrement important pour les matrices à billes à pas fin et autres composants à haute densité de broches. Ce petit relief autour du bord d'une pastille permet à la gouttelette de soudure de mouiller suffisamment la pastille et de se maintenir en place, ce qui empêche le pontage pendant la soudure. Vous pouvez en savoir plus sur l'utilisation du relief de masque de soudure sur une carte de circuit imprimé pour prévenir les défauts du processus SMT dans cet article.

_{On ne peut pas le voir de loin, mais un petit masque de soudure de circuit imprimé en relief est placé autour des pastilles sur le circuit intégré central.}

De quelle couleur doit être le masque à souder ?

La couleur de votre masque de soudure est déterminée par le colorant utilisé dans le matériau du masque de soudure, et les propriétés chimiques du colorant influenceront l'épaisseur du masque de soudure durci. L'une des raisons pour lesquelles le masque de soudure vert est largement utilisé est qu'il peut être utilisé pour créer des barrages minces de masque de soudure (~0,1 mm). Les colorants utilisés dans les masques de soudure ont tendance à former des barrages de masque de soudure plus épais. Quel que soit le colorant choisi, l'épaisseur du masque de soudure sur les PCB dans certaines industries ou applications est définie dans la norme IPC-SM-840D.

La couleur du masque de soudure est une partie importante de l'inspection visuelle automatisée ou manuelle. Le masque de soudure noir offre le plus faible contraste entre la carte et les pistes, ce qui peut créer des difficultés lors de l'inspection automatisée. C'est une autre raison pour laquelle les masques verts sont préférés. La couleur de la sérigraphie utilisée aura également une influence sur le contraste visuel et sur la fatigue visuelle lors de l'inspection manuelle.

_{Les pistes sous ce masque de soudure de circuit imprimé noir peuvent être très difficiles à voir.}

Comme pour tout autre paramètre ou procédé de fabrication, vous devez tenir compte du degré de sensibilité de votre demande finale et planifier votre conception en conséquence. Il est toujours important de discuter des options de fabrication avec votre fabricant. Ils peuvent même être en mesure de proposer de meilleures options en fonction de leurs capacités.

Quel masque à souder dois-je utiliser ?

Le choix d'un masque de soudure approprié dépend des dimensions physiques de votre carte, des trous, des composants et des conducteurs, de la disposition de la surface et de l'application finale de votre produit.

Premièrement, si votre masque de soudure et de protection pour circuit imprimé doit être utilisé dans l'aérospatiale, les télécommunications, le secteur médical ou d'autres industries exigeant une fiabilité extrême, vérifiez les normes industrielles relatives au masque de soudure et votre application prévue en général. Certaines exigences spécifiques remplacent tout ce que vous apprenez sur l'internet.

Pour la plupart des PCB modernes, vous aurez besoin d'une réserve de soudure photo-imageable. La topographie de la surface dictera s'il faut utiliser un procédé liquide ou sec. Un procédé à sec permet d'obtenir une épaisseur de masque de soudure uniforme sur toute la surface. Cependant, le masque sec adhère mieux si la surface de votre carte est très plane. Si les caractéristiques de la surface sont complexes, il est probablement préférable d'utiliser une option liquide (LPSM) pour bénéficier d’un meilleur contact avec le cuivre de vos pistes et le laminé. L'inconvénient d'un procédé liquide est que l'épaisseur n'est pas parfaitement uniforme sur toute la surface.

Vous pouvez également obtenir différentes finitions sur la couche du masque. Parlez à votre fabricant de ce dont il dispose et de la manière dont cela affectera la production. Par exemple, une finition mate réduit les boules de soudure si vous utilisez un procédé de refusion de la soudure.

_{Les circuits imprimés fabriqués selon un procédé de refusion de la soudure ont besoin d'un masque de soudure. La finition du masque de soudure de circuit imprimé peut affecter la qualité de la refusion.}

Comment inclure un masque de soudure dans l’agencement du PCB ?

Lorsque vous concevez votre carte de circuit imprimé, le masque de soudure doit être ses propres couches (supérieure et inférieure) dans votre schématique PCB et vos fichiers Gerber. Cela ne sera pas défini dans la gestion d’empilage. Au lieu de cela, il est généralement défini comme une couche supplémentaire par défaut dans vos outils CAO. Vous aurez généralement besoin d'une bordure de 2 millions de pixels autour de la caractéristique, au cas où le masque de soudure ne serait pas parfaitement centré. Vous aurez également une distance minimale entre les pastilles, souvent de 8 mils, pour vous assurer que le masque peut empêcher la formation de ponts de soudure.

Si vous êtes dans le domaine de la conception ou de la production de circuits imprimés, il est important de choisir un logiciel de conception de PCB qui permet de sélectionner différents types de masques de soudure pour différents circuits imprimés. Altium Designer^® vous donne accès à un ensemble complet d'outils de conception et de fabrication de circuits imprimés, et vous permet de contrôler chaque aspect de vos conceptions.

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