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Vernis épargne du circuit imprimé

by Markus Deichmann, Technical Manager

Dans ce blog, nous allons aborder les différents aspects du vernis épargne (également appelé « masque de soudure ») pour les circuits imprimés. Plus précisément, nous allons nous concentrer sur le LPI (Liquide Photo Imageable), notamment sa composition, ses fonctions et les considérations cruciales pour les acheteurs et les techniciens impliqués dans la production de circuits imprimés.

De quoi est constitué le vernis épargne ?

Le vernis épargne est constitué d’un mélange de diverses substances. Il se compose principalement de résine (ex : époxy, polyuréthane, acrylique), de durcisseur, ainsi que de charges, de colorants et de substances réactives aux UV.

  • La résine et le durcisseur sont responsables de la résistance finale du dépôt.
  • Le fabricant de vernis utilise des charges « filler » pour optimiser la résistance mécanique, thermique et chimique, entre autres.
  • Les colorants déterminent la couleur du vernis.
  • L’un des composants les plus importants est l’absorbeur d’UV. Il garantit que le vernis épargne peut être photo-structuré par exposition aux UV et développement chimique.
Dans le processus de production des circuits imprimés, nous utilisons différentes méthodes pour exposer le vernis épargne. La plus courante est l’utilisation de la lumière UV et de films pour les faces top et bottom afin d’exposer un motif sur les deux faces du panneau.

Quelles sont les fonctions les plus importantes du vernis épargne ?

Le vernis épargne porte bien son nom. Il stoppe la soudure, évitant ainsi les courts-circuits.

Les éléments de conception permettant d’atteindre cette fonction avec le vernis épargne sont les suivants :

  • Ponts constitués d’un vernis épargne entre les différentes pastilles de soudure. Ces barres empêchent les pastilles d’être court-circuitées les unes par rapport aux autres en raison d’un excès de soudure.
  • Ponts constitués d’un vernis épargne entre les plages de soudure, les trous traversants pour les composants et les vias. Ils empêchent la soudure de couler de manière incontrôlée d’un côté à l’autre du circuit imprimé.
  • En exposant sélectivement certaines surfaces de cuivre du vernis épargne, des plages de soudure peuvent être formées, par exemple, dans des plans de masse.
Vernis épargne défini avec cadre.
Vernis épargne défini sans cadre.

Insolation

Le vernis épargne sur et entre les pistes isole les conducteurs individuels, empêche les courts-circuits et les fuites de courant dus, par exemple, à l’humidité. La rigidité diélectrique de la couche de vernis épargne doit être d’au moins 500V selon les IPC 6012 / IPC-SM-840.

Protection anticorrosion

Les surfaces de cuivre recouvertes de vernis épargne sont protégées contre les impacts environnementaux et la corrosion. Le revêtement empêche également toute pollution de pénétrer entre les pistes conductrices pendant la production et protège les surfaces en cuivre contre tout contact pendant la manipulation du circuit imprimé.

Couleurs – Mat ou brillant

Le vernis épargne blanc est utilisé dans les applications LED pour obtenir la bonne réflexion de la lumière. Cela permet de s’assurer que la lumière blanche de la LED réfléchit sur le blanc du circuit imprimé et donne à l’application finale l’effet désiré.

Le vernis épargne est disponible en différentes couleurs sur le marché. Les couleurs standards sont le vert et le blanc, par exemple, pour les applications LED. Les autres couleurs communes sont le rouge, le bleu et le noir. Dans le cas du vernis épargne vert, le client peut choisir entre un vernis mat, semi-mat ou brillant. Par exemple, pour soutenir l’utilisation de systèmes d’inspection optique dans leur production.

Aspect visuel

En général, les couleurs de vernis épargne ne sont pas soumises à une norme (par exemple, RAL). En effet, les vernis à image photographique liquide doivent être conditionnellement transparents à la lumière et l’épaisseur du revêtement peut varier pour des raisons physiques et liées au process d’application.

En outre, le design du circuit imprimé influe sur l’épaisseur de la couche du vernis épargne.

Étant donné que le vernis s’écoule pendant et après l’application, l’épaisseur du revêtement sur les pistes tend à être plus fine que sur le matériau de base, ce qui affecte la teinte du vernis.

Tous ces facteurs d’influence peuvent faire varier la teinte du vernis épargne d’un lot de production à l’autre, ce qui ne constitue pas un défaut de qualité.

Étant donné que le vernis épargne a une fonction plus technique que cosmétique, les surfaces recouvertes ne doivent pas être nécessairement impeccables. De légères rayures ou des retouches sont autorisées dans une certaine mesure. La norme IPC-A-600 précise quels critères optiques doivent être respectés pour l’acceptation des circuits imprimés et quels écarts sont autorisés. En outre, NCAB a renforcé les critères d’acceptation optiques avec les usines et n’autorise que des réparations limitées sur le vernis épargne.

Marquages – Etiquettes

Parce que le vernis épargne peut-être facilement structuré photographiquement, il est courant d’y inclure les marquages nécessaires (marquage du fabricant et marquage UL) et les étiquettes (numéros de pièces, désignations, date code, etc…). En outre, des cadres de positionnement pour des étiquettes supplémentaires ou des marquages au laser peuvent facilement être insérés dans le vernis épargne.

Trous traversants pour composants – vias et vernis épargne

Selon l’IPC-A-600, tous les trous traversants métallisés des composants THT doivent être exempts de vernis épargne. Toutefois, cette exigence ne s’applique pas aux vias d’interconnexion qui peuvent présenter des résidus de vernis épargne.

Selon la technique actuelle représentée par la norme IPC-A-600, il faut s’attendre à des résidus de vernis épargne à partir d’un diamètre de via fini de ≤0,45mm. À partir d’un diamètre final de <0,3 mm, des résidus de vernis épargne dans le via sont possibles.

Le développement des résidus peut aller d’une couverture partielle à un recouvrement complet du via.

Couverture des bords

NCAB exige de ses fabricants une couverture minimale du vernis épargne sur le bord de la piste d’au moins 5-8μm, en fonction de l’épaisseur du cuivre de base. Ceci est important pour répondre aux exigences de la norme IPC-SM-840, par exemple en termes de rigidité diélectrique.

Nombre de couches de vernis épargne

En fonction de l’usine, du type de vernis utilisé et du processus de revêtement appliqué, il peut ne pas être possible d’obtenir la couverture nécessaire du bord de la piste avec le vernis épargne pour une certaine épaisseur finale de cuivre (50-70μm). Nous en avons déjà expliqué la raison dans la section “Aspect visuel”.

Les usines connaissent bien leurs processus et savent dans quelles conditions certaines zones d’implantation nécessitent d’être recouvertes une deuxième fois pour couvrir correctement les bords des pistes avec le vernis épargne. C’est ce qu’on appelle le double vernissage.

Que faut-il savoir de plus sur le vernis épargne ?

Le process du vernis épargne et ses étapes :

  • Pré-nettoyage et attaque des surfaces de cuivre.
  • Revêtement sur toute la surface des deux côtés (top et bottom)
  • Séchage (avant exposition) à basse température
  • Exposition
  • Développement
  • Polymérisation UV (si nécessaire)
  • Cuisson finale à température maximale
Dans le processus de production d’un circuit imprimé, le vernis épargne est appliqué sur toute la surface du PCB. En utilisant des films et la lumière UV, nous exposons certaines zones aux UV et les zones non exposées sont éliminées au cours du processus de développement chimique – typiquement les zones qui doivent être utilisées comme surfaces soudables. Le reste du vernis épargne est ensuite entièrement durci, ce qui lui confère une finition résistante.

Process de revêtement disponibles

Le vernis épargne liquide photo imageable peut être appliqué en utilisant les méthodes ci-dessous.

ProcessEuropeAsieIndications
PulvérisationOuiOuiPour des raisons techniques, l’usine n’utilise qu’un seul type de vernis (en général, il n’y a pas de sélection possible).
RideauOuiNonPour des raisons techniques, l’usine n’utilise qu’un seul type de vernis (en général, il n’y a pas de sélection possible).
SérigraphieNon*OuiL’usine peut proposer plusieurs types de vernis. (*) Des exceptions peuvent être faites pour les vernis épargne blancs.

Procédés d’exposition

Le vernis épargne liquide photo imageable peut être exposé à l’aide des méthodes suivantes :

ProcedureEuropeAsiaComment
Manual Film ExposureYesYesDue to the manual alignment of the film to copper image. Used sporadically.
Semi-automated film exposureYesYesAutomatic alignment of the film to the copper image, but manual material handling.
Used for medium quantities.
Fully automated film exposureYesYesFully automatic material handling and alignment of the film to the copper layout.
For medium to large quantities.
Manual Direct Imaging (Laser/LED)YesYesFilmless direct exposure and manual material handling. Used for HDI, finer structures, smaller quantities.
Automated Direct Imaging (Laser/LEDYesYesFilmless direct exposure and automatic material handling. Used with HDI, finer structures, smaller quantities

En savoir plus sur les vernis épargne

Vous trouverez dans le texte ci-dessous d’autres détails mentionnés. En outre, n’hésitez pas à vous référer à nos règles de conception ou à contacter votre technicien NCAB pour obtenir des informations ou des conseils supplémentaires.

Autres types de vernis épargne

Les vernis épargne pelables permettent de couvrir des zones du circuit imprimé pour un ou plusieurs processus de soudure, de sorte que le bain de soudure ne puisse pas mouiller ces zones. Le vernis épargne pelable peut être retiré manuellement une fois les processus de soudure terminés.

Le vernis épargne pelable peut recouvrir les trous métallisés dans certaines limites. Si de plus grandes surfaces ou de plus larges trous doivent être couverts, l’utilisation d’un film polyimide (Kapton) autocollant peut présenter certains avantages.

Vernis épargne flexibles
L’utilisation de vernis épargne flexibles est judicieuse pour certaines applications flex-rigides et semi-flexibles. Ce vernis épargne flexible recouvre solidement les pistes en cuivre et s’adapte aux mouvements de la couche flexible. Le cuivre peut également être protégé à l’aide d’un coverlay laminé sur des couches flexibles.

Film sec pour vernis épargne
Le film sec pour vernis épargne est laminé directement sur les surfaces en cuivre et peut être soumis à des processus d’imagerie photographique. Le film sec est également utilisé pour les substrats Ultra HDI et IC.

Matériau du vernis épargne

Si vous avez besoin d’un vernis épargne ou d’un circuit imprimé sans halogène, veuillez nous le faire savoir en amont.

Ponts constitués d’un vernis épargne

Si les ponts de vernis entre les pastilles sont trop étroits, ils ne peuvent pas être produits de manière fiable. En outre, une légère découpe peut se produire au bord du vernis pendant la production, ce qui réduit la surface d’adhérence du pont de vernis épargne au matériau de base. Pour éviter ces effets, les ponts du vernis épargne vert sur une épaisseur de cuivre standard doivent avoir une largeur d’au moins 0,1 mm. Pour plus d’informations, voir les règles de conception de NCAB.

Pastilles définies par le vernis épargne

S’il est nécessaire de définir des plages de soudure dans les plans de masse, nous vous recommandons de prendre en compte les effets de la conductivité thermique des surfaces en cuivre sur votre processus de soudure.

Pour les plages définies par un vernis épargne, il peut être nécessaire de réduire la connexion de la plage au reste du cuivre, afin d’éviter la dissipation de la chaleur.

Normes et critères d’acceptation

  • Normes d’acceptation
    Les normes les plus importantes pour les circuits imprimés rigides avec vernis épargne sont les normes IPC-6012 et IPC-A-600. La norme pour le vernis épargne lui-même est l’IPC-SM-840. Par exemple, la rigidité diélectrique d’au moins 500V, ainsi que la différenciation des types de vernis épargne dans les classes T (télécoms) et H (haute fiabilité). NCAB spécifie la classe T et UL94 comme exigences minimales pour les vernis épargne. La classe H correspond à la classe 3 selon l’IPC 6012.
  • Critères d’acceptation visuelle du circuit imprimé
    Les critères d’acceptation visuelle du vernis épargne sur le circuit imprimé sont définis dans la norme IPC-A-600 (catalogue illustré).

Vernis pour masque de soudure, couleurs, sélection et approbations

Les vernis épargne rouges, bleus, noirs et blancs présentent généralement des paramètres de traitement et des propriétés légèrement différents de ceux des vernis épargne verts. Cela est dû au fait que des colorants différents sont utilisés et que les vernis épargne blancs et colorés sont moins translucides. Cette circonstance a une incidence sur le temps d’exposition et l’énergie lumineuse pour l’imagerie, et donc sur la résolution maximale (structure la plus petite) du type de vernis épargne correspondant.

Lors de la sélection du vernis épargne, NCAB vérifie les éléments suivants :

  • a.) Le niveau de qualité du vernis épargne conformément à la norme IPC-SM-840 (NCAB exige au moins la classe T).
  • b.) La disponibilité des homologations UL requises (NCAB exige au minimum UL94) dans les usines sélectionnées pour la production.
  • c.) En lien avec les autres exigences du circuit imprimé.

Les homologations UL sont longues et coûteuses. C’est pourquoi aucune usine n’utilise toutes les couleurs et tous les types de vernis épargne disponibles sur le marché (UL répertorie plus de 1 600 types de vernis). En outre, aucune usine ne dispose d’approbations UL pour toutes les combinaisons théoriquement possibles d’agencement, de matériau de base et de vernis épargne. Pour garantir l’approvisionnement et le processus, NCAB recommande de discuter à l’avance de la couleur et du type de vernis épargne.

Vernis épargne vert, mat ou brillant

Dans les applications standards, le fait que le vernis épargne vert soit spécifié et utilisé avec une finition mate, semi-mate ou brillante ne fait aucune différence. Cependant, dans certains cas d’utilisation tels que le vernis de tropicalisation ou les exigences cosmétiques des clients finaux, la décision de choisir une finition mate ou brillante peut faire la différence pour la fiabilité du processus. Si vous ou votre client souhaitez utiliser un vernis de tropicalisation, ou si votre client final a des exigences cosmétiques, veuillez-nous en informer.

Marquages et étiquettes – lisibles à la machine

La taille et la largeur de la police, l’espacement des caractères des étiquettes et des marquages dans le vernis épargne ne doivent pas être inférieurs à 125μm.

Si un marquage lisible par machine est nécessaire, il est recommandé de coopérer étroitement en ce qui concerne le contenu lisible et sa nomenclature, les tailles de caractères nécessaires, la position et le substrat.

Vias et résidus de vernis épargne

Les résidus de vernis épargne dans les vias sont principalement dus à 3 facteurs.

  • a.) Plus le diamètre des vias est petit, plus ils sont susceptibles de fonctionner comme un tamis qui recueille les particules les plus grosses. Cela signifie que plus les vias sont petits, plus le risque de résidus et de fermeture est élevé.
  • b.) 2 facteurs sont responsables du durcissement des vernis épargne. Le facteur le plus important est l’énergie d’exposition appliquée au vernis, qui déclenche la polymérisation et “structure” le vernis épargne. Un autre facteur est la “température dans le temps”. Plus le via est petit, plus le risque que le vernis commence à polymériser et à durcir pendant le processus de séchage avant l’exposition est grand.
  • c.) Rinçage – le nettoyage des via dans le processus de développement devient de plus en plus difficile avec les petits diamètres.
Via End DiameterCircle CircumferenceCircle Area
0,3mm0,942mm0.071mm²
0,4mm1,257mm0.126mm²
0,5mm1,571mm0.196mm²

C’est pourquoi NCAB recommande d’utiliser une protection des vias conformément à la norme IPC 4761 (type V, VI ou VII) pour les vias d’un diamètre final de ≤0,45 mm afin de garantir une application fiable du vernis épargne.

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