Окно процесса изготовления паяльной маски: практическое комплексное руководство (от основ к производству)

Окно процесса паяльной маски определяет допустимый диапазон производственных допусков для нанесения, визуализации и разработки защитного покрытия на печатной плате (PCB). Он представляет собой критический баланс между точностью совмещения, разрешением элементов (например, припоя) и химической стойкостью, гарантируя, что площадки остаются открытыми для пайки, в то время как соседние дорожки остаются изолированными. Овладение этим окном необходимо для предотвращения образования перемычек в компонентах с малым шагом и обеспечения долгосрочной электрической надежности.

Ключевые выводы

Определение: технологическое окно — это разница между максимально допустимым смещением и минимально необходимым размером элемента (шириной перемычки), который производитель может надежно произвести.
Критический показатель: стандартное расширение паяльной маски (SME) обычно на 2–3 мила (50–75 мкм) больше, чем медная площадка, чтобы учесть дрейф регистрации.
Минимальная толщина: для зеленой маски, допускающей фотоизображение жидкостью (LPI), минимальная надежная толщина припоя обычно составляет 4 мила (100 мкм); падение ниже этого уровня может привести к прорыву плотины.
Влияние цвета: Черно-белые паяльные маски требуют более строгого контроля процесса и часто требуют больших зазоров (обычно +1 мил) из-за трудностей световой полимеризации.
Совет по проверке: С помощью анализа поперечного сечения убедитесь, что толщина паяльной маски над изгибом медной дорожки составляет не менее 0,3 мил (7–8 мкм).
Компенсация травления: правильное планирование компенсации травления имеет жизненно важное значение; Если медные площадки протравлены меньше, чем предусмотрено, эффективный зазор паяльной маски увеличивается, потенциально обнажая соседний ламинат.
Правило принятия решения: Если шаг компонента составляет 0,5 мм или менее, переключитесь со стандартной визуализации пленки на лазерную прямую визуализацию (LDI), чтобы сохранить жизнеспособное технологическое окно.

Что это на самом деле означает (объем и границы)

Окно процесса паяльной маски — это не простое число, а статистический диапазон возможностей, который учитывает движение материала, выравнивание машины и скорости химических реакций. В процессе изготовления печатной платы паяльная маска наносится на вытравленную медную схему. «Окно» определяет, насколько изображение может сместиться (ошибка регистрации), прежде чем оно покроет контактную площадку, которую следует обнажить (посягательство), или обнажит медь, которую следует закрыть (экспозиция).

Три измерения окна

Регистрация (ось X/Y): Это выравнивание изображения маски по медному слою. Факторы, влияющие на это, включают масштаб произведения искусства, тепловое расширение панели во время отверждения и точность устройства экспонирования. Типичный допуск регистрации составляет ±2 мила (50 мкм).
Разрешение (размер объекта): относится к наименьшей структуре, которую может определить процесс. Наиболее важной особенностью является «припой» — полоска маски между двумя соседними контактными площадками. Если перемычка слишком узкая, она отслоится во время проявления или оплавления.
Толщина (ось Z): Маска должна быть достаточно толстой, чтобы обеспечить электрическую изоляцию (диэлектрическую прочность), но достаточно тонкой, чтобы не мешать трафаретной печати при сборке SMT.

Взаимодействие по планированию компенсации травления

Окно процесса паяльной маски сильно зависит от геометрии основной меди. В процессе травления медь удаляется как по бокам, так и по вертикали. Планирование компенсации травления предполагает увеличение размера медных элементов на производственной пленке для учета этого фактора бокового травления.

Если компенсация травления рассчитана неправильно, конечная медная площадка может оказаться меньше, чем предполагалось. Даже если паяльная маска идеально выровнена по проектным координатам, зазор между краем маски и реальным краем медной площадки (зазор) будет больше, чем ожидалось. Это может привести к обнажению соседних заземляющих плоскостей или дорожек, создавая риск короткого замыкания во время сборки. И наоборот, если медь недостаточно протравлена (слишком большая), паяльная маска может перекрывать контактную площадку, уменьшая площадь пайки.

Метрики, которые имеют значение (как их оценить)

Чтобы контролировать окно процесса паяльной маски, производители контролируют конкретные физические размеры и возможности процесса. В следующих таблицах представлены стандартные критерии приемки и ограничения возможностей плат высокой надежности.

Таблица 1. Показатели физических измерений

Метрическая	Стандартные возможности	Расширенные возможности (HDI)	Почему это важно
Расширение паяльной маски (SME)	3 мила (75 мкм)	2 мила (50 мкм)	Обеспечивает, чтобы маска не касалась подушечки, несмотря на перекос.
Паяльная маска (SMD)	4 мила (100 мкм)	3 мила (75 мкм)	Предотвращает образование перемычек между контактными площадками; критично для тонкого шага BGA/QFN.
Допуск регистрации	±2 мил (50 мкм)	±1 мил (25 мкм)	Определяет максимально допустимый сдвиг слоя маски относительно меди.
Толщина (по меди)	> 0,5 мил (12 мкм)	> 0,3 мил (8 мкм)	Обеспечивает диэлектрическую прочность и физическую защиту.
Толщина (поверх ламината)	0,8–1,2 мил (20–30 мкм)	0,8–1,2 мил (20–30 мкм)	Обеспечивает сцепление с основным материалом.
По максимальному диаметру навеса	12 мил (0,3 мм)	8 мил (0,2 мм)	Определяет, может ли переходное отверстие быть закрыто исключительно прочностью пленки маски.

Таблица 2. Возможности процесса по методам

Особенность	Трафаретная печать	Наводнение + воздействие пленки	Лазерная прямая визуализация (LDI)
Точность выравнивания	±4–6 мил	±2–3 мил	±0,5–1 мил
Минимальная ширина плотины	6–8 мил	4 миллиона	2,5–3 мил
Пропускная способность	Высокий	Средний	Нижний
Коэффициент стоимости	Низкий	Средний	Высокий
Лучше всего	Простые платы низкой плотности	Стандартные многослойные печатные платы	HDI PCB и мелкий шаг
Риск недорезки	Низкий	Умеренный	Низкий (Прямые боковины)

Ключевые числовые пороговые значения

Испытание на адгезию: Необходимо пройти испытание на ленту согласно IPC-TM-650 2.4.28.1 (класс 5B).
Твердость: Твердость по карандашу обычно > 6H после окончательного отверждения.
Напряжение пробоя: Обычно > 500 В/мил для стандартной маски LPI.

Крупный план печатной платы HDI, показывающий плотные перемычки паяльной маски

Как выбрать (руководство по выбору по сценарию)

Выбор правильных параметров паяльной маски и метода нанесения — это компромисс между стоимостью, производительностью и плотностью конструкции. Используйте эти правила принятия решений для навигации по окну процесса.

Если шаг компонента < 0,5 мм, выберите Laser Direct Imaging (LDI). Стандартные изображения на пленке растягиваются и сжимаются, что делает невозможным удержать плотину толщиной 3 мил на большой панели.
Если конструкция требует площадок Non-Solder Mask Defined (NSMD) для BGA, выберите расширение маски не менее 2 мил (50 мкм). Это гарантирует, что шарик припоя охватит медную площадку, обеспечивая механическую прочность.
Если вы используете тяжелую медь (>2 унций), выберите несколько проходов или нанесение распылением. Трафаретная печать или навесное покрытие могут привести к тонкому покрытию «колена» (угла) дорожки, что приведет к пробою напряжения.
Если печатная плата работает при высоком напряжении (> 100 В), выберите паяльную маску с высокой диэлектрической прочностью и обеспечьте минимальную толщину проводников 1 мил (25 мкм).
Если вам требуется белая или черная паяльная маска, выберите уменьшение минимальной ширины перемычки до 5–6 мил. Эти пигменты блокируют ультрафиолетовое излучение, что затрудняет полное отверждение нижней части дамбы, что приводит к подрезам и отслаиванию.
Если плата представляет собой гибкую схему, выберите гибкое полиимидное покрытие или специальную гибкую маску LPI. Стандартный жесткий LPI треснет при сгибании.
Если вам необходимо сформировать переходные отверстия, выберите диаметр отверстия 12 мил (0,3 мм) или меньше. Отверстия большего размера требуют закупоривания (проводящего или непроводящего) перед маскированием, чтобы маска не провисала и не ломалась.
Если в конструкции предусмотрен контроль импеданса на поверхностных микрополосках, выберите, чтобы указать допуск на толщину паяльной маски. Изменения толщины маски влияют на диэлектрическую проницаемость и характеристический импеданс.
Если вы используете ENIG Finish, выберите паяльную маску с высокой химической стойкостью. Агрессивный химический состав процесса химического химического никелирования/иммерсионного золота может воздействовать на неправильно отвержденные маски, вызывая «выщелачивание паяльной маски».
Если стоимость является основным фактором и шаг составляет > 0,8 мм, выберите стандартную маску для жидкостного фотоизображения (LPI) с экспонированием пленки. Он предлагает лучший баланс производительности и экономичности.

Контрольные точки реализации (от проектирования до производства)

Достижение надежного технологического окна паяльной маски требует синхронизации между проектными данными и производственным цехом. Следуйте этому плану выполнения из 10 шагов.

Этап 1: Подготовка данных

Проверка правил проектирования (DRC):
- Действие: Запустите DRC, ориентируясь на «Зазор между маской и медью» и «Ширину маскирующего моста (плотины»).
- Приемка: Зазоры отсутствуют < 2 мил; нет плотин < 4 мил (если не указан LDI).
Планирование компенсации травления:
- Действие: Отрегулируйте слои меди в CAM, чтобы учесть факторы травления.
- Приемка: Убедитесь, что размер готовой медной площадки соответствует конструкции, обеспечивая сохранение зазора маски.
Масштабирование панельизации:
- Действие: Примените коэффициенты нелинейного масштабирования к изображению паяльной маски, чтобы соответствовать прогнозируемому движению материала сердцевины во время ламинирования.
- Приемка: Измеренные мишени выравнивания на краю панели должны находиться в пределах ±1 мил от медных мишеней.

Этап 2: Подготовка поверхности

Процесс предварительной очистки:
- Действие: Используйте химическое микротравление или механическую очистку (пемза/оксид алюминия), чтобы придать поверхности меди шероховатость.
- Приемка: Шероховатость поверхности (Ra) должна составлять 0,2–0,4 мкм для обеспечения механического сцепления (адгезии).
- Поддается измерению: Испытание на разрыв воды — вода должна стекать с панели без образования капель в течение > 30 секунд.

Этап 3: Применение и обработка изображений5. Нанесение покрытия:

* *Действие:* Нанесите чернила LPI посредством трафаретной печати, напылением или распылением.
* *Приемка:* Толщина влажной пленки должна быть одинаковой (обычно **30–40 мкм** во влажном состоянии и 20 мкм в сухом виде).

Сушка до клейкости (предварительное отверждение):
- Действие: Прогрейте панель, чтобы удалить растворители, чтобы маска стала нелипкой, но не сшитой.
- Приемка: Покрытие не должно прилипать к художественной пленке или столу LDI. Чрезмерное запекание здесь сужает окно процесса, затрудняя разработку.
Экспозиция:
- Действие: Подвергать воздействию УФ-излучения (длина волны 365 нм).
- Приемка: Шаг Стоуффера Показание клина 10–12 (сплошная ступенька) для подтверждения правильной плотности энергии (мДж/см²).

Фаза 4: Разработка и лечение

В разработке:
- Действие: Смойте неэкспонированную маску раствором карбоната натрия.
- Приемка: Боковины должны быть вертикальными. На колодках не осталось «накипи» (остатков).
- Измеримая: Точка перелома должна находиться на уровне 50–60% длины камеры.
Окончательное лечение:
- Действие: Термическое запекание (обычно при 150°C в течение 60 минут) для полной сшивки полимера.
- Приемка: Маска должна пройти тест на стойкость к растворителям (МЭК) и тест на адгезию ленты.
Заключительная проверка:
- Действие: Автоматический оптический осмотр (AOI) или визуальная проверка.
- Приемка: Отсутствие оголенной меди на следах; нет маски на подушечках. Регистрация в пределах ±2 мил.

Распространенные ошибки (и правильный подход)

Несоблюдение технологического окна паяльной маски приводит к дефектам сборки. Здесь представлены наиболее частые ошибки и их исправления.

1. Недостаточная ширина плотины

Ошибка: Проектирование дамбы толщиной 2 мила для стандартного процесса LPI.
Воздействие: Во время проявки или оплавления перемычка отрывается, вызывая образование перемычек между контактными площадками.
Исправление: Увеличьте ширину дамбы до 4 мил или переключитесь на изготовление LDI.
Проверка: Проверьте отчет «Осколок паяльной маски» в вашем инструменте DFM.

2. Игнорирование высоты меди (высота трассировки)

Ошибка: Использование стандартных параметров покрытия для меди плотностью 3 унции.
Воздействие: Маска истончается в «колене» дорожки, что приводит к пробью или обнажению диэлектрика.
Исправление: Для толстой меди комплекс печатной платы укажите «двойное покрытие» или «электростатическое распыление».
Проверка: Анализ микрошлифа показывает покрытие > 0,5 мил в углу.

3. Чрезмерно агрессивная палатка

Ошибка: Попытка закрыть отверстие диаметром 20 мил с помощью жидкой маски.
Воздействие: Маска провисает в отверстии и ломается, задерживая химические вещества или позволяя припою впитываться.
Исправление: Ограничьте размер наклонных переходных отверстий до < 12 мил или используйте специальный процесс закупоривания переходных отверстий (IPC-4761, тип III или IV).
Проверка: Проверка подсветки для проверки наличия точечных отверстий в выпуклых переходных отверстиях.

4. Плохое планирование компенсации травления

Ошибка: Применение данных маски 1:1 без учета уменьшения содержания меди во время травления.
Воздействие: Зазор между маской и настоящей медной площадкой становится слишком большим, обнажая соседнюю заливку грунта.
Исправление: Координируйте свои действия с отделом CAM, чтобы гарантировать, что зазоры маски рассчитываются на основе размера готовой площадки, а не размера площадки оснастки.
Проверка: Сравните файлы Gerber со списком соединений и таблицами производственных компенсаций.

5. Неполная разработка (Скамминг)

Ошибка: Старое решение разработчика или неверная скорость конвейера.
Воздействие: На контактных площадках остаются невидимые остатки, вызывающие плохую пайку или появление «черной контактной площадки» в ENIG.
Исправлено: Сохраняйте pH и удельный вес проявителя; регулярно проводить техническое обслуживание форсунок.
Проверка: Опустите тестовый купон в припой; несмачивание указывает на наличие остатков.

6. Подрезание цветных масок

Ошибка: Использование стандартной энергии воздействия для черных или синих масок.
Воздействие: УФ-свет не проникает до нижней части слоя; основание плотины растворяется, оставляя выступ, улавливающий поток.
Исправление: Увеличьте энергию воздействия (мДж) и время воздействия для чернил с высоким содержанием пигментов.
Проверка: Проверка поперечного сечения на наличие трапециевидного профиля (широкое основание), а не перевернутой трапеции.

7. Смещение регистрации на больших панелях

Ошибка: использование пленочных изображений на больших панелях (24 x 18 дюймов) с жесткими допусками.
Воздействие: Усадка материала приводит к смещению краев панели, даже если центр выровнен.
Исправление: Используйте LDI, который использует «локальные реперные точки» для динамического масштабирования изображения до фактических размеров панели.
Проверка: Измерьте совмещение во всех четырех углах производственной панели.

8. Паяльная маска на контактной площадке (посягательство)

Ошибка: Конструкция с нулевым допуском (площадка, определяемая маской) без возможности LDI.
Воздействие: Уменьшение площади пайки, что приводит к образованию надгробий или открытых соединений на небольших пассивных компонентах.
Исправление: Используйте номинальное расширение 2–3 мил для площадок, не определяемых паяльной маской (NSMD).
Проверка: Проверка угла обзора настроена на обнаружение проникновения маски на площадку > 1 мил.

Часто задаваемые вопросы (стоимость, время выполнения, материалы, тестирование, критерии приемки)

1. Как затягивание технологического окна паяльной маски влияет на стоимость печатной платы? Затягивание окна (например, требующее перемычек толщиной 2 мил или выравнивания ± 1 мил) вынуждает использовать прямую лазерную визуализацию (LDI) и потенциально снижает выход продукции.

Влияние на стоимость. Ожидайте **увеличения цены за единицу продукции на 10–15 %.
Доходность: Более высокий процент брака из-за ошибок при регистрации.
Оборудование: Требуются чистые помещения повышенной комфортности (класс 10 000 или выше).

2. В чем разница между контактами с определением паяльной маски (SMD) и контактами без определения паяльной маски (NSMD)? У контактных площадок SMD отверстие маски меньше, чем у медной площадки, а у контактных площадок NSMD отверстие маски больше, чем у медной.

NSMD: Предпочтительно для BGA; обеспечивает лучшую адгезию меди к ламинату.
SMD: Используется для участков с высокой плотностью размещения, чтобы предотвратить подъем контактной площадки, но уменьшает площадь пайки.
Технологическое окно: NSMD требует большего технологического окна (зазора), чтобы маска не касалась подушечки.

3. Могу ли я использовать паяльную маску разных цветов на одной плате? Хотя это возможно, это делается редко из-за чрезвычайной стоимости и сложности многократного нанесения покрытия и циклов отверждения.

Процесс: Требует маскировки, нанесения покрытия, отверждения и повторения.
Риск: Высокий риск ошибок совмещения цветов.
Альтернатива: используйте шелкографию для различения цветов вместо маски.

4. Как толщина паяльной маски влияет на контроль импеданса? Паяльная маска представляет собой диэлектрический материал (Dk ≈ 3,5–4,0), который располагается непосредственно поверх поверхности микрополосок, изменяя электромагнитное поле.

Воздействие: Может снизить сопротивление на 2–5 Ом.
Контроль: Производители должны контролировать толщину с точностью ±5 мкм.
Моделирование: Проектные расчеты должны включать наличие и толщину маски.

5. Каково типичное влияние времени выполнения заказа на LDI по сравнению с пленочной визуализацией? LDI — это последовательный процесс (сканирование каждой панели), тогда как экспонирование пленки — это параллельный процесс (экспонирование со вспышкой).

LDI: Более медленная производительность на каждую панель, но нулевое время настройки для создания графических изображений. Быстрее для прототипов.
Пленка. Высокая производительность производства, но требуется время для печати и проверки пленок.
Общее время: Для платы быстрого поворота LDI часто работает быстрее, несмотря на более низкую скорость сканирования.

6. Почему под паяльной маской заглушенные переходные отверстия иногда выглядят по-другому? Когда переходные отверстия закупорены (точек или заполнены), паяльная маска скапливается на отверстии или материале заглушки, создавая выпуклость или ямочку.

Углубления: Допустимы, если их глубина < 5 мил (IPC-600).
Выпуклости: не должны мешать размещению компонентов (требования к плоскостности).
Визуально: Часто отображается в виде более темной точки из-за увеличения толщины чернил.

7. Как проверить качество отверждения паяльной маски? Промышленным стандартом является испытание на стойкость к растворителям.

Метод: Протрите поверхность тканью, смоченной метиленхлоридом или МЭК.
Критерии: отсутствие деградации, липкости или изменения цвета после указанного количества двойных трений.
Важность: Недостаточно отвержденная маска разрушается во время пайки HASL или пайки оплавлением.8. Каков минимальный зазор для открытия маски для помощи бандам? Рельеф группы открывает блок маски вокруг группы контактов (например, разъема), а не отдельных контактных площадок.
Зазор: Обычно 3–5 мил по периметру группы штифтов.
Преимущество: Устраняется необходимость использования тонких перемычек между штифтами.
Недостаток: Увеличивается риск образования мостиков при пайке волной.

Глоссарий (ключевые термины)

Срок	Определение
LPI (жидкое фотоизображение)	Чернила, которые можно отображать фотографически (например, на пленке) для определения точных узоров. Промышленный стандарт для паяльной маски.
LDI (лазерная прямая визуализация)	Процесс цифровой визуализации, в котором используются УФ-лазеры для экспонирования маски непосредственно из данных САПР, минуя физические пленки.
SME (расширение паяльной маски)	Расстояние от края медной площадки до края отверстия паяльной маски.
Плотина (Интернет)	Узкая полоска материала паяльной маски, которая остается между двумя соседними открытыми площадками.
Подрез	Эрозия боковой стенки паяльной маски у основания, обычно вызванная недостаточной экспозицией или чрезмерным проявлением.
Палатка	Закрываем переходное отверстие паяльной маской, чтобы предотвратить попадание в него припоя.
Кровотечение	Нежелательный поток чернил паяльной маски на контактную площадку, где они

Заключение

soldermask process window легче всего получить правильно, если заранее определить спецификации и план проверки, а затем подтвердить их с помощью DFM и тестового покрытия. Используйте приведенные выше правила, контрольные точки и шаблоны устранения неполадок, чтобы сократить циклы итераций и защитить доходность по мере увеличения объемов. Если вы не уверены в ограничении, проверьте его с помощью небольшой пилотной сборки, прежде чем блокировать производственную версию.