Scelta della maschera di saldatura corretta per il tuo PCB

Da principiante dell'industria elettronica, mi sono sempre chiesto perché lo strato superiore dei PCB fosse verde. Le risposte sono varie, ma una cosa su cui tutti sono d'accordo è questa: la maschera di saldatura del PCB favorisce l'ispezione, fornisce protezione per i conduttori e previene l'affaticamento visivo durante l'assemblaggio manuale. I vari tipi di maschera di saldatura si differenziano per la loro applicazione, composizione e prezzo.

Quando scegli il giusto tipo e spessore della maschera per la scheda, dovrai considerare le capacità del produttore e il processo di ispezione/assemblaggio. Ci sono quattro tipi di maschere:

1. Maschera di saldatura epossidica liquida
2. Maschera di saldatura liquida per photo-imaging (LPSM)
3. Maschera di saldatura con pellicola a secco (DFSM)
4. Maschere di strato superiore e inferiore

Cos’è una maschera di saldatura del PCB?

La maschera di saldatura del PCB viene utilizzata per proteggere gli elementi metallici di un circuito stampato dall'ossidazione e per evitare che si formino ponti conduttivi tra i pad di saldatura. È un passaggio fondamentale nella realizzazione di PCB, in particolare se si usa il bagno di riflusso o di saldatura. Queste tecniche non consentono un controllo sul posizionamento dei pezzi di saldatura sulla scheda, mentre la maschera può offrirtelo. La maschera di saldatura del PCB è talvolta chiamata “solder resist” e credo sia un termine più appropriato poiché pensavo che la maschera fosse uno strato completo di saldatura applicato alla scheda.

Tipologie di maschere di saldatura

Tutti gli strati della maschera sono costituiti da uno strato polimerico applicato sulle tracce di metallo di un circuito stampato. Esistono diverse tipologie di maschera e la scelta migliore per la tua scheda dipende dal costo e dal tipo di applicazione. L'opzione più semplice della maschera di saldatura del PCB è quella di utilizzare una serigrafia per stampare un liquido epossidico sui conduttori. È come aerografare la vernice con uno stencil. La maschera di saldatura può essere realizzata in quasi tutti i colori.

Maschera di saldatura epossidica liquida

L'opzione più semplice della maschera di saldatura del PCB è quella di utilizzare una serigrafia per stampare un liquido epossidico sul PCB. Si tratta dell’opzione più economica e comune. In questo processo, una maglia tessuta viene utilizzata per supportare i modelli di bloccaggio dell'inchiostro. Il liquido epossidico è un polimero termoindurente, che si indurisce durante un processo di indurimento termico. Il colorante della maschera viene mescolato nel liquido epossidico e polimerizza al colore desiderato.

Maschera di saldatura del PCB liquida per photo-imaging (LPSM)

Le maschere di saldatura del PCB più curate utilizzano un processo di fotolitografia con una pellicola a secco o una maschera di saldatura liquida, simile a quella utilizzata per l'esposizione fotoresistente nella fabbricazione di semiconduttori. LPSM può essere serigrafato come un epossidico oppure spruzzato sulla superficie (spesso metodo di applicazione più economico). Il metodo più avanzato (e preciso) è di utilizzare un processo di litografia per definire le aperture delle maschere di saldatura per pad, via e fori di montaggio.

In questo processo, una maschera fotolitografica che corrisponde alla maschera di saldatura del PCB desiderata viene realizzata dai file Gerber. La scheda pannellata viene quindi pulita a fondo per garantire che non ci siano particelle di polvere sotto la maschera indurita. I pannelli sono completamente ricoperti su entrambi i lati con il liquido LPSM.

Noterai che con LPSM le parti nere della maschera fotolitografica sono le aree in cui i conduttori saranno esposti, mentre le aree chiare sono quelle rivestite con la maschera di saldatura

^{Le maschere di saldatura vengono applicate come resina epossidica o polimero con photo imaging.}

Una volta rivestite con LPSM, le schede vengono asciugate in un forno e inserite in uno sviluppatore UV. La maschera fotolitografica viene accuratamente allineata sulla scheda, a sua volta illuminata con luce UV. Le aree esposte sono polimerizzate dalla luce UV, mentre quelle non esposte vengono rimosse con un solvente, rilasciando così uno strato duro.

Maschera di saldatura del PCB con pellicola a secco (DFSM)

La maschera di saldatura del PCB di tipo DFSM viene applicata con un processo simile a quello di LPSM. Entrambe le tipologie hanno un processo di tipo fotolitografico ma, invece di essere applicato come liquido, la pellicola a secco viene applicata a strati utilizzando un processo di laminazione sottovuoto. In questo modo, la pellicola non esposta della maschera aderisce alla scheda e si evitano bolle d’aria. Dopo l'esposizione, le aree non esposte della maschera vengono rimosse con un solvente e la pellicola rimanente viene polimerizzata con un processo termico.

Maschere di strato superiore e inferiore

Altre due tipologie sono le maschere di saldatura del PCB di strato superiore e inferiore. Si tratta del posizionamento della maschera sul lato superiore o inferiore della scheda e non un particolare processo di fabbricazione o un materiale specifico della maschera di saldatura.

Passaggi finali: polimerizzazione e finitura superficiale

L'applicazione dei materiali richiede che le schede vengano pulite per rimuovere la polvere. In seguito, anch'esse saranno sottoposte al processo di indurimento e polimerizzazione finale. La maschera di saldatura epossidica liquida viene polimerizzata termicamente in quanto non vi è esposizione ai raggi UV. Le pellicole LPSM e DFSM sono polimerizzate mediante esposizione agli UV durante il processo di fotolitografia. Dopo l'esposizione, queste pellicole vengono polimerizzate e indurite con un trattamento termico.

Indipendentemente dal tipo di maschera utilizzata, la maschera di saldatura del PCB risultante lascerà esposte sulla scheda aree di rame. Queste aree devono essere placcate con una finitura superficiale per evitare l'ossidazione. La finitura superficiale più usata è il livellamento ad aria calda (HASL), sebbene esistono altre finiture superficiali come l’ENIG e l’ENEPIG. Se necessario, nello strato della maschera vengono lasciati ulteriori fori per la maschera per pasta. Quest’ultima viene utilizzata per fissare pad o altri componenti al circuito stampato ed è realizzata in modo diverso a seconda dei vari processi di produzione.

^{I PCB fabbricati utilizzando un processo di riflusso di saldatura necessitano di una maschera di saldatura. La finitura della maschera può avere effetti sulla qualità del riflusso.}

Qual è lo spessore standard della maschera di saldatura del PCB?

Lo spessore dipende principalmente dallo spessore delle tracce di rame presenti sul circuito stampato. Lo spessore della maschera LPSM e DPSM in aree vuote della scheda solitamente varia in base alla posizione. Solitamente, lo spessore della maschera di saldatura del PCB (perpendicolare alla scheda) è di almeno 0,02 mm. La maschera di saldatura sarà più sottile in prossimità dei bordi delle tracce e può raggiungere fino a 0,007 mm o meno. In generale, si consigliano circa 0,01 mm sulle tracce. La maschera di saldatura epossidica spruzzata può avere uno spessore più uniforme in tutto il PCB.

Oltre a prevenire la corrosione sulle tracce di rame, la maschera di saldatura nel PCB viene utilizzata per posizionare una diga tra i pad vicini su un circuito stampato. Per i pad dei componenti, ciò avviene definendo un piccolo spazio tra la maschera di saldatura e i pad esposti, noto come solder mask relief. In questo modo si crea una diga che impedisce alla saldatura fusa di fluire da un pad all’altro, il che è importante per le BGA a passo fine e altri componenti ad alta densità di pin. Questo piccolo rilievo intorno al bordo di un pad permette alla gocciolina di saldatura di bagnare sufficientemente il pad e di mantenersi in posizione, evitando il collegamento durante la saldatura. In questo articolopuoi leggere ulteriori informazioni sull'uso del solder mask relief su un circuito stampato per evitare difetti nel processo SMT.

_{Non puoi vederlo da lontano, ma, durante la realizzazione di un PCB, un piccolo solder mask relief è posizionato intorno ai pad del circuito integrato centrale.}
 

Quale colore scegliere per la maschera di saldatura del PCB?

Il colore è determinato dal colorante utilizzato e le sue proprietà chimiche influiscono sullo spessore della maschera polimerizzata. Uno dei motivi per cui il colore verde è maggiormente utilizzato è perché permette la creazione di dighe molto sottili (~ 0,1 mm), mentre altri colori formano dighe più spesse. Indipendentemente dal colorante utilizzato, lo spessore della maschera di saldatura sui PCB da usare in determinati settori o applicazioni è definito dall’IPC-SM-840D.

Il colore della maschera è una parte importante dell'ispezione visiva automatica o manuale. La maschera di saldatura del PCB, se è nera fornisce un contrasto minimo tra la scheda e le tracce, il che può creare difficoltà nell'ispezione automatica. Per questo motivo, le maschere verdi sono preferite. Il colore della serigrafia utilizzata inciderà anche sul contrasto visivo e sull'affaticamento degli occhi durante l'ispezione manuale.

_{Le tracce sotto questa maschera di saldatura nera sono difficili da vedere, pertanto non facilitano la realizzazione di PCB.}
 

Come per qualsiasi altro parametro o processo di produzione, anche nella realizzazione dei PCB si deve tener conto della sensibilità dell'applicazione finale e la progettazione deve essere pianificata di conseguenza. È sempre importante discutere le opzioni di fabbricazione con il produttore perché possono suggerirne di migliori in base alle loro capacità.

Quale maschera di saldatura utilizzare?

La scelta di una maschera di saldatura del PCB appropriata dipende dalle dimensioni fisiche della scheda, dai fori, dai componenti, dai conduttori, dalla disposizione del layout e dall'utilizzo finale del prodotto.

In primo luogo, se il PCB deve essere utilizzato nel settore aerospaziale, delle telecomunicazioni, medico o in altri settori con un profilo di "alta affidabilità", è necessario controllare gli standard corrispondenti, così come l'applicazione per cui è stata richiesta la realizzazione del PCB. Questi requisiti specifici prevalgono su qualsiasi informazione letta su Internet.

Per la maggior parte dei progetti di PCB moderni, è preferibile usare una maschera di saldatura del PCB per photo-imaging. La topografia della superficie stabilirà se utilizzare un'applicazione liquida o asciutta. Un’applicazione asciutta determina uno spessore uniforme su tutta la superficie della maschera, sebbene l’aderenza è maggiore quando la superficie della scheda è molto liscia. Su superfici complesse, conviene utilizzare una maschera liquida (LPSM), poiché si ottiene un contatto migliore con le tracce di rame e il laminato. Tuttavia, lo svantaggio è che lo spessore non è completamente uniforme su tutta la superficie.

È anche possibile ottenere diverse finiture sullo strato della maschera. Chiedi al produttore cosa hanno a disposizione e come influenzerà sulla produzione. Ad esempio, una finitura opaca riduce le sfere di saldatura del PCB se utilizzi un processo di saldatura di riflusso.

_{I produttori di PCB che utilizzano un processo di saldatura del PCB di riflusso necessitano di una maschera di saldatura. La finitura della maschera influisce sulla qualità del riflusso.}

Come inserire una maschera di saldatura nel layout?

Nella progettazione del circuito stampato, la maschera di saldatura del PCB occuperà i propri strati (superiore e inferiore), sia nella composizione che nei file Gerber. Non verrà definito nel Layer Stack Manager, piuttosto viene impostato come un livello aggiuntivo predefinito negli strumenti CAD. Di solito è necessario un bordo di 0,05 mm intorno ai componenti quando la maschera non è perfettamente centrata e occorre lasciare una distanza minima tra i pad, spesso di 0,2 mm, per evitare di saldare i ponti.

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