Выпуск #2-3/2009
В.Никируй.
Лазерные технологии в производстве печатных плат и не только
Лазерные технологии в производстве печатных плат и не только
Просмотры: 2726
В современном мире наукоемких технологий, бурлящем от новых разработок и достижений, лазерные технологии уверенно и надолго завоевали статус перспективных. Развитие и совершенствование как самих лазеров, так и лазерного оборудования, генерируют развитие новых технологий лазерной обработки, удешевление, совершенствование и оптимизацию существующих. Сегодня сложно найти отрасль промышленности, куда бы не проникли лазеры. Не является исключением и область производства электроники, значительную долю которой занимает производство печатных плат и микросборок.
Уменьшение размеров электронных компонентов до микроуровня, повышенные требования к их позиционированию на подложках микросборок и печатных платах, повышенные требования к точности изготовления проводников и контактных площадок обусловили внедрение лазерных технологий во многих технологических процессах производства электроники. Развиваются и совершенствуются технологии изготовления шаблонов печатных плат с помощью лазерной гравировки, изготовления трафаретов лазерной резкой, лазерного формирования рисунка за счет испарения меди, лазерного сверления микроотверстий и глухих отверстий печатных плат, лазерной пайки проводников и микроконтактов, лазерной наплавки, лазерной резки многослойных плат, лазерной подгонки параметров прецизионных элементов схем, лазерной маркировки электронных компонентов и печатных плат.
Компании, использующие новые лазерные технологии, имеют возможность повысить конкурентоспособность своих производств, получать больше заказов и занимать лидирующие позиции. Конечно, речь не идет о лазерном оборудовании прошлых десятилетий. Имеющееся на заводах электронной промышленности оборудование морально, да и физически устарело. Оно не способно обеспечивать необходимый технический уровень современных изделий. Поэтому ряд компаний (к примеру, НПЦ "Альфа", НИИ "Полюс") разрабатывает и внедряет новое лазерное оборудование на основе современных лазеров и программных средств. В большой степени на рынке имеется потребность в лазерном прецизионном оборудовании для изготовления шаблонов печатных плат, для выполнения отверстий в платах, для изготовления гибко-жестких плат. Как говорилось выше, лазерные технологии используют не только в производстве электроники, но и в других отраслях промышленности и с другими целями. Гравировка, маркировка, резка
Лазерная гравировка – это частичное удаление лазером материала с поверхности образца. В зависимости от длины волны лазера, мощности лазерного излучения и типа обрабатываемой поверхности удаляется разный объем материала. Как правило, в гравировке используются двухслойные материалы, один из которых представляет собой термочувствительный слой. При удалении верхнего термочувствительного слоя формируется изображение. Используя данный метод обработки применительно к разным материалам, можно изготавливать, например шаблоны печатных плат (рис.1), а также в тонкопленочных структурах резисторы, индуктивности, конденсаторы, решетки ПАВ и другие элементы.
В качестве подложки могут служить пленки, пластики, металлы, картон, бумага, текстолит и другие материалы. Выбор материала подложки и термочувствительного слоя зависит от сферы применения и вида наносимого рисунка.
Лазерное оборудование широко используют для изготовления документов, имеющих высокую степень защиты от подделок, например для изготовления удостоверений, пропусков и других документов. Штампы, печати и резиновые клише с помощью лазеров делаются быстрее, качественнее, эффективнее (рис.2).
Универсальность – одно из замечательных качеств лазерного оборудования. На одном и том же оборудовании можно изготавливать шаблоны печатных плат, таблички обозначения разъемов и кабелей, лицевые панели приборов и другие изделия. На лазерном оборудовании можно гравировать специальные самоклеющиеся пластики, алюминиевую фольгу с термочувствительным покрытием, латунированную сталь (рис.3) и т.д. Лазерный луч позволяет с большой точностью формировать разного типа изображения, надписи, маркировки на различных материалах и поверхностях (рис.4).
Еще одну удивительную технологию можно реализовать с помощью лазерного луча. Это – лазерная резка. Мощное концентрированное излучение режет 6-миллиметровую сталь со скоростью 50 мм/с. Лазерные резаки способны резать металлы, дерево, фанеру, керамику, текстолит, полимеры, разного рода пластмассы и др. (рис.5). Самое важное преимущество лазерной резки заключается в уникальности форм, которые можно вырезать лазерным лучом.
Производители лазерного оборудования и компании, внедряющие в свои технологические циклы лазерные технологии, имеют все предпосылки для лидерства на отечественном и мировом рынках.
Термический способ записи изображения шаблона печатных плат
Большинство стоящих перед производителями печатных плат задач решаются с помощью высокоточных шаблонов. Их используют в самом начале технологической цепочки изготовления плат. Качеству шаблонов придается большое значение, достигнуть которое можно, используя современные системы записи изображений.
В модельных рядах многих известных фирм – производителей плоттеров сегодня можно найти аппараты, реализующие сухой способ записи изображений, отличительной особенностью которого является прямое формирование рисунка шаблона без "мокрых" процессов. Это позволяет избегать, например, усадку основы фотошаблонов, свойственную обычным фотохимическим технологиям. Кроме того, такие системы просты и более удобны в эксплуатации, вся технология создания шаблона реализована на одной единице оборудования.
Все перечисленные выше основные тенденции реализованы в лазерном оборудовании с термическим способом формирования изображения шаблона лучом волоконного инфракрасного лазера прямо с управляющего компьютера на термочувствительную пленку. Обратим внимание на то, что фоточувствительные материалы при изготовлении шаблонов не используются. Эта технология имеет ряд важных особенностей и преимуществ:
* растровый метод записи изображения обеспечивает независимость скорости записи от сложности и насыщенности платы, легко, с одинаковым качеством и скоростью, получаются нормальные и зеркальные, позитивные и негативные шаблоны;
* полностью отсутствует химическая обработка, с барабана снимаете готовый шаблон без всяких "мокрых" процессов;
* одностадийный процесс – технология не требует какого-либо дополнительного оборудования, любой шаблон, или комплект шаблонов, содержащий позитивные и негативные, нормальные и зеркальные шаблоны, изготавливается за один сеанс записи изображения;
* качество и надежность шаблона обеспечивают высокое качество при последующем экспонировании;
* высокая точность шаблона достигается за счет высоких точностных параметров привода: абсолютная погрешность не более 20 мкм, повторяемость 5 мкм, разрешение от 3387 dpi (дискретность шага луча 7,5 мкм) до 10160 dpi (дискретность шага луча 2,5 мкм); такие шаблоны позволяют изготовить платы 5-го класса с проводниками до 30 мкм;
* совместимость программного обеспечения – оборудование представляет собой программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий совместимость со всеми пакетами проектирования печатных плат, включая P-CAD, Accel EDA, Protel, OrCAD и др.;
* произвольная форма проводников и контактных площадок обеспечивается за счет применения растрового метода записи изображения;
* работа при дневном освещении – всегда есть возможность контроля выводимого изображения, не требуется никаких затемнений в рабочей комнате;
* удобство эксплуатации – полностью компьютерное управление, для управления и подготовки данных достаточно одного оператора, простая процедура калибровки;
* экологическая чистота – отсутствие вредных химических реактивов;
* универсальность – лазерное оборудование используется также для изготовления шильдиков, фотоформ для сеткографии, гравировки самоклеящихся материалов, металлизированных, дифракционных и голографических пленок;
* комплексное решение – в сущности оборудование представляет собой законченный программно-аппаратный комплекс, включающий не только аппарат, но и программное обеспечение, сервис, обучение персонала и другие компоненты, необходимые для быстрого освоения и ввода оборудования в эксплуатацию.
Технология термической записи изображений получает все большее распространение. Сегодня различное лазерное оборудование работает на десятках предприятий. Все большее число производителей печатных плат используют лазерные технологии, как наиболее прогрессивные и отвечающие требованиям сегодняшнего дня.
Лазерная технология формирования отверстий в печатных платах
Уменьшение габаритов и веса в сочетании с постоянным ростом функциональности изделий электронной техники повлекло за собой использование микроотверстий в многослойных печатных платах для достижения более высокой плотности и компактности соединений и расположения элементов. Соединения по оси Z выполняются через сквозные, глухие и скрытые отверстия в печатных платах, которые выполняются сверлением с последующей их металлизацией. Механическим сверлением легко выполняются отверстия диаметром до 150 мкм. Отверстия диаметром 100 мкм более эффективно и дешевле формировать с использованием лазерной технологии.
Для сверления используют CO2-лазеры с высоким числом повторений импульсов и высокой средней мощностью. Комбинирование этих лазеров с высокоскоростным и прецизионным управлением лучом и кинематическими системами (сканерами, сканирующими линзами и рабочими столами) позволяет получить высококачественные отверстия со скоростью сверления 60000 отверстий в минуту. Диаметр отверстия не зависит от лазера в том случае, если медная фольга предварительно протравливалась с образованием окон диаметром между 75 и 125 мкм.
Использование ультрафиолетового (УФ) лазерного излучения является современной эффективной альтернативой CO2-лазерам. Минимальный диаметр отверстия определяется диаметром пятна УФ-лазера на медной поверхности. Можно достигнуть размеров отверстия ниже 10 мкм, но диаметры от 25 мкм и выше более востребованы. Метод получения отверстий с диаметром, большим, чем пятно луча УФ-лазера, подобен механической фрезеровке и называется "кольцевое сверление". УФ-луч начинает удалять материал в центре отверстия и движется по концентрическим окружностям увеличивающегося диаметра для удаления меди над всей поверхностью будущего отверстия.
Дальнейшее развитие лазерной технологии привело к формированию отверстий двойным лазером. Суть технологии заключается в использовании двойных лазерных систем, содержащих УФ-лазер и CO2-лазер (рис.6). В этой технологии объединены именно преимущества обоих лазеров: точность и бездеффектность УФ-удаления медной поверхности (УФ-лазер) и быстрота и эффективность сверления диэлектрика ИК-лазером (CO2-лазер). Сверление отверстий двумя лазерами рассматривается как процесс третьего поколения.
Размер отверстия определяется УФ-лазером, как описывалось выше, а CO2-лазер с фиксированным диаметром пучка (до 250 мкм) применяется после него для сверления диэлектрика. В результате получаем любые заданные размеры отверстий в диапазоне от 25 до 250 мкм.
Двойные лазерные системы предоставляют широчайшие возможности совместимости. Такие лазерные системы могут использоваться в прототипном производстве, для изготовления малых партий и больших серий. Глядя на типичный цикл проектирования и производства печатной платы, видим преимущества концепции двойных лазеров: на ранних стадиях разработки происходит много изменений в расположении отверстий. Двойные лазерные системы позволяют производителю использовать УФ-лазер для определения отверстий на медной поверхности и затем использовать CO2-лазер для сверления диэлектрика, избегая необходимости использования дорогих фотошаблонов.
Технологии формирования микроотверстий продолжат свое развитие и во многом изменят будущие процессы сверления. С уменьшением диаметра отверстий технология сверления CO2-лазером в скором времени достигнет своего предела. Наиболее приемлемы сегодня двойные лазерные системы, предоставляющие большую точность и возможность производства меньших отверстий.
Компании, использующие новые лазерные технологии, имеют возможность повысить конкурентоспособность своих производств, получать больше заказов и занимать лидирующие позиции. Конечно, речь не идет о лазерном оборудовании прошлых десятилетий. Имеющееся на заводах электронной промышленности оборудование морально, да и физически устарело. Оно не способно обеспечивать необходимый технический уровень современных изделий. Поэтому ряд компаний (к примеру, НПЦ "Альфа", НИИ "Полюс") разрабатывает и внедряет новое лазерное оборудование на основе современных лазеров и программных средств. В большой степени на рынке имеется потребность в лазерном прецизионном оборудовании для изготовления шаблонов печатных плат, для выполнения отверстий в платах, для изготовления гибко-жестких плат. Как говорилось выше, лазерные технологии используют не только в производстве электроники, но и в других отраслях промышленности и с другими целями. Гравировка, маркировка, резка
Лазерная гравировка – это частичное удаление лазером материала с поверхности образца. В зависимости от длины волны лазера, мощности лазерного излучения и типа обрабатываемой поверхности удаляется разный объем материала. Как правило, в гравировке используются двухслойные материалы, один из которых представляет собой термочувствительный слой. При удалении верхнего термочувствительного слоя формируется изображение. Используя данный метод обработки применительно к разным материалам, можно изготавливать, например шаблоны печатных плат (рис.1), а также в тонкопленочных структурах резисторы, индуктивности, конденсаторы, решетки ПАВ и другие элементы.
В качестве подложки могут служить пленки, пластики, металлы, картон, бумага, текстолит и другие материалы. Выбор материала подложки и термочувствительного слоя зависит от сферы применения и вида наносимого рисунка.
Лазерное оборудование широко используют для изготовления документов, имеющих высокую степень защиты от подделок, например для изготовления удостоверений, пропусков и других документов. Штампы, печати и резиновые клише с помощью лазеров делаются быстрее, качественнее, эффективнее (рис.2).
Универсальность – одно из замечательных качеств лазерного оборудования. На одном и том же оборудовании можно изготавливать шаблоны печатных плат, таблички обозначения разъемов и кабелей, лицевые панели приборов и другие изделия. На лазерном оборудовании можно гравировать специальные самоклеющиеся пластики, алюминиевую фольгу с термочувствительным покрытием, латунированную сталь (рис.3) и т.д. Лазерный луч позволяет с большой точностью формировать разного типа изображения, надписи, маркировки на различных материалах и поверхностях (рис.4).
Еще одну удивительную технологию можно реализовать с помощью лазерного луча. Это – лазерная резка. Мощное концентрированное излучение режет 6-миллиметровую сталь со скоростью 50 мм/с. Лазерные резаки способны резать металлы, дерево, фанеру, керамику, текстолит, полимеры, разного рода пластмассы и др. (рис.5). Самое важное преимущество лазерной резки заключается в уникальности форм, которые можно вырезать лазерным лучом.
Производители лазерного оборудования и компании, внедряющие в свои технологические циклы лазерные технологии, имеют все предпосылки для лидерства на отечественном и мировом рынках.
Термический способ записи изображения шаблона печатных плат
Большинство стоящих перед производителями печатных плат задач решаются с помощью высокоточных шаблонов. Их используют в самом начале технологической цепочки изготовления плат. Качеству шаблонов придается большое значение, достигнуть которое можно, используя современные системы записи изображений.
В модельных рядах многих известных фирм – производителей плоттеров сегодня можно найти аппараты, реализующие сухой способ записи изображений, отличительной особенностью которого является прямое формирование рисунка шаблона без "мокрых" процессов. Это позволяет избегать, например, усадку основы фотошаблонов, свойственную обычным фотохимическим технологиям. Кроме того, такие системы просты и более удобны в эксплуатации, вся технология создания шаблона реализована на одной единице оборудования.
Все перечисленные выше основные тенденции реализованы в лазерном оборудовании с термическим способом формирования изображения шаблона лучом волоконного инфракрасного лазера прямо с управляющего компьютера на термочувствительную пленку. Обратим внимание на то, что фоточувствительные материалы при изготовлении шаблонов не используются. Эта технология имеет ряд важных особенностей и преимуществ:
* растровый метод записи изображения обеспечивает независимость скорости записи от сложности и насыщенности платы, легко, с одинаковым качеством и скоростью, получаются нормальные и зеркальные, позитивные и негативные шаблоны;
* полностью отсутствует химическая обработка, с барабана снимаете готовый шаблон без всяких "мокрых" процессов;
* одностадийный процесс – технология не требует какого-либо дополнительного оборудования, любой шаблон, или комплект шаблонов, содержащий позитивные и негативные, нормальные и зеркальные шаблоны, изготавливается за один сеанс записи изображения;
* качество и надежность шаблона обеспечивают высокое качество при последующем экспонировании;
* высокая точность шаблона достигается за счет высоких точностных параметров привода: абсолютная погрешность не более 20 мкм, повторяемость 5 мкм, разрешение от 3387 dpi (дискретность шага луча 7,5 мкм) до 10160 dpi (дискретность шага луча 2,5 мкм); такие шаблоны позволяют изготовить платы 5-го класса с проводниками до 30 мкм;
* совместимость программного обеспечения – оборудование представляет собой программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий совместимость со всеми пакетами проектирования печатных плат, включая P-CAD, Accel EDA, Protel, OrCAD и др.;
* произвольная форма проводников и контактных площадок обеспечивается за счет применения растрового метода записи изображения;
* работа при дневном освещении – всегда есть возможность контроля выводимого изображения, не требуется никаких затемнений в рабочей комнате;
* удобство эксплуатации – полностью компьютерное управление, для управления и подготовки данных достаточно одного оператора, простая процедура калибровки;
* экологическая чистота – отсутствие вредных химических реактивов;
* универсальность – лазерное оборудование используется также для изготовления шильдиков, фотоформ для сеткографии, гравировки самоклеящихся материалов, металлизированных, дифракционных и голографических пленок;
* комплексное решение – в сущности оборудование представляет собой законченный программно-аппаратный комплекс, включающий не только аппарат, но и программное обеспечение, сервис, обучение персонала и другие компоненты, необходимые для быстрого освоения и ввода оборудования в эксплуатацию.
Технология термической записи изображений получает все большее распространение. Сегодня различное лазерное оборудование работает на десятках предприятий. Все большее число производителей печатных плат используют лазерные технологии, как наиболее прогрессивные и отвечающие требованиям сегодняшнего дня.
Лазерная технология формирования отверстий в печатных платах
Уменьшение габаритов и веса в сочетании с постоянным ростом функциональности изделий электронной техники повлекло за собой использование микроотверстий в многослойных печатных платах для достижения более высокой плотности и компактности соединений и расположения элементов. Соединения по оси Z выполняются через сквозные, глухие и скрытые отверстия в печатных платах, которые выполняются сверлением с последующей их металлизацией. Механическим сверлением легко выполняются отверстия диаметром до 150 мкм. Отверстия диаметром 100 мкм более эффективно и дешевле формировать с использованием лазерной технологии.
Для сверления используют CO2-лазеры с высоким числом повторений импульсов и высокой средней мощностью. Комбинирование этих лазеров с высокоскоростным и прецизионным управлением лучом и кинематическими системами (сканерами, сканирующими линзами и рабочими столами) позволяет получить высококачественные отверстия со скоростью сверления 60000 отверстий в минуту. Диаметр отверстия не зависит от лазера в том случае, если медная фольга предварительно протравливалась с образованием окон диаметром между 75 и 125 мкм.
Использование ультрафиолетового (УФ) лазерного излучения является современной эффективной альтернативой CO2-лазерам. Минимальный диаметр отверстия определяется диаметром пятна УФ-лазера на медной поверхности. Можно достигнуть размеров отверстия ниже 10 мкм, но диаметры от 25 мкм и выше более востребованы. Метод получения отверстий с диаметром, большим, чем пятно луча УФ-лазера, подобен механической фрезеровке и называется "кольцевое сверление". УФ-луч начинает удалять материал в центре отверстия и движется по концентрическим окружностям увеличивающегося диаметра для удаления меди над всей поверхностью будущего отверстия.
Дальнейшее развитие лазерной технологии привело к формированию отверстий двойным лазером. Суть технологии заключается в использовании двойных лазерных систем, содержащих УФ-лазер и CO2-лазер (рис.6). В этой технологии объединены именно преимущества обоих лазеров: точность и бездеффектность УФ-удаления медной поверхности (УФ-лазер) и быстрота и эффективность сверления диэлектрика ИК-лазером (CO2-лазер). Сверление отверстий двумя лазерами рассматривается как процесс третьего поколения.
Размер отверстия определяется УФ-лазером, как описывалось выше, а CO2-лазер с фиксированным диаметром пучка (до 250 мкм) применяется после него для сверления диэлектрика. В результате получаем любые заданные размеры отверстий в диапазоне от 25 до 250 мкм.
Двойные лазерные системы предоставляют широчайшие возможности совместимости. Такие лазерные системы могут использоваться в прототипном производстве, для изготовления малых партий и больших серий. Глядя на типичный цикл проектирования и производства печатной платы, видим преимущества концепции двойных лазеров: на ранних стадиях разработки происходит много изменений в расположении отверстий. Двойные лазерные системы позволяют производителю использовать УФ-лазер для определения отверстий на медной поверхности и затем использовать CO2-лазер для сверления диэлектрика, избегая необходимости использования дорогих фотошаблонов.
Технологии формирования микроотверстий продолжат свое развитие и во многом изменят будущие процессы сверления. С уменьшением диаметра отверстий технология сверления CO2-лазером в скором времени достигнет своего предела. Наиболее приемлемы сегодня двойные лазерные системы, предоставляющие большую точность и возможность производства меньших отверстий.
Отзывы читателей
Не согласен с утверждением, что "Наиболее приемлемы сегодня двойные лазерные системы, предоставляющие большую точность и возможность производства меньших отверстий."
1. Высокая стоимость UV лазеров.
2. Короткий срок службы UV лазеров (меньше на порядок, чем у СО2 лазеров.
3. Проблема с совмещением (попаданием СО2 лазера в отверстие в фольге. Так же стоит учесть, что это совмещение не только оптической системы, но и механическими приводами, что приводит к погрешности, а плотность импульса лазера не равномерна по площади точки пучка, максимум в центре. Если энергии импульса СО2 не хватит для 100% абляции диэлектрика, то отверстие брак => плата в брак (причем не имея специального автоматического оптического контроля микроотверстий "выловить" его можно только на финишном электрическом контроле. Пересверлить отверстия не возможно! Даже если бы существовала система автоматического контроля каждого микроотверстия сразу же после его получения, то физически это было бы не возможно, так как поверхность диэлектрика в отверстии меняет свою структуру и больше не поглащает энергию лазера. Если увеличить энергию импульса СО2 лазера для гарантированной абляции диэлектрика до внутренней контактной площадки с учетом потери (отражения от поверхности меди) части импульса из-за не точности совмещения осей медного отверстия и оси импульса произойдёт излишнее удаление диэлектрика из под фольги, что приведет к плохому прокрытию отверстия в дальнейшем => опять брак!
4. Кому нужны отверстия 25 мкм? Переформулирую. Кто умеет прокрывать электрохимически такие отверстия? Наилучший результат сейчас дает соотношение 1:1 (диаметр : глубина). Но минимальная глубина зависит от минимальной толщины фольги (например, 9мкм) и толщины диэлектрика. Т.е. толщина диэлектрика должна быть 16 мкм. Кто производит такую стеклоткань или др. материал? Сейчас стабильные результаты в серийном производстве получаются на отверстиях диаметром 150-200 мкм с соотношением 1:1.
5. Сложность конструкции гибрижных систем UV+CO2: 2 лазерные системы, точнейшая механика для совмещения => высокая стоимость владения!
6. И последнее. По статистике в мире используется до 80% установок прямого ласерного сверления CO2 лазером от общего количества лазерных ситем в производстве ПП. 10-15% - гибридных, остальные UV-системы.
Вывод: Наиболее приемлемы сегодня лазерные системы прямого сверления СО2 лазером, предоставляющие большую точность и отвечающие современной технологии электрохимического меднения (заращивания) микроотверстий. Хотите игрушку для технолога (пробывать разные режимы для разных лазеров, такие как мощность импульса, скважность, диаметр пучка и т.д. для каждого материала "широчайшие возможности"
Удачи всем.