Защитная паяльная маска: с самого начала. Часть 2

№ 5’2015
PDF версия
Чтобы не отставать от современных технологий производства, предугадывать тенденции развития и искать новые направления для разработок, специалистам необходимо четкое понимание паяльной маски как материала. В этой части статьи речь пойдет о взаимосвязи между требованиями, предъявляемыми к жидким паяльным маскам, и материалами, из которых их изготавливают.

Часть 1.

Жидкая защитная паяльная маска — специальный лакокрасочный материал, обладающий способностью при нанесении его тонким слоем на печатную плату образовывать на поверхности защитную пленку. Отвержденная паяльная маска — лакокрасочное покрытие, сформировавшееся на поверхности платы после нанесения одного или нескольких слоев и обладающее достаточной адгезией к подложке и набором обеспечиваемых требуемых эксплуатационных свойств.

Согласно существующим стандартам ГОСТ Р 54849-2011 и IPC-SM‑840E, к покрытиям предъявляются определенные требования:

  • по внешнему виду (нанесение паяльной маски не должно ухудшать внешний вид изделия);
  • химические (устойчивость к воздействию атмо-сферы, агрессивных газов, щелочей, кислот, химических растворов, воды, масел, растворителей, моющих средств);
  • физико-химические (износостойкость, прочность, твердость, эластичность, адгезия);
  • защитные (термостойкость, светостойкость, морозостойкость);
  • электроизоляционные;
  • по реакции на воздействие окружающей среды и др. [1].

Также требования предъявляются к составу и к входящим в состав маски компонентам.

Жидкая защитная паяльная маска по своей сути — высоконаполненная многокомпонентная чувствительная к ультрафиолетовому излучению полимерная система на основе модифицированных эпоксидных смол. В ее композицию входят также пигменты, отвердители, растворители, фотоинициаторы и добавки [2] (табл. 1).

Таблица 1. Ориентировочный состав жидких паяльных масок серии PSR‑4000 (по данным японской компании Taiyo Ink)

Категория

Название

Содержание, весовой %

Смола

Модифицированная эпоксидная смола, мономер

33,6

Смола

Эпоксидная смола

10,7

Наполнитель

Сульфат бария, двуокись кремния

23

Пигмент

Фталоцианин зеленый

0,3

Катализатор

Фотоинициатор, аминосоединения

6,2

Добавка

Выравнивающий агент

1,2

Растворитель

Органические растворители

25

Всего

100

Технологии изготовления паяльных масок различаются как по аппаратурному оформлению, так и по рецептурному составу. Каждая фирма выпускает свою серию паяльных масок с уникальным соотношением компонентов. Классы веществ порой существенно различаются друг от друга. Рецептуры паяльных масок являются коммерческой тайной компаний, не разглашаются и защищаются действующим законодательством.

 

Эпоксидная основа

В целом, рассматривая химическую структуру композиционных материалов для паяльных масок, необходимо отметить, что основным элементом рецептуры, обеспечивающим важнейшие их свойства, является полимерное связующее.

До появления высокотехнологичных жидких фотоформируемых защитных паяльных масок щелочного проявления использовались маски на эпоксидной основе. Они были одно- и двухкомпонентными и отверждались термически [3].

Эпоксидные смолы широко применяемых в производстве лакокрасочных материалов, клеев, компаундов используются как связующие при производстве слоистых пластиков на основе стеклоткани, таких как стеклотекстолит. Отрасли применения эпоксидных смол включают в себя электротехническую и радиоэлектронную промышленность, машиностроение. Отвержденные смолы характеризуются высокой адгезией к металлам, стеклу и другим материалам, механической прочностью, химической стойкостью, хорошими диэлектрическими показателями, а также низкой усадкой в процессе отверждения. Все эти свойства как нельзя лучше подходят для использования в композиции защитной паяльной маски. Эпоксидные смолы способны отверждаться при пониженных, комнатных (холодное отверждение) или повышенных температурах (горячее отверждение). В зависимости от режимов отверждения и конечных свойств материала можно варьировать количество и тип отвердителей. Горячее отверждение применяется для придания улучшенных физико-механических свойств [4].

Чтобы обеспечить возможность фото-отверждения паяльной маски под действием УФ-излучения, необходимо наличие непредельных связей, способных к полимеризации. Эпоксидные смолы регулируют в широком диапазоне совмещением смол с различными мономерами, олигомерами и полимерами, с минеральными и органическими наполнителями. В связи с этим была проведена модификация используемых эпоксидных смол ненасыщенными соединениями. Олигомерные основы изготавливались методом проведения реакции между акриловым полимером и необходимым количеством другого функционального полимера с той целью, чтобы создать композицию, сочетающую в себе положительные свойства как акрилового, так и другого функционального полимера. Так, в состав маски Carapace входят модифицированная эпоксидная и акриловая смолы [5].

В настоящее время одним из перспективных направлений модификации полимеров с целью придания им заданного комплекса свойств является создание многокомпонентных систем на основе полимеров. К числу таких модифицированных олигомеров относятся и так называемые эпоксиакрилаты. Паяльные маски серии PSR‑4000 (Taiyo Ink) изготавливаются на основе модифицированной эпоксидной смолы — эпоксиакрилата [6]. Сочетание виниловых мономеров и эпоксидных олигомеров придает материалам свойства, которые определяются индивидуальными характеристиками олигомеров и мономеров каждого типа. Так, присутствие в композиции эпоксидного олигомера обеспечивает высокую адгезию, ударную вязкость, упругость, химическую стойкость и твердость, влагостойкость, изоляционные свойства и другие высокие значения физико-механических характеристик. Акриловые компоненты позволяют направленно регулировать температуру стеклования, время сушки или время отверждения, способность образования поперечных связей, твердость, эластичность, сорбционные свойства и гидрофильность композиций, а также внешний вид покрытий. Существует огромное количество различных олигомеров данного класса, отличающихся как по своей структуре, так и по свойствам.

Материалы на основе эпоксиакриловых олигомеров обладают уникальным комплексом ценных всех вышеперечисленных эксплуатационных свойств (табл. 2) [7]. Наличие непредельных связей в молекуле эпоксиакриловых олигомеров обуславливает возможность их отверждения под действием УФ-облучения. Все это обеспечивает их успешное применение в качестве полимерной основы паяльной маски.

Таблица 2. Свойства эпоксиакрилатов

Показатель

Значение

Плотность, г/см3

1,1–1,3

tстекл., °С

80–180

σраст., МПа

40–85

σсж, МПа

140–280

Модуль упругости при растяжении, МПа

2300–3900

Относительное удлинение, %

3–7

Ударная вязкость, кДж/м2

2–7

Твердость по Бринеллю, МПа

150–250

Твердость «по карандашу», Н

6

Температура 10%-ной потери массы
при скорости нагрева 3 °С/мин, °C

220–320

 

Наполнитель

Вторым по важности компонентом паяльной маски, определяющим ее технологические, реологические и эксплуатационные свойства, является наполнитель, частицы которого равномерно распределены в среде жидкого связующего. При правильном подборе компонентов и их соотношения в системе «пигмент–наполнитель» можно изменить и улучшить свойства композиции: придать определенную вязкость, улучшить разлив, предотвратить оседание пигментов, повысить прочность, атмосферостойкость и теплостойкость готового покрытия.

Наполнители — это высокодисперсные вещества неорганического происхождения, которые вводятся в состав только непрозрачных лакокрасочных материалов. Наполнители не растворяются в растворителях, воде, олифах и других дисперсионных средах. Большинство материалов, используемых в качестве наполнителей, белого цвета либо слегка окрашены.

Введение наполнителей в композицию паяльной маски преследует две цели: придание особых заданных свойств жидкой маске и готовому защитному покрытию, а также удешевление (снижение себестоимости) материала за счет сокращения количества дорого-стоящей полимерной основы в композиции и замены дорогого пигмента более дешевыми наполнителями.

К наполнителям предъявляются следующие требования:

  • хорошая смачиваемость жидким полимером/растворителями;
  • способность совмещаться с полимером с образованием однородной массы (для дисперсных наполнителей), а также с пигментами и другими компонентами;
  • обеспечение требуемых свойств и неизменность их при хранении и переработке;
  • минимальная стоимость.

Так как жидкие фоточувствительные паяльные маски обеспечивают возможность получения изображения с высоким разрешением и точностью совмещения около ±0,1 мм, частицы наполнителя должны иметь максимальную дисперсность. Размер частиц наполнителя лежит в диапазоне 0,5–40 мкм; предпочтительнее использовать наполнители с размером частиц не более 12 мкм. Также к паяльным маскам предъявляются требования по твердости, химстойкости и устойчивости к высоким температурам. Все они должны учитываться при выборе наполнителя. Обычно в качестве наполнителей в составах жидких паяльных масок используются сульфат бария и диоксид кремния (рис. 1).

Сульфат бария

Рис. 1. Сульфат бария

Сульфат бария химически инертен, поэтому используется в производстве специальных химически стойких лакокрасочных материалов. При добавлении в состав лакокрасочных материалов он придает им дополнительную устойчивость к химическим воздействиям, а также высокую твердость и термостойкость. Также сульфат бария обеспечивает хорошую адгезию композиции к металлам, что актуально для печатных плат.

Диоксид кремния (аэросил) — практически чистый оксид кремния, синтетический кремнезем, с очень высокой степенью дисперсности (0,02–0,15 мкм). Введение аэросила придает материалам тиксотропные свойства, а готовому защитному покрытию — матовость (рис. 2).

Диоксид кремния (аэросил)

Рис. 2. Диоксид кремния (аэросил)

 

Пигмент

Цвет жидкой паяльной маски определяется входящим в состав пигментом (рис. 3). Пигменты — тонкодисперсные (органические или неорганические) окрашенные порошки, которые обеспечивают декоративные свойства лакокрасочных материалов, такие как цвет и блеск, а также влияют на конечные свойства покрытия (светостойкость, химическая и атмосферостойкость). Пигменты практически нерастворимы в растворителе, воде или пленкообразующих веществах.

Печатные платы с нанесенной паяльной маской различного цвета

Рис. 3. Печатные платы с нанесенной паяльной маской различного цвета

Для обеспечения жидкой паяльной маской требуемых свойств пигменты, входящие в состав, должны быть высокого качества. Качество самих пигментов характеризуется совокупностью их технологических и эксплуатационных свойств, вытекающих из требований, предъявляемых к ним и паяльной маске.

К основным требованиям, предъявляемым к пигментам, относятся:

  • Светостойкость — способность пигментов сохранять свой цвет под действием солнечного света и УФ-излучения. Так как процесс получения изображения на печатной плате происходит путем экспонирования паяльной маски, то данный параметр обязательно должен выдерживаться. Пигмент должен выдерживать мощные воздействия УФ при экспонировании. Не допускается обесцвечивание паяльной маски и изменение цвета печатной платы от партии к партии. Сам цвет маски также влияет на выбор режима экспонирования: чем темнее покрытие, тем больше энергии требуется для полимеризации.
  • Атмосферостойкость — способность пигментов выдерживать без разрушения и изменения цвета воздействие внешней среды: кислорода, СО2, других газов, содержащихся в воздухе, воды, замораживания и оттаивания. Поскольку в процессе эксплуатации печатные платы могут подвергаться неблагоприятным воздействиям, данный параметр должен быть выдержан. Если пигмент разрушается со временем, образуя пористое покрытие, пропускающее жидкости и газы, это приведет к разрушению покрытия маски, коррозии проводников и выходу оборудования из строя.
  • Химическая стойкость — способность пигментов противостоять действию кислот и щелочей. В процессе изготовления и эксплуатации печатная плата испытывает воздействие агрессивных технологических (флюс, припой, промывочные жидкости) и природных сред, поэтому входящий в состав пигмент должен выдерживать подобное воздействие.
  • Теплостойкость — способность пигмента выдерживать действие высоких температур без изменения цвета и разложения. Паяльная маска обеспечивает термическую защиту печатной платы и должна выдерживать температуры пайки, которые достигают +220…+260 °C. В процессе изготовления печатной платы, после нанесения, экспонирования и проявки, масочное покрытие отверждается при температурах порядка +150 °C в течение часа. Соответственно, входящий в состав пигмент должен выдерживать данный температурный режим.

Паяльная маска является изоляционным покрытием, и к ней предъявляются требования по диэлектрической прочности, поэтому важным параметром является неспособность компонентов состава проводить или накапливать электрический заряд. Для этой цели необходимо использовать органические пигменты. Это, как правило, органические красители, переведенные в нерастворимую форму (рис. 4). От неорганических они отличаются большей интенсивностью окраски, разнообразием и чистотой тонов, но при этом имеют меньшую свето-, атмосферо- и химическую стойкость. Наибольшее распространение получили азопигменты, фталоцианиновые и полициклические пигменты. Фталоцианиновые пигменты имеют синий, голубой и зеленый цвета. Это одна из самых устойчивых к УФ, нагреву и химическим воздействиям группа органических пигментов [10].

Органические пигменты

Рис. 4. Органические пигменты

Пигменты обеспечивают декоративные свойства и формируют внешний вид печатной платы. Цвет играет важную роль и в дальнейших производственных циклах, таких как маркировка, монтаж, визуальный входной и выходной контроль. При визуальном входном контроле печатных плат яркие цвета и отличия в цвете маски могут привести к повышению утомляемости персонала и увеличению числа ошибок, так как при изменении цвета маски становится сложнее различать проводники под ней и контролировать их качество. При выходном визуальном контроле после монтажа, если паяльная маска имеет черный или белый цвет, контроль наличия и качества установки мелких компонентов усложняется. Также следует помнить, что режимы разведения, нанесения, экспонирования и отверждения масок различных цветов могут отличаться между собой и необходимо это учитывать для получения качественного масочного покрытия.

 

Катализатор

Так как в процессе формирования паяльной маски на печатной плате она проходит стадии экспонирования и термического отверждения, в ее состав должны входить и фотоинициаторы, и отвердители. Энергия применяемых в промышленности источников УФ-излучения недостаточна для непосредственного гомолитического расщепления двойных связей олигомерной основы жидкой паяльной маски, поэтому используют класс веществ, называемых фотоинициаторами.

Фотоинициаторы — функциональные добавки в лакокрасочных материалах радиационного отверждения. Эти химические соединения поглощают УФ-излучение и начинают генерировать свободные радикалы, которые, вступая во взаимодействие с двойными связями модифицированных эпоксидных смол, приводят к радикальной полимеризации (рис. 5). В результате масочный слой из жидкого состояния переходит в твердое, образуя при этом пространственно-сетчатую структуру. Существуют несколько различных классов фотоинициаторов, различающихся как по механизму образования радикалов, так и по активности и оптимальной области применения.

Процесс фотополимеризации

Рис. 5. Процесс фотополимеризации

Фотоинициатор должен соответствовать следующим требованиям:

  • высокая реакционная способность;
  • стабильность при хранении в темноте;
  • термическая стабильность;
  • хорошая растворимость в композиции паяльной маски;
  • отсутствие запаха и низкая токсичность.

Фотоинициирование зависит от интенсивности освещения и температуры. Чем они выше, тем выше скорость полимеризации и короче время экспонирования паяльной маски. Для получения качественного защитного покрытия важно хранить маску вдали от источников УФ-лучей и работать с ней в неактиничном освещении.

В качестве термического отвердителя паяльной маски используют различные аминосоединения для горячего отверждения модифицированных эпоксидных смол, так как высокие физико-технические свойства эпоксидных композиций получаются именно при горячем отверждении. Процесс отверждения эпоксидных смол аминосоединениями достаточно изучен, отработан и описан во многих изданиях, посвященных полимерным материалам [4].

Отвердитель должен соответствовать следующим требованиям:

  • хорошо совмещаться с остальными компонентами в композиции паяльной маски;
  • при температурах ниже +80…+100 °C образовывать с композицией маски стабильные системы;
  • обеспечивать отвержденному покрытию заданные требуемые эксплуатационные свойства.

В настоящее время широкий ассортимент аминных отвердителей для эпоксидных смол позволяет в широких пределах варьировать технологические свойства неотвержденных композиций, такие как вязкость, жизнеспособность, время отверждения, а также целенаправленно регулировать прочностные, диэлектрические и теплофизические характеристики материалов на их основе после отверждения.

 

Растворители

Растворители — жидкости или смеси жидкостей, способные растворять олигомерную основу паяльной маски. Они обеспечивают возможность нанесения паяльной маски различными способами на подложку. При использовании для корректировки технологических свойств (вязкости) их также называют разбавителями. В зависимости от предполагаемого способа нанесения используют различные количества растворителя в композиции паяльной маски. Самые вязкие маски с низким содержанием растворителя используют для нанесения методом сеткографии, а для нанесения методами распыления или поливом количество растворителя должно быть увеличено.

Растворители должны соответствовать следующим требованиям:

  • полностью совмещаться с компонентами композиции паяльной маски, хорошо смачивать наполнитель и пигмент и быть летучими при данных условиях пленкообразования;
  • полимер должен образовывать с растворителем однородную стабильную систему во всех областях концентрации и в широком диапазоне температур.

В настоящее время существует огромный ассортимент органических растворителей для различных лакокрасочных материалов. Для эпоксидных систем применяются бутилацетат, толуол, ксилол, бутиловый спирт, этилцеллозольв, ацетон и др. [11].

 

Добавки

Содержание других компонентов и добавок в композиции паяльных масок невелико, они служат только для улучшения процессов нанесения и придания маскам специфических свойств.

Добавки — вещества, которые влияют на отдельные химические или технологические свойства и обычно добавляются в небольших количествах для придания специальных свойств. Выделяют следующие виды функциональных добавок: загустители (модификаторы реологии), биоциды, поверхностно-активные вещества, диспергаторы, пеногасители, светостабилизаторы, ускорители отверждения, антиоксиданты, матирующие добавки, улучшающие розлив, промоторы адгезии, блескообразователи и т. д.

Выбор типа специальных добавок зависит от следующих факторов:

  • качественный и количественный состав композиции паяльной маски;
  • тип и качество сырья;
  • совместимость компонентов, входящих в состав;
  • оборудование и технологический процесс изготовления маски;
  • оборудование и процесс нанесения и отверждения паяльной маски и др.

Таким образом, жидкие защитные паяльные маски имеют разнообразный и очень сложный состав. В зависимости от фирмы-производителя и типа паяльной маски могут использоваться различные классы веществ; может быть различным как качественный, так и количественный состав композиции. Развитие электронной промышленности стимулирует поиск новых классов веществ, модификации существующих рецептур и разработку новых паяльных масок для решения различных проблем, возникающих при использовании их при производстве печатных плат. Об этом мы поговорим в следующей части статьи.

Литература
  1. ГОСТ Р 54849-2011 «Маска паяльная защитная для печатных плат. Общие технические условия».
  2. Смертина Т. Технология нанесения и обработки жидких защитных паяльных масок. Часть 2 // Технологии в электронной промышленности. 2006. № 1.
  3. Петров Н. Защитная паяльная маска: с самого начала. Часть 1 // Технологии в электронной промышленности. 2015. № 4.
  4. Воробьев А. Эпоксидные смолы // Компоненты и технологии. 2003. № 8.
  5. Материалы компании Electra polymers.
  6. Материалы компании Taiyo Ink.
  7. Энциклопедия полимеров. М. 1974. Том 2.
  8. Герасимова Л. Г., Скороходова О. Н. Наполнители для лакокрасочной промышленности. М.: ООО «Издательство «ЛКМ-пресс». 2010.
  9. Калинская Т. В., Дринберг А. С. Цветные пигменты. М.: ООО «Издательство «ЛКМ-пресс». 2013.
  10. Акулин А. Какой цвет паяльной маски лучше? Материалы компании PCB Technology.
  11. Дринберг С. А., Ицко Э. Ф. Растворители для лакокрасочных материалов. Справочное пособие. Л.: Химия. 1986.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *