Принципы прорисовки фотошаблонов

2. Принципы прорисовки фотошаблонов

2.1 Методы ручной работы

Конечно, эти методы относятся к истории, но чтобы понять значительность достижений последнего времени, стоит хотя бы перечислить методы ручного изготовления фотооригиналов, из которых потом методом репродукции изготавливались рабочие фотошаблоны.

Вычерчивание

Автор еще застал этот метод, по которому большие коллективы работниц, получившие хорошие навыки в картографии, вычерчивали на ватмане гуашью топологию печатных плат. В основном использовались следующие средства работы:

•  вручную – с помощью простых чертежных документов и приспособлений, на основе с предварительно нанесенной координатной сеткой, с помощью точных шаблонов;

•  вычерчивание на координатографе, управляемом вручную.

Применение координатографов, которые с давних пор использовались в картографии, намного увеличило точность изготовления фотооригиналов.

Метод аппликации примагничивающимися элементами

На стальную пластину, выкрашенную в белый цвет, укладывали шаблоны элементов рисунка, изготовленные из магнитной резины. Для точного позиционирования элементов пластина имела отверстия, высверленные с большой точностью на координатно-свер-лильном станке. Для упрощения работы оператора на стальную пластину проецировали эскиз печатной платы, предварительно нарисованный на миллимитровке.

Аппликация липкой лентой

В этом случае рисунок печатной платы выполняется цветной липкой лентой. Элементы рисунка наклеиваются непосредственно на безусадочную основу с нанесенной координатной сеткой. Наклеиванием липкой лентой получали рисунок с хорошей резкостью контуров. При изготовлении фотошаблонов двусторонних печатных плат для одной стороны платы использовали один цвет (например, красный), для обратной – другой (например, синий). При репродукции через соответствующие светофильтры получали комплект из двух фотошаблонов. Этот же метод использовали для нанесения рисунка непосредственно на фольгу диэлектрика для защиты от травления.

Целый ряд фирм специализировался на производстве и поставках наборов для аппликации. В последующие времена они пользовались большим успехом в лабораторной практике.

Метод скрайбирования двухслойной пленки

Основу этого метода создает двухслойная пленка. Базовый слой – безусадочная синтетическая пленка или стекло. Покровный слой – полупрозрачная пленка красного цвета, которая при репродукции воспроизводится в черном цвете. Для изготовления оригинала специальным резцом вырезается по контуру и отделяется от основания пленка покровного материала. Этот метод чаше использовался в изготовлении фотооригиналов для изготовления микросхем и оттуда временно перешел в производство печатных плат. Метод отличался высокой точностью воспроизведения рисунка.

Резание по эмали

Полированное стекло покрывается непрозрачным слоем эмали. Вырезание рисунка производится на точном координатографе с ручным приводом головки. Расстановка контактных площадок производится оператором по таблице координат с точностью ±(0,2…0,5) мм. При репродукции с уменьшением обеспечивается точность позиционирования не хуже ±10 мкм.

2.2 Автоматические методы изготовления фотошаблонов

Установились два принципа прорисовки рисунка печатной платы: векторный и растровый. И хотя в последнее время предпочтение отлается растровому методу, используемому в фотоплоттерах, необходимо хотя бы упомянуть и векторный метод, занявший значительный период развития технологий печатных плат.

Векторный метод вычерчивания изображений

Машины, в которых используются векторные принципы прочерчивания рисунка на координатных столах, принято называть координатографами. На одних из них работы могут выполняться вручную (см. п.п. 4.2.1.4 и 4.2.1.5), на других – в автоматических режимах. В автоматических координатографах в большинстве случаев для прорисовки фотошаблонов используется световой луч, экспонирующий фотоматериал. Для формирования светового пятна заданной формы используются соответствующие апертуры, которые размещаются на стеклянной планке или диске. При прорисовке программно управляемый механизм выставляет необходимую в данном случае апертуру: контактную площадку той или другой формы, круговое или квадратное пятно определенного диаметра для прорисовки проводников и т.д. (рис. 4.7).

Большая часть времени работы координатографа занимает прорисовка проводников. Для этого координатный стол с управляемым приводом движется в системе координат X-Y, включающийся при движении световой луч через апертуру засвечивает фотопленку (рис. 4.8). Скорость движения луча – порядка 0,2 м/с, скорость смены апертуры (символов) – 0,5 с. Однако на самом деле время прорисовки определяется ускорением разгона и замедления координатного стола. А это зависит от мощности привода. Реально средняя скорость перемещения луча при прорисовке проводников – 0,1 м/ с. При экспонировании контактных площадок стол постоянно работает в режиме «старт-стоп», т.е. он вынужден разгоняться и при подходе к позиции контактной площадки замедляться. В общей сложности на пропечатку контактных площадок уходит порядка по 2 с на позицию. Если учесть, что суммарная длина проводников в МПП средней сложности составляет 100 м, а число контактных площадок примерно 1000, и они повторяют слоях и на противоположном наружном слое, чистое время прорисовки проводников не может быть меньше одного часа. Если учесть еще и время смены заданий при переходе от одного слоя к другому, общее время изготовления комплекта фотошаблонов МПП на координатографе превышает два часа.

Поскольку движение стола полностью соответствует направлениям проводников, такой принцип прорисовки называют векторным.

Погрешности прорисовки фотошаблонов на координатографах складываются из погрешностей позиционирования координатного стола и погрешностей позиционирования световых пятен от апертур на планках или дисках. Когда эти погрешности сведены к минимуму, можно ожидать погрешности координатографов в пределах ± Ю…\2 мкм.

Наборный принцип

Фотонаборные автоматы (ФНА) – это поколение высокопроизводительных среднеформатных фотовыводных устройств. Они работают по принципу поочередной фотопечати элементов рисунка. Они также как и в фотокоординатографах имеют источник света и апертуры, соответствующие различным элементам рисунка. На рис. 4.9 показан принцип действия фотонаборного автомата применительно к полиграфическому производству, где они активно используются. На рисунке показано для примера воспроизведение символа «Н», но им может быть любой элемент рисунка печатной платы. Время смены символов порядка 0,1…0,2 с. Поскольку наборный принцип означает поочередное экспонирование элементов рисунка, то проводник прорисовывается как последовательность пошаговых экспонирований элементов проводника. Поэтому производительность фотонаборных автоматов при изготовлении фотошаблонов печатных плат очень низка.

Фотонаборные автоматы плохо приспосабливаются к производству фотошаблонов. Тем не менее, их применение в производстве печатных плат не исключено.

Растровый принцип

По способу печати растровые графопостроители подразделяются на:

- электростатические графопостроители (electrostatic plotter) с электростатическим принципом воспроизведения изображения на специальных носителях;

- струйные графопостроители (ink-jet plotter), основанными на принципе струйной печати (выдавливании красящего вещества через сопла форсунок за счет термоудара или динамического удара пьезоэлементом);

- лазерные графопостроители (laser plotter), воспроизводящие изображение с использованием луча лазера на промежуточном носителе с последующим переносом на бумагу;

- светодиодные графопостроители (LED-plotter), отличающиеся от лазерных способом формирования изображения для переноса его с барабана на бумагу;

- термические графопостроители (thermal plotter);

- фотоплоттеры (photo plotter) с фиксацией изображения на светочувствительном материале.

Мы будем рассматривать растровые фотоплоттеры применительно к процессам фотолитографии, используемым в технологиях печатных плат.

Растровый принцип формирования изображений полностью подобен воспроизведению рисунка на экранах мониторов: телевизоров, компьютеров и т.д. Построчно бегающий луч модулируется по яркости, поэтому на изображении появляются светлые и темные элементы.

Растровый метод записи изображений одинаково легко воспроизводит любые элементы рисунка: позитивные и негативные, прямые и зеркальные. Возможности проектирования печатных плат расширяется за счет простоты воспроизведения любых форм проводников и контактных площадок.

Построчная развертка луча может осуществляться либо за счет вращения барабана, на котором закреплена фотопленка, либо за счет вращения призмы с зеркалами, построчно, развертывающей луч на плоской поверхности, несущей фотоматериал. Поэтому фотоплоттеры могут быть двух типов: планшетные и барабанные.

Возможности использования растровых фотоплоттеров расширились с появлением лазерных источников света. Их большая энергетическая насыщенность (плотность энергии), возможность фокусировки луча в точечный размер и, главное, способность к высокоскоростному модулированию луча – все это создало условия для широкого распространения растрового принципа формирования изображений.

Размер фотошаблона определяется диаметром барабана, на котором закрепляется фотопленка и длиной пробега источника света по каретке вдоль направляюшей барабана. Чтобы фотопленка плотно прилегала к плоскости барабана, его снабжают перфорацией, с помощью которой осуществляется вакуумный прижим пленки.

В качестве источника света в фотоплоттерах могут использоваться лазерные и световые, например, ксеноновые лампы. У ксеноновых ламп спектр излучения шире, чем у монохромного лазера (рис. 10). Поэтому в них могут использоваться обычные фотоматериалы, сенсибилизированные к видимой части света. Ксеноновая лампа имеет большой срок эксплуатации (более десяти лет при круглосуточном использовании или 10» вспышек) и имеет максимальное излучение в диапазоне 400–560 нм (синий-голубой-зелёный спектр). Она излучает очень короткие (менее 3 микросекунд) и мощные импульсы света. Активная жидкокристаллическая матрица (LCD) модулирует свет вспышки согласно данным рисунка фотошаблона, которые покадрово на ней воспроизводятся при перемещении фотоголовки.

Для лазерных фотоплоттеров необходимо использовать фотоматериалы, имеющие максимальную чувствительность на длине излучения лазера: красный или зеленый или др. лазеры. Фотоматериалы с широкой спектральной чувствительностью малочувствительны в узкой полосе излучения лазера. Именно поэтому для лазерных фотоплоттеров используют специальные фотоматериалы, сенсибилизированные к соответствующей частоте (длине волны) излучения лазера.

Скорость прорисовки изображений на фотоплоттерах явно выше, чем при использовании других принципов. В первую очередь это обусловлено отсутствием режима «старт стоп». Это значит, что при движении луча ему нет необходимости останавливаться и разгоняться, прорисовка идет построчно с постоянно высокой скоростью. Сама скорость движения луча зависит от мощности источника света и чувствительности пленки. Производительность изготовления фотошаблона связана с заданной разрешающей способностью так, что чем она выше, тем тоньше линии, тем их больше, тем большим количеством строк формируется рисунок.

Принято считать, что минимальный размер светового пятна лазера примерно равен 3…5 длинам волн когерентного источника света. Значит, если красный лазер излучает свет с длиной волны 650 нм, с его использованием можно получить четкое световое пятно размером 2…3 мкм. Если требуется получать более четкое изображение, необходимо использовать лазерные источники света с меньшей длиной волны и соответствующие им фотоматериалы (см. табл. 4.11).

Четкость и равномерность края проводников непосредственно зависит от частоты строк растрового изображения (рис. 11). Волнистость края вертикального проводника – естественное явление для растра.

С увеличением разрешения производительность фотоплоттера падает так, как ему приходится воспроизводить рисунок большим количеством строк. Для примера в табл. 3 показана производительность фотоплоттеров с ксеноновой лампой.

Для увеличения производительности луч источника света расщепляют и модулируют каждый из них индивидуально. Известны конструкции фотоплоттеров, в которых расщепление осуществляется на восемь лучей.

Возгонка масочного покрытия

Вместо фотоматериалов можно использовать прозрачные полиэфирные пленки с тонким (5 мкм) непрозрачным масочным покрытием. Для записи изображения на таких пленках используют ИК-лазер, например, волоконный лазер с активной средой на основе иттербия. Масочное покрытие в зоне облучения лазерным лучом сублимирует и удаляется в систему отсоса. Работа с такой пленкой не требует затемнения и мокрой обработки для проявления и фиксации. Фотошаблоны по этому методу получаются высококонтрастными с большой оптической плотностью (4,5 Dlog) и резкостью края. Плоттеры для работы с масочным покрытием удобно использовать непосредственно рядом с местом проектирования, получая возможность сверять задуманные проекты с полученными фотошаблонами. Отсутствие мокрых процессов позволяет избежать изменения размеров основы фотошаблонов за счет набухания и гистерезиса изменения размеров.

Примером конструкции плоттера для «сухой» технологии изготовления шаблонов – отечественный плоттер LaserGraver, позволяющий производить запись шаблонов с разрешением до 10160 dpi (размер пикселя 2,5 мкм). Многолетний опыт работы авторов технологии LaserGraver привел их к наиболее оптимальному решению – использованию волоконного лазера с полупроводниковой накачкой (рис. 4.12). Он не требует водяного охлаждения, не имеет изнашиваемых компонентов и обладает рекордным КПД.

Продолжением технологии LaserGraver должно явиться непосредственное формирование рисунка на масочном покрытии заготовки печатной платы, минуя фотошаблоны и фоторезисты.