CC BY
150Компоненты и технологии, № 9'2002
Печатные платы - 2002
22-24 октября 2002 г. фирма «РТС Инжиниринг» провела 3-ю Международную конференцию «Печатные Платы — 2002». В работе конференции приняли участие руководители и специалисты предприятий Белоруссии, Казахстана, Украины и России. На конференции выступили с докладами представители фирм-партнеров «РТС Инжиниринг».
Аркадий Медведев, д.т.н., профессор МАИ
КС Б и
онференция лишний раз подтвердила развивающийся познавательный и коммерческий интерес к технологиям производства печатных плат (ПП). Это объективная реальность, которая обусловлена тем, что теперь Россия интегрирована в международный рынок электронных компонентов, и развитие производства электронной аппаратуры в России неизбежно будет идти вслед за развитием элементной базы, поставляемой международными корпорациями. Значит, технологии ПП и монтажа компонентов вынуждены будут развиваться параллельно и теми же темпами, что и за рубежом, поскольку эти технологии диктуются в первую очередь конструкциями корпусов компонентов. Но это не означает, что все производство будет перестраиваться под изготовление ПП с высокой плотностью межсоединений — около 80% объемов будет загружено производством ПП для монтажа обычных, ставших уже привычными, компонентов [1]. Направленность обновлений в основном будет состоять в снижении себестоимости продукции существующего и создании нового высокотехнологичного производства.
Тематика конференции «Печатные Платы — 2002» ответила этим запросам, представив соответствующие доклады от ведущих европейских фирм:
MANIA Technologie AG (Германия) — лазерные плоттеры, автоматические оптические системы (AOI), механические и лазерные сверлильные станки, программный продукт UCAM;
RESCO (Италия) — линии «мокрых процессов», подготовка поверхности, проявление и снятие фоторезиста, травление;
C. A. PICARD International (Германия) — системы базирования и установки пробивки базовых отверстий для производства печатных плат;
MANZ GALVANO-TECHNIK GmbH (Германия) — оборудование для гальванотехники;
Robert BURKLE GmbH (Германия) — системы для прессования многослойных ПП, установки нанесения жидких фоторезистов;
PROJECTINA AG (Швейцария) — измерительные системы для производства ПП.
Доклады фирм-партнеров «РТС Инжиниринг» по существу осветили информационную базу производства ПП на всех стадиях технологического процесса.
Технологическая подготовка производства
В ходе подготовки производства неизбежно приходится адаптировать проекты заказчиков к реальным возможностям производства без ущерба качеству и функциональным характеристикам электронных изделий, заложенным в проектах заказчиков, выполненных с использованием CAD-программ.
В этих условиях при подготовке производства приходится использовать дополнительный пакет программ, позволяющий проводить анализ проектов электронных изделий для обнаружения ошибок и оптимизации проектных решений с учетом параметров конкретного производства и оборудования с ЧПУ. Такой пакет программ UCAM SmartStart предлагает фирма BARCO, входящая в группу MANIA.
При подготовке производства ПП программа проверяет конструкционные элементы, заложенные в проекте. В первую очередь к ним относятся зазоры между соседними элементами с учетом класса сложности ПП, недопустимые сужения проводников, нефункциональные контактные площадки (КП) на внутренних слоях, незавершенные цепи (зависающие проводники), неудобные для тонкого травления повороты проводников, слишком близкие сверления отверстий, которые могут вызвать поломку сверла. Необходимо проверить центрирование КП относительно сверлений, определить, соответствует ли диаметр КП диаметру сверления, есть ли такие металлизированные отверстия, которые могут вызвать короткое замыкание. Здесь перечислена лишь малая доля проверок, которые выполняет программа, чтобы гарантировать качество проектов у производителя.
Программа допроизводственного контроля проектов UCAM позволяет выявлять ошибки проектов на ранних стадиях подготовки производства и, тем самым, избежать значительных временных и финансовых издержек в ходе изготовления электронных изделий.
Фотошаблоны
Фирма MANIA — BARCO в дополнение к семейству барабанных лазерных фотоплоттеров SILVER-WRITER 800 с внешним размещением фотопленки
Компоненты и технологии, № 9'2002
на барабане предлагает плоттеры семейства CRESCENT, в частности— CRESCENT/40, с размещением пленки внутри барабана. CRESCENT/40 имеет оригинальные инженерные решения: лазерную систему с красным лазерным диодом (длина волны 670 нм), неподвижный полый барабан со встроенной вакуумной системой, способной удерживать пленку на внутренней поверхности барабана, коррекцией точности с использованием измерительной машины, высокоинтеллектуальным программным обеспечением и др. (рис. 1). За счет этого обеспечиваются отличные характеристики прорисовки (таблица 1).
Таблица 1. Рабочие характеристики лазерного
фотоплоттера CRESCENT/40
Характеристики Значения параметров, мкм
Разрешение, ppi 8000 4000 2000
Разрешение, мкм 3,18 6,35 12,7
Максимальный формат пленки, мм 610x762
Максимальный формат области прорисовки, мм 559x711
Время прорисовки формата 18"х24", мин 12 6 3
Точность позиционирования ±20,3 ±20,3 ±20,3
Повторяемость ±12,7 ±12,7 ±12,7
1 Неровность краев:
Ортогональных линий ±2,5 ±3,3 ±6,35
Наклонных линий ±5,1 ±6,35 ±12,7
Допуск на ширину линии ±5,1 ±7,62 ±12,7
Минимальная ширина линии 38,1 50,8 50,8
*) При условии поддержания температуры
20 ±0,5 °С и влажности 50 ±5%
Новая разработка SilverWriter 860-USP на основании хорошо зарекомендовавшей себя технологии обеспечивает вдвое большую скорость прорисовки по сравнению с системами конкурентов, очень высокое разрешение (до 25 400 dpi, в версии Eagle — 40 000 dpi), устойчивость в работе, высокую точность позиционирования (0,25 мкм).
Фотолитография
Фирма Stork GmbH предлагает полный набор инструментария для нанесения фоторезиста. STORK HRL 350 — многократно проверенный ламинатор с пневматическим регулируемым давлением и изменяемым зазором между валками делает возможным применение всех типов фоторезистов с шириной лен---------------------www.finestreet.ru -
ты 300 мм. Для большей ширины ламинирования предназначены ламинаторы STORK LAMINATOR HRL 600 и HRL 500. Они дополнительно снабжены устройством предварительного подогрева плат, а HRL 600 — системой пылеудаления.
Системы экспонирования моделью HMW-201 B 5kW Standard представила фирма ORC. Источники точечного света и водяное охлаждение ламп позволяют воспроизвести линии 75 мкм и избежать деформации от нагрева при экспонировании. Увеличена мощность источника света в установке HMW-680 GW/7 kW для экспонирования паяльных масок и жидких фоторезистов.
Очистка поверхностей
Фирма RESCO показала возможности семейства своих машин для щеточной и пемзовой механической дезоксидации поверхностей. Щеточные машины «RESCOTRON» строятся из стандартных модульных блоков, предназначенных для выполнения различных операций: очистки, щеточной обработки, промывки и сушки (рис. 2). Из них можно сконфигурировать линию очистки любого содержания. BRUSHROBOT — полностью автоматическая щеточная машина, не требующая какого-либо вмешательства оператора: все операции запускаются, отрабатываются и контролируются автоматически. Давление щеток регулируется автоматически в соответствии с установленными значениями и независимо от толщины и размеров плат или степени износа щеток. Более дешевые щеточные машины ряда BRUSHWASHER позволяют проводить механическую дезоксидацию, удаление заусенцев, промывку и сушку жестких и полужестких плат с ручной регулировкой давления щеток. Самые маленькие щеточные машины типа BRUSHWASHER REDUCED, а также специальные модели, предназначенные для лабораторных целей, могут, благодаря их конструкции и надежности в работе, использоваться для производства небольших партий ПП. Качественная очистка отверстий осуществляется вертикальной струйной промывкой водой под высоким давлением (30-90 бар). Для повторного использования воды (до 95%) применяется фильтрование через рулонное бумажное фильтровальное полотно. Очистные машины типа BRUSH-CLEANER применяются для очистки плат до и после горячего обслуживания, либо для их финишной очистки.
RESCO — одна из немногих фирм, предлагающих оборудование для пемзовой очистки ПП. Ее установки JET SCRUBBER используются не только для эффективной дезоксидации, но главным образом для создания шероховатости поверхностей, улучшающей адгезию ко всем видам последующих покрытий. Данные, приведенные в таблице 2, демонстрируют эффективность пемзовой очистки. Экономичность расхода пемзы достигается за счет ее возврата в рабочий модуль с помощью циклонов. Автоматическая система дозирует содержание пемзы в пульпе.
Таблица 2. Прочность на отслаивание после различных видов обработки поверхности (механической дезоксидации)
Метод обработки Прочность на отслаивание, кг/см
Необработанная медная поверхность 1,4
Абразивные цилиндрические щетки 2,0
Микротравление 2,3
Щеточная обработка с пемзой 2,4
Ручная обработка с пемзой 2,5
Комбинация щеточной обработки с пемзовой взвесью 2,5
Струйная пемзовая обработка под высоким давлением струй (Jet Scrubbing) 2,6
Оксидирование поверхности после механической дезоксидации 2,7
Нужно отметить, что фирма RESCO существует на рынке технологического оборудования уже 50 лет. Постоянное стремление фирмы к повышению качества принесли свои плоды: появились примеры многолетней (более 20 лет) безотказной круглосуточной работы оборудования RESCO. Это позволило фирме увеличить срок гарантии на конструкции, изготовленные из ПВХ, до 5 лет. Таким образом, RESCO доказывает, что ПВХ и углеволоконные конструкции могут быть более надежными, чем оборудование, изготовленное из металла.
Струйная обработка
Проявление и удаление фоторезиста, проявление паяльной маски, травление рисунка — для всех этих процессов струйной обработки фирма RESCO предлагает собственные оригинальные решения. Эти решения направлены на устойчивость процессов в воспроизведении тонких линий. Система TFS устраняет эффект образования луж обрабатывающего раствора, попеременно меняя направления струй в противоположных направлениях. Углеволоконный материал усиливает конструкции, придавая им повышенную механическую прочность и термостойкость. Элементы транспортной системы исключают повреждение фоторезиста, повышают эффективность струйной обработки и предотвращают скопление удаленных остатков фоторезиста. Керамические втулки сопел обеспечивают точность струйной обработки в течение всего периода эксплуатации.
Фотопроявляемая жидкая паяльная маска может проникать в отверстия, и вымывание ее из отверстий при проявлении требует до-
Компоненты и технологии, № 9'2002
Таблица 3. Производительность линий щелочного травления фирмы RESCO
Длина камеры 35 мкм меди 18 мкм меди
травления, мм м/мин Плат в минуту м/мин Плат в минуту
COMPACT 540 0,65 1,3 1,3 2,6
COMPACT HVP 900 1,08 2,0 2,2 4,3
E-1000 1050 1,26 2,5 2,5 5,0
E-1500 1540 1,85 3,6 3,7 7,3
E-2000 1960 2,36 4,6 4,7 9,3
E-1000+E-1500 2590 3,12 6,0 6,2 12,3
E-1500+E-1500 3080 3,70 7,3 7,4 14,6
полнительных приемов. В связи с этим в машинах типа LISM вторая секция проявления снабжена системой сопл высокого давления, так что вертикально направленные струи выбивают из каждого отверстия остатки неэкспонированной маски.
Для стрипп-процессов важно не столько химическое воздействие рабочих растворов, сколько динамический напор струй высокого давления. Фирма RESCO нашла оптимальные параметры этого процесса и использует их в своих стрипп-машинах.
В программу поставок RESCO входят различные системы фильтрации рабочих жидкостей: сетчатые, бумажные ленточные, синтетические фильтры, системы удаления и отвода шлама из стрипп-процесса. Стандартные, быстросъемные сетчатые фильтры не требуют при их обслуживании специального инструмента, быстро и просто чистятся. Их устанавливают на машинах малой и средней производительности — Mini Stripper, Compact Stripper и Compact Stripper HVP.
Проявочные и стрипп-машины Rescotron типа Compact и HVP оборудованы системой автоматической дозировки для подачи свежего рабочего раствора в зону обработки пропорционально количеству обработанных плат.
Система горизонтальных роликовых конвейеров может быть дополнена специальными мостиками и титановыми рамками для обеспечения возможности струйной обработки тонких слоев МПП или гибких плат. К обозначению таких машин добавляется индекс FLEX, демонстрирующий возможность их использования для обработки гибких оснований толщиной 0,05 мм.
В системах щелочного травления используются двойные стеклянные колпаки и конденсоры испарений, позволяющие не только защитить персонал от паров аммиака, но и возвращать летучие продукты в рабочую камеру.
Для удовлетворения разнообразия спроса фирма RESCO выпускает модульные системы, способные интегрироваться в линии различного назначения и производительности по запросу заказчика. Унификация машин по ширине и высоте конвейера позволяет реализовать любую фантазию заказчика. Различия модулей состоят лишь в размерах рабочей зоны струйной обработки, определяющей производительность конфигурируемой линии: Е1000 — Е1500 — Е2000. Заказчики оборудования струйной обработки иногда неправильно оценивают производительность линии по максимальной скорости конвейера, не учитывая толщину стравливаемого слоя, интенсивность обмена раствора, давление струй, количество струй (форсунок) и т. д.
Для примера, влияние размера рабочей камеры на производительность можно оценить по данным таблицы 3.
Сверление отверстий
Фирма Klingelberg, входящая в группу MANIA, представляет новую серию сверлильнофрезерных станков: модели alpha 1/2 с одним или двумя шпинделями — для опытного и мелкосерийного производства (рис. 3), модели Micronic 7 и Micronic 80 (от 3 до 8 шпинделей) — для крупносерийного производства.
Все модели объединены общими признаками технического исполнения:
• стол-основание из натурального камня (Micronic) или гранита (Alpha);
• стандартный привод X-Y на линейных двигателях;
• перемещение X-Y рабочих органов на воздушных подшипниках;
• малая масса рабочего стола за счет использования углепластика;
• высокоскоростной шпиндель
(150 тыс. об/мин, высокочастотный шпиндель Weswind 1686-11 — 180 тыс. об/мин);
• автоматическая смена инструмента;
• система лазерного контроля состояния инструмента в процессе работы;
• управляемый сервопривод по Z-оси;
• контроллер Klingelberg и др.
Благодаря удачной сбалансированности
этих элементов конструкции создается хорошее сочетание точности (±4 мкм) и производительности (400 отв/мин), возможность сверления отверстий до диаметра 0,08 мм, точность глубины сверления ±25 мкм. Высокая скорость перемещения: по осям X-Y с ускорением 10-15 м/с2, по оси Z — с ускорением 3,6 g. Это обеспечивает значительные преимущества станков Klingelberg перед конкурентами (таблица 4). Для фрезерования плат можно использовать специализированные шпиндели с шариковыми подшипниками.
Предлагается совершенно новое решение для микросверления в массовом производстве, основанное на использовании лазера. Лазерная система позволяет сверлить до тысячи отверстий в секунду (!), диаметр отверстий от 0,5 до 0,2 мм. Необходимость использования таких систем обосновывается большим количеством микроотверстий в платах с высокой плотностью межсоединений (HDI). Плотность размещения таких отверстий на платах HDI достигает 10 тыс./дм2. Механическое сверление такого количества отверстий занимает неприемлемо много времени —
Таблица 4. Сравнение производительности сверления 6-шпиндельных станков (9892 отверстий, 18 смен инструмента)
Производитель Klingelberg Klingelberg Конкурент А Конкурент Б Klingelberg Klingelberg Klingelberg
Модель Mic 76K-6 Mic 76K-6 Винтовая пара Линейные двигатели Mic 76K-6. Экспериментальный Mic 76^6. Серийный станок, последнее поколение Micronic 86-6 linear
Условия тестирования Старая версия без системы CBD С системой CBD 27.09.2002 27.09.2002 Повышенная скорость по оси Z (ZSPD), CBD, TMU Повышенная скорость по оси Z (ZSPD), CBD Повышенная скорость по оси Z (ZSPD), CBD, TMU
Место тестирования Заказчик Заказчик Заказчик Заказчик Wellrod Wellrod Wellrod
Время сверления 58 мин 53 мин 44 мин 52 с 43 мин 24 с 43 мин 42 мин 30 с <39 мин
Компоненты и технологии, № 9'2002
40 мин на 10 тыс. отверстий (таблица 4).
В групповой заготовке форматом 500x600 мм суммарное время сверления может составить 20 часов с одного шпинделя. В этой ситуации станок лазерного сверления незаменим. Лазерный сверлильный станок Multi Laser Drill 7 фирмы Klingelberg имеет 4 станции обработки, скорость сверления более 40 отверстий в секунду для одной головки, точность позиционирования ±4 мкм (реально ±20 мкм) на максимальном формате заготовки 500x600 мм.
В нем используется импульсный лазер с Cu-Br-активной средой, излучающей
на длинах волн 511 и 578 нм с соотношением 2:1, длительность импульса 30 нс, мощность в импульсе 45 кВт, средняя мощность 20 Вт, частота повторения 10-20 кГц. Активная среда лазера специально выбрана для хорошего поглощения энергии излучения медью и диэлектриком. Поэтому лазерный станок сверлит отверстия в медном покрытии, полимере и стекле при соответствующем программировании плотности мощности: примерно 4 Дж/см2 — для сверления металлического покрытия и 0,1 Дж/см2 — для сверления полимерного материала подложки до следующего слоя металла.
В новых разработках планируется использовать два разнородных лазера на одной головке: СО2-лазер для сверления диэлектрика и «зеленый» лазер для сверления меди. Лучи обоих лазеров сводятся в одну точку так, что они одновременно или попеременно обрабатывают одно отверстие.
Для совмещения сверлений с КП внутренних слоев МПП фирма Klingelberg предлагает использовать рентгеновскую систему измерений местоположений тестовых элементов, статистическое усреднение результатов измерений и сверление базовых отверстий, ориентируясь на результаты усреднений. Рентгеновский контроль на установке Alpha 01 X-Ray позволяет совместить сверление со среднестатистическим центром КП с точностью ±0,015 мм.
Прессование
Требования к процессам прессования сегодня определяются высокой плотностью межсоединений, выполнением отверстий на внутренних слоях, необходимостью точного воспроизведения волнового сопротивления, более строгими требованиями к короблению применительно к поверхностному монтажу.
Все эти требования могут быть удовлетворены только при условии использования систем вакуумного прессования с минимальными градиентами температур при нагреве и охлаждении, точности поддержания режимов давления и идеальной плоскостью плит. Расширяющиеся объемы использования по-лиимидных материалов нуждаются в более высоких температурах отверждения — 400 °С. Прессы фирмы BURKLE отвечают всем этим требованиям: параллельность плит сохраняется в пределах ±30 мкм, температурная точность — ±1 °С, точность давления — ±1 бар. Для уменьшения градиентов температур во времени и пространстве используется термомасляный нагрев и охлаждение. Для предотвращения термодеструкции и точки кипе---------------------www.finestreet.ru -
Таблица 5. Конфигурации Work Cell
Комплектность конфигурации Конфигурации 12 3 4
Горячий пресс МиШ!ат фирмы Вигк1е модели ^МУ 125, 6 просветов, 750x600 мм V V V V
Отдельная станция нагрева термомасла V V V V
Холодный пресс МиШ1ат фирмы Вигк1е модели ^МК 5, 6 просветов, 750x600 мм V V V
Ручной загрузчик со стеллажом V V
Циклический транспортный загрузчик фирмы Вигк1е V V
6-просветный стеллаж V
ния масла для высоких температур прессования используется среда азота. Для эффективного выноса воздуха и летучих фракций из прессуемого пакета слоев применяется ва-куумирование рабочей зоны пресса с остаточным давлением до 5 миллибар в течение всего времени прессования. Модель пресса LAMV полностью отвечает этим требованиям (рис. 4). Для отработки режимов прессования и испытаний пре-прега предлагаются лабораторные прессы. Такие прессы моделей LAT 1,8, LAT 4,5
и LAMEL применяются для испытаний по MIL-P-13949 F и для изготовления прототипов и маленьких серий. Чтобы сократить время использования горячих прессов, в качестве дополнения предлагаются установки холодного прессования. Тогда продолжительность цикла прессования уменьшается со150 до 100 минут.
Новые предложения фирмы BURKLE направлены на увеличение производительности и экономии производственных площадей. Предназначенный для этого гибкий производственный модуль Lamination Work Cell обеспечивает прессование 1 тыс. плат в день при двухсменной работе. На выбор предлагаются четыре конфигурации Work Cell (таблица 5).
Наиболее полная конфигурация показана на рис. 5. Вместе с прессами предлагаются вспомогательные устройства и установки, применение которых улучшает условия тру-
710
1752
750
( \ •J ,fc--l=k ===» = = 3. 1 -~-t ю cs
|Ь===|====1
PC £ :f ■* «fc==^==3 750
|Ь==*==э» =£ =
Рис. 5. Оптимальная конфигурация рабочего модуля прессования Work Cell Burkle
Таблица 6. Расчетная производительность прессования (время цикла)
Конфигурации
1 2 3 4
1. Заполнение загрузчика, мин 6 6 4 2
2. Загрузка горячего пресса, мин 6 6 2 2
3. Прессование, мин 120 90 90 90
4. Выгрузка горячего пресса, мин 6 6 2 2
5. Загрузка холодного пресса, мин - 2 1 1
7. Выгрузка загрузчика, мин - 6 2 2
Суммарное время, мин 144 116 101 99
Производительность 2,4 ч/цикл ==> 3,1 цикла в смену 1,9 ч/цикл ==> 3,9 цикла в смену 1,7 ч/цикл ==> 4,4 цикла в смену 1,6 ч/цикл ==> 4,7 цикла в смену
Компоненты и технологии, № 9'2002
Рынок
e-
Процесс пробивки после травления
Подготовка
материала
Обработка поверхности, т. е. черное оксидирование I
л
i>
Использование устройства пробивки фотошаблонов Рш1ат РР и совмещение в системе регистрации стекло-стекло Рш1ат ЕР. Обеспечивает непревзойденную точность и повышает производительность.
Оборудование специально разрабатывается под потребности заказчика.
Преимущества: т. к. материал не закреплен, единственная забота -расположение фотошаблонов.
Г
ж
Использование Pinlam PE (Авто, Полуавтомат или Ручной)
для точной пробивки отверстий под ламинирование. Преимущества -возможность усреднить любую ошибку относительно оси. Большинство изменений происходит на DES «мокром» процессе.
ж
Использование устройства пробивки фотошаблонов Pinlam PF и совмещение в системе регистрации стекло-стекло Pinlam EF. Обеспечивает непревзойденную точность и повышает производительность. Оборудование специально разрабатывается под потребности заказчика.
Pinlam EF w/ Panel Adj. Опция, которая может быть использована для оптимизации совмещения панелей.
Ж
Использование устройства пробивки фотошаблонов Pinlam PF и совмещение в системе регистрации стекло-стекло Pinlam EF.
Pinlam EF w/ Panel Adj. Опция которая может быть использована для оптимизации выравнивания.
W
ж
w
Лам инирование
Использование прессформ C.A. Picard 4140H и 420ss
разделительных
плит. Использование штифтового метода для сборки пакетов. Альтернатива использования прессформы без штифтов для технологии mass Lam, заклепки и т. д.
ж
Сверление
Рентгеновское сверление -опция в этом пункте. Этот метод обеспечивает точное средство совмещения со сверлильным столом.
Использование отверстий ламинирования для крепления к сверлильному столу без применения рентгеновского сверления.
V
«Окончательная обработка«, т. е. снятие фасок, фрезерование и т. д.
Электрическое I тестирование
Электрическое тестирование
Схема процесса выше показывает основные этапы создания многослойной печатной платы. Имеются вариации в процессах в зависимости от производимого изделия и специфичной технологии каждого производителя.
C.A. Picard International разрабатывает и производит прецизионные системы регистрации для производства многослойных ПП. Разработка интегрированного инструмента позволяет производителю оптимизировать процесс, увеличить производительность и выход готовых изделий.
Нанесение
надписи
Рис. 6. Встраивание элементов системы совмещения PICARD в схему процесса изготовления МПП
Є~
Компоненты и технологии, № 9'2002
да, устойчивость и производительность процессов прессования:
• загрузочно-разгрузочные тележки;
• стеллажи-накопители с подъемным устройством;
• станции сборки пакетов;
• расштифтовщики с устройством разборки пресс-форм.
Расчетная производительность процесса в зависимости от полноты комплектования участка прессования приведена в таблице 6.
Обязательным приложением к поставкам прессового оборудования является система визуализации на базе персонального компьютера с операционной системой Windows, графический дисплей с ММ1-интерфейсом. Система обеспечивает выполнение трех отдельных функций: загрузку режимов прессования из архива и запись в архив новых режимов, управление процессом прессования, диагностику оборудования для выявления неисправностей.
Металлизация
Направленность современных процессов металлизации состоит в решении проблем равномерности покрытий тонких глубоких сквозных отверстий и глухих переходов со слоя на слой. Немаловажны вопросы экологического характера: процессы металлизации наряду с процессами травления создают основной объем загрязненных промышленных стоков. Новации в области химических процессов состоят в основном в использовании выравнивающих добавок и переходе к процессам прямой металлизации вместо прежних процессов тонкой и среднетолщин-ной химической металлизации.
Существо процесса прямой металлизации состоит в получении электропроводящего слоя для возможности дальнейшего осаждения меди электрохимическим способом, минуя процесс химической металлизации, отсюда и термин — «прямая металлизация».
В Европе, где к охране окружающей среды относятся жестко, процесс прямой металлизации используется довольно давно.
Примерно 30-40% зарубежных компаний используют при производстве ПП процесс «прямой металлизации», в то время как в отечественной промышленности это значение не превышает 10% [2].
Для обеспечения электрической проводимости используется одна из трех систем:
• коллоидная система, содержащая палладий;
• суспензии на основе графита;
• процессы, основанные на осаждении токопроводящих полимеров.
В любом варианте осаждение электропроводящего слоя осуществляется избирательно на диэлектрик.
Преимущества процессов прямой металлизации:
1. Получение равномерных покрытий.
2. Изъятие из процессов растворов формалина и сильных комплексообразователей.
3. Короткое время создания поверхностной проводимости диэлектрика — порядка 15 мин.
4. Используемые в технологии растворы обладают высокой стабильностью.
5. Возможность создания поверхностной проводимости для широкого диапазона диэлектриков.
6. Отсутствие разделительного слоя на стыках металлизации отверстий с внутренними КП.
7. Хорошая рассеивающая способность при удовлетворительном обмене раствора в отверстиях.
8. Меньший объем химических анализов.
9. Отсутствие необходимости слива растворов, содержащих медь.
Коллоидные системы, содержащие палладий, позволяют получить самый лучший вариант прямой металлизации сквозных отверстий. Но с позиций стоимости химических компонентов процесс прямой металлизации на основе использования углеродных суспензий (Black Hole) дешевле. Его, в частности, активно предлагает фирма RESCO.
Ориентируясь на собственный многолетний опыт разработки оборудования пемзовой очистки, фирма RESCO распространила его на процесс прямой металлизации на основе коллоидного графита. Учитывая особенности процесса, фирма ввела новшества:
• для предотвращения расслаивания раствора — ультразвуковое эмульгирование графитовой суспензии;
• для предотвращения уноса суспензии — двойные отжимные ролики на входе и выходе камеры обработки;
• для предотвращения неравномерности покрытия — специальная конструкция трубопроводов подачи раствора;
• для предотвращения засорения отверстий для подачи суспензии — специальные щелевые напорные трубопроводы;
• для обеспечения устойчивости покрытия отверстий — система мягких роликов, принудительно вдавливающих суспензию в отверстия;
• для повышения эффективности сушки — роликовая сушка с двумя воздушными ножами, один из которых продувает отверстия, другой отсасывает остатки раствора и воды, новая сушка для маленьких отверстий.
В оборудовании гальванической металлизации решаются главные задачи — интенсификация процессов обмена электролита в глубоких и глухих отверстиях. Для этого, в дополнение к покачиванию и барботажу, фирма MANZ использует вибраторы, располагающиеся по центру катодных штанг, на что получила патент. Такой прием, в отличие от положения вибратора на краю штанги, лучше и равномернее распределяет колебания по площади заготовки. Вибрация освобождает тонкие отверстия от пузырьков воздуха и способствует интенсивному обмену раствора в отверстиях. По заявлению г-на Манца, для металлизации глубоких отверстий в электролитах с выравнивающими добавками вибрация позволяет увеличить плотность тока с 0,5 до 2,5 А/дм2, за счет чего увеличивается производительность процесса.
Что касается проектирования гальванических линий, то в докладе г-на Манца была про-
демонстрирована реальная возможность учета требований окружающей среды, экономии производственных площадей, энергии и расходных материалов.
В качестве финишного покрытия успешно используется горячее лужение и выравнивание припоя горячим воздухом (HAL-процесс). Установка фирмы Laif engineering хорошо зарекомендовала себя у российских производителей устойчивостью процесса за счет использования системы управления PLC, сохраняющей каждый управляемый ею параметр для каждой конкретной платы. Это избавляет оператора от ошибок и сокращает время выбора режимов облуживания и обдува.
Системы совмещения
Совмещение элементов межсоединений в многослойных структурах — процесс многофакторный. Можно получить хорошие результаты позиционирования элементов рисунка на фотоплоттерах и сверлильных станках, но деформации фотошаблонов и слоев после травления и прессования могут свести на нет эти результаты, если используется непродуманная система совмещения, учитывающая деформации и смещения слоев. Фирма C. A. PICARD International предлагает достаточно точную и гибкую систему базирования, известную как PinLam. Напоминаем, что это 4-слотовая система с L-образным базированием с выравниванием по краю. Для этой системы предлагается весь инструментарий:
• устройство пробивки фотошаблонов PinLam PF и совмещение в системе регистрации стекло-стекло PinLam EF;
• устройство пробивки слоев после травления PinLam PE с возможностью усреднить деформацию слоя;
• пресс-формы C. A. Picard 4140H и 420ss с соответствующими штифтами;
Компоненты и технологии, № 9'2002
• PinLam EFw/Panel Adj для оптимизации позиционирования паяльной маски. Схема процесса с использованием элементов системы совмещения PICARD показана на рис. 6.
В новых системах C. A. PICARD International предлагает высокий уровень автоматизации с использованием компьютерных технологий и видеосистем; материалы с высокой размерной стабильностью, высокую точность сочленения механизмов, отвечающих за прецизионность совмещения (на рис. 7 показан внешний вид одной из таких систем пробивки базовых отверстий).
Тестирование
Размеры элементов межсоединений высокоплотных плат стали сегодня соизмеримы с возможными дефектами материалов и со случайными загрязнениями, неизбежным источником которых является внешняя среда и рабочий персонал. Воспроизводимость этих дефектов современными средствами фотолитографии стала реальным источником брака или отказов. Своевременное выявление таких дефектов на ранних стадиях производства и устранение их причин или исправление — непременный атрибут высокотехнологичного производства. Вместе с тем множество элементов, подлежащих контролю, быстрая зрительная утомляемость человека, пропуски дефектов (по статистике автора — 23% дефектов) не позволяют полагаться на визуальный контроль. Автоматический оптический контроль (AOI) с использованием машинного зрения стал велением времени.
Предложения швейцарской фирмы Projectina AG состояли в демонстрации возможностей установок AOI: измерительных систем, систем с подсветкой DMS 810, PAG VRS 236, систем, работающих в отраженном и поглощенном свете RP 36x24. Все они регистрируют местоположение дефектов в электронном виде так, что оператор имеет возможность их видеть и принимать решение о допустимости или недопустимости отклонения от критерия качества и, может быть, тут же исправить (рис. 8).
Высокопроизводительную систему AOI Argos (рис. 9) представила фирма MANIA. Она выявляет дефекты производства: разрывы, замыка-
ния, перетравы, забитые отверстия, лишнюю медь, впадины, перекос рисунка и изменение ширины линии, а также дефекты CAD-данных: пропуск или дополнительные элементы, ошибочный размер апертур, ошибки шагов и повторов и ошибки выравнивания. Производительность этой системы в зависимости от режимов детализации показана в таблице 7.
Таблица 7. Производительность тестирования системы оптического контроля ARGOS в зависимости от режима: скорость сканирования/время обработки
Разрешение Время сканирования, с м2/ час Сторон/ час Класс точности, мкм
Очень грубо 1B 56 129 >130
Грубо <23 43 156 130
Среднее качество <29 35 124 100
Точно <38 26 94 75
Полностью автоматизированный AOI-контроль представлен серией тестеров типа Sapphire. В ней используются две видеокамеры и оптика с высоким разрешением, вакуумный прижим, гранитная станина, палета из углепластика, приводы на линейных двигателях, высокопроизводительная ЭВМ и программное обеспечение, позволяющие осуществлять проверку изображения по принципу «пиксель к пикселю». Представители этой серии Sapphire 2к и Sapphire 6к отличаются лишь форматом области проверки и количеством видеокамер (2 и 6 соответственно).
Если AOI-системы поддерживают качество в процессе производства, то электрический контроль — средство окончательной аттестации качества готовых плат (в основном МПП). Существуют две основные технологии электрического контроля, различающиеся по способу контактирования: «ложе гвоздей» и «подвижные (летающие) зонды».
Считается, что технология «ложе гвоздей» предусматривает контроль ПП с адаптером, а технология «подвижные зонды» — безадап-терный контроль. Контроль с адаптером более производительный, однако его недостатком является необходимость изготавливать для каждой платы свой адаптер. Кроме того, малый шаг присоединений к контрольным точкам (менее 1,25 мм) делает эти адаптеры дорогими или вообще невозможными в реализации. Поэтому рынок продаж уверенно сместился в сторону безадаптерного контроля тестеров с «летающими щупами» (flight probes).
Соревнование в производительности системы электрического контроля с «летающими щупами» выиграли непростой ценой. Это достигается увеличением количества пар «летающих щупов» и особой стратегией контроля.
Фирма MANIA поставляет электрические тестеры, использующие вышеупомянутые принципы увеличения производительности. Ее знаменитый соотношением «цена — качество» тестер Speedy MPP4504, самый популярный на российском рынке (рис. 10). Система Speedy разработана для оптимизации электрической проверки ПП любого производителя. Простая загрузка и вертикальное расположение платы делают эту систему чрезвычайно удобной для пользователя. Дополнительные загрузочные рамки способствуют возможности установить в них тестируемые платы в любом удобном для этого месте. Тестеры используют базовые КП для выравнивания ПП с обеих сторон и полностью автоматически вводят в действие компенсацию любого поворота или сдвига, который мог возникнуть в процессе производства. Тестеры оснащены программой обработки данных и программой «Gerber Repair Facility» с log-файлами (журнал), отображающими результаты тестирования. Сопротивление изоляции тестируемой ПП определяется согласно правилу близлежащих цепей, что позволило значительно увеличить скорость работы тестера. Для перемещений по осям X, Y и Z в тестерах Speedy применены шаговые двигатели. За счет использования уникального компенсационного программного управления тестеры способны исследовать монтажное поле плат любой сложности и настроиться так, чтобы попадать щупами в КП с размерами до 0,2 мм с точностью 0,05 мм.
Подготовка данных для тестирования формируется с помощью программного обеспечения, входящего в комплект поставки. Для тестирования могут использоваться списки цепей, созданные при конструкторском проектировании ПП в форматах Gerber, DPF, в расширенном Gerber (274-х). Также можно применить различные списки цепей плат, выработанные другими известными САМ-системами.
Оптимальные перемещения щупа имеют решающее значение для времени тестирования. В Системе Speedy используются сложные программы для выработки оптимального количества перемещений щупа. Эта идея в проведении тестирования позволяет свести к минимуму вероятность повреждения КП по-
Компоненты и технологии, № 9'2002
верхностного монтажа (SMT pads). Короткие замыкания и разрывы, обнаруженные в процессе тестирования, могут быть проанализированы в исходных САМ-данных и при необходимости исправлены.
Тестер Speedy MPP4504 снабжен четырьмя щупами (по два с каждой стороны тестируемой платы) и при условии использования программы тестирования HIRAM™ и позволяет контролировать до 30 ПП в час. Системы электрического тестирования типа Omega FPT снабжены видеокамерой для выравнивания и 8 щупами. В сочетании с новой технологией SpeedPro II эти системы позволяют контактировать с площадками размером 0,05 мм с шагом 0,1 мм. Самая последняя система электрического тестирования MEGA-CUBE MPP 43256 предназначена для контроля больших плат и кросс-панелей и имеет большую производительность за счет использования групповых зондов.
Некоторые фирмы-партнеры «РТС Инжиниринг» не выступали с докладами, но материалы их предложений были выданы участникам конференции:
• STORK GmbH, Германия — ламинаторы для нанесения фоторезиста;
• TELMEC s.p.a., Италия — установки скрай-бирования;
• ARGON s.r.l., Италия — установки сеткотрафаретной печати, печи сушки;
• LAIF Engineering GmbH, Германия — установки выравнивания припоя горячим воздухом (HAL);
• AHLSTROM ALTENKIRCHEN GmbH, Германия — буферный материал для прессования МПП;
• MATSUSHITA Electric Works Electronic Materials (Europe) GmbH, Австрия — базовые материалы;
• ORC manufacturing Vertriebs GmbH, Германия — установки экспонирования.
Конференция соединила идеи и предложения фирм-производителей оборудования с потребностями российских производителей ПП в новых технологиях и их реализациях. В дополнение к живому общению на конференции устроители форума «РТС Инжиниринг» организовали прямые контакты производителей с зарубежными фирмами. Встречи и решения, принятые в рамках этих контактов, несомненно, положительно повлияют на развитие электронной индустрии в России. МИ
Литература
1. А. Медведев. Монтаж компонентов. Куда идет технология // Электронные компоненты. 2002. № 7
2. Вадим Степанов. Прямая металлизация: да или нет? // Компоненты и Технологии. 2002. № 5
