CC BY
183Михаил ОДНОДВОРЦЕВ
omv@estek.ru
Наиболее общими показателями уровня сложности печатных плат являются ширина проводников и зазоров, диаметр межслойных переходов. Тенденция развития печатных плат характеризуется уменьшением ширины проводников и зазоров, увеличением количества сквозных и межслойных переходов за счет уменьшения их размеров и использования поверхностных контактных площадок для присоединения выводов современных электронных компонентов.
При изготовлении внутренних и наружных слоев форма, размеры и точность проводящего рисунка первоначально определяются процессами фотохимии.
Основными факторами, влияющими на результат фотохимического процесса, являются:
• чистота помещений и их климатические условия;
• точность изготовления фотошаблонов;
• точность совмещения;
• тип установки экспонирования и проявления.
Обоснование требований электронно-вакуумной гигиены (ЭВГ)
в производстве печатных плат
Для достижения высокого технического уровня сложности печатных плат недостаточно укомплектовать производство прецизионным оборудованием, обязательным становится дополнительное инженерное обеспечение условий производства — создание гермозон с атмосферой, контролируемой по запыленности, температуре, влажности и избыточному давлению.
Требования по ограничению к запыленности в первую очередь относятся к участкам фотошаблонов и «сухой» фотохимии,
Выбор оборудования
для фотохимических процессов изготовления печатных плат
Оборудование должно выбираться исходя из поставленной задачи, понимания особенностей технологического процесса и знания современных решений, предлагаемых производителями оборудования, а результатом выбора должен стать комплект технологического оборудования или отдельные его единицы, позволяющие выполнять операции, контролировать качество и управлять технологическим процессом.
так как воспроизводимость проводников и зазоров для плат 4-5 классов точности и выше становится соизмеримой с размерами пылинок в обычной атмосфере. Недостаточный уровень вакуумной гигиены приводит к обвальному браку прецизионных плат или к большому объему ретуши на обычных платах.
Требования по стабильности температуры и влажности относятся ко всем участкам, отвечающим за прецизионность размеров и совмещение рисунка схем: фотошаблонов, экспонирования, проявления, сверления, совмещения слоев, прессования. Значения температуры и влажности должны не только укладываться в узкий диапазон, но и быть одинаковыми на всех этих участках, иначе изменения линейных размеров фотошаблонов, заготовок плат, слоев и оборудования приведут к рассовмещению элементов многослойных структур и появлению брака или потенциальных источников отказов.
Если кратко, то точность изготовления фотошаблонов определяется:
• типом применяемого оборудования;
• типом применяемого материала (фотопленки);
• соблюдением электронно-вакуумной гигиены;
• соблюдением технологического процесса.
Как показывает опыт изготовления фотошаблонов на многих предприятиях, имеющих различные типы фотоплоттеров, при равных заявленных технических возможностях, наиболее точными являются барабанные фотоплоттеры, например 8ЬЕС 5088А (рис. 1). Это обусловлено конструкционными особенностями [1], а именно: наличием только поступательного движения лазерной каретки и синхронизированной (постоянной) скорости вращения барабана против неравномерного (не однонаправленного) движения в планшетных системах, требующих более сложной системы управления и более длительного времени калибровки. Движение сканирующего типа в планшетных фотоплоттерах предъявляет высокие требования к точности ориентации осей, величине допусков на зазоры подвижных частей, что отражается на стоимости и не всегда является оправданным. Специальное программное обеспечение «резиновый лист» позволяет скорректировать искажения, вносимые погрешностями в изготовлении деталей барабанного фотоплоттера при засветке фотошаблона.
Существует заблуждение, что одним из преимуществ планшетного фотоплоттера является возможность прорисовки различных типоразмеров фотошаблонов, а на фотоплоттерах с внешним барабаном это невозможно из-за срыва фотопленки с барабана в момент засветки лазером.
В «топовых» моделях барабанных фотоплоттеров предусмотрена возможность загрузки различных типоразмеров фотопле-
Рис. 1. Внешний вид фотоплоттера SLEC 5088A
нок, что реализуется посредством изменения области вакуумного прижима фотопленки. Но использование множества различных типоразмеров заготовок, как правило, экономически нецелесообразно, а иногда и технически невозможно.
Фотопленка срывается с вращающегося на большой скорости барабана только в случаях, когда она не соответствует типоразмеру, применяемому на фотоплоттере (то есть недостаточно силы вакуумного прижима), когда фотопленка имеет механические повреждения (деформация, сгибы, прорывы и т. д.) и когда параметры ЭВГ не соблюдены (то есть температура и влажность не соответствуют предъявляемым к данному помещению требованиям). Учитывая, что деформация фотопленки зависит от изменения температуры, влажности [2] и технологии подготовки фотопленки (термо-
Таблица. 1. Требования к классу чистоты
в общих помещениях
Класс точности ПП Класс чистоты
по ГОСТ 23751 по ГОСТ ИСО 14644-1-2002
Класс 3 Класс 9 ИСО
Класс 4 Класс 7 ИСО
Класс 5 Класс 5 ИСО
Выше класса 5 Класс 4 ИСО
стабилизации и стабилизации влажности фотопленки в помещении), срыв пленки с барабана фотоплоттера может указывать на одну из приведенных причин. Исключение данного эффекта позволит в дальнейшем избежать изготовления фотошаблонов с неконтролируемыми деформациями и будет гарантировать стабильность получаемых результатов, то есть высокую повторяемость.
Основным требованием, предъявляемым к проявочным процессорам, является наличие автоматической системы дозирования растворов проявителя и фиксажа с системой фильтрации рабочих растворов и микропроцессорное управление, позволяющее программировать режимы (температуру, время обработки, объем дозирования растворов), например GROWNS Р-250 (рис. 2).
Требования к помещению участка изготовления фотошаблонов
Общие требования:
• Неактиничное искусственное освещение.
• Отдельно выделенный бокс для фотоплоттера — темная комната с подачей обеспыленного воздуха.
• Шлюз для входа/выхода персонала.
• Воздушный душ для обеспыливания одежды персонала.
• Окраска стен и покрытие пола пылеотталкивающими небликующими материалами, не выделяющими пыли и допускающими влажную уборку.
• Антистатическая защита.
• Для предотвращения разрушения эмульсионного слоя фотошаблонов стеллажи и боксы не должны иметь острых граней и заусенцев.
Для понимания соответствия классов чистоты (табл. 1, 2) по ГОСТ ИСО 14644-1-2002 и в старой градации классов чистоты помещения приведена сравнительная таблица (табл. 3).
Подготовка поверхности перед нанесением фоторезиста
Для создания чистой, равномерно шероховатой (развитой) поверхности перед нанесением различных резистов используется несколько методов подготовки:
• химическая обработка;
• гидроабразивная (пульпой пемзы или окиси алюминия) под высоким давлением;
• щеточная зачистными валами совместно с абразивом (пульпой пемзы или оксида алюминия).
Подготовка поверхности необходима для удаления окисной медной пленки, жирных следов, остающихся после прикосновения голыми руками к медной поверхности, и т. д., которые могут препятствовать надежной адгезии фоторезиста к медной поверхности.
Попробуем разобраться, какие методы подготовки поверхности необходимо использовать для получения наилучшего результата.
Химическая обработка
Химическая обработка для подготовки поверхности проводится микротравлением. Данный метод подготовки поверхности является универсальным. Например, фирма J-KEM International предлагает микротрави-тель меди Micro-etch 7228 P. Этот препарат обеспечивает равномерное микротравление на всей площади заготовки печатной платы, давая отличную адгезию медных слоев. Micro-etch 7228 P может использоваться как перед процессом нанесения фоторезиста или
Таблица 2. Требования к классу чистоты чистых зон
Класс точности ПП по ГОСТ 23751 Оборудование, размещаемое в чистой зоне (в отдельных помещениях или боксах) Класс чистоты по ГОСТ ИСО 14644-1-2002
Класс 3 Фотоплоттер Класс 9 ИСО
Класс 4 Фотоплоттер, проявочный процессор Класс 6 ИСО
Класс 5 Фотоплоттер, проявочный процессор, рабочий стол контроля, стеллажи, А01 для фотошаблонов Класс 4 ИСО
Более класса 5 Фотоплоттер, проявочный процессор, рабочий стол контроля, стеллажи, А01 для фотошаблонов Класс 3 ИСО
Примечание.
Требования ктемпературному режиму: 21 ±1 °С. Требования к режиму влажности: 60 ±5%
Таблица 3. Максимально допустимые концентрации частиц для классов частоты по ИСО
Класс чистоты по ИСО Максимально допустимые концентрации частиц, частиц/м3, с размерами, равными или большими следующих значений, мкм
0,1 0,2 0,3 0,5 1,0 5,0
Класс 1 ИСО 10 2 - - -
Класс 2 ИСО 100 24 10 4 - -
Класс 3 ИСО 1000 237 102 35 З -
Класс 4 ИСО 10 000 2370 1020 352 83 -
Класс 5 ИСО 100 000 23 700 10 200 3520 832 29
Класс 6 ИСО 1 000 000 237 000 102 000 35 200 8320 293
Класс 7 ИСО - - - 352 000 83 200 2930
Класс 8 ИСО - - - 3 520 000 832 000 29 300
Класс 9 ИСО - - - 35 200 000 8 320 000 293 000
Примечание. Из-за неопределенности, связанной с процессом счета частиц,
при классификации следует использовать значения концентрации, имеющие не более трех значащих цифр
Рис. 3. Внешний вид системы дозирования (контроллер, насосы, датчики, электроды и т. д.)
Рис. 4. Внешний вид конвейера линий WAT для «мокрых» процессов производства ООО «Передовые технологии» (г. Дмитров)
паяльной маски, так и в линии химического меднения. Микротравление может использоваться как перед нанесением покрытия, так и перед пассивацией поверхности. Скорость травления от 0,6 мкм/мин при 22 °С до 0,8 мкм/мин при 32 °С. «Емкость по меди» данного раствора микротравления составляет максимум 10 г/л.
Процесс химической обработки как в мелкосерийном, так и в серийном производстве выполняется на конвейерных линиях струйной обработки, в состав которых, как правило, входят модули микротравления (например, WAT).
Основной особенностью процесса обработки на линиях WAT является возможность применения автоматической коррекции (дозирования) растворов обработки (рис. 3), высокая степень фильтрации рабочих растворов (трехступенчатая), удобство обслуживания и надежность, обусловленная особенностями конструкции линий. Конвейер этих линий способен пропускать заготовки толщиной от 0,05 мм (рис. 4).
Гидроабразивная обработка и щеточная зачистка с абразивом
Более десяти лет назад в международной практике традиционно использовались нейлоновые щетки и суспензия пемзы в воде как наиболее хороший способ подготовки поверхностей, и эта технология считалась стандартной многие годы.
Альтернативу этому методу предлагает оборудование, реализующее процесс струйной об-
работки поверхностей водной суспензией пемзы. Этот вид подготовки поверхностей нашел очень ограниченное применение в силу того, что порошок пемзы относительно легкий и потому оказывает в составе струи слабое механическое воздействие на поверхность платы. В связи с этим, обработка пемзой в последнее время имеет тенденцию к исчезновению. Попытки преодолеть недостаточность механического воздействия таких систем на поверхность плат привели некоторых производителей к использованию струйной обработки с водной суспензией оксида алюминия («электрокорунд»). Это очень твердый и острый абразив, так что струя суспензии с этим материалом гарантирует эффективное соударение с поверхностью платы: бомбардировка острыми тяжелыми частичками создает нужную топографию поверхности, которая обеспечивает требуемую адгезию к ней последующих покрытий.
Использование оксида алюминия открывает несколько дополнительных возможностей, таких как уменьшение расхода абразива за счет лучшей возможности его улавливания из-за большей плотности, возможность использования большего разброса частиц абразива, чем для пемзовой очистки.
Осознав преимущества использования оксида алюминия, все разработчики и производители машин, предназначенных для очистки поверхностей, переделали свои машины для использования щеточной очистки с оксидом алюминия.
Для большей убедительности в целесообразности такого революционного решения были проведены сравнительные исследования механических методов очистки и подготовки поверхностей применительно к промышленному использованию следующих методов:
• щеточная очистка с пемзой;
• щеточная очистка с оксидом алюминия;
• струйная очистка с пемзой;
• струйная очистка с оксидом алюминия.
На основании проведенных исследований были сделаны следующие выводы.
Струйная обработка с пульпой абразива, как правило, хорошо подготавливает поверхность под нанесение фоторезиста, но иногда недостаточна, если давление струй окажется слишком большим, при этом тонкие основания будут увеличиваться в размере (нагарто-вываться) в большей степени, чем при щеточной очистке.
Когда используется щеточная очистка с оксидом алюминия, не возникает потребности в химической чистке для дезоксидации и доочистки фольги. Поэтому очистка щетками с оксидом алюминия связана с меньшими расходами и занимает меньше производственных площадей, при том, что она обеспечивает чистую поверхность и идеальную топографию поверхности.
Когда в высокой производительности нет необходимости, щеточная очистка имеет еще одно преимущество: уменьшение скорости конвейера позволяет лучше удалить любое загрязнение с поверхности. Струйная очистка не обеспечила бы такой же эффект.
Все изготовители плат, вовлеченные в обсуждение проблем очистки поверхностей, соглашаются с этим, а проведенные испытания явно демонстрировали, что очистка щетками (с пемзой или с оксидом алюминия) намного превосходит струйную очистку. Еще одно преимущество щеточной очистки — широкое технологическое окно, что бывает необходимо для гарантированной адгезии сухого пленочного фоторезиста к поверхности фольги при всем разнообразии состояния окружающей среды независимо от времени хранения задела между операциями.
Необходимо заметить, что установки щеточной зачистки с оксидом алюминия Pola&Massa FLEX Brush Scrubbing Machine (рис. 5) имеют систему обработки тонкого
Таблица 4. Применимость различных методов подготовки поверхности
1. Подготовка поверхности заготовок внутренних слоев перед нанесением фоторезиста 5. Подготовка внутренних слоев МПП микротравлением перед оксидированием 9. Подготовка поверхности заготовок внешних слоев перед нанесением фоторезиста (ОПП, ДПП, МПП) 14. Подготовка и пассивация медной поверхности перед нанесением паяльной маски 16.1.1. Подготовка медной поверхности заготовок перед флюсованием 17.1. Подготовка перед нанесением финишного покрытия
Химическая обработка (микротравление, оксидирование) V V V V V V
Гидроабразивная (пульпой пемзы или оксидом алюминия) V V*
Щеточная совместно с абразивом (пульпой пемзы или оксидом алюминия) V V*
* Только не для заготовок МПП с проведенной прямой металлизацией отверстий
материала и способны обрабатывать заготовки толщиной от 0,1 до 3,2 мм. Эта система включает в себя систему автоматического определения толщины заготовки и имеет три режима работы в зависимости от толщины обрабатываемых заготовок.
1) Толщина заготовки меньше 0,3 мм. Когда заготовка поступает в секцию зачистки, за-чистные валы вращаются по ходу движения конвейера, и, когда край заготовки пройдет между верхним и нижним зачист-ным валом, они автоматически начнут зачистку поверхности, вращаясь в противоположную стону. И так каждая из трех пар зачистных валов.
2) Толщина заготовки от 0,3 до 0,8 мм. Когда заготовка поступает в секцию зачистки, за-чистные валы не вращаются, и, когда край заготовки пройдет между верхним и нижним зачистным валом, они автоматически начнут зачистку поверхности, вращаясь против хода движения конвейера. — И так каждая из трех пар зачистных валов.
3) Толщина заготовки больше 0,8 мм. Зачи-стные валы вращаются против хода движения конвейера.
Такая система позволяет не подвергать тонкие заготовки стрессу при обработке и не причинит им механических повреждений.
Каждая установка щеточно-абразивной подготовки Pola&Massa FLEX Brush Scrubbing Machine может дополнительно комплектоваться системой промывки под высоким давлением от 30 до 100 бар, применение которой позволяет окончательно удалять остатки абразива в секции промывки.
Механическая подготовка (гидроабразивная и щеточная) применяется для поверхностей, не имеющих ярко выраженного рельефа, то есть для заготовок печатных плат с еще не сформированной топологией проводящего рисунка, а точнее с целиковой медной фольгированной поверхностью. Это обусловлено тем, что данные способы обработки, во-первых, не позволяют качественно подготовить торцы проводников, а во-вторых, будут нарушать поверхность диэлектрика. Хотя качество подготовки медной поверхности механическими методами как минимум не уступает качеству подготовки химическим способом, но, как видно из таблицы 4, хими-
ческая подготовка является практически универсальной для всех операций подготовки. Тогда становится непонятной необходимость применения гидроабразивных и щеточных линий. Однако не все так просто!
Во-первых, перед некоторыми операциями микротравления необходима операция обезжиривания, а после могут следовать другие различные операции (пассивации, флюсования, оксидирования и т. д.), которые, как правило, реализованы в одной линии. Это обстоятельство требует применения различных конфигураций конвейерных линий обработки поверхности, содержащих основной модуль микротравления (например, конвейерная линия микротравления WAT BL-610 ME). Хотя кислые растворы микротравления имеют невысокую концентрацию, требования к помещениям обязывают использовать кислотоустойчивую плитку при отделке помещений и вытяжку из процессорных модулей каждой установки.
Во-вторых, если линия струйной химической подготовки не имеет системы автоматической коррекции (дозирования) растворов, то необходимо постоянно (часто) проводить замеры содержания меди в заводской или цеховой лаборатории. И если линия струйной химической подготовки используется для обработки большой площади медной поверхности перед нанесением фоторезиста на заготовки внутренних слоев или на внешние слои заготовок спрессованных МПП, то скорость насыщения медью растворов значительно увеличивается. Что касается механической подготовки медной фольги, то замену щеток и абразива (пульпы) можно проводить, учитывая суммарную площадь обработанных заготовок.
В-третьих, нейтрализация и утилизация раствора. Как правило, растворы микротравления не регенерируются. Также может возникнуть необходимость нейтрализации отработанного раствора микротравления перед утилизацией. Утилизация отработанных химических растворов намного сложнее и более дорогостоящая по сравнению с утилизацией отработанной и высушенной пульпы пемзы или оксида алюминия, содержащих медь.
В-четвертых, ограниченная производительность не только одной линии (модуля) микро-
травления, но и механической подготовки. Например, микротравление на глубину порядка 1 мкм при скорости травления порядка 0,7 мкм/мин займет около 1,5 мин. Если эффективная длина камеры микротравления составляет порядка 0,75 м, то скорость конвейера данного модуля будет равна 0,5 м/мин (или 30 м/ч). При размере заготовок 305x457 мм максимальная производительность составит 13,7 м2/ч. При кажущейся высокой производительности модуля следует учитывать, что один модуль не сможет обеспечить обработку заготовок ДПП, внутренних слоев, внешних слоев перед нанесением фоторезиста и подготовку под нанесение паяльной маски на заготовки ДПП и МПП для теоретической суммарной производительности более 1,6 м2/ч (а реально намного меньше, с учетом меж-операционного времени и неравномерности поступления заготовок на обработку) участка, выпускающего ДПП и МПП в процентном соотношении 70% и 30% соответственно.
Следовательно, возникает необходимость использования еще одной линии подготовки поверхности. А добавление в линию еще одного модуля или удлинение может привести к разбалансированности производительности (скоростей) других модулей линии (обезжиривания и пр.). И вот здесь имеет смысл использовать механическую подготовку, а точнее, как уже доказано выше, установку щеточной очистки с оксидом алюминия, тем самым разгрузив линию химической подготовки (микротравления) от операций подготовки перед нанесением фоторезиста на заготовки ДПП, а также на внутренние и внешние слои МПП. Такое решение позволит увеличить сквозную производительность операций подготовки, снизить частоту сложной замены химических реактивов и сделать процесс подготовки поверхностей заготовок ПП более гибким и даст возможность технологу выбирать варианты подготовки поверхностей для разнообразных материалов оснований ПП на различных стадиях производства.
Следует отметить одно очень важное обстоятельство использования механической обработки поверхности заготовок печатных плат щетками или струей с пульпой абразива. Если в заготовках печатных плат имеются отверстия диаметром 0,4 мм и меньше, данные виды обработки поверхности неприемлемы, так как абразив (пемза или оксид алюминия) забивает отверстие, «закоксовывается» в них, и удалить его из отверстий практически невозможно.
Требования к помещениям (подготовка поверхности перед нанесением фоторезиста)
Общие требования (табл. 5):
• Пол должен быть облицован керамической, химически стойкой плиткой. Для стока воды и растворов полы должны иметь уклон к трапу.
Таблица 5. Требования к классу чистоты
Класс точности ПП по ГОСТ 23751 Класс чистоты по ГОСТ ИСО 14644-1-2002
Класс 3 нет требований
Класс 4 Класс б ИСО
Класс 5 Класс б ИСО
Выше класса 5 Класс б ИСО
Примечание.
Требования ктемпературному режиму: 21 ±4 °С.
Требования крежиму влажности: б5 ±10%
• Стены должны быть облицованы керамической плиткой на высоту не менее 2 м, верхняя часть стен и потолок должны быть покрыты эмалевыми, химически стойкими красками.
• Общая вытяжка с контролируемым притоком воздуха.
Нанесение фоторезиста
Определяющим при выборе ламинатора является наличие «ионизирующих» валов для удаления статического заряда с поверхности заготовки. Необходимо обратить внимание на наличие предварительного нагрева, особенно актуального при нанесении фоторезиста на внешние слои и толстые заготовки, а также ламинирующих валов диаметром порядка 100 мм, позволяющих ламинировать заготовки слоев печатных плат толщиной от
0,06 мм. Типичным примером такого ламинатора является модель WAT 100F-LH (рис. 6). Особое внимание при эксплуатации ламинаторов следует обратить на периодический контроль (как правило, через 1000 часов). Проверяется равномерность прижима ламинирующих валов, равномерность распределения температуры на ламинирующих валах и жесткость резинового покрытия ламинирующих валов.
Рис. б. Внешний вид ламинатора WAT 100F-LH
Нанесение паяльной маски
Выбор оборудования, а точнее метода нанесения паяльной маски, подробно описан в одной из предыдущих публикаций автора [3] (рис. 7).
Если быть кратким, то для выбора типа паяльной маски и технологии нанесения следует обратить внимание на следующую информацию.
Сухая пленочная паяльная маска
Преимущество: высокая производительность и равномерность толщины. Недостатки:
• Низкая разрешающая способность.
• Плохое прилегание к торцам проводников. Не проникает в зазоры менее 100 мкм между проводниками.
• Невозможность получения надежной перемычки шириной менее 100 мкм. Высокие требования к подготовке поверхности, в части развитости поверхности, перед нанесением.
• Хрупкость при механической обработке. Невозможность применения в процессах иммерсионного нанесения финишных покрытий.
Жидкая паяльная маска
В таблице 6 представлены сравнительные характеристики различных методов нанесения жидкой паяльной маски.
Рис. 7. Внешний вид линии струйно-факельного нанесения жидкой фоточувствительной паяльной маски РС 9524, способа нанесения, микрошлифа проводника с нанесенной паяльной маской
Таблица 6. Сравнение характеристик различных методов нанесения жидкой паяльной маски
Характеристики Полив завесой Двухсторонняя трафаретная печать Струйно-капельное нанесение на установке Струйно-факельное напыление на установке ARGUS PC 9524
Производительность (заг./ч) 60-90 60-100 Нет данных 60-120
Максимальный размер заготовки (мм) 610x760 610x760 510x630 610x915
Смена размера заготовки Легко Средне. Замена трафаретной печатной формы Легко. Смена программы Легко. Ввод значения ширины заготовки
Тип нанесения Горизонтальный Вертикальный Горизонтальный Горизонтальный
Стороны нанесения По одной стороне Две стороны одновременно По одной стороне Одностороннее или двухстороннее нанесение в зависимости от типа установки
Автоматизация загрузки заготовок Есть Нет. Установка в пазы вверху и внизу Нет. Укладка заготовки на рабочий стол Есть
Транспортировка или ручные операции для гибких или тонких плат Требуется специальная оснастка для конвейера Требуется специальная растягивающая оснастка Укладка заготовки на рабочий стол, оснастка не требуется Требуется специальная оснастка для конвейера
Толщина наносимого слоя за один проход (мкм) До 150 До 150 В зависимости от конфигурации проводящего рисунка 25 Рекомендуемая толщина для Уф-дубления До 130
Содержание летучих 40% 30% 35% 30%
Потери маски Потерь практически нет при непрерывном процессе. Потери велики при замене маски. Покрывается вся заготовка Потери на сетке и самый высокий расход Потерь практически нет. Покрывается вся заготовка Покрывается вся заготовка. Потери 0-5%
Время подготовки к работе Среднее Длинное. Требуется время для изготовления трафаретной печатной формы (ТПФ) Короткое Короткое
Время необходимое для завершения работы Короткое. Еженедельная чистка Длинное. Требуется постоянная чистка ракеля, лотка и отмывка ТПФ Короткое. Очистка форсунки Короткое. Очистка форсунки и патрубков. Еженедельная чистка вытяжки и фильтра
Смена типа маски Очень сложно. Требуется очистка отстойника или использование сепаратора Средняя сложность. Чистка ракеля и лотка. Возможно, потребуется новая ТПФ Легко. Чистка форсунки Легко. Очистка форсунки и патрубков
Применение В основном жидкие фоточувствительные паяльные маски, некоторые жидкие диэлектрики и резисты Жидкие фоточувствительные и УФ-отверждаемые паяльные маски Специальные жидкие УФ-отверждаемые паяльные маски Жидкие фоточувствительные паяльные маски, различные диэлектрики, лаки и резисты
Рис. 9. Внешний вид становки двухстороннего экспонирования с автоматическим оптическим совмещением Print Process EXPOMAT AEX-II-H 6
Таблица 7. Определение производительности
Наименование оборудования PrintProcess EXPOMAT AEX PrintProcess ExpoALIGNER + установка экспонирования без автоматического оптического совмещения
Производительность до 240 заг./ч (внутренние/внешние слои) до 120 заг./ч (паяльная маска) до б0 заг./ч (ограничено производительностью установки ExpoALIGNER)
Рис. 8. Внешний вид установки автоматического оптического совмещения фотошаблона с заготовкой печатной платы Print Process ExpoALIGNER
Очень широкий спектр оборудования для подготовки, нанесения паяльной маски методом трафаретной печати и окончательной обработки заслуживает отдельной статьи [3].
Ключевым моментом фотохимических процессов является система совмещения и экспонирования.
В процессе изготовления печатных плат невозможно обойтись без продуманной и высокоточной системы совмещения, так как, начиная с момента формирования топологии проводящих слоев на компьютере в системе CAD вплоть до момента электрического тестирования, постоянно требуется совмещать слои топологии между собой, слои с отверстиями, отверстия с контактными площадками, топологию токопроводящего слоя с топологией масочного слоя и т. д.
Даже имея высокоточные сверлильные станки, фотоплоттеры и установки высокоточного формирования базовых отверстий в фотошаблонах, невозможно добиться высокой точности получения топологии не только внутренних, но и внешних слоев относительно отверстий, используя систему совмещения на кнопках [2].
Фотошаблоны с пробитыми базовыми отверстиями для совмещения на кнопках, как правило, ложатся на заготовку «пузырем», или их приходится натягивать, что связано с физическими свойствами фотопленки и базового материала. Деформация фотопленки зависит от изменения температуры и влажности. Усадка материала после травления и процесса прессования должна быть определена экспериментальным путем — в зависимости от партии материала, плотности (площади) медной топологии каждого слоя и применяемого техпроцесса. Основная потеря точности, а это уже не десятки, а сотни микрон, происходит на этапах совмещения топологии, что приводит к высокому проценту брака по рассовмещению.
Автоматическое оптическое совмещение снижает влияние человеческого фактора на результат совмещения и позволяет усреднять погрешности. Установка ExpoALIGNER (рис. 8)
совместно с установкой экспонирования без автоматического оптического совмещения может являться равноценной заменой установкам экспонирования с автоматическим оптическим совмещением, при этом отпадет необходимость иметь и использовать установку формирования базовых отверстий в фотошаблонах. Высокая точность совмещения фотошаблонов внешних слоев, внутренних слоев, защитной паяльной маски с заготовкой, а также минимизация влияния человеческого фактора на процесс совмещения должны дать неизменно стабильный и положительный результат совмещения при совместном применении установки ExpoALIGNER и установок экспонирования без автоматического оптического совмещения в производстве.
Главным недостатком этой пары, как и бюджетных установок экспонирования с автоматическим оптическим совмещением других производителей, по сравнению с установками экспонирования с высокоточным автоматическим оптическим совмещением, например, Print Process EXPOMAT AEX (рис. 9), является отсутствие информации о результатах совмещения (контроля) после приложения вакуума в раме экспонирования, перед открытием затворов камер ультрафиолетовых ламп и невозможность последующего пере-совмещения перед самим экспонированием, что очень важно для получения высокоточного совмещения топологии.
Остается определиться с необходимой производительностью и минимальным размером проводника и зазора (табл. 7).
Если с производительностью более или менее понятно, то с типом установки экспонирования, а именно с типом источника засветки, стоит разобраться подробнее.
Важным условием осуществления фотохимических реакций, в том числе фотоиници-ированной полимеризации фоторезиста и паяльной маски, является совпадение или достаточное перекрывание спектров излучения источника и поглощения облучаемого материала. Реакции инициирования полимеризации происходят при поглощении света в небольшом диапазоне спектра от 320 до 380 нм.
При работе большинства УФ-ламп, используемых для экспонирования фоторезиста и паяльной маски, образуется озон. Однако сейчас все больший спрос получают и так называемые «безозоновые» лампы. Использование кварца со специальными включениями титана позволяет «отрезать» или существенно сократить излучение в области спектра от 200 до 235 нм, где и генерируется озон. Использование таких ламп решает проблему удаления озона из рабочей зоны и, соответственно, применения дополнительного оборудования [4].
Если говорить о сроке службы УФ-ламп, то производители предоставляют гарантию на 1000 ч работы для ртутных ламп и 500 ч работы для металло-галогенных ламп. Это
\ \ Рассеянный
т
—1
Коллимированный
1 1
1 1 \ мм Полуколлимированный
1 І
Рис. 12. Влияние различных УФ-источников на результат формирования изображения (экспонирования), а также влияние загрязнения фотошаблона
Рис. 10. Внешний вид установки УФ-отверждения
паяльной маски Argus PC 7725
стандарт. Но лампы могут служить значительно дольше заявленного гарантийного срока при должном уходе и правильных условиях эксплуатации. Огромное значение имеет эффективное охлаждение лампы: пагубные последствия имеют как перегрев, так и переохлаждение. Согласно статистике, около 90% ламп, возвращенных производителю, имели проблемы, связанные с охлаждением. Поэтому крайне важен постоянный мониторинг состояния ламп и ведение журнала учета по каждой лампе.
Используемые в технологиях изготовления печатных плат искусственные источники УФ-излучения предназначены, в основном, для трех целей: формирования топологии токопроводящих слоев, рисунка фоточувстви-тельной паяльной маски и полимеризации УФ-паяльных масок и маркировочных красок.
Для экспонирования фоторезиста и паяльной маски в установках экспонирования, как правило, используются металло-галогенные лампы или ртутные лампы высокого давления, а в установке УФ-отверждения (рис. 10)
паяльной маски и маркировочной краски стандартно используются ртутные лампы среднего давления. Все лампы имеют интенсивность УФ-излучения, оптимизированную к большинству используемых фоторезистов, с полосой сфокусированного УФ-излучения в узком диапазоне 300-420 нм.
Введенные в рабочую зону металло-гало-генной лампы помимо ртути для исправления цветности и повышения световой отдачи галогенные соединения различных металлов (чаще всего — натрия и скандия, а также галлия, индия, таллия и редкоземельных элементов — диспрозия, гольмия, тулия и др.), они, с одной стороны, обеспечивают заданный спектр, а, с другой стороны, влияют на стабильность дугового разряда.
Металло-галогенные лампы, как правило, используются в установках экспонирования рассеянным светом, например, WAT SEM M8K2 (рис. 11), ив установках экспонирования оптимизированным (полуколлимиро-ванным, псевдоколлимированным) светом. Установки экспонирования оптимизированным светом имеют специальную систему полусферических зеркальных отражателей более сложной формы, позволяющую добиться расхождения лучей на поверхности порядка 6-22° (в зависимости от типа установки) и получать на фоторезисте толщиной ЗВ мкм на установке WAT SMSE-MA8K2 разрешение проводник/зазор от 65 мкм (рис. 12), а на швейцарской установке PrintProcess EXPOMAT AEX — от 4G мкм. Такие установки
' 0 — г* .
• о - О
• і
і
в
Рис. 13. Внешний вид установки экспонирования коллимированным светом WAT SMCE-MA5K1
Таблица 8. Требования к классу чистоты общего помещения
Класс точности ПП по ГОСТ 23751 Класс чистоты по ГОСТ ИСО 14644-1-2002
Класс 3 Класс 9 ИСО
Класс 4 Класс 7 ИСО
Класс 5 Класс 5 ИСО
Выше класса 5 Класс 4 ИСО
Таблица 9. Требования к классу чистоты чистых зон
Класс точности ПП по ГОСТ 23751 Оборудование, размещаемое в чистой зоне Класс чистоты по ГОСТ ИСО 14644-1-2002
Класс 3 Станок трафаретной печати Класс 9 ИСО
Класс 4 Станок трафаретной печати, ламинатор Класс б ИСО
Класс 5 Станок трафаретной печати, ламинатор, установка экспонирования Класс 4 ИСО
Выше класса 5 Станок трафаретной печати, ламинатор, установки экспонирования*) Класс 3 ИСО
Примечание.
Требования ктемпературному режиму: 21 ±1 °С. Требования к режиму влажности: 55 ±5%. Антистатическая защита
экспонирования могут использоваться как для засветки внешних и внутренних слоев, так и для экспонирования фоточувствитель-ной паяльной маски.
Интенсивность засветки таких установок — 35-55 мВт/см2, наличие встроенного РЬС-контроллера параметров экспонирования и замер экспозиции в реальном времени дает основание особенно рекомендовать их для экспонирования паяльной маски, так как она требует высокой энергии засветки.
Из установок экспонирования, имеющих металло-галогенные лампы, самыми универсальными могут считаться установки с оптимизированным источником. Такие установки имеют более широкие возможности получения минимальных размеров проводник/ зазор, а стоимость ненамного выше стоимости установок экспонирования рассеянным светом, так как они имеют практически туже самую конструкцию.
Ртутные лампы высокого давления (дуговые ртутные лампы) кроме паров ртути обычно заполняют инертным газом (чаще всего аргоном) до давления 10-50 мм рт. ст. для облегчения зажигания разряда и продления срока службы электродов, которые изготавливают из тугоплавких материалов: обычно вольфрама, а также вольфрама с добавками тугоплавких оксидов тория, бария или кальция.
Ртутные лампы высокого давления, как правило, применяются в установках экспонирования коллимированным светом (рис. 13), где с помощью систем сферических зеркал и коллиматора получают расхождение лучей, составляющее порядка 1,5°. Такая лампа и специальная система коллимирования монтируется на установку экспонирования с автоматическим оптическим совмещением ЕХРОМАТ АЕХ-ІІ-Н6.
С помощью таких установок можно добиться получения топологии проводник/зазор от 25 мкм на фоторезисте толщиной 38 мкм. Но использование установок с коллимированным источником света имеет несколько подводных камней. Первый — это высокие требования к чистоте помещений не только на участке фотолитографии, но и на участке изготовления фотошаблонов, так как микрочастицы (пыль), попавшие в область экспонирования, приведут к «проколу» фоторезиста и паяльной маски в этом месте после проявления. Второй — данные установки не рекомендуется использовать для экспонирования паяльной маски, так как они
имеют невысокую интенсивность засветки и время экспонирования будет значительно выше, что снижает их производительность.
Требования к помещениям «сухой» фотохимии
Общие требования (табл. 8, 9):
• Неактиничное искусственное освещение.
• Окраска стен и покрытие пола пылеотталкивающими небликующими материалами, не выделяющими пыли и допускающими влажную уборку.
• Шлюз для входа-выхода персонала.
• Воздушный душ для обеспыливания одежды персонала.
• Антистатическая защита.
• Магистраль сжатого воздуха должна быть проложена по отапливаемым помещениям для предотвращения образования конденсата.
Выводы
Разнообразие предлагаемого в данный момент различными поставщиками оборудования может сбить с толку даже самого высококлассного специалиста-технолога. Самое важное — ясно представлять конечный результат, то есть что после приобретения оборудования должно измениться, какие будут выходные параметры процесса.
Даже приобретя самое точное и дорогое оборудование различных производителей, можно столкнуться с тем, что оно не состыковывается в технологический процесс, например, размер фотошаблона не соответствует или не кратен стандартным размерам заготовок, применяемых на производстве. Система совмещения позволяет автоматически совмещать только один типоразмер, используемые расходные материалы (фотошаблоны, фоторезист, паяльная маска) не универсальны и их невозможно заменить на материалы другого производителя, конвейерная линия подготовки поверхности перед нанесением фоторезиста не способна обрабатывать тонкий фольгированный материал или установка экспонирования способна совмещать и экспонировать только внутренние или внешние слои, а паяльную маску — нет.
Чтобы не возникло подобной ситуации, при выборе оборудования для фотохимиче-
ских процессов и для получения неизменно
положительного результата необходимо:
1. Заказать экспертизу действующего производства с отчетом о реальном состоянии дел и объемом прогнозируемых необходимых инвестиций для достижения поставленной задачи.
2. Заказать технологическую предпроектную проработку модернизации производства электронный модулей, включающую обоснованный технологический процесс, цепочку технологического оборудования, технико-экономические показатели модернизированного производства, сроки окупаемости при различной загрузке и принятых схем финансирования (документ очень важен при принятии решения о финансировании или отказе в финансировании).
3. Заказать и получить информацию о базовых и расходных материалах, обеспечивающих необходимое качество производимой продукции и обеспечивающих высокий уровень рентабельности.
4. Выбрать компетентного поставщика оборудования, который осуществит внедрение и сопровождение технологического процесса с проведением пусконаладочных работ и вывода модернизируемого технологического процесса на заданный уровень по качеству и производительности. ■
Литература
1. Городов В. Растровые системы прорисовки фотошаблонов для прецизионных печатных плат // Технологии в электронной промышленности. 2005. № 6.
2. Однодворцев М. Вы еще совмещаете с помощью кнопок? Тогда мы идем к вам! // Технологии в электронной промышленности. 2007. № 8.
3. Однодворцев М. Технология струйно-факельного напыления масочного слоя на примере установки ARGUS PC 9524 в сравнении с другими методами нанесения жидкой паяльной маски для высокотехнологичных печатных плат // Технологии в электронной промышленности.
2005. № 3.
4. Шибанов В. В., Репета В. Б. Устройства, генерирующие УФ излучение // Флексо плюс. 2006. № 1.
5. Медведев А. М., Сержантов А. М. Инженерное обеспечение производства электроники // Технологии в электронной промышленности.
2006. № 6.
