Lớp sơn phủ (Solder Mask) có thể không phải là một chủ đề thú vị trong chế tạo mạch điện tử nhưng lại là một chủ đề vô cùng quan trọng. Nếu không có lớp sơn phủ này, mạch in của bạn có thể bị hiện tượng ngắn mạch, ăn mòn, cũng như nhiều vấn đề khác ảnh hưởng đến chất lượng cũng như tuổi thọ của bo mạch. Do đó, nếu bạn muốn có những sản phẩm điện tử chất lượng cao, đáng tin cậy và bền bỉ, bạn cần nắm được những kiến thức cần thiết về lớp sơn phủ từ mục đích sử dụng và các loại sơn phủ đến ứng dụng của chúng trong thiết kế bo mạch. Trong bài viết này này, chúng tôi sẽ mang đến cho bạn tất cả các kiến thức cơ bản về lớp sơn phủ trên bề mặt mạch PCB. Hy vọng rằng những kiến thức chúng tôi chia sẻ trong bài viết này sẽ hữu ích và giúp bạn đạt được những kết quả tốt hơn trong các dự án thiết kế của mình.

 Hình 1. Lớp sơn phủ Solder Mask trên bề mặt mạch in PCB

 1. Công dụng của lớp sơn phủ Solder Mask

Trước khi đi vào thảo luận chi tiết về Solder Mask, chúng ta hãy nói về công dụng và lợi ích của nó. Solder Mask là một lớp mỏng bằng vật liệu polyme phủ lên trên bề mặt bo mạch để bảo vệ đường mạch bằng đồng khỏi các yếu tố môi trường như bụi, không khí ẩm, nhiệt, chống lại quá trình oxy hóa. Lớp Solder Mask mang đến cho mạch in sự tương phản giữa các linh kiện và lớp chữ ký tự Silk Screen, giúp đơn giản hóa quá trình kiểm tra và sửa chữa. Ngoài ra, Solder Mask còn giúp việc hàn linh kiện lên mạch trở nên dễ dàng hơn nhờ việc ngăn thiếc hàn chảy đến những khu vực không mong muốn, giúp tránh hiện tượng đoản mạch, cải thiện hiệu suất, chất lượng cũng như độ tin cậy của bo mạch. Một số chức năng chính của lớp Solder Mask có thể kể đến như:

• Bảo vệ bo mạch khỏi những tác động từ môi trường. Bảo vệ đường mạch khỏi hiện tượng oxy hóa, bụi bẩn dễ dấn tới làm giảm khả năng truyền dẫn, suy hao và gây nhiễu tín hiệu…

Hình 2. Lớp sơn phủ đóng vai trò phân cách giữa 2 pad hàn.

• Làm giảm hiện tượng ngắn mạch, chập, hạn chế các lỗi hàn (mối hàn bắc cầu…). Khi thiếc hàn được làm nóng chảy tại điểm hàn, nó luôn có xu hướng chảy về các khu vực có khả năng truyền nhiệt cao nhất, từ đó dễ tạo nên các kết nối không mong muốn giữa các phần khác nhau trên mạch in. Nhờ sử dụng Solder Mask để phân định các khu vực mà thiếc hàn có thể và không thể chảy đến, bạn có thể hạn chế được các kết nối không mong muốn và đảm bảo khả năng hàn chính xác cho mạch in.
• Làm tăng sự tương phản với lớp chữ Silk Screen cũng như các linh kiện trên mạch in PCB. Việc sử dụng các màu sơn phủ có độ tương phản cao như xanh lá, đen…. giúp dễ dang xác định được các linh kiện cũng như các ký hiệu vị trí, chiều linh kiện ở lớp chữ trên bo mạch điều này đặc biệt quan trọng đối với các bo mạch có độ phức tạp cao, mật độ linh kiện lớn. Từ đó có thể hạn chế tối đa lỗi trong quá trình gia công hàn cũng như tiết kiệm thời gian công sức trong quá trình phát hiện lỗi cũng như sửa chữa bo mạch.

2. Các loại Solder Mask

Hiện nay trên thị trường có ba loại sơn phủ chính bao gồm:

• Sơn phủ dạng lỏng (Liquid Photoimageable Solder Mask – LPSM). Đây là loại khá phổ biến nhờ tính linh hoạt, dễ sử dụng cũng như chi phí thấp. LPSM được phủ lên bề mặt PCB dưới dạng chất lỏng sau đó được hóa rắn dưới tác dụng của tia cực tím (UV). Các khu vực không cần sơn phủ như pad hàn… sẽ được bảo vệ bởi một lớp cản quang có tác dụng ngăn chặn tia UV, phần sơn phủ không bị hóa rắn ở các khu vực này sẽ được rửa trôi sau đó. LPSM có thể được sử dụng cho cả mạch 1 lớp cũng như 2 lớp và có thể hóa cứng bằng tia UV hoặc Nhiệt.
• Sơn phủ dạng phim (Dry Film Solder Mask – DFSM). DFSM là loại sơn ở dạng phim khô được dán lên bề mặt PCB dưới tác dụng của nhiệt và áp suất. DFSM thường được sử dụng trong các nhà máy sản xuất chế tạo mạch in công nghiệp để sản xuất các bo mạch phức tạp với mật độ linh kiện lớn đòi hỏi độ chính xác cao, mà sơn phủ dạng lỏng LPSM không thể đáp ứng được. DFSM cũng được sử dụng khi gia công mạch nhiều lớp để phủ lên bề mặt bo mạch trước khi khoan lỗ Via. Tuy nhiên, loại sơn phủ dạng phim có chi phí đắt hơn cũng như tốn thời gian và cần các thiết bị chuyên dụng cũng như chuyên môn để thực hiện và thường được sử dụng trong các nhà máy sản xuất mạch in hiện đại.
• Sơn phủ hóa rắn bằng nhiệt (Thermally Cured Solder Mask – TCSM). Đây là loại sơn phủ dạng lỏng sau khi phủ lên bề mặt mạch in sẽ được hóa rắn dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất. TCSM thường được sử dụng cho các ứng dụng đặc biệt yêu cầu nhiệt độ cao, hoặc có thể bị ảnh hưởng bởi hóa chất mà các loại sơn LPSM và DFSM không đáp ứng được. Loại công nghệ sơn phủ này có khả năng kháng hóa chất cao hơn các loại sơn phủ khác do vậy thường được dùng trong các môi trường khắc nghiệt hoặc dễ bị ăn mòn. Sơn phủ TCSM thường có chi phí khá đắt và sản xuất mạch dùng loại sơn phủ này cũng tốn nhiều thời gian và đòi hỏi thiết bị, kỹ thuật cao hơn so với các loại sơn phủ thông thường.

3. Quy trình sơn phủ bề mặt bo mạch

Thông thường quy trình sơn phủ bề mặt mạch in PCB thường gồm ba công đoạn chính bao gồm:

• Làm sạch bề mặt. Công đoạn này bao gồm việc vệ sinh, chuẩn bị bề mặt của mạch in đảm bảo sự kết dính và hóa rắn tốt nhất. Các công việc cụ thể có thể kể đến như tẩy sạch dầu mỡ, hóa chất; cọ rửa, ăn mòn, rửa sạch…tùy thuộc vào tính chất và tình trạng của loại Solder Mask và mạch in.
• In. Solder Mask dạng lỏng sẽ được dàn đều trên khắp bề mặt, trong khi Solder Mask dạng phim sẽ được đặt lên và ép chặt trên bề mặt mạch in.
• Hóa rắn: Solder Mask sẽ được hóa rắn dưới tác dụng bởi tia cực tím, nhiệt độ cao, hoặc kết hợp cả hai. Trong một vài trường hợp, cần ép chặt để hoàn thiện quá trình hóa rắn. Quá trình hóa rắn phụ thuộc và dạng mặt nạ và nhà sản xuất, có thể yêu cầu các mức nhiệt độ, thời gian và lực ép khác nhau.

4. Các yếu tố cần chú ý khi lựa chọn loại sơn phủ

Việc lựa chọn loại sơn phủ phù hợp thường phụ thuộc và các yêu cầu cũng như ràng buộc về mặt kỹ thuật của bo mạch. Nhưng nhìn chung, có một số yếu tố bạn cần xem xét như:

• Tính thương thích với loại vật liệu làm mạch. Loại sơn phủ sử dụng cần tương thích với loại vật liệu chế tạo mạch in để đảm bảo độ kết dinh, khả năng hóa rắn cũng như tính hiệu quả.
• Màu sắc của sơn phủ. Loại sơn phủ sử dụng nên có nhiều lựa chọn về màu sắc, đảm bảo được tính tương phản giúp dễ dàng gia công, sửa chữa cũng như đáp ứng được yêu cầu về thẩm mỹ cho bo mạch.
• Khả năng chịu nhiệt. Loại sơn phủ sử dụng cần đáp ứng được yêu cầu về khả năng chịu nhiệt cũng như tuổi thọ của bo mạch mà không bị chảy, nứt, hay bị bong tróc.
• Khả năng kháng hóa chất. Sơn phủ cần đáp ứng được yêu cầu về khả năng kháng hóa chất, chống chịu ăn mòn của bo mạch mà không làm giảm hiệu năng của bo mạch.

5. Một số vấn đề về sơn phủ Solder Mask trên bo mạch thường gặp và giải pháp

Một số vấn đề về sơn phủ thường gặp khi gia công mạch PCB như:

• Xuất hiện lỗ hay các khe hở trên bề mặt lớp sơn phủ đã được hóa rắn làm lộ ra đường mạch hoặc pad hàn. Lỗi này xảy ra có thể đến từ nhiều nguyên nhân như bề mặt PCB không được vệ sinh đủ sạch, quá trình hóa rắn không đạt, hoặc có tạp chất. Để tránh lỗi này xảy ra cần đảm bảo bề mặt mạch pcb cần được làm sạch đầy đủ, sơn phải được phủ một cách đồng nhất trên bề mặt, và quá trình hóa rắn phải được thực hiện ở nhiệt độ và trong khoảng thời gian thích hợp theo khuyến cáo của nhà sản xuất.

Hình 3.  Pinhole trên bề mặt bo mạch

• Bong tróc lớp sơn phủ hoặc đường mạch. Việc bong tróc này có thể gây ra hiện tượng đoản mạch hoặc lỗi kết nối. Các nguyên nhân gây bong tróc có thể là thiếu độ kết dính với bề mặt mạch in, quá trình hóa rắn không đảm bảo, hoặc quá trình sơn phủ dưới các điều kiện về nhiệt độ cũng như áp suất không phù hợp. Để phòng tránh lỗi này, cần phải lựa chọn loại sơn phủ có tính kết dính cũng như tương thích với vật liệu gia công mạch. Tránh gia công mạch trong các điều kiện khắc nghiệt hoặc có sự thay đổi đột ngột về nhiệt độ hoặc áp suất.

Hình 4. Bong tróc trên bề mặt bo mạch

• Quá rắn là hiện tượng lớp Solder Mask được hóa rắn quá mức dẫn đến hiện tượng giòn, nứt vỡ hoặc co ngót. Quá rắn có thể do nhiều nguyên nhân như nhiệt độ hóa rắn quá cao, thời gian chiếu tia cực tím quá dài. Để phòng tránh, bạn cần tuân thủ các thông số hóa rắn theo khuyến cáo về nhiệt độ, thời gian, áp suất.
• Thiếu rắn là khi lớp Solder Mask không đạt đủ độ cứng cần thiết, dẫn đến bề mặt mềm, dính ướt. Thiếu rắn có thể do thiếu nhiệt độ, thiếu thời gian chiếu tia cực tím. Để phòng tránh, bạn cần đảm bảo chính xác các thông số về nhiệt độ, thời gian, áp suất, kiểm tra chất lượng và sự kết dính của Solder Mask trước khi chuyển qua bước tiếp theo.

6. Ảnh hưởng của lớp sơn phủ Solder Mask đến thiết kế mạch PCB

Lớp sơn phủ có thể ảnh hưởng đến thiết kế PCB ở một só khía cạnh như:

• Thiết kế Layout: Sơn phủ có thể giới hạn về không gian và độ rộng của đường mạch, pad hàn. Khi thiết kế Layout của mạch, bạn cần chú ý đến khoảng trống và độ rộng tối đa và tối thiểu của lớp sơn phủ, để đảm bảo bao phủ và bảo vệ hoàn toàn các đường mạch cũng như pad hàn. Bạn cũng nên tránh đặt các linh kiện và lỗ Via quá gần nhau hoặc quá gần các góc cạnh của bo mạch để không gặp khó khăn khi sơn phủ.
• Đi dây: Lớp sơn phủ có thể ảnh hưởng đến quá trình đi dây do nó phân định các vùng mà đường mạch hoặc pad hàn có thể kết nối hay không. Khi đi dây, bạn cần chú ý đến vị trí và kích thước các khoảng trống trên lớp sơn phủ đảm bảo kết nối giữa các đường mạch, pad hàn mà không gây ra hiện tượng ngắn mạch hoặc bắc cầu khi hàn mạch. Bạn cũng cần chú ý không đi dây hoặc đặt pad hàn quá gần các cạnh của bo mạch để tránh bị ảnh hưởng khi sơn phủ.
• Vị trí đặt linh kiện: Sơn phủ cũng có thể ảnh hưởng đến giới hạn không gian đặt linh kiện cũng như chiều linh kiện. Khi sắp xếp linh kiện trên mạch cần chú ý đến kích thước và hình dạng lỗ mở trên lớp sơn phủ để đảm bảo linh kiện có thể hàn được lên bề mặt mà không bị lệch khi gia công… Cần tránh đặt linh kiện quá gần mép mạch để không gặp khó khăn khi sơn phủ.

Kết Luận

Sơn phủ là một công đoạn vô cùng quan trọng trong quá trình gia công mạch in PCB. Nếu không có lớp Solder Mask phù hợp, mạch in của bạn có thể sẽ không được bảo vệ khỏi hiện tượng ngắn mạch, bắc cầu, ăn mòn hay nhiều vấn đề phức tạp tốn nhiều thời gian và chi phí để khắc phục. Trong bài này, chúng tôi đã giới thiệu tới các bạn tất cả những gì bạn cần biết về Solder Mask, từ mục đích sử dụng cũng như các loại sơn phủ khác nhau đến ứng dụng và áp dụng trong thiết kế. Chúng tôi hi vọng các bạn có thể thu nhận được nhiều kiến thức và bí quyết hữu dụng để giúp các bạn đạt được nhiều bước tiến trong việc thiết kế mạch in. Nên nhớ rằng, Solder Mask không đơn thuần chỉ là một lớp trang điểm bên ngoài, nó chính là một thành phần đặc biệt quan trọng trong một mạch in chất lượng cao và đáng tin cậy. Vì vậy, nếu đầu tư thời gian và công sức để tìm hiểu và làm chủ nó, các bạn sẽ có thể tận hưởng được nhiều thành quả trong tương lai.

Nếu các bạn có khó khăn hay câu hỏi liên quan đến thiết kế hoặc gia công mạch in PCB xin vui lòng liên hệ chúng tôi tại đây để được hỗ trợ. Công ty Điện tử Hatakey.com.vn chúng tôi chuyên cung cấp các dịch vụ liên quan đến bảng mạch PCB như đặt mạch in với nhiều kích thước và màu sắc khác nhau, gia công lắp ráp mạch, thiết kế layout mạch, đặt hàng linh kiện điện tử từ nhiều nhà phân phối uy tín. Chúng tôi có thể đáp ứng mọi nhu cầu cần thiết của khách hàng. Cảm ơn các bạn đã dành thời gian cho bài viết này!