Валентин Терешкин, к. т. н.
Лилия Григорьева
Михаил Карпов, к. х. н.
Защитная паяльная маска является необходимым элементом конструкции печатной платы и выполняет следующие функции:
- позволяет получить защитный рисунок высокой плотности;
- представляет собой хорошую механическую, термическую и химическую защиту печатных плат;
- предотвращает образование паяльных перемычек или так называемых мостиков припоя между элементами рисунка и тем самым расширяет возможности получения рисунка высокой плотности на наружных слоях;
- служит изоляцией на поверхности монтажа компонентов;
- дает экономию припоя в процессе горячего облуживания;
- служит хорошей влагозащитой печатных плат;
- увеличивает срок службы плат.
В настоящее время в мировой практике широко применяются жидкие фотоформируемые защитные паяльные маски, которые наносятся на всю поверхность печатной платы с последующим формированием рисунка путем экспонирования через фотошаблон. Однако при использовании жидких паяльных масок технологи часто сталкиваются со значительными трудностями, которые, как правило, они объясняют неудовлетворительными свойствами маски и, как следствие, «не подходящим» материалом. Это относится не только к нанесению, но и последующему отверждению жидких паяльных масок. Причинами подобных трудностей, вероятно, становится неполное понимание как материала — маски, так и всего процесса формирования покрытия в целом.
В настоящей публикации изложена последовательность конкретных действий для получения покрытия на основе жидкой паяльной маски с заданными конечными свойствами на примере «ЭЛМА‐1401». Материал адресован специалистам в области изготовления печатных плат.
Защитная фотоформируемая паяльная маска«ЭЛМА‐1401», созданная в Санкт-Петербургском центре «ЭЛМА»,— новейшая российская разработка в этой области. Вместе с тем по всем параметрам маска «ЭЛМА‐1401» соответствует требованиям отечественных и мировых стандартов.
«ЭЛМА‐1401» — двухкомпонентный фоточувствительный полимерный материал, который после нанесения и отверждения формирует защитное покрытие на поверхности печатных плат (рис. 1). Это специально разработанный состав, включающий стабилизированную суспензию пигментов и наполнителей с размером частиц менее 5 мкм в растворе фоточувствительного крезолноволачного эпоксиакрилата.
- Подготовка поверхности ПП.
- Нанесение паяльной маски.
- Предварительная сушка.
- Фотоэкспонирование.
- Проявление.
- Термодубление.
Нарушения, допущенные в течение хотя бы одной из перечисленных стадий, могут вызвать неизбежное ухудшение свойств конечного покрытия паяльной маски и привести технолога к заключению, что материал «не подходит» — причем по причинам, не зависящим от качества и свойств маски. Хотелось бы отметить, что каждая из указанных стадий требует пристального внимания и тщательного соблюдения всех рекомендаций производителя.
Данный процесс обычно осуществляется механическим или химическим методом. Для печатных плат до 4‐го класса точности включительно возможно проведение как механической (зачистка на валках, пемзовая обработка), так и химической подготовки поверхности
Для плат более высокого класса точности рекомендуется выполнять химическую подготовку — в растворах модифицированного микротравления ММТ 1260, разработанного в ООО «СПбЦ «ЭЛМА». Технологический
процесс ММТ‐1260 предназначен для развития поверхности проводника и создания равномерного микрорельефа высокого порядка, имеет наилучшие показатели по силе получаемой адгезии для защитной маски «ЭЛМА‐1401» всех классов печатных плат.
Процесс подготовки поверхности включает несколько основных этапов:
- кислотная очистка;
- модифицированное микротравление;
- декапирование.
Следует отметить, что каждая стадия процесса сопровождается промывкой ПП проточной водой. Но особенно тщательно необходимо проводить промывку после последней стадии декапирования, так как остатки раствора замедляют сушку и в дальнейшем препятствуют адгезии маски. Далее рекомендуется высушить платы в сушильном шкафу при +(60…70) °C в течение 10–15 мин. Время хранения плат между операциями подготовки поверхности и нанесением защитной маски
не более 2–3 ч.
Нанесение паяльной маски
Операция начинается с подготовки маски —перемешивания компонента А и В в соотношении 4:1 (по весу).
Технические параметры «ЭЛМА‐1401»:
- Вязкость:
– компонент А — 20000 ±3000 мПа·с;
– компонент В — 3000 ±1000 мПа·с. - Готовая композиция (А+В) — 15 000 ±3000 мПа·с.
Перемешивание компонентов А и В выполняется в отдельной емкости вручную или при помощи автоматического перемешивающего устройства в течение 5–10 минут. В последнем случае необходимо следить, чтобы перемешивание осуществлялось на относительно небольших оборотах (не более 200 об./мин) и избыточный объем воздуха не поступал в смесь. После гомогенизации смесь выдерживают 10–20 мин для удаления пузырьков воздуха. Затем паяльная маска может наноситься
на поверхность печатных плат сеткографическим способом или струйно-факельным напылением.
При сеткографическом способе (рис. 2) «ЭЛМА‐1401» наносится с помощью ракеля на поверхность ПП через сетчатый трафарет. В зависимости от размера ячейки и режимов нанесения (угол, скорость перемещения, величина давления ракеля) можно изменять толщину паяльной маски в широком диапазоне 10–80 мкм.
Оптимальная толщина мокрого слоя маски составляет 60–65 мкм. Измерение его толщины выполняют специальной гребенкой, предназначенной для определения толщины неотвержденных лакокрасочных покрытий на плоских изделиях (рис. 3). Замеры необходимо делать в нескольких противоположных местах платы на поверхности диэлектрика. Расхождение в показаниях гребенки указывает на то, что оборудование для нанесения требует регулировки для получения большей
равномерности слоя.
Рекомендуемый размер ячеек полиэстеровой сетки: 37–55Т меш. Оптимальное сухое покрытие толщиной 25–35 мкм, как правило, достигается при использовании сетки 43Т. Рекомендуемый угол наклона ракеля составляет 22,5°, а натяжение сетки 20–25 Н/см. Ориентировочный расход маски при нанесении методом трафаретной печати при серийном производстве достигает 10 м2 /кг. Платы с нанесенной паяльной маской рекомендуется выдержать в горизонтальном положении в течение 10–15 мин для удаления пузырьков воздуха [1].
Струйно-факельное напыление возможно на установках «ЭЛМА ФПМ» и «Аргус» (рис. 4). На сегодняшний день этот метод является самым совершенным способом нанесения маски «ЭЛМА‐1401».
Метод характеризуется высокой производительностью, высоким качеством поверхности маски, одновременным нанесением двух сторон печатной платы и одновременной предварительной сушкой, что обеспечивает высокие физико-химические свойства маски.
Срок годности готового состава не менее 96 ч при температуре +(20 ±2) °C с момента смешения.
Такая стадия необходима для полного удаления органических растворителей из слоя нанесенной маски и формирования пленки, пригодной для применения фотошаблона при дальнейшем экспонировании. Сушка осуществляется в сушильной печи с принудительной конвекцией горячего воздуха не более 55–60 мин при температуре +(80 ±2) °C. Печь должна быть снабжена хорошей вентиляционной системой для удаления паров растворителя. При двустороннем покрытии одна сторона подсушивается 15–20 мин, а другая — 20–25 мин, в зависимости от толщины покрытия. Для достаточного потока воздуха нужно обеспечить зазор между платами 25–40 мм, градиент температур по всему объему печки должен быть в пределах ±2 °C. После сушки рекомендуется проэкспонировать и проявить все платы в течение 24 ч.
Платы сушат в вертикальном положении — только так можно обеспечить наиболее эффективное испарение растворителя с поверхности маски.
Это облучение определенных участков платы с нанесенной маской ультрафиолетовым светом. Для получения определенного рисунка маски под воздействием ультрафиолета применяется фотошаблон. На поверхности фотошаблона имеются затемненные участки, которые препятствуют проникновению УФ-лучей, оставляя на маске «незасвеченные» места.
Оптимальные режимы экспонирования:
- спектр: 310–420 нм (оптимальная длина волны примерно 365–385 нм);
- энергия экспонирования: 250–350 мДж/см2 (определяется люксметром под фотошаблоном);
- значение клина Штоуффера: 9–12 (рис. 5а).
Двадцатиодноступенчатый клин Штоуффера — это пленка с различными, закономерно возрастающими в определенном направлении почернениями, оптическая плотность возрастает от одного участка к другому на некоторую постоянную величину (рис. 5а). Оптический клин применяется в сенситометрии как модулятор экспозиций (рис. 5б).
Процесс заключается в обработке проэкспонированной паяльной маски водощелочным раствором. В процессе проявления «незасвеченные» участки маски растворяются в щелочной среде, образуя углубления или вырезы [2] до проводника или диэлектрика платы точно по форме затемненных участков фотошаблона. Четкая кромка краев маски в местах проявления выреза, как правило, указывает на хорошее разрешение паяльной маски, правильно подобранный режим экспонирования и проявления, а также плотное прилегание фотошаблона к поверхности маски при экспонировании (рис. 6).
Проявление выполняется на конвейерных установках при использовании струйного распыления в 1%-ном растворе Na2CО3 при температуре +(38…40) °C. Давление распыления 0,2 МПа (2–2,5 кг/см), время проявления 60–90 с. Далее поверхность платы отмывается деионизированной водой при +20 °C в течение 45 с. После проявления значение клина Штоуффера составляет 9–12 (рис. 5б).
В завершение плата дополнительно промывается чистой проточной водой, чтобы удалить остатки проявителя. Проявленные участки — контактные площадки, металлизированные отверстия — не должны содержать никаких следов маски или вуали. Если перечисленные дефекты все же присутствуют, это указывает на ошибки, допущенные на предыдущих стадиях.
В ходе данной стадии плата с проявленной маской выдерживается при температуре +(150 ±2) °С в течение 60 мин в сушильной печи с принудительной конвекцией горячего воздуха. В этот период в полимерном слое протекают химические реакции, определяющие конечные заданные свойства защитной паяльной маски. Материал приобретает необходимую адгезию к проводникам, электроизоляционные свойства, химическую стойкость и другие характеристики, перечисленные
в таблице. Время отверждения необходимо отсчитывать после достижения заданной температуры в конвекционном шкафу. Для равномерности отверждения защитной паяльной маски требуется обеспечить достаточный воздушный поток с постоянным градиентом температуры. Расстояние между печатными
платами при термодублении должно быть не менее 25–40 мм.
На рис. 7 представлен микрошлиф проводника с нанесенной защитной маской ГОСТ 23752.1, испытание 15 В, ГОСТ Р 54849-2011 (согласно § 3.4.1 стандарта IPC-SM‐840D), полученный из тест-платы, увеличенный фрагмент которой изображен на рис. 1.
Средняя толщина слоя маски по микрошлифу составляет около 30 мкм на диэлектрике и 12–13 мкм на проводнике, что полностью обеспечивает необходимые защитные свойства «ЭЛМА‐1401».
Печатные платы с маской «ЭЛМА‐1401» успешно прошли типовые испытания на нескольких российских предприятиях с участием представителя заказчика. На основании положительных результатов испытаний по ГОСТ Р 54849-2011 защитная паяльная маска «ЭЛМА‐1401» рекомендована к внедрению для печатных плат, включая аппаратуру спецпродукции.
Соответствие характеристик маски требованиям стандартов [3] приведены в таблице.
| Технические требования | §.IPC-SM-840D | ГОСТ Р 54849-2011 | Требования ГОСТ Р 54849-2011 | Полученный результат |
|---|---|---|---|---|
| Внешний вид | 3.3.1 | ГОСТ Р 54849-2011 | Однородность по цвету, не содержит инородных включений, трещин, отслоений | Соответствует |
| Степень отверждения | 3.2.5.1 | Оптимальная степень отверждения, обеспечивающая требуемые эксплуатационные свойства покрытий | Соответствует | |
| Требование соблюдения размеров | 3.4.1 | ГОСТ 23752.1, испытание 15 В, ГОСТ Р 51694-2000 | Соответствует стандарту. Толщина мокрого слоя 60–65 мкм; в сухом виде 27–35 мкм (рис. 7) |
|
| Стойкость к грибку и плесени | 3.2.6 | ГОСТ 23752.1, испытание 18 | Покрытие грибостойкое | Покрытие грибостойкое |
| Технологичность, обрабатываемость паяльной маски | 3.5.3 | Допускает механическую обработку: сверление, обрезку по контуру, фрезерование, перфорацию | Соответствует стандарту. Подвергается механической обработке |
|
| Адгезия к жестким печатным платам | 3.5.2.1 | ГОСТ 23752.1, испытание 13 А | Отслоений не обнаружено | Соответствует |
| Химическая стойкость к растворителям и очистителям | 3.6.1.1 | ГОСТ 23752.1, испытание 17 А | Выдерживает воздействие очистителей растворителей, флюсов без образования отслоений, трещин, набухания или постоянного разрушения поверхности | Соответствует |
| Испытания на твердость | 3.5.1 | ГОСТ Р 54586-2011 | Не остается царапин, рисок или штрихов от карандаша твердостью 9Н | Соответствует |
| Гидролитическая устойчивость | 3.6.2 | ГОСТ 23752.1, испытания 18 и 20 | Изменения покрытия отсутствуют | Соответствует стандарту |
| Способность ПП подвергаться пайке после нанесения маски (паяемость) | 3.7.1 | ГОСТ 23752.1, испытание 14А | На участках, предназначенных для пайки, не остается следов маски, которые отрицательно влияют на паяемость | Соответствует |
| Стойкость к свинцово-оловянному припою | 3.7.2 3.7.3 |
ГОСТ 23752.1, испытание 19 С | Отсутствие следов прилипания припоя | Соответствует |
| Диэлектрическая прочность | 3.8.1 | ГОСТ 23752.1, испытание 7А | Покрытие выдерживает или превышает минимальное значение пробивного напряжения в 500 Вт при толщине 25 мкм | Выдерживает |
| Сопротивление изоляции | 3.8.2 | ГОСТ 23752.1, испытание 6 А | Материал имеет минимальное сопротивление изоляции в 500 МОм до и после воздействия припоя | Соответствует |
| Тест на электрохимическую миграцию | 3.9.2 | ГОСТ 23752.1, испытание 6 | Не обнаружено заметных следов миграции металла, сопротивление изоляции должно соответствовать требованиям | Соответствует |
| Термический удар | 3.9.3 | ГОСТ 23752.1, испытание 19 С | После испытаний в расплавленном припое при +260 °С не обнаружено пузырей, трещин и отслоений | Соответствует |
- Материалы ООО «Санкт-Петербургского Центра «ЭЛМА»: ТУ 249900-158-20809146-2015 «Жидкая защитная паяльная маска «ЭЛМА 1401»; Технологическая инструкция по использованию жидкой защитной паяльной маски «ЭЛМА 1401»; Паспорт безопасности «ЭЛМА 1401».
- Бегер Е. Паяльная маска: особенности проектирования и изготовления // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2009. No 3.
- ГОСТ Р 54849-2011 «Маска паяльная защитная для печатных плат».