Нанесение защитного рельефа и паяльной маски на ПП

Нанесение защитного рельефа — процесс переноса изображения рисунка печатных проводников на материал основания ПП. Он может осуществ­ляться следующими способами:

- фотохимическим (фотолитография);

- сеткографическим (сетко и шелкография, трафаретная печать);

- офсетной печатью;

- лучом лазера;

- фотоформированием.

Защитный рельеф бывает негативный и позитивный. Негативный за­щищает от вытравливания токопроводящие элементы ПП: печатные про­водники, контактные площадки, шины «земли» и «питания» и прочие, по­зитивный наносится на пробельные места, т. е. на участки ПП, на которых не должно быть меди, а токопроводящие элементы защищаются перед опе­рацией «травление меди с пробельных мест» устойчивыми в травильных растворах либо металлорезистом, либо полимерным травильным резистом.

Выбор способа получения защитного рельефа определяется конструк­цией ПП, классом точности ПП: шириной проводников и расстояний ме­жду ними, размером контактных площадок, точностью получения размеров печатных элементов; плотностью монтажа, а также ТП изготовления (про­изводительностью оборудования, экономичностью процесса и пр.).

А) Фотохимический способ нанесения защитного рельефа (фотолитография)

Этот способ имеет высокую разрешающую способность (значительно выше чем, сеткографический и офсетная печать) и позволяет получить про­водники и зазоры между ними порядка 0, 1 мм (3—5 класс точности) и ме­нее (0, 07...0, 04 мм — 6—7 класс точности) с точностью (±0, 03) мм и выше. Суть способа заключается в контактном копировании рисунка схемы с ФШ на заготовку ПП, покрытую светочувствительным слоем (фоторези­стом — ФР).

Основные этапы фотохимического способа в соответствии с рисунком 24:

- на поверхность заготовки ПП наносится фоторезист — фотополи­мерный материал, чувствительный к УФ-излучению;

- устанавливается ФШ, реперные знаки (перекрестия) которого совмещаются под микроскопом с центрами фиксирующих (базовых) от­верстий заготовки ПП;

- производится экспонирование рисунка схемы через ФШ, в результа­те которого образуется скрытое изображение;

- проявление изображения и задубливание рисунка, т. е. получение за­щитного рельефа (защитной фотомаски).

 

а — экспонирование ри­сунка схемы через ФШ; б — проявленное изображение рисунка схемы; 1 — ПП; 2 — СПФ; 3 — УФ-излучение; 4 — ФШ

Рисунок 24 -Фотохимический способ нанесения защитного рельефа

 

Для воспроизводимости элементов печатного монтажа малого размера при их переносе с ФШ на заготовку ПП процесс фотопечати должен осу­ществляться с соответствующей разрешающей способностью, которая из­меряется максимальным числом параллельных линий, воспроизводимых раздельно на 1 мм.

Разрешающая способность процесса фотопечати и точность размеров элементов печатного рисунка зависят от типа и толщины слоя фоторези­ста. С увеличением толщины слоя фоторезиста разрешающая способность падает.

Различают жидкие (на водных и органических растворителях) и сухие пленочные фоторезисты (СПФ), а также проявляемые в водных растворах и в органических растворителях.

По результату воздействия света фоторезисты бывают негативные и по­зитивные. При использовании негативных фоторезистов экспонированные области заготовки ПП остаются на плате, так как они переходят в нерас­творимое состояние, а неэкспонированные, сохранившие исходную струк­туру, вымываются при проявлении в органических растворителях. В случае применения позитивных фоторезистов экспонированные участки вымыва­ются при проявлении, так как в позитивных фоторезистах экспонирование имеет целью создать условия для деструкции экспонированных участков фоторезиста и перевода их в растворимое состояние в проявителе с щелоч­ными свойствами.

Основными характеристиками фоторезиста являются: стойкость к травителям и гальваническим ваннам (кислотостойкость), светочувствитель­ность, контрастность, высокая разрешающая способность, однородность и равномерность по толщине и пр.

Нанесение жидкого фоторезиста осуществляется следующими спосо­бами:

- центрифугированием (фоторезист растекается под действием центробежной силы); недостаток — неравномерность толщины слоя и краевое утолщение, препятствующее плотному прилеганию фотошаблона при экспонировании и приводящее к ухудшению контрастности изображения из-за наличия воздушного зазора;

- окунанием и вытягиванием заготовки из раствора фоторезиста с по­стоянной скоростью (15...50 см/мин); толщина фоторезиста зависит от скорости вытягивания, вязкости; равномерность — от плавности извлечения; достоинства — двухстороннее нанесение фоторезиста;

- валковым способом, основанном на офсетном принципе печати: заготовка перемещается между двумя валками нанесения фоторезиста, и фоторезист с их поверхности переносится на поверхности заготовки. При этом жидкий фоторезист на наносящие валки поступает с дозирующих валков меньшего диаметра с пазами, вращающегося во встречном направлении, на поверхность которого постоянно подается жидкий фоторезист. Достоинства — равномерность по толщине,
возможность получения тонких слоев (толщина регулируется величи­ной зазора между двумя валками нанесения фоторезиста, толщиной слоя на наносящем валке, адгезионными свойствами фоторезиста и пр.), двухстороннее нанесение фоторезиста на жесткое или гибкое основание ПП, высокая производительность, экономичный расход фоторезиста, возможность совмещения с устройством для сушки и охлаждения. Недостатки — необходимость применения специальных фоторезистов, нестабильность характеристик слоев фоторезиста, вы­сокая стоимость оборудования и пр.

- пульверизацией (распылением); струя фоторезиста поступает из распылительной форсунки под углом, близким к 90°, на поверхность за­готовки ПП, перемещающуюся с определенной скоростью на конвейере. Достоинства — простота способа, равномерность по толщи­не, возможность применения для любых типов ПП; недостатки — сложность получения равномерных по толщине слоев фоторезиста на больших поверхностях заготовок;

- электростатическим распылением в поле высокого напряжения. Достоинства — высокая равномерность по толщине и однородность слоя фоторезиста, возможность получения тонких слоев фоторезиста, хорошая адгезия к поверхности заготовки и пр.; недостатки — высокая стоимость оборудования, необходимость применения специальных фоторезистов;

- способом электрофореза, который позволяет получить равномерные по толщине слои фоторезиста в гальванической ванне и регулировать толщину слоя изменением потенциала на электродах ванны. Фирма Shipley (Германия) разработала позитивный фоторезист PERT-2400, который наносится способом электрофореза из водного раствора (толщина 10 мкм) и может применяться при изготовлении ПП с по­слойным наращиванием перераспределительных слоев; обладает вы­сокой разрешающей способностью, позволяет получить проводники шириной 0, 050 мм, стоек только при кислом травлении, удаляется в щелочном растворе.

Достоинствами жидких фоторезистов являются: простота приготовле­ния и применения, нетоксичность, защита боковых поверхностей провод­ников и контактных площадок. Последние три способа — валковый, пуль­веризация и электростатическое распыление — применяют для получения плотного и сверхплотного рисунка ПП.

- Недостатками жидких фоторезистов являются: низкая разрешающая способность (для первых двух способов); разрастание проводников над фоторезистом в соответствии с рисунком 25 при гальваническом осаждении меди (толщина которой составляет порядка 25...30 мкм); окисление; ухудшение механической прочности и адгезии фоторезиста в условиях повышенной влажности и температуры; заполнение монтажных и переходных отверстий при нанесении на ПП, препятствующее осаждению меди на стенки отверстий при химическом и гальваническом меднении; низкая устойчивость к действию электролитов гальванического меднения.

 

 

1 — разрастание; 2 — ширина провод­ника по рабочему фотошаблону; 3 — ширина проводника; 4 — материал основания; 5 — фоторезист; 6— осаждение металла; 7— медная фольга

Рисунок 25 -Разрастание проводника над фоторезистом

 

Жидкие фоторезисты, изготовленные, например, на основе поливини­лового спирта, имеют следующий состав, г/л: поливиниловый спирт 100...200, двухромовокислый аммоний 8...10, этиловый спирт 100...120 мл/л. Они наносятся в два слоя общей толщиной 12...15 мкм методом окунания с последующим медленным вытягиванием заготовки ПП из раствора для по­лучения равномерности по толщине на поверхности.

В качестве примера можно привести жидкие фоторезисты фирмы Shipley (Германия), применяемые для изготовления внутренних слоев МПП — негативный SN-35, который обладает способностью сглаживать неровности на заготовке слоя, и позитивный SN-24, допускающий много­кратное экспонирование. Сушка после нанесения фоторезиста необходима для удаления летучих веществ, уплотнения структуры слоя, уменьшения внутренних напряжений, улучшения адгезии фоторезиста к заготовке ПП.

Сухие фоторезисты применяются при изготовлении рисунка слоев МПП, ГПП, ГПК, полосковых плат и других плат высокого класса точно­сти (с высокими требованиями по разрешающей способности).

Сухие пленочные фоторезисты (СПФ) состоят из трех слоев: защитной полиэтиленовой пленки, среднего слоя, чувствительного к УФ-излучению и оптически прозрачной лавсановой пленки, предназначенной для защиты фоторезиста от окисления на воздухе. СПФ накатывают на поверхность ПП валиком, нагретым до 100...120 º С на установках для ламинирования — ла­минаторах в соответствии с рисунком 26. При этом полиэтиленовая пленка наматывается на бобину в соответствии с рисунком 27.

Достоинства СПФ: высокая разрешающая способность (позволяет по­лучать ширину проводников и зазоры между ними до 0, 04...0, 1 мм), высо­кая стойкость в травильных растворах и электролитах гальванического мед­нения и нанесения оплава олово—свинец и олова, исключают попадания (затекания) фоторезиста в отверстия.

Недостатки СПФ: выделение при ламинировании токсичных хлористо­го метилена и трихлорэтилена, наличие внутренних напряжений и усадоч­ных процессов в пленке.

 

1 — ПП; 2 — бобина; 3 — СПФ Рисунок 27 – Нанесение СПФ

 

1 — прижимной валик; 2 — полиэтиленовая пленка; 3 — боби­на; 4 — рулон фоторезиста (СПФ); 5 — СПФ; 6 — нож для резки СПФ; 7 — заготовка платы Рисунок 26 - Схема ламинатора

Экспонировать — подвергать светочувствительный материал действию света. Экспонирование осуществляется УФ источником света (сканирую­щим, неподвижным, точечным или точечным с поворотной заслонкой) с диапазоном спектра 300...400 нм ртутно-кварцевыми лампами через лавса­новую пленку (для СПФ) способом контактной печати. Перед экспониро­ванием заготовка ПП с нанесенным фоторезистом совмещается с ФШ с помощью специальных знаков совмещения и производится засветка через ФШ. При экспонировании имеют место дифракция, преломление и отра­жение света, приводящие к разбросу размеров элементов рисунка и размы­тости их краев. Основным требованиям к выполнению операции экспони­рования является получение необходимой степени задубленности, полиме­ризации (для негативных фоторезистов) или степени деструкции (для позитивных фоторезистов), гарантирующей воспроизведение четкого изо­бражения элементов рисунка схемы при проявлении. Для этого необходи­мо обеспечить:

- плотный и равномерный прижим ФШ к поверхности заготовки ПП при помощи вакуумного прижима для исключения попадания света под темные участки фотошаблона и получения размытого края (вуали) фоторезиста;

- согласование спектральных характеристик источника света и спек­тральной светочувствительности фоторезиста, чтобы максимальная интенсивность излучения на определенных длинах волн совпадала с областью максимальной чувствительности фоторезиста, так как это позволяет повысить производительность операции экспонирования за счет уменьшения экспозиции (экспозиция — минимальная энер­гия излучения на единицу поверхности слоя фоторезиста, необходимая для проработки фотослоя на полную глубину); максимум поглощения позитивных фоторезистов соответствует более длинным волнам по сравнению с негативными;

- равномерное распределение освещенности по поверхности фоторези­ста, которое может быть в достаточной степени обеспечено применением коллиматоров; неравномерность освещенности приводит к появлению нерезкого контура (вуали) на элементах фотомаски;

- правильное определение времени экспонирования фоторезиста, которое определяет степень его стойкости при проявлении и точность воспроизведения изображения ФШ. Стойкость при проявлении определяется величиной задубленности, полимеризации для негативных фоторезистов и степенью деструкции для позитивных и зависит от времени воздействия и количества света, поглощенного фоторези­стом, которое в свою очередь зависит от плотности потока актиничного света, фотохимически взаимодействующего с фоторезистом. Продолжительность экспонирования зависит от толщины фоторезиста, освещенности поверхности фоторезиста и определяется опытным путем.

После экспонирования производится выдержка 20...30 мин в темном месте для завершения фотополимеризации.

Нарушения при выполнении операции экспонирования могут привести:

- к отслаиванию фоторезиста от заготовки ПП в процессе его проявле­ния в результате недостаточной экспозиции, затруднению проявления и увеличению ширины экспонированных элементов рисунка по сравнению с ФШ при избытке экспозиции при экспонировании негативных фоторезистов;

- к неполному проявлению фоторезиста, образованию вуали при ма­лой экспозиции; отслаиванию фоторезиста и уменьшению размеров элементов рисунка по сравнению с размером на ФШ при избытке экспозиции при экспонировании позитивных фоторезистов.

Стоимость установки экспонирования, например, ORC HMW-201 В составляет 65 000 долл., а лабораторной установки HELLAS-E — 1700 долл. Применяют также установку экспонирования марки и фирмы Anger (Авст­рия) для двустороннего экспонирования, с рабочим форматом рамы 600 600 мм, мощностью ламп 6000 Вт, количеством ламп — 2 шт. и уста­новку экспонирования с точечным источником света АРСМ3.258.000 с ос­вещенностью внутри загрузочной рамы до 45 кЛк.

Проявление рисунка защитного рельефа фоторезиста осуществляется при избирательном растворении неэкспонированных участков фоторезиста для негативных фоторезистов и экспонированных — для позитивных фоторе­зистов. Нерастворенные участки фоторезиста используются в качестве за­щитной фотомаски при травлении меди с пробельных мест или при хими­ко-гальваническом осаждении меди.

Основным требованием при проявлении является точность воспроизве­дения рисунка с ФШ, которая зависит от времени, температуры проявле­ния, концентрации проявителя, скорости растворения фоторезиста в дан­ном проявителе, времени экспонирования и пр. Скорость проявления за­висит от загрязненности проявителя, способа подачи проявителя на поверхность. Наиболее целесообразно применять перемешивание, ультра­звук или струйное проявление, так как увеличивается скорость проявле­ния, и выравниваются условия проявления по всей площади заготовки ПП. Для негативных ФШ режимы проявления незначительно влияют на точность передачи изображения и перепроявление для них неопасно. Для позитивных фоторезистов режимы проявления являются определяющими для качества изображения, так как их несоблюдение может привести к подтравливанию по контуру незасвеченных участков (фотомаски). Прояв­ление СПФ производится после удаления лавсановой пленки на установ­ках струйного типа в метилхлороформе в течение 1...2 мин под давлением или в ультразвуковых ваннах. Применяют конвейерные струйные установ­ки для проявления фоторезиста Circuitape CSP305 DR (34 600 долл.), УПФ 504, выпускаемые заводом Темп (г. Хмельницкий) и др. Для снятия фоторезиста применяют линии снятия фоторезиста КМ-501М и Circuitape СSP305/SR тех же производителей, а также установку проявления ФР (ГГМЗ.250.001) для струйного проявления СПФ-2 конвейерного типа со скоростью движения конвейера 0, 2...4, 0 м/мин, производительностью 100 м/ч на заготовках 500 500 мм и установку снятия фоторезиста или сеткографической краски (ГГМ3.254.001) струйного типа для ПП размера­ми 500 500 мм производительностью 100 м/ч.

Технология водо-щелочного проявления фоторезистов позволила ис­ключить из производства экологически вредные хлорированные углеводо­роды метилхлороформ и хлористый метилен. Обработка фоторезистов про­изводится в слабых (1...5)%-ных растворах соды и щелочи, которые ис­пользуются после обработки на очистных сооружениях в качестве реагентов для нейтрализации гальваностоков.

Сухие пленочные фоторезисты водо-щелочного проявления очень чув­ствительны к перепроявлению, при котором происходит дополнительное химическое воздействие раствора проявления, приводящее к частичному разрушению фоторезиста. Поэтому для операции проявления устанавлива­ются ограничения по времени проявления — «брейк пойнт»[2] (момент окончания) проявления СПФ.

Разработкой оборудования и материалов для фотохимических процес­сов занимается фирма Morton Int., фирма OCCLEPPO и др.

В настоящее время наиболее широко применяют следующие СПФ:

- СПФ-1, СПФ-2 (ТУ6-17-859—77) толщиной 20, 40 и 60 мкм (чем больше толщина, тем ниже разрешающая способность), со спек­тральной чувствительностью 320...400 нм, способностью воспроизво­дить линию шириной (100 ± 10) мкм, эффективным временем экспо­нирования не более 35, 40 с;

- СПФ-АС (ТУ6-17-691—83) для ПП высокого класса точности с по­вышенной разрешающей способностью;

- СПФ-В (ТУ АЛО-31-10), ТФПК (ТУ61У0.037.074), СПФ-ВЩ-25, СПФ-ВЩ-50 (ТУ16-503-244—84) — фоторезисты водо-щелочного проявления для исключения токсичных растворителей; СПФ-ВЩ-25, СПФ-ВЩ-50 — фоторезисты водо-щелочного проявления спектраль­ная чувствительность 320...400 нм, способность воспроизводить ли­нию шириной (100 ± 10) мкм и (125 ± 10) мкм, эффективным време­нем экспонирования 5...60 и 10...80 с, соответственно;

- СПФ-ПНЩ-25 и СПФ-ПНЩ-50 — фоторезисты повышенной надежности, водо-щелочного проявления, для негативной и позитив­ной технологии, спектральная чувствительность 320...400 нм, способ­ность воспроизводить линию шириной (75 ± 5) мкм и (100± 10) мкм, эффективным временем экспонирования 25 и 40 с, соответственно;

- СПФ Laminar 5000 фирмы Shihley — негативный водопроявляемый фоторезист, который применяют для нанесения на химически осажденную медь, в ТП с прямой металлизацией и тентинг-процессах. Толщина — 25; 32; 38 и 50 мкм. Выпускается в рулонах длиной 100 и 150 м, шириной 0, 255; 0, 305; 0, 6 м. Он обладает высокой разрешающей способностью, светочувствительностью, устойчивостью при металлизации, адгезией, тентинговыми свойствами;

- другие СПФ фирмы Shihley: Pro Etch 1230; Laminar HG, GA, LP, PS; Pro Tent 3140, толщиной 40 мкм для тентинг-процесса;

- СПФ Riston, фирмы DuPont (Германия) водо-щелочного проявления;

- СПФ ORDYL ALPHA, фирмы Elga Ronai SPL Prodact (Италия) по технологии фирмы ТОК (Япония) водо-щелочного проявления и др.

Для нанесения СПФ применяется следующее оборудование:

- автоматический ламинатор марки DYNACHEM мод. 1024 фирмы Theokol (Англия), для нанесения СПФ с автоматической загрузкой ПП из стопы, с шириной ПП до 610 мм, толщиной до 6 мм; скоро­стью нанесения рисунка до 5 м/мин;

- ламинатор мод. 1.60.2 фирмы Anger (Австрия) для одно- и двусторон­него нанесения СПФ (для получения рисунка и защитной маски) с плавным регулированием прижима, температурным диапазоном 80...135 º С, с шириной ламинирования до 600 мм;

- ламинатор DFL 305, 300 мм;

- ламинатор RLM 419р, 400 мм;

- ламинатор АРСМ3.289.006 для ПП шириной до 560 мм и др.

Дубление полученного при проявлении защитного слоя рисунка (фото­маски) необходимо для повышения химической стойкости при последую­щих химических обработках за счет увеличения степени его полимериза­ции. Жидкие негативные фоторезисты для повышения химической стойко­сти подвергают температурной обработке или облучению УФ светом после проявления. Жидкие позитивные фоторезисты обычно не требуют допол­нительного дубления, а для СПФ характерным является не столько повы­шение химической стойкости после термообработки, сколько значительное увеличение механической прочности.