Многим производителям печатных плат хорошо знаком и уже применяется на предприятиях российский продукт — защитная паяльная маска «ЭЛМА-1401». Как известно, нанесение защитной паяльной маски может производиться различными методами, которые имеют свои достоинства и недостатки. Нами разработаны различные модификации защитной паяльной маски «ЭЛМА-1401» (рис. 1), в том числе учитывающие способы ее нанесения. Этому и посвящена предложенная статья.
Лилия Григорьева
Дмитрий Новиков
Известно, что абсолютное большинство выпускаемых сегодня печатных плат покрывается защитными паяльными масками. Это могут быть как сухие пленочные, так и жидкие фотоформируемые и нефотоформируемые (сеткографические) маски. Следует отметить, что паяльная маска — это конструкционный материал, который сохраняется на поверхности печатных плат в течение всего срока эксплуатации. Основные функции маски — защитные. Это защита печатных плат как от внешнего воздействия (механического, химического, термического), так и при нанесении финишных покрытий, облуживании и поверхностном монтаже.
Сегодня производство печатных плат постоянно стремится к повышению плотности токопроводящего рисунка (повышению класса точности). В то же время ограничения по разрешающей способности сухих пленочных масок не дают возможности получить плотный рисунок, соответствующий современным требованиям. При использовании сухих масок
может возникать неполное прилегание паяльной маски к участкам проводника — так называемый туннельный эффект,— что сказывается на надежности. Жидкие нефотоформируемые маски наносятся через сетчатый трафарет, следовательно в данном случае точность зависит от воспроизводимости печати и составляет порядка 200 мкм. Поэтому, учитывая все сказанное выше, переход на жидкие фоточувствительные маски был неизбежен. Разрешающая способность данных масок может составлять менее 50 мкм и в основном зависит от качества установки экспонирования.
Процесс формирования покрытия жидкой защитной паяльной маски включает следующие этапы:
• нанесение;
• сушка;
• экспонирование;
• проявление;
• окончательное термоотверждение.
Нанесение является первым этапом формирования паяльной маски, от которого во многом зависит качество получаемого покрытия.
На сегодня можно выделить три основных метода нанесения жидкой паяльной маски:
• сеткография с нанесением маски на всю поверхность и последующим формированием рисунка фотопечатью;
• струйно-факельное напыление;
• метод полива.
Сеткография
Самым распространенным методом нанесения фотоформируемых защитных паяльных масок все еще остается сеткография (рис. 2). Суть метода заключается в нанесении паяльной маски на поверхность печатной платы путем продавливания ее через сетку с помощью ракеля. Распространенности данного метода способствует ряд причин, основными из которых являются его относительная дешевизна и простота. К тому же многие предприятия оснащались сеткографическими станками еще до появления альтернативных средств нанесения, когда они использовались для нанесения рисунка гальваностойкой краской.
При сеткографическом нанесении маски качество (и толщина) получаемого покрытия зависит от множества факторов.
Параметры сетки
Основной характеристикой сетки является ее номер, то есть количество нитей на 1 см или 1 дюйм. Номер сетки характеризует размер ячейки (открытого пространства), через которую продавливается маска. Таким образом, чем выше номер, тем больше нитей на сантиметр, тем меньше ячейка, тем тоньше получается слой.
На большинстве сеток имеется маркировка, представленная на рис. 3.
В этой маркировке указываются основные характеристики сетки: материал, из которого она сделана, количество нитей на 1 см или 1 дюйм, толщина нити, цвет сетки и тип плетения.
• Материал. Сетки могут изготавливаться из шелка, нержавеющей стали, полиэфира или полиимида. Наибольшее распространение получили сетки из полиэфира и полиимида, поскольку они отличаются достаточной гибкостью и эластичностью для качественного переноса материала маски на поверхность ПП и стойкостью к воздействию растворителей.
• Количество нитей на см/на дюйм — самая важная характеристика, которая отвечает за размер ячейки, то есть за толщину наносимого слоя.
• Толщина нити — характеристика, влияющая на прочность и эластичность сетки, на уровень максимального натяжения, которого можно достичь. В меньшей степени влияет на величину ячейки.
• Цвет сетки. Сетки могут быть белого (W) и желтого цвета (Y).
• Тип плетения. Плетение может быть холщовым или саржевым.
Натяжение сетки
Следующей важной характеристикой сетки является величина ее натяжения. Недостаточное натяжение может вызывать прилипание платы к сетке, некачественный перенос материала маски. Могут возникать пузыри. Наоборот, перетянутая сетка склонна к быстрому износу. Для каждого номера сетки есть рекомендованное значение натяжения. Для самой распространенной сетки № 43 — это 20–25 Н/см. На рис. 4 представлен специальный прибор для определения натяжения — тензометр.
Следует также иметь в виду, что в процессе работы сетки растягиваются и натяжение проседает. Поэтому рекомендуется регулярно проверять значение натяжения и держать его равномерным по всей площади печати.
Параметры ракеля
Еще один важный элемент сеткографического станка — ракель. Его основные характеристики:
• материал и твердость;
• угол наклона;
• скорость движения ракеля.
Чаще всего ракели изготавливаются из полиуретана, поскольку этот материал достаточно стоек к истиранию и действию растворителей.
Твердость ракеля измеряется в дюрометрах по шкале Шора. Самые распространенные значения: 65, 75, 85. Производители ракельного полотна ввели цветовую идентификацию
ракелей:
• 65 — красный;
• 75 — зеленый;
• 85 — синий.
Мягкие ракели склонны к изгибу при печати, то есть при повышенном давлении печати угол печати становится меньше.Использование мягких ракелей позволяет
лучше (насколько это возможно) покрывать края проводников. Однако мягкие ракели быстрее изнашиваются.
Встречаются и комбинированные ракели, в которых сочетаются качества ракелей разной твердости.
Следует помнить, что в процессе работы ракель все-таки истирается и его профиль теряет прямоугольную форму, могут появляться дефекты, такие как зазубрины. Поэтому необходимо регулярно проверять качество ракеля и при необходимости его затачивать либо менять.
Один из основных параметров сеткографического станка — угол наклона ракеля. Этот параметр влияет на толщину получаемого покрытия. Чем меньше угол наклона
относительно горизонтали, тем толще слой. Оптимальный угол наклона ракеля составляет 20–30° относительно горизонтали.
Скорость движения ракеля очевидно влияет на производительность, однако при повышенной скорости часто в масочном покрытии возникают пузыри.
Печатный зазор
Это расстояние от сетки до поверхности ПП. Чем меньше печатный зазор, тем тоньше слой наносимой маски. Оптимальный зазор: 3–5 мм.
Давление печати
Это сила, с которой ракель давит на сетку. Чем выше давление печати, тем тоньше слой. Следует также отметить, что повышенное давление печати способствует ускоренному
износу как сетки, так и ракеля. Оптимальное давление печати: 1 кг на 100 мм длины ракеля.
Вязкость маски
Чем выше вязкость маски, тем толще слой. Вязкость регулируется специальным разбавителем.
Как видим, сеткографический метод нанесения не так уж прост. При работе с сеткографическим станком надо иметь в виду множество нюансов. Например, на качество получаемого покрытия влияет немало факторов (иногда взаимозависимых), таких как материал и параметры сетки, материал ракеля, его скорость, угол наклона, и многое другое. То есть
под каждую отдельную задачу (изменение типоразмера платы, высоты проводников) при сохранении заданного качества и толщины масочного слоя необходимо подбирать свою
сетку, изменять параметры ракеля и печатный зазор. А это может отнимать достаточно времени и сил. Немаловажную роль играет квалификация и опыт оператора, то есть человеческий фактор.
Но самое главное, что сеткографический метод не всегда дает возможность получать качественное, воспроизводимое, в том числе и по толщине, покрытие. Часто могут возникать пузыри, кратеры, инородные включения. Появляются трудности при необходимости покрывать платы высокого класса точности с высокими, тонкими, отдельно стоящими проводниками. В таком случае слой маски на краю проводника часто получается очень тонким и не выдерживает испытания на пробой.
Можно отметить и то, что между элементами плотного рисунка часто возникают непрокрытия, из-за чего требуется делать по три-четыре
прохода ракеля. Могут возникать трудности при вымывании маски из монтажных отверстий, так как большое количество маски принудительно заталкивается в отверстие ракелем.
При сеткографическом нанесении сложно получить прогнозируемую, заданную толщину, особенно это касается толстых слоев, поскольку
на них влияет много параметров.
Сеткографический метод характеризуется различным временем сушки для обеих сторон печатной платы, так как маска наносится сначала на одну сторону, а на вторую — только
после сушки первой стороны. Следствием этого может быть различное качество масочного покрытия на разных сторонах.
Некоторых из перечисленных недостатков можно избежать, используя современные установки, контролирующие и точно поддерживающие параметры нанесения, или установки
одновременного нанесения маски на обе стороны. Однако подобные установки будут уже совсем недешевыми, то есть метод лишится одного из своих главных преимуществ.
Таким образом, можно сказать, что для современного производства, изготавливающего печатные платы 5-го класса точности и выше,метод сеткографического нанесения становится менее применимым.
Не следует забывать и о методе полива, но он предполагает сугубо массовое нанесение, ведь для заправки таких установок требуется минимум 10 кг маски. При этом нанесение остается односторонним и сохраняется ограничение по классу точности и высоте проводников. Ввиду того что маска очень жидкая, с тонких высоких проводников она может стекать, оголяя края.
Резюмируя вышесказанное, можно сказать, что вполне логичным становится поиск альтернативного, более современного метода нанесения, который позволял бы качественно
покрывать платы сложной топологии. Такой альтернативой становится метод струйно-факельного напыления.
Струйно-факельное напыление
Струйно-факельное напыление является самым совершенным на сегодня методом нанесения жидкой маски на ПП.
Метод струйно-факельного напыления заключается в следующем. Маска соответствующей вязкости подается под давлением в форсунку и, проходя через сопло, разбивается в аэрозоль струями направленного сжатого воздуха. Для получения мелкодисперсного аэрозоля, который создает качественное покрытие, маска должна быть разбавлена до соответствующей вязкости. Маска имеет вязкость меньшую, чем при сеткографическом нанесении, но большую, чем при поливе.
Основные преимущества метода:
• возможность покрывать платы любой топологии и сложности;
• равномерное качественное покрытие по всей площади платы;
• надежная герметизация всех проводников, отсутствие непрокрытий между близкорасположенными параллельными проводниками;
• простота при переходе на другой типоразмер плат;
• возможность получать слой маски заданной прогнозируемой толщины 10–200 мкм;
• отсутствие таких дефектов, как кратеры, пузыри, сорность (маска попадает прямо на плату, минуя ракель и сетку);
• высокий уровень автоматизации, исключается человеческий фактор, есть возможность интеграции в общий техпроцесс;
• высокая производительность, струйно-факельное напыление можно применять как для массового, так и для мелкосерийного производства.
Используя накопленный опыт, специалисты СПбЦ «ЭЛМА» разработали специальную жидкую защитную паяльную маску «ЭЛМА-1401» для струйно-факельного напыления. Ее основное отличие — это особые тиксотпропные свойства, что выражается в способности маски после напыления не образовывать подтеков на поверхности платы, находящейся в вертикальном положении, даже после формирования слоя маски толщиной более 100 мкм.
Это предоставило возможность не только выдерживать платы вертикально сразу после нанесения, но и увеличить равномерность толщины маски на проводниках и диэлектрике.
Первоначально данная маска была опробована на имеющихся у наших заказчиков установках струйно-факельного напыления иностранного производства, таких как Argus и Ecospray.
В результате была подтверждена пригодность маски для струйно-факельного нанесения, а все качественные характеристики соответствовали необходимым требованиям. Паяльная маска
однородно покрывала всю поверхность платы, а проводники высотой больше 80 мкм были надежно герметизированы, без утоньшения на краях (рис. 5). При этом профиль маски повторяет рельеф платы с проводниками.
Изучив весь полученный опыт, конструкторы компании СПбЦ «ЭЛМА» разработали собственную установку струйно-факельного напыления паяльной маски «ЭЛ-ПМ» (рис. 6). Общий вид установки представлен на рис. 7. Она состоит из следующих основных частей (модулей):
• зона нанесения с форсункой;
• бак высокого давления с маской;
• конвейерная система;
• переворотчик.
• система управления с сенсорным дисплеем;
• зона нанесения включает в себя форсунку с системой нагрева, принудительную вытяжную вентиляцию и систему фильтров. Основной элемент установки — форсунка.
Она снабжена системой подогрева жидкой паяльной маски и распыляющего воздуха. Это сделано для того, чтобы уменьшить ее вязкость при распылении. Долетая до платы, паяльная маска набирает вязкость и надежно герметизирует проводники, не стекая с их краев. Применяя систему нагрева, мы можем использовать меньшее количество разбавителя (20% вместо традиционных 30–40%). А меньшее количество разбавителя означает сокращение риска возникновения подтеков, меньший аэрозоль, меньше запахов и лучшую пожаробезопасность.
На рис. 8 изображена форсунка в разрезе. Красным цветом обозначена емкость, куда подается маска перед распылением. Голубым цветом — канал сжатого воздуха, который обеспечивает разбиение потока маски в аэрозоль. Фиолетовым цветом — канал сжатого воздуха, который формирует так называемый факел распыления. По центру форсунки проходит игла, закрывающая вход в сопло.
Напыление происходит следующим образом. В бак с паяльной маской поступает избыточное давление, под действием которого маска по системе шлангов подается на форсунку (красный
резервуар), в котором нагревается до заданной температуры (рис. 7). В момент распыления игла поднимается вверх, маска выходит через сопло и разбивается в аэрозоль сжатым воздухом из двух каналов. Конструкция резервуара высокого давления позволяет использовать сколь угодно малые объемы маски. Следующая часть установки — конвейерная система с переворотчиком. Позволяет выставлять шаг нанесения, на который сдвигается плата после каждого прохода форсунки с прецизионной точностью, что в свою очередь гарантирует постоянство режимов нанесения.
Конвейерная система снабжена датчиками, которые распознают наличие платы и автоматически запускают процесс нанесения. Датчики также считывают размер платы, чтобы нанесение закончилось в момент выхода платы из зоны нанесения. Наличие переворотчика позволяет наносить маску сразу на две стороны платы за один цикл нанесения. Также конвейерная система позволяет выбрать один из нескольких алгоритмов выгрузки платы: в зону загрузки или выгрузки, с переворотом или без, одностороннее или двустороннее нанесение. Например, если установка напыления встроена в общую систему с конвейерной сушкой, то ставится направление выгрузки «вперед». Если нанесение происходит по одной плате, то удобнее выставить направление «назад», то есть в то же место, где происходила загрузка печатной платы.
Все параметры нанесения задаются с помощью сенсорного дисплея. Система управления имеет дружелюбный интерфейс, позволяет сохранять несколько программ для разных
масок или толщин. На рис. 9 представлено основное меню оператора, в котором задаются все параметры нанесения: давление подачи маски, давление распыляющего воздуха, шаг конвейера, скорость движения форсунки, направление выгрузки, режим нанесения (одностороннее или двустороннее).
Подготовка к нанесению
Перейдем к подготовке к нанесению паяльной маски. Она состоит из двух частей: подготовка установки и подготовка маски:
• одготовка паяльной маски включает смешение компонентов, разбавление, перемешивание и измерение вязкости;
• подготовка установки предусматривает ввод режимов нанесения (или загрузка из сохраненных рецептов), тест пятна и тест расхода.
Тесты пятна и расхода проводятся при смене маски или партии маски и занимают, как правило, несколько минут.
Тест пятна — это пробное напыление в течение 3–5 с при неподвижной форсунке. Он проводится для того, чтобы определить, качественное ли распыление, правильные ли размеры факела (то есть правильно ли настроена подача маски). Оптимальный размер факела показан на рис. 10 и представляет собой овал длиной 60–80 мм. Если по какой-то причине факел выглядит не так: скошен, имеет вид восьмерки, возникают подтеки маски, то необходимо отрегулировать либо подачу воздуха, либо подачу маски (рис. 11).
Тест расхода проводится для определения количества маски, подающейся на форсунку за единицу времени. Оптимальный расход — 2,5 г/5 с.
Нанесение
Установка ЭЛ-ПМ позволяет легко менять толщину наносимой паяльной маски.
На толщину покрытия влияет:
• давление в баке с паяльной маской: чем большее давление подается в бак, тем больше маски выдавливается на форсунку;
• шаг конвейера;
• скорость поперечного движения форсунки.
Толщина изменяется легко. Например, если нужно увеличить толщину маски на 20%, можно уменьшить скорость форсунки на 20% или шаг конвейера.
Следует обратить внимание, однако, что для наиболее качественного результата рекомендуется выставлять скоростные характеристики таким образом, чтобы количество проходов
на одну точку платы было не менее четырех (лучше нанести несколько тонких слоев). Для проверки режимов нанесения и поддержания параметров необходимо регулярно проверять толщину наносимой маски. Это касается не только струйно-факельного нанесения, но и других методов.
Существует экспресс-метод определения «мокрого» слоя маски. Это метод измерения толщины с помощью толщиномера-гребенки Он выполняется сразу после нанесения.
Толщиномер-гребенка представляет собой пластину с зубцами разной длины. Есть два направляющих зубца, которые упираются в основание платы, и несколько измерительных зубцов, отстоящих от плоскости этих направляющих на соответствующее расстояние.
Для измерения толщины гребенку прислоняют перпендикулярно к плате с нанесенной паяльной маской, затем извлекают и осматривают (рис. 12). На рис. 13 зубец 50 мкм коснулся слоя маски, а зубец 60 — нет. Таким образом, толщина мокрого слоя маски в данном случае составляет 50–60 мкм. Следует учитывать, что после сушки толщина паяльной маски уменьшается примерно в 1,5 раза.
Для получения качественного воспроизводимого результата необходимо выполнять следующие условия:
• Поддерживать постоянство режимов нанесения: температура, давление. Регулярно производить тесты пятна и расхода.
• Использовать специальную маску для струйно-факельного нанесения. Как правило, сеткографические маски не подходят для струйно-факельного нанесения, поскольку при таком разбавлении, которое необходимо для напыления, они стекают с проводников.
• Поддерживать постоянной вязкость композиции.
Измерение вязкости
При струйно-факельном напылении эту процедуру следует выполнять при каждом приготовлении композиции, так как для получения качественного распыления необходимо разбавлять маску до рекомендованных значений.
Есть два основных метода определения вязкости:
• с помощью вискозиметра ВЗ-246 (рис. 14). Метод основан на измерении времени истечения определенного объема материала через отверстие фиксированного диаметра. Оптимальное время истечения: 70–80 с через отверстие 6 мм;
• с помощью ротационного вискозиметра Брукфильда (рис. 15). Это более сложный, но точный метод. В данном случае шпиндель вискозиметра опускается в испытуемый материал и запускается вращение. По усилию, которое испытывает шпиндель при вращении, вискозиметр выдает значение динамической вязкости. Оптимальное значение 1000–1500 cPs.
Следует иметь в виду, что вязкость маски существенно зависит от температуры, как видно из графика на рис. 16. Поэтому перед измерением необходимо довести температуру паяльной маски и вискозиметра до требуемой величины и поддерживать ее постоянство.
Заключение
Выбор метода нанесения жидкой защитной паяльной маски на отдельно взятом производстве может зависеть от различных причин: производительность, техническая оснащенность, номенклатура выпускаемых изделий и т. д. Несмотря на свои преимущества, сеткографический метод нанесения уходит в прошлое. В то же время всё повышающиеся требования к миниатюризации изделий, к увеличению класса точности печатных плат приводят к необходимости использования более совершенного метода нанесения. На данный момент таким методом является струйнофакельное напыление.
Литература
1. Терешкин В . А., Григорьева Л . Н . , Карпов М.В. Защитная фотоформируемая паяльная маска «ЭЛМА-1401». Результаты и опты эксплуатации // Технологии в электронной промышленности. 2017. № 3.
2. Смертина Т. Технология нанесения и обработки жидких защитных паяльных масок // Технологии в электронной промышленности. 2005. № 6.
3. Однодворцев М. Технология струйнофакельного напыления масочного слоя на примере установки Argus PC 9524 в сравнении с другими методами нанесения жидкой паяльной маски для высокотехнологичных печатных плат // Технологии в электронной промышленности. 2005. № 3.