Nejmodernější trendy ve výrobě složitých plošných spojů

Přehled vývoje a současného stavu – expoziční technologie

Autor se v několika článcích pokusí popsat vývoj a současný stav technologií pro výrobu desek plošných spojů (dále DPS), které zásadním způsobem ovlivňují parametry a kvalitu výrobku a jejich nasazení ve výrobě v ČR.

V dnešním běžném životě jsme obklopeni množstvím elektronických výrobků.

Setkáváme se s nimi prakticky v každém okamžiku. Od budíčku elektronickým budíkem nebo mobilem přes elektronicky řízený topinkovač při přípravě snídaně, dále zakódování bezpečnostního systému našeho bytu či domu, zkouknutí informačního systému dopravního podniku s časem příjezdu našeho autobusu a na jeho čele informační panel s číslem a směrem spoje. Během cesty si možná přečteme e-maily z mobilu nebo oblíbeného autora na elektronické čtečce knih, při příchodu do zaměstnání, kde si „pípneme“ příchod na elektronickém přístupovém systému. A když si v průběhu dne odskočíme na WC…, taky elektronika. Minimálně úsporná nebo LED žárovka, případně radarový splachovač.

Pouze málo lidí se dokáže zcela vyhnout používání elektronických přístrojů.

K výrobě moderních elektronických přístrojů vedla dlouhá cesta v rozvoji součástkové základny, spojovacích prvků a montážních technologií. Každoročně se zvyšuje hustota integrace polovodičových součástek, zmenšují se jejich pouzdra i rozměry součástek pasivních, zjemňují se struktury plošných spojů.

Toto vše je výsledkem intenzivního vývoje. Oblastí, jež se zdánlivě vyvíjí nejpomaleji, je výroba plošných spojů. Před dvaceti lety používané struktury s rozlišením 300 μm již dávno nestačí, stále častěji jsou požadovány struktury 100 μm a méně. Zdánlivě „jen“ zjemnění na jednu třetinu původního rozměru. Z hlediska vlastní výroby plošných spojů to však znamená řádový nárůst požadavků na přesnost strojů, kvalitu výrobních a kontrolních procesů a v neposlední řadě také na parametry používaných laminátů. A pokud bychom se podívali na budoucí generaci mobilů, jejich plošné spoje budou disponovat strukturami se šířkou spojů 15 μm!

Jakými technologiemi se tyto moderní plošné spoje dají vyrobit?

Moderní procesy pro výrobu plošných spojů využívají elektroniky velmi široce. Mechanické stroje disponují nesmírným počtem senzorů, které přesně a s vysokou frekvencí kontrolují veškeré pohyby a stavy. K dispozici jsou systémy s HD kamerami a rozpoznáváním obrazu. Všechny mechanické, optické i chemické stroje jsou řízeny počítači, operátor je ovládá na základě přednastavených programů.

Mezi nejkritičtější operace při výrobě DPS patří přenos obrazce na povrch laminátu, hlavně expozice motivu obrazce.

Definice obrazce

Jak tedy šel vývoj? Na počátku existence výroby plošných spojů byly pro definici motivu používány sítotiskové technologie. Jejich rozlišení však brzy nestačilo, a tak se přešlo na fotolitografii: přenos obrazu z filmové matrice na fotocitlivou vrstvu.

Filmové matrice byly z počátku vytvářeny přefocováním z papírových klišé vytvořených ve zvětšeném měřítku. Tato byla nejprve kreslena tuší na čtverečkovanou podložku, později byly používány prefabrikované samolepicí obrazce, jež se na podložku nalepovaly. V 60. letech minulého století vznikla první digitální zařízení, jež umožňovala nakreslit obrazec na plošný film pomocí světelného paprsku – fotoplotry. Od této doby také existuje de facto standard pro datový popis obrazce – Gerber formát. První firmou, jež začala vyrábět fotoplotry, byla firma Gerber Scientific, vzápětí se přidala dlouhá řada dalších. Zpočátku nemotorná a pomalá vektorová zařízení byla s pokračujícím vývojem počítačů nahrazena zařízeními rastrovými. Vektorově popsaný obrazec byl pomocí speciálního software přepočítán na jednotlivé mikrobody a tyto pak pomocí nějakého typu rozmítání nasvíceny na plošný film.

Obr. 1 DMD Texas Instruments

Fotocitlivé vrstvy prošly také dlouhým vývojem. Již od počátku proces vypadá tak, že se nanese fotocitlivá vrstva ve formě nějakého monomeru, ten působením světelného záření (převážně v UV oblasti) zpolymeruje, vytvrdne a následně je nevytvrzená část vrstvy z povrchu vymyta pomocí chemického prostředku, jenž dokáže monomer rozpustit.

Obr. 2 Digital Micromirror Device

V počátcích použití fotolitografických metod byly používány fotocitlivé vrstvy v tekuté formě, jež byly buď za pomoci odstředivky, nebo naválcováním naneseny na povrch substrátu, vysušeny a následně exponovány. Metoda nanesení však byla značně choulostivá na řadu parametrů a také nepříliš efektivní. Vývoj cca v roce 1970 dospěl k produkci fotocitlivé vrstvy ve formě fólie – tzv. suchého fotorezistu. Tenká vrstva pružného monomeru je uzavřena mezi dvě ochranné fólie. Převážně používaná tloušťka je 40 μm, k dispozici jsou tenčí či tlustší.

V dnešní době existuje široký výběr výrobků, jež se liší právě tloušťkou, citlivostí na expoziční energii, chemickou a mechanickou odolností. Suchý rezist je po odstranění jedné z fólií nanesen na povrch substrátu navalením pod zvýšenou teplotou a tlakem.

V technologickém postupu výroby DPS následuje pak prakticky nejchoulostivější moment: přenést co nejpřesněji obrazec vrstvy na povrch fotocitlivé fólie. Pro expozici filmové matrice na fotorezist se používají expoziční zařízení. V případě přenosu přes filmovou matrici je třeba sesadit – zregistrovat nějaké záměrné značky na filmu s pomocnými technologickými otvory předvrtanými v substrátu. Na počátku historie výroby DPS byla tato operace prováděna manuálně. Později bylo při expozici větších sérií používáno mechanických systémů s kolíky pevně upevněnými v expozičním rámu, s nimiž byly předem zregistrovány filmové matrice. Exponovaná DPS byla pak nasazena na kolíky a kus za kusem opakovaně stejně exponována. Tato technologie je však vzhledem k časové náročnosti přípravy vhodná pro velké série. Moderní výroby disponují automatizovanými expozičními zařízeními, u nichž registrace filmových matric se substrátem probíhá pomocí systémů počítačového rozpoznání obrazu. Tyto systémy pracují podobně jako operátor, jen jsou operátorovy oči nahrazeny kamerami. Systémy dosahují vysoké přesnosti registrace a stability. Nicméně stále zůstává v procesu problematický prvek, jímž je právě filmová matrice. Její použití vytváří tři následující hlavní problémy:

1) Plošné filmy jsou citlivé na změny teploty a vlhkosti. Toto dělá problém při expozici velkých DPS s jemnými strukturami, kde změna rozměru filmů může způsobit nemožnost registrace plošek s vrtanými otvory na krajích DPS, i když v prostředku vše perfektně sedí.

2) I když film udrží svůj rozměr, v průběhu výroby se dynamicky mění rozměry vlastního substrátu. Výsledkem jsou stejné problémy jako v prvním případě.

3) Neustále existuje riziko, že dojde k poškrábání filmu. Přes všechny mezioperační kontroly mohou být škrábance tak malé, že při běžné kontrole operátor přerušené místo na filmu nenajde a tímto filmem se naexponuje větší série DPS s opakovanou chybou. Při následných kontrolách se tato vada nalezne, ale výrobek již není většinou opravitelný a musí se vyrábět od začátku.

Všechny výše uvedené problémy definitivně řeší zařízení pro přímý osvit fotocitlivých vrstev. Jedná se o poměrně novou technologii, jejíž rozšíření umožnil právě rozvoj počítačů. V zásadě se jedná o princip podobný fotoplotrům, avšak s několikařádově vyšším výkonem světelného zdroje. A to je právě problém, neboť se pohybujeme v UV spektru a např. standardní expoziční zařízení používala po celou dobu jako světelný zdroj metalhalogenidové výbojky s příkonem obvykle 8 kW. Koncem 90. let vznikla první zařízení, jež jako světelný zdroj používala laserový paprsek. Princip je podobný, jaký používají klasické laserové tiskárny: laserový paprsek je pomocí synchronizovaného rotačního zrcadlového hranolu rozmítán řádek po řádku na povrch fotocitlivé vrstvy. Zpočátku byl výkon laseru 2 W, v dnešní době je až 16 W. Relativně nízký výkon laseru si vynutil výrobu vysoce citlivých fotorezistů, což s sebou nese problémy s manipulací s polotovary. Vzhledem k ne příliš vhodné vlnové délce světla laseru (355 nm) je velmi problematické exponovat jiné fotocitlivé vrstvy, např. nepájivé masky, jejichž spektrální citlivost leží převážně v oblasti 370–410 nm. Tato expozice je u tohoto zařízení velmi zdlouhavá. Současně je také vlastní laserový zdroj velmi drahý a jeho životnost je poměrně krátká. Z těchto důvodů se hledal alternativní způsob přenosu obrazu na povrch fotocitlivé vrstvy a současně také alternativní zdroj UV záření, jenž by byl ekonomičtější. Bylo vytvořeno několik alternativních konceptů. Jedna z alternativ je v optických čipech podobných DLP používaných v komerčních datových projektorech. Počátkem minulého desetiletí začala firma Texas Instruments vyrábět DLP čip modifikovaný tak, aby vydržel vysokou energii UV záření a současně také poskytoval vysokou rychlost. Vytvořila takzvaný DMD čip – Digital mirror device. Tento čip disponuje piezoelektricky nakláněnými mikro zrcátky o velikosti 10,8 μm, s rozlišením 1920 × 1080 prvků a umožňující každé zrcátko naklonit v úhlu +/–12° s frekvencí 50 000/s. Zrcátkový čip je osvětlován nějakým druhem záření, pozice zrcátek je řízena zrasterizovaným obrazem výřezu DPS, výsledné expoziční okénko je pomocí projektorového objektivu přenášeno na povrch fotocitlivé vrstvy.

Substrát DPS je pod projektorem synchronizovaně posunován v jedné ose, data v DMD prvku jsou ekvivalentně pozici také posunována jako např. „běžící noviny“. Tímto způsobem je na povrch fotorezistu naexponován pruh obrazce. Systém následně udělá krok v opačné ose o šířku pruhu, naexponuje další atd. až do naexponování celé DPS. Jako světelný zdroj byly zpočátku použity modifikované výbojky, později, s rozvojem technologie LED, se začaly používat UV LED. Výhodou tohoto zdroje je jeho vysoká životnost, energetická účinnost a relativní láce, i když používané vybírané vysoce výkonné UV LED mohou stát až stovky USD.

Mezi výrobce, kteří se věnovali této větvi vývoje expozičních zařízení patří Dainippon Screen (2005), Printprocess (2008) a Maskless. Jiní výrobci hledali modifikaci prvního konceptu laserového zdroje. Zde rovněž vývoj LED technologií umožnil najít ekonomicky efektivní řešení. Některé společnosti, např. Kleo, Limata, Olec, Schmoll, zvolily jako světelný zdroj BlueRay laserové diody s vlnovou délkou 405 nm. Energetický výkon tohoto laseru je malý, v řádu 200 mW, avšak např. u Kleo se vysokou paralelizací těchto zdrojů – 288 ks – dosáhlo pozoruhodných výsledků v rychlosti expozice.

Vysoce důležitou součástí funkce zařízení pro přímou expozici je registrace exponovaného digitálního obrazce vůči substrátu. Právě zde tato zařízení excelují proti klasické filmové expozici. Všechna vyráběná zařízení používají systém kamerové registrace, podobně jako klasická automatizovaná expoziční zařízení. Digitální osvit však umožňuje zásadní vylepšení tohoto procesu. Poté, co kamery najdou záměrné značky na povrchu substrátu DPS, systém v reálném čase přepočítá pozici obrazce, všechna jeho zkreslení a zmodifikuje exponovaná data tak, aby byla co nejlépe (a ještě podle předvolené metody) registrována vůči substrátu, a takto je naexponuje.

Vývoj zařízení pro přímý osvit dnes dospěl do stavu, kdy lídři oboru umožňují expozici s registrací motivu nebo strana/strana s přesností 5–12 μm, velikost bodu je 2,5–3,5 μm, nejmenší exponovaná struktura 25–35 μm. Jednou z podstatných výhod je vynechání filmové matrice, a tím eliminace rizika jejího poškrábání při práci nebo podsvícení při nedokonalém přisátí na povrch fotorezistu. Tyto vlastnosti umožňují významně zvýšit výtěžnost výroby.

Z pohledu nejmodernějších metod vytváření motivu DPS je třeba také zmínit systémy přímého tisku principem InkJet. Princip známý z komerčních tiskáren je v průmyslovém měřítku aplikován také pro tisk některých laků při výrobě DPS. Nejdále v tomto směru dospěla firma Mutrax se systémem Lunaris. Tento systém umožňuje přímý tisk leptuvzdorného laku na povrch DPS, včetně integrované optické kontroly kvality. To vše dnes s rozlišením čar/mezer 100 μm a 100% kvalitou výstupních produktů.

Obr. 3 Expoziční zařízení přímého digitálního osvitu Apollon-DI A11-3

V článku byl stručně popsán vývoj a současný stav možností expozičních technologií DPS. Naše společnost aktuálně uvedla do provozu expoziční zařízení přímého digitálního osvitu Apollon-DI A11-3. Zařízení disponuje tříhlavou expozicí, přesnost registrace je 5 μm a ověřená průchodnost 60–80 oboustranných panelů DPS za hodinu. Tato technologie nám umožnila přejít na plně bezfilmovou expozici DPS vyráběných v POOL Servisu. Na zařízení již byly realizovány výrobky se šířkou spojů 50 μm. Dosud garantovaná standardně vyrobitelná šířka spojů/mezer je 80 μm.

Více na www.pcb.cz