. Nyomtatott Áramköri Lapok –áttekintés A német származású Paul Esler 1943-ban fejlesztette ki a Nyomtatott Áramköri Kártyát (továbbiakban: NYÁK). Szükség volt egy olyan eszközre, aminek a segítségével egyszerűbben, rendszerezettben össze lehet kötni az egyre sűrűsödő és több helyet foglaló elektromos alkatrészeket. Most jó pár évtizeddel később szinte az elektronika elengedhetetlen kellékévé vált a találmány. Persze a használt anyagok és a gyártási technikák változtak, mégis Paul Esler felfedezése meghatározó napjainkba is.
1. ábra: Paul Eisler – a Nyomtatott Áramköri Kártya feltalálója 2.3 A tervezés szempontjai A Nyomtatott Áramköri Kártyák elsősorban a különálló kábeleket volt hivatott felváltani, és egy helyen tárolva az eszközöket, megvalósítani a kapcsolatot köztük. Napjainkba azonban számos más feladatot is teljesítenie kell: •
Állandó, stabil energiát kell szolgáltasson az összes kártyán lévő aktív elemnek.
•
El kell vezesse a keletkezett hőt. Az áram alatt lévő kártya hőt termel, főleg bizonyos csomópontoknál a kártyán, ahol nagyobb az alkatrészsűrűség. Ezért el kell oszlatni egyenletesen ezt a keletkezett hőt a kártyán, és biztosítani kell ennek a keletkezett hőnek az elvezetését, megfelelő hőáramlással, vagy hősugárzással.
•
Mechanikai stabilitást kell biztosítson a tervezett élettartam végéig.
•
Teljesítenie kell különleges elektromos és mechanikus kívánalmakat, úgymint a nagyfrekvenciás jelek, nagy áram, különlegesen sűrű vezetékhálózat.
•
Környezetbarátnak kell lennie. Mivel limitált az élettartama ezeknek a kártyáknak, ügyelni kell arra, hogy olyan anyagokból készüljön, amik megfelelnek az Uniós RoHS
(A veszélyes anyagok
használatának korlátozása) szabályozásnak. A szabályzat utasítja a tagországokat, hogy 2004 aug. 13.-ig olyan helyi szabályozásokat hozzanak, amik korlátozzák hat anyagnak a használatát az elektronikus berendezésekben. Megadott határérték fölött nem szerepelhetnek a termékekben a kadmium, higany, ólom, hatértékű króm és a brómozott égésgátlók (PBB és PBDE). •
A megbízhatósága kiegyensúlyozott kell legyen. Jól kell bírja a hőmérsékletet, a gyártás során végbemenő folyamatokat, az alkatrész-beszerelést, és a szállítást.
Törekedni kell a minél alacsonyabb áron való előállításra, hogy versenyképes tudjon maradni a piacon. A Nyomtatott Áramköri Lapokat 3 fő szempont alapján különböztetjük meg:
•
Vonalvastagság: minél több alkatrészt akarunk minél sűrűbben elhelyezni a kártyán, annál vékonyabb vezetővonalak előállítására van szükségünk.
•
Rétegek száma: igénytől függően egy, kettő vagy többrétegű kártyák gyártása.
•
A beszerelés helyének függvényébe el kell döntsük mennyire legyen rugalmas a kártyánk
4. ábra: Flexibilis NYÁK
és merev és hajlítható NYÁK kombinációja
2.4 A hordozó alapanyaga A hordozónak a következő feladatokat, minőségi követelményeket kell kielégíteni: •
Megtartani a komponenseket a szerelés és a használat során; szilárd legyen, ne vetemedjen.
•
Legyen jó szigetelő; nagy fajlagos és felületi ellenállás, kicsi relatív dielektromos állandó, kis veszteségi tényező, nagy frekvencián is
•
Vezesse el, ossza szét, adja le a keletkezett hőt
•
Viselje el a gyártás és a használat során fellépő hőterhelést
•
Legyen kicsi a hőtágulása
•
Fúrható, darabolható legyen
•
A szigetelő felület fémezhető legyen
•
Álljon ellen a technológia során használt vegyszereknek
•
Minimális legyen a vízfelvétele
A NYÁK alapjául szolgáló szigetelőanyag általában szálerősített hőre nem lágyuló műgyanta. Az erősítő anyag legtöbbször üvegszál, régebben papír, néhány különleges esetben szálas kerámia. A mátrix régebben fenolgyanta, ma leginkább epoxi, esetleg poliészter. Az alábbi táblázatban látható milyen alapanyagú kártyák állnak rendelkezésre, bár ezek közül néhányat már nem használnak.
2
Kártya neve G-3
A gyanta anyaga
Üveg – Fenolgyanta
Megjegyzés Nagy szakítószilárdság Száraz körülmények között jó villamos tulajdonságok Nagy szakítószilárdság
G-10
Üveg – Epoxigyanta
Száraz, és párás környezetben is jó villamos tulajdonságok. Jó szigetelési ellenállás
G-11
Üveg – Epoxigyanta
FR-1
Papír – Fenolgyanta
Hasonló, mint a G-10 Javított hőállóság Jó nedvesség, és elektromos ellenállás Lángálló (Flame Retardant)
Papír – Fenolgyanta
Hasonló, mint az FR-1.
/lángálló/
Jobb nedvességtűrés
Papír – Epoxigynata
Nagyobb szakítószilárdság
/lángálló/
Jó, stabil villamos tulajdonságok, nagy páratartalom esetén is.
FR-4
Üveg – Epoxigynata
Hasonló, mint a G-10, csak lángálló.
FR-5
Üveg – Epoxigynata
Hasonló, mint a G-11, csak lángálló.
FR-2
FR-3
FR-6
CEM-1 CEM-2
Üveg – Poliészter /töltőanyagokkal/
Vegyes - Epoxigyanta
Kiemelkedő lángállóság
Cellulóz papír és üvegszál erősítők lángálló epoxigyanta kötőanyag
1.táblázat: A kártyák alapanyaga
Az FR-2 és CEM-1 olcsó, és alkalmas olyan használatra, hol nincsenek kritikus tényezők. G-10, FR-4 üvegszálakkal megerősített epoxigyanta tartalmú kártyák a masszívságuk, és a jó villamos karakterisztikájuk miatt széleskörűen alkalmazhatóak. Ezek típusok jól alkalmazhatóak vékony kártyák, és többrétegű kártyák gyártásánál is. Az ipar 80%-a az FR-4-es lapokat használja.
3
A fejlesztés egyik iránya a nagyobb hőállóságú polimerek (poliimid, teflon) alkalmazása. A teflon kiváló nagyfrekvenciás jellemzői miatt a mikrohullámú eszközökben használható. A környezetvédelem egyrészt a könnyebb újrahasznosíthatóságot (hőre lágyuló ill. folyadékkristályos polimerek), másrészt a brómtartalmú lánggátló adalékok helyettesítését várja a korszerűbb hordozóktól. Tg, transzformációs hőmérséklet (üvegesedési hőmérséklet): Ezzel jellemezhető a hordozók hőállósága. Nem kristályos anyagoknál (polimerek, üvegek) az a hőmérséklet, amely alatt az anyag rideg, szilárd, fölötte fokozatosan lágyul, és nagy viszkozitású, túlhűtött olvadékként viselkedik. Tg fölött még használhatók a polimerek, kezdetben rugalmasan deformálhatók, de a hordozók esetében ezt megakadályozza az üvegszövet erősítő. Csökken a mechanikai szilárdság, romlik a mérettartás. Fóliakészítés: A szigetelőrétegen lévő réz vastagsága 10 és 100 mikron közt változhat, de általában a 18, 35, és 70 mikron rézvastagságú kártyák az elterjedtek. Ezt a rézréteget laminálással viszik fel a szigetelőkártyákra.
Magát
a
rézfóliát
galvanoplasztikai eljárással készítik a rajz szerinti berendezésben.
Az elektrolitikusan leválasztott réz oszlopos kristályszerkezete
4
3. Darabolás, furatkialakítás 3.1. Furatkialakítási eljárások Furatok szükségesek a lemezek mechanikai rögzítésére, a rétegek illesztésére, pozícionálására, a furatba szerelhető alkatrészek beültetésére. A két és többrétegű kártyákon a rétegek közötti összeköttetést vezető furatok, viák biztosítják. A furatoknak a kialakításának módjai: •
Gépi furás
•
Lézeres furatkialakítás
•
Plazmamarás
•
Kémiai marás
•
Lyukasztás
A lézeres eljárást a többrétegű szekvenciális kártyák gyártásánál ismertetjük, a három utolsó kevéssé elterjedt. Gépi fúrás Ez a legelterjedtebb eljárás. Az átmenő viák készítése így történik. A folírozott lemezek fúrása több szempontból különbözik a hagyományos fúrási eljárásoktól. A lemez anyaga nem homogén, a viszonylag lágy műgyanta mellett a kemény, erősen koptató hatású üvegszövet található, kívül pedig a réz.
Maró és fúrófejek
A furatok átmérője igen kicsi, az alsó határ ~0,2 mm alatt van, de 0,8 - 1 mmnél szinte soha nem nagyobb. Az átlagosan 0,5 - 1 m nagyságú táblán tartani kell a közel 0,1 mm-es pontosságot, méghozzá sok táblán egymás után is. A fúrófej anyaga wolfram karbid. Ez kellően kemény, kopás- és hőálló anyag, de meglehetősen rideg. Célunk egyenletes és sima falú furat létrehozása. Ennek feltétele az éles fúró, a nagy fordulatszám, és az, hogy a műanyag a felületén ne melegedjen fel annyira, hogy meglágyuljon, kenődjön. Egy epoxi-üveg hordozó esetében a hőmérséklet nem haladhatja meg a 110Co-ot. A jobb hőelvezetést a kártyák fölé helyezett alumínium fóliával lehet biztosítani. Általában több panelt raknak egymásra, és egyszerre fúrják át. Az egyszerre fúrható rétegek számát a furat hossz/átmérő arány (aspect ratio) szabja meg, ami a korszerűbb gépeknél 7 - 10 között van. Tehát, ha a legkisebb furat pl. 0,6 mm, akkor a panelek össz. vastagsága kb. 5mm lehet, azaz pl. három 1,5 mm-es hordozójú panelből készülhet egy pakett. A pakett a fúráshoz illesztő furatokon keresztül összeszegecselt lemezekből összeállított egység. A legalsó réteg egy vékony pozdorja lemez, amely megakadályozza a sorja képződést, legfelül pedig az említett Al fólia található. Az alsó kimeneti lapnak természetesen még az is a szerepe, hogy a fúrófej ne a fém munkaasztalba érkezzen a művelet végén.
5
A szükséges pontosság és termelékenység CNC fúrógépekkel érhető el. A tervezéskor a rajzolat mellett külön elkészíthető a furatok terve is, amely alapja a gépet vezérlő programnak (Excellon fájl). A fontos paraméterek: a furat koordinátái, a mérete, mélysége és esetleg a fúrás sebessége. A munka során a gép automatikusan cseréli a fúrófejeket. Fontos a törés észlelése; egyszerűbb esetben ez úgy történik, hogy az adott méretből utoljára a lemez A fúráshoz összerakott pakett (nem méretarányos)
szélére fúr egy lyukat, csak ennek meglétét kell
ellenőrizni. A korszerűbb gépekben a fejcsere során kamerával ellenőrzik a régi épségét és az új méretét. Léteznek egy és többfejű fúrógépek is.
Fúrógép működés közben, és a kifúrt lemez részlete Lézeres és plazmamarásos fúrást a mikroviák készítésére használnak. Az eljárásokat a többrétegű NYÁK gyártás során ismertetjük. Lyukasztás: A lyukasztás a legegyszerűbb mód. Szükség esetén nem csak kör, hanem négyszögletes, vagy ovális formában tudunk így lyukakat készíteni. Illesztő, pozícionáló, szerelő lyukak készítésére alkalmas módszer. A furatfal alkalmatlan a fémezésre, ezért via így nem készíthető.
4. A felület előkészítése A fúrást követő lépés a furatfémezés. Ennek során a furatok falára valamint a teljes panelre rézréteget választunk le. Mint minden rétegfelviteli eljárásnál, itt is kulcsfontosságú a felület tisztaságának, egyenletességének biztosítása, mert ez az új réteg egyenletes tapadásának feltétele. Ezek a műveletek részben kémiai, részben mechanikai eljárásokat foglalnak magukba. (Ezek a lépések a gyártás során többször ismétlődhetnek, ezért itt összefoglaljuk a fontosabb felülettisztítási módszereket.)
6
•
Mechanikai tisztítás A
kefés
tisztítás
a
leginkább
használatos
felülettisztítási eljárás. Miközben a réz felületét is alakítja, érdesíti, a felületi szennyeződést is eltávolítja. Ezek a tisztítógépek általában párokban lévő forgó hengerekből állnak, hogy egyszerre tudjuk tisztítani a paneljeink alsó, és felső felületét. A hengerek két fő fajtája a nylon sörtés kefe, és a tömör kefe. A sörtés kefe hengeréről nagyon sűrűn nylon szálak állnak ki körbe. A dörzsölő anyag ezeknél a keféknél A felülettisztító gépekben használt kefék különböző méretűek és keménységűek általában szilícium karbid (SiC), amit a szálak anyagába impregnáltak bele. A tömör kefék anyaga pedig koptató, kötő és szálas anyagokból álló kompozit. A hengerekre vizet permeteznek, ami hűti a forgó keféket, és kimossa, továbbszállítja az eltávolított szennyeződést és rezet a szűrők felé. A víz tisztaságát és pH-ját rendszeresen ellenőrizni kell. Az elfolyó víz rezet, rézoxidot is tartalmaz, ezért csatornába nem engedhető. Jó megoldás, ha ülepítés után a vizet visszaforgatjuk, a maradékot pedig a réztartalom kinyerésére továbbadjuk. Tisztítás habkővel, alumíniumdioxiddal A habkő egy szilikát ásvány, porózus, nem túl kemény anyag, egyéb felhasználás mellett kiváló koptató hatású tisztító anyag. Szemcsés, pórusos szerkezete látható az ábrán. A szemcsék átlagos mérete 60 µm. Habköves mosást végezhetünk: •
kézzel, egy kefe segítségével,
•
géppel, amelyben a dörzshengerhez hasonló, de lágyabb sörtéjű kefék között tisztul meg a NYÁK felülete
•
habkősugár géppel, amelyben habkövet tartalmazó vízsugár takarítja le a felületet
Egy habkő szemcse csiszolata
és egy kefés felülettisztító gép
7
Kémiai felületkezelések • Zsírtalanítás: Bármilyen következő réteg − fotoreziszt fólia, galvanizált fém − egyenletes tapadásának feltétele, hogy a felület zsírtalanított legyen. Korábban szerves oldószereket használtak, azonban ezek nagyobb környezetterhelése, egészségkárosító hatása és tűzveszélyessége miatt zömében tiltottak. Ma leggyakrabban lúgos zsírtalanítókat alkalmaznak. Ez lehet híg nátrium-hidroxid (NaOH), vagy szóda (Na2CO3). A felületaktív anyagok szintén jó zsírtalanító hatásúak. Ezek mosószer jellegű anyagok, lehetnek savas és lúgos kémhatásúak, manapság inkább a savas a népszerűbb. A zsírtalanító fürdőt alapos öblítés követi. • Mikromarás: Elsődleges cél a felület finom érdesítése, ezáltal a következő réteg jobb tapadásának elősegítése. Az érdesedés azért következik be, mert a marás gyorsabban halad a szemcsehatárokon, mint a krisztallit belsejében. (A félvezetőgyártásban a hasonló marási eljárás másik nagyon fontos célja, hogy a néhány atomnyi vastag felületi réteg eltávolítsák, amely szennyezettebb, több hibát tartalmaz, mint a tömbi kristály.) A mikromarásra elvileg ugyanazok a maratószerek alkalmasak, mint a rajzolat marására, leggyakrabban ammónium-perszulfátot ((NH4)2S2O8) vagy nátrum-perszulfátot (Na2S2O8) használnak. A kisebb marási sebességet a hígabb −10 - 15%-os − oldat biztosítja. • Oxidmentesítés (dekapírozás): A réz felületén könnyen képződik egy vékony oxidréteg, akár a levegő hatására, még inkább a mikromarató maradványainak eredményeképp. Ha pl. erre visszük fel a fotoreziszt fóliát, és így egy savas fürdőbe tesszük, akkor az oxidot fel tudja oldani a híg savas oldat is. Megszűnik a tapadás a két réteg között, és a következő lépésben pl. a galvánfürdő, vagy a maratószer juthat be a reziszt által lefedett területre, ami rövidzárat vagy szakadást is okozhat. Ezért a dekapírozás a mikroérdesítést kötelezően követő lépés. Leggyakrabbak 10%-os kénsavval történik, ritkábban sósavval.
A rajzolat kialakítása Foto (ábra) készítés Az áramkörök és a NYHL tervezésével itt nem foglalkozunk. Onnan indulunk, hogy kész a terv, amely a következőket tartalmazhatja: Huzalozási rajz rétegenként. Lézeres levilágítóval, vagy fotoplotterrel készíthetők el közvetlenül fényérzékeny filmre a rétegfotók. A film a hagyományos ezüst-halogenid alapú fekete-fehér film. A filmmel szembeni követelmény a nagyon jó felbontóképesség, nagy denzitás (~ jó feketedés), nagy kontraszt és kisebb érzékenység. A rétegek pontos illesztéséhez aszimmetrikus elrendezésben pozícionáló furatokat is kell tervezni.
8
Forrasztásgátló lakk ábrája Fúróvezérlő program A gyártás végi ellenőrzés vezérlő programja Nagyobb sorozatú gyártás esetén a rétegfotók eredetijét mesterfotóként kezeljük, és erről a szükséges mennyiségű másolatot, technológiai fotó készítünk
Fotolitográfia Azok az eljárások tartoznak ide, amelyekben a képi információ, az ábra átvitele valamilyen fényérzékeny réteg segítségével, fototechnikai úton történik. A fényérzékeny anyagot itt fotorezisztnek nevezzük, ami arra utal, hogy megvilágítás hatására megváltozik az oldhatósága, ellenálló-képessége valamilyen oldószerrel (előhívóval) szemben. A legáltalánosabb rajzolat kialakítási technológia, ami elsősorban a szinte korlátlan felbontóképességének köszönhető. Alkalmas a 100 µm alatti finomságú NYÁK rajzolattól kezdve a 10 nm közeli félvezető áramköri elemek maszkolására.
A két kulcstényező a
reziszt anyaga és az optikai rendszer. Ahogy csökken a jellemző méret, egyre rövidebb
hullámhosszúságú
fény
szükséges, ahhoz pedig új fényérzékeny anyagokat
és
rendszereket
új
kell
megvilágító
alkalmazni.
Ez
különösen az IC technológiában nagy kihívás, hiszen itt a fejlődés egyik kritériuma
a
méretek
folyamatos
csökkentése. Működési módjuk szerint lehetnek pozitív és negatív rezisztek, aszerint, hogy az eredeti ábrát vagy annak ellentettjét kapjuk a megvilágítás után.
A pozitív és negatív fotorezisztek működési elve
9
Pozitív Működés
Fényérzékenység Exponálás
Negatív
A megvilágítás hatására a polimer A megvilágítás hatására láncmolekulák molekulák feltöredeznek, ezeknek a összekapcsolódnak, térhálósodnak, területeknek az oldhatósága ezeknek a területeknek az oldhatósága jelentősen megnő jelentősen lecsökken UV-ra érzékeny, a látható UV-ra és a rövidebb hullámhosszú tartományban nem láthatóra érzékeny (~540 nm alatt) Bármilyen UV lámpával, de ajánlott a nagynyomású Hg-gőz lámpa (365 nm)
Előhívás
Híg NaOH oldat (5 g/l) 1 - 2%-os Na2CO3 oldat Túlhívásra érzékeny Túlhívásra nem érzékeny Sztrippelés Szerves oldószer (pl alkohol), vagy 5%-os NaOH töményebb NaOH A fényérzékenység pontosabban jellemezhető a hullámhossz szerinti (spektrális) érzékenységgel. Az ábrán egy hagyományos negatív reziszt görbéje látható. Fontos
megjegyezni,
megvilágítás
hogy
hatására
a
a
felület
gyorsabban és lassabban oldódó területekre
oszlik,
nem
pedig
oldható és nem oldható részekre. Azaz mindig gondolnunk kell a túlhívás
veszélyére,
ami
jobban
fennáll a pozitív rezisztek esetében, míg a negatívoknál valóban elég nehezen oldódik le az exponált terület. Folyékony és szilárd rezisztek Kezdetben folyékony anyagokat használtak. Ezeknél fontos az egyenletes rétegfelvitel. Jó eredményt ad a centrifugálás, némi gyakorlattal a porlasztás. Újabban terjedt el a szitanyomtatás (részletesen később), amelyhez nagyobb viszkozitású alapanyag kell. A legnagyobb termelékenységű, és egyben a legjobb bevonatot is a folyadékfüggönyös eljárás adja.
10
A folyadékfüggönyös bevonatkészítés
és a szilárd rezisztfólia rétegei
A folytonos függönyt képező folyadékon keresztül nagy sebességgel átlövik a lemezeket, miáltal egy adott vastagságú egyenletes bevonat keletkezik. Minden rétegfelvitelt szárítás követ. Ha a gyártó nem ír elő más paramétereket, a szokásos szárítás 80°C-on 10 percig tart. A szilárd reziszteket a kétoldalas technológia igényei miatt kellett kifejleszteni. Legfontosabb előnyei: •
Egyenletes rétegvastagság, ha kell, vastagabb, mint amilyent folyékonyból meg lehet valósítani. Rajzolatgalvanizáláskor az ónnal együtt 25 – 30 µm-es réteget visznek fel, ennél kell a szilárd rezisztnek vastagabbnak lenni, hogy a „gombaképződést” megelőzzük.
•
Kétoldalas NYÁK esetében nem folyik be a furatokba.
•
Kevesebb technológiai lépésből megvalósítható.
A rétegelvitel laminálással történik. A panelt tisztítás, zsírtalanítás és finom érdesítés után a lamináló gép hengerei közé tolják, ott két oldalról rásimul a fólia. A fűtött hengerek felmelegítik a fóliát, rányomják a felületre, és a kicsit meglágyult reziszt jól rátapad a NYÁK felületére. A hengerek hőmérséklete kb. 100 115°C, segíti a tapadást, ha a lemezt is előmelegítjük. A jó rétegfelvitelt befolyásoló paraméterek: •
A lamináló hengerek, a panel hőmérséklete
•
A hengerek nyomása
•
Sebesség
•
A fólia vastagsága
•
A panel tisztasága
11
A rossz tapadás eredménye, hogy ellapult, alig észrevehető légbuborékok (void) maradnak a fólia alatt. A túlbiztosítás is kockázatos, nagyobb nyomás, főképp magasabb hőmérséklet hatására úgy térhálósodhat az anyag, mintha exponáltuk volna, és ezáltal már nem lehet előhívni a rajzolatot.
Laminátor
Kétoldalas, 5kW-os megvilágító
Levilágítás (exponálás) A leggyakoribb a kontakt levilágítás, ez esetben a rajzolatot tartalmazó filmet pozícionáló jelek (fiducial) segítségével rögzítik a panelhez, behelyezik a megvilágító gépbe, vákuummal rászorítják a filmet, megelőzendő az alávilágítást. Így tolják be a lámpák közé, ahol a beállított ideig exponálódik. A szokásos reziszteknek viszonylag kicsi a fényérzékenységük, így a megvilágítási idő perc nagyságrendű, több kW-os lámpák mellett. Az újabb levilágítási rendszerek fejlesztésével a következő célokat szeretnék elérni: A pontosság, kihozatal javítása; a maszk illesztése ne kézi munkával történjen A termelékenység, a berendezés áteresztő-képességének növelése A felbontóképesség megtartása vagy javítása Mindezeket a lézeres vetítős levilágító berendezésekkel lehet elérni. Itt már nem érintkezik közvetlenül a
12
A lézeres vetítős és a lézeres közvetlen levilágító(direct imaging) rendszer sematikus képe
maszk és a panel. A hagyományos fotorezisztek használhatók, a panel befogásával a pontos illesztés is biztosítható.
A következő lépés a maszk teljes elhagyása (közvetlen levilágítás). Ez esetben a lézernyalábot a rétegrajz terve szerint modulálják és vetítik a panelre. A módszer előnye a pontosság és a rugalmasság, ezért kis sorozatok gyártására is alkalmas. Ugyanakkor, mivel a nyaláb végigrajzolja a vonalakat, az áramkör bonyolultságától fog függni a műveleti idő. Továbbá, hogy mégis elég gyorsan tudjon rajzolni, a szokásosnál jóval érzékenyebb fotoreziszt szükséges hozzá.
Előhívás Az előhívási fázisban, a negatívan működő fóliánk esetében, eltávolítjuk a nem kívánatos, meg nem megvilágított részeket (pozitívnál a megvilágítottat). Kritikus lesz az előhívási idő, mivel különösen a pozitív rezisztek esetében elég szűk a mezsgye az alul és a túlhívott állapot között. Alulhíváskor egy alig látható fátyol marad a rézen, ami miatt nem tapad a következő galvánréteg. Természetesen, ha túlhívjuk, onnan is lejön a maszk, ahol még védeni kellene a felületet, szakadás lesz, ha pozitív anyagot használtunk, vagy rövidzár, ha negatív a reziszt és utána galvanizálunk. Mivel a negatív rezisztek kevéssé érzékenyek a túlhívásra, ezért az ipari gyártásban úgy állítják be a hívási időt, hogy kb. 60%-nál már gyakorlatilag kész legyen az előhívás, a maradék idő már csak biztonsági rátartás. Az előhívó oldatot 1,5 – 2 bar nyomással porlasztják a felületre. Utána öblítés következik, vízzel vagy híg savval. Utóbbi gyorsabban leállítja a hívást. Sztippelés A technológiai sorban nem ez a következő lépés, az előhívott rajzolatra vagy galvanizálunk, vagy lemarjuk a szabadon hagyott rézfelületet. Csak ezután következik a maradék reziszt eltávolítása (sztrippelés). Erősen lúgos oldat alkalmas erre, pl. 5%-os NaOH.
Szitanyomtatás Szitanyomtatással viszonylag egyszerű módon, olcsó berendezésben, tudunk ábrát készíteni. Az eljárás eredetileg nyomdai technológia, de szívesen alkalmazzák a nyomtatott áramköri gyártásban és a vastagréteg IC-k készítésénél. A szitanyomtatás lényege, hogy a kifeszített szitaszövetnek a rajzolat szerinti területét hagyjuk szabadon, a többit egy maszkkal átjárhatatlanná tesszük. Így a szitára felrakott festéket egy kenőkéssel áthúzva, a festék a szabad lyukakon átjut, és a minta átkerül a hordozóra. Az eljárás nagyon könnyen gépesíthető, de viszonylag nagyobb sorozatokat is gyakran kézzel nyomtatnak. A főbb alkalmazások a következők: •
maratásálló, galvanizálás-álló maszk
•
forrasztópaszta
•
forrasztásgátló maszk (lötstoplakk) felvitele
13
•
feliratok készítése
•
fotoreziszt, forrasztásgátló
fényérzékeny lakk
egyenletes
rétegként való felvitele •
vastagréteg áramköri passzív elemek nyomtatása
A szitaszövetet egy megfelelően merev és sík keretre feszítik. A keretet úgy kell megválasztani, hogy mérete kb. háromszorosa (de minimum kétszerese) legyen a nyomtatandó ábrának. A szövetet vagy ragasztással rögzítik, vagy egy önfeszítő mechanizmus fogja és húzza a szükséges feszességűre.
A szitaszövet anyaga poliészter vagy acél lehet. A legtöbb tulajdonságban az acél felülmúlja a műanyag szálat. A fontos jellemzők a következők: •
szakítószilárdság: az erősebb anyagból vékonyabb szál is elég, tehát finomabb szita szőhető
•
kopásállóság: a szövet élettartamát határozza meg. A forraszpaszta, a vastagréteg paszták
olyan kemény szemcséket is tartalmaznak, amelyek a lágyabb poliészter szálakat nagyon hamar tönkretennék, ezért ezek csak acélszitán vagy acélstencilen (ld. később) nyomtathatók. •
rugalmasság: a poliészter szövet kifeszítve is mutat némi rugalmasságot, ezért ezt
nyomtatáskor el lehet emelni a hordozótól és csak a kenőkés nyomja a felületre. Az acélszitának közvetlenül érintkezni kell a nyomtatandó felülettel, ezért másféle berendezést kell használni. •
kémiai ellenálló-képesség: A festékhígítók, oldószerek, tisztításhoz használt anyagok között
több eléggé agresszív anyag is található, de ezeket mindkét anyag elég jól tűri. •
geometriai jellemzők: a szitafinomságot, az elérhető felbontóképességet az angolszász
hagyományos mértékegység szerint „mesh”-ben adják meg, ami az egy inch-re jutó csomók száma. A NYÁK rajzolatokhoz általában 100 – 150 mesh-es szita megfelelő. Emellett fontos jellemző még a szabad felület aránya is, különösen akkor, ha a nyomtatandó réteg vastagsága is fontos paraméter. Maszk: A nyomtatandó ábrát általában fototechnikai úton viszik fel a szitára. Attól függően, hogy a fényérzékeny anyag felvitele és a fotózás hogy követik egymást, megkülönböztetünk direkt és indirekt (közvetlen és közvetett) maszkot.
14
A direkt maszk készítésekor először a teljes szitafelületet bevonják egy fényérzékeny anyaggal (bemerítik a folyékony emulzióba, majd a rátapadt réteget beszárítják), és erre fotózzák rá a kívánt rajzolatot. A megvilágítás kontaktmásolással történik, a filmet rászorítják a szitára, és ezen keresztül UV fénnyel exponálják a szitát. Leggyakrabban poli-vinilalkohol alapú negatív fényérzékeny anyagot használnak, ebből következően pozitív filmet kell használni, és így a meg nem világított területek
Indirekt és direkt emulziós szitamaszk maradnak oldhatóak. Az „előhívó” ez esetben meleg víz. Végül szárítás után a szitán a rajzolatnak megfelelő területek lesznek átjárhatók, a többi nem. Az indirekt maszknál a fényérzékeny anyagot fólia formában használják, először exponálnak és előhívják, majd még nedvesen belepréselik a szitaszövetbe. Száradás után a szita maszkon kívüli felületét tömítő festékkel ki kell kenni. A két eljárás közül a direkt maszk valamivel erősebben kötődik a szövetbe, ezért ez tartósabb, 10 – 15 ezer nyomtatást kibír. Ezzel szemben az indirekt maszk készítése könnyebb, gyorsabb és kevesebb anyagot használ. A rajzolat pontosságában nincs számottevő különbség. A direkt maszk készítésénél lehetőség van többszöri bemártással a rétegvastagság növelésére, és ezzel a nyomtatandó réteg vastagságának növelésére. Ennek elsősorban a vastagréteg passzív elemek nyomtatásánál van jelentősége. Nyomtatás A lemezt a szitaasztalon rögzíteni és nagyon pontosan pozícionálni kell, hiszen legtöbbször a nyomtatott ábra más rajzolatokhoz illeszkedik. Az ábra pontossága, reprodukálhatósága a nyomtatási paraméterek pontos betartásától, a szitamaszk és a festék tulajdonságaitól függ.
15
Nyomtatási paraméterek: •
Kenőkés nyomóerő: Az erőnek legalább akkorának kell lenni, hogy a szitát lenyomja a bevonandó felületre. Nagyobb nyomóerő hatására több festék jut a felületre, részben azért is, mert a gumi deformálódása miatt a kés dőlésszöge is csökken. A túl nagy nyomóerő károsíthatja, torzíthatja a maszkot.
•
Kenőkés sebessége: A sebességet alapvetően a festék viszkozitásához kell igazítani, hogy a kés egy nyílás fölött annyi ideig tartózkodjon, amíg azon a festék átpréselődik és eljut a hordozóig. A túl kicsi sebesség okozhat egyenetlen rétegvastagságot, esetleg aláfolyást, de nagyobb nyomással párosulva a szilikon kés éle behajlik a nyílás közepén és elvékonyítja a réteget. A túl nagy késsebesség elvékonyodást, hiányos nyomtatást eredményez. Általában csökkenteni kell a sebességet, ha nagyobb viszkozitású, esetleg tapadós a festék, ha finomabb rajzolatot nyomtatunk, ha vastagabb maszkot használunk.
•
A kés dőlésszöge: ennek változtatásával széles tartományban szabályozhatjuk a maszk lyukain átpréselt festék mennyiségét. A szög meghatározásánál figyelembe kell venni azt is, hogy a nyomás hatására a kés kicsit meghajlik. 60°-nál kisebb szög esetén már egyenetlenné válhat a réteg, míg 90°hoz közelítve elvékonyodik, hiányossá válik a nyomtatás.
•
Szita – hordozó távolság (eltartás): lényege az, hogy a szita kiemelése a nyomtatott festékrétegből gyorsan és azonnal a kés elhaladása után megtörténjen, mert így a legkisebb az esélye a festék elkenődésének. Ez csak a poliészter sziták esetében lehet, mert annak van elegendő rugalmassága. A kés nyomja le a maszkot a hordozó felületére, és ahogy a kés tovább halad, a szövet felemelkedik, és a szitaszálak kiemelkednek a lenyomtatott festékből, úgy, hogy nem húznak szálat maguk után. A távolság konkrét értéke elsősorban a szita feszítettségétől és a méretétől függ, általában 2 – 3 mm. (Ugyanezt az eltartást nem lehet megvalósítani a nem nyújtható acélszitákkal és stencillel. Ez esetben a hordozó gyors süllyesztésével próbálnak hasonló hatást elérni.)
Festék
16
A felhasználás szerint többféle anyag nyomtatható, maratás-, galvanizálás-álló festék, fotoreziszt, forrasztásgátló lakk, jelölő festék, de a vastagréteg áramkörök esetében a vezető, ellenállás és dielektrikum paszták is. Ez alapján vannak speciális anyagtulajdonságok, de a jó szitázhatóságnak vannak általános követelményei is. Ezek a megfelelő felületi feszültség és a viszkozitás.
•
A szitanyomtatás menete rugalmas szitaszövet (poliészter) esetén A felületi feszültségnek elég nagynak kell lenni ahhoz, hogy szita lyukain átjutott festék felülete rövid idő alatt kisimuljon, de ne legyen olyan nagy, hogy a hordozó nedvesítését, így a festék tapadását csökkentse.
•
A viszkozitásnál is két ellentétes igény jelentkezik, a nyomtatás során kis viszkozitás az előnyös, hogy a festék könnyen átjusson a szitanyílásokon, a szálak könnyen ki tudjanak szakadni a festékből, vastag anyag utánhúzása nélkül. A kinyomtatott festéknek viszont nagy viszkozitásúnak kell lenni, nehogy szétfolyjon. A megoldást az un. tixotróp anyagok biztosítják, amelyek akkor, ha áramlanak (pl. nyomtatáskor), kicsi, míg nyugalomban nagy viszkozitásúak. (Ez a tulajdonság a festékhez adott mikroszkópos méretű lemez vagy pálcika alakú részecskéknek köszönhető, amelyek áramlás közben rendeződnek a kisebb ellenállás irányába, nyugalomban viszont rövid idő alatt megszűnik ez a rend és megnő a viszkozitás.)
Kenőkés Anyaga
legtöbbször
kemény
szilikongumi,
ennek
kopásállósága,
vegyszerállósága
kiváló,
rugalmassága megfelelően beállítható, és nem terheli nagyon a szitaszövetet. Az élét általában 90°osra alakítják ki, ritkábban kisebbre.
17
Fémbevonatok A NYÁK technológiában gyakorlatilag csak vizes oldatból történő rétegkészítést alkalmaznak, azaz valamilyen oldott fémvegyületből redukálják a fémet. A fém ionos formában van a vízben, ebből redukcióval – elektron felvételével – válik semleges fémmé:
Men+ + ne- → Me Me (metall) általában egy fém, n db pozitív töltéssel. Attól függően, hogy milyen módon kapja meg a fém a hiányzó elektronokat, háromféle módszert különböztethetünk meg: •
Galvanizálás (elektrolizálás, galvanic plating): villamos áram biztosítja a szükséges töltést,
•
Redukciós fémezés (kémiai fémezés, elektroless plating): kémiai reakcióban egy redukálószer adja át a szükséges elektron(ok)at,
•
Immerziós fémezés (immersion plating): egy csere-reakcióban egy másik fémtől kapja meg a hiányzó elektron(ok)at.
Mindhárom eljárást használják a NYÁK technológiában, úgyhogy ismerkedjünk meg velük, felkészülve arra is, hogy egy kevés kémiai ismeret is szükséges lesz.
Galvanizálás: A legismertebb, széles körben használható eljárás, gyakorlatilag minden technikai fémből lehet így réteget készíteni. Egyetlen feltétel, hogy a bevonandó felület vezessen A sematikus ábrán látható, hogy a bevonandó fémet katódként kapcsoljuk, az oldat (elektrolit) a bevonó fém vegyületét tartalmazza, és az anód anyaga pedig általában (de nem kötelezően) szintén a bevonó fémből van. Az elektrolit pozitív fémionjai a villamos tér hatására vándorolnak a katód felé, a felülethez érve pedig megkapják a hiányzó elektronokat, semleges atommá alakulnak és beépülnek a felületi rétegbe. A cellán átfolyó töltéssel arányos mennyiségű fém tud semlegesítődni, tehát ezzel szabályozható a rétegvastagság. Ezt írja le a Faraday törvény:
m=kIt
a k elektrokémiai állandó helyett M/zF és az m tömeg helyett ρ A d kifejezéseket használva kapjuk a:
=
összefüggést, ahol: ρ: a fém sűrűsége
A: a felület nagysága
d: a rétegvastagság
M: a fém móltömege
I: áramerősség
t: idő
z: a fémion töltésszáma (1, 2, 3)
F: Faraday állandó = 96500C/mól
Ebből számolható a rétegvastagság vagy a kívánt rétegvastagsághoz szükséges áramerősség és idő.
18
Galvanizáló berendezés: Az ipari gyakorlatban galvanizáló sorokat állítanak össze, amelyben az előkezelő, galvanizáló és öblítő fürdők együtt megtalálhatók. A panelokat keretekre rögzítve egy konvejor rendszer szállítja a gyártóprogram szerint.
A galvánsor és a sorról kijött munkadarabok. A bal oldali az ónozás, a jobb oldali a réz galvanizálás után. A kék területeken a Riston fólia van. A galvánfürdők fő alkotói a következők: •
a felvinni kívánt fém sója (általában szulfát, pl. CuSO4, SnSO4)
•
kénsav (pH savasan tartása és a vezetőképesség növelése)
•
adalékanyagok (fényesítő, szemcsefinomító, depasszivátor az anód védelmére, stb.)
•
nemesfémeknél megengedett a lúgos, cianidos fürdők alkalmazása, mert csak így lehet a kellő töménységű oldatot elkészíteni.
A fürdők rendszeres karbantartást igényelnek, meghatározott (Ah-ban mért) terhelés után ellenőrizni kell, és ha szükséges, pótolni a hiányzó komponenseket. A jól gondozott fürdő több éven keresztül használható. Az anód anyaga tiszta fém, néha speciális ötvözet (pl. a NYÁK rezezéséhez foszfor tartalmú anódot használnak), és a nemesfémek esetében valamilyen olcsóbb, nem oldódó fémet választanak (pl. aranyozáshoz titánt). A fürdő élettartamát növeli, ha az esetleg elporladó anyag felfogására műszálas szövetből anódzsákot készítünk. Az elektronikai iparban leggyakoribb galvánbevonatok: •
réz:
NYÁK
panel,
rajzolat
és
furatgalvanizálás,
vezetőréteg „hízlalás”. Így készül maga a fólia is, egy forgó hengerre épül a réteg, az áramsűrűséget és a forgási sebességet úgy állítják be, hogy egy fél fordulat alatt pont a szükséges (35, 18, 70 µm) vastagságú réteg készüljön. •
ón:
NYÁK maratásálló maszk készítés
•
nikkel:
NYÁK felületkikészítés, kontaktusfémezés, átmeneti
19
réteg aranyozás alá, rétegellenállás •
arany:
kontaktusfémezés
Néhány galvántechnológiai fogalom: Áramkihasználás: a valóságban kivált hasznos anyag tömege és a Faraday törvényből számított tömeg hányadosa. Amennyiben jelentősen kisebb 1-nél (100%-nál), annak oka általában az, hogy nagyobb galvanizáló feszültség, nagyobb áramsűrűség alkalmazása esetén nem csak a kívánt anyag válik ki a katódon, hanem más is. Ez leggyakrabban hidrogén, mivel az vizes oldatban mindig jelen van, és kiválasztásához nem kell nagy többletfeszültség. A hidrogénkiválás fő baja nem is az áramhasznosítás csökkenése, hanem a bevonat minőségének romlása. Porózus, matt, néha fekete lesz a felület, a tapadása romlik, beépülve a fémszerkezetbe pedig rideggé teszi azt. A fürdők adott áraműrűség-tartományban tudnak szép, egyenletes bevonatot produkálni, ez általában 1 – 5 A/m2. Túl kicsinél szemcsedurvulás valószínű és lassú a folyamat, túl nagynál pedig más ionok együttleválása rontja a réteg minőségét. Szóróképesség: a galvánfürdőknek azon tulajdonsága, hogy mennyire képesek elsimítani a katód áramsűrűségének helyi ingadozásból származó bevonat-egyenetlenségeket. Megkülönböztetünk makro- és mikro áramszóró-képességet. Makroszórás vagy primer szórás: Akkor alakul ki, ha az anód és a katód felülete nem párhuzamos, így az áramsűrűség sem lesz egyenletes. Ez a helyzet pl. alakos katód esetében és a folírozott lemez furataiban is. A fürdő makroszórását helyes anód-elrendezéssel és vezetősó alkalmazásával lehet javítani. Mikroszórás vagy szekunder szórás: Az áramsűrűség ingadozást a bevonandó tárgy felületi egyenetlenségei okozzák. Lyukak, karcolások mentén csökken, élek, kiemelkedések közelében a csúcshatás miatt jelentősen megnő az áramsűrűség. Ennek hatására itt gyorsan megindul a fémkiválás, de ettől hamar kiürül a csúcs közvetlen környezete a leválasztandó fémionból. Ennek következtében helyileg megnő a leválási potenciál (polarizációs potenciál). A rétegépülés ezért itt leáll, és csak ott folytatódik, ahol a leválási potenciál alacsonyabb, azaz a mélyedésekben, sík felületen. Tehát a jó mikroszórású fürdő csökkenti a felületi érdességet, sima, esetleg fényes bevonatot hoz létre. A mikroszórást azok az adalékok javítják, amelyek a túlfeszültséget növelik. Ilyenek a komplexképzők (pl. ammónia, cianid, de utóbbit mérgező volta miatt ma már csak néhány nemesfém fürdőben használják), felületaktív anyagok, glicerin.
20
Polarizációs potenciál: Ha egy galvanizáló cellát készítünk, azzal egy galvánelemet is készítettünk. Ennek elektromotoros ereje a két elektród elektródpotenciáljának különbsége. Ha galvanizálni akarunk, ellentétes irányú áramot kell a cellán átbocsátani. Ehhez nyilván legalább akkora ellentétes feszültséget kell a cellára kapcsolni, mint annak az elektromotoros ereje. Ezt nevezzük a cella bomlásfeszültségének. (Lehet 0V is, ha mindkét elektród ugyanaz a fém, és a katód- anódtér nincs elválasztva) Egyensúlyi esetben végtelen kis áram folyhat át a cellán. Ha növeljük az áramerősséget, a határrétegek állapota is megváltozik, az ionok kiválásához többlet munkavégzés szükséges, ami abban nyilvánul meg, hogy többlet feszültség kell az elektrolízishez. (W = QU ismeretében ez könnyen belátható) Ezt a jelenséget (elektród)polarizációnak nevezzük, az egyensúlyi potenciálhoz képest mérhető növekményt túlfeszültségnek (η). Upol = E + η Általában a katódon mindig az a pozitív ion válik ki, amelyik kilépéséhez a legkisebb munkavégzés (=polarizációs potenciál) szükséges. Előfordulhat, hogy a túlfeszültség annyira megnő, hogy eléri a polarizációs potenciál az oldatban levő más ion polarizációs potenciálját, és ettől kezdve azonos eséllyel válhat ki a két ion. Vizes elektrolitokban leggyakoribb, hogy a hidrogén követi a fémet a kiválási sorban. Érdemes megjegyezni, hogy a makroszórásnál említett vezetősó azért alkalmazható, mert a szokásosan használt Na2SO4, MgSO4–ben levő fémionok leválási potenciálja olyan magas, hogy soha nem fognak kiválni a katódon, miközben a fürdő ellenállását hatásosan csökkentik.
Redukciós fémezés: Ennek az eljárásnak a legfontosabb előnye, hogy szigetelőanyagokra is készíthető így fémbevonat, ami szükség esetén galvanikusan tovább vastagítható. Egy oldatban kell összehozni a kiválasztandó fémet és egy közepesen erős redukálószert (leggyakrabban formaldehid) és egy stabilizátort, ami az idő előtti reakciót megakadályozza. A fémkiválásnak csak akkor szabad megindulni, ha az előkezelt, aktivált munkadarabot behelyeztük a fürdőbe. Az anyagválaszték elég szerény, csak néhány fémből készíthető réteg kémiai redukcióval: •
réz:
a furatfémezés legelterjedtebb módja, formaldehides oldatból szobahőmérsékleten, 5 -10
perc alatt 1 - 2µm vastag réteg épül, ami már elegendő alap a galvanizáláshoz •
nikkel:
felületkikészítő eljárásoknál az arany alá elválasztó rétegként használjuk, illetve régebben
kerámia hordozóra leválasztva diszkrét rétegellenállást készítettek így •
ezüst:
•
palládium:
a tükrök bevonata is így készül, a NYÁK gyártásban inkább immerziós ezüstöt használnak a redukciós réz alá, a felület aktiválására választják le, nem is összefüggő rétegként,
de a folyamat itt is hasonló, a redukálószer Sn2+. A teljesség kedvéért meg kell említeni, hogy a furatfal vezetővé tételére (making hole conductiv) az említett kémiai rezezésen kívül más eljárások is ismertek és használatosak:
21
„Black hole”: a furatokon grafit szuszpenziót préselnek át, és a falra rászárított grafit már elegendő vezetőképességgel rendelkezik a galvanizáláshoz
A furatfémezés lépései: 1. Fúrás, felület előkészítés, aktiválás, 2. Vezető réteg felvitele, 3. Réz galvanizálása a furatfalra (és a panelre is) jobbra: fémezett falú furat
„Direct plating”: a redukciós rezezés alá használt Pd bevonatot vastagabbra, összefüggőre készítik, így ez a réteg már galvanizálható Vezető epoxi: a falon vékony epoxi réteget hoznak létre és ezt forró kénsavas kálium-permanganát oldattal kezelve vezetővé válik.
Immerziós fémezés: Ez mindig egy csere reakció; egy kevésbé nemes fémet (negatívabb elektródpotenciálút) egy nemesebb fém oldatába merítjük. Az oldatban levő megkapja a szükséges elektronokat, redukálódik és semleges fémként kiválik a felületre. Leginkább a forraszthatóságot biztosító felületkikészítő rétegek készülnek így: •
Ezüst:
közvetlenül a rézzel cserél: 2Ag+ + Cu → 2 Ag + Cu2+ Jól forrasztható, viszonylag olcsóbb bevonatot ad. Vastagsága 0,15 – 0,45 µm
•
Arany:
az alá rétegezett nikkellel cserél helyet. 0,05 – 0,2 µm vastagságban készíthető, többször
forrasztható, hosszú ideig stabil réteget képez.
Strippelés A rajzolatgalvanizálás után a maszk szerepét az ón veszi át, a rezisztfóliát el kell távolítani, hogy a maratószer hozzáférhessen a réz felülethez. A strippelő oldat gyakrabban erős lúg ( kb 2 – 3 %-os nátrium-, illetve káliumhidroxid), vagy szerves. Utóbbiak gyorsabbak, de drágábbak és kevésbé környezetbarátak. Az oldatok 50 – 60 °C-ig melegíthetők. Az exponált reziszt nem oldódik fel, csak összetöredezik és elválik a réztől, így szűréssel könnyen eltávolítható a fürdőből.
22
A fólia eltávolítása után ónnal védett vezetőpályák és szabad, maratható rézfelület marad vissza
Maratás A maratással kémiai úton távolítjuk el azokról a helyekről a rézréteget, ahol nincs rá szükségünk. Így a maratás után már csak a vezetőpályákon és a furatokban található réz a kártyán. A kémiával szembeni tartózkodás sokakat késztetett arra, hogy más megoldásokat keressenek. A mechanikus marás minőségileg megfelelő, de inkább csak prototípusoknál célszerű, ugyanis a művelet ideje függ az ábra bonyolultságától. Ez sorozatgyártás esetén igen nagy előny a kémiai marás oldalán, így az ipar még ezt használja. Ez mindig egy oxidációs folyamat, az elemi rézből vegyületet kell készíteni, ilyenkor egy vagy kétszeresen pozitív ion keletkezik (elektronleadás = oxidáció). A keletkezett vegyületnek még oldhatónak is kell lenni, mert el kell távoznia a felületről, hogy a következő réteghez is hozzáférhessen a maratószer. A réz sók savas közegben Cu++ ion formában jól oldódnak, lúgos közegben pedig akkor, ha ammónia jelenlétében komplex iont képezhetnek Cu[(NH3)4]++ (réz-tetrammin ion). Tehát a jó maratószernek elég erélyes oxidálószernek kell lenni, mert a réz elég stabil fém, ezen kívül pedig savas vagy lúgos pH-júnak kell lenni. Számos lúgos és savas maratószer is létezik. Ezek közül a legelterjedtebbek: • • • • •
Vas (III) klorid Ammónium perszulfát Réz klorid Kénsav - hidrogén peroxid Réz tetrammin (lúgos)
FeCl3 (NH4)2S2O8 CuCl2 H2SO4 – H2O2 [Cu(NH3)4](OH)2
A maratás folyamata A maratás sebességét, és a maratott kártyák minőségét is az alkalmazott eljárás, és a felszerelés is nagymértékben meghatározza. A két legelterjedtebb maratási módszer a merülő, és a szállítószalagos maratás. A merülő megoldás az egyszerűbb. Itt egy tartályban tárolt melegített maratószerbe merítjük a kártyákat.
23
A szállítószalagos eljárás során egy zárt gép belsejében szállítjuk egy futószalagon a kártyákat, miközben maratószer permeteződik a felületükre. A NYÁK iparban ez az elterjedtebb, mivel gyorsabban lehet lemaratni a kártyákról a rézréteget, ezáltal jobban alkalmazható a nagy szériás gyártásokban. Permetező maratógép: A gép aljában található egy elzárt rész, ahol a maratószert tárolja és melegíti a kívánt hőmérsékletre. A maratószer motoros szivattyú segítségével jut el a permetezőkarokig, amik a maratókamra teljes hosszában és szélességében képesek szétszórni az oldatot. A permetezőkarokat a szállítószalag fölött és alatt is elhelyeznek, hogy a kártyák mindkét oldalát egyszerre lehessen maratni. Miután a kártyákat lemarattuk, átkerülnek az öblítő kamrákba. Itt lemossuk kisebb koncentrációjú maratószerrel, illetve vízzel a kártyákon maradt maratószert. Általában kétkamrás gépekkel dolgoznak a gyártók. Az első kamrában mossuk le a rézréteg nagy részét egy kisebb koncentrációjú maratószerrel. Ez azért fontos, mert az itt összegyűlt folyadékot visszaforgatják a maratószerbe, ezzel töltjük fel/pótoljuk a maratókamrában használt oldatot. Egy kaszkád rendszerben sorba kapcsolt kádakat kell elképzelni. Egy adagoló segítségével a kívánt mennyiségű maratószer folyamatosan utánpótlásra kerül. Miután már a réz nagy része lemosódott, jön a vizes tisztítás. Környezetvédelmi, és hulladékkezelési szempontból is fontos, hogy az öblítővíznek ne legyen nagy réztartalma.
Maratógép: A gép elején behelyezzük a kártyákat, amik görgőkön haladnak tovább. Látható, hogy egymástól elkülönített kamrákban történnek a technológiai lépések. Kritikus változók Hogy állandó, és kiszámítható eredményt kapjunk az összes kritikus változót szükséges folyamatosan mérni, és kontrollálni. Koncentráció: A maratószerek koncentrációja nagyban befolyásolja a maratási teljesítményt. Figyelni kell az állandó pótlásra.
24
Hőmérséklet: A hőmérséklet változtatásának közvetlen ráhatása van a végeredményre. Ha növeljük a maratószer hőmérsékletét, felgyorsítjuk vele a folyamatot, de egy bizonyos pont után ez már a minőség romlásával is jár. A maratószerek nagy része elkezd bomlani (réztetramin, hidrogénperoxid), másrészt a szerkezeti anyagok (pl. PVC) is károsodnak. Nyomás: Általában 1,5 -2 bar nyomás az ideális. A túl magas nyomás megváltoztathatja a kártyák egyenletes mozgását a szállítószalagon. (Túl nagy nyomás alulról megemelheti a kártyát.) A permetezőkarok nyílásait időként tisztítani kell, mert ha eltömődnek a kimenetei, akkor egyeletlen lehet a maratása a kártyáknak. Sebesség: A szállítószalag sebességét úgy kell beállítani, hogy a „töréspont” a maratókamra 80%-ánál legyen. Ez azt jelent hogy ennél a pontnál már le kell jöjjön a rézréteg majdnem egésze. Ha ennél alacsonyabb a töréspont, akkor alámarást eredményezhet, ami elvékonyítja a vezetőpályákat. Alámarás Alámarásnak nevezzük, amikor a maratási eljárás során a vezetőpályák falai nem teljesen függőlegesek, hanem keskenyednek. Az alámarás mértékét meghatározhatjuk a maratási faktorral. A maratási faktor a maratási mélység (a rézréteg vastagsága) és az alámarás mértékének aránya (X/V). A maratási faktor egy fő szempont a minőség meghatározásakor, főleg a finom rajzolatú kártyáknál. Például egy 100 µm vastagságú vezetőpályánál, ha 25 µm -es az alámarás mindkét oldalon, akkor a vezetőpálya fele lemaródik. Az alámarást a marási faktorral jellemezhetjük, ami a felületre merőleges és a párhuzamos marás sebességének hányadosa. Átlagosan 3 körüli érték. Függ a maratószer anyagán kívül annak frissességétől, koncentrációjától és a marató berendezés típusától is; az erősebben permetező, gyorsabb folyamatban kisebb az alámarás. Tervezéskor tudnunk kell a használandó maratófürdő alámarását, és ha kritikus, annyival szélesebb vezetőcsíkot kell tervezni, amennyi várhatóan elfogy. Környezetvédelmi szempontok: a maratás a NYÁK gyártás leginkább környezetterhelő lépése. Meglehetősen agresszív anyagokat használ, a kimerült maratószer pedig rezet, azaz nehézfémet tartalmaz, tehát mindenképp veszélyes hulladék. Ezért, ha lehet meg kell akadályozni a hulladékká válást, tehát •
regenerálni a fürdőt, a lemart rezet hasznosítható állapotban kivonni
•
a fürdő pH-ját és oxidáló-képességét (redox potenciálját) visszaállítani.
Elvileg minden maratószerre létezik regenerálási eljárás, de nem egyformán egyszerűek, van, hogy a cégeknek a gyűjtés – lerakás jobban megéri, pl. a rézteramminos marató esetében.
25
Forrasztásgátló lakk (lötstoplakk) felvitele Miután végeztünk a maratással, már csak az ónozott vezetőpályák, és a vezetővé tett furatok találhatók a kártyán. Kétféleképpen fejezhetjük be a gyártást. A régebbi, és olcsóbb módszer az, ha rajtahagyjuk az ónréteget a rézpályákon, és úgy visszük fel a forraszálló lötstoplakkréteget. Ha a kártyára ezek után az alkatrészeket kézi beültetéssel helyezik fel, akkor nem olyan lényeges hogy az galvánón réteg ott maradt a festék alatt. Azonban ha az alkatrészeket (kondenzátorok, tranzisztorok, ellenállások, stb.) gépi beültetéssel teszik fel, akkor a hullámforrasztás során a magas hőmérséklet hatására az ón a festék alatt folyékonnyá válik. Emiatt felpúposodhat a festék a kártyán, ha túl kemény a festék felülete meg is repedezhet. Ezért a gépi beültető cégek az úgynevezett szelektív technológiával gyártott NYÁK-at részesítik előnyben. Ilyenkor eltávolítják a galvánón réteget a réz felületéről, és a lötstoplakk felvitele után szelektív eljárással bevonatot képeznek a még befedetlen réz részekre. Akármelyik eljárást is választja a gyártó, a következő lépés a forraszálló festék felvitele.
Lötstoplakk Mielőtt elküldenék a kártyákat az alkatrész-beültetésre egy szerves festékréteget visznek fel rá. A kártya egész felületére felkerül ez a festék, kivéve a furatokat, alkatrészlábak helyét, és a csatlakozókat. Erre azért van szükség, hogy csak az adott helyekre lehessen forrasztani, és a kártya festék által védett részeire ne tapadjon rá a forraszanyag. Ezenkívül a festék védi a vezetőpályákat a különböző környezeti hatásoktól. A lötstoplakk alapja a gyanta. Ennek a minősége határozza meg a festék minőségét is. A lötstoplakk határozza meg a NYÁK végleges színét. Létezik az alap zöld színen kívül piros, fekete és kék színben is a festék.
30. ábra: A megrendelő határozza meg a kártya színét A lakkot általában függönyöntéssel viszik fel a NYÁK felületére. Ilyenkor fényérzékeny lakkot használnak, a beszárítás után a megfelelő maszkon keresztül megvilágítják és előhívják az ábrát. Kisebb sorozatoknál a
26
függönyöntés nem gazdaságos (pl. a nem zöld lakkoknál), ezeknél az egyenletes bevonatot szitanyomtatással készíthetjük (a szitán a panel méretének megfelelő téglalapot hagyunk szabadon, így szép, egyenletes réteget nyomtathatunk). Az exponálási UV dózis elég arra, hogy a lakk előhívható legyen, a megvilágított rész már nem oldódik (negatív lakk), de a használathoz teljessé kell tenni a térhálósodást egy utólagos hőkezeléssel (kb. 150°C, 1 óra). Elvileg készíthető forrasztásgátló maszk közvetlenül szitanyomtatással is, de ezt viszonylag ritkán alkalmazzák.
Automata szitázógép.
Függönytő gép.
Pozíció festékek (legend, silkscreen) A lötstoplakk réteg után még egy festékréteg kerül a kártyára. Bár ez inkább csak jelölésként szolgáló festék. A tervezők ennek a segítségével írnak a kártya felületére. Meg kell határozni, hogy melyik csatlakozási felülethez melyik alkatrész kerül. Itt kerülnek meghatározásra az ellenállások, tranzisztorok, chipek helyei. Ezen kívül, a típusszám, a gyártó cég neve, és technikai adatok is felkerülhetnek a pozíciófestékkel. Ezeknél a festékeknél ugyanazok a felviteli eljárástípusok találhatóak meg mint a lötstoplakknál : fotózható, UV-ra száradó, és a hőre keményedő.
34. ábra: A fehér pozíciófestékkel jelölik meg a különböző alkatrészek helyeit
27
Felületkikészítés A forrasztásgátló lakkal minden felületet lefednek, kivéve a forrasztási pontokat. Itt tiszta rézfelület maradna, ami könnyen oxidálódik, és nem elég jól nedvesíti az ólommentes forraszokat. Ezért mindenképp szükséges valamilyen védő, jól forrasztható réteget felvinni ezekre a területekre. A legolcsóbb és leginkább használt egy szerves forrasztást segítő bevonat (OSP = Organic
Solderability
Preservative).
Ezen
kívül
fémbevonatokat használhatnak, leginkább ónt, ezüstöt, aranyat (ENIG, ENEPIG). Mivel nincs egybefüggő vezetőréteg,
galvanizálással
nem
hozhatunk
létre
A forrpad-ek maradnak szabadon
bevonatot, marad a redukciós és az immerziós módszer, illetve az olvadékba történő merítés. A választás fő szempontjai: az eltarthatóság, az újraforraszthatóság és nem utolsó sorban az ár.
Tüzion (Hot Air Solder Leveling) A tüziónozó gép elterjedése az 1980-as években kezdődött. Eleinte ón-ólom keverék került rá a kártyákra, de később a környezettudatos termelés jegyében az ólmot elhagyták, és csak az ón maradt az eljárásban. Ez egy olyan eljárás, aminek során a kártyát belemártják pár másodpercre egy ónnal teli kádba majd függőlegesen kiemelve nagy nyomású forró levegőt fújatnak a kártyák felületére. A levegő közel 300Co amit ráfújatnak a NYÁK-ra. Ez a hőmérséklet nagyobb, mint az ón olvadáspontja, ezért amikor kijön a kártya az ónnal teli kádból, és ráfújják a forró levegőt, a fölösleges ónréteget, mint egy kés eltávolítja. Így csak azokon a felületeken marad meg az ón ahol nem védte a festék a rezet. Ezzel elértük a célunkat, és csak a számunkra kellő helyeken van ónréteg, a vezetőpályák és a festékréteg között nem.
Szelektív ezüstözés Amikor a fejlesztők az ólommentes szelektív eljárások után kutattak, a figyelem középpontjába az olyan jól forrasztható eljárások kerültek, mint a kémiai nikkel / arany, és az OSP (Organic Solderablility Preservative). A probléma az volt hogy a kémia arany / nikkel drága, túlságosan összetett és kezelést igénylő eljárás, az OSP-nél pedig korlátozott vezetőképességről beszélhetünk. Ezért gondolja több gyártó járható útnak a szelektív ezüstözést. A technológia lépések a következők: •
Először egy zsírtalanítás a felület tisztítása érdekében
•
Mikromaratás.
28
•
Pre-dip. Ennél a lépésnél kis koncentrációban kerül fel ezüst a felületre. Egyfajta előkezelésként egy vékony ezüstréteg kerül fel.
•
Ezüstözés. Ugyanaz a fürdő, mint az előző, csak sokkal több ezüst tartalma van. Itt alakul ki a végleges ezüstvastagság.
Az egyes lépések közé be van mindig iktatva egy vizes öblítés, hogy az előző fürdő anyaga ne kerüljön át a következő kamrákba.
Horizontális ezüstöző sor
29
