Számítógépes tervezés
Digitális kamera
1
Nyomtatott huzalozású lemezek technológiája http://uni-obuda.hu/users/tomposp/szgt
NYÁK, PCB (Printed Circuit Board), NYHL , PWB (~ Wiring ~) Vezetıhálózat + mechanikai tartás + szerelési alap Elınyök: • Nagyobb terhelhetıség, jobb disszipáció (felület/keresztmetszet nagy) • Szerelés, mérés, hibakeresés automatizálható • Megbízhatóság jobb
NYÁK feladatai • • • •
Állandó, stabil energia ellátás Hı elvezetés Mechanikai stabilitás Különleges elektromos és mechanikus kívánalmak • Környezetbarát legyen • Megbízható legyen
NYHL típusok • Hordozó: merev — hajlékony • Vezetısávok száma: • egyoldalas, • kétoldalas, furatfémezett, • többrétegő
• Rajzolatfinomság: vezetı – szigetelı vastagság • normál: 0,4 – 0,6 mm • finom: 0,3 – 0,4 mm • igen finom: 0,1 – 0,2 mm
>16mil ~12 – 16 mil ~ 4 – 8 mil
(1 raszter = 2,54mm, 1 mil = 0,001 inch = 0,01raszter)
Fı lépések • • •
Anyagválasztás (hordozó, fólia) Mechanikai megmunkálás (fúrás,darabolás) Rajzolat kialakítás – Maszk készítés: fotolitográfia, szitanyomtatás – Maratás • Fémbevonatok: Cél Megoldás Furatfémezés
Galvanikus
Maszkolás
Árammentes (redukciós)
Felület kikészítés
Immerziós
• Forrasztásgátló bevonat • Ellenırzés
A folírozott lemez anyagai Szigetelı hordozó Követelmények: • Villamos: – Térfogati ellenállás – Felületi ellenállás – Dielektromos jellemzık (ε, tgδ) Mindezek hı és frekvenciafüggése • Hıállóság – Forrasztás, joule-hı – Hıtágulási együttható (x,y,z) – Hıvezetı képesség • Vízfelvétel – a technológia és a használat során
• Mechanikai: – Szilárdság – Megmunkálhatóság (darabolható, fúrható) – Nem vetemedik A hordozó nagy hıtágulása miatt a furatok fémezése sérülhet: Függ a rétegek számától, a rézréteg vastagságától és a hordozó vastagságától
A hordozó anyagai • Mőanyag – Társító nélkül, flexibilis NYHL – Társított, kompozit: merev NYHL
• Kerámia különleges célokra,
Erısítı: • Felelıs a szilárdságért, rugalmasságért • Javítja a hıállóságot, villamos jellemzıket. – Papír, – Üvegszál, – Üvegszövet, – Kerámiaszál -szövet
Alapváz (mátrix): mőgyanta • Felelıs a felületi, villamos, hıtani tulajdonságokért. – Fenolgyanta (bakelit) hıállóság↓, nedvességfelvétel↑ – Epoxigyanták: tapadás↑, szigetelés ↑ – Fejlesztés: poliimid, (polikarbonát), teflon, folyadékkristályos polimer
Hordozó típusok • XXXP –790: papírvázas fenolgyanta – ~10 MHz-ig, kis vízfelvétel, sárga
• FR-2: papírvázas fenolgyanta – Lágálló, jó mérettartás, sötétsárga
• FR-3: papírvázas epoxigyanta – Jó el. tulajdonságok, ~furatfémezhetı, krémszinő
• FR-4: üvegszövetvázas epoxi – Jól megmunkálható, furatfémezhetı, jó el. tulajdonságok, kis vízfelvétel, áttetszı zöld
• FR-5: mint FR-4, javított hıállóság, nagyobb Tg • CEM 1: papír, üvegszövet, epoxi FR: flame retardant, környezeti követelmény: halogénmentes
Vizsgálati módszerek • Villamos paraméterek: – Térfogati ellenállás; R – Felületi ellenállás; R – Permittivitás;εrel – Veszteségi tényezı;tgδ – Átütési szilárdság
Elektródaelrendezés az R és a felületi R mérésére
Vizsgálati módszerek • Tapadásvizsgálat – Késsel bevágás, lefejtés – Forrszemre forrasztott rézhuzal –szakítógép
• Hıállóság – 120oC - 30perc felhólyagosodás nélkül – Lángállóság: bunsenlángba 10sec – Forraszállóság: 250oC 5sec
• Vízfelvétel:
24 óra
tömegnövekedés
Tulajdonság
FR-3
FR-4
FR-5
Rtérf, Ωcm (40oC)
4 1012
8.1014
8.1014
R, Ω (40oC)
4 1012
3 1012
3 1015
εrel, (1 MHz)
4,9
4,7
4,6
tgδ (1 MHz) (GHz)
0,04
0,02
0,015
Forrasztófürdı tőrés (sec)
25
>120
>120
Vízadszorpció (mg)
na
15
na
Tg, üvegesedési hımérséklet
150
>165
Hıtágulás (z irány %) 25-275°C (Tg fölött)
5.5
Rézfólia • Vastagság: 17,5µm, 35µm, (70µm, 105µm,) – féladditív: 5µm védıréteggel – Speciális, (pl. autóipari 400 µm)
• Gyártás: galvanoplasztika – elektrolizálás forgó acélhengerre, fél fordulat után lefejtés
• Ragasztás: – ragasztófólia vagy oldószeres, melegre térhálósodó mőgyanta
A vezetıréteg terhelhetısége: • a jelölt hımérséklet
az emelkedést jelenti • a külsı rétegek terhelhetısége kb.
kétszerese a belsıknek
A szigetelıcsík szélessége az alkalmazott feszültség függvényében
Lemez elıkészítési, tisztítási mőveletek •Darabolás •Fúrás •Zsírtalanítás •Oxidmentesítés
Mechanikai mőveletek • Darabolás:
Technológiai méretre
(~ 50–80 cm-es táblák)
Technológiai sáv Utólag: kivágás, kontúrmarás • Fúrás: egyoldalas: a mőveletsor végén - nem kritikus kétoldalas, többrétegő: elején nagyon fontos. Furat belsı fala fémezhetı legyen. Méretarány (aspect ratio) furathossz/átmérı (7-10); pl: legkisebb furat 0,6mm össz. Vastagság: 5mm fúrószár terhelhetısége, furat fémezhetısége
Pakett, koordináta-fúró
Fúrók • • • •
Anyag: wolfram-karbid Menetemelkedés: 30 – 40o Kúpszög: ~140o Fordulatszám: 10-90000/min
minél kisebb furat, annál nagyobb fordulatszám • Min. d =0,15 – 0,2 mm • Törés észlelés
Mechanikai felülettisztítás - dörzshenger (nylon sörtés kefe, tömör kefe) - habkıpor (nedves): kézzel, géppel, habkısugár gép ( 60µm, 15%)
Kémiai felületkezelések • Zsírtalanítás: új réteg egyenletes tapadása – Vizes bázisú zsírtalanítók: • Lúgos: NaOH, Na2CO3 • Felületaktív anyag: szappanszerő vegyületek Bemerítéssel vagy permetezéssel
Kémiai felületkezelések Mikromaratás: felület finom érdesítése ez jobb tapadást eredményez anyag: ammónium-perszulfát, nátriumperszulfát (10-15%)
Ultrahangos tisztítás • A hang longitudinális hullám nyomásváltozás • Kavitációs üreg keletkezik - összeomlik, • p = 108–109Pa, (folyadék – szilárd határfelületen) • Fellazítja, „letépi” a szennyezıdést a felületrıl • Hatása függ: az oldószer – Hımérsékletétıl, – Gıznyomásától,
– Felületi feszültségétıl – Viszkozitásától
Ultrahangos tisztítás
Oxidmentesítés • Felületi oxidréteg, ill. más korróziós bevonat eltávolítása fémtiszta állapotig -dekapírozás• Általában savas pácoldatok • Rézen: Cu2O, Cu(OH)2·CuCO3, • 10 – 20% -os kénsav, sósav, szobahımérsékleten, 0,5 - 1 perc
Ábrakialakítási módszerek Foto készítés Fotolitográfia Szitanyomtatás
Fotomaszk készítés Foto technológiai szerepe: minta átvitele Mesterábra készítése: • Kézi: tusrajz, sablonkészlet (chartpack) → kontakt foto • Gépi: Ák. tervezı program NYHL tervezı program – minden réteg huzalozási rajza – furatok, forrasztásgátló bevonat rajza – NYHL ellenırzı program
Kisebb – nagyobb módosításokkal átvehetık más területen bevált eljárások Pl: mai fotolitográfia elıdei: – Rézkarc XIV – XV szd – Nyomdatechnika XVI – XIX. szd – Szitanyomtatás XIX. szd – Fototechnika XIX – XX. szd – Élelmiszeripar, csokibevonat ⇒ folyadékfüggönyös lakkfelvitel
29
•x;y koordináták Gerber fájl:
•fény nyit/zár •apertura mérete
Laser levilágító:
Laserplotter:
•Ábra pontokból mint mátrixnyomtató
•Folytonos minden irányban
•Felbontás jó, de ferde vonalak széle lépcsıs
•Felbontás jó •Lassú
Fototechnikai alapok Fekete-fehér film Fényérzékeny réteg: Zselatinban eloszlatott finomszemcsés ezüst-halogenid szemcsék (emulzió)
Emulzió + fényérzékeny anyag Hordozó Fényvédı Emulzióréteg + fényérzékeny anyag
Hordozó Fényvédı réteg
Film szerkezete
Exponálás - elıhívás • Exponálás: AgBr + hν → Ag + Br latens kép • Elıhívás: a redukció teljessé tétele a fényt kapott szemcsékben
AgBr kristály elektron-
Exponált, részben elıhívott
mikroszkópos képe
AgBr szemcsék
Fixálás: Az exponálatlan AgBr kioldása Fixírsó: Na2S2O3 ⇒ AgBr-ból vízoldható komplex só
Fotók jellemzı tulajdonságai • Negatív mőködéső • Fényérzékenység: – ISO/DIN
100/21, 200/24,
400/27
• Denzitás: (feketeség mértéke) D = I0/I – Kontraszt, alapfátyol
• Felbontóképesség: – A fényérzékenységgel fordítottan változik – Jó technológiai foto: 8 – 10000 dpi
Maszkolási módszerek Maszkolás célja: A felület meghatározott területeit v.milyen fizikai / kémiai hatással szemben megvédeni – Különálló maszk, pl. szita – Maszk a felületen
•Foto minısége döntı: – Pontosság – Rétegfotók illesztettsége
Fotoreziszt technológia = fotolitográfia • • • • •
„fényérzékeny és ellenálló tulajdonságú” polimer réteg használatos: NYHL, hibrid IC, félvezetı felbontás, ~vonalfinomság (40 nm) típusok: – pozitív – negatív – folyékony – szilárd
Fotokémiai alapok • A reakcióhoz szükséges aktiválási- kötési energiát egy elnyelt foton szolgáltatja. • W = hc/λ ⇒ a reakcióhoz egy adott értéknél kisebb λ kell.
Fotorezisztek fajtái Pozitív: fény hatására
depolimerizáció, csökken a molekulatömeg. Ezek oldhatósága megnı.
Negatív: fény hatására
polimerizálódik a monomer gyanta, és/vagy a lineáris polimer láncok keresztkötésekkel egymásba kapaszkodva oldhatatlanná teszik a rezisztet az elıhívó anyag számára.
Folyékony Szilárd
Pozitív rezisztek • Érzékenység: UV, láthatóra alig • Megvilágítás: UV • Elıhívó: híg NaOH • Leoldás szerves oldószerben • Pontos rajzolat, könnyő technológia
Negatív rezisztek • Fényérzékenység: ~540 nm alatt (sárga lámpa a munkahelyen!) • Megvilágítás: UV • Elıhívó: gyengébb lúg, pl. 1 – 2% Na2CO3 • Leoldás: erısebb lúg, pl. 5% NaOH
Szilárd rezisztek • „+” , „-” • • • •
negatív elterjedtebb
Vastagabb Nem folyik be a furatokba Kevesebb technológiai lépés Egyenletes rétegvastagság
Technológiai lépések (folyékony reziszt) 1. Tiszta, zsírtalan, száraz felület 2. Rétegfelvitel – – – –
Centrifugálás (d ~ vk ~ r ) Kenıhenger Szitanyomás Függönyöntés
3. Szárítás - 60…80oC – oldószer elpárolog (oldószer csökkenti a fényérzékenységet) – filmképzıdés
Technológiai lépések 2 4. Megvilágítás – – –
Emulziós oldal a rezisztre szorítva UV - nagynyomású Hg-gızlámpa (365nm) Távolság, idı kísérleti beállítása (dózisból számítható)
5. Elıhívás – –
Elıhívóban oldódási sebesség-különbség Ált. permetezéssel
2. – 5. együtt változik, nem lehet csak egyiket módosítani 6. Beégetés 7. Maratás
Technológia - szilárd reziszt • Du Pont – Riston fólia • Felhengerlés, laminálás 100oC, (lemez elımelegítve), felület mikroérdesítve • Megvilágítás: egyszerre 2 oldal, pontos pozícionálás! • Tapadást befolyásoló tényezık: • - nyomás • - sebesség • - hengerek hımérséklete • - fólia vastagsága • - elımelegítés
Technológia - szilárd reziszt • Elıhívás: – mylar fólia le, – hívó gyengén lúgos (1 – 2%-os Na2CO3), – permetezı, erıs mechanikai hatás is kell
Levilágítási technológiák • Érintkezéses levilágítás (Contact Imaging) • Lézeres vetítı módszer (Laser Projection Imaging, LPI) • Lézeres közvetlen levilágítás (Laser Direct Imaging, LDI) • Ismétlı levilágítás (Step and Repeat Imaging)
Érintkezéses levilágítás (Contact Imaging) • • • • • • • •
Bejáratott, kipróbált eljárások, olcsó, könnyen beszerezhetı eszközök, nagy áteresztıképesség, Relatív alacsony kihozatal, pontatlan helyezés, pozícionálás, kis felbontás, maszk kopás, szemcsés szennyezés veszélye
Lézeres vetítı módszer • • •
Nagy felbontás nagy felülető hordozón is, nagy pontosságú helyezés, pozícionálás, nagy áteresztıképesség hagyományos rezisztekkel, • nincs maszk-panel kontaktus → magas kihozatal,
Elıhívott rezisztminták lézeres levilágítás után
Lézeres közvetlen levilágítás • • • •
• • •
nincs szükség maszkra, kis sorozatú gyártásra ideális, nagy pontosságú helyezés, pozícionálás, függetlenül beállítható X és Y irányú korrekciós skála → panel deformációkhoz alkalmazkodik, kiváló kihozatal, különleges, nagyérzékenységő és gyorsan exponálható rezisztet igényel, az áteresztıképesség függ a felbontástól.
Maszkolási módszerek Szitanyomtatás
Alkalmazás: közepes sorozat közepes rajzolatfinomság •maratásálló maszk •forrasztópaszta •forrasztásgátló maszk felvitelére •feliratok készítésére
Szita jellemzı tulajdonságai Szál:
Szövet:
•Szakítószilárdság •Rugalmasság
•Szitafinomság (mesh:csomó/inch)
•Kopásállóság
•Szabad felület %
•Vegyszerállóság
~ 1 mm
Szitanyomó maszk • Keret • Emulziós maszk • Tömítı festék
Maszk fajtái, készítése • Direkt (emulziós) • Folyékony fényérzékeny emulzió: – mártás, – szárítás, – exponálás
• Jó tapadás, ~ 20000 • Speciális megvilágító (kerettel együtt)
Indirekt (fotostencil) • Negatív fényérzékeny fólia (PVA, PVOH) • Exponálás hordozó oldalról! • Hívás: meleg víz • Behengerlés a szitaszövetbe
Mikroszkópi kép indirekt direkt
Fémmaszk • Fémfólián a nyílások kivágása – Laserrel – (elektrokémiai) maratással
• Elınyök: – nagyobb pontosság, – nagyobb felbontás (127 – 65 µm- es lábkiosztás) – nagyobb élettartam
Elektrokémiailag maratott maszk profilja
Lézerrel kivágott maszk
Fotolitográfia – maszk –
Nincs foto, vegyszer,
maratás vagy galvanizálás
nagyobb megbízhatóság
Nyomtatás • Asztal: rögzítés, pozícionálás, gyors lemezcsere • Kés: (rakel, squeegee) – éles, vegyszerálló, kopásálló – szilikongumi – dılésszög: 45 – 60o, sebesség közepes
Festék Fı tulajdonságok • viszkozitás – nyomtatás könnyő legyen – az átpréselt pöttyök összefolyjanak – a nyomtatott minták ne folyjanak össze
⇒ tixotrop • felületi feszültség
Típusok • maratásálló, • forrasztásgátó, • forraszpaszta, • vastagréteg áramköri elemek, • felirat
Maratás
• Cél: a réz eltávolítása a maszk által nem védett területrıl. • Maratószer: – Oxidáló: Cu → Cu2+ + 2e– Savas/lúgos pH: a Cu2+ oldatban tartására
Típusok: • Savas: szulfátos kloridos • Lúgos:
kénsav-hidrogénperoxid ammónium-perszulfát vas(III)klorid réz(II)klorid réztetrammin-komplex nátrium-klorit nátrium/kálium-perszulfát
Maratószer jellemzık • Marási sebesség (µm/perc) – hımérséklet, koncentráció függés
• •
Marási kapacitás (m2NYHL/kg maratószer) Alámarás (v ⊥/v ) IMAGED LINE WIDTH
TIN ETCH RESIST
COPPER PLATE
ETCH DEPTH
LATERAL ETCH
COPPER CLAD
FOOT OF LINE
Outer Layer Line after Etching
• Szelektivitás (Sn maszk esetén) • Regenerálhatóság, • Egészségi, környezeti hatás
LAMINATE
Maratási módszerek • • •
Bemerítés Permetezés Folyadéksugaras – – –
mindig friss maratószer jut a felületre erıs áramlás lemossa az oldott rezet folyamatos regenerálás (Cu kinyerés, redoxpotenciál, pH visszaállítása)
• Öblítés – – –
minimális kihordás (levegılefúvó, gumihenger) elsı öblítıvíz nem önthetı ki! kaszkád öblítés
