Влияние защитной паяльной маски на параметры высокочастотных печатных плат

Защитная паяльная маска – это защитное покрытие, наносимое на печатные платы на одном из последних этапов производства. Защитная паяльная маска

ограничивает растекание припоя, предотвращает окисление топологии и изменение цвета подложки (пожелтение).

Не высокочастотные печатные платы почти всегда полностью покрыты защитной паяльной маской. Она определяет финальный цвет изделия. Стандартный цвет

защитной паяльной маски – зелёный, но существует большое множество различных цветов.

Рис.1. Фото печатных плат с разной защитной паяльной маской, произведённых на нашем заводе

ВЧ (высокочастотные) и СВЧ (сверхвысокочастотные) печатные платы же обычно оставляют открытыми от защитной паяльной маски, либо полностью (особенно если печатная

плата имеет распределённые элементы), либо открывают область с линиями передачи, как в примерах на рисунке 2.

Рис. 2. Фотографии тестовых печатных плат известных производителей СВЧ компонентов (источник сайт Mouser)

Иногда печатные платы покрыты защитной паяльной маской полностью. На рисунке 3 показаны примеры бюджетного и высококачественного усилителей,

тестовые печатные платы в обоих случаях полностью покрыты защитной паяльной маской.

Рис. 3. Слева направо: усилители с AliExpress, AnalogDevices, CREE(источники фотографий – соответствующие сайты)

Почему же ВЧ линии передачи обычно открыты от защитной паяльной маски?

- защитная паяльная маска изменяет диэлектрическую проницаемость окружающей среды, тем самым влияя на волновое сопротивление линии передачи

- защитная паяльная маска может ложиться не идеально ровно, что обычно сказывается на высоких частотах, выше нескольких ГГц

- толщина защитной паяльной маски может незначительно различаться от партии к партии

- диэлектрическая проницаемость защитной паяльной маски не всегда известна

- слой защитной паяльной маски увеличивает потери, что тоже обычно некритично на относительно низких частотах, но может негативно повлиять на общие потери устройства,

работающего на высоких частотах

- разные типы защитных паяльных масок (плёночная/жидкая), а также защитные паяльные маски от разных производителей могут иметь различные параметры*

* В разделе «материалы» на нашем сайте можно узнать стандартную толщину защитной паяльной маски и её диэлектрическую проницаемость для разных типов защитная паяльная

масок, используемых на нашем производстве.

«ЭЛЕКТРОконнект» провел эксперимент по исследованию влияния защитной паяльной маски. на параметры высокочастотных печатных плат. В ходе эксперимента были измерены

параметры двух самых распространённых типов линий передачи: микрополосковая линия и заземлённый копланар. Из материала Rogers 4350 толщиной 0,76 мм мы произвели

на нашем заводе в Новосибирске несколько печатных плат и затем измерили их параметры на профессиональном измерительном оборудовании.

1. Исследование влияния защитной паяльной маски на линии передачи

На рисунке 4 представлена фотография изготовленных печатных плат. Печатная плата 1 полностью открыта от защитной паяльной маски, 2 – имеет небольшие

полоски защитной паяльной маски для предотвращения растекания припоя при пайке соединителя, 3 – почти полностью закрыта защитной паяльной маской,

4 – основная часть линий закрыта от защитной паяльной маски, кроме 6 мм по краям (рис. 4). Длина печатных плат 100 мм, финишное покрытие – иммерсионное золото,

защитная паяльная маска стандартная, зелёного цвета, жидкая.

Рис. 4. Фото тестовых печатных плат

На рисунках 5,6 показаны результаты измерений представленных выше линий – частотные зависимости КСВн (коэффициент стоячей волны по напряжению, показывает уровень согласования) и потерь.

Рис. 5. Зависимость КСВ (согласование) от частоты для копланарных (а) и микроволосковых (б) линий (1-зелёный, 2-сиреневый, 3-голубой, 4-оранжевый)

Рис. 6. Зависимость модуля коэффициента передачи (потери) от частоты для копланарных (а) и микроволосковых (б) линий (1-зелёный, 2-сиреневый, 3-голубой, 4-оранжевый)

На основе графиков можно сделать вывод, что копланарная линия передачи более чувствительна к наличию защитной паяльной маски. Линии, закрытые защитной паяльной

маской, действительно имеют больше потерь. На копланарных линиях влияние защитной паяльной маски сильнее из-за характера распределения поля в данном типе линий

передачи, которое сосредоточено в области между центральным проводником и боковыми полигонами.

2. Исследование влияния защитной паяльной маски на различные элементы.

В дополнение к исследованию влияния защитной паяльной маски на линии передачи были изготовлены две платы – с фильтром и с резонатором. Печатные платы длиной 25 мм

были установлены в специальную оснастку.

2.1. Фильтр.

Фильтр верхних частот реализован на сосредоточенных элементах. На рисунке 7 показана печатная плата с фильтром в измерительной оснастке и

сравнение АЧХ (амплитудно-частотной характеристики) с маской и без маски.

Рис. 7. Печатная плата с двумя одинаковыми фильтрами, один из которых закрыт маской и график зависимости модуля коэффициента передачи

от частоты (зелёный-без маски, сиреневый - с маской).

По графику на рисунке 7 видно, что АЧХ сместилась вправо в области нижних частот (на 10 МГц), в области пропускания есть только пренебрежимо малое

увеличение потерь из-за наличия маски на подводящих полосках. Эффект смещения мог произойти либо из-за изменения номиналов компонентов в пределах

допуска, либо из-за небольшого изменения паразитных связей между элементами из-за наличия маски.

2.2 Резонатор.

Резонансные структуры хорошо показывают влияние изменения эпсилон (диэлектрическая проницаемость) материалов. По этой причине был изготовлен простой

резонатор в виде отрезка линии. На рисунке 8 показана печатная плата с резонатором в измерительной оснастке и сравнение АЧХ (амплитудно-частотной характеристики)

с защитной паяльной маской и без нее.

Рис. 8. Плата с двумя одинаковыми резонаторами, один из которых закрыт защитной паяльной маской и график зависимости модуля коэффициента передачи

от частоты (зелёный-без защитной паяльной маски, сиреневый-с защитной паяльной маской).

По графику рисунок 8 видно, что из-за защитной паяльной маски частота резонанса сместилась на 55 МГц (эффективная диэлектрическая проницаемость

с защитной паяльной маской стала выше, длина волны уменьшилась, значит при той же физической длине резонатор стал электрически длиннее, поэтому

резонанс сместился вниз по оси частот).

На основе полученных результатов измерений можно сделать вывод, что защитная паяльная маска, в общем, влияет на ВЧ/СВЧ печатные платы, но не всегда

критично. Например при использовании микрополосковых линий передачи на частотах до 4-5 ГГц можно покрывать линии защитной паяльной маской.