Реферат: Формирование защитного рисунка схемы

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ ИРАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

РЕФЕРАТ

На тему:

«ФОРМИРОВАНИЕзащитного РИСУНКА СХЕМЫ»

МИНСК, 2008

Нанесение рисунка схемыили защитного рельефа требуемой конфигурации необходимо при осуществлениипроцессов металлизации и травления. Рисунок должен иметь четкие границы сточным воспроизведением тонких линий, быть стойким к травильным растворам, незагрязнять платы и электролиты, легко сниматься после выполнения своих функций.Перенос рисунка печатного монтажа на фольгированный диэлектрик осуществляютметодами сеткографии, офсетной печати и фотопечати. Выборметода зависит от конструкции платы, требуемой точности и плотности монтажа,серийности производства.

Сеткографический метод нанесения рисунка схемы наиболеерентабелен для массового и крупносерийного производства плат при минимальнойширине проводников и расстоянии между ними ³ 0,5 мм, с точностью воспроизведения изображения ±0,1 мм. Суть заключается в нанесениина плату специальной кислотостойкой краски путем продавливания ее резиновойлопаткой (ракелем) через сетчатый трафарет, в котором необходимый рисунокобразован открытыми ячейками сетки (рис. 1).

/>

1 – ракель; 2 – трафарет;3 – краска;4 – основание

Рис. 1 Принциптрафаретной печати

Для изготовления трафаретаиспользуют металлические сетки из нержавеющей стали с толщиной проволоки 30-50мкм и частотой плетения 60—160 нитей на 1 см, металлизированного нейлонового волокна, имеющего лучшую эластичность, с толщиной нити 40 мкм и частотой плетениядо 200 нитей на 1 см, а также из полиэфирных волокон и капрона. Одним изнедостатков сеток является их растяжение при многократном использовании. Самойбольшой стойкостью обладают сетки из нержавеющей стали (до 20 тыс. отпечатков),металлизированных пластмасс (12 тыс.), полиэфирных волокон (до 10 тыс.), капрона(5 тыс.).

Изображение на сеткеполучают с помощью экспонирования жидкого или сухого (пленочного) фоторезиста,после проявления которого образуются открытые (свободные от рисунка) ячейкисетки. Трафарет в сеткографической раме устанавливают с зазором 0,5—2 мм отповерхности платы так, чтобы контакт сетки с поверхностью платы был только взоне нажатия на сетку ракелем. Ракель представляет собой прямоугольнуюзаточенную полосу резины, установленную по отношению к подложке под углом 60—70°.

Для получения рисунка ППиспользуют термоотверждающиеся краски СТ 3,5; СТ 3,12, которые сушат либо втермошкафу при температуре 60 °С в течение 40 мин, либо на воздухе в течение 6 ч, что удлиняет процесссеткографии. Более технологичными являются фотополимерные композиции ЭП-918 иФКП-ТЗ с УФ-отверждением в течение 10—15 с, что является решающим фактором приавтоматизации процесса. При однократном нанесении покрытие зеленого цвета имееттолщину 15—25 мкм, воспроизводит рисунок с шириной линий и зазорами до 0,25 мм, выдерживает погружение в расплав припоя ПОС 61 при температуре 260 °С в течение до 10 с, воздействиеспиртобензиновой смеси до 5 мин и термоциклирование в интервале температур от–60 до +120 °С. Посленанесения рисунка плату просушивают при температуре 60 °C в течение 5—8 мин, контролируюткачество и при необходимости подвергают ретуши. Удаление защитной маски послетравления или металлизации осуществляют химическим методом в 5 %-м раствореедкого натра в течение 10—20 с.

Для трафаретной печати используютполуавтоматическое и автоматическое оборудование, отличающееся форматом печатии производительностью (табл. 1). Автоматические линии трафаретной печати имеютавтоматические системы подачи и установки плат, движения ракеля и подачирезиста. Для сушки резиста применяют ИК-печи туннельного типа.

Таблица 1 — Оборудованиедля трафаретной печати

Тип оборудования Марка Формат печати, мм Производительность, оттисков/ч Автомат шелкографический AШ-2 (СССР) 380´220 600 Полуавтомат трафаретной печати ПТП-3 (СССР) 400´300 800 Трафаретная печатная машина ПТ-2 (СССР) 430´200 900 Полуавтомат Minimatik (Швеция) 300´500 1000 Полуавтомат Beltron (Германия) 500´700 1000 Автоматическая линия Chemсut (США) 500´700 1000 Resco (Италия) 510´760 1000 Автомат Astromat (Италия) 650´650 550

 

Офсетная печать применяется для крупносерийногопроизводства ПП при малой номенклатуре схем. Разрешающая способность 0,5—1 мм,точность получаемого изображения составляет ± 0,2 мм. Суть метода состоит в том, что в клише, несущееизображение схемы (печатные проводники, контактные площадки), закатываетсякраска. Затем она снимается офсетным валиком, покрытым резиной, переносится наизоляционное основание и подвергается сушке. Клише и основание платырасполагаются друг за другом на основании машины для офсетной печати (рис. 2).

/>

1 – офсетный валик; 2 – клише; 3– плата; 4 – валик для нанесения краски; 5 – прижимной валик

Рис. 2. Схема офсетнойпечати

Точность печати ирезкость контуров определяются параллельностью валика и основания, типом иконсистенцией краски. С помощью одного клише можно выполнить неограниченноечисло оттисков. Производительность метода ограничена длительностьюколебательного цикла (нанесение краски — перенос) и не превышает 200—300оттисков в час. Недостатки метода: длительность процесса изготовления клише,сложность изменения рисунка схемы, трудность получения беспористых слоев,высокая стоимость оборудования.

Фотографический метод нанесения рисунка позволяет получатьминимальную ширину проводников и расстояния между ними 0,1—0,15 мм с точностьювоспроизведения до 0,01 мм. С экономической точки зрения этот способ менеерентабельный, но позволяет получать максимальную разрешающую способностьрисунка и поэтому применяется в мелкосерийном и серийном производстве приизготовлении плат высокой плотности и точности. Способ основан на использованиисветочувствительных композиций, называемых фоторезистами, которые должныобладать: высокой чувствительностью; высокой разрешающей способностью;однородным по всей поверхности беспористым слоем с высокой адгезией к материалуплаты; устойчивостью к химическим воздействиям; простотой приготовления,надежностью и безопасностью применения.

Фоторезисты разделяютсяна негативные и позитивные. Негативные фоторезисты под действиемизлучения образуют защитные участки рельефа в результате фотополимеризации изадубливания. Освещенные участки перестают растворяться и остаются наповерхности подложки. Позитивные фоторезисты передают рисунок фотошаблонабез изменений. При световой обработке экспонированные участки разрушаются ивымываются.

Для получения рисункасхемы при использовании негативного фоторезиста экспонирование производят черезнегатив, позитивного — через позитив. Позитивные фоторезисты имеют болеевысокую разрешающую способность, что объясняется различиями в поглощенииизлучения фоточувствительным слоем. На разрешающую способность слоя влияютдифракционное огибание света на краю непрозрачного элемента шаблона и отражениесвета от подложки (рис. 3, а).

В негативном фоторезисте дифракция не играет заметнойроли, поскольку шаблон плотно прижат к резисту, но в результате отражениявокруг защитных участков появляется ореол, который снижает разрешающую способность(рис. 3, б). В слое позитивного резиста под влиянием дифракцииразрушится и вымоется при проявлении только верхняя область резиста поднепрозрачными участками фотошаблона, что мало скажется на защитных свойствахслоя. Свет, отраженный от подложки, может вызвать некоторое разрушение прилегающейк ней области, но проявитель эту область не вымывает, так как под действиемадгезионных сил слой опустится вниз, вновь образуя четкий край изображения безореола (рис. 3, в).

/>

а - экспонирование; б — негативныйфоторезист; в — позитивный фоторезист; 1 – дифракция; 2 –рассеяние; 3 – отражение4 – шаблон; 5 – резист; 6– подложка

Рис. 3. Экспонирование светочувствительного слоя

В настоящее время в промышленностииспользуются жидкие и сухие (пленочные) фоторезисты (табл. 2). Жидкиефоторезисты — коллоидные растворы синтетических полимеров, в частностиполивинилового спирта (ПВС). Фоторезист на основе ПВС наносят на предварительноподготовленную поверхность платы путем окунания заготовки, поливом споследующим центрифугированием. Затем слой фоторезиста сушат в термошкафу сциркуляцией воздуха при температуре 40 °С в течение 30—40 мин. После экспонирования осуществляетсяпроявление фоторезиста в теплой воде. Для повышения химической стойкостифоторезиста на основе ПВС применяют химическое дубление рисунка ПП в растворехромового ангидрида, а затем термическое дубление при температуре 120 °С в течение 45—50 мин. Снятиефоторезиста проводят в течение 3—6 с в растворе следующего состава: 200—250 г/лщавелевой кислоты, 50—80 г/л хлористого натрия, до 1000 мл воды при температуре20 °С.

Достоинства фоторезиста на основе ПВС — низкиетоксичность и пожароопасность, проявление с помощью воды. К недостаткамего относят эффект темнового дубления (поэтому срок хранения заготовок снанесенным фоторезистом не должен превышать 3—6 ч), низкую кислото- ищелочеустойчивость, трудность автоматизации процесса получения рисунка,трудоемкость приготовления резиста, низкую чувствительность.

Улучшение свойств жидкихфоторезистов (устранение дубления, повышение кислотостойкости) достигается вфоторезисте на основе циннамата. Светочувствительным компонентом фоторезистаэтого типа является поливинилциннамат (ПВЦ). Разрешающая способность егопримерно 500 лин/мм, проявление осуществляется в органических растворителях —трихлорэтане, толуоле, хлорбензоле. Для интенсификации процесса проявления иудаления фоторезиста ПВЦ используют ультразвуковые колебания. Время проявлениясокращается до 10 с, т. е. в 5—8 раз по сравнению с обычной технологией. К недостаткамфоторезиста ПВЦ относятся его высокая стоимость, использование токсичных органическихрастворителей. Поэтому резисты ПВЦ не нашли широкого применения в изготовленииПП, а используются главным образом при изготовлении ИМС.

Фоторезисты на основедиазосоединений применяют в основном как позитивные. Сушка слоя фоторезистапроводится в две стадии: при температуре 20 °С в течение 15—20 мин для испарения легколетучих компонентов;в термостате с циркуляцией воздуха при температуре 80 °С в течение 30—40 мин. Проявителямиявляются растворы тринатрийфосфата, соды, слабых щелочей. Фоторезисты ФП-383,ФН-11 на основе диазосоединений имеют разрешающую способность 350—400 лин/мм, высокуюхимическую стойкость, однако имеют высокую стоимость.

Сухие пленочные фоторезисты впервые разработаны в 1968 г. фирмой Du Pont (США). Сухой пленочный фоторезист марки СПФ-2 выпускается с 1975 г. толщиной 20, 40 и 60 мкм и представляет собой полимер на основе полиметилметакрилата 2(рис. 4), расположенный между полиэтиленовой 3 и лавсановой 1 пленкамитолщиной 25 мкм каждая. В СНГ выпускаются следующие типы сухих пленочныхфоторезистов: проявляемые в органических веществах — СПФ-2, СПФ-АС-1, СРФ-П;водно-щелочные — СПФ-ВЩ2, ТФПК; повышенной надежности — СПФ-ПНЩ; защитные —СПФ3-ВЩ.

Перед накаткой наповерхность основания ПП защитная пленка из полиэтилена удаляется и сухойфоторезист наносится на плату валиковым методом (плакирование, ламинирование)при нагреве до 100 °Ссо скоростью до 1 м/мин с помощью специального устройства, называемоголаминатором. Сухой резист полимеризуется под действием ультрафиолетовогоизлучения, максимум его спектральной чувствительности находится в области 350нм, поэтому для экспонирования используют ртутные лампы. Проявлениеосуществляется в машинах струйного типа в растворах метилхлорида,диметилформамида.

Таблица 2 — Основныехарактеристики фоторезистов

Тип и марка фоторезиста Разрешающая способность, лин/мм Спектральная чувствительность, нм Проявитель

Сниматель

фоторезиста

Срок хранения

заготовки

Негативные жидкие:

ПВС

40—50 350—420 Вода 40 °С Гидрооксид калия — 30 — 50 г/л 3—5 ч ПВЦ 500 350—410 Трихлорэтилен — 70 %, толуол — 30 % Хлористый метилен — 75 %, трихлорэтилен — 25 % 1 год Позитивные, ФП-383 350—400 480 Тринатрийфосфат — 5 % Ацетон 1 год

Сухие негативные:

СПФ-2

100—150 350 Метилхлороформ Хлористый метилен 6 мес. СПФ-АС-1 100—150 320—400 То же То же 6 мес. СПФ-ВЩ 100—150 320—400

2 %-й раствор Na2CO3

Гидрооксид калия — 50 — 100 г/л 6 мес. СПФ-3-ВЩ 150—200 320—400 То же То же 6 мес. Riston (США) 120—150 350 Трихлорэтан Хлористый метилен 1 год

СПФ-2 — сухой пленочныйфоторезист, аналогичный по свойствам фоторезисту Riston, допускает обработкукак в кислых, так и в щелочных средах и используется при всех методахизготовления ДПП. При его применении необходима герметизация оборудования дляпроявления. СПФ-ВЩ обладает более высокой разрешающей способностью (100 — 150мкм), стоек в кислой среде, обрабатывается в щелочных растворах. В составфоторезиста ТФПК (в полимеризующую композицию) входит метакриловая кислота,улучшающая эксплуатационные характеристики. Для него не требуетсятермообработка защитного рельефа перед нанесением гальванопокрытия. СПФ-АС-1позволяет получать рисунок ПП как по субтрактивной, так и по аддитивнойтехнологиии, поскольку он стоек и в кислых, и в щелочных средах. Для улучшенияадгезии светочувствительного слоя к медной подложке в состав композиции введенбензотриазол.

/>

Рис. 4. Структура сухогофоторезиста

Применение сухогофоторезиста значительно упрощает процесс изготовления ПП, увеличивает процентвыхода годных изделий с 60 до 90 %. При этом: исключаются операции сушки,дубления и ретуширования, а также загрязнения, нестабильность слоев;обеспечивается защита металлизированных отверстий от затекания фоторезиста;достигается высокая автоматизация и механизация процесса изготовления ПП иконтроля изображения.

Установка для нанесениясухого пленочного фоторезиста — ламинатор (рис. 5) — состоит из валиков 2,подающих плату 6 и прижимающих фоторезист к поверхности заготовок,валиков 3 и 4 для снятия защитной полиэтиленовой пленки, бобины сфоторезистом 5, нагревателя 1 с терморегулятором. Скоростьдвижения заготовки платы достигает 0,1 м/с, температура нагревателя 105±5 °С. Конструкция установки АРСМ 3.289.006 НПО «Ратон»(Беларусь) обеспечивает постоянное усилие прижатия независимо от зазора,устанавливаемого между валиками-нагревателями. Максимальная ширина заготовки ПП 560 мм. Особенностью накатывания является опасность попадания пыли под слойфоторезиста, поэтому установка должна работать в гермозоне. Накатанная пленкафоторезиста выдерживается не менее 30 мин перед экспонированием для завершенияусадочных процессов, которые могут вызвать искажение рисунка и уменьшить адгезию.

/>

Рис. 5. Схема ламинатора

Проявление рисункаосуществляется в результате химического и металлического воздействияметилхлороформа. За оптимальное время проявления принимается время, в 1,5 разабольшее, чем необходимо для полного удаления незадубленного СПФ. Качествооперации проявления зависит от пяти факторов: времени проявления, температурыпроявления, давления проявителя в камере, загрязнения проявителя, степениокончательной промывки. По мере накопления в проявителе растворенного фоторезистаскорость проявления замедляется. После проявления плату необходимо отмыть водойдо полного удаления остатков растворителя. Продолжительность операциипроявления СПФ-2 при температуре проявителя 14—18 °С, давлении раствора в камерах 0,15МПа и скорости движения конвейера 2,2 м/мин составляет 40—42 с.

Удаление и проявление фоторезистаосуществляется в машинах струйного типа (ГГМЗ.254.001, АРСМЗ.249.000) вхлористом метилене. Это сильный растворитель, поэтому операция снятияфоторезиста должна выполняться быстро (за 20—30 с). В установкахпредусматривается замкнутый цикл использования растворителей, после орошенияплат растворители поступают в дистиллятор, а затем чистые растворителипереключаются на повторное использование.

Экспонированиефоторезиста предназначено для инициирования в нем фотохимических реакций ипроводится в установках, имеющих источники света (сканирующие или неподвижные)и работающие в ультрафиолетовой области. Для плотного прилегания фотошаблонов кзаготовкам плат используют рамы, где создается разрежение. Установкаэкспонирования СКЦИ.442152.0001 НПО «Ратон» при рабочем полезагрузочных рам 600´600 мм обеспечивает производительность 15 плат/ч. Время экспозицииртутной лампой ДРШ-1000 1—5 мин. После экспонирования для завершения темновойфотохимической реакции необходима выдержка при комнатной температуре в течение30 мин перед удалением лавсановой защитной пленки.

Для получения проводящегорисунка на изоляционном основании как сеткографическим, так и фотохимическимспособом необходимо применять фотошаблоны, представляющие собой графическоеизображение рисунка в масштабе 1:1 на фотопластинках или фотопленке.Фотошаблоны выполняют в позитивном изображении при наращивании проводящихучастков на лентах и в негативном изображении, когда проводящие участкиполучают травлением меди с пробельных мест.

Геометрическая точность икачество рисунка ПП обеспечиваются в первую очередь точностью и качествомфотошаблона, который должен иметь:

· контрастноечерно-белое изображение элементов с четкими и ровными границами при оптическойплотности черных полей не менее 2,5 ед., прозрачных участков не более 0,2 ед.,измеренной на денситомере типа ДФЭ-10;

· минимальныедефекты изображения (темные точки на пробельных местах, прозрачные точки начерных полях), которые не превышают 10—30 мкм;

· точностьэлементов выполнения рисунка ±0,025 мм.

В большей степениперечисленным требованиям удовлетворяют сверхконтрастные фотопластинки и пленки''Микрат-Н'' (СССР), фотопластинки типа ФТ-41П (СССР), РТ-100 (Япония) и Agfalit (Германия).

В настоящее времяприменяются два основных способа получения фотошаблонов: фотографирование ихс фотооригиналов и вычерчивание световым лучом на фотопленке спомощью координатографов с программным управлением либо лазерным лучом. Приизготовлении фотооригиналов рисунок ПП выполняют в увеличенном масштабе (10:1,4:1, 2:1) на малоусадочном материала путем вычерчивания, изготовленияаппликаций или резания по эмали. Способ аппликации предусматривает наклеиваниезаранее подготовленных стандартных элементов на прозрачную основу (лавсан,стекло и др.). Первый способ характеризуется низкой точностью и большойтрудоемкостью, поэтому используется в основном для макетных образцов плат.

Резание по эмалиприменяют для ПП с высокой плотностью монтажа. Для этого полированное листовоестекло покрывают непрозрачным слоем эмали, а вырезание рисунка схемыосуществляют на координатографе с ручным управлением. Точность получения рисунка0,03—0,05 мм.

Изготовленныйфотооригинал фотографируют с необходимым уменьшением на высококонтрастнуюфотопластину с помощью фоторепродукционных полиграфических камер типа ПП-12,ЭМ-513, Klimsch (Германия) и получают фотошаблоны,которые могут быть контрольными и рабочими. Для тиражирования и изготовлениярабочих, одиночных, а также групповых фотошаблонов применяют метод контактнойпечати с негативной копии контрольного фотошаблона. Операция выполняется намультипликаторе модели АРСМ 3.843.000 с точностью ±0,02 мм.

Недостатки такого метода— большая трудоемкость получения фотооригинала, требующеговысококвалифицированного труда, и трудность равномерного освещенияфотооригиналов значительной площади, что снижает качество фотошаблонов.

Возрастающая сложность иплотность рисунка ПП, необходимость увеличения производительности труда привелик разработке метода изготовления фотошаблонов сканирующим лучом непосредственнона фотопленке. Для изготовления фотошаблона световым лучом разработаныкоординатографы с программным управлением. С переходом на машинноепроектирование плат необходимость вычерчивания чертежа отпадает, так какполученная с ЭВМ перфолента с координатами проводников вводится в считывающееустройство координатографа, на котором автоматически выполняется фотошаблон.

Координатограф (рис. 6)состоит из вакуумного стола 8, на котором закрепляют фотопленку,фотоголовки и блока управления 1. Стол перемещается с высокой точностьюв двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью прецизионных ходовыхвинтов 9 и 3, которые приводятся во вращение шаговыми двигателями2 и 10. Фотоголовка включает осветитель 4, фокусирующуюсистему 5, круговую диафрагму 6 и фотозатвор 7. Диафрагмаимеет набор отверстий (25—70), оформляющих определенный элемент рисунка ПП, изакрепляется на валу шагового двигателя. В соответствии с программой работысигналы от блока управления подаются на шаговые двигатели привода стола,диафрагмы и на осветитель. Современные координатографы   (табл. 5.4) снабжаютсясистемами автоматического поддержания постоянного светового режима, вывода изЭВМ информации о фотошаблонах на пленку в масштабах 1:2; 1:1; 2:1; 4:1.

/>

Рис. 6.Схема координатографа

Таблица 3 — Основныетехнические характеристики координатографов

Модель Размеры рабочего поля, мм Точность позиционирования, мм Максимальная скорость перемещения, м/мин Ширина линии, мм Шаг перемещения, мм “Минск-2005” (СССР) 500´600 ±0,03 3 0,2—5 0,025 КПА-1200 (СССР) 1200´1200 ±0,05 6 0,2—4 0,025

723 (GerberSientific, США)

865´1120 ±0,01 5 0,1—4 0,025 201 (Ariston, Германия) 865´1120 ±0.015 9,4 0,1—4 0,025 “Минск-2010МГ” (Беларусь) 500´600 ±0,006 9 0,1—2,5 0,025

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Технологияповерхностного монтажа: Учеб. пособие / Кундас С.П., Достанко А.П., АнуфриевЛ.П. и др. – Мн.: «Армита — Маркетинг, Менеджмент», 2000.

2. Технологиярадиоэлектронных устройств и автоматизация производства: Учебник/ А.П.Достанко, В.Л.Ланин, А.А. Хмыль, Л.П. Ануфриев; Под общ. ред. А.П. Достанко. –Мн.: Выш. шк., 2002