Jak wybrać odpowiednią maskę lutowniczą dla płytki PCB?

^{Zdjęcie: CREATISTA / Shutterstock.com}

Przyglądając się płytce drukowanej, zwłaszcza gdy zaczynałem swoją przygodę w branży elektronicznej, zawsze zastanawiało mnie, dlaczego jej górna warstwa jest zielona. Odpowiedź zależy od tego, kogo o to zapytacie, ale co do jednej kwestii zgadzają się wszyscy: maska lutownicza ułatwia sprawdzanie płytki, zapewnia ochronę przewodnikom oraz zapobiega zmęczeniu oczu podczas montażu ręcznego płytki. Typy masek lutowniczych dla płytek  PCB różnią się zastosowaniem, składem i oczywiście ceną.

Wybierając odpowiedni rodzaj i grubość maski lutowniczej dla płytki PCB, należy wziąć pod uwagę możliwości producenta oraz Twój proces kontroli/montażu płytki. Poniżej wyszczególniono cztery główne rodzaje masek lutowniczych:

1. Płynna epoksydowa maska lutownicza
2. Płynna fotoutwardzalna maska lutownicza (LPSM)
3. Sucha fotoutwardzalna maska lutownicza (DFSM)
4. Maski dwustronne

Co to jest maska lutownicza dla płytek PCB?

Proces nakładania maski lutowniczej na płytki PCB ma chronić metalowe elementy na płytce drukowanej przed utlenianiem oraz zapobiegać tworzeniu się mostków przewodzących pomiędzy lutowanymi powierzchniami. To bardzo ważny krok w produkcji PCB, zwłaszcza jeśli używane jest lutowanie rozpływowe lub kąpiel lutownicza. Techniki te nie zapewniają dużej kontroli nad tym, gdzie na płytce wylądują kawałki roztopionego lutowia, ale maska lutownicza daje taką kontrolę. Maska lutownicza jest czasem nazywana „maską antylutowniczą”, co moim zdaniem jest lepszą nazwą, ponieważ sądziłem kiedyś, że maska lutownicza oznacza pełną warstwę cyny na całej płytce.

Rodzaje masek lutowniczych dla płytek PCB

Wszystkie warstwy maski lutowniczej składają się z warstwy polimeru nałożonej na metalowe ścieżki znajdujące się na płytce obwodu drukowanego. Występują różne rodzaje masek lutowniczych PCB, a wybór najlepszej dla Twojej płytki opcji zależy od jej kosztu i zastosowania. Najbardziej podstawową maską lutowniczą jest użycie sitodruku do nadrukowania na przewodnikach płynnej warstwy epoksydowej. Przypomina to trochę malowanie pistoletem natryskowym przy użyciu szablonu. Maska lutownicza dla płytki PCB może mieć niemalże dowolny kolor.

Płynna epoksydowa maska lutownicza

Najbardziej podstawową maską lutowniczą jest użycie sitodruku do nadrukowania na płytce PCB płynnej warstwy epoksydowej. Jest to najtańsza i najbardziej popularna opcja. W ramach tego procesu używa się tkanej siatki, która pomaga nanieść wzór tuszem. Płyn epoksydowy to polimer termoutwardzalny, który stwardnieje podczas procesu obróbki termicznej. Farba maski lutowniczej jest zmieszana z płynem epoksydowym, dając żądany kolor.

Płynna fotoutwardzalna maska lutownicza (LPSM)

Bardziej wyszukane maski lutownicze wykorzystują proces fotolitografii z użyciem suchej lub płynnej maski lutowniczej, podobnej do tej, jakiej używa się do naświetlania fotorezystu w produkcji półprzewodników. Maska LPSM może być nadrukowana techniką sitodruku tak jak żywica epoksydowa albo spryskana po całej powierzchni, co często stanowi tańszą metodę. Bardziej zaawansowaną (i dokładną) metodę stanowi użycie procesu litograficznego w celu zdefiniowania otworów w masce lutowniczej przeznaczonych pod powierzchnie lutownicze, przelotki i otwory do montażu elementów.

W trakcie tego procesu wykonuje się z plików Gerber maskę fotolitograficzną odpowiadającą żądanej masce lutowniczej. Twoja panelowa płytka jest następnie dokładnie czyszczona, aby nie dopuścić do uwięzienia pyłków kurzu pod utwardzoną maską lutowniczą. Panele te są po obu stronach pokryte całkowicie płynną maską LPSM.

Pewnie zauważyliście, że w przypadku masek LPSM czarne obszary maski fotolitograficznej definiują obszary, na których mają być naświetlone półprzewodniki, zaś miejsca na płytce, które mają być pokryte maską lutowniczą, będą przezroczyste.

_{Maski lutownicze są stosowane jako żywica epoksydowa lub polimer fotoutwardzalny.}

Po pokryciu płytek maską LPSM płytki są suszone w piecu i umieszczane w wywoływaczu UV. Maska fotolitograficzna jest układana równo nad suchą płytką, po czym płytka jest naświetlana światłem UV. Naświetlone obszary materiału LPSM są poddawane działaniu światła UV, zaś nienaświetlone obszary są zmywane rozpuszczalnikiem, pozostawiając na płytce twardą warstwę maski lutowniczej.

Sucha fotoutwardzalna maska lutownicza (DFSM)

Maska lutownicza DFSM wykorzystuje podobny proces co w przypadku maski LPSM. Oba rodzaje masek lutowniczych dla płytki PCB są naświetlane w ramach procesu fotolitograficznego, z tą różnicą, że zamiast używać do tego płynu, stosuje się suchy film w formie arkuszy z maski lutowniczej oraz proces laminowania próżniowego. Etap laminowania próżniowego wymusza przylgnięcie do płytki nienaświetlonego filmu maski lutowniczej oraz usuwa z filmu pęcherzyki powietrza. Po naświetleniu płytki nienaświetlone miejsca maski lutowniczej są usuwane rozpuszczalnikiem, zaś pozostały film jest poddawany procesowi obróbki termicznej.

Maski lutownicze po górnej i dolnej stronie obwodu drukowanego

Jeśli spojrzeć na inne przewodniki po rodzajach masek lutowniczych dla płytki PCB, wymieniają one często dwa rodzaje: maski po górnej stronie obwodu drukowanego i maski po dolnej stronie obwodu drukowanego. Oznaczają one po prostu konkretny rodzaj maski lutowniczej nałożonej na wierzch lub na spód płytki. Nazwy te nie odnoszą się do konkretnego procesu ich produkcji czy rodzaju materiału, z którego są one wykonane.

Kroki końcowe Obróbka i czyszczenie powierzchni

Zastosowanie pokazanych powyżej środków wymaga czyszczenia płytki z wszelkiego kurzu i pyłu. Później zostanie ona poddana końcowemu utwardzeniu i procesowi obróbki. Płynna epoksydowa maska lutownicza jest poddawana obróbce termicznej, ponieważ nie wykorzystuje się w tym przypadku naświetlania UV. Filmy LPSM oraz DFSM są naświetlane promieniami UV w ramach procesu fotolitograficznego. Po naświetleniu filmy te są suszone i utwardzane cieplnie.

Bez względu na to, jakiej maski lutowniczej PCB użyjesz, gotowa maska lutownicza pozostawi na płytce naświetlone miejsca pokryte miedzią. Te naświetlone miejsca muszą być pokryte środkiem zapobiegającym utlenianiu. Najbardziej powszechnym środkiem jest wyrównywanie lutowia gorącym powietrzem (HASL), a inne popularne środki wykończeniowe to bezprądowe powlekanie niklem i złotem (ENIG) oraz bezprądowe powlekanie niklem, złotem i palladem (ENEPIG). W razie potrzeby pozostawia się dodatkowe otwory w warstwie maski na maskę z pasty. Maska z pasty jest używana do przymocowania powierzchni lutowanych lub innych elementów na płytce drukowanej i jest wykonywana w różny sposób w zależności od procesu produkcji.

_{Powlekanie ENIG na naświetlonej warstwie miedzi przez maskę lutowniczą.}

Ile wynosi grubość standardowej maski lutowniczej dla płytki PCB?

Grubość maski lutowniczej zależy przede wszystkim od grubości miedzianych ścieżek na płytce drukowanej. Grubość masek lutowniczych LPSM i DPSM na pustych obszarach płytki będzie się różnić w zależności od miejsca. Grubość typowej maski lutowniczej (prostopadłej do płytki) wynosi co najmniej 0,8mm. Maska lutownicza będzie miała mniejszą grubość przy krawędziach ścieżek i może wynosić nawet niecałe 0,3mm. Generalnie wymaga się, aby grubość maski lutowniczej na ścieżkach wynosiła około 0,5mm. Maska lutownicza spryskiwana żywicą epoksydową może mieć jednakową grubość na całej powierzchni PCB.

Oprócz zapobiegania korozji na miedzianych ścieżkach, maska lutownicza ma stanowić zaporę między sąsiadującymi powierzchniami lutowniczymi na płytce obwodu drukowanego. W przypadku powierzchni z elementami ustala się niewielką przerwę między maską lutowniczą a naświetlonymi miejscami, nazywaną przestrzenią wolną od maski lutowniczej. Zapora ta zapobiega przed przepływaniem roztopionego lutowia z jednej powierzchni lutowniczej na sąsiednią powierzchnię. Jest to szczególnie istotne przy precyzyjnych obudowach BGA i innych elementach o dużej liczbie pinów. Ta niewielka przerwa wokół krawędzi powierzchni lutowniczej umożliwia kropelce lutowia wystarczająco nawilżyć tę powierzchnię oraz pozostać na miejscu, zapobiegając tworzeniu się mostków podczas lutowania. W tym artykule dowiesz się więcej na temat wykorzystywania powierzchni wolnych od maski lutowniczej na płytkach drukowanych do zapobiegania powstawania defektów w procesie SMT.

_{Nie widać jej z daleka, ale wokół powierzchni lutowanych dla umieszczonego w środku układu scalonego znajduje się niewielka przestrzeń wolna od maski lutowniczej.}

Jaki kolor powinna mieć maska lutownicza dla płytki PCB?

Kolor maski lutowniczej zależy od użytej w jej materiale farby, zaś właściwości chemiczne tej farby wpłyną na grubość gotowej maski lutowniczej. Jednym z powodów, dla których tak powszechnie stosuje się zieloną maskę lutowniczą jest to, że można jej użyć do stworzenia cienkich zapór w masce lutowniczej (ok. 0,1mm). Używane w maskach lutowniczych różnokolorowe farby z reguły tworzą grubsze zapory w masce lutowniczej. Bez względu na użytą farbę, grubość maski lutowniczej PCB w niektórych branżach i zastosowaniach została ustalona w IPC-SM-840D.

Kolor maski lutowniczej stanowi ważny element automatycznej lub ręcznej kontroli płytki. Czarna maska lutownicza zapewnia najmniejszy kontrast między płytką a ścieżkami, co może sprawiać trudności podczas automatycznej inspekcji. To kolejny powód, dlaczego wybierane są zielone maski. Kolor użytego sitodruku również wpłynie na stopień kontrastu oraz może powodować zmęczenie oczu podczas ręcznej kontroli.

_{Znajdujące się pod czarną maską lutowniczą ścieżki mogą być mało widoczne.}

Jak w przypadku każdego parametru lub procesu produkcji, należy zastanowić się nad ostatecznym zastosowaniem naszej płytki i odpowiednio ją zaplanować. Dlatego należy zawsze omówić opcje dotyczące produkcji płytek z ich producentem. Producent może zasugerować lepsze rozwiązanie zależnie od swoich możliwości produkcyjnych.

Jakiej maski lutowniczej dla płytki PCB należy użyć?

Wybór odpowiedniej maski lutowniczej zależy od fizycznych wymiarów płytki, otworów, elementów, przewodników, układu oraz ostatecznego przeznaczenia twojego produktu.

Po pierwsze, jeśli masz maskę lutowniczą PCB, która będzie użyta w branży lotniczej lub kosmicznej, telekomunikacyjnej, medycznej lub innej branży „strategicznej”, należy sprawdzić obowiązujące dla danej branży normy dotyczące masek lutowniczych oraz uwzględnić ogólne zastosowanie produktu. Istnieją bowiem konkretne wymogi, które biorą górę nad wszystkim, czego można nauczyć się z Internetu.

W przypadku większości nowoczesnych projektów płytek drukowanych konieczna jest fotoutwardzalna warstwa lutownicza. Topografia powierzchni płytki zadecyduje o tym, czy należy użyć płynnej czy suchej maski. Sucha maska zapewnia jednolitą grubość na całej powierzchni płytki. Jednak sucha maska najlepiej przylega do płytki, gdy jej powierzchnia jest bardzo płaska. W przypadku skomplikowanych powierzchni lepiej zastosować płynną maskę (LPSM), która zapewni lepszy kontakt z miedzianymi ścieżkami i laminatem. Wadą płynnych masek jest fakt, iż grubość nie jest idealnie jednolita na całej płytce.

Można także uzyskać różne wykończenia warstwy maski. Porozmawiaj z producentem o dostępnych opcjach i jak wpłyną one na proces produkcji. Na przykład matowe wykończenie redukuje powstawanie kulek z lutowia w przypadku użycia metody lutowania rozpływowego.

_{Płytki produkowane przy użyciu metody lutowania rozpływowego wymagają zastosowania maski lutowniczej. Wykończenie maski może wpłynąć na jakość rozpływania.}

Jak uwzględnić maskę lutowniczą w moim projekcie PCB?

Projektując płytkę obwodu drukowanego, maska lutownicza powinna stanowić odrębną warstwę (górną i dolną) w projekcie PCB oraz plikach Gerber. Warstwy te nie będą zdefiniowane w menedżerze warstw. Są one zwykle domyślnie określone jako dodatkowa warstwa w narzędziach CAD. Zwykle stosuje się 2-milimetrową obwódkę wokół danego elementu na wypadek, gdyby maska lutownicza nie była idealnie wyśrodkowana. Pomiędzy powierzchniami lutowanymi stosuje się minimalną odległość wynoszącą zwykle 8 milimetrów, tak aby maska zapobiegała tworzeniu się mostków lutowniczych.

Jeśli zajmujesz się projektowaniem lub produkcją płytek drukowanych, wybierz oprogramowanie do projektowania PCB, które umożliwi ci wybór różnych masek lutowniczych PCB. Altium Designer^® daje ci dostęp do całego zestawu narzędzi do projektowania i produkcji płytek PCB, a także kontrolę nad każdym aspektem Twojego projektu.

Chcesz dowiedzieć się więcej na temat możliwości oprogramowania Altium? Tutaj skontaktujesz się z ekspertem Altium.