Добрый день, уважаемые радиолюбители.

В предыдущих частях (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) данной статьи мы рассмотрели с вами процесс подготовки поверхности стеклотекстолита перед изготовлением печатной платы, нанесение защитного рисунка, множество рецептов травления проводящего рисунка, процесс химического лужения проводящего рисунка, а так же способы изготовления фотошаблонов для экспонирования фоторезиста и паяльной маски [3-9].

Сегодня же мы поговорим с вами о том, что же такое паяльная маска, для чего она предназначена и как её можно нанести на печатную плату в домашних условиях.

Итак, согласно [1] паяльная защитная маска печатной платы (сокр. паяльная маска) — термостойкое покрытие, наносимое избирательно для защиты отдельных участков печатной платы в процессе пайки.

Несмотря на указанное определение реальное назначение паяльной маски несколько шире. Кроме защиты участков печатной платы во время пайки паяльная маска дополнительно защищает проводящий рисунок и основание печатной платы от воздействия факторов окружающей среды (сырости, корродирующих веществ, плесневых грибков и пр.), случайного короткого замыкания, а так же обеспечивает более эстетически приятный внешний вид.

По типу агрегатного состояния паяльные маски (аналогично фоторезистам) можно разделить на следующие категории:

• жидкие (в т.ч. наносимые в виде аэрозоля);
• пленочные (сухие).

В данной части статьи мы поговорим о плёночной паяльной маске (в данный момент жидкой маски у меня нет, но как снова появится я обязательно напишу небольшую отдельную статью).

По количеству компонентов можно выделить:

• однокомпонентную паяльную маску (хотя не всё что выдаётся за однокомпонентную паяльную маску в реальности является таковой — очень часто это УФ-отверждаемый лак для ремонта печатных плат, а не паяльная маска в классическом её понимании);
• двухкомпонентную паяльную маску.

По способу отверждения паяльной маски можно выделить:

• термического отверждения (требующие дубления);
• ультрафиолетового отверждения (фотоформируемые);
• комбинированного отверждения.

Как я уже говорил выше, в данной части статьи мы поговорим о плёночной паяльной маске. Для проведения экспериментов, изготовления опытных образцов, а так же плат для некоторых своих проектов я использовал паяльную маску Dynamask серии 5000. Данная паяльная маска выпускается 3 типов в зависимости от толщины фотополимера: D5016 с толщиной фотополимера 40 микрон, D5030 с толщиной фотополимера 75 микрон и D5040 с толщиной фотополимера 100 микрон. У меня оказалась в наличии как раз последняя — D5040 [2, 10, 11].

Сама по себе паяльная маска состоит из трёх слоёв – среднего, с нанесённым фоточувствительным материалом и двух крайних – защитных (см. фото ниже). При этом защитные слои отличаются типом защитной плёнки – тот слой, что находится с внутренней стороны рулона матовый и мягкий (самый левый на фото), а тот, что с наружной стороны – глянцевый и жёсткий (самый правый на фото).

Наносить паяльную маску можно либо перед проведением химического лужения, либо после. Каждый из способов обладает своими достоинствами и недостатками.

В случае нанесения паяльной маски перед химическим лужением поверхность контактных площадок гарантированно покроется тонким слоем оксида меди при дублении маски. Такой оксидный слой в большинстве случаев необходимо будет удалить химическим способом перед лужением т.к. не все составы химического лужения способны лудить по оксидной плёнке. Основным плюсом такого способа является экономия состава для химического лужения.

Если же наносить паяльную маску после химического лужения, то есть риск окисления уже залуженных контактных площадок при нарушении технологии лужения, а так же технологии дубления паяльной маски. Но указанный дефект достаточно просто исправить, о чём мы поговорим в конце данной статьи.

Итак, теперь рассмотрим сам процесс нанесения паяльной маски. Будем считать, что наносим мы паяльную маску непосредственно после травления, либо химического лужения. Таким образом, после тщательной промывки печатной платы на данных этапах у нас поверхность полноценно готова и её нет необходимости как-то подготавливать дополнительно.

Сам процесс наклеивания паяльной маски достаточно сильно похож на процесс нанесения плёночного фоторезиста.

Фактически нам необходимо отрезать кусок паяльной маски немного больше, чем размер нашей печатной платы (заготовки). Далее аккуратно отклеивается матовая защитная плёнка с одного из краёв отрезанного куска (матовая защитная плёнка находится на внутренней стороне рулона). Достаточно удобно это делать, используя небольшой кусочек скотча, изоленты, либо с использованием канцелярского ножа (скальпеля).

После этого край паяльной маски прижимается к заготовке с небольшим напуском и тщательно проглаживается руками, а лучше куском мягкой ткани. Постепенно отделяя защитную плёнку производится наклеивание маски на всю поверхность заготовки. При этом подготовленной поверхности заготовки нельзя касаться руками — что бы не оставить потожировых отпечатков. 

После наклеивания маски необходимо острыми ножницами либо скальпелем (лезвием) аккуратно обрезать выступающие края по контуру платы. Для более качественной адгезии паяльной маски к поверхности заготовки необходимо заготовку пропустить через ламинатор 2-4 раза с температурой 70-80 градусов Цельсия (при этом температура платы будет 60-70 градусов Цельсия, что является оптимальным диапазоном для данной паяльной маски).

Если же температура будет выше, то маска может пойти волнами, вспучиться и/или частично полимеризоваться (произойдёт дубление), что создаст множество дополнительных проблем т.к. в случае частичного дубления (полимеризации) дальнейшее изготовление печатной платы становится невозможным и весь процесс придётся повторить с самого начала. Для тех же целей, впрочем, можно воспользоваться и обычным утюгом с аналогично установленной температурой. В этом случае плата аккуратно проглаживается через несколько слоёв бумаги в течении 5-10 секунд.

Более качественно нанести паяльную маску можно непосредственно с использованием ламинатора без предварительного полного наклеивания на заготовку. В этом случае необходимо наклеить на плату только самый край паяльной маски с небольшим припуском, а дальше поместить плату в заранее разогретый ламинатор. По мере прохождения платы через ламинатор производится дальнейшее отклеивание защитной плёнки.

В этом случае паяльная маска и печатная плата соприкасаются только непосредственно на валах ламинатора. При таком наклеивании результат получается ощутимо лучше т.к. из-за более высокой толщины (по сравнению с плёночным фоторезистом) наклеить чисто вручную без мелких пузырей маску значительно сложнее. По этой же причине (из-за более высокой толщины) процесс наклеивания с помощью ламинатора достаточно прост.

После первого прохода через ламинатор необходимо обрезать все выступающие излишки паяльной маски по контуру платы и пропустить плату через ламинатор ещё 2-3 раза.

Впрочем, таким же способом можно наклеивать и плёночный фоторезист, но из-за более низкой толщины необходима некоторая сноровка. На видео ниже данный процесс (наклеивание паяльной маски) показан наглядно.

Итоговый результат наклеивания паяльной маски показан в подборке фото ниже.

После наклеивания паяльной маски необходимо провести экспонирование через фотошаблон. Согласно описанию фотополимер данной паяльной маски является негативным т.е. те области, которые будут проэкспонированы полимеризуются и становятся нерастворимыми в проявителе. Исходя из этого фотошаблон необходимо выполнять в позитиве т.к. нам необходимо защитить от полимеризации участки паяльной маски, находящиеся поверх контактных площадок. Способы изготовления фотошаблонов мы подробно рассматривали в предыдущей части данной статьи, поэтому не будем на этом останавливаться.

В подборке фото ниже показаны примеры изготовленных фотошаблонов.

Экспонирование производится полностью аналогично плёночному фоторезисту. Определение оптимального времени экспонирования фоторезиста, а так же паяльной маски мы рассмотрим в следующей, заключительной части данной статьи.

Тут следует заметить, что проэкспонированная через фотошаблон паяльная маска выглядит точно так же, как и до экспонирования т.е. не будет никаких отличий в цвете и/или яркости экспонированных и не экспонированных областей (как это было в примере с фоторезистом — там экспонированные и не экспонированные области отличались по цвету и яркости). Эту особенность необходимо учитывать, если изготавливается более 1 заготовки за раз (во избежание их перемешивания).

После экспонирования необходимо убрать заготовку в тёмное место и подождать 10-15 минут для полного окончания полимеризации фотополимера. Теперь можно переходить к проявлению.

Для проявления необходимо снять верхнюю защитную плёнку с засвеченной заготовки (это удобно делать аналогично снятию нижней плёнки) и поместить заготовку в 1-2% раствор кальцинированной соды (не выливайте его после проявления фоторезиста).

Далее необходимо мягкой кистью (либо руками в перчатках) оперативно и аккуратно смывать остатки не засвеченной паяльной маски в растворе до полного её удаления. Кстати говоря, не засвеченные участки после помещения в раствор кальцинированной соды, поменяют цвет (см. подборку фото ниже).

После этого плата аккуратно обильно промывается водой до полного удаления остатков кальцинированной соды, промакивается тканью или сушится потоком тёплого воздуха без фанатизма.

Не стоит использовать на данном этапе более концентрированные растворы кальцинированной соды либо гидроксид натрия (как и гидроксид калия) т.к. есть риск частичного или полного разрушения паяльной маски.

Если же на каких-то участках вас не удовлетворяет качество паяльной маски (есть отставание участков из-за пузырей либо плохой подготовки поверхности, есть участки с мелкими пузырями из-за частичного растворения маски в проявителе и пр.), то необходимо все остатки маски смыть 3% раствором гидроксида натрия (каустической соды), обильно промыть заготовку водой, обезжирить и повторить процесс наклеивания и проявления с самого начала.

В реальном времени начало процесса проявления показано на видео ниже.

После проявления и подсушивания заготовки необходимо провести окончательное ламинирование паяльной маски для обеспечения хорошей адгезии на границе экспонированной и не экспонированной областей. Для этого необходимо взять заготовку, поместить поверх маски ранее снятую защитную плёнку (вы же её ещё не выкинули?), перевернуть полученный бутерброд на лист бумаги вверх ногами, подогнуть край и пропустить через ламинатор с той же рабочей температурой ещё 2-3 раза (делать это необходимо аккуратно т.к. паяльная маска без защитной пленки относительно мягкая и её легко повредить). Готовый бутерброд перед окончательным ламинированием показан в подборке фото ниже.

Процесс окончательного ламинирования в реальном времени выглядит вот так.

После окончательного ламинирования необходимо провести финишное экспонирование, аналогично фоторезисту. Для этого платы вновь помещают под источник УФ-излучения и экспонируют без трафарета и покровного стекла время, превышающее оптимальное время экспонирования через фотошаблон в 2-3 раза. По окончанию экспонирования выжидают 10-15 минут для окончания полимеризации фотополимера. На этом первый этап нанесения паяльной маски можно считать оконченным.

В подборке фото ниже представлены печатные платы после первого этапа нанесения паяльной маски.

Переходим ко второму этапу.

На втором этапе необходимо провести термодубление (термоотверждение) паяльной маски т.е. выдержать заготовки при температуре 120-130 градусов Цельсия в течение часа.

Сделать это можно в духовке с установленным термодатчиком. Причем если платы помещаются в холодную духовку, то температуру сразу можно выставить максимально-необходимую. Если же заготовки помещаются в уже разогретую духовку, то первоначально лучше выставить температуру равную 60-70 градусам Цельсия, выдержать заготовки при данной температуре 10-15 минут, а затем выставить необходимую максимальную температуру и выждать оставшийся промежуток времени (40-50 минут). 

После завершения дубления необходимо выключить нагрев и не открывая духовки дождаться её остывания до температуры хотя бы 50-60 градусов Цельсия (лучше до комнатной). После остывания можно вытащить платы и провести все необходимые слесарные работы (механообработку) — нарезку групповой заготовки на отдельные платы, сверление отверстий, обработку краёв и пр. (если это не было сделано ранее).

В зависимости от количества и размера изготавливаемых печатных плат иногда я провожу механообработку до нанесения паяльной маски, а иногда после. Пример механообработки до нанесения паяльной маски показан на видео ниже.

Образцы полностью готовых печатных плат показаны в подборке фото ниже.

Таким образом данная часть статьи, посвящённая нанесению паяльной маски, подходит к концу. Осталось только пару слов сказать о дефектах.

Выше я отмечал, что излишняя выдержка заготовки в растворе проявления может приводить к частичному растворению паяльной маски и образованию шероховатости. Пример такого дефекта показан на фото ниже. Исправить такой дефект можно только полным удалением паяльной маски и нанесением заново.

Ещё один дефект о котором я упоминал в самом начале — возможность окисления контактных площадок при нанесении паяльной маски после химического лужения. Данный дефект показан в подборке фото ниже.

В общем-то борьба с ним достаточно проста — достаточно вновь поместить платы в состав химического лужения на 30-60 секунд, извлечь и хорошо промыть порошковым чистящим средством типа «Сорти» или «Пемолюкс» либо же 3% раствором каустической соды. При этом промывать чистящим средством необходимо аккуратно, что бы не повредить глянец на паяльной маске (чистящее средство обладает неплохими абразивными свойствами). На функциональность маски это особо не повлияет, но следы в виде потёртостей могут остаться (что несколько ухудшит внешний вид готовой печатной платы).

А на этом на сегодня всё, с уважением, Андрей.

P.S.

В целом изготовление печатных плат в домашних условиях содержит множество моментов, где необходимо просто дождаться окончания того или иного технологического процесса. Например, при нанесении паяльной маски необходимо целый час ожидать её термоотверждения (дубления). Время ожидания можно занять различными интересными экспериментами.

Я думаю всем вам хорошо известно такое вещество как бриллиантовый зелёный? А вы точно знаете как оно выглядит в реальности?

Согласно литературным данным бриллиантовый зелёный — это зелёные кристаллы с золотистым блеском (хотя, я бы сказал скорее блестящие кристаллы жёлто-зелёного цвета). Выпускается бриллиантовый зелёный в 3-х формах: в виде оксалата (как раз та самая привычная нам зелёнка), в виде сульфата и в виде основания.

Теперь о цвете раствора. В большой медицинской энциклопедии написано, что водный раствор бриллиантового зелёного имеет интенсивно зелёный цвет. С одной стороны это так, а с другой — совсем не так. Дело в том, что бриллиантовый зелёный в форме оксалата проявляет свойства индикатора pH.

Самое интересное, но в нейтральной и слабощелочной среде его цвет вовсе не ярко-зелёный, а цвета морской волны (т.е. сине-зелёный фактически). В щелочной среде цвет становится интенсивно синим. А вот в кислой среде (но далеко не всех кислот) цвет раствора, действительно, ярко-зелёный. Что бы это увидеть достаточно добавить в раствор небольшое количество лимонной или винной кислоты — раствор окрасится в соответствующий цвет (см. подборку фото ниже).

Из оксалата достаточно легко получить сульфат — достаточно прилить к раствору небольшое количество серной кислоты (кислотного аккумуляторного электролита — это раствор серной кислоты).

А вот сульфат бриллиантового зелёного проявляет свойства индикатора pH совсем по другому. Изменение окраски происходит в диапазоне от 0.1 до примерно 2.6 от яркого жёлто-оранжевого до зелёного. Если и дальше повышать pH, то цвет достаточно быстро изменится на интенсивно-синий (см. подборку фото ниже).

Если же прилить к оксалату бриллиантового зелёного азотной кислоты, то раствор так же изменит цвет на жёлто-оранжевый или даже ближе к оранжево-красному (в зависимости от концентрации бриллиантового зелёного).

Ну а если же к раствору оксалата добавить гидроксида натрия, то в осадок выпадет само основание зелёного цвета.

В подборке фото ниже наглядно в ряд представлен раствор бриллиантового зелёного при разном pH и в присутствии разных кислот.

Самый левый раствор в колбе — оксалат бриллиантового зелёного в щелочной среде, справа от него — в кислой среде при добавлении лимонной кислоты, правее от него — в кислой среде с добавлением серной кислоты, и самый правый — в кислой среде с добавлением азотной кислоты.

И напоследок, растворы бриллиантового зелёного в кислой среде достаточно неустойчивы — полное обесцвечивание происходит буквально за несколько десятков минут. Впрочем, раствор аммиака так же достаточно быстро и эффективно обесцвечивает данный краситель (в т.ч. на руках).

Растворение кристаллов оксалата бриллиантового зелёного в кислой среде лимонной кислоты выглядит вот так.

Вот такой он, «бриллиантовый зелёный»…

Список использованной литературы:

1. ГОСТ Р 53386-2009. Платы печатные. Термины и определения
2. Сухая плёночная защитная паяльная маска серии Dynamask 5000. Технологический паспорт
3. Подготовка поверхности
4. Нанесение защитного рисунка
5. Травление. Часть 1
6. Травление. Часть 2
7. Травление. Часть 3
8. Химическое лужение
9. Изготовление фотошаблона
10. А. Медведев. Печатные платы. Конструкции и материалы. — М: Техносфера, 2005. — 305 с.
11. Паяльная маска Dynamask 5030 200 х 305 мм ( 75мкм)