טכנולוגיית מסכת לحام ומסכת דפוס ביצירת פלטות מעגלים מודפסים: תכנון, תהליך ובקרת איכות

שכבת מסך לחיישנים (Solder mask) וطبיקת החרוט (Silkscreen) הן רכיבים חיוניים, אך לעתים קרובות מוערכים במעורפל, בייצור לוחות חיבור מודפסים (PCB). בעוד ששכבת המסך לחיישנים מוגנת בעיקר על פני עקבי הנחושת ומבטיחה אמינות של תהליך החישול, טביקת החרוט מספקת מידע קריטי להרכבה, לבדיקה ולתחזוקה. ככל שהצפיפות של לוחות החיבור המודפסים עולה והאריזות של הרכיבים הופכות עדינות יותר, שתי טכנולוגיות אלו – שכבת המסך לחיישנים וטביקת החרוט – נתקלות בדרישות גבוהות יותר במובני דיוק, בקרת תהליכים ותיאום עיצוב. מאמר זה דן בחומרים, בשיטות עיבוד, בכלל העיצוב ובפגמים נפוצים הקשורים לשכבת המסך לחיישנים ובטביקת החרוט בייצור מודרני של לוחות חיבור מודפסים.

1. התפקיד של שכבת המסך לחיישנים וטביקת החרוט

1.1 פונקציית שכבת המסך לחיישנים

שכבת המסך לחיישנים היא שכבת כיסוי פולימרית המופעלת על פני משטחי הנחושת של לוח חיבור מודפס (PCB), תוך השארת פדים לחישול חשופים בלבד.

התפקידיים העיקריים שלה כוללים:

· מניעת חיבור לא רצוי של סגירת חישול (solder bridging) במהלך ההרכבה

· הגנה על הנחושת מפני חילוף ואכלוס

· שיפור הבידוד החשמלי

· שיפור האמינות המיכנית והסביבתית

1.2 פונקציית טביקת החרוט

הדפוס החרוט משמש להדפסת מידע הקשור לרכיבים על פני שטח הלוח הפלסטי (PCB).

תוכן טיפוסי של הדפוס החרוט:

· סימני הפניה

· תרשימי הרכיבים

· סימני קוטביות

· לוגואים, קודים גרסאות והזהרות

הדפוס החרוט הברור משפר את יעילות ההרכבה, את דיוק הבדיקה ואת היכולת לתיקון ותחזוקה לאורך זמן.

2. חומרי מסכת הלחיצה وأنواعיה

2.1 חומרי מסכת הלחיצה הנפוצים

לרוב מסכות הלחיצה מבוססות אפוקסי או פולימרים שניתן לצלם עליהן.

תכונות מפתח של החומר:

· הדבקה טובה לנחושת ולשכבה מרובה

· עמידות חום להלחמה חוזרת (reflow soldering)

· עמידות כימית לפלקס ולסוכני ניקוי

2.2 מסכה להלחתה צילומית נוזלית (LPI)

מסכת ההלחתה הצילומית הנוזלית היא הסטנדרט התעשייתי.

יתרונות:

· רזולוציה גבוהה

· מתאימה ללוחות מודפסים בעלי מבנה צפוף (fine-pitch) ולוחות מודפסים בעלי צפיפות גבוהה (HDI)

· עובי אחיד וקיטוב טוב

זרימת תהליך בסיסית:

1. שכבת כיסוי (בשיטה של ספראי או מסך)

2. קיזוז מוקדם

3. חשיפה לאור UV עם כלי אופטי

4. פיתוח

5. קיזוז סופי

3. שיקולים לעיצוב מסכת הלחיצה

3.1 סוגי פתחי מסכת הלחיצה

· לא מוגדר על ידי מסכת הלחיצה (NSMD):

· לוחית מוגדרת על ידי נחושת

· אמינות טובה יותר של חיבור הלחיצה

· מועדף עבור אריזות BGA ואריזות עם פITCH עדין

· מסכה ללחיצה המוגדרת על ידי מסכת הלحام (SMD):

· ערכת החיבורים מוגדרת על ידי פתח מסכת הלحام

· משמש כאשר המרחק בין ערכות החיבורים צמוד מאוד

3.2 רוחב הפער של מסכת הלحام

· רוחב פער טיפוסי: 2–4 מיל (50–100 מיקרומטר)

· קטן מדי: סיכון להשתלטות של המסכה

· גדול מדי: נחושת חשופה ויצירת גשרי לחם

העיצוב חייב לקחת בחשבון את סבירות היצרנית.

3.3 רוחב הדאם והווב

· דיקום מסכת לحام בין המגעים מונע חיבור לא רצוי

· רוחב הדיקום המינימלי הוא בדרך כלל ≥ 4 מיל

· לוחות HDI עשויים לאפשר ערכים קטנים יותר, בתנאי אימות תהליך

4. בעיות באיכות מסכת הלحام ופגמים בה

4.1 פגמים נפוצים במסכת הלحام

· אי-יישור (שגיאת רישום)

· חורים קולבים וריקים

· התפצלות לאחר תהליך ההחזרה (reflow)

· הדבקה לקויה או התנתקות

4.2 סיבות ואמצעי מניעה

· ניקוי לא מספיק של המשטח לפני הצבת השכבה

· אנרגיית חשיפה לא מתאימה

· פרופיל קיבוע לא מספיק

· אי התאמה בין כללים לעיצוב ובין יכולות היצרנית

בקרת התהליך ובחינת עקרונות העיצוב לייצור (DFM) הן חיוניות.

5. טכנולוגיית הדפסת סילק스크reen

5.1 חומרי סילק스크reen

דיו סילק스크reen חייב:

· לספק סבילות לטמפרטורות החזרה (reflow)

· להתחבר היטב למסכת הלחיצה

· שימור היכולת לקרוא את התוכן לאורך כל תקופת חייו של המוצר

צבעים נפוצים:

· לבן (הנפוץ ביותר)

· צהוב, שחור (יישומים מיוחדים)

5.2 שיטות הדפסה

· הדפסת מסך (מסורתית)

· הדפסת גושי דיו (דיגיטלית, דיוק גבוה)

הдפסת גושי דיו על מסך מספקת:

· רזולוציה גבוהה יותר

· אין מסך פיזי

· יישור טוב יותר על לוחות צפופים

6. הנחיות לעיצוב הדפסת החרטום

6.1 קריאות ומקומו של הדפס החרטום

· גובה מינימלי של טקסט: ≥ 1.0 מ"מ (מומלץ)

· להימנע מהצבת הדפס החרטום על:

· פדים

· פתחי ויית'

· אזורים של BGA

6.2 סימני קוטביות וכיוון

· הצגה ברורה לקטבים של דיודות, קondenסאטורים ופין 1 של מעגלים משולבים (IC)

· סגנון סימון עקבי בכל הלוח

· להימנע מאי-ודאות שעלולה לגרום לשגיאות בהרכבה

6.3 דפוס סילק스크reen לעומת תהליך ההרכבה

הדפוס על הסילק스크reen לא חייב לפגוע ב:

· הדפסת משחת הלחיצה

· דיוק במיקום הרכיבים

· בדיקת AOI

הצטברות של דפוס סילק스크reen על המגעים עלולה לגרום לבעיות ביכולת הלחיצה.

7. בדיקות ובקרת איכות

7.1 בדיקת מסכת הלחיצה

· בדיקה ויזואלית

· בדיקת עובי ומכסה

· בדיקת הדבקות והקשיחות

7.2 בדיקת דפוס החריטה (Silkscreen)

· דיוק יישור

· קריאות לאחר תהליך הריפלו

· עמידות לניקוי ולמאמצים סביבתיים

הבדיקה האופטית האוטומטית (AOI) משמשת באופן רגיל לשתי השכבות.

8. שיקולים של אמינות וסביבתיים

שכבה עליונה איכותית (solder mask) ודפוס חריטה (silkscreen) חייבים לשרוד:

· מחזורי ריפלו מרובים

· מחזורי חום

· לחות וחשיפה כימית

לוחות מدارים לרכב ולתעשייה דורשים לעתים קרובות חומרים מדרגה גבוהה יותר ובקרת תהליך הדוקה יותר.