Как выбрать правильную толщину и тип паяльной маски для печатной платы

Автор: CREATISTA / Shutterstock.com

Когда я только начинал работать в электронной инженерии, меня крайне интересовал один вопрос: почему верхний слой печатных плат зеленый? Разные люди отвечали на него по-разному, однако все повторяли общие доводы: паяльная маска облегчает контроль, обеспечивает защиту проводников и снижает утомление глаз при ручной сборке. Разные типы паяльных масок различаются по способу нанесения, составу и, разумеется, цене.

При выборе подходящего типа и толщины паяльной маски для печатной платы нужно учитывать возможности производителя, а также требования к процессам контроля и сборки. Выделяют четыре типа паяльных масок:

1. Эпоксидная жидкая паяльная маска
2. Жидкая фотопроявляемая паяльная маска (ЖФПМ)
3. Сухая пленочная паяльная маска (СППМ)
4. Маски для верхней и нижней стороны печатной платы

Что такое паяльная маска для печатных плат?

Паяльная маска на печатной плате позволяет защитить металлические элементы от окисления и предотвратить образование перемычек из припоя между контактными площадками. Это важнейший этап при изготовлении печатной платы, особенно когда используется пайка с помощью оплавления припоя или паяльной ванны. Такие методы не позволяют точно наносить припой на плату, а слой паяльной маски в некоторой степени позволяет контролировать пайку. Паяльную маску иногда называют паяльным резистом, и, на мой взгляд, это более удачный термин. Раньше мне вообще казалось, что паяльная маска — это слой припоя, который наносится на всю поверхность платы.

Типы паяльных масок для печатных плат

Любая паяльная маска представляет собой полимерный состав, который наносится на металлические дорожки на печатной плате. Паяльные маски бывают разных типов, а выбор оптимального варианта зависит от стоимости и метода нанесения. Самый простой способ — это использование шелкографии, когда через специальный трафарет на проводники наносится жидкий полимер на основе эпоксидной смолы. Это чем-то напоминает аэрографию. Паяльная маска может быть практически любого цвета.

Эпоксидная жидкая паяльная маска

Самый простой способ — это использование шелкографии, когда через специальный трафарет на печатную плату наносится жидкий полимер на основе эпоксидной смолы. Это самая дешевая и популярная паяльная маска. В этом случае для переноса рисунка используется специальная плетеная сетка. Жидкий эпоксидный состав представляет собой термоотверждаемый полимер, который твердеет под воздействием высокой температуры. Краситель для паяльной маски подмешивается в эпоксидный состав и после отверждения принимает нужный цвет.

Жидкая фотопроявляемая паяльная маска (ЖФПМ)

Для более сложных паяльных масок используется фотолитографический процесс с сухим пленочным или жидким паяльным резистом, который по своим характеристикам схож с фоторезистом, используемым при экспонировании в процессе производства полупроводников. ЖФПМ можно наносить с помощью шелкографии, как эпоксидный состав, или распылять на поверхность, что часто оказывается дешевле. Более продвинутый и точный метод предполагает использование фотолитографического процесса, в результате которого на паяльной маске формируются просветы для контактных площадок, сквозных и монтажных отверстий.

В этом случае по проекту из Gerber-файла изготавливается фотошаблон, соответствующий нужной паяльной маске. Затем панелизированная плата тщательно очищается, чтобы после отверждения паяльной маски под ней не оставалось ни малейших частиц пыли. Панели полностью покрываются жидкой фотопроявляемой паяльной маской с обеих сторон.

При использовании ЖФПМ черные фрагменты фотошаблона соответствуют открытым проводникам, а прозрачные — закрытым маской.

Паяльные маски представляют собой эпоксидную смолу или фотопроявляемый полимер.

После нанесения ЖФПМ на платы их сушат в печи и помещают в установку для проявления. Фотошаблон точно позиционируется над высушенной платой, и ее облучают УФ-светом. Открытые участки ЖФПМ отверждаются под воздействием такого света, а закрытые участки затем смываются растворителем, после чего на плате остается твердый слой паяльной маски.

Сухая пленочная паяльная маска (СППМ)

СППМ наносится аналогично ЖФПМ. Оба типа масок экспонируются с использованием фотолитографического процесса. Сухая пленочная паяльная маска имеет вид листов пленки, которые закрепляются на поверхности печатной платы с помощью вакуумного ламинирования. На этом этапе неэкспонированная пленка прижимается к плате, и из-под нее удаляются пузыри. После экспонирования необлученные участки паяльной маски удаляют растворителем, а оставшуюся пленку отверждают в термокамере.

Маски для верхней и нижней стороны печатной платы

В описаниях типов паяльных масок часто упоминаются маски для верхней и нижней стороны печатной платы. Как следует из названия, речь идет лишь о том, на какую часть печатной платы они наносятся. Различий в процессе изготовления или используемых материалах между ними нет.

Заключительные этапы: отверждение и финишная обработка

Перед нанесением указанных выше составов необходимо тщательно очистить платы от пыли. Затем платы отправляются на обработку для окончательного отверждения и задубления. Маска из жидкой эпоксидной смолы отверждается термически, без использования УФ-излучения. ЖФПМ и СППМ отверждаются под воздействием УФ-излучения в процессе фотолитографии. После экспонирования эти пленки подвергаются термической обработке для обеспечения окончательной фиксации.

Независимо от используемого типа паяльной маски после ее обработки на печатной плате останутся открытые участки меди. На них нужно нанести защитное покрытие, чтобы не допустить окисления. Наиболее распространенным типом финишной обработки поверхности является горячее лужение с воздушным выравниванием (HASL). Наряду с ним используется иммерсионное золочение по подслою никеля (ENIG) и иммерсионное золочение по подслою никеля и палладия (ENEPIG). При необходимости в слое маски оставляются дополнительные отверстия для паяльной пасты. Паяльная паста используется для закрепления контактных площадок и других компонентов на печатной плате. Детали зависят от применяемых производственных процессов.

Покрытие ENIG на открытых медных соединениях в паяльной маске.

Какова стандартная толщина паяльной маски?

Толщина паяльной маски в первую очередь зависит от толщины медных дорожек на печатной плате. Толщина ЖФПМ и СППМ в пустых областях платы, как правило, может меняться. Типовая толщина (измеренная перпендикулярно плате) составляет не менее 0,8 мила. Паяльная маска по краям соединений получается тоньше и может достигать толщины в 0,3 мила и меньше. В целом, толщина паяльной маски на соединениях должна быть около 0,5 мила. Напыляемая эпоксидная паяльная маска может иметь более равномерную толщину по всей печатной плате.

Помимо защиты медных соединений от коррозии паяльная маска используется для формирования барьеров между соседними контактными площадками на печатной плате. Для контактных площадок компонентов это делается за счет создания небольшого отступа между паяльной маской и открытыми площадками, называемого зазором. Благодаря ему удается предотвратить перетекание расплавленного припоя между площадками. Это особенно важно при изготовлении корпусов BGA и других компонентов с малым шагом выводов. Благодаря этому небольшому зазору по краю контактной площадки капля припоя в достаточной степени покрывает площадку, но остается на месте, что предотвращает образование перемычек во время пайки. Подробнее об использовании зазоров паяльной маски на печатной плате для предотвращения дефектов в процессе поверхностного монтажа см. в этой статье.

Вокруг контактных площадок центральной ИС имеется небольшой зазор паяльной маски.

Какого цвета должна быть паяльная маска?

Цвет паяльной маски определяется красителем, который входит в ее состав, а химические свойства красителя влияют на толщину отвержденной паяльной маски. Одной из причин широкого применения зеленой паяльной маски является то, что с ее помощью можно создавать тонкие барьеры (~0,1 мм). При использовании в паяльных масках красителей других цветов барьеры обычно получаются толще. Независимо от красителя толщина паяльной маски на печатных платах для определенных отраслей и применений устанавливается в стандарте IPC-SM-840D.

Цвет паяльной маски играет важную роль при автоматизированном или визуальном контроле. Черная паяльная маска обеспечивает наименьший контраст между платой и дорожками, что может создавать трудности при автоматизированном контроле. Это еще одна причина, по которой производители предпочитают зеленые маски. Цвет сетки при шелкографии также влияет на визуальный контраст и усталость глаз при ручном контроле.

Дорожки под этой черной паяльной маской могут быть едва различимыми.

Как и для любых других производственных параметров и процессов следует учитывать характеристики итогового изделия и соответствующим образом планировать конструкцию. Всегда стоит обсуждать варианты изготовления с производителем. Иногда он сможет предложить более подходящие варианты, исходя из своих возможностей.

Какую паяльную маску следует использовать

Выбор паяльной маски зависит от физических размеров платы, отверстий, компонентов и проводников, топологии и сферы применения изделия.

Если паяльная маска будет использоваться в аэрокосмической промышленности, телекоммуникациях, медицине или в других отраслях, требующих высокой надежности, ознакомьтесь с отраслевыми стандартами в отношении паяльной маски и предполагаемого применения изделий. Не полагайтесь на информацию из интернета, так как зачастую существуют особые требования, которыми следует руководствоваться.

В конструкции большинства современных печатных плат используются фотопроявляемые паяльные маски. Выбор жидкой или сухой маски зависит от характера поверхности. Сухая пленка обеспечивает равномерную толщину паяльной маски по всей поверхности. Однако наилучший контакт сухая маска имеет с очень плоской поверхностью. Если поверхность печатной платы неравномерная, лучше выбрать ЖФПМ, которая обеспечит более плотный контакт с медными дорожками и ламинатом. Недостатком жидкой маски является то, что ее толщина не будет одинаковой по всей поверхности.

Финишное покрытие масочного слоя также может быть разным. Обсудите с производителем, какие варианты он предлагает и как выбор того или иного способа повлияет на производство. Например, при использовании пайки оплавлением припоя матовое покрытие поможет уменьшить размер шариков припоя.

Для печатных плат, изготавливаемых с помощью оплавления припоя, требуется паяльная маска. Финишный слой маски может влиять на качество оплавления.

Как добавить паяльную маску в проект печатной платы?

При разработке печатной платы для маски припоя выделяются отдельные слои (на верхней и нижней стороне) в проекте печатной платы и Gerber-файлах. Это определяется не в менеджере стека слоев. Напротив, обычно для маски по умолчанию резервируется дополнительный слой в САПР. На случай, если паяльная маска расположена не идеально по центру объекта, потребуется граница шириной 2 мила. Также определяется минимальное расстояние между контактными площадками (обычно 8 мил) для предотвращения образования перемычек из припоя.

Если вы проектируете или производите печатные платы, важно выбрать программное обеспечение для проектирования печатных плат, которое позволяет использовать различные типы паяльных масок. Altium Designer^® предлагает исчерпывающий набор инструментов для проектирования и производства печатных плат, позволяя контролировать все аспекты разработки.

Хотите узнать больше о возможностях Altium Designer? Свяжитесь с экспертом Altium Designer.