Прототипное изготовление плат сухим методом
Содержание
1.
«Сухой» метод изготовления печатных плат
2.
Оборудование фирмы LPKF: производство печатных плат в домашних условиях
.
Лазерные разработки расширяют возможности LDI
Заключение
Список
использованной литературы
1. «Сухой» метод изготовления печатных
плат
Очевидно, что экспериментальное производство не
ориентировано на поставку плат на рынок массовой продукции. Его задача
воспроизводить проект с наименьшими временными и финансовыми издержками. Для
его создания достаточно ограничиться минимальными капитальными затратами,
небольшой численностью персонала и невысоким уровнем его профессионализма в
области химических технологий. Объем такого производства печатных плат -
0,1…0,3 м2/ч - достаточен для удовлетворения нужд проектных
организаций. Если такое производство оперативно решает задачи создания
полноценных образцов электронных модулей, пригодных для запуска в серию, что
называется «с листа», для НИИ и КБ оно становится рентабельным.
При оформлении лицензии на право деятельности
экспериментальные производства печатных плат (ПП) всегда попадают под пресс
Санэпидемнадзора (СЭС) из-за возможных промышленных стоков, присущих
традиционным технологиям. Решение проблемы создания очистных сооружений, как
правило, невозможно из-за отсутствия места, средств и желания. Поэтому
проектные организации интуитивно ищут альтернативные методы изготовления
печатных плат, не создающие подобных проблем.
Для удовлетворения этой потребности создан
комплекс процессов, при котором формирование рисунка производят механическим
скрайбированием контура проводников. Образующиеся изоляционные зазоры отделяют
проводники и контактные площадки от общего массива фольги, формируя
топологический рисунок платы (рис.1)
Рис. 1.
Скрайбирование зазоров на внутренних слоях
Если достаточно такой конструкции платы, вредные
отходы производства полностью отсутствуют. Если же на плате необходимо
выполнить паяльную маску и маркировку, в отходах появляются отработанные содовые
растворы, идентичные бытовым стокам при стирке белья, которые СЭС волновать не
должны. В «сухой» технологии многослойных печатных плат (МПП) неизбежно
появляется необходимость в химической и гальванической металлизации отверстий
для электрического соединения с внутренними слоями. Но хотя эти процессы и
относятся к разряду «мокрых», промстоков они не создают.
Сравнительные данные по отходам производства
традиционной и «сухой» технологии приведены в (табл. 1.)
Кроме того, «сухая» технология позволяет быстро
(за 2…3 часа) изготовить макетные образцы и полноценные платы, выдерживающие
испытания по полному набору воздействий ГОСТ 23752 «Платы печатные. ОТУ».
Естественно возникает вопрос: «Почему же промышленность не использует «сухую»
технологию при таких ее преимуществах?» Ответ прост - печатные платы потому и
называются «печатными», что процессы их изготовления предполагают большие
тиражи, которые, как в издательском деле, используют процессы полиграфии.
Большие разовые затраты на подготовку производства(допечатные процессы)
окупаются только при больших тиражах. В «сухих» процессах отсутствуют операции,
а значит, и оборудование для изготовления фотошаблонов, фотолитографии,
травления, удаления отработанных фоторезистов. За счет этого сокращаются
затраты и время изготовления печатных плат, но только для единичных образцов,
хотя это и увеличивает объем прямых издержек, приходящихся на одну плату. Но
они гораздо меньше, чем если бы одну, две, десять плат изготавливали по традиционной
технологии, когда только подготовка производства оценивается в $200…400.
«Сухая» технология в подготовке производства не
нуждается. Изготовление платы начинается с момента получения РСВ-файла. Суть
«сухой» технологии состоит в скрайбировании, то есть своеобразной фрезеровке
(вместо химического травления) фольги по контуру проводников и контактных
площадок (рис. 1). Скрайбирование производят специальным инструментом.
Предлагается набор всевозможных инструментов для разного применения (рис. 2)
печатный плата скрайбировние фрезерный
Рис. 2.
Набор инструмента для скрайбирования и сверления
Подобные методы формирования проводников
относятся к реализации межсоединений в плоскостях X-Y. Межсоединения в
направлении Z в традиционных технологиях выполняются металлизацией сквозных
отверстий. В «сухой» технологии можно было бы использовать альтернативные
методы: опаивание штыря с двух сторон платы, установка пустотелых заклепок и
заполнение отверстий токопроводящими пастами. Опаивание штыря можно
использовать, если платы изготавливаются для собственных нужд. Тогда эта
операция выполняется попутно при монтаже платы. Пустотелые заклепки с
опаиванием придают плате законченный вид. Но при опрессовке обычные пустотелые
заклепки деформируются так, что в отверстии образуются пазухи, где может
оставаться флюс.
Диаметр опрессованной заклепки становится
неопределенным(рис. 3, а).Для предотвращения этих явлений в качестве заклепок
предлагаются трубки, заполненные припоем (рис. 3, б). При опрессовке таких
трубок давление в первую очередь передается на припой, и он раздавливает трубку
таким образом, что она плотно прижимается к стенкам отверстия платы,
обеспечивая герметичность для предотвращения проникновения технологических
загрязнений, в том числе флюса. Диаметр такого отверстия становится вполне
определенным (рис. 3, в).
Рис. 3 а,
Пустотелая заклепка
Рис. 3 б,
Трубка, наполненная припоем, с надрезами для обламывания заклепок
Рис. 3 в.
Заклепка, наполненная припоем, расклепанная в отверстии
Если сформированный подобной заклепкой элемент
является монтажным, при пайке припой из заклепки отсасывается известными
приемами. Для многослойных плат соединение заклепкой с внутренними слоями
крайне ненадежно. Поэтому единственный способ формирования межсоединений в
многослойных структурах - металлизация отверстий химическими и
электрохимическими методами. Последовательность операций изготовления МПП по
«сухой» технологии проиллюстрирована на рис. 4.
Рис. 4.
Иллюстрация схемы процесса изготовления МПП «сухим» методом.
В комплект оборудования для изготовления ДПП
входит сверлильно-фрезерный одношпиндельный CNC-станок с программным
обеспечением обконтуривания проводников IsoCAM, адаптированным к PCAD-файлам.
Для формирования монтажных и переходных отверстий имеются специализированные
комплекты заклепок диаметром 0,6…1,5 мм и специальный ручной пресс для их
расклепывания. «Сухое» производство ДПП размещается на площади 12 м2. Стоимость
комплекта оборудования для ДПП составляет около $20 тыс. Для изготовления МПП к
этому комплекту добавляют одноэтажный лабораторный пресс, компактную
лабораторную линию химико-гальванической металлизации и инструментальное
оснащение системы совмещения слоев МПП. Комплекс для изготовления МПП может
разместиться на площади 18 м2. Стоимость комплекта оборудования для
изготовления МПП составляет примерно $100 тыс. В эту сумму включена стоимость
обучения, технологической документации, шефмонтажа, выпуска установочной
партии. «Сухое» производство обслуживается одним или двумя обученными
операторами. Малые тиражи печатных плат, повышенный расход инструмента (сверл и
фрез) не создают «сухой» технологии преимуществ на рынке продаж. Но быстрое
изготовление прототипов в лабораторных условиях зачастую является ее решающим
преимуществом. Себестоимость печатных плат по «сухой» технологии можно оценить,
используя данные, приведенные в табл. 2.
Таблица 2.
Составляющие затрат для оценки себестоимости изготовления плат по «сухой»
технологии, $/дм2
Рис. 5.
Фотография микрошлифа сквозного металлизированного отверстия
2. Оборудование фирмы LPKF:
производство печатных плат в домашних условиях
В ходе разработки любого электронного прибора
обязательно приходится изготовить несколько его рабочих макетов. Традиционно
схема, состоящая из десятка микросхем и транзисторов, легко распаивается на
стандартной макетной плате. Хуже обстоит дело при макетировании более сложного
изделия, состоящего из многих десятков, а то и сотен элементов, а тем более
изделия, изготавливаемого по технологии поверхностного монтажа. Здесь уже не
обойтись без полноценной печатной платы.
А что же делать, если макет прибора необходимо
через несколько дней, а участок по производству печатных плат принимает заказы
только на следующий месяц? Необходимость изготовления макетов печатных плат
всегда была камнем преткновения для разработчиков электронных приборов. Ведь
далеко не всякую схему можно опробовать на унифицированной макетной плате.
Этому препятствует и сложность схемы, и ее функциональное назначение. Вряд ли
кому удастся распаять на макетной плате несколько десятков микросхем. И тем
более, никому не придет в голову макетировать таким образом, например,
высокочастотную микросборку, в которой каждый отдельный проводник является
полноценным элементом схемы. Поэтому во многих случаях не обойтись без
изготовления полноценного образца печатной платы. Лет 20 назад такая проблема
решалась просто: лак для ногтей, стеклянный рейсфедер, самодельная сверлилка,
кусок стеклотекстолита, банка хлорного железа - и через несколько часов макет
готов. Но вот появилась необходимость разработать малогабаритный прибор. Вы
заложили в проект использование микросхем в корпусах типа TSOP, SOP, µMAX
и столкнулись с непреодолимой проблемой - такие печатные дорожки уже не
нарисовать вручную! Остается другой вариант. Вы разводите печатную плату в
одном из широко распространенных программных пакетов, отдаете результаты
разводки в производство и через некоторое время получаете готовую плату. Все
вроде бы гладко и красиво. Только одна небольшая проблема: время! В лучшем
случае задержка на производственном участке составляет неделю-другую. Через
пару недель вы получаете долгожданную плату, распаиваете ее, настраиваете свой
прибор и выясняете, что для успешной сдачи его в производство необходимо
изменить схему в одном, другом, третьем месте... И снова доработка платы,
заказ, производственный цикл.
Снова расходы на производство. А главное - снова
время, время и время... Если всего несколько лет назад требовалось от 6 до 8
месяцев на претворение идеи в готовую продукцию, то сегодня это должно быть
выполнено за несколько недель. Вряд ли кто-либо из ваших заказчиков согласится
ждать выполнения своего заказа на протяжении полугода. Есть риск, что в таких
условиях он уйдет и больше никогда не вернется. Опять мы уперлись в
труднопреодолимую проблему. Механическая обработка печатных плат готовое
решение было предложено еще в 1976 году сотрудниками фирмы LPKF. Необходимо
только с другой стороны посмотреть на сам процесс производства печатной платы.
Это сразу ассоциируется с химическим травлением, с хлорным железом. А кто
сказал, что химический процесс обязателен? Химики? А вот механики фирмы LPKF
говорят, что можно изготовить плату механическим способом - путем прецизионного
фрезерования. Берется заготовка из фольгированного диэлектрика и специальный
высокоточный станок как бы «обводит» печатные проводники, снимая вокруг них
проводящее покрытие при помощи микрофрез.
На первый взгляд может показаться, что таким
способом изготавливается только сравнительно «грубую» печатную плата. Мы
привыкли, что при стандартном химическом методе производства можно, например,
провести между ножками микросхемы в корпусе типа DIP один, два, а то и три
проводника. А что же может механический метод? И тут мы оказываемся приятно
удивлены - современный прецизионный станок фирмы LPKF позволяет профрезеровать
в аналогичной ситуации аж до пяти проводников! И далеко не всякий химический
метод может соперничать с таким результатом. Несмотря на уникальные
возможности, долгое время продукция фирмы LPKF не находила серьезного
применения в нашей стране. Ведь прецизионный станок и стоит немало. «А за чем,
собственно, дело стоит? Возьмем обычный графопостроитель и приладим к нему
вместо пера малогабаритную сверлильную машинку. Вот вам и готовый станок. И обойдется
все это раз в 10 дешевле...» - такие слова приходилось неоднократно слышать на
протяжении многих лет. Да это и понятно. Кто же мог себе позволить в условиях
практически полного развала производства потратить десяток-другой тысяч
долларов на приобретение станка LPKF? Но, наконец, отечественная экономика
начинает оживать, а вместе с этим и оживает интерес к продукции LPKF. И хотя
по-прежнему надо потратить большие деньги на приобретение самого станка и
инструмента к нему, однако благодаря этому вы можете значительно сократить
сроки новых разработок и опередить конкурентов в борьбе за новые заказы.
Одновременно и сотрудники фирмы LPKF не стоят на месте. Обладая многолетним
опытом в области быстрого макетирования печатных плат и гибко реагируя на запросы
современного рынка, они предлагают все новые варианты решений. Появилась
возможность самостоятельного изготовления макетов многослойных плат. Кроме
станков для изготовления макетов печатных плат появились и портативные
комплекты оборудования для поверхностного монтажа компонентов. И наконец,
постепенно меняются и сами методы обработки. Ведь по мере увеличения плотности
монтажа возросли и требования к производственному оборудованию, а возможности
простой механической обработки наконец-то достигли своего предела. На смену
механической пришла лазерная обработка материалов.
Производственный цикл
Обладая непревзойденным опытом в области
изготовления макетов печатных плат, накопленным начиная с 1976 года, компания
LPKF предлагает полный комплекс оборудования и программного обеспечения для
быстрого изготовления макетов и мелкосерийного производства печатных плат.
«Сердцем» этого комплекса, конечно же, является прецизионный станок ProtoMat,
предназначенный для фрезеровки платы. Но один только станок - это еще не решение
всех проблем. Для успешного функционирования любого организма необходимы кроме
сердца еще и другие жизненно важные органы. При этом, чтобы вы случайно не
приладили голову льва к телу кролика, сотрудники фирмы LPKF всегда готовы взять
на себя заботу о подборе комплекта оборудования, необходимого именно для вашего
конкретного случая.
Давайте же вместе с вами пройдем последовательно
по всему технологическому циклу производства макета печатной платы и посмотрим,
что же еще, кроме самого станка, должно входить в состав готового комплекса.
Итак, вы уже развели необходимую плату. Кажется, что вся работа уже закончена и
можно передать ее результаты для изготовления макета. Но посмотрите внимательно
на рисунок проводников. В нем вроде бы нет ничего необычного. Обычный рисунок
для обычного производства, но производства химического! Чтобы понять, что в
этом рисунке не подходит для механического изготовления, предположим предельный
вариант - вся ваша плата предназначена для соединения всего двух проводников и
поэтому состоит только из двух контактных площадок и одной соединительной
дорожки между ними. Плату вы развели в одном из стандартных пакетов
проектирования, например в широко распространенной системе P-CAD. Ваша система
проектирования, как и любая другая, предназначена для разводки печатной платы,
обеспечивающей необходимое соединение контактных площадок.
Поэтому на рисунке платы вы увидите две
контактных площадки и сравнительно узкую соединительную дорожку между ними.
Ширина дорожки, конечно же, может варьироваться в определенных пределах,
заданных конкретной программой, но это все равно соединительная дорожка.
Оставшаяся поверхность печатной платы никак не участвует в процессе соединения
площадок и проводящее покрытие с нее должно быть удалено в процессе производства.
При стандартном методе химического травления печатной платы это приведет разве
что к повышенному расходу химических реактивов. Совсем другое дело, если вы
попытаетесь изготовить такую плату на прецизионном фрезерном станке.
Представьте себе, что почти все проводящее покрытие должно быть удалено с
поверхности платы при помощи микрофрезы рабочим диаметром порядка 100 мкм! Как
вы думаете, сколько времени на это понадобится и на каком этапе изготовления
первой же платы ваша фреза безнадежно затупится? И вам сразу же станет понятно,
что такой рисунок совершенно не пригоден для изготовления печатной платы
методом фрезеровки. Каков же выход из сложившейся ситуации? А выход очень
прост. Вам необходимо только отделить вашу дорожку от оставшегося проводящего покрытия.
И теперь не понадобится снимать все это покрытие, ведь оно никак не соединено с
необходимым вам проводником.
А чтобы отделить дорожку от оставшейся
поверхности платы, достаточно просто снять узкую полоску проводящего покрытия
по всему контуру проводника. Теперь достаточно только одного прохода
микрофрезой по контуру проводящей дорожки - и плата готова. В реальной жизни,
конечно же, все нет так. И реально проводниками занята значительно большая
часть поверхности. Но приведенный пример проиллюстрировал нам основную идею
подготовки рисунка печатной платы к производству механическим методом. И теперь
вступает в работу программное обеспечение. CircuitCAM - программа обработки
рисунка печатной платы, BoardMaster - программа управления фрезерным станком
Наконец-то мы достигли и «сердца» всего
производственного комплекса. LPKFProtoMat - станок для фрезеровки печатных
плат.
Представим себе конструкцию станка. Для
высокоточной обработки печатной платы используются специальные микрофрезы.
Рабочий диаметр стандартной фрезы составляет всего 200 мкм. Диаметр специальной
микрофрезы и того меньше - всего 100 мкм. Для фрезеровки материала при помощи
такого инструмента требуется огромная скорость вращения. Скорость вращения
рабочего инструмента в некоторых моделях семейства ProtoMat достигает 100 000
оборотов в минуту. А вам когда-нибудь приходилось видеть в работе
электродвигатель с такой скоростью вращения? Это не просто электродвигатель.
Это целый узел со специальной подвеской, специальной смазкой. После его включения
один только выход на рабочий режим продолжается не одну минуту.
Рис. 3.
Внешний вид сверлильнофрезерного станка семейства ProtoMat
А теперь представьте себе, что этот узел
необходимо перемещать по всему рабочему полю станка с точностью около 5 мкм! И
вы поймете, какой точностью и жесткостью должен обладать его привод. Ведь,
например, только для того, чтобы обеспечить необходимую жесткость, в станках
ProtoMat используется несущий рабочий стол, изготовленный из литой алюминиевой
плиты толщиной 75 мм!
Чтобы немного представить производительность
станка ProtoMat, отметим, что суммарное время обработки такой платы составляет
48 минут.
Рис. 4.
Образец печатной платы, изготовленной на станке семейства ProtoMat
Оборудование для металлизации
отверстий и изготовления многослойных печатных плат
Для полного завершения цикла производства
двусторонних печатных плат было предложено несколько различных способов. От
наиболее простого и дешевого ручного инструмента для запрессовки в отверстия
металлических пистонов до практически полностью автоматизированного комплекса
для гальванической металлизации отверстий. Начиная с 1995 года компания LPKF
предлагает своим заказчикам уникальный комплект оборудования для металлизации
отверстий печатных плат - LPKF AutoContac. Нанесение электропроводящего
покрытия на стенки отверстий осуществляется после фрезеровки платы с помощью
того же самого станка ProtoMat и специально разработанной проводящей пасты.
Оборудование обеспечивает практически полностью автоматизированный процесс
производства двусторонних печатных плат средней сложности (до 400 отверстий) из
различных фольгированных материалов.
Рис. 5. Оборудование AutoContac дляметаллизации
отверстий проводящей пастой
. Лазерные разработки расширяют
возможности LDI
Прямое лазерное формирование изображений (Laser
Direct Imaging - LDI) в производстве печатных плат позволяет получить более
точный рисунок, чем традиционный метод контактной печати с фотошаблона, и
обеспечивает существенную экономию за счет снижения стоимости пленки и времени
выполнения операций.
Теперь LDII системы используют твердотельные
лазеры, не имеющие этих недостатков и отличающиеся необходимой надежностью в
работе. Эта статья представляет собой описание LDII технологии в разрезе
возможностей, открывшихся благодаря появлению новых твердотельных лазеров.
Особенности технологии LDI
При прямом создании изображения (LDI) лазер
используется для того, чтобы сформировать рисунок непосредственно на
фоторезисте, покрывающем заготовку печатной платы (ПП). Тем самым исключается
необходимость использования традиционных при изготовлении ПП фотошаблонов. В
самой обычной реализации LDI управляющая CAM-система1 используется для того,
чтобы модулировать сфокусированный лазерный луч, который в свою очередь создает
растр на поверхности платы. Желаемый рисунок создается построчно, аналогично
тому, как изображение формируется на экране дисплея (рис. 1).
Рис. 1.
Схема формирования изображения в системе LDI
После того как формирование изображения
завершено на одной стороне заготовки, плата переворачивается, и на второй
стороне аналогичным способом формируется рисунок. Доступные в настоящее время
LDI-системы этого типа могут прорисовать заготовки шириной в 24 дюйма (610 мм)
за один проход, исключая необходимость в любом типе пошагового прохождения
изображения или сшивания фрагментов в один формат. Эти системы обычно
используют газовый или твердотельный лазер, который выделяет несколько Ватт
мощности в ультрафиолетовом диапазоне. Как альтернатива прямого создания
изображения существует метод, основанный на использовании объемного светового
модулятора (spatial light modulator - SLM). Это устройство, которое создает
некую форму пространственно меняющейся модуляции луча света. Метод SLM широко
используется в проекторах и проекционном телевидении. В этом случае
CAM-система(CAM - Computer
Aided Management)
через внешний интерфейс управляет SLM, который отображает часть изображения,
максимальная ширина которого обычно составляет 300 мм. SLM освещается длинным
лазерным лучом и отраженный рисунок проецируется на поверхность ПП. После этого
основание сдвигается на определенный шаг, а на SLM выводится следующая часть
изображения. В этом методе полное изображение ПП поэтапно сшивается из
фрагментов. В большинстве SLM не используется ультрафиолетовый свет, поэтому
эти системы обычно основаны на полупроводниковых лазерах с излучением в
фиолетовой части видимого спектра (длиной волны 405 нм). Системы LDI,
основанные на растровом сканировании, доступны почти для всех нынешних
установок. Исторически растровое формирование изображения по LDI технологии
было впервые разработано в 1990 году, задолго до того, как появился SLM, в
результате чего эта технология хорошо закрепилась на рынке.
Однако существует ряд технологических причин,
из-за которых установки растрового формирования изображения продолжают
доминировать на рынке LDI. Первая и самая главная - эта технология основана на
лазерах, действующих примерно в том же ультрафиолетовом спектре, что и
традиционная контактная печать, и это допускает использование стандартных
фоторезистов и обработку их в условиях не актиничного освещения. А SLM требует
особых резистов. Еще одна проблема SLM - низкая оптическая эффективность.
Обычно поверхности фоторезиста достигает менее 10% света от лазера. Оптическая
же эффективность для растрового формирования изображения - 60%.
Уменьшение оптической эффективности требует
использования фоторезистов с существенно более высокой чувствительностью или
компенсации низкой интенсивности освещения длительной экспозицией. Системы,
основанные на SLM, теоретически должны обеспечивать более высокое
пространственное разрешение, чем растровые. К сожалению, в реальных условиях
высокого разрешения довольно трудно достичь. Дело в том, что типовая оптическая
система, необходимая для SLM-систем, имеет сравнительно небольшую глубину
резкости - примерно ±40 мкм. Это означает, что любое вертикальное отклонение
заготовки платы из-за изгиба или локальных ударов может нарушить фокусировку
изображения и, таким образом, привести к снижению разрешающей способности
оборудования (рис. 2).
Рис. 2.
Малые изменения вертикального положения производят небольшой эффект на системы
с большой глубиной резкости, но могут стать причиной существенного снижения
разрешения в системах с малой глубиной резкости
Для сравнения: оптика, используемая в растровом
сканировании, имеет гораздо большую глубину резкости, которая обычно достигает
±300 мкм. Это с избытком перекрывает диапазон деформации плоскости практически
любой заготовки.
Практические аспекты использования
LDI
В сравнении с традиционной контактной печатью в
производстве печатных плат LDI имеет как преимущества, так и недостатки. В
результате важно понять все характеристики LDI, чтобы определить, является ли
это правильным решением в специфических условиях какого-либо производства.
Самые очевидные преимущества LDI - сэкономленное время и отсутствие расходов на
создание, использование, обработку и хранение фотошаблонов. Кроме того, LDI
избавлено от любых проблем, связанных с фотопленкой, ее хранением и дефектами.
Методика LDI обеспечивает уникальную четкость и позволяет увеличить процент
выхода годных изделий. LDI также обеспечивает более точное совмещение, чем
методы контактной печати, и благодаря этому позволяет производить большую
номенклатуру плат самой разнообразной сложности и классов точности.
При контактной печати искажения связаны с
изменением размеров фотошаблонов или заготовки платы. Эти изменения происходят
потому, что материалы, используемые для маски и платы (такие как FR4 и Тефлон),
изменяют свои линейные размеры из-за влажности и температуры (которые
поддерживаются в типичной для производства среде в пределах ±2 °C
и ±5% относительной влажности). Кроме того, изменения, как в пленочной основе
фотошаблонов, так и в основаниях ПП, обычно носят анизотропный характер. В
результате для компенсации ошибки невозможно применить какой-либо один
коэффициент масштабирования к топологическому чертежу.
Технология LDI помогает избежать всех этих
проблем, так как не использует фотошаблонов, и размеры рисунка, сделанного с
помощью лазера, не зависят от внешних условий. Кроме того, большая гибкость,
присущая LDI, позволяет при необходимости изменять размеры, ориентацию и формы
элементов рисунка. Чтобы определить, какие изменения необходимы, система
отображения LDI измеряет точные положения реперных знаков на заготовке и затем
использует полученные измерения для того, чтобы с высокой точностью вычислить,
каким образом рисунок должен быть изменен, для того чтобы оптимизировать
совмещение для этого конкретно образца или для всей партии.
Как правило, процесс корректировки включает
изменения по осям X и Y и вращение. Также имеется возможность наклонить или
деформировать рисунок, хотя на практике такие преобразования используются
довольно редко. В конечном счете, в производственных условиях совмещение двух
сторон с точностью до 24 мкм может быть достигнуто даже на заготовке размерами
6100812 мм. Способность обеспечивать хорошую точность совмещения особенно важна
для производства ПП с высокими классами точности. Как правило, когда
разработчик ПП имеет дело с жесткими нормами проектирования, он использует
меньший размер заготовки, что позволяет свести к минимуму линейные погрешности,
о которых писалось выше. С одной стороны, этот метод способствует увеличению
выхода годных, но с другой - отрицательно сказывается на производительности,
так как резко уменьшает количество ПП, мультиплицированных на заготовке. Опять
же, как следствие этого - повышение производственных издержек. LDI, напротив,
устраняет необходимость в использовании заготовок малых размеров.
Один из недостатков LDI состоит в невозможности
достичь такой же высокой разрешающей способности, что и при контактной печати.
Современные LDI-системы могут воспроизвести минимальный размер, равный 25 мкм,
в отличие от 15 мкм у контактной печати. Этот недостаток делает невозможным
использование LDI для производства тонких линий, например, применительно для
Flip-Chip-компонентов2.
Однако это препятствие не является
непреодолимым, и разработка систем, где эта проблема устранена, уже с успехом
ведется. Для большинства изготовителей ПП есть все-таки один действительно
существенный недостаток LDI - это производительность процесса, которая
составляет порядка 80-90 заготовок в час (как для внутренних, так и для внешних
слоев). В то же время технология контактной печати позволяет достичь порядка
200-300 заготовок в час для внутренних слоев, и 90-120 заготовок в час для
внешних слоев. LDI-системы если и смогут достичь такого результата, то только
при использовании сверхчувствительных сухих пленочных фоторезистов (СПФ) (10
мДж/см2), которые, естественно, намного дороже, чем обычные СПФ.
Лазеры в оборудовании LDI
Производительность LDI-системы может быть
улучшена путем увеличения мощности лазера, предполагая, что все остальные
параметры не изменяются. В прошлом увеличение мощности было практически
недоступно, так как для этого требовались большие денежные затраты, но на
данный момент ситуация коренным образом изменилась.
Ранее в основе LDI-систем были аргоновые лазеры.
В некоторых случаях высококачественные LDI-установки использовали 4-ваттный
аргоновый лазер, действующий в диапазоне длин волн 351-364 нм. Такой лазер
использует ионы аргона в газовом состоянии, как излучающую когерентный свет
среду. Газ находится в керамической плазменной трубе. Этот тип лазера не только
обеспечивает необходимую длину волны излучения, но и обладает необходимым для
успешной работы LDI качеством излучения.
Главный недостаток аргонового лазера - это
проблемы, связанные с его эксплуатацией, а также большие начальные затраты по
монтажу и настройке системы. Немало возникает проблем и с самой работой лазера
и его обслуживанием, которое стоит довольно дорого. Заметим, что 4-ваттный
аргоновый лазер потребляет от трехфазной сети 480 В значительную мощность,
требующую непрерывной подачи охлаждающей воды со скоростью около 20-50 литров в
минуту. Также необходим непрерывный поток сухого азота (5-10 литров в час),
используемый для того, чтобы держать трассу лазерного луча свободной от
загрязнений. Среднее время наработки на отказ плазменной трубы для лазера
такого типа - около 3000 часов. Оптическая система в LDI-установке требует
настройки после замены трубы, так как лазерный луч не будет выходить из трубы
точно так же, как выходил из нее ранее. В дополнение к затратам на
вспомогательное оборудование для LDI и собственно техпроцесс, приходится
учитывать время простоя в периоды замены трубы и юстировки оптики, что тоже
обходится довольно дорого. Чтобы соответствовать требованиям LDI-систем, в
частности в плане обеспечения надежности в сочетании с приемлемыми ценами,
изготовители лазеров, например Coherent, разработали альтернативный
твердотельный лазер. Эти лазеры, например Coherent Paladin, используют стержень
Nd:YVO4 (стеклоподобное вещество) с оптической накачкой диодными лазерами через
спаренные оптоволоконные линии. Близкое инфракрасное излучение(1064 нм)
Nd:YVO4-лазера преобразуется в ультрафиолетовое с длиной волны 355 нм при
помощи использования гармонических кристаллов (рис. 4)
Рис. 4.
Схема лазера Paladin 4W (355 нм)
Такая конфигурация позволяет получить на выходе
излучение отличного качества, с очень хорошей сходимостью, стабильной мощностью
и хорошей шумовой характеристикой.
Лазер Coherent Paladin собирается в стерильных
условиях, затем герметически запечатывается, чтобы исключить возможность
попадания загрязняющих веществ и потребность в регулярной поставке сухого
азота. В дополнение к увеличению срока работоспособности, это также позволяет
работать лазеру в широком диапазоне температур и при колебаниях влажности, а
также обеспечивает возможность работы в жестких промышленных условиях без
вмешательства операторов.
Переход на газовые лазеры в стеклянной трубке
имеет значительные преимущества относительно твердотельных лазеров. Первое -
общая надежность лазера существенно возрастает, значительно уменьшается и время
простоя. Необходимый компонент для работы лазера - диод накачки - имеет
наработку на отказ более 10 000 часов. Второе преимущество связано с тем, что
оптоволоконные линии накачки лазерного стержня спарены, их можно быстро заменить,
не прерывая работы лазерной головки, и нет нужды в любой оптической юстировке.
Третье - гармонический кристалл генератора тоже
требует замены в среднем только после 15 000 часов работы, что довольно много,
причем замену кристалла выполняет изготовитель. Высокая эффективность
твердотельных лазеров снизила потребляемую ими мощность, что привело к
значительному сокращению рассеиваемой лазером мощности.
Это позволяет подключать лазер Paladin к
стандартной сети 110/220 В, а для охлаждения использовать небольшой охладитель
с замкнутым водооборотом, который устраняет необходимость в большом потреблении
воды. Потребляемая мощность Paladin -4 кВт/час, для сравнения: аргоновый лазер
потребляет около 60 кВт/час. По данным разработчика LDI-системы Orbotech (Yavne,
Израиль), такая существенная разница позволяет сэкономить на электричестве до
$30 000 в год (исходя из 40-часовой недели односменной работы).
Первые LDI системы, основанные на твердотельном
лазере, использовали образцы мощностью 4 Вт. Такой лазер заменял прежде
используемые четырехваттные аргоновые лазеры, при которых проявились
преимущества, описанные выше, но в то время не обращалось внимание на небольшую
производительность системы и на потребность в сверхчувствительных
фоторезисторах.
Однако, существует большое преимущество
твердотельной технологии, используемой в Paladin - это масштабируемость, и,
несмотря на некоторые возникавшие проблемы, в 2004 году уже был использован
лазер мощностью 8 Вт. Очевидно, такой путь усовершенствования был бы недоступен
при использовании аргонового лазера. С твердотельным лазером мощностью 8 Вт
стало возможным постепенно продвигаться к менее дорогому пленочному фоторезисту
(20 мДж/см2), при этом поддерживая производительность около 80 плат/час. Для
увеличения производительности поочередно может использоваться более
чувствительный фоторезист.
График на рис. 5 отображает достижения в
техпроцессе как функцию чувствительности фоторезиста для лазеров мощностью 8 Вт
и 4 Вт.
Рис. 5.
LDII система на базе 8 Вт лазера может достигнуть производительности до 80
плат/час с 20 мДж/см2 фоторезистом
Заключение
Для большинства российских НИИ и КБ характерно
желание иметь свое экспериментальное (лабораторное) производство для отработки
проектных решений. Это обусловлено необходимостью проходить через 2−3
итерации, каждая из которых неизбежно связана с макетированием. Только после
такой отработки проект находит законченное решение. И выше перечисленные методы
дают такую возможность в зависимости от потребностей и финансовых возможностей
организаций.
Список использованной литературы
1
Журнал «Компоненты и технологии» №7 2001. ««Сухой» метод изготовления печатных
плат». Аркадий Медведев, д.т.н., проф. МАИ
Журнал
«Компоненты и технологии» №7 2002. « Оборудование фирмы LPKF: производство
печатных плат в домашних условиях». Михаил Петров.
Технологии
в электронной промышленности, № 1’2006. «Лазерные разработки расширяют
возможности LDI». Шри Венкат