Ak zvažujete výrobu dosky plošného spoja, mali by ste uvažovať aj o tom, aby vo vašom zariadení vydržala čo najdlhšie v bezporuchovej prevádzke. Preto jedným z najlepších spôsobov, ako maximalizovať ochranu povrchu dosky pre dosiahnutie  jej maximálnej životnosti, je použitie spájkovacej masky.

Dosky s plošnými spojmi obsahujú medené cesty na vedenie elektrického prúdu a vytvárajú vodivé spojenia medzi jednotlivými komponentami, ktoré môžu časom oxidovať alebo aj skratovať, ak zostanú bez náležitej ochrany. Najjednoduchším a aj najefektívnejším spôsobom ochrany dosky plošného spoja je preto spájkovacia maska, ktorá po nanesení vytvorí tenkú vrstvu, ktorá pokrýva a chráni všetky elektrické vedenia a spájkovacie body.

V tomto článku si preto povieme všetko a pomerne podrobne, čo potrebujete vedieť o tejto ochrannej vrstve dosky plošného spoja.

Spájkovacia maska vs. spájkovacia pasta

Spájkovacia maska je tenká vrstva nanesená na medené stopy dosky s plošnými spojmi a na jej laminátový substrát, ktorá tvorí pevný a neoddeliteľný povlak podobný laku. Je vytvorená z polyméru na báze epoxidu, ktorý chráni elektrické vedenia pred oxidáciou a zabraňuje vzniku spájkovacích mostíkov medzi blízko umiestnenými spájkovacími bodmi.

Spájkovacej paste sme sa podrobnejšie venovali už v inom článku, takže si ju spomenieme iba pre zaujímavosť. Na rozdiel od spájkovacej masky je spájkovacia pasta  krémová zmes obsahujúca malé spájkovacie guľôčky cínu a iných kovov, ktoré sú namiešané v spájkovacom tavidle. Pasta pomáha vodivo pripojiť elektronické komponenty určené na povrchovú montáž k doske plošného spoja, pretože po jej zahriatí vytvára mechanické väzby medzi spájkovacím bodom a vývodom komponentu.

Farby spájkovacích masiek

Spájkovacia maska určuje finálny vzhľad dosky plošných spojov. Klasická zelená farba je asi najbežnejšia, pretože má niektoré vlastnosti lepšie ako ostatné. Znižuje namáhanie očí počas kontroly a je zároveň veľmi lacná na výrobu.  Spoločnosť PCBWay napríklad ponúka vo svojom portfóliu tieto farby : zelená, červená, žltá, modrá, biela, čierna, fialová, matná čierna a matná zelená a čoskoro ako novinku zavedie ružovú, oranžovú a priesvitnú farbu spájkovacej masky. Takže fantázii a personifikácii sa medze nekladú.

Aktuálna ponuka farieb spájkovacej masky od spoločnosti PCBWay

Materiál spájkovacej masky

Materiál spájkovacej masky použitý na doske závisí od jej použitia, fyzických rozmerov, komponentov a veľkosti otvorov v nej. Na väčšinu dosiek sa preto používa tekutý epoxidový materiál, ktorý je výhodný najmä vďaka nízkym nákladom a extrémne dobrej tepelnej odolnosti pri ďalšom spájkovaní.

Typy spájkovacích masiek

Existujú štyri hlavné typy rozdelené podľa použitia spájkovacích masiek.

Horná a dolná spájkovcia maska

Horná a dolná spájkovacia maska umožňuje prekryť medzivrstvové prechody pomocou spájkovacej masky. Na vytvorenie masky sa používajú použijú epoxidové, filmové alebo atramentové techniky. ďalším technologickým krokom je spájkovanie vývodov komponentov cez identifikované otvory. Vzory vodivých stôp na hornej strane dosky tvoria horné stopy a nanesená vrstva sa nazýva horná maska. Podobná vrstva určuje otvory na spodnej strane dosky a tvorí spodnú  masku.

Epoxidové tekuté spájkovacie masky

Epoxidová tekutá maska je najlacnejším typom spájkovacej masky. Je to polymér vytlačený na povrch dosky plošného spoja. Tento typ sa nanáša za pomoci sieťovej ľablóny, ktorá má preddefinované vzory v závislosti od návrhu. Táto technika umožňuje nanesenie atramentu do špecifických bodov na vytvorenie vzoru. Tepelné vytvrdzovanie je posledným krokom procesu a pomáha zastabilizovať novú vrstvu.

Tekutá spájkovacia maska (LPI)

Tekutá spájkovacia maska kombinuje dve rôzne kvapaliny, ktoré sa zmiešajú v stanovenom pomere tesne pred ich aplikáciou tak, aby sa maximalizovala trvanlivosť výsledného zloženia farby. Technici môžu atrament na povrch panelu nanášať pomocou sieťotlače, alebo striekaním, po čom si doska už nebude vyžadovať žiadnu ďalšiu povrchovú úpravu. Na rozdiel od epoxidovej kvapaliny je však LPI kvapalina citlivá na UV žiarenie, takže po krátkom cykle vytvrdzovania sa doska exponuje UV žiarením pomocou fotolitografického procesu alebo UV lasera.

Pred začatím procesu sa musia dosky dôkladne vyčistiť a sledovať, či sa na nich nevyskytujú známky oxidácie, ktoré sa odstránia pomocou roztoku oxidu hlinitého alebo suspendovanej pemzy. Jedna z techník využíva kontaktné tlačiarne a fóliové šablóny a vystavenie dosky UV žiareniu. Proces sa začína tlačou fotocitlivej emulzie na horný a spodný list, aby sa ochránili oblasti, na ktorách nesmie byť spákovacia maska. Potom sa film a pripravené dosky plošných spojov  upevnia do podtlakového rámu, po čom nasleduje expozícia UV svetlom. Takéto masky sú k dispozícii vo viacerých farbách vrátane čiernej, žltej, bielej, červenej, zelenej a modrej. Ďoska sa následne opláchne v chemickej vývojke, čím sa zároveň neutralizuje a stabilizuje.

Suché UV spájkovacie masky

Suchá filmová UV spájkovacia maska vyžaduje na svoju aplikáciu vákuovú lamináciu, po ktorej sa nanesený film exponuje a vyvolá. Po vyvolaní sa identifikujú otvory a vytvorí sa vzor na spájkovanie komponentov na medené spájkovacie body. Elektrochemické spracovanie dosky plošného spoja pomáha vrstviť meď v otvoroch a stopových oblastiach, potom nanesenie vrstvy cínu chráni jednotlivé medené cesty. Nasleduje odstránenie suchého filmu, po ktorom nasleduje leptanie odkrytej medi a tepelné vytvrdzovanie. Tento typ je ideálny pre dosky s vysokou hustotou zapojenia, pretože nezaplavuje prechodné otvory (to, čo sú prechody, respektíve prechodové otvory sa dozviete nižšie).

Usmernenia pre návrh spájkovacej masky

Tu je niekoľko doporučení, ktoré sa týkajú návrhu spájkovacej masky.

Prekrytia prechodov "vias"

Prechody, alebo aj hovorovo označované ako "prekovy", alebo "vias" sa používajú na vodivé prepojenie jednotlivých medených stôp v rôznych vrstvách viacvrstvovej dosky plošných spojov. Existujú rôzne typy prechodov a vŕtanie otvorov na PCB vytvára všetky z nich. Nikdy nenájdete žiaden vývod kompomemtu prechádzajúci otvorom prechodu. Prechod je v podstate otvor pokrytý spájkovacou maskou, aby sa zabránilo jeho odhaleniu. Na rozdiel od výplne má však prechod zakryté len konce na anulárnom krúžku, takže je tu dutina. Prechod môže byť zakrytý maskou alebo ponechaný odkrytý - zakrytie prechodu maskou znamená, že na zakrytie prechodu cez otvor v tvare stanu bola použitá spájkovacia maska. Predtým mali výrobcovia problémy s prekrývaním prechodov, pretože používali tekuté (LPI) spájkovacie masky. Ale po zavedení suchej filmovej spájkovacej masky sa tento proces stal oveľa jednoduchším a aj efektívnejším. Najbežnejšie používané prekrytia medzivrstvových prechodov sú vyobrazené nižšie.

Prekrytie medzivrstvového prechodu za pomoci spájkovacej masky s vnútornou dutinou.

Prekrytie medzivrstvového prechodu za pomoci spájkovacej masky s vyplnenou vnútornou dutinou.

Medzivrstvový prechod bez prekrytia spájkovacej masky s odhalenou vnútornou dutinou.

Medzivrstvový prechod s jednostranným prekrytím spájkovacou maskou a s vnútornou dutinou vyplnenou epoxidom.

Medzivrstvový prechod s jednostranným čiastočným prekrytím spájkovacej masky s odhalenou vnútornou dutinou

Medzivrstvové prechody na doske obojstranného plošného spoja čiastočne, alebo úplne prekrytých spájkovacou maskou.

Účelom takéhoto prekrývania je:

• Zakrytie a o ochrana čo najviac vodivých prechodov, aby sa znížila pravdepodobnosť kontaminácie spájkou, alebo inými nečistotami počas montáže
• Minimalizujte pravdepodobnosť poškodenia medzivrstvových prechodov v prevádzkovom prostredí
• Zníženie pravdepodobnosti migrácie spájkovacej pasty na štandardných BGA vzoroch

Prekrytie pomocou spájkovacej masky je najpreferovanejšou možnosťou ochrany prechodov na doskách plošných spojov vzhľadom na jej nízke náklady. Keďže sú rôzne metódy jej nanesenia, najobľúbenejšia je spájkovacia maska LPI (Liquid Photoimageable), pretože je najlacnejšia.

• Tolerancia spájkovacej masky - Priestor medzi maskou a komponentmi dosky plošných spojov je vôľa spájkovacej masky. Môžeme ju definovať aj ako toleranciu, aby sme určili, ako blízko by mali byť obe vrstvy k sebe. Účelom tejto tolerancie je zabezpečiť dostatočný odstup od komponentov tak, aby maska mohla efektívne zabrániť tvorbe spájkovacieho mostíka. Vo väčšine prípadov by mala byť tolerancia spájkovacej masky polovica šírky rozstupu vodičov, napríklad 50 µm a pre vodivé vrstvy so šírkou 100 µm.
• Podložky - spájkovacie body - Podložka, alebo spájkovací bod je definovaný spájkovacou maskou a má menší otvor v maske ako medená podložka. Pri procese návrhu spájkovacej masky sa musia zohľadniť tolerancie montáže, aby sa zabezpečilo, že tolerancia masky bude vždy o niečo väčššia ako spájkovacia samotná spákovcie podložka.
• Otvor v spájkovacej maske - Ako už názov napovedá, otvor spájkovacej masky je otvor ochrannej vrstvy vystavujúci medené stopy na spájkovanie cínom. Otvor musí byť na presnom mieste, aby sa zabránilo zbytočnému vystaveniu medi, ktoré by mohlo viesť k poškodeniu, korózii alebo skratu. Väčšina výrobcov ponecháva otvor s medenou podložkou v pomere 1:1, aby sa v prípade potreby mohol ľahko zmeniť príslušný výrobný proces.
• Pokrytie alebo rozšírenie spájkovacej masky - Pokrytie alebo rozšírenie spájkovacej masky je špecifikácia, ktorá umožňuje nastaviť medzeru medzi spájkovacou maskou a komponentami pomocou návrhového softvéru. Môže byť nulová, kladná alebo záporná.
• Rozšírenie nulovej spájkovacej masky - Nulová expanzia znamená, že medzi podložkou a spájkovacou maskou nie je žiadny priestor.
• Rozšírenie pozitívnej spájkovacej masky - Ak je medzi vonkajším nekrytým obvodom podložky a koncom spájkovacej masky medzera, definuje pozitívne rozšírenie.
• Rozšírenie zápornej spájkovacej masky - Negatívne rozšírenie znamená, že spájkovacia maska prekrýva časť podložky.

Normy IPC pre spájkovacie masky

Podľa výkonnostnej a kvalifikačnej špecifikácie IPC-SM-840 (Qualification and Performance Specification of Permanent Solder Mask and Flexible Cover Materials) pre trvalé spájkovacie masky a pružné krycie materiály patrí použitie spájkovacej masky do týchto kategórií. Táto špecifikácia v sebe odkazuje na rôzne typy použitia - T, FT, H, a FH

• Telekomunikácie "T" - do tejto kategórie patria počítače, telefóny a telekomunikačné zariadenia. Prekrytia a spájkovacie masky používané v týchto zariadeniach sú ideálne pre vysoko výkonné komerčné a priemyselné aplikácie. Prípadná porucha však nevedie k ohrozeniu života.
• Vojenská / vysoká spoľahlivosť "FT" - Zariadenia a vybavenie, ktoré patria do tejto kategórie, sú kritické a prerušenie prevádzky môže viesť k ohrozeniu života. Preto majú tieto zariadenia odolné prekrytia a spájkovacie masky, aby vydržali životne dôležité a náročné aplikácie.
• Aplikácie pružných dosiek plošných spojov (telekomunikácie) "H" - podobná aplikácia ako vyššie opísané telekomunikačné zariadenia, ale spájkovacie masky sa používajú pre pružné dosky.
• Aplikácie pružných dosiek plošných spojov (vojenské / vysoko spoľahlivé) "FH" - Táto norma sa vzťahuje na spájkovaciu masku používanú v pružných doskách, ktoré sa nachádzajú v kritických vojenských zariadeniach a prístrojoch.

Dôvody aplikácie spájkovacej masky

• Ochrana PCB pred oxidáciou a koróziou
• Zabraňuje skratom spôsobeným spájkovacími mostíkmi tým, že pôsobí ako bariéra alebo izolácia
• Chráni PCB pred kontaminantmi
• Predlžuje trvanlivosť dosky plošných spojov
• Znižuje množstvo spájkovacej pasty potrebnej na spájkovanie
• Zabraňuje vzniku kovových metličiek, ktoré môžu spôsobiť poruchy alebo skraty
• Zvyšuje prierazné napätie dielektrického materiálu

Ako sa nanáša spájkovacia maska?

Ako ochranná vrstva sa vrstva spájkovacej masky pokrýva na stopách a substrátoch, ktoré sa nemusia spájkovať, aby sa zabránilo skratom počas spájkovania. Zároveň slúži na zabezpečenie trvalého elektrického prostredia s ochrannou vrstvou, ktorá je chemicky odolná. Kvalita potlače spájkovacej masky priamo ovplyvňuje kvalitu vzhľadu PCB. Na videu nižšie môžte vidieť strojové nanášanie spájkovacej masky priamo u spoločnosti PCBWay.

Nasledujúce kroky opisujú proces nanášania spájkovacej masky na PCB.

• Čistenie dosiek - Čistením sa odstránia všetky nežiadúce nečistoty a kontaminanty a potom sa povrch vysuší.
• Atramentový náter spájkovacej masky - Hrúbku náteru určujú faktory, ako sú požiadavky na spoľahlivosť dosky plošného spoja a oblasť použitia. Proces nanášania povlaku prebieha na vertikálnom nanášacom zariadení a hrúbka sa môže líšiť na rôznych častiach dosky plošných spojov, napríklad na fóliách, substráte a stopách. Hrúbka závisí aj od možností výrobcu a zariadenia použitého v procese.
• Predbežné vytvrdzovanie - Predbežné vytvrdzovanie spôsobí, že vrstva spájkovacej masky je relatívne pevná, čo umožňuje odstránenie nežiaducej vrstvy masky. Táto nežiaduca vrstva sa z dosky ľahko odstráni vo fáze vyvolávania.
• Expozícia UV žiarením a vytvrdzovanie - Výrobcovia zvyčajne používajú na vizualizáciu oblasti spájkovacej masky laserový fotografický film. Po nanesení spájkovacej masky v podobe farby a zaschnutí lepidla sa film zarovná voči panelu a potom sa vystaví UV svetlu. Nepriehľadná oblasť spájkovacích masiek prepúšťa UV svetlo, ktoré vytvrdzuje (polymerizuje) farbu pod ňou. Ak používate laserové priame zobrazovanie (LDI), nepotrebujete fotografické fólie, pretože UV svetlo vytvrdí oblasti, ktoré si zachovávajú spájkovací atrament priamo.
• Vyvolávanie - Tento proces zahŕňa ponorenie dosky plošných spojov do chemickej vývojky, aby sa odstránili všetky nežiaduce spájkovacie masky a zároveň sa zabezpečilo, že otvory vystavia medenú fóliu v požadovaných oblastiach.
• Záverečné vytvrdzovanie a čistenie - Posledným krokom je vytvrdzovanie a čistenie. Záverečné vytvrdzovanie je veľmi dôležité, pretože vďaka nemu je po montáži na povrch panela viditeľná farba spájkovacej masky. Potom doska pokrytá spájkovacou maskou prejde procesom čistenia pred nanesením ďalšej povrchovej úpravy.

Spájkovacia maska pomocou atramentovej tlače

Pri výrobe dosiek s plošnými spojmi sa na odtlačok značiek tradične používali atramentové systémy, ale nedávny technologický pokrok priniesol aj novú technológiu označovanú ako priame striekanie. Atramentová tlač je technika tlače, ktorá umožňuje výrobcom tlačiť spájkovacie masky priamo na dosku podľa vopred vygenerovaných vstupných údajov návrhu. Tento proces využíva piezoelektrickú hlavu a eliminuje tak väčšinu krokov pri fotolitografii atramentovou tlačou, čo vedie k mnohým výhodám oproti ostatným technikám.

• Spracovanie je šetrné k životnému prostrediu
• Úsporné používanie spájkovacích masiek, čo znižuje výrobné náklady
• Zníženie počtu zariadení a procesných premenných pri výrobe
• Minimálna spotreba materiálu

Spájkovacia maska v domácich podmienkach?

Áno, dá sa to, no vopred vás upozorňujem, že sa nejedná ani tak o cenovú náročnosť ako o náročnosť na technologický proces samotný. Voľakedy som sa o to pokúšal s viac, alebo menej uspokojivými výsledkami s použitím masiek, ktoré som nakúpil na predajných stránkach Aliexpress - klikni. Je to UV vytvrdzovateľná spájkovacia maska ma báze špeciálneho typu živice, ktorá vytvrdne pri vystavení ultrafialovému svetlu. Dodáva sa v rôznych farbách v injekčnej tube. Je to pomerne kvalitná značka a má dobré krycie vlastnosti, takže ak budete pracovať starostlivo, tak je vysoký predpoklad, že dosiahnete dobrý výsledok. Postup ako taký si popíšme v niektorom budúcom článku, nakoľko táto téma je na samostatný článok a iba tak v skratke sa nedá popísať.

Spájkovacia UV maska na báze špeciálnej živice Mechanic

Ako odstrániť spájkovaciu masku z dosky?

Pri vrstvení masky môže dôjsť k chybám v nanášaní, či prekrytí, napríklad dôjde k zakrytiu častí, ktoré by mali zostať odhalené. Preto musíte byť pred odoslaním súborov návrhu dosky pločného spoja na výrobu dôkladní, pretože odstránenie masky je po vytvrdnutí veľmi ťažké. Je to však možné a na odstránenie vrstvy môžete použiť jednu z týchto metód.

Chemické odstraňovanie

Chemikálie, ako je Dichlórmetán (taktiež metylénchlorid; skrátene: DCM), môžu spôsobiť koróziu vrstvy spájkovacej masky, ale ak sa dostanú za kryty, poškodia laminát a medené vrstvy pod nimi. Preto by ste nemali dosku plošných spojov vystavovať dlhšiemu pôsobeniu tejto chemikálie. Oblasti, ktoré nie je potrebné odizolovať je preto potrebné oblepiť ochrannou páskou tak, aby chemikália zasiahla len žiadané miesta. V niektorých prípadoch môže byť oveľa jednoduchšie a aj lacnejšie objednať novú dosku, než strácať príliš veľa času a úsilia odstraňovaním chybnej spájkovacej masky.

Mechanické odstraňovanie

Mechanické odstraňovanie je veľmi riskantné, pretože sa tak dá oveľa ľahšie zničiť samotná doska ako samotná vrstva spájkovacej masky. Je to však možné a na túto úlohu môžete použiť rotačný nástroj Dremel, nôž X-Acto alebo žiletku, ale verte, že sa jedná o značne prácnu metódu a aj pomerne nebezpečnú, nakoľko hrozí, že sa s určitosťou porežete.

Zhrnutie

Ako vidíte, spájkovacie masky tvoria dôležité ochranné vrstvy pre medené stopy a vodivé vedenia v doske plošných spojov a sú nevyhnutné v procese výroby PCB. Buďte preto precízny pri samotnom návrhu a výsledok bude stáť určite za to.Presvedčiť sa môžete aj sami, ak si objednáte svoje dosky plošných spojov u spoločnosti PCBWay, ktorý ich vyrába vo výbornej cene a v špičkovej kvalite.

Objednať si PCB u spoločnosti PCBWay