Выпуск #6/2017
Ф.Васильев, А.Горелов
Адгезия паяльных масок, полученных на 3D-принтере
Адгезия паяльных масок, полученных на 3D-принтере
Просмотры: 693
В статье рассматриваются результаты эксперимента по определению адгезии паяльных 3D-масок (то есть масок, созданных на 3D-принтере), проведенного в процессе исследования перспектив внедрения 3D-печати в процессы производства электронных средств.
УДК 621.3.049.75, 621.793-023.5
ВАК 05.11.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.166.6.194.196
УДК 621.3.049.75, 621.793-023.5
ВАК 05.11.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.166.6.194.196
Теги: 3d printing 3d-печать built-in components printed circuit boards solder mask solder mask adhesion адгезия паяльной маски встроенные компоненты паяльная маска печатные платы
Аддитивные технологии находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности. Оперативное изготовление изделий практически любых конфигураций без использования оснастки открывает широкие перспективы в машиностроении, архитектуре, даже медицине. Тем не менее, при производстве электронных модулей, в приборостроении эти технологии находят применение в основном только при изготовлении корпусных деталей. Целью исследований, проводимых на кафедре 307 "Технология приборостроения" Московского авиационного института, стало распространение области использования аддитивных технологий на процессы производства печатных плат, а именно – на получение паяльных масок методом 3D-печати ("3D-масок") [1, 2]. При этом рассматриваются два направления: использование 3D-масок для фиксации компонентов, расположенных на внешних слоях печатного узла, и применение их на внутренних слоях многослойных печатных плат со встроенными компонентами, где фактически невозможно нанесение паяльной маски по традиционной технологии.[1]
К печатным узлам техники ответственного назначения предъявляются повышенные требования в отношении надежности, в том числе виброустойчивости [3]. В тех случаях, когда известно, что печатный узел будет испытывать значительные механические нагрузки, часто применяется фиксация компонентов на плате при помощи клея. Опыт применения таких печатных узлов показывает, что в процессе эксплуатации возможен отрыв паяльной маски от платы, что приводит к выходу узлов из строя. Использование 3D-печати для получения паяльной маски из материала, сходного с материалом печатных плат (стеклотекстолитом), может улучшить адгезию паяльной маски к плате и повысить механическую прочность узла в целом. При этом возникает возможность нанесения "рельефных" паяльных масок, учитывающих конструктивные особенности изготавливаемого печатного узла, способных "обнять" нужные компоненты.
В качестве материала для 3D-масок можно использовать эпоксидные фотополимеризующиеся композиции, как правило, имеющие температуру стеклования от 50 до 120 °C, что позволяет в процессе групповой пайки дополнительно "приклеивать" электронные компоненты к печатной плате самой маской. Таким образом, сформировав заданный "рельеф" маски и припаяв компоненты, мы получаем более жесткую структуру узла, позволяющую ему лучше противостоять механическим воздействиям.
На внутренних слоях многослойных печатных плат со встроенными компонентами для уменьшения оттока припоя с контактных площадок может использоваться такой прием, как пассивирование медных дорожек. 3D-печать позволяет предложить новое решение: 3D-маски могут быть использованы не только по своему прямому назначению, но также вместо препрега. Действительно, раз 3D-маски обладают хорошей текучестью при температурах прессования, почему бы не использовать это для склеивания слоев между собой? При этом уменьшаются эффекты сдвига компонентов на внутренних слоях при прессовании, так как толщина масок и объем материала могут варьироваться для различных участков печатных плат. Необходимо отметить еще один аспект: температура, обычно используемая при прессовании многослойных печатных плат, составляет около 180 °C, что фактически исключает применение традиционных припоев типа ПОС‑61 для фиксации компонентов на внутренних слоях. Применение в качестве препрегов паяльных 3D-масок позволяет снизить температуру прессования до 150 °C и ниже, и применение ПОС‑61 становится возможным.
Одними из важных вопросов практического применения паяльных масок является их соответствие определенному набору требований [4]. Одно из наиболее важных требований – адгезия масок к печатным платам. Таким образом, рассматривая применение 3D-масок в указанном выше качестве, необходимо оценить адгезию к материалам печатных плат, а именно к стеклотекстолиту, меди и их комбинации.
Для исследования адгезии проведен ряд экспериментов. В качестве материала образцов использовался фольгированный стеклотекстолит FR‑4 фирмы ISOLA (марка DE‑104). Паяльные маски формировались на специально доработанном 3D-принтере Objet Connex 260 материалом FullCure720, имеющим температуру стеклования 50 °C. Для имитации различной конфигурации проводников на печатных платах на тестовых образцах расположены три зоны (рис.1):
• чистый стеклотекстолит;
• сплошная фольга;
• диагональная сетка из проводников шириной 1 мм с расстоянием между ними 4 мм.
Структура исследуемой платы: основание размером 120 Ч 80 мм толщиной 1,5 мм с описанными зонами (рис.2); связующее (препрег, 3D-маска или их комбинация); верхняя часть толщиной 1,5 мм, аналогичная основанию и ориентированная зеркально для создания симметричных зон. После прессования в верхней части фрезерованием выполнено разделение на элементы размером 5 Ч 5 мм, к которым впоследствии крепятся крючки (рис.3). Количество элементов – 10 шт. в каждой зоне. Адгезия маски проверяется путем измерения усилия отрыва элементов. Для определения влияния толщины 3D-маски и сравнения адгезии с традиционными технологиями (препрегом) изготовлены группы образцов с различными связующими:
• 3D-маска 60 мкм сплошная;
• 3D-маска 90 мкм сплошная;
• 3D-маска 60 мкм сетка;
• 3D-маска 90 мкм сетка;
• препрег;
• препрег плюс 3D-маска 60 мкм сплошная.
Таким образом получается 18 различных комбинаций поверхность / связующее.
Для каждого из вариантов комбинации поверхность / связующее изготавливается по два испытуемых образца, что суммарно дает по 20 измерений на каждый вариант комбинации поверхность / связующее (рис.4).
Усредненные значения результатов измерений приведены в таблице.
Результаты проведенных экспериментов показали, что усилия отрыва, полученные на исследованных образцах с 3D-масками, сравнимы с аналогичными показателями для образцов, изготовленных по традиционной технологии (с препрегом). При этом усилие стабильно для всех видов поверхности и практически не зависит от толщины и конфигурации 3D-маски.
Таким образом, можно сделать вывод, что применение паяльных 3D-масок на внутренних слоях многослойных печатных плат со встроенными компонентами возможно. Необходимо продолжить исследования и выяснить поведение паяльных масок не только относительно основы, но и относительно компонентов, установить наличие и характер затекания припоя под маску, оценить точность нанесения масок, провести поиск их оптимальной конфигурации и т. д.
ЛИТЕРАТУРА
1. Горелов А.О. Нанесение паяльных масок на 3D-принтере // Сборник тезисов докладов Московской молодежной научно-практической конференции "Инновации в авиации и космонавтике – 2014". 22–24 апреля 2014 года. М.: ООО "Принт-салон", 2014.
2. Васильев Ф.В., Горелов А.О. Использование паяльных 3D-масок на внутренних слоях МПП со встроенными компонентами // Труды XXV Международной научно-технической конференции "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации". г. Алушта, 2016. М.: Технология, 2016.
3. КТ‑160D. Квалификационные требования. Условия эксплуатации и окружающей среды для бортового авиационного оборудования. Требования, нормы и методы испытаний.
4. Бегер Е. Паяльная маска: особенности проектирования и изготовления // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2009. № 3. С. 94–98.
В качестве материала для 3D-масок можно использовать эпоксидные фотополимеризующиеся композиции, как правило, имеющие температуру стеклования от 50 до 120 °C, что позволяет в процессе групповой пайки дополнительно "приклеивать" электронные компоненты к печатной плате самой маской. Таким образом, сформировав заданный "рельеф" маски и припаяв компоненты, мы получаем более жесткую структуру узла, позволяющую ему лучше противостоять механическим воздействиям.
На внутренних слоях многослойных печатных плат со встроенными компонентами для уменьшения оттока припоя с контактных площадок может использоваться такой прием, как пассивирование медных дорожек. 3D-печать позволяет предложить новое решение: 3D-маски могут быть использованы не только по своему прямому назначению, но также вместо препрега. Действительно, раз 3D-маски обладают хорошей текучестью при температурах прессования, почему бы не использовать это для склеивания слоев между собой? При этом уменьшаются эффекты сдвига компонентов на внутренних слоях при прессовании, так как толщина масок и объем материала могут варьироваться для различных участков печатных плат. Необходимо отметить еще один аспект: температура, обычно используемая при прессовании многослойных печатных плат, составляет около 180 °C, что фактически исключает применение традиционных припоев типа ПОС‑61 для фиксации компонентов на внутренних слоях. Применение в качестве препрегов паяльных 3D-масок позволяет снизить температуру прессования до 150 °C и ниже, и применение ПОС‑61 становится возможным.
Одними из важных вопросов практического применения паяльных масок является их соответствие определенному набору требований [4]. Одно из наиболее важных требований – адгезия масок к печатным платам. Таким образом, рассматривая применение 3D-масок в указанном выше качестве, необходимо оценить адгезию к материалам печатных плат, а именно к стеклотекстолиту, меди и их комбинации.
Для исследования адгезии проведен ряд экспериментов. В качестве материала образцов использовался фольгированный стеклотекстолит FR‑4 фирмы ISOLA (марка DE‑104). Паяльные маски формировались на специально доработанном 3D-принтере Objet Connex 260 материалом FullCure720, имеющим температуру стеклования 50 °C. Для имитации различной конфигурации проводников на печатных платах на тестовых образцах расположены три зоны (рис.1):
• чистый стеклотекстолит;
• сплошная фольга;
• диагональная сетка из проводников шириной 1 мм с расстоянием между ними 4 мм.
Структура исследуемой платы: основание размером 120 Ч 80 мм толщиной 1,5 мм с описанными зонами (рис.2); связующее (препрег, 3D-маска или их комбинация); верхняя часть толщиной 1,5 мм, аналогичная основанию и ориентированная зеркально для создания симметричных зон. После прессования в верхней части фрезерованием выполнено разделение на элементы размером 5 Ч 5 мм, к которым впоследствии крепятся крючки (рис.3). Количество элементов – 10 шт. в каждой зоне. Адгезия маски проверяется путем измерения усилия отрыва элементов. Для определения влияния толщины 3D-маски и сравнения адгезии с традиционными технологиями (препрегом) изготовлены группы образцов с различными связующими:
• 3D-маска 60 мкм сплошная;
• 3D-маска 90 мкм сплошная;
• 3D-маска 60 мкм сетка;
• 3D-маска 90 мкм сетка;
• препрег;
• препрег плюс 3D-маска 60 мкм сплошная.
Таким образом получается 18 различных комбинаций поверхность / связующее.
Для каждого из вариантов комбинации поверхность / связующее изготавливается по два испытуемых образца, что суммарно дает по 20 измерений на каждый вариант комбинации поверхность / связующее (рис.4).
Усредненные значения результатов измерений приведены в таблице.
Результаты проведенных экспериментов показали, что усилия отрыва, полученные на исследованных образцах с 3D-масками, сравнимы с аналогичными показателями для образцов, изготовленных по традиционной технологии (с препрегом). При этом усилие стабильно для всех видов поверхности и практически не зависит от толщины и конфигурации 3D-маски.
Таким образом, можно сделать вывод, что применение паяльных 3D-масок на внутренних слоях многослойных печатных плат со встроенными компонентами возможно. Необходимо продолжить исследования и выяснить поведение паяльных масок не только относительно основы, но и относительно компонентов, установить наличие и характер затекания припоя под маску, оценить точность нанесения масок, провести поиск их оптимальной конфигурации и т. д.
ЛИТЕРАТУРА
1. Горелов А.О. Нанесение паяльных масок на 3D-принтере // Сборник тезисов докладов Московской молодежной научно-практической конференции "Инновации в авиации и космонавтике – 2014". 22–24 апреля 2014 года. М.: ООО "Принт-салон", 2014.
2. Васильев Ф.В., Горелов А.О. Использование паяльных 3D-масок на внутренних слоях МПП со встроенными компонентами // Труды XXV Международной научно-технической конференции "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации". г. Алушта, 2016. М.: Технология, 2016.
3. КТ‑160D. Квалификационные требования. Условия эксплуатации и окружающей среды для бортового авиационного оборудования. Требования, нормы и методы испытаний.
4. Бегер Е. Паяльная маска: особенности проектирования и изготовления // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2009. № 3. С. 94–98.
Отзывы читателей
