Mặt nạ hàn PCB: Vật liệu, Loại & Quy trình

Mặt nạ hàn PCB là một lớp bảo vệ quan trọng trong sản xuất bảng mạch in (PCB), chủ yếu được sử dụng để ngăn chặn hàn bám vào các khu vực không cần hàn trong quá trình hàn, do đó tránh ngắn mạch và bảo vệ các đường dẫn đồng khỏi bị oxy hóa, hư hỏng cơ học và ăn mòn môi trường.

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ đi qua mặt nạ hàn PCB từ góc độ kỹ thuật và sản xuất. Chúng tôi sẽ tập trung vào nó là gì, tại sao nó quan trọng, cách nó được áp dụng và cách chọn lựa chọn phù hợp cho môi trường sản xuất thực tế.

Mặt nạ hàn PCB là gì?

Mặt nạ hàn PCB là một lớp phủ bảo vệ mỏng được áp dụng lên bề mặt của bảng mạch in. Nó bao phủ các đường mạch đồng trong khi để lộ các điểm hàn, lỗ thông và điểm kiểm tra để hàn và kiểm tra.

Nói một cách đơn giản, nó hoạt động như một rào cản kiểm soát. Nó ngăn chặn hàn chảy vào những nơi không nên. Nó cũng bảo vệ đồng khỏi bị oxy hóa, ẩm ướt và hư hỏng cơ học nhỏ.

Từ góc độ sản xuất, mặt nạ hàn không phải là trang trí. Nó là một lớp chức năng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng lắp ráp. Nếu không có nó, cầu hàn trở nên phổ biến, công việc sửa chữa tăng lên và độ tin cậy điện giảm.

Công dụng của mặt nạ hàn trong PCB là gì?

• Bảo vệ mạch: Mặt nạ hàn che phủ các đường dẫn đồng, ngăn chặn hàn bám vào các khu vực không cần hàn trong quá trình hàn, tránh ngắn mạch.
• Cách điện và Bảo vệ: Cung cấp cách điện điện, bảo vệ mạch khỏi oxy hóa, ẩm ướt và hư hỏng cơ học, kéo dài tuổi thọ PCB.
• Hỗ trợ hàn: Tạo ra các khe hở mặt nạ hàn (lộ ra các pad hàn) để đảm bảo các khu vực hàn chính xác, cải thiện độ tin cậy và hiệu suất.
• Thẩm mỹ và Nhận diện: Thường có màu xanh lá cây (hoặc các màu khác) với các ký hiệu in lụa (ví dụ: ký hiệu linh kiện), tăng cường khả năng đọc.

Các loại mặt nạ hàn khác nhau là gì?

Các loại mặt nạ hàn thường được phân loại theo phương pháp ứng dụng và cơ chế đóng rắn:

• Mặt nạ hàn LPI (Liquid Photoimageable): Đây là lựa chọn được sử dụng rộng rãi nhất trong sản xuất PCB hiện đại. Nó được áp dụng dưới dạng chất lỏng, được phơi qua mặt nạ ảnh và sau đó được phát triển. Mặt nạ hàn LPI cung cấp độ phân giải cao và độ dày đồng nhất. Nó hoạt động tốt cho các thiết kế chân nhỏ và bố trí dày đặc.
• Mặt nạ hàn phim khô: Mặt nạ hàn phim khô có dạng tấm rắn được cán lên bảng. Nó cung cấp độ dày đồng nhất và cạnh sắc nét. Tuy nhiên, nó gặp khó khăn với bề mặt không đều và ít linh hoạt hơn cho địa hình phức tạp.
• Mặt nạ hàn epoxy: Mặt nạ hàn epoxy được áp dụng bằng cách in lụa. Nó bền và tiết kiệm chi phí cho các bảng đơn giản. Tuy nhiên, độ phân giải bị hạn chế, khiến nó ít phù hợp cho các mạch đường nét mảnh hiện đại.

Màu sắc tiêu chuẩn của mặt nạ hàn PCB là gì?

Dưới đây là các màu sắc của mặt nạ hàn PCB tiêu chuẩn:

• Màu xanh lá cây vẫn là màu phổ biến nhất của mặt nạ hàn PCB. Màu xanh lá cây cung cấp độ tương phản tuyệt vời cho đồng và in lụa. Nó cũng cung cấp hiệu suất quang học ổn định trong quá trình kiểm tra.
• Màu đen mang lại vẻ ngoài cao cấp nhưng hấp thụ ánh sáng, khiến việc kiểm tra trở nên khó khăn hơn.
• Màu xanh dương và đỏ cung cấp sự cân bằng tốt giữa khả năng nhìn thấy và thẩm mỹ.
• Màu trắng thường được sử dụng cho bảng LED nhưng có thể bị đổi màu dưới nhiệt độ cao.
• Màu vàng đôi khi được chọn cho các thiết kế công nghiệp có độ tương phản cao.

Độ dày của mặt nạ hàn nên là bao nhiêu?

Hầu hết các lớp mặt nạ hàn PCB có độ dày từ 15–25 μm (0,015–0,025 mm), phù hợp cho khoảng 90% các ứng dụng thông thường. Các yêu cầu đặc biệt bao gồm: mạch tần số cao yêu cầu độ dày giảm xuống 10–15 μm để giảm thiểu ảnh hưởng của hằng số điện môi lên tín hiệu; các ứng dụng công suất cao/cách điện tăng cường (như mô-đun công suất, thiết bị công nghiệp) có thể yêu cầu độ dày tăng lên 25–30 μm; mực màu đặc biệt (trắng, vàng, đen) yêu cầu độ dày 25–35 μm do yêu cầu phủ.

Vật liệu nào được sử dụng cho mặt nạ hàn PCB?

• Hầu hết các vật liệu mặt nạ hàn là polymer gốc epoxy được điều chỉnh để chịu nhiệt và ổn định hóa học. Những vật liệu này được thiết kế để chịu được nhiệt độ tái chảy và tiếp xúc môi trường lâu dài.
• Các công thức vật liệu mặt nạ hàn PCB hiện đại thường bao gồm chất khởi tạo ảnh cho phơi UV, sắc tố để ổn định màu sắc và chất độn để tăng cường độ cơ học.
• Các ứng dụng độ tin cậy cao có thể yêu cầu mặt nạ có khả năng chịu nhiệt cao, hàm lượng ion thấp và độ bám dính mạnh với bề mặt đồng và laminate.

Làm thế nào để áp dụng mặt nạ hàn trên PCB?

Các bước của Quy trình mặt nạ hàn PCB:

1. Tiền xử lý

• Làm sạch bề mặt: Làm sạch siêu âm bằng chất tẩy dầu kiềm trong 5-10 phút, dư lượng dầu ≤5mg/m²; khắc vi mô làm nhám sử dụng dung dịch amoni persulfate để tạo độ nhám Ra=0,3-0,5μm, độ sâu được kiểm soát ở 1-1,5μm; sấy khô bằng không khí nóng 80℃ trong 5 phút để ngăn ngừa bong bóng.

2. Ứng dụng mực mặt nạ hàn

• In lụa: Màn hình 600 lưới, áp suất gạt 0,2-0,3MPa, độ lệch độ dày ≤±2μm, phù hợp cho các bảng sản xuất hàng loạt độ chính xác thấp.
• Phun phủ: Môi trường phòng sạch cấp 1000, khoảng cách vòi phun 15-20cm từ bảng, phủ đồng đều 15-25μm, lý tưởng cho các cấu trúc phức tạp.
• LPI Liquid Photoimageable: Độ chính xác 0,05mm, độ dày 10-30μm có thể kiểm soát, chủ đạo cho các bảng mật độ cao, độ bám dính mạnh.

3. Nướng trước

• Nướng ở 70-80℃ trong 20-40 phút, dư lượng dung môi ≤1%, độ đồng đều không khí nóng ≤±2℃ để ngăn ngừa đổi màu do quá nhiệt cục bộ.

4. Phơi sáng

• Độ lệch căn chỉnh phơi phim thông thường ±0,05mm; hình ảnh trực tiếp laser LDI cung cấp độ chính xác cao hơn, áp dụng cho BGA có bước ≤0,1mm, UV kích hoạt quá trình trùng hợp quang để đóng rắn các khu vực mặt nạ hàn.

5. Phát triển

• Dung dịch natri cacbonat 1% phun hòa tan mực chưa đóng rắn, kiểm soát chính xác thời gian và nồng độ để tránh phát triển thiếu/quá mức.

6. Đóng rắn sau

• Đóng rắn nhiệt: Nướng ở 140-150℃ trong 30-60 phút, nhựa epoxy hoàn toàn liên kết chéo; đóng rắn hỗ trợ UV tăng cường độ bám dính, độ cứng ≥6H độ cứng bút chì.

7. Xử lý sau

• Sửa chữa thủ công các lỗ kim/vết xước; xử lý bề mặt pad (HASL/ENIG); các thử nghiệm độ tin cậy bao gồm độ cứng, khả năng chống dung môi (xác minh ngâm trong dichloromethane).

Làm thế nào để chọn mực mặt nạ hàn PCB?

Việc chọn mực mặt nạ hàn PCB nên luôn bắt đầu với quy trình lắp ráp, không phải với sở thích màu sắc. Các loại mực khác nhau phản ứng khác nhau với nhiệt, hóa chất và lớp phủ bề mặt. Sự không phù hợp ở giai đoạn này thường xuất hiện sau đó dưới dạng bong tróc, đổi màu hoặc khả năng ướt hàn kém.

Đầu tiên, hãy xem xét nhiệt độ tái chảy. Lắp ráp không chì đặt áp lực nhiệt cao hơn lên bảng. Mực mặt nạ hàn phải duy trì ổn định qua nhiều chu kỳ nhiệt mà không bị nứt hoặc mềm. Đối với các lắp ráp phức tạp, biên nhiệt quan trọng hơn chi phí.

Tiếp theo, đánh giá hiệu suất điện. Thiết kế điện áp cao hoặc khoảng cách nhỏ hưởng lợi từ các loại mực có khả năng cách điện mạnh và ô nhiễm ion thấp. Điều này trở nên đặc biệt quan trọng trong môi trường ẩm ướt hoặc công nghiệp nơi rò rỉ bề mặt có thể phát triển theo thời gian.

Sau đó, xem xét khả năng tương thích với lớp phủ bề mặt. Một số mực mặt nạ hàn PCB bám dính tốt hơn với ENIG, trong khi các loại khác hoạt động ổn định hơn với HASL hoặc OSP. Khả năng tương thích kém có thể dẫn đến nâng mép xung quanh các pad, ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn.

Sau đó, cân nhắc nhu cầu kiểm tra và sửa chữa. Mực cứng hơn chống mài mòn nhưng khó loại bỏ hơn trong quá trình sửa chữa. Mực mềm hơn đơn giản hóa việc sửa chữa nhưng có thể dễ bị trầy xước hơn. Sự cân bằng đúng phụ thuộc vào vòng đời sản phẩm và kỳ vọng dịch vụ.

Cuối cùng, hãy nghĩ về diện mạo lâu dài. Độ ổn định màu sắc, mức độ bóng và khả năng chống vàng hóa đều ảnh hưởng đến cách bảng trông sau khi lão hóa và tiếp xúc nhiệt. Đối với các sản phẩm tiêu dùng hoặc có thể nhìn thấy, chi tiết này mang lại giá trị thực sự.

Làm thế nào để loại bỏ mặt nạ hàn khỏi PCB?

Phân tích toàn diện các phương pháp loại bỏ mặt nạ hàn PCB

1. Phương pháp cạo/chà vật lý

• Kịch bản áp dụng: Sửa chữa khu vực nhỏ (<5mm²) hoặc kịch bản không có thiết bị chuyên nghiệp
• Công cụ: Lưỡi dao phẫu thuật/dụng cụ cạo chính xác (góc lưỡi ≤15°), bút sợi thủy tinh (đầu 0,5-1mm)
• Thao tác: Cố định PCB trên miếng chống trượt, cạo ở góc 10-20° với các nét nhẹ lặp đi lặp lại cho đến khi bề mặt đồng sáng; bút sợi thủy tinh phù hợp cho các khu vực vi mô liền kề BGA
• Rủi ro: Phải đeo khẩu trang N95 + kính bảo hộ + thiết bị hút bụi; tránh lực một chiều để ngăn ngừa rách sợi thủy tinh

2. Phương pháp làm mềm dung môi hóa học

• Kịch bản áp dụng: Mặt nạ hàn đã đóng rắn nhiệt hoặc loại bỏ khu vực lớn cục bộ (mặt nạ hàn đóng rắn UV có thể không hiệu quả)
• Lựa chọn dung môi: Chất tẩy sơn gốc dichloromethane (hiệu quả cao, độc tính cao), acetone (chỉ cho đóng rắn không hoàn toàn), chất tẩy chuyên dụng
• Quy trình: Thao tác trong tủ hút chống nổ; áp dụng dung môi bằng tăm bông ≤3 phút, loại bỏ vật liệu mềm bằng dụng cụ cạo polyimide, rửa bằng IPA sau đó sấy khô ở 60°C trong 5 phút
• An toàn: Yêu cầu găng tay nitrile + mặt nạ hóa học; thực hiện kiểm tra khả năng tương thích trên các khu vực không mạch ở mép bảng trước

3. Phương pháp cắt laser

• Kịch bản áp dụng: Điều chỉnh tinh chỉnh bảng HDI/xử lý hàng loạt (độ chính xác ±10μm)
• Thông số kỹ thuật: Laser UV (355nm, năng lượng 3-5J/cm²) phù hợp cho mặt nạ hàn LPI; laser CO₂ (10,6μm) yêu cầu kiểm soát vùng bị ảnh hưởng nhiệt
• Ưu điểm: Không tiếp xúc, không ô nhiễm hóa học, hỗ trợ định vị chính xác tệp CAD, lý tưởng cho điều chỉnh vùng khớp trở kháng mạch RF

4. Phương pháp sửa đổi phần mềm thiết kế

• Chiến lược phòng ngừa: Đặt thuộc tính pad Solder Mask Expansion=Tented trong phần mềm EDA; các giá trị âm (-50% kích thước pad) có thể loại bỏ hoàn toàn các khe hở
• Xác minh: Bật DRC để kiểm tra độ rộng cầu mặt nạ hàn (≥4mil) và ranh giới khe hở; ưu tiên tối ưu hóa thiết kế để giảm thiểu công việc sửa chữa (đặc biệt là trong các khu vực linh kiện BGA/0201)
• Bảng quyết định lựa chọn phương pháp

Phương pháp	Độ chính xác (μm)	Khu vực áp dụng	Mức độ rủi ro	Chi phí
Cạo vật lý	±50	5cm?	Cao	Thấp ($10)
Hòa tan hóa học	±100	20cm?	Cực kỳ cao	Trung bình ($20-50)
Cắt laser	±10	Bất kỳ	Thấp	Cao (>$5k)
Tối ưu hóa thiết kế	Được xác định bằng phần mềm	Toàn bộ bảng	Không	Chỉ thời gian kỹ thuật

Hướng dẫn an toàn và độ tin cậy

• Phương pháp vật lý/hóa học: Nghiêm cấm cạo pad vàng/ENIG; xử lý sau yêu cầu kiểm tra ô nhiễm ion IPC-570
• Phương pháp laser: Kiểm soát tần số xung trên nền FR4 để ngăn ngừa cacbon hóa; sửa chữa sau yêu cầu kiểm tra bề mặt đồng bằng kính hiển vi điện tử và kiểm tra trở kháng

Câu hỏi thường gặp về mặt nạ hàn bảng mạch

Q1: Mặt nạ hàn có nhất thiết phải màu xanh lá cây không?
A1: Không, màu xanh lá cây là màu tiêu chuẩn, nhưng nó có thể được sản xuất với nhiều màu khác nhau theo yêu cầu.

Q2: Độ dày của lớp phủ hàn có ảnh hưởng đến việc hàn không?
A2: Có, cả độ dày quá mức và không đủ đều có thể dẫn đến việc hàn kém, chẳng hạn như cầu hàn hoặc mối hàn lạnh.

Q3: Sự khác biệt giữa lớp phủ hàn và lớp phủ kem hàn là gì?
A3: Lớp phủ hàn là lớp chống hàn xác định các khu vực không được phủ dầu xanh (tức là các pad), trong khi lớp phủ kem hàn (khuôn) là một mẫu xác định vị trí để bôi kem hàn.

Q4: Lỗ mở của lớp phủ hàn nên lớn hơn pad bao nhiêu?
A4: Thông thường, nên để lỗ mở của lớp phủ hàn lớn hơn 0,1mm đến 0,2mm (0,004 inch đến 0,008 inch) so với pad để đảm bảo độ tin cậy khi hàn.

Q5: Làm thế nào để kiểm tra chất lượng của lớp phủ hàn?
A5: Kiểm tra trực quan các khuyết tật như bong bóng, nứt và độ bám dính kém, và sử dụng kính hiển vi để kiểm tra kích thước lỗ mở và độ gọn gàng của cạnh.