Vítejte, dnes je
středa
25.
prosinec 2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky V ideálním světě byste pomocí fotomateriálu přenesli svůj návrh z CAD/CAM programu přes fotoplotr a fotorezist na měď nebo nepájivou masku bez jakéhokoliv zkreslení. Ideální svět však neexistuje. Během vytváření, používání, a dokonce i během skladování se informace uložené na fotomateriálu mění. Rozměry fotomateriálu se mění vlivem teplotních změn, změn vlhkosti, mechanického namáhání a stárnutí. Některé změny rozměrů jsou vratné a některé ne.
Většina materiálů se s rostoucí teplotou zvětšuje a fotomateriály nejsou výjimkou. Pro všechny dnes používané fotomateriály platí, že se změnou teploty se mění jejich rozměry.
Obr. 1 Struktura fotomateriálu na bázi halogenidů stříbra (matová vrstva, antistresová vrstva, vrstva emulze, vrstva substrátu, podložka, vrstva substrátu, vrstva substrátu, zadní vrstva, matová vrstva)
Nárůst velikosti je dán koeficientem teplotní roztažnosti CT. Koeficient CT představuje základní charakteristiku materiálu a je udáván v μm/m/°C. Jestliže je hodnota koeficientu CT daného materiálu 1, znamená to, že jeden metr materiálu se při nárůstu teploty o jeden stupeň Celsia zvětší o jeden mikrometr. A opačně, při poklesu teploty o jeden stupeň Celsia se jeden metr materiálu zmenší o jeden mikrometr.
Koeficient teplotní roztažnosti nezávisí na tloušťce fotomateriálu. Pro fotomateriály na PET podložce (polyester) platí pouze pro teplotní rozsah −20 °C až 60 °C.
Změny rozměrů způsobené změnami relativní vlhkosti v rozsahu 30 až 70 %
Většina fotomateriálů absorbuje vodu a se zvyšující se relativní vlhkostí tak roste jejich velikost. Nárůst velikosti je dán koeficientem vlhkostní roztažnosti CRH, který rovněž představuje základní charakteristiku materiálu. Koeficient CRH je vyjádřen v mikrometrech na metr délky na % změny relativní vlhkosti. Jestliže je hodnota koeficientu CRH daného materiálu 1, znamená to, že jeden metr materiálu se při nárůstu relativní vlhkosti o 1% zvětší o jeden mikrometr. A opačně, při snížení relativní vlhkosti dojde k zmenšení materiálu.
Koeficient vlhkostní roztažnosti pro fotomateriály na PET podložce (polyester) platí pouze pro relativní vlhkost v rozsahu 30 až 60 %. Fotomateriál se skládá z několika vrstev různých materiálů. Koeficienty CRH těchto materiálů jsou velmi rozdílné. Koeficient CRH pro PET je 8 μm/m/%, zatímco pro typickou emulzní vrstvu leží jeho hodnota v rozsahu 70 až 150 μm/m/%. Při změně relativní vlhkosti způsobí různě veliké zvětšení extrémní pnutí mezi vrstvami z různých materiálů. Adhesní vrstvy mezi PET a želatinovými vrstvami toto pnutí absorbují.
Tabulka 1 Hodnota koeficientu CT pro některé materiály
Odchylka velikosti fotomateriálu při dané relativní vlhkosti je dána rovnováhou sil, kterou na sebe působí želatiny a polyesterová podložka. Vzhledem k povaze výrobního procesu jsou charakteristiky (především modul pružnosti) polyesteru jiné ve směru zpracování (směr výroby) a ve směru kolmém. Výsledkem je, že se fotomateriál zvětšuje jinak v podélném směru a jinak v příčném. Rovněž charakteristiky polyesteru odebraného ze středu výrobní role jsou jiné než ty z okrajů. I podíl celkové plochy filmu, která je vyvolána černě, je ovlivněn koeficientem vlhkostní roztažnosti. Hodnota koeficientu je také závislá na tom, v jakém rozsahu relativní vlhkosti je měřena. Hodnota 11 v tab. 2 je průměrná hodnota. Jedná se o objektivní hodnotu, kterou je možné použít při výpočtech.
Tabulka 2 Koeficient CRH některých fotomateriálů
Každý fotomateriál bude při vystavení mechanickému namáhání vykazovat v určitém rozsahu změnu velikosti. Zvětšení je dáno modulem pružnosti ε, který je pro daný materiál typický. Pokud namáhání nepřekročí určitou hodnotu, jsou všechny změny vratné. V praxi je fotomateriál vystaven jen omezenému mechanickému namáhání, kdy nedochází k žádným nevratným změnám rozměrů. Fotomateriál trpí mechanickým namáháním způsobeným podávacím systémem a podtlakem používaným v plotru a tiskárně. Pokud zajistíme rovnoměrné rozložení podtlaku po povrchu fotomateriálu, dojde ke změně rozměrů jen v omezené míře. Při běžné výrobě DPS může fotomateriál utrpět lokální nevratné deformace, například v okolí pomocných otvorů a v případě vnějších vrstev okolo větších vyvrtaných děr.
Obr. 2 Změny rozměrů fotomateriálu na podložce PET a na bázi halogenidů stříbra jako funkce změny relativní vlhkosti
Rozměry fotomateriálu z halogenidů stříbra se mohou časem měnit. Pokud není film zpracován správně, bude mít časem tendenci vrátit se do původní velikosti před zpracováním. Tyto změny mohou trvat několik měsíců. Pokud je fotomateriál zpracován správně, tzv. procesem s nulovou odchylkou, ke změně velikosti nedojde.
Obr. 3 Změny rozměrů fotomateriálu na podložce PET a na bázi halogenidů stříbra jako funkce kolísání relativní vlhkosti
Výše uvedená teorie je dobře známá a lidé ve výrobě s ní počítají. To je ale jen jedna část problému. Vše uvedené platí a je správné pouze v případě, že fotomateriálu umožníte adaptaci na změnu prostředí. A to chce čas.
Obr. 4 Absorpce vody želatinou jako funkce relativní vlhkosti – ε želatiny jako funkce relativní vlhkosti
Faktory ovlivňující velikost se v každodenním životě neustále mění. Teplota fotomateriálu roste, protože se při zpracování zahřívá. Relativní vlhkost se neustále mění, protože i vzduchotechnika má své limity atd.
A proto je velmi důležité porozumět kinetice fotomateriálu (změnám rozměrů v čase).
Rozměry fotomateriálu na PET podložce se při změně teploty mění poměrně rychle. Časová konstanta teplotních změn (čas potřebný pro dosažení 2/3 celkové změny) je několik minut. Skleněný fotomateriál má mnohem větší časovou konstantu danou jeho vyšší tepelnou hmotou. V případě, že je PET fotomateriál vystaven okolnímu prostředí z obou stran, dosáhne nové velikosti za přibližně deset minut. Pokud je tento fotomateriál naskládán na sebe, musíte pro každý arch přidat deset minut. Pokud je film zabezpečen velmi vysokým vakuem, může toto vakuum zabránit změnám rozměrů způsobeným kolísáním teploty a relativní vlhkosti. Dokud bude film ve vakuu, nebude se jeho velikost měnit ani při změně teploty. Jakmile dojde ke ztrátě vakua, velikost filmu se okamžitě změní.
Obr. 5 Změny rozměrů fotomateriálu během zpracování
Fotomateriály na bázi halogenidů stříbra reagují na změny relativní vlhkosti složitěji. Na změnu rozměrů má vliv jak želatina, tak PET.
Želatiny mají časovou konstantu pro vlhkostní změny v řádu pouze desetin sekundy – chovají se jako houba. Absorbují a desorbují hodně vody a dělají to extrémně rychle. PET má časovou konstantu pro vlhkostní změny několik hodin – absorbuje a desorbuje pouze malé množství vody a dělá to velmi pomalu.
Fotomateriály na bázi halogenidů stříbra dosáhnou přibližně 50% změny rozměrů způsobené změnami relativní vlhkosti během sekundy. To je způsobeno použitím želatin. Zbylých 50 % celkové změny rozměrů trvá doslova hodiny a hodiny. Z tohoto důvodu doporučujeme při změně relativní vlhkosti nechat film aklimatizovat 8 hodin. Tento čas platí pouze v případě, že je film vystaven okolnímu prostředí z obou stran. Pokud jsou filmy naskládané na sebe, vnitřní archy nikdy nedosáhnou nové velikosti. Vnější archy chrání ty vnitřní před vlivem vlhkosti. Polyester vnějších archů můžeme vnímat jako bariéru proti pronikání vlhkosti. I v tomto případě je možné film uchovávat pomocí velmi silného vakua, které brání změnám velikosti.
Mechanické namáhání způsobuje okamžitou změnu velikosti fotomateriálu na bázi halogenidů stříbra. Změna velikosti je přímo úměrná velikosti namáhání. Příkladem takového namáhání jsou síly způsobené podávacím a výstupním systémem fotoplotru, transportním systémem vyvolávacího zařízení, montáží na tiskárnu a vakuovým systémem tiskárny. V praxi se deformace fotomateriálu objevuje v okolí pomocných děr, protože v této oblasti dochází ke koncentraci mechanického namáhání.
U fotomateriálu na bázi halogenidů stříbra dochází ke změnám rozměrů stárnutím v horizontu měsíců až roků. Pokud fotomateriál nearchivujete, můžete tento problém ignorovat.
Pokud je změna relativní vlhkosti v rozsahu 30 až 70 %, jsou změny rozměrů fotomateriálu vratné. V rámci tohoto vratného rozsahu můžeme snadno vypočítat změnu délky fotomateriálu. Délku ovlivňuje teplota (čím vyšší teplota, tím větší prodloužení) a relativní vlhkost (čím vyšší, tím větší prodloužení). Délka filmu je daná kombinací změn podložky (polyester) a želatinových vrstev. Podložka se protahuje o 18 mikronů na metr na °C změny a reaguje rychle (během několika minut). Želatinové vrstvy mají na teplotní změny velmi podobnou reakci. Podložka roste o 8 mikronů na metr na % změny relativní vlhkosti a reaguje extrémně pomalu (několik hodin). Želatinové vrstvy typicky narůstají o 100 mikronů na metr na % změny relativní vlhkosti a reagují extrémně rychle (desetiny sekundy). Želatinové vrstvy jsou s podložkou dobře spojené, takže se nemohou pohybovat nezávisle. Změna rozměrů je potom daná kombinací změn rozměrů podložky a želatinových vrstev. Moderní fotomateriály mají koeficient teplotní roztažnosti 18 mikronů na metr na °C změny a koeficient vlhkostní změny (průměrně) 11 mikronů na metr na % změny relativní vlhkosti.
Dodavatelé fotomateriálů nabízejí snadno použitelné programy nebo tabulky pro výpočet změn rozměrů. Všechny tyto výpočty platí pouze pro vratný rozsah (30 až 70 % relativní vlhkosti), např. http://phototooling.agfa.com.
K nevratným změnám rozměrů dochází při relativní vlhkosti pod 30 % nebo nad 70 %. U vyšších hodnot je nevratnost změn rozměrů způsobená jevem nazývaným recovery a u nižších hodnot jevem nazývaným relaxace.
Filmy se vyrábí a balí při relativní vlhkosti 50 %. Pokud se film ocitne v prostředí s relativní vlhkostí vyšší než 70 %, želatiny zvlhnou natolik, že ztratí svoji pevnost. Dalo by se říct, že řetězce želatiny jsou odděleny takovým množstvím vody, že ztratí vzájemný kontakt a přestanou se vzájemně ovlivňovat. Účinek želatin na celkovou změnu rozměrů je tak slabší a film se prodlouží méně. Tento nižší nárůst délky je permanentní. I když se relativní vlhkost vrátí pod 70 %, film zůstane kratší. Tento jev se nazývá recovery.
Pokud se film octne v prostředí s relativní vlhkostí nižší než 30 %, želatiny vypařováním ztratí tolik vody, že řetězce želatiny se začnou vzájemně dotýkat. Mezi řetězci želatiny se vytvoří vodíkové vazby a tyto vazby absorbují mechanické pnutí, které by želatiny jinak přenášely na polyester. Výsledný efekt je, že želatiny mají na změny rozměrů menší vliv a smršťování filmu je menší. Toto snížené smršťování přetrvává i při návratu relativní vlhkosti nad 30 %. Tento jev se nazývá relaxace.
Během zpracování filmu se projeví výše popsané jevy – recovery a relaxace. Na obr. 5 ukazuje graf změny rozměrů fotomateriálu během zpracování.
Když film s latentním obrazem opouští plotr, máme relativní vlhkost 50 % (správná vlhkost prostředí) a film má správnou délku (předpokládáme, že plotr je správně nastaven). Tato situace představuje v grafu na obr. 5 bod 1.
Během mokré fáze (vyvolání, ustálení a oplach) film absorbuje vodu a roste. Nejdříve lineárně a vratně. Od vlhkosti 70 % pokračuje ve zvětšování, ale s menším tempem díky jevu nazývanému recovery. K této změně velikosti dojde během sekundy a celou ji mají na svědomí želatiny. Polyester absorbuje vodu příliš pomalu na to, aby mohl celkovou změnu jakkoliv ovlivnit.
Po opuštění mokré sekce (bod 2) je fotomateriál vložen do sušičky. Nízká relativní vlhkost v sušičce film vysuší. Smrštění zpočátku není lineární a není vratné. Při vlhkosti 30 až 70 % je smršťování lineární a vratné. Pod 30 % vlhkosti smršťování pokračuje, ale díky jevu nazývanému relaxace k tomu dochází v menším tempu. Relativní vlhkost v sušárně můžeme řídit pomocí nastavení teploty. Pokud je sušička správně nastavena, dostaneme změnu rozměrů odpovídající bodu 3'. Pokud je teplota sušičky příliš nízká, je vlhkost příliš vysoká a fotomateriál bude kratší, odpovídající bodu 3. Pokud je teplota sušičky příliš vysoká, vlhkost bude příliš nízká a fotomateriál bude delší, což odpovídá bodu 3".
Fotomateriál potom opustí vyvolávací zařízení a začne absorbovat z prostředí vodu a zvětšovat svoji velikost, nejdříve nelineárně a nevratně, později lineárně a vratně. Pokud byl film správně osušen, bude mít na konci procesu přesně správnou velikost. Při nízké teplotě bude kratší a při vysoké teplotě bude delší.
Ideálně by měl být film vysušen takovým způsobem, aby byl jev recovery zcela kompenzován jevem relaxace. Toho lze dosáhnout správným nastavením teploty sušičky. V tomto případě je vnitřní pnutí fotomateriálu (polyester a želatiny) po zpracování stejné jako před ním. Takový stav je žádoucí, abychom minimalizovali další změny rozměrů během kopírování na fotorezist nebo nepájivou masku a abychom se vyhnuli změnám způsobeným stárnutím. Tento proces je znám pod termínem zpracování s nulovou odchylkou.
