Паяльная маска и процесс шелкографии

Introduction

Паяльная маска и шелкография играют важнейшую роль в производстве печатных плат. Паяльная маска защищает медные дорожки от окисления и предотвращает образование припойных перемычек, а шелкография определяет местоположение и ориентацию компонентов.

В этом руководстве описывается процесс нанесения паяльной маски и шелкографии, включая способы их нанесения, а также проектирование отверстий под паяльную маску и контрольных меток. Следуя передовым практикам, вы сможете снизить количество дефектов сборки и повысить надежность производства.

Основы процесса и проектирования паяльной маски

1.Что такое паяльная маска при производстве печатных плат?

Паяльная маска (также известная как паяльный резист) — это защитный слой, наносимый на внешнюю поверхность печатной платы (ПП). Его основное назначение — предотвращение образования припойных перемычек, защита медных дорожек от окисления и загрязнения, а также повышение механической прочности и надежности платы при пайке и длительной эксплуатации.

Для большинства печатных плат используется зелёная паяльная маска, но доступны и другие цвета, такие как красный, синий, чёрный и белый, в зависимости от эстетических или функциональных потребностей. Зелёный вариант наиболее распространён благодаря отличной контрастности при осмотре и термостойкости.

Solder mask is essential for surface-mount technology (SMT) and high-density interconnect (HDI) designs, where tight spacing between pads increases the risk of solder shorts.

2. Процесс нанесения паяльной маски: основные этапы производства

Понимание того, как наносится паяльная маска, помогает конструкторам прогнозировать производственные допуски и избегать распространенных ошибок DFM (проектирование с учетом технологичности).

Типичный процесс нанесения паяльной маски включает следующие этапы:

• Очистка и подготовка поверхности
  Печатная плата очищается от окисления, масла и загрязнений. Чистая поверхность обеспечивает хорошую адгезию паяльной маски и снижает риск расслоения.
• Нанесение паяльной маски (обычно LPI — жидкофотографируемая)
  Тонкий слой паяльной маски LPI наносится на плату методом трафаретной печати или наливного покрытия. Этот слой в конечном итоге определяет, где припой может проникать (отверстия), а где — нет (закрытые области).
• Предварительная сушка/высушивание
  Покрытая плата частично высушивается для удаления растворителей, что гарантирует маске достаточную липкость для сохранения формы во время экспонирования.
• Экспонирование (визуализация)
  Плата экспонируется УФ-излучением через фотошаблон или методом прямого экспонирования (DI). Области, подвергшиеся воздействию света, затвердевают, а неэкспонированные области удаляются в процессе проявки. Точность экспонирования определяет точность совмещения паяльной маски с медными контактными площадками.
• Developing
  The board is sprayed with a developer solution that removes the unhardened solder mask from pad areas. Precise development ensures clean openings and prevents partial coverage over pads that could cause poor solder joints.
• Final Curing (Thermal or UV)
  A full cure hardens the solder mask and makes it resistant to heat, chemicals, and physical abrasion during soldering processes.

3. Рекомендации и передовой опыт проектирования паяльной маски

Даже при идеальном производственном процессе некачественная паяльная маска может привести к таким дефектам, как образование припойных перемычек, закрытие контактных площадок или плохая паяемость. Для обеспечения оптимальной производительности соблюдайте следующие основные правила проектирования:

3.1 Зазор/расширение паяльной маски

Всегда слегка расширяйте отверстие паяльной маски за пределы медной площадки, чтобы учесть допуски выравнивания.

• Типичное рекомендуемое расширение: от +3 до +5 мил (0,075–0,125 мм)
• Слишком малый зазор может привести к частичному закрытию контактной площадки, что помешает правильной пайке.

3.2 Ширина паяльной маски/перемычки

Паяльная перемычка — это область паяльной маски между соседними контактными площадками (особенно в компонентах с малым шагом выводов, таких как QFP или BGA).

• Минимальная рекомендуемая ширина перемычки: 4 мил (0,1 мм), в зависимости от возможностей производителя
• Слишком узкие перемычки могут разрушиться во время обработки, что повышает риск образования перемычек припоя.

3.3 Контактные площадки с паяльной маской (SMD) и без паяльной маски (NSMD)

• NSMD (предпочтительно для BGA/QFN): отверстие в паяльной маске больше, чем контактная площадка, открывая всю её площадь. Это повышает надёжность паяного соединения и улучшает обзор при осмотре.
• SMD: Паяльная маска перекрывает контактную площадку, уменьшая площадь открытой меди. Менее распространённый вариант, обычно применяется в случаях определённых механических ограничений.

Silkscreen Process and Design Guidelines

Шелкография, также известная как слой маркировки или наложение, играет важнейшую роль в печатных платах (ПП), обеспечивая визуальную идентификацию компонентов, контрольных точек, полярности и другой важной информации о сборке. Хотя шелкография не влияет на электрические характеристики платы, некачественная шелкография может негативно сказаться на эффективности сборки, диагностике и точности доработки.

1. Что такое шелкография на печатных платах?

Шелкографический слой содержит маркировку, напечатанную непроводящей краской поверх паяльной маски. Обычно эта маркировка включает в себя:

• Обозначения (например, R1, C3, U5)
• Индикаторы полярности для диодов, конденсаторов, светодиодов
• Маркеры Pin 1 для микросхем
• Логотипы производителей, номера деталей, контроль версий
• Этикетки для сборки и испытаний

Для шелкографии чаще всего используют белые чернила из-за их высокой контрастности, но могут использоваться и другие цвета, например, желтый или черный, в зависимости от цвета паяльной маски.

2. Процесс шелкографии (обзор производства)

Существует два основных метода нанесения шелкографии на печатные платы:

• Трафаретная печать (традиционная)
  • Использует трафарет или сетчатый экран для нанесения чернил на основе эпоксидной смолы.
  • Подходит для мелко- и среднесерийного производства
  • Ограниченное разрешение; не может обрабатывать очень мелкий текст или плотную компоновку
• Прямая печать легенд (DLP или цифровая шелкография)
  • Струйный метод печати, позволяющий печатать текст непосредственно на поверхности доски.
  • Обеспечивает более высокое разрешение и лучшее соответствие слоям дизайна
  • Предпочтительно для дизайнов с высокой плотностью и мелкими шрифтами.

После печати плата подвергается отверждению или обжигу для затвердевания чернил и обеспечения долговечности при пайке и транспортировке.

3. Рекомендации по проектированию шелкографии для надежных печатных плат

Чтобы предотвратить проблемы во время сборки и сохранить читаемость, следуйте этим рекомендациям по шелкографии:

3.1 Минимальный размер шрифта и ширина линии

• Рекомендуемая минимальная высота шрифта: 1,0 мм (≈ 40 мил)
• Минимальная ширина линии: 6 мил (0,152 мм)
• Избегайте чрезмерно декоративных шрифтов — используйте векторные шрифты без засечек для большей ясности (например, Arial или OCRA).

3.2 Зазоры от контактных площадок и переходных отверстий

• Соблюдайте зазор не менее 6 мил между шелкографией и:
  • SMD-площадки
  • Сквозные отверстия
  • Отверстия под паяльную маску
• Если краска для шелкографии попадет на паяемые области, это может повлиять на качество пайки и оплавления, что приведет к непромокаемым соединениям или сгоранию краски во время пайки.

3.3 Лучшие практики нанесения шелкографии

• Размещайте позиционные обозначения рядом с компонентами, но не под ними.
• Поддерживайте постоянную ориентацию для удобства чтения (например, весь текст должен быть горизонтальным или выровненным по краям доски)
• Избегайте размещения шелкографии в областях BGA с высокой плотностью или на отверстиях паяльной маски.
• Для двухсторонних плат используйте шелкографию только там, где возможна видимость компонентов.

3.4 Избегайте переполненности

• Не перегружайте доску лишней или ненужной шелкографической информацией.
• При необходимости используйте сборочные чертежи для подробной маркировки.

3.5. Рассмотрите сборку и проверку

Четко отметьте контрольные точки, номиналы предохранителей и полярность.

Убедитесь, что текст достаточно крупный и четкий для ручной сборки и оптического контроля.

Common Defect Cases and Prevention Tips

Даже если проекты печатных плат проходят первоначальную проверку, в процессе производства могут возникнуть проблемы с паяльной маской и шелкографией — часто из-за несоблюдения зазоров, несоосности или неточного определения слоёв. Ниже приведены некоторые из наиболее распространённых проблем и способы их предотвращения.

1. Площадки для покрытия паяльной маской

Проблема:
Контактные площадки частично или полностью покрыты паяльной маской, что препятствует надлежащему смачиванию во время пайки. Это может привести к образованию холодных соединений, обрыву цепи или отслоению компонентов.

Первопричина:

• Неадекватные настройки расширения паяльной маски в САПР
• Несоответствие во время экспозиции или получения изображения
• Неправильная интерпретация слоя CAM

Советы по профилактике:

• Apply solder mask expansion of at least 3–5 mils beyond the copper pad edges
• Используйте площадки NSMD (не определенные паяльной маской) для большинства применений SMT
• Проверьте последние слои Gerber, чтобы убедиться в отсутствии зазоров между площадками.
• Уточните допуски выравнивания у производителя печатных плат.

2. Отслоение паяльной маски или разрушение мостика

Проблема:
Узкие полосы паяльной маски (или «перемычки») между соседними контактными площадками могут разрушаться в процессе проявки или вытравливаться, что приводит к образованию оголенных медных мостиков, приводящих к коротким замыканиям.

Первопричина:

• Mask bridge width set below manufacturer's minimum (often <4 mils)
• Компоненты с плотным шагом выводов (например, QFP, BGA) без адекватной конструкции паяльной перемычки
• Перетравливание во время фазы проявления

Советы по профилактике:

• Поддерживайте ширину перемычки паяльной маски ≥ 4 мил (уточните возможности поставщика печатных плат)
• Избегайте острых «ножевых» трещин — соедините отверстия, если перемычки слишком тонкие.
• Для конструкций с высокой плотностью сообщите изготовителям особые требования.

3. Шелкография с перекрытием контактных площадок или отверстий

Issue:
Silkscreen ink printed on pads or via holes can interfere with soldering, causing unreliable connections, burn marks, or contamination during reflow.

Первопричина:

• No clearance rule between silkscreen and copper layers
• Ручное размещение этикеток слишком близко к площадкам SMD
• Отсутствие DRC шелкографии в программном обеспечении для дизайна

Советы по профилактике:

• Соблюдайте минимальный зазор в 5 мил между шелкографией и тампонами.
• Используйте проверку правил проектирования (DRC) для обнаружения наложений шелкографии и тампона
• Избегайте размещения условных обозначений внутри областей BGA или над контрольными точками.
• В критических зонах рассмотрите возможность полного отказа от шелкографии.

4. Неполная или остаточная паяльная маска

Проблема:
После проявки на некоторых участках сохраняется частично проявленная паяльная маска, что приводит к загрязнению, ухудшению паяемости или некорректному визуальному контролю.

Первопричина:

• Недодержка или недостаточное время проявки
• Загрязненная поверхность платы перед нанесением покрытия
• Нанесение толстого или неравномерного слоя паяльной маски

Советы по профилактике:

• Обеспечьте надлежащую предварительную очистку и подготовку поверхности перед нанесением маски.
• Используйте проверенные профили воздействия/проявления вместе с вашим поставщиком
• Проведите АОИ или визуальные проверки после проявления маски, чтобы обнаружить остаточные

Новые технологии и тенденции в паяльной маске и шелкографии

Поскольку конструкции печатных плат становятся плотнее и сложнее, технологии, используемые для нанесения паяльной маски и шелкографии, быстро развиваются, чтобы соответствовать современным производственным требованиям.

1. Паяльная маска, напечатанная на струйном принтере

Традиционные фотоотображаемые паяльные маски (LPI) требуют нескольких этапов, включая нанесение покрытия, формирование изображения и проявление. Однако струйная печать паяльных масок набирает популярность как высокоточная альтернатива прямой печати. ​​Она устраняет необходимость в фотошаблонах, снижает ошибки совмещения и минимизирует отходы материала. Этот метод особенно полезен для плат HDI и прототипов, требующих ускоренного производства.

2. Цифровая шелкография

Традиционные методы шелкографии неэффективны при печати мелкодисперсных компонентов и небольших обозначений. Цифровая шелкография с использованием струйных или УФ-лазерных технологий обеспечивает более высокое разрешение и лучшее выравнивание. Она позволяет использовать более мелкие шрифты, точное позиционирование и повышенную долговечность, что особенно важно для компактных или высоконадежных печатных плат.

3. Материальные достижения

Новые материалы для паяльной маски с повышенной термостойкостью, низкими диэлектрическими потерями и безгалогеновыми составами, соответствующие требованиям RoHS, становятся стандартом для высокоскоростных и высокотемпературных применений. Эти передовые материалы повышают надежность печатных плат при пайке оплавлением и бессвинцовой обработке.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Заключение

Паяльная маска и слои шелкографии играют важнейшую роль в обеспечении надёжности и технологичности печатных плат. Правильно нанесённая паяльная маска предотвращает образование припойных перемычек, защищает медные поверхности и улучшает электроизоляцию. Слой шелкографии, в свою очередь, обеспечивает точное размещение компонентов и чёткую идентификацию при сборке и проверке.

Соблюдая правильные методы проектирования, такие как правильное расширение паяльной маски, зазоры и выравнивание шелкографии, можно избежать распространённых производственных проблем, таких как перекрытие контактных площадок или несовмещение. Тщательное внимание к этим деталям на этапе проектирования не только улучшает паяемость, но и снижает количество дефектов и необходимость в доработке.

Хотите быть уверенными, что ваша следующая печатная плата без проблем пройдет проверку DFM? Начните с освоения паяльной маски и процесса шелкографии.