CC BY
44Компоненты и технологии, № 9'2002
Окончание. Начало в № 7,8'2002
Лазерная обработка трафаретов
в электронной промышленности
В предыдущих номерах журнала мы познакомили вас с оборудованием компании ЬРКР, предназначенным для механической и лазерной обработки ПП.
Начиная с 1976 года компания ЬРКР производит сверлильно-фрезерные станки семейства РгоТоМаТ, позволяющие изготавливать ПП методом фрезеровки изолирующих дорожек на поверхности фольгированного материала.
В последние 10 лет основное направление деятельности компании было связано с развитием лазерных методов обработки материалов. Лазерная обработка стала применяться как при изготовлении стандартных ПП, так и при изготовлении так называемых И01 — соединительных плат высокой плотности. Но необходимость использования современных лазерных методов обработки материалов не ограничивается только изготовлением самой ПП.
Михаил Петров
petrov@spezial.ru
Тенденция постоянной миниатюризации оборудования и соответствующего повышения плотности печатного монтажа обусловила переход значительной части производства электронных приборов на поверхностный монтаж компонентов. Это в свою очередь потребовало перехода на новые методы монтажа и пайки. Расположение монтируемых деталей на одной поверхности платы вместе с контактными площадками сделало невозможным использование типового способа групповой пайки волной расплавленного припоя.
Поверхностный монтаж потребовал развития новых методов монтажа и пайки компонентов. Типовой технологический процесс поверхностного монтажа состоит из следующих этапов:
• нанесение паяльной пасты на контактные площадки ПП;
• монтаж электронных компонентов на поверхность ПП;
• пайка оплавлением паяльной пасты за счет нагрева горячим воздухом или инфракрасным излучением;
• контроль качества пайки электронных компонентов.
При этом основа надежной бездефектной пайки компонентов закладывается уже на этапе нанесения паяльной пасты на поверхность ПП. Для монтажа современных многовыводных деталей требуется прецизионное дозирование при нанесении пасты на контактные площадки. Представьте себе, что на поверхность платы необходимо запаять, например, микросхему в корпусе BGA с несколькими сотнями выводов, да еще расположенными в недоступном для контроля месте под корпусом микросхемы. В такой ситуации недостаточное количество паяльной пасты всего под одним из нескольких сотен выводов приведет к отсутствию необходимого электрического контакта и, таким образом, к браку при производстве готового изделия.
Нанесение паяльной пасты может осуществляться двумя различными способами: дозированием или трафаретной печатью. Оборудование для дозирова-
ния предназначено для нанесения пасты отдельными порциями. Дозирование паяльной пасты осуществляется либо при помощи пневматических дозаторов, либо с использованием приспособлений, действующих по принципу Архимедова винта. Такой способ нанесения пасты никак не привязан ни к трафарету, ни к конкретному типу ПП. Им удобно пользоваться при ручной сборке плат на опытном производстве или при монтаже большого количества разнообразных плат. Во многих случаях дозирующее устройство встраивается непосредственно в оборудование для установки компонентов на ПП. Однако невысокая производительность такого метода нанесения паяльной пасты не позволяет использовать его при массовом производстве.
Трафаретная печать
Альтернативой методу дозирования является нанесение паяльной пасты на поверхность ПП при помощи металлических или полимерных трафаретов. При использовании этого метода на поверхность ПП накладывается специальный трафарет с отверстиями. Отверстия трафарета заполняются паяльной пастой, после чего избыток пасты удаляется с помощью специального скребка. При последующем подъеме трафарета на контактных площадках ПП остается строго дозированное количество паяльной пасты. Объем пасты, наносимой на каждую контактную площадку, определяется размерами соответствующего отверстия трафарета и его толщиной. Поэтому для прецизионного дозирования паяльной пасты отверстия должны выполняться с высокой точностью.
Проблема нанесения паяльной пасты стала особенно острой по мере развития технологий поверхностного монтажа компонентов в малогабаритных многовыводных корпусах. До этого времени во всем мире господствовала технология химического травления трафаретов. Практически это ничем не отличалось от стандартной технологии травления ПП. Только материал был другой — специальные сорта
Компоненты и технологии, № 9'2002
¿Яш' і иН •• •/ШЯ * >нК
Рис. 1. Микрофотография металлического трафарета после травления отверстий Рис. 2. Микрофотография стального трафарета после лазерной обработки отверстий
бронзы. Результат травления такого трафарета показан на рис. 1.
На фотографии хорошо видно, что отверстия значительно отличаются друг от друга по форме и по размерам. В результате использования такого трафарета количество оставшейся на поверхности ПП паяльной пасты будет также значительно отличаться от одной контактной площадки до другой. Немного улучшить ситуацию возможно за счет двустороннего травления, в результате которого отверстия приобретают более правильную форму, хотя процесс изготовления трафаретов методом двустороннего травления сам по себе достаточно сложен, поскольку требует прецизионного совмещения фотошаблонов с обеих сторон. Но даже при двустороннем травлении стенки отверстия со стороны контакта с ПП все равно остаются слегка закругленными. Тем самым значительно увеличивается вероятность попадания пасты на защитное покрытие платы или даже на соседние контактные площадки. После оплавления пасты это может привести к образованию перемычек между соседними выводами в результате попадания между ними шариков припоя.
Однако, несмотря на свои недостатки, трафареты, выполненные методом химического травления, отличаются сравнительно невысокой ценой и находят широкое применение при нанесении паяльной пасты под компоненты с большим шагом выводов. Использование же их при монтаже современных ПП с высокой плотностью монтажа и малым шагом выводов компонентов ограничивается не только застреванием паяльной пасты в отверстиях малой площади, но и использованием сравнительно мягкого материала для изготовления трафарета. Со временем материал начинает «плыть», и дальнейшее его использование становится невозможным.
Лазерная обработка трафаретов
Решение проблемы изготовления прецизионных трафаретов было предложено опять-таки за счет лазерной обработки материала. Ведь необходимые отверстия совсем не обязательно выполнять путем химического травления. Их можно изготовить и путем прямой лазерной обработки материала. При этом, с одной стороны, можно значительно увеличить точность поддержания необходимой формы отверстия, а с другой стороны — профиль отверстия может быть значительно приближен к прямоугольному. Результат лазерной обработки стального трафарета показан на рис. 2.
Сравните это с рис. 1, и вы увидите разницу двух технологий. Дозировка паяльной пасты,
нанесенной с помощью такого трафарета, будет значительно точнее, что кардинальным образом уменьшит брак при пайке. Кроме того, после лазерной обработки отверстия имеют слегка трапециидальную форму стенок. Открытая часть апертуры обычно немного больше с нижней стороны. Такая форма отверстия обеспечивает лучшее отслоение паяльной пасты от стенок отверстия при удалении трафарета.
Второе значительное преимущество лазерной обработки трафаретов состоит в используемом для их изготовления материале. Отсутствие операций фотохимического травления позволило отказаться от использования специальных сортов бронзы. Для изготовления трафаретов методом лазерной обработки используются жесткие сорта нержавеющей стали. Она значительно лучше противостоит износу, чем металлы, пригодные для фотохимического травления. Жесткая сталь также способна лучше работать в тех участках, где тонкая сетка металла соединяет несколько больших апертур. Использование жесткого материала в сочетании с лазерной обработкой позволяет обеспечить формирование отверстий прецизионной формы по всей обрабатываемой площади даже при больших размерах трафарета.
Основные недостатки лазерных методов связаны, конечно же, с высокой стоимостью оборудования для лазерной обработки материалов. Поэтому трафареты, выполненные химическим травлением, до сих пор широко используются при монтаже ПП с большим шагом выводов компонентов. Однако пере-
Таблица 1. Основные технические параметры станков для обработки стальных трафаретов
ход на современные малогабаритные корпуса микросхем с шагом выводов 0,5 мм и менее не оставляет практически никаких альтернатив лазерной обработке трафаретов.
Оборудование для лазерной обработки стальных трафаретов
Производство лазерного оборудования, предназначенного для обработки металлических трафаретов для нанесения паяльной пасты, было освоено компанией ЬРКБ в 1993 году. Многочисленные инсталляции лазерных станков, выполненные за прошедшие годы, подтвердили правильность выбранного направления.
По мере развития электронной техники и соответствующих изменений к требованиям производства изменялось, конечно, и выпускаемое оборудование. На настоящий момент компанией ЬРКБ выпускается семейство из четырех лазерных станков 81епсДЬа8ег, предназначенных для обработки стальных фотошаблонов. Основные технические параметры выпускаемых станков приведены в таблице 1.
ЬРЮ БТепсШавег БЬбООИБ
Станок ЬРКБ 81епсДЬа8ег ЭЬбООШ (рис. 3) — уже третья разработка в семействе станков 8Ь600, ставшем своего рода промышленным
БІ.600НБ БІ.800НБ БІ.600 МісгоСиГ БІ.740
Максимальная производительность, апертур/час 6000* (25000)** 8000* (25000)** 6000* (25000)** 3000*
Рабочая область, мм 600x600 800x800 600x600 740x740
Максимальный размер трафарета, мм 850x800 950x900 850x800 900x870
Максимальная толщина обрабатываемого материала, мкм 600 600 600 600
Максимальная скорость обработки, мм/с 150 250 150 80
Частота повторения импульсов, кГц <5 <5 <5 <5
Точность перемещения по координатным осям ±4 мкм по всей рабочей области, при температуре 20 ±0,5 °С ±3 мкм по всей рабочей области, при температуре 20 ±0,5 °С ±4 мкм по всей рабочей области, при температуре 20 ±0,5 °С ±8 мкм по всей рабочей области, при температуре 20 ±0,5 °С
Угловая погрешность менее 2 угловых секунд менее 2 угловых секунд менее 2 угловых секунд менее 6 угловых секунд
Точность повторения, мкм ±1 ±1 ±1 ±2,5
Габаритные размеры координатного стола, мм 2300x1750x1350 2200x1750x1400 2300x1750x1350 2500x2000x1500
Габаритные размеры лазерного источника, мм 900x600x1900 900x600x1900 900x600x1900 900x600x1900
Общий вес, кг 3500 4500 3500 3500
* — обработка тестового трафарета LPKF
** — при использовании специальной приставки LPKF ТигЬоСи III и круглых апертур
Рис. 3. Внешний вид станка LPKF 3160045
О
Компоненты и технологии, № 9'2002
стандартом в области производства стальных трафаретов. От предшествующей модели новый станок отличается принципиально новым механизмом привода рабочего стола, значительно увеличившим производительность и точность обработки.
Массивное гранитное основание станка обеспечивает чрезвычайно высокую стабильность механических параметров. А уникальный линейный привод координатного стола с воздушной подвеской в сочетании с большой мощностью источника излучения позволяет обрабатывать стальные заготовки с высокой производительностью. На настоящий момент этот станок является оптимальным выбором для компаний, осуществляющих массовое производство электронных приборов с использованием поверхностного монтажа. Благодаря сочетанию высокого быстродействия с исключительной точностью, SL600HS послужил основой для еще двух лазерных систем — SL600 MicroCut и SL600HS Polymer.
LPKF StencilLaser SL600 MicroCut
Тенденция постоянного снижения габаритов выпускаемой продукции заставляет производителей все более обращать свой взгляд на современные типы сверхмалогабаритных корпусов типа CSP и flip-chip. Шаг расположения выводов у таких компонентов начинает измеряться уже не миллиметрами, а сотнями и даже десятками микрон. Соответствующей точностью должен обладать и трафарет для нанесения паяльной пасты под компоненты с таким шагом выводов. Для производства стальных прецизионных трафаретов на базе SL600HS был разработан прецизионный вариант станка — SL600 MicroCut. Специально разработанный для него лазерный источник генерирует высококачественный лазерный луч, допускающий фокусировку в пятно малого диаметра. Это обеспечивает возможность формирования в трафарете отверстий диаметром от 30 мкм. Дополнительным преимуществом нового источника излучения является возможность управления длительностью лазерного импульса. Благодаря этому становится возможным значительно более точно управлять мощностью лазерного излучения при обработке малогабаритных отверстий.
LPKF StencilLaser SL800HS
LPKF StencilLaser SL800HS — самый высокопроизводительный станок семейства StencilLaser (рис. 4). Благодаря использованию более мощного источника излучения удалось заметно повысить производительность станка. Новый, значительно более мощный привод рабочего стола, даже несмотря на возросший размер обрабатываемого материала, почти вдвое повысил предельную скорость перемещения трафарета. Увеличение рабочей области станка до 800x800 мм позволяет обрабатывать трафареты всех имеющихся на данный момент стандартных размеров.
Этот станок предназначен в первую очередь для массового производства трафаретов в компаниях, специализирующихся не столь-
Texi
ГИИ
ко на поверхностном монтаже компонентов, сколько на производстве самих трафаретов по заказам других фирм. Поэтому при разработке станка особое внимание уделялось максимальной степени автоматизации процесса производства с минимальным вмешательством оператора. Для этого было разработано специальное устройство, предназначенное для автоматической загрузки трафаретов на рабочий стол станка. В магазине такого автозагрузчика помещается до 15 отдельных заготовок, каждая из которых может быть автоматически загружена на рабочий стол и выгружена с него обратно в магазин. Работа автозагрузчика управляется вместе со станком единой программой. Причем в ходе автоматизированной обработки допускается чередование заготовок как разного размера, так и с разной толщиной обрабатываемого материала.
ЬРОТ БГепсПЬааег БЬ740
Высокая стоимость оборудования для лазерной обработки материалов всегда ограничивала применение стальных трафаретов при поверхностном монтаже компонентов. Попытка преодолеть этот барьер была сделана компанией ЬРКБ при разработке нового станка семейства 81епсДЬа8ег. Станок вЬ740 предназначен в первую очередь для оснащения производств, которые до сих пор по экономическим соображениям используют трафареты, изготовленные методом химического травления.
Конструкция станка и используемый лазерный источник напоминают в значительной степени базовую модель 8Ь600ГО, но система привода рабочего стола была значительно упрощена для максимального снижения стоимости готового станка. Ради этого, конечно, пришлось в некоторой степени пожертвовать точностью обработки, но она все равно остается достаточной для производства трафаретов малой и средней сложности. А это как раз та область применения, где наиболее сильна конкуренция со стороны травленых трафаретов.
ЬРОТ ТигЬоСиГ III
Как вы уже, наверное, заметили, в таблице с параметрами станков семейства 81епсДЬа8ег существует какая-то мистическая приставка, позволяющая, по крайней мере, в 3, а в некото-
рых моделях и в 4 раза увеличить производительность практически всех станков семейства, за исключением SL740. Что же это за мистическое изделие и как им можно воспользоваться?
Дело в том, что все станки StencilLaser используют конфигурацию с неподвижным лазерным лучом и перемещением только обрабатываемого материала. Это обеспечивает возможность изготовления отверстий практически произвольной формы и ориентации. Но платой за это является сравнительно невысокая скорость обработки материала. Значительно повысить эту скорость возможно только за счет оптического сканирования лазерного луча по поверхности обрабатываемого материала. Эту функцию и выполняет приставка LPKF TurboCut III, специальная оптическая система которой обеспечивает круговую развертку лазерного луча. Остается только подвести под рабочую головку обрабатываемый участок трафарета, и дальнейшую обработку отверстия обеспечит оптическая система. Приставка LPKF TurboCut III позволяет значительно быстрее вырезать в трафарете круглые отверстия диаметром от 40 мкм (30 мкм — для станка SL600 MicroCut) до 800 мкм с производительностью до 25 тыс. отверстий в час.
Полимерные трафареты
Как уже было отмечено выше, в последние годы все большее распространение завоевывают так называемые flip-chip корпуса микросхем. Характерным примером использования такого корпуса является, например, большинство современных высокопроизводительных микропроцессоров. Многим из вас, наверное, приходилось видеть расположенный на поверхности корпуса кристалл микропроцессора производства Intel или AMD. Сам же корпус микропроцессора практически состоит из своего рода соединительной платы между вставляемыми в панельку материнской платы ножками и контактными площадками уложенного на поверхности платы и перевернутого соединительными выводами вниз кристалла микропроцессора.
Впервые технология соединения выводов кристалла микросхемы и подложки, получившая название C4 (controlled collapsed chip connect), была успешно применена компаниями IBM и Delco. В настоящий момент практически все корпуса микросхем, основывающиеся на перевернутом расположении кристалла, используют сферические капли припоя, так называемые столбиковые выводы (bump), которые компенсируют механические напряжения, вызываемые тепловым или механическим воздействием на кристалл.
Типичный пример формирования столбиковых выводов на поверхности кристалла приведен на рис. 5. На алюминиевую контактную площадку кристалла (рис. 5, а) первоначально наносится химическое покрытие из никеля и золота (рис. 5, б). Никелевое покрытие служит в качестве адгезионного слоя и одновременно диффузионного барьера между припоем и алюминиевой площадкой. Тонкий слой золота на поверхности никелевого покрытия служит для защиты от окисления.
-Q-
Компоненты и технологии, № 9'2002
(а) (б)
н
(в) (г)
Рис. 5. Последовательные стадии формирования
столбикового вывода на контактной площадке
кристалла
товлении трафаретов с минимальными апертурами.
Прозрачность полимерного материала облегчает его юстировку на поверхности ПП или полупроводникового кристалла. Большая эластичность трафарета обеспечивает лучшее прилегание к ПП и позволяет отказаться от использования специальной натяжной сетки. В результате на рамку стандартных размеров может быть смонтирован полимерный трафарет со значительно большей полезной площадью.
На следующем этапе на поверхность контактной площадки методом трафаретной печати наносится специальная мелкодисперсная паяльная паста (рис. 5, в). Окончательное формирование вывода осуществляется при оплавлении паяльной пасты за счет нагрева в атмосфере инертного газа (рис. 5, г). Диаметр и высота формируемого вывода определяются объемом пасты, нанесенной на контактную площадку в процессе трафаретной печати.
Поэтому при изготовлении многовыводного корпуса микросхемы требуется чрезвычайно точное дозирование пасты на каждой контактной площадке. В противном случае высоты отдельных столбиковых выводов могут значительно различаться, что существенно усложнит монтаж многовыводного кристалла на общей подложке. Ситуация осложняется еще и тем, что шаг выводов на кристаллах, предназначенных для монтажа в корпуса типа flip-chip, может составлять 250 мкм и менее.
Ни один из стандартных методов трафаретной печати не удовлетворяет поставленным требованиям. Даже обработанные лазером стальные трафареты, не говоря уже о бронзовых травленых, не обеспечивают необходимой точности и повторяемости при нанесении пасты.
В результате дальнейших исследований в области разработки прецизионных трафаретов выбор остановился на использовании специальных полимерных материалов. Значительные преимущества полимерных трафаретов, по сравнению с металлическими, обеспечили широкое их использование не только при формировании выводов на контактных площадках кремниевых пластин, но и при стандартном поверхностном монтаже ПП.
По сравнению с металлическими, полимерные трафареты обладают целым комплексом полезных свойств:
• Меньший коэффициент трения между паяльной пастой и материалом трафарета обеспечивает более полный перенос пасты на контактные площадки.
• Значительно меньшая, чем у стального трафарета, шероховатость стенок (рис. 6 и 7) также способствует полному удалению пасты из отверстия и, следовательно, существенно более точному дозированию пасты на контактной площадке. Эти два свойства становятся особенно актуальными при изго-
плавления материала. «Холодная» обработка материала позволяет избежать также возникновения внутренних тепловых напряжений в обрабатываемом материале и его остаточной деформации. Преимущества обработки полимерных трафаретов ультрафиолетовым лазером хорошо видны на рис. 7. Благодаря фотохимическому разрушению молекул полимера боковые стенки отверстий трафарета остаются абсолютно гладкими и не содержат следов плавления материала, характерных для металлических трафаретов (рис. 6).
Основные технические параметры станка LPKF StencilLaser SL600HS Polymer приведены в таблице 2.
Таблица 2. Основные технические параметры станка SL600HS Polymer, предназначенного для обработки полимерных трафаретов
Максимальная производительность, апертур/час 6000* (25000)**
Рабочая область, мм 600x600
Максимальный размер трафарета, мм 850x800
Максимальная толщина обрабатываемого материала, мкм 600
Максимальная скорость обработки, мм/с 150
Точность перемещения по координатным осям ±4 мкм по всей рабочей области, при температуре 20 ±0,5 °С
Угловая погрешность менее 2 угловых секунд
Точность повторения, мкм ±1
Габаритные размеры координатного стола, мм 2300x1750x1350
Габаритные размеры лазерного источника, мм 950x600x1900
Общий вес, кг 3500
Оборудование для лазерной обработки полимерных трафаретов
Станок для лазерной обработки полимерных трафаретов был разработан на основе хорошо зарекомендовавшего себя базового устройства ЬРКБ 81епсДЬа8ег ЭЬбООГО. Для перехода на обработку полимерных материалов потребовалось только оснастить станок другим лазерным источником. Дело в том, что полимерная подложка прозрачна для излучения неодимового лазера, используемого для обработки стальных трафаретов. Для достижения оптимальных результатов обработки полимерных материалов потребовалось переоснащение станка ультрафиолетовым лазером.
Как уже отмечалось в предыдущей статье (см. № 8'2002), малая длина волны излучения ультрафиолетового лазера и связанная с этим большая энергия фотонов приводит к разрушению химических связей и удаление полимерного материала осуществляется не только за счет его испарения, но и за счет фотохимического процесса разрушения. В результате стенки обрабатываемого отверстия остаются практически холодными и не требуется дальнейших операций по удалению продуктов
* — обработка тестового трафарета 1.РКР ** — при использовании специальной приставки 1.РКР ТигЬоСи III и круглых апертур
Контрольно-измерительное оборудование
Итак, необходимый для дальнейшей работы трафарет уже обработан. Но перед отправкой его на производственный участок необходимо тщательно проверить его качество. К этой процедуре придется еще неоднократно возвращаться и по мере использования трафарета. Его износ приводит к постепенному нарушению геометрических размеров отверстий и, соответственно, к ошибкам дозирования паяльной пасты. Тем более, что использование металлических лопаток в ходе трафаретной печати может вызвать разрушение тонких перемычек между смежными отверстиями трафарета. Поэтому для принятия решения о возможности его дальнейшего использования необходимо с высокой точностью измерить геометрические размеры отверстий и их расположение на поверхности.
Для осуществления контроля качества металлических и полимерных трафаретов компанией ЬРКБ был разработан специальный измерительный комплекс ЬРКБ 8сап^еск.
Работа измерительного комплекса полностью автоматизирована. Оператор только укладывает исследуемый трафарет на поверхность рабочего стола. Реальное расположение отверстий на поверхности материала вводит-
е
Компоненты и технологии, № 9'2002
ся в компьютер при помощи специального сканирующего устройства высокого разрешения (рис. 8). На основании введенных данных вычисляются геометрические размеры отвер-
стий и их расположение на поверхности. Эти данные сравниваются с исходным файлом, использованным при обработке заготовки. Все расхождения в геометрических параметрах идеального и реального трафаретов выводятся на экран персонального компьютера и распечатываются на принтере для дальнейшего анализа или хранения.
Заключение
В серии статей мы познакомили вас с использованием современных технологий обработки материалов в области производства ПП и поверхностного монтажа компонентов. От механического сверлильно-фрезерного
станка, предназначенного для изготовления макетов ПП в лабораторных условиях, до высокопроизводительной лазерной установки по производству трафаретов, применяемых в промышленном производстве электронных приборов, — таков спектр применения оборудования компании ЬРКБ.
Успешная работа компании в области разработки и производства современного высокотехнологичного оборудования приводит к необходимости проведения огромной исследовательской работы и постоянного совершенствования выпускаемой продукции. Мы постараемся периодически знакомить вас с новыми разработками компании ЬРКБ на страницах журнала «Компоненты и Технологии».
