Состав и нанесение паяльной маски
Пайка на печатных платах сродни ювелирной работе. Проводить ее нужно очень аккуратно, так, чтобы поверхность не повреждалась. Нельзя допустить образование перемычек или мостиков, растекания или прилипания капель припоя, его неоднородного скопления.
Помочь провести работу с хорошим результатом может нанесение паяльной маски. По сути, имеется две главные функции составов: защитная и эстетическая. Красивая плата после обработки готова к высокоточной пайке. Припой будет попадать только в требуемые места будущих контактов.
Классы требований
Печатные платы сейчас используются повсеместно. Везде они играют ответственную роль, обеспечивая работу сложных электронных схем. Тем не менее, по результатам тестирования, оцениванию основных характеристик, в соответствии с ГОСТом выделяют два основных класса требований к паяльным маскам:
Полученные с помощью масок класса Н места пайки, гарантируют отсутствие кратковременных пауз в работе. Принадлежность к классу обязательно указывается производителем, должна быть учтена потребителем.
Способы нанесения
Защитные покрытия для печатных плат могут иметь разный состав, требуют нанесения по отличающимся технологиям. На этом признаке основана классификация паяльных масок.
Слой на поверхности можно нанести двумя способами:
Для печатания по трафаретам используют эпоксидные паяльные маски. Инициируют отверждение нагреванием или УФ облучением. Метод доступный, недорогой, но требует наличия сеткографических трафаретов. Точность нанесения паяльных масок оставляет желать лучшего.
Фотолитографический способ иначе называют фоторезистивным. Сейчас преимущественно применяются такие средства. Популярность объясняется возможностью создавать любые рисунки.
Фоторезистивные паяльные маски отличаются консистенцией, количеством компонентов. Средства с одним компонентам имеют однородный состав. Двухкомпонентные смеси доведены до гомогенного состояния при производстве.
Сухие и жидкие составы
Сухие паяльные маски обозначают аббревиатурой СПМ. Их выпускают в виде пленок различной толщины: от 50 мкм до 10 мкм.
Наносить СПМ непросто. Для этого требуется оборудование, выполняющее вакуумное ламинирование. Поверхность платы перед нанесением покрытия нужно тщательно очистить, иначе пленка не прилипнет хорошо.
После вакуумирования плату следует экспонировать и проявить. Состав для проявления может иметь органическую или водно-щелочную природу. Часто для создания щелочной среды используют кальцинированную соду. Последней стадией является задубливание. Так называют обработку платы нагреванием или облучением УФ для окончательного формирования слоя.
Жидкие паяльные маски обозначаются сокращением ЖПМ. Наносят их одним из двух способов.
При работе над мелкими сериями печатных плат используют трафаретное нанесение.
В процессе выпуска больших серий продукции паяльные маски наносят с помощью специального оборудования, создающего ниспадающий ламинарный «занавес». Затем проводят экспонирование, проявление и задубливание обработанной платы.
С помощью ЖПМ и трафаретом паяльную маску можно нанести в домашних условиях своими руками. Все операции вполне доступны и регулярно выполняются мастерами и любителями.
Пайка с самым маленьким шагом становится реальным делом. Печатная плата, предварительно защищенная маской, сможет работать долго и надежно.
В интернет-магазинах продают однокомпонентные маски, которые застывают при облучении УФ лампами. Обработка плат происходит так. По центру и бокам наносят небольшое количество жидкого паяльного состава.
Придавливают прозрачной твердой пленкой (лавсановой или другой) и растирают ластиком или придавливают толстым стеклом.
Паста под пленкой должна равномерно распределиться тонким слоем, приобретя светлый оттенок (обычно светло-зеленый). После этого аккуратно накладывают шаблон.
Просвечивают ультрафиолетом 40 минут, снимают шаблон и засвечивают еще час. Нюансы нанесения могут отличаться, но в целом смысл состоит в том, чтобы паста равномерно распределилась и застыла.
Защитная паяльная маска
Паяльная маска (Solder Resist или Solder Mask) – обязательное теплостойкое защитное покрытие токопроводящего рисунка печатных плат. Предназначение: защита отдельных участков ПП от неблагоприятного воздействия флюса и припоя, а также влияния влажной окружающей среды и механического воздействия.
Типовое разнообразие
Финишная толщина: 20-25 мкм. Как следствие – высокие показатели точности совмещения вырезов. Создается сеткографическим методом.
Финишная толщина: 40-100 мкм. Низкие показатели точности совмещения вырезов и наличие возможности частичного «наползания» маски на контактные площадки. Не применяется для ПП 3-го и более классов точности.
Особенности нанесения
Паяльная маска наносится либо на одну (однослойные), либо на обе стороны печатной платы. Необходима обязательная изоляция, контактных областей (под вывод микросхемы и пр.) от токопроводящих элементов – проводников или отверстий переходного типа. Как результат – снижение трудоемкости/времени пайки.
При необходимости изоляции смежных контактных областей применяется метод вырезов (создание области непокрытой слоем паяльной маски). При этом размер вырезов должен быть больше на 100-150 мкм от общего размера контактной области. Расстояние от одного края паяльной маски до другого края контактной области должно находиться в пределах 50-75 мкм. Минимальная ширина перемычки – площадки между 2-мя соседними контактными областями – 75 мкм.
Процесс создания защитного слоя
Технология производства печатных плат в картинках
Двусторонние печатные платы
С технологическими особенностями и базовыми материалами двусторонних печатных плат на производстве Резонит вы можете ознакомиться по ссылке.
Исходный материал
Исходный материал – диэлектрическое основание, ламинированное с двух сторон медной фольгой
В качестве диэлектрика могут выступать: листы, изготовленные на основе стеклотканей, пропитанных связующим на основе эпоксидных смол — стеклотекстолит FR4, листы с керамическим наполнителем, армированные стекловолокном — Rogers 4000 series, листы фторопласта (PTFE) армированные—ArlonADseries. Наиболее распространенный ряд толщин медной фольги — 18, 35 мкм.
Сверление сквозных отверстий
На специализированных станках с ЧПУ в плате сверлятся отверстия. Это первая операция, влияющая на точность (класс) печатной платы. Точность сверления отверстий зависит от применяемого оборудования и инструмента. Значения позиционных допусков осей отверстий в диаметральном выражении (по ГОСТ Р 53429-2009) в миллиметрах:
| Размер большей стороны ПП | Позиционный допуск на расположение осей отверстий для класса точности | ||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |
| До 180 включительно | 0,20 | 0,15 | 0,08 | 0,05 | 0,05 | 0,03 | 0,03 |
| Свыше 180 до 360 включительно | 0,25 | 0,20 | 0,10 | 0,08 | 0,08 | 0,05 | 0,05 |
| Свыше 360 | 0,30 | 0,25 | 0,15 | 0,10 | 0,10 | 0,08 | 0,08 |
Химическое и предварительное гальваническое осаждение меди
Этот этап необходим для придания стенкам отверстий проводимости для последующей гальванической металлизации. Рыхлый слой химически осажденной меди быстро разрушается, поэтому его усиливают тонким слоем гальванической меди.
В процессе обработки на поверхности стеклотекстолита создаётся очень тонкий проводящий слой палладия.
Прямая металлизация с применением палладия обеспечивает наибольшую адгезию покрытия к стеклотекстолиту в сравнении с альтернативными процессами.
Поверх слоя палладия осаждается 5-ти микронный слой гальванической меди. Качество металлизации каждой заготовки контролируется оператором.
Нанесение фоторезиста
Следующий этап — нанесение на заготовку фоточувствительного материала (фоторезиста). Этот этап проходит в чистой комнате с неактиничным (желтым) освещением (фоторезист светочувствителен к ультрафиолетовому спектру). Фоторезист бывает пленочным (наносится на заготовку ламинированием) и жидким (наносится валиками).
Экспонирование фоторезиста
1 вариант: Экспонирование с негативными фотошаблонами
Совмещение заготовки с негативными фотошаблонами
С заготовкой совмещается фотошаблон. Круг, часть которого изображена — контактная площадка. Изображение на фотошаблоне — негативное по отношению к будущей схеме.
Участки поверхности, прозрачные на фотошаблоне, засвечиваются, фотополимеризуются и теряют способность к растворению в установке проявления. После экспонирования фотошаблоны удаляются.
2 вариант: Прямое экспонирование фоторезиста
Прямое экспонирование фоторезиста
Экспонирование фоторезиста происходит на установках прямого лазерного экспонирования без использования фотошаблонов. Источником излучения при этом может быть UV лазер или UV светодиодная матрица.
Проявление фоторезиста
Изображение на фоторезисте проявляется: не засвеченные участки растворяются, засвеченные — остаются на плате.
Гальваническое (электрохимическое) осаждение меди
Медь осаждается на поверхность стенок отверстий и все проводники. По ГОСТ 23752-79 толщина металлизации должна быть не менее: 20 мкм для ДПП, 25 мкм для МПП.
IPC-6012B устанавливает иные значения: Class 2- не менее 20 мкм для ДПП и МПП,Class 3- не менее 25 мкм для ДПП и МПП.
В связи с тем, что процесс осаждения меди идет параллельно в отверстиях и на поверхности проводников, получить толщину металлизации в отверстиях 30 мкм и более невозможно, применяя обычные фоторезисты.
Процесс покрытия контролируется компьютером для обеспечения требуемых параметров гальванических покрытий. После покрытия толщина осаждённой меди проверяется не разрушающим методом.
Гальваническое осаждение металлорезиста
Гальваническим осаждением меди создается необходимый по толщине слой металла в отверстиях печатной платы. В качестве металлорезиста могут выступать различные металлы и соединения, имеющие меньшую скорость травления по сравнению с медью. Осаждается металлорезист на открытые от фоторезиста участки — на проводники и в отверстия.
Удаление фоторезиста
После гальванического осаждения меди и защитного слоя олова заготовки передаются на травление. Перед травлением с заготовок снимается слой фоторезиста, обнажая базовый слой меди, который необходимо удалить. Топология печатной платы и металлизированные отверстия остаются под защитой гальванически осаждённого слоя олова.
Травление меди
Травление осуществляется в горизонтальной конвейерной машине. Медь, не защищённая оловом, стравливается. Таким образом формируется топология наружных слоёв печатной платы. Слой олова после травления снимается в установке для снятия.
Удаление металлорезиста
Металлорезист удаляется с поверхности меди в специальном растворе. Это начало процесса, называемого SMOBC (SolderMaskoverBareCopper — маска поверх необработанной меди). В других процессах, например, если нанесение защитной маски не осуществляется, оловянно-свинцовая смесь оплавляется для дальнейшего использования (лужение).
Нанесение защитной паяльной маски
Для защиты поверхности платы и медных участков, не подлежащих нанесению финишного покрытия, на плату наносится защитная паяльная маска. Наиболее широко распространена жидкая двухкомпонентная фоточувствительная паяльная маска.
Сухая пленочная паяльная маска обеспечивает хорошие результаты по тентированию переходных отверстий, наносится методом ламинирования, но в настоящее время используется редко, т.к. не подходит для печатных плат выше 3 класса точности. Жидкая паяльная маска наносится методом сеткографии через сетчатый трафарет, причем существует два варианта нанесения. 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 использованием метода трафаретной печати и последующим экспонированием через фотошаблон или прямым экспонированием. Перед нанесением маски поверхность меди очищается, затем развивается необходимая шероховатость для хорошей адгезии маски.
Жидкая маска продавливается ракелем через сетку на всю поверхность заготовки. Нанесенный слой подсушивается в печке до образования сухой поверхности. Для печатных плат с маской с двух сторон процесс повторяется. Подсушенные заготовки передаются на экспонирование.
Экспонирование защитной паяльной маски
1 вариант: Экспонирование с негативными фотошаблонами
С заготовкой совмещается фотошаблон. Круг, часть которого изображена — контактная площадка. Изображение на фотошаблоне — негативное по отношению к будущей схеме. Участки поверхности, прозрачные на фотошаблоне, засвечиваются, фотополимеризуются и теряют способность к растворению в растворе проявления. После экспонирования фотошаблоны удаляются.
2 вариант: Прямое экспонирование защитной паяльной маски
На установке прямого экспонирования маска засвечивается UVлазером или UVсветодиодной матрицей. Засвечиваемые участки полимеризуются и теряют способность к растворению в растворе проявления.
Проявление защитной паяльной маски
Незасвеченные участки маски смываются в линии проявления. Качество сформированных масочных слоев проверяется контролером. После контроля заготовки помещаются в печку для окончательной полимеризации.
Печать маркировочной краски
1 вариант: Печать маркировочной краски через сетчатый трафарет
Для идентификации монтируемых компонентов большинство изготавливаемых печатных плат имеют маркировку. Маркировка наносится после проявления маски.
Через сетчатый трафарет наносится маркировка контуров, позиционных номеров, типов и номиналов компонентов.
2 вариант: Струйная печать маркировочной краски
Для идентификации монтируемых компонентов большинство изготавливаемых печатных плат имеют маркировку. Маркировка наносится после проявления маски.
По аналогии с обычным струйным принтером изображение формируется капельками чернил отверждаемых ультрафиолетом.
Струйный метод является современным и эффективным способом нанесения маркировки.
Заготовки с напечатанной маркировкой передаются на контроль качества.
Нанесение финишного покрытия, вариант 1 HASL
На открытые от маски участки меди различными методами наносится финишное покрытие для обеспечения качественной пайки.
HASL (Hot Air Solder Leveling). Нанесение припоя путем окунания заготовки в расплавленный припой с последующим выравнивание горячим воздухом. Возможно применение (в разных установках) свинцового и бессвинцового (leadfree) припоя.
Нанесение финишного покрытия, вариант 2 Иммерсионное золото
На открытые от маски участки меди различными методами наносится финишное покрытие для обеспечения качественной пайки.
Нанесение иммерсионного золота по подслою никеля (процесс ENIG) осуществляется в многостадийном химическом процессе. IPC-4552 регламентирует толщину подслоя Ni 3-6 мкм, минимальную толщину Au 0,05 мкм (типовые значения 0,05-0,1 мкм).
Путь от схемы до устройства. Часть 6: паяльная маска и шелкография
Если попытаться визуально сравнить нашу плату из пятой части с любой заводской платой, то в глаза сразу бросится основное отличие: практически на всех заводских платах дорожки покрыты каким-то защитным слоем, снаружи остаются только контактные площадки. Этот слой может быть зеленым, красным, синим, а иногда даже черным или белым. Так что же это такое, и зачем оно нужно?
Это покрытие именуется паяльной маской, и призвано защитить дорожки от окислов, случайных замыканий и перегрева текстолита при монтаже элементов. В добавок к этому производить монтаж элементов на плате покрытой паяльной маской намного комфортнее: припой не растягивается по дорожкам. Если же детали запаиваются феном, то это тем более актуально. Да и выглядит плата с маской гораздо привлекательнее.
На данный момент радиолюбителю доступны три вида паяльной маски:
Однокомпонентная маска предлагаемая нашими маленькими китайскими друзьями на деле все же является ремонтной краской. Например, ей очень удобно замазать место восстановления дорожек. Нет, как маску ее тоже используют, в этом случае не нужна печь (а УФ лампы нужны в любом случае), но по прочности она все же проигрывает двухкомпонентной. Существует и настоящая однокомпонентная паяльная маска, но встречается она гораздо реже.
Пленочная маска очень похожа на фоторезист и по виду, и по принципу работы с ней. Да-да, из фоторезиста тоже можно сделать защитное покрытие, но на деле это лишь подобие, которое не обладает ни химической ни механической прочностью. Она так же довольно редко встречается, довольно дорого стоит, и главное, для полноценной работы необходим вакуумный ламинатор (для полноценного прилегания маски к поверхности платы).
Наиболее оптимальным по соотношению цена/качество является двухкомпонентная паяльная маска. Существует возможность приобрести ее на развес, что делает маску еще более доступной.
Магазины и продавцы, услугами которых я пользуюсь.
| Интернет-магазин «Все для печатных плат» | Здесь неоднократно приобреталась паяльная маска, трафаретная сетка (и клей для нее), ракельная резина, твердосплавные сверла. Здесь же приобретается фоторезист. К магазину нет никаких претензий, все упаковано отлично. |
| Максим (ник: smacorp) с сайта РадиоКот. | Отличный продавец, и просто приятный в общении человек. Здесь приобретается жидкое олово для химического лужения и паяльная маска. Все это отличного качества. Ссылка на тему форума. |
Да, нанесение паяльной маски делает процесс изготовления платы еще более трудоемким, затратным по времени и требует новых инструментов и материалов. Но ведь настоящий радиолюбитель и не должен стоять на месте, приобретение новых навыков и знаний, это всегда хорошо.
Как обычно, разделим процесс изготовления платы на этапы:
Сверление заготовки, нанесение фоторезиста, экспонирование, проявка, травление. Все эти этапы мы рассмотрели ранее. Возможно кого-то и удивит тот факт, что первым этапом идет сверление, обычно мы это делали почти в самом конце, но в данном случае отверстия сверлит станок ЧПУ, и порядок будет именно такой. О подготовке файлов для станка и изготовлении платы с его помощью мы еще поговорим, а пока воспримем это как данность.
На второй фотографии можно заметить, что рядом с шаблоном дорожек есть еще один шаблон (на самом деле он там не один). Это и есть шаблон для паяльной маски. По принципу работы с ней, маска мало чем отличается от фоторезиста. Это точно такой же светочувствительный материал, с небольшими отличиями: он состоит из двух компонентов и он жидкий.
Ситуация, когда при нанесении не хватило маски, очень удручающе действует на психику, а значит необходимо рассчитать ее количество. На деле тут все просто: на 1 квадратный дециметр платы (10*10 см) с запасом хватает 2 грамм маски. Конечно тут все зависит от консистенции и способа нанесения, я же говорю о ситуации, когда маска ни чем не разбавлена (достаточно густая), и наносится через специальную сетку при помощи ракеля. Да, совсем небольшой расход.
Нет ничего страшного в том, что композита на сотые доли грамма больше чем положено. Но если речь идет о ситуации когда чего-то больше, то очень желательно, чтобы это был именно композит а не отвердитель. Опять же, на сотые доли, не более того, пропорции нужно соблюдать. Далее очень тщательно перемешиваем маску, и оставляем на несколько минут. А пока подготовим сетку.
Нанесение паяльной маски. К нанесению маски можно предъявить два требования: слой должен быть тонким и обязательно равномерным. Можно конечно попытаться справиться и подручными средствами (тут обычно в ход идут валики для краски, шпатели для заделки швов и прочий садовый инвентарь), но все же единственно правильным способом будет являться нанесение через трафаретную сетку.
Для сетки в продаже можно найти специальные рамы, на которые эта сетка натягивается. В моем же случае это обычная профильная труба 18 мм. Клей для сетки специальный, приобретается там же где и сетка. О натяжке сетки можно почитать здесь. Стойки по углам сетки приподнимают ее над заготовкой на 3 мм.
Периметр заготовки проклеивается на сетке малярным скотчем. Подготовим сразу два окна: для маски и шелкографии. Ракельная резина тоже специальная, и приобретена там же где и сетка.
Подготовленная маска наносится равномерным слоем на одну из сторон платы. После чего одним уверенным движением протягивается вдоль заготовки ребром ракеля, расположенного под углом. Главное, не останавливаться при нанесении. Конечно здесь нужен опыт, и со временем результат будет только лучше. А для тренировки можно использовать зубную пасту, например.
Экспонирование паяльной маски. Отличается от фоторезиста лишь временем экспонирования, в остальном все точно так же. Маска негативная (как и фоторезист, полимеризуется то, что было засвечено), значит закрываем только контактные площадки. Далее экспонируем.
Проявка паяльной маски. Опять же, все как с фоторезистом. Даже раствор тот же, потому после проявки фоторезиста его не выливаем, а используем дальше. И даже после проявки маски он пригодится, им мы проявим шелкографию и отмоем сетку от маски. Хочу вот на что обратить внимание: если маска глянцевая, то при проявке этот глянец легко повредить, потому в идеале к поверхности платы вообще нельзя прикасаться. Впрочем, если все сделано правильно, то маска проявляется очень легко.
Нанесение шелкографии. В принципе, нанесение обозначений элементов на плате это не самая необходимая вещь. Если без паяльной маски в некоторых случаях совсем тоскливо, то обозначение элементов это просто удобство при сборке устройства. Так что нанесем и маркировку. Для этого используется та же самая маска, только выберем синий цвет.
У нас маркировка с обратной стороны, потому допустимо нанесение без сушки. Точно так же замешиваем синюю маску и наносим ее на обратную сторону платы.
Сушка шелкографии. В печь на 45 минут при температуре 75°С.
Экспонирование шелкографии. Нам нужно только обозначение элементов, а значит шаблон используем негативный.
Проявка шелкографии.
Окончательная сушка. Выполняется при температуре 145-155°С в течении 50-80 минут. При этой температуре маска обретает окончательную прочность.
Пока сушится плата можно отмыть сетку от маски. С этим легко справляется проявочный раствор кальцинированной соды и посудная губка.
Обрезка платы. Конечно вовсе не обязательно делать это при помощи станка, но раз уж он сверлил отверстия, то и по контуру пусть вырезает тоже он.
Лужение. Здесь так же есть одна особенность: после печи медь на контактных площадках окислена, и лудить ее не так просто. Но исправляется это очень легко, достаточно на минуту опустить плату в воду, в которую добавлена лимонная кислота. Мы же ее используем для травления, так что это не проблема. Достаточно пол чайной ложки на пол стакана воды, и медь станет чистой и блестящей.
