Оптимизация технологии нанесения жидкой фотопроявляемой паяльной маски

оставной частью печатной платы является паяльная маска, для корректного применения которой необходимо уделять должное внимание мельчайшим деталям технологии ее нанесения. В этой статье рассматриваются основные требования при формировании жидкой фотопроявляемой паяльной маски, а также характеристики этого технологического процесса.

ТРЕБОВАНИЯ
Для начала рассмотрим ключевые требования к паяльной маске, понимание которых необходимо при сборке плат с использованием бессвинцовых припоев и монтажа ИС с очень мелким шагом.

Непрерывный рост плотности проводных соединений на платах ведет к повышению требований к характеристикам паяльных масок до уровня, о котором прежде нельзя было даже мечтать. Требования к формированию перемычек на паяльной маске шириной порядка 2-3 мил (1 мил = = 0,001 дюйма) сегодня уже являются общепринятыми, что особенно важно в случаях применения технологии HDI (High-Density Interconnect — высокая плотность межсоединений), которая получает все большее распространение. Кроме того, конечные пользователи печатных плат предъявляют повышенные требования к электрическим свойствам паяльных масок и их защитным характеристикам по отношению к агрессивным факторам окружающей среды, а также к совместимости с большим числом разных финишных покрытий для пайки бессвинцовым припоем (ENIG (иммерсионное золото по подслою никеля), ENIG-OSP (иммерсионное золото по подслою никеля с органическим защитным покрытием), ENEPIG (химический никель/химический палладий/иммерсионное золото), покрытие бессвинцовым припоем с выравниванием воздушным ножом (HASL), покрытия из иммерсионного серебра и иммерсионного олова).

Паяльная маска наносится на плату уже после формирования на ее поверхности проводящих дорожек. Проблема в том, что при проектировании схем электротехнические свойства паяльных масок исторически никогда ранее не учитывались. Теперь же от масок требуется, чтобы они обладали определенными электрическими характеристиками.

При формировании сетки, состоящей из контактных площадок и перемычек для элементов в BGA-корпусах, очень важно уметь корректно переносить на плату рисунок паяльной маски.

Возможны два варианта формирования площадок под BGA-корпуса: в виде сплошной области металлизации (заливки медью) под всем корпусом ИС и в виде отдельных площадок под шариковые выводы ИС, определяемых отверстиями в паяльной маске. Точность формирования рисунка маски во втором варианте обеспечивается только лазерными установками. При снижении шага сетки с 1 до 0,5 мм толщина линий и расстояний между ними уменьшается со 100 до 50 мкм. Очевидно, что разрешающая способность нанесения паяльной маски должна быть сопоставима с разрешающей способностью формирования основного рисунка проводников при изготовлении платы, что требует применения аналогичных методов литографии.

Новым требованием к паяльным маскам является их совместимость с материалами для заливки под BGA-кристаллы, смонтированные по технологии Flip-Chip (метод перевернутого кристалла). Подзаливка и паяльная маска должны быть химически совместимы. Кроме того, они не должны ухудшать свойств друг друга, и обеспечивать хорошую адгезию.

К паяльным маскам часто предъявляются и другие требования, порой конфликтующие друг с другом.

Способность выдерживать неоднократные высокотемпературные процедуры, характерные для монтажа плат с помощью бессвинцового припоя, такие как: отверждение клеящих составов, оплавление паяльной пасты, вибрации и ряд дополнительных операций ручной сборки. Устойчивость к химическим реагентам, применяемым для формирования финишных покрытий. При нанесении иммерсионных покрытий и покрытий, полученных методом восстановления, могут применяться реагенты с большим уровнем рН и высокой температурой растворов. На сегодняшний день достигнут определенный прогресс в создании масок, устойчивых к финишным покрытиям типа ENIG, из иммерсионного олова и серебра. Обеспечение хороших электрических характеристик паяльных масок. Ранее такое требование к маскам не предъявлялось. Однако теперь, когда от диэлектрических свойств масок зависят характеристики, например, поверхностных микро-полосковых линий (создание которых с использованием наполнителей и реагентов, контролирующих текучесть растворов, прежде было невозможно), электрические свойства масок приходится оценивать практически всегда.

— Маска после сборки должна хорошо смываться и не оставлять загрязняющих веществ, способных к миграции под воздействием электрических полей в другие слои платы, что может привести к ее выходу из строя.

— Паяльные маски не должны способствовать возникновению таких явлений как формирование проводящих анодных нитей (CAF).

Далее перечислим некоторые из актуальных технологий формирования паяльных масок — новых или модернизированных.

— Струйно-диффузионный способ нанесения паяльной маски, открывающий новые возможности улучшения контроля над формированием изображения и толщиной слоя.

— Благодаря уникальной способности сухой пленочной паяльной маски покры вать большие сквозные отверстия, позволяющей улучшить сборку плат и повысить качество удаления маски по окончании монтажа, интерес к этой технологии до сих пор остался.

В настоящее время выпускаются маркирующие чернила для нанесения жидких паяльных масок методом струйной печати для широкого ассортимента плат. Этот метод также подходит для нанесения не только жидких масок, но и фоторезистов, а также для реализации PTF-резисторов и конденсаторов.

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА НАНЕСЕНИЯ ПАЯЛЬНОЙ МАСКИ
Теперь, познакомившись с основными требованиями к паяльным маскам и технологиями их нанесения, можно перейти к рассмотрению ключевых технологических этапов и процедур формирования масок.

ПОДГОТОВКА ПОВЕРХНОСТИ
Нельзя недооценивать важности подготовки поверхности из чистой меди. Медная поверхность должна быть освобождена от окислов, на ней не должны оставаться какие-либо загрязняющие вещества, возникающие в процессе очистки от остатков олова. По окончании очистки поверхность должна быть высушена. Этапы подготовки, начиная с предварительной очистки и заканчивая микрошлифовкой, позволяют дополнительно к основным функциям медной поверхности улучшить ее адгезионные характеристики, способствующие последующему успешному нанесению паяльной маски.

Хотя очистка пемзой считается довольно-таки хорошим способом подготовки поверхности, установлено, что более предпочтительным, с точки зрения улучшения адгезионных характеристик, является химический метод очистки. На то имеются две причины.

1. При повышении плотности компонентов схемы и сокращении размеров сквозных отверстий увеличивается вероятность того, что они перекроются (полностью или частично) остатками пемзы.

2. химическая очистка является более надежным способом очистки и подготовки медной поверхности, поскольку позволяет контролировать химические параметры, поддерживающие постоянной скорость травления меди.

СПОСОБЫ НАНЕСЕНИЯ
В настоящее время доступны разные материалы для паяльных масок и методы их нанесения. Помимо метода сетко-трафаретной печати, являющегося наиболее распространенным в промышленности способом формирования жидкостного фотоизображения (LPI), существуют и другие способы нанесения масок, к которым относятся: полив; электростатическое напыление; распыление.

Материалы для паяльных масок, наносимые методом сетко-трафарет-ной печати, как правило, содержат больше твердых компонентов, чем материалы для электростатического напыления и полива. Чем выше процент содержания твердых компонентов, тем больше требуется растворителя для удаления маски.

ТОЛЩИНА ПАЯЛЬНОЙ МАСКИ
Общая толщина маски, в основном, определяется реальным расходом жидких чернил, а также весом твердых компонентов. Как было упомянуто, формирование чрезмерно толстого слоя маски в неотвержденном состоянии создает ряд дополнительных проблем, связанных с корректным нанесением паяльной пасты. Потенциально опасным является и нанесение слишком тонкого слоя маски, поскольку при этом могут возникать нежелательные эффекты, такие как формирование непрокрашенных мест над проводящими дорожками и растрескивание нанесенного покрытия, позволяющие кислороду проникать к оголенным медным проводникам и вызывать отслоение или поднятие маски.

Еще одним важным фактором, определяющим качество нанесения маски помимо ее веса в неотвержденном состоянии, является тиксотропность чернил. Это свойство некоторых гелей уменьшать свою вязкость (разжижаться) при механическом воздействии и возвращать исходную полутвердую консистенцию в состоянии покоя. Известно, что связь между молекулами чернил, которые применяются для получения паяльной маски, разрывается в ходе трафаретной печати или при распылении на поверхность печатной платы. Чернила становятся более жидкими, в результате чего вязкость формируемой маски уменьшается. Однако по окончании механического воздействия чернила возвращаются в исходное состояние, их вязкость повышается, предотвращая стекание с дорожек плат.

Корректный подбор чернил с требуемыми характеристиками тиксо-тропности обеспечивает качественное покрытие дорожек плат, исключая чрезмерное увеличение толщины маски. Еще один недостаток при формировании маски чрезмерной толщины и некорректном выборе параметров тиксотропности заключается в образовании складок на паяльной маске.

ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ПУЗЫРЕЙ В ПАЯЛЬНОЙ МАСКЕ
При оптимизации технологии нанесения паяльных масок необходимо также уделять внимание вопросам предотвращения образования пузырей. Пузыри — это воздушные карманы или каверны, возникающие от растворителей, входящих в состав жидких паяльных масок. Обычно такие каверны образуются в районе дорожек проводников.

Однако при обнаружении воздушных пузырей следует не только проверять качество чернил, но и учитывать другие вероятные причины их появления, такие как чрезмерная толщина проводящей дорожки и избыточное травление, ведущее к эффекту подтравливания.

ПОДГОТОВКА ЧЕРНИЛ ДЛЯ ПАЯЛЬНОЙ МАСКИ
Компоненты чернил для паяльной маски (смолу и отвердитель, а также, возможно, несколько дополнительных растворителей, играющих роль разбавителей) перед использованием необходимо тщательно перемешать, для чего предпочтительнее использовать механический смеситель. Многие знакомы с тем, что энергичное перемешивание может привести к появлению в чернилах воздушных пузырей. Но, обеспечив постоянное перемешивание чернил в течение определенного времени, можно удалить все газы из смеси.

Вторым источником возникновения воздушных пузырей является количество чернил, которое наносится на плату. Если плата имеет достаточно большую толщину из-за покрытий с подслоями или толстой медной фольги, следует наносить более толстую паяльную маску. Для плат толще 70 мкм расход чернил для формирования требуемой толщины слоя маски составляет 140 г/см2 или больше.

Однако при этом остатки растворителей могут превысить допустимый уровень и вызвать ряд проблем, одна из которых состоит во включении воздушных пузырей в маску. Лучший выход из этой ситуации — очень внимательно отнестись к стадии сушки.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ СУШКА/ОПЛАВЛЕНИЕ
Предварительная сушка необходима для удаления растворителей в чернилах. Кроме того, удаление растворителей способствует снижению вероятности того, что воздушные пузыри останутся в чернилах до начала экспозиции. Необходимо подбирать оптимальное время для процедуры предварительной сушки.

СНИЖЕНИЕ ВЕСА МАСКИ
Один из способов снижения веса маски заключается в выборе соответствующей формулы чернил, состоящей из тщательно подобранной комбинации реагентов с требуемыми параметрами тиксотропности и дегазирующих добавок. Улучшение параметров тиксотропности помогает предотвратить стекание чернил с краев дорожек, что, в свою очередь, способствует сокращению общего объема чернил для хорошего покрытия краев дорожек.

Однако улучшенные параметры тиксотропности и дегазирующие добавки не являются единственными способами формирования соответствующего покрытия на краях дорожек и экономии чернил. Для дальнейшего уменьшения веса маски в неотвержденном состоянии и улучшения покрытия дорожек желателен обдув плат воздухом во время предварительной сушки и оплавления. Исследования и практический опыт показывают, что небольшой ламинарный поток воздуха, обдувающий поверхность плат, способствует быстрому и простому удалению растворителей из чернил и выравниванию толщины чернил над дорожками.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Вес чернил в неотвержденном состоянии для формирования паяльной маски и их реологические свойства влияют не только на объем наносимых на плату чернил, но и на то, насколь- ко хорошо маска покроет проводники. Для улучшения этих параметров желательно учитывать характеристики тик-сотропности чернил и обдувать плату ламинарным потоком воздуха во время предварительной сушки и оплавления.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
TRIAL NEWS