Comment la conception du lit de clous de sérigraphie influence l'uniformité de l'épaisseur du masque de soudure

Dans le processus de fabrication du masque de soudure (soldermask) pour circuits imprimés, la technique d'impression sérigraphique continue double face par lit de clous est largement adoptée. En raison des différences importantes entre les circuits imprimés en termes d'épaisseur, de distribution des motifs, de diamètre et de répartition des vias, la fabrication du lit de clous de sérigraphie s'avère extrêmement complexe. Si la répartition des clous de cuivre sur le lit n'est pas optimale, l'uniformité de l'épaisseur du masque de soudure en pâtit. Les conséquences sont alors des aberrations chromatiques, une mauvaise imagerie du masque ou des ponts de soudure avec résistance interrompue, entraînant des retouches ou des rebuts. Il est donc indispensable d'établir des directives précises concernant le soudage des clous lors de l'impression sérigraphique du masque de soudure afin de garantir la qualité du lit de clous.

Analyse théorique

L'impression sérigraphique double face du masque de soudure consiste à déposer le masque liquide sur une face du circuit imprimé, puis sur l'autre face à l'aide du lit de clous de sérigraphie. Cette impression continue des deux faces permet de réduire les temps d'attente et de chauffage, améliorant ainsi l'efficacité de la fabrication des circuits.

Pour fabriquer un lit de clous de sérigraphie, des clous de support doivent être placés aux emplacements compatibles avec les bords du circuit ou les positions des vias sur la plaque de base du lit. La complexité du processus impose des exigences techniques élevées, qui doivent être satisfaites par des opérateurs expérimentés. Pourtant, même ces derniers peuvent commettre des erreurs — manque de clous, densité de répartition insuffisante, déviation de position — surtout face à des cartes très complexes ou de nouveaux modèles.

Il est donc nécessaire d'analyser l'influence de la densité de répartition des clous sur l'impression du masque de soudure, afin d'établir des règles de répartition rationnelles qui augmentent l'efficacité de fabrication du lit de clous et la qualité de l'impression double face.

Conception de l'expérience

Facteurs et niveaux expérimentaux

L'expérience croise trois densités de répartition des clous (espacement 5,0 cm, 8,0 cm, 10,0 cm) et trois épaisseurs de circuit (0,8 mm, 1,5 mm, 2,0 mm), selon le plan du tableau 1.

Essai n°	Carte n°	Épaisseur carte	Densité clous (espacement)
1	1#, 2#	0,8 mm	5,0 cm
2	3#, 4#		8,0 cm
3	5#, 6#		10,0 cm
4	7#, 8#	1,5 mm	5,0 cm
5	9#, 10#		8,0 cm
6	11#, 12#		10,0 cm
7	13#, 14#	2,0 mm	5,0 cm
8	15#, 16#		8,0 cm
9	17#, 18#		10,0 cm

Fabrication du lit de clous

Une plaque de cuivre nue de 457 mm × 610 mm sert de base. Les clous de cuivre sont disposés en réseau régulier, fixés par des rubans transparents verts. Les espacements testés sont 5,0 cm, 8,0 cm et 10,0 cm. La distance entre les clous périphériques et le bord de la plaque est symétrique horizontalement et verticalement pour éviter des différences d'épaisseur dues à un mauvais positionnement.

Prenons l'espacement de 5 cm : le côté court (45,7 cm) reçoit 9 clous par rangée avec un jeu horizontal de 2,8 cm ; le côté long (61 cm) en reçoit 11. Soit 99 clous au total. Le tableau 2 compare le nombre de clous selon les trois densités.

Dimensions plaque	Taille réseau	Espacement	Clous côté court	Clous côté long	Total clous
457×610 mm	40×50 cm	5,0 cm	9	11	99
	40×48 cm	8,0 cm	6	7	42
	40×50 cm	10,0 cm	5	6	30

Fabrication des cartes de test

Des plaques de cuivre nue de 17″×23″ d'épaisseurs 0,8 mm, 1,5 mm et 2,0 mm sont utilisées (6 pièces par épaisseur), cuivre 1 oz avec filets. L'encre de masque verte courante (780H) est employée. Les paramètres d'impression sont récapitulés au tableau 3.

Type de toile	43T
Type d'encre	780H
Viscosité encre	140 dPa·s
Espacement toile	5 mm
Pression impression	0,49 MPa
Vitesse impression	6 Hz
Nombre de lames	2

Méthode de collecte des données

L'épaisseur du film humide est mesurée par un testeur d'épaisseur de film humide. Les points de test suivent la diagonale des clous ; leur nombre varie selon l'espacement. Pour 5 cm d'espacement, le tableau 4 détaille le calcul.

Côté court	(17×25,4−15)/50 = 8,36	8 clous max	Réseau 8×8 clous
Côté long	(23×25,4−55)/50 = 10,54	10 clous max
Points de test	4×(8−1)+1 = 29	29 points par carte

Le tableau 5 synthétise les réseaux maximaux mesurables et le nombre total de points pour les trois espacements.

Espacement	Taille réseau test	Clous sur diagonale	Points par face	Points par carte	Somme points	Total points
5,0 cm	35×35 cm	8	29	58	174	354
8,0 cm	32×32 cm	5	17	34	102
10,0 cm	30×30 cm	4	13	26	78

Pour obtenir l'épaisseur d'encre sèche, un lit de 5,0 cm et une carte par épaisseur sont préparés. La méthode de collecte est résumée au tableau 6.

Type de donnée	Méthode	Quantité	Note
Épaisseur film humide	Testeur film humide	354 points	Mesure dans les 30 min après impression
Épaisseur encre sèche	Observation microscope	5×3×3 = 45	5 points par espacement et épaisseur

Analyse des résultats

Uniformité de l'encre selon l'espacement des clous

L'uniformité de l'épaisseur du masque est calculée selon la formule : . Les résultats figurent au tableau ci-dessous et en figure.

Espacement clous	Épaisseur film humide (µm)	Épaisseur carte
		0,8 mm	1,5 mm	2,0 mm
5,0 cm	Max	29	29	31
	Min	36	38	39
	Écart	7	9	8
	Moyenne	32,7	34,3	36,1
	Uniformité	11 %	13 %	11 %
8,0 cm	Max	30	32	32
	Min	42	39	39
	Écart	12	7	7
	Moyenne	34,7	35,5	36,2
	Uniformité	17 %	10 %	10 %
10,0 cm	Max	34	30	28
	Min	48	36	36
	Écart	14	6	8
	Moyenne	36,9	33,7	34,4
	Uniformité	19 %	9 %	12 %

Conclusions :
a. Pour les cartes de 0,8 mm, l'uniformité atteint 11 % avec un espacement de 5,0 cm, meilleure qu'avec 8,0 cm ou 10,0 cm.
b. Pour 1,5 mm et 2,0 mm, l'uniformité est quasi identique pour les trois espacements.
c. Réduire l'espacement des clous améliore nettement l'uniformité sur les cartes minces.

Évolution de l'épaisseur du film humide selon les points de test

L'analyse des variations d'épaisseur selon les positions de test montre :
a. L'épaisseur fluctue selon la position. Aux points soutenus par un clou (ex. 1, 5, 9, 13, 21, 25, 29), l'épaisseur est minimale. Aux points éloignés (ex. 3, 7, 11, 15, 19), elle est maximale.
b. Là où les clous soutiennent, le film est plus fin sans affaissement visible du circuit ; ailleurs, il est plus épais.
c. Les cartes minces se déforment davantage pendant l'impression ; les cartes épaisses (1,5 mm, 2,0 mm) restent plus planes.

Relation entre épaisseur, position de mesure et point de support

On peut résumer :
a. Pour tout espacement, l'épaisseur d'encre augmente avec la distance au clou le plus proche.
b. Plus la carte est épaisse, plus cette variation est faible. La rigidité accrue permet un espacement plus large.

Variation de l'épaisseur d'encre sèche en surface

La tendance de l'épaisseur sèche suit celle du film humide, indiquant qu'on peut remplacer la mesure sèche par la mesure humide dans les mêmes conditions. Toutefois, la mesure du film humide est très sensible à la viscosité de l'encre ; elle doit être effectuée dans les 15 minutes suivant l'impression.

Conclusion

Avec des cartes cuivre nu de 0,8 mm, 1,5 mm et 2,0 mm et des lits de clous aux espacements 5,0 cm, 8,0 cm et 10,0 cm, les mesures d'épaisseur humide et sèche aboutissent aux conclusions suivantes :
a. L'uniformité de l'épaisseur d'encre s'améliore nettement sur les cartes minces (≤ 0,8 mm) en réduisant l'espacement des clous.
b. L'épaisseur du film humide et de l'encre sèche restent stables, validant la mesure en ligne par testeur de film humide et le suivi de l'épaisseur d'encre.

Ressources utiles :
• Exigences de conception pour PCB SMT Partie 2 : connexion pad-piste, vias, points de test, masque de soudure et sérigraphie
• Mesures efficaces pour améliorer la technologie de fabrication de vias bouchés par masque de soudure
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