Влияние дизайна ногтевой подложки шелкографической печати на равномерность толщины паяльной маски

В производстве паяльной маски печатных плат технология непрерывной двусторонней шелкографической печати жидкой паяльной маски с использованием ногтевой подложки широко применяется в массовом производстве. Поскольку печатные платы существенно различаются по толщине, распределению структуры, диаметру и расположению переходных отверстий, изготовление ногтевой подложки для шелкографической печати представляет значительную сложность. Нерациональное распределение медных гвоздиков на подложке легко приводит к неравномерности толщины паяльной маски. Последствия — хроматическая аберрация внешнего вида, плохая фотообработка паяльной маски или паяные мостики с нарушением сопротивления, что ведет к переработке или браку. Поэтому необходимо установить подробные инструкции по пайке гвоздиков в процессе шелкографической печати паяльной маски для обеспечения качества ногтевой подложки.

Теоретический анализ

Двусторонняя шелкографическая печать паяльной маски — это процесс, при котором жидкая паяльная маска наносится на одну сторону печатной платы, а затем, используя ногтевую подложку шелкографической печати, наносится на другую сторону. Таким образом, реализуется непрерывная печать паяльной маски на обе стороны платы, что сокращает время выдержки и нагрева, повышая эффективность производства печатных плат.

Для изготовления ногтевой подложки шелкографической печати опорные гвоздики устанавливаются в местах совмещения основания подложки с краями печатной платы или положениями переходных отверстий. Сложность технологического процесса предъявляет высокие требования к квалификации, поэтому работу должны выполнять опытные операторы, которые тем не менее могут допускать ошибки: недостаточное количество приваренных гвоздиков, низкая плотность их распределения и смещение позиций при обработке сложных плат или плат нового типа.

Следовательно, необходимо проанализировать влияние ногтевой подложки с различной плотностью распределения гвоздиков на печать паяльной маски, чтобы установить рациональные правила распределения гвоздиков, повысить эффективность изготовления подложки и качество двусторонней шелкографической печати паяльной маски.

Проектирование эксперимента

Факторы эксперимента и планирование уровней

Для трёх вариантов плотности распределения гвоздиков (шаг 5,0 см, 8,0 см, 10,0 см) и трёх вариантов толщины печатной платы (0,8 мм, 1,5 мм, 2,0 мм) эксперимент проводился по схеме перекрёстного соответствия, план представлен в таблице 1.

Номер теста	Номер платы	Толщина платы	Плотность пайки гвоздиков
1	1#, 2#	0,8 мм	5,0 см
2	3#, 4#		8,0 см
3	5#, 6#		10,0 см
4	7#, 8#	1,5 мм	5,0 см
5	9#, 10#		8,0 см
6	11#, 12#		10,0 см
7	13#, 14#	2,0 мм	5,0 см
8	15#, 16#		8,0 см
9	17#, 18#		10,0 см

Изготовление ногтевой подложки

В качестве основы ногтевой подложки используется чистая медная плата размером 457×610 мм, на которую в виде массива равномерно наносятся медные гвоздики, закреплённые зелёной прозрачной лентой. Расстояние между гвоздиками составляет соответственно 5,0 см, 8,0 см и 10,0 см. На подложках с разным шагом расстояние от крайних гвоздиков до края основания должно быть симметричным по вертикали и горизонтали, чтобы избежать разницы толщин из-за неправильного позиционирования гвоздиков при шелкографической печати.

Рассмотрим пример шага 5 см. Длина меньшей стороны медной платы — 45,7 см, в ряд устанавливается 9 гвоздиков с горизонтальным зазором 2,8 см, а по большей стороне — 11 гвоздиков. Всего требуется 99 гвоздиков. Таблица 2 показывает сравнение количества медных гвоздиков при трёх вариантах плотности распределения.

Размер платы	Размер массива	Шаг	Кол-во гвоздиков по короткой стороне	Кол-во гвоздиков по длинной стороне	Общее кол-во медных гвоздиков
457×610 мм	40×50 см	5,0 см	9	11	99
	40×48 см	8,0 см	6	7	42
	40×50 см	10,0 см	5	6	30

Изготовление тестовых плат

Используются чистые медные платы размером 17″×23″ толщиной 0,8 мм, 1,5 мм и 2,0 мм. Каждый тип толщины представлен 6 экземплярами, толщина меди 1 oz с фаской. В качестве примера используется наиболее распространённая зелёная жидкая паяльная маска. Параметры шелкографической печати приведены в таблице 3.

Тип сетки	43T
Тип краски	780H
Вязкость краски	140 дПа·с
Зазор сетки	5 мм
Давление печати	0,49 МПа
Скорость печати	6 Гц
Число раклей	2

Метод накопления данных

Для измерения толщины паяльной маски применяется тестер мокрой плёнки. Поскольку точки измерения расположены вдоль диагонали медных гвоздиков, разница в шаге гвоздиков приводит к различиям в тестовом массиве и точках. Для шага 5 см массив точек измерения мокрой плёнки приведён в таблице 4.

Короткая сторона	(17×25,4−15)/50=8,36	Макс. 8 медных гвоздиков	Массив 8×8 медных гвоздиков
Длинная сторона	(23×25,4−55)/50=10,54	Макс. 10 медных гвоздиков
Число точек измерения	4×(8−1)+1=29	На каждую плату 29 точек

При шаге 5,0 см получается только массив 8×8 гвоздиков; максимальные измеримые массивы для других шагов и числа точек показаны в таблице 5.

Шаг	Размер тестового массива	Число гвоздиков на диагонали	Число точек	Число точек	Суммарное число точек	Общее число точек
5,0 см	35×35 см	8	29	58	174	354
8,0 см	32×32 см	5	17	34	102
10,0 см	30×30 см	4	13	26	78

Для получения данных о толщине сухой краски подготавливается одна ногтевая подложка с шагом 5,0 см и по одной плате каждого типа. Данные сухой плёнки считываются в категории измерения толщины плёнки. Ключевой метод накопления экспериментальных данных представлен в таблице 6.

Тип данных	Метод накопления	Количество данных	Примечание
Толщина мокрой плёнки	Тестер мокрой плёнки	354 точки	Измерение в течение 30 минут после шелкографической печати
Толщина сухой краски	Микроскопическое наблюдение	5×3×3=45	5 точек на каждый вариант шага и толщины платы

Анализ результатов эксперимента

Равномерность краски при разных шагах распределения гвоздиков

На основе анализа толщины напечатанной паяльной маски на ногтевой подложке с разной плотностью гвоздиков равномерность толщины рассчитывается по формуле: .

Результаты анализа представлены в таблице и на рисунке ниже.

Шаг распределения гвоздиков на подложке	Толщина мокрой плёнки (мкм)	Толщина платы
		0,8 мм	1,5 мм	2,0 мм
5,0 см	Макс.	29	29	31
	Мин.	36	38	39
	Брак	7	9	8
	Средн.	32,7	34,3	36,1
	Равномерность	11%	13%	11%
8,0 см	Макс.	30	32	32
	Мин.	42	39	39
	Брак	12	7	7
	Средн.	34,7	35,5	36,2
	Равномерность	17%	10%	10%
10,0 см	Макс.	34	30	28
	Мин.	48	36	36
	Брак	14	6	8
	Средн.	36,9	33,7	34,4
	Равномерность	19%	9%	12%

Выводы:

• Для плат толщиной 0,8 мм равномерность толщины краски при шаге 5,0 см составляет 11%, что лучше, чем при 8,0 см и 10,0 см.
• Для плат толщиной 1,5 мм и 2,0 мм равномерность при шагах 5,0 см, 8,0 см и 10,0 см практически одинакова.
• Разумное уменьшение шага ногтевой подложки заметно улучшает равномерность толщины краски на тонких платах.

Тенденция изменения толщины мокрой плёнки во всех точках измерения

Анализ правил изменения толщины краски в каждой точке показывает, что уменьшение шага распределения гвоздиков улучшает равномерность толщины паяльной маски следующим образом:

• Толщина мокрой плёнки колеблется в зависимости от позиции измерения. В точках с опорой медного гвоздика снизу (например, 1, 5, 9, 13, 21, 25, 29) толщина минимальна. В точках, удалённых от опор (3, 7, 11 (12), 15, 19 (20)) — максимальна.
• В местах с опорой гвоздиков толщина мокрой плёнки ниже, поверхность платы не имеет явных прогибов; в местах без опоры — выше.
• Тонкие платы при шелкографической печати деформируются сильнее, толстые — слабее. Поэтому платы толщиной 1,5 мм и 2,0 мм имеют более ровную поверхность.

Соотношение между толщиной мокрой плёнки, позицией измерения и точкой опоры

• При разных шагах распределения гвоздиков толщина краски на платах разной толщины увеличивается с ростом расстояния от точки измерения до медного гвоздика.
• Чем толще плата, тем меньше изменение толщины краски с увеличением расстояния до гвоздика. Следовательно, жесткость платы выше, и допустимый шаг распределения может быть больше.

Изменение толщины сухой краски на поверхности платы

Тенденция изменения толщины сухой краски по сути совпадает с тенденцией мокрой плёнки, что свидетельствует о допустимости замены измерения сухой плёнки на измерение мокрой при одинаковых условиях. Однако результат измерения мокрой плёнки сильно зависит от вязкости краски, поэтому толщину мокрой плёнки следует измерять в течение 15 минут после шелкографической печати.

Заключение

При перекрёстном тестировании чистых медных плат толщиной 0,8 мм, 1,5 мм и 2,0 мм на ногтевых подложках с шагом медных гвоздиков 5,0 см, 8,0 см и 10,0 см были измерены толщина мокрой плёнки и сухой краски. Выводы:

• Равномерность толщины краски на тонких платах (0,8 мм и менее) может быть существенно улучшена за счёт уменьшения шага ногтевой подложки.
• Толщина мокрой плёнки и сухой краски остаются стабильными, что подтверждает применимость онлайн-измерения тестером мокрой плёнки и мониторинга толщины плёнки краски.

Полезные ресурсы:
• Требования к проектированию SMT печатных плат. Часть 2: Настройки соединений контакт-дорожка, переходные отверстия, тестовые точки, паяльная маска и шелкография
• Эффективные меры по улучшению технологии герметизации переходных отверстий паяльной маской
• Полнофункциональный сервис производства печатных плат от PCBCart — множество ценных опций
• Продвинутый сервис сборки печатных плат от PCBCart — от 1 штуки