Tulostettujen piirilevyjen valmistuksessa käytetty tinakuoren ja silkkipainoksen tekniikka: suunnittelu, prosessi ja laadunvalvonta

Läpikuultava pinnoite (solder mask) ja tulostettu merkintä (silkscreen) ovat olennaisia, mutta usein aliarvioituja elementtejä piirilevyn valmistuksessa. Vaikka läpikuultava pinnoite suojaa pääasiassa kuparitseoksia ja varmistaa luotettavan liittämisen, tulostettu merkintä tarjoaa kriittistä tietoa kokoonpanoa, tarkastusta ja huoltoa varten. Piirilevyn tiukentuessa ja komponenttipakkausten pienentyessä sekä läpikuultavan pinnoitteen että tulostetun merkinnän teknologioita vaaditaan yhä tarkemmin, prosessin hallinnan ja suunnittelun koordinaation osalta asetetaan korkeampia vaatimuksia. Tässä artikkelissa käsitellään moderneissa piirilevyjen tuotantoprosesseissa läpikuultavan pinnoitteen ja tulostetun merkinnän materiaaleja, käsittelymenetelmiä, suunnittelusääntöjä ja yleisiä virheitä.

1. Läpikuultavan pinnoitteen ja tulostetun merkinnän rooli

1.1 Läpikuultavan pinnoitteen toiminto

Läpikuultava pinnoite on polymeeripinnoite, joka levitetään piirilevyn kuparipintojen päälle jättäen ainoastaan liitettävät napat paljastuneiksi.

Sen päätoiminnot sisältävät:

· Estää liitosliiman muodostumista (solder bridging) kokoonpanovaiheessa

· Suojaa kuparia hapettumiselta ja korroosiolta

· Parantaa sähköistä eristystä

· Lisää mekaanista ja ympäristöllistä luotettavuutta

1.2 Tulostetun merkinnän toiminto

Silkkipainatusta käytetään komponentteihin liittyvän tiedon tulostamiseen piirilevyn pinnalle.

Tyypillistä silkkipainatustekstiä:

· Viitereimerkintöjä

· Komponenttien ääriviivoja

· Napaisuusmerkkejä

· Logot, versiokoodit ja varoitukset

Selkeä silkkipainatus parantaa kokoonpanotehokkuutta, tarkastustarkkuutta ja pitkäaikaista huoltettavuutta.

2. Tinattavan kerroksen materiaalit ja tyypit

2.1 Yleisimmät tinattavan kerroksen materiaalit

Useimmat tinattavat kerrokset ovat epoksipohjaisia tai valokuvattavia polymeerejä.

Tärkeimmät materiaaliominaisuudet:

· Hyvä tarttuvuus kupariin ja laminaattiin

· Kuumuudenkesto reflow-tinattavaan

· Kemiallinen kestävyys liimosiin ja puhdistusaineisiin

2.2 Nesteinen valokuvattava (LPI) tinasuojakerros

LPI-tinasuojakerros on teollisuuden standardi.

Edut:

· Korkea resoluutio

· Soveltuu pienien pihtien ja HDI-piirilevyihin

· Tasainen paksuus ja hyvä peittävyys

Perusprosessivirta:

1. Pinnoitus (suihkutus tai verhokäsittely)

2. Esikovatus

3. UV-valon altistus valokuvamallin avulla

4. Kehitys

5. Lopullinen kovettaminen

3. Tinapeitteen suunnittelun huomioitavat seikat

3.1 Tinapeitteen avauksetyypit

· Ei-tinapeitteen määrittämä (NSMD):

· Padi määritetty kuparilla

· Parempi tinasolmuvarmuus

· Suositeltava BGA- ja pienipiitchipakkausten käytössä

· Tinasuojakalvon määrittämä (SMD):

· Tinasuojakalvon aukeama määrittää padin

· Käytetään, kun padien välinen etäisyys on erittäin pieni

3.2 Tinasuojakalvon varaus

· Tyypillinen varaus: 2–4 mil (50–100 μm)

· Liian pieni: tinasuojakalvon tunkeutumisen vaara

· Liian suuri: näkyvä kupari ja tinan yhdistyminen (solder bridging)

Suunnittelussa on otettava huomioon valmistustoleranssit.

3.3 Tinasuojakalvon esteen ja väliseinän leveys

· Tinasuojakalvon este padien välissä estää tinan yhdistymisen (solder bridging)

· Vähimmäispaksuus usein ≥ 4 mil

· HDI-kortit saattavat sallia pienempiä arvoja prosessin validoinnin avulla

4. Tulppausmassan laatuongelmat ja viat

4.1 Yleisimmät tulppausmassan viat

· Virheellinen sijoittelu (rekisteröintivirhe)

· Neulanpäiset reiät ja tyhjäkohdat

· Halkeilu uudelleenlämmityksen jälkeen

· Huono tarttuvuus tai irtoaminen

4.2 Syyt ja ehkäisy

· Huono pinnan puhdistus pinnoituksen ennen

· Virheellinen altistusenergia

· Riittämätön kovettumisprofiili

· Suunnittelusääntöjen ja tehdasvalmiuksien välinen epäsovitteisuus

Prosessin valvonta ja DFM-tarkastus ovat välttämättömiä.

5. Silkkipainoteknologia

5.1 Silkkipainomateriaalit

Silkkipainotussävyjen on:

· Kestävä kuumennuslämpötiloja (reflow-lämpötiloja)

· Tarttuttava hyvin pitsipinnalle

· Säilytettävä luettavuus tuotteen koko elinkaaren ajan

Yleisimmät värit:

· Valkoinen (yleisin)

· Keltainen, musta (erityiskäyttöön)

5.2 Tulostusmenetelmät

· Ruudukkotulostus (perinteinen)

· Mustepisaratulostus (digitaalinen, korkea tarkkuus)

Mustepisaratulostuksen ruudukkotulostukseen verrattuna tarjoaa:

· Korkeamman resoluution

· Ei fyysistä ruutua

· Parempi sijoittuminen tiukkoihin piirikortteihin

6. Ruudukkotulostuksen suunnittelun ohjeet

6.1 Luettavuus ja sijoittelu

· Suositeltava vähimmäistekstinkorkeus: ≥ 1,0 mm

· Vältä silkkipainokseen käytettävän merkinnän sijoittamista:

· Liitosalustoihin

· Reikoihin (via-avauksiin)

· BGA-alueille

6.2 Napaisuus- ja suuntamerkit

· Selkeä merkintä diodeille, kondensaattoreille ja IC:n pinnille 1

· Yhtenäinen merkintätapa koko piirilevyllä

· Vältä epäselvyyksiä, jotka voivat aiheuttaa kokoonpanovirheitä

6.3 Silkkipainos vs. kokoonpanoprosessi

Silkkipainoksen ei saa häiritä:

· Tinatulppapasteen tulostusta

· Komponenttien asennustarkkuutta

· AOI-tarkastusta

Silkkipainoksen päällekkäisyys liitosalustoilla voi aiheuttaa kylmäsolderointiongelmia.

7. Tarkastus ja laadunvalvonta

7.1 Tulppakalvon tarkastus

· Visuaalinen tarkastus

· Paksuuden ja peittävyyden tarkistus

· Liimaus- ja kovuustestaus

7.2 Silkkipainotuksen tarkastus

· Sijoitustarkkuus

· Luettavuus reflow-prosessin jälkeen

· Kestävyys puhdistukseen ja ympäristörasitteisiin

Automatisoitu optinen tarkastus (AOI) käytetään laajalti molemmille kerroksille.

8. Luotettavuus ja ympäristöön liittyvät näkökohdat

Korkealaatuinen tinanpeitekerros ja silkkipainatus on kestettävä:

· Useita uudelleenkäyttökiertoja (reflow-kiertoja)

· Lämpötilan vaihteluita

· Ilmankosteus ja kemikaalien vaikutus

Auto- ja teollisuuspiirilevyissä vaaditaan usein korkealaatuisempia materiaaleja ja tarkempaa prosessin valvontaa.