VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA ELEKTRONIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV ELEKTROTECHNOLOGIE FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF ELECTRICAL AND ELECTRONIC TECHNOLOGY
LABORATORNÍ VÝROBA DVOUVRSTVÝCH DESEK S PLOŠNÝMI SPOJI LABORATORY DOUBLE LAYER PCB’S PRODUCTION
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR‘S THESIS
AUTOR PRÁCE
LUKÁŠ MARTYKÁN
AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR
BRNO 2012
Ing. JIŘÍ STARÝ, Ph.D.
Abstrakt: Obsahem této bakalářské práce je laboratorní výroba dvouvrstvých desek plošných spojů. Její součástí je rozbor základních materiálů a typů desek obecně. Hlavní část se zaměřuje na výrobu desek plošných spojů pomocí metody panel plating. Zejména teoretickým rozborem technologií vrtání otvorů, pokovováním otvorů, zpracováním fotorezistu a leptáním. Praktickou částí je zkoumání vlivu rychlosti otáček vrtáku na vrtaný otvor, galvanické pokovování otvorů mědí. Mikrovýbrusy a jejich vyhodnocení.
Klíčové slova: Panel plating, dvouvrstvé DPS, vrtání otvorů, pokovování otvorů, fotorezist, leptání mědi.
Abstract: The content of this bachelor‘s thesis is laboratory production of two-layer printed circuit boards. It includes analysis of basic materials and types of boards in general. The main part focuses on the manufacture of printed circuit boards using the panel plating. In particular, theoretical analysis technology drilling, hole plating, photo resist processing and etching. The practical part is examining the impact speed of drill bit rotation during hole drilling, electroplating copper holes. Microsections are realised and evaluated.
Keywords: Panel plating, two-layer PCB, drill holes, plated-through hole, photo resist, etching of copper.
Bibliografická citace práce MARTYKÁN, L. Laboratorní výroba dvouvrstvých desek s plošnými spoji. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2012. 75 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Jiří Starý, Ph.D.
Prohlášení Prohlašuji, že svoji bakalářskou práci na téma Laboratorní výroba dvouvrstvých desek s plošnými spoji jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího projektu a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení § 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb. V Brně dne 31. 05. 2012
............................................ podpis autora
Poděkování Děkuji vedoucímu bakalářské práce Ing. Jiřímu Starému, Ph.D. za účinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc při zpracování projektu. Dále bych chtěl poděkovat společnosti ČeMeBO, s.r.o za poskytnutí lázní a udělení cenných rad při zpracování technologických procesů. V Brně dne 31. 05. 2012 ............................................ podpis autora
Obsah Úvod ........................................................................................................................................... 7 Teoretická část .......................................................................................................................... 8 1.
Základní materiály............................................................................................................ 8 1.1 Neohebné organické základní materiály...................................................................... 8 1.2 Ohebné organické základní materiály ....................................................................... 10 1.3 Anorganické základní materiály ................................................................................ 11
2.
Výroba desky plošného spoje technologií panel plating .............................................. 12 2.1 Vrtání otvorů.............................................................................................................. 13 2.1.1
Vrtáky, parametry vrtání .................................................................................... 13
2.1.2
Vrtačky a jejich řízení ........................................................................................ 14
2.1.3
Kontrola vyvrtaných děr ..................................................................................... 14
2.2 Pokovování otvorů ..................................................................................................... 15 2.2.1
Metody zvodivění otvorů: .................................................................................. 15
2.2.2
Galvanické pokovování mědí ............................................................................. 16
2.3 Zpracování fotorezistu ............................................................................................... 18 2.4 Leptání mědi .............................................................................................................. 19 2.4.1
Leptání v kyselině sírové .................................................................................... 19
2.4.2
Leptání v chloridu železitém .............................................................................. 19
2.4.3
Leptání v kyselině chlorovodíkové .................................................................... 20
2.5 Stripování fotorezistu ................................................................................................ 20 2.6 Nepájivá maska.......................................................................................................... 21 Praktická část ......................................................................................................................... 22 3.
Příprava testovací DPS:.................................................................................................. 22 3.1 Vrtání: ........................................................................................................................ 22 3.2 Čištění DPS: .............................................................................................................. 24 3.3 Zvodivění otvorů: ...................................................................................................... 24
4.
Galvanické pokovování mědí ......................................................................................... 27 4.1 Příprava lázně ............................................................................................................ 27 4.2 Kontrola lázní ............................................................................................................ 29 4.3 Kontrola pokovení otvoru - stanovení tloušťky pokovení:........................................ 29
5.
Závěr ................................................................................................................................ 32
6.
Použitá literatura ............................................................................................................ 33
7.
Seznam obrázků: ............................................................................................................. 34
8.
Seznam tabulek: .............................................................................................................. 34
9.
Seznam použitých symbolů a zkratek ........................................................................... 35
Úvod Deska plošného spoje je nezbytná při vytváření nových elektronických celků. Z toho důvodu jsou na jejich výrobu kladeny velké nároky, požadované kvůli splnění řady elektrických, tepelných a mechanických vlastností. Tato práce se zabývá technologií panel plating a tím spojené postupy při výrobě prototypové desky plošného spoje. Především se zaměřuje na základní materiály, vrtání otvorů a jejich problematiku, zvodivění otvorů pomocí galvanického pokovování mědí, aplikací fotorezistu a leptání motivu. V praktické části je podrobněji rozebrána příprava desky plošného spoje, zvodivění vrtaného otvoru technologií Shadow, galvanické pokovování otvorů mědí, kontrola pokovených otvorů, jejich kvalita a množství nanesené mědi během pokovovacího procesu. Technologické postupy přípravy a údržby lázně, návod na obsluhu pokovovací jednotky CircuitSmith 2900 a CNC vrtačky Bungard CCD/ATM.
Teoretická část 1. Základní materiály • • • •
Jsou to elektroizolační nosné podložky (substráty), tvořené dielektrickým materiálem. Používají se jako „nosič“ vodivého motivu a slouží k montáži elektronických součástek a mechanických prvků. Jsou na organické, anorganické případně na kombinované bázi. Mohou být neohebné, ohebné, nebo kombinace obou
1.1 Neohebné organické základní materiály Materiál kategorie: FR - 2 Nosný materiál-několik vrstev celuozového papíru spojeného fenolickou pryskyřicí. Lze dobře mechanicky opracovávat drážkováním, stříháním i lisováním. Není vhodný do vyšších teplot, nelze aplikovat HAL, je nevhodný pro pokovování otvorů, obsahuje toxické látky. FR - 3 Nosný materiál- několik vrstev celuozového papíru spojeného epoxidovou pryskyřicí. Lze dobře opracovávat, je vhodný pro použití do teplot 90°C, je nevhodný na prokovování otvorů. Doporučuje se k použití na jednostranné DPS. CEM-1 Nosný materiál je konstruován kombinací celulózového papíru spojeného epoxidovou pryskyřicí pro vnitřní vrstvy a nalaminovanou vrstvou vyztužující skelné rohože pro vnější vrstvy. Má zvýšenou mechanickou odolnost, povinnost, rozměrovou stabilitu, odolnost proti tepelnému rázu při pájení a zvýšenou odolnost vůči klimatickým podmínkám. Oproti FR-4 vykazuje při lisování menšího opotřebení nástroje. Drážkované DPS lze snadno dělit, lze aplikovat HAL, není vhodný na prokovení otvorů. FR - 4 Nosný materiál-několik vrstev skelné rohože spojené epoxidovou pryskyřicí. Je vhodný pro obrysové frézování, mechanicky odolný, má vysokou ohybovou pevnost, rozměrovou stabilitu, tepelnou odolnost do 130°C, lze aplikovat HAL, je určen pro prokovení otvorů. Je vhodný na nejnáročnější aplikace DPS.
8
Tabulka 1: Vlastnosti organických základních materiálů [1]
Materiál Vlastnosti Povrchový izolační odpor Vnitřní izolační odpor Permitivita (1 MHz) Ztrátový činitel (1 MHz) Teplota skelného přechodu Tg TCE xy/z (pro T menší Tg) Cenový faktor (FR-4 =1)
Ohm ohm. cm °C ppm K-1
FR-2
FR-3
CEM-1
FR-4
1.10E10 2.10E12 4,7 0,047 105 18/300 0,5
3.10E11 4.10E12 4,9 0,041 110 18/300 0,65
3.10E11 2.10E13 4,7 0,031 130 13/230 0,85
4.10E12 8.10E14 4,7 0,019 130 13/60 1
Obrázek 1: Odolnost materiálu v pájecí lázni 260°C [1]
Obrázek 2: Navlhavost materiálu [1]
9
1.2 Ohebné organické základní materiály Používají se většinou bez výztuže. Nejrozšířenější jsou materiály na bázi polyesterů a polyimidů. V malé míře se používají kompozitní substráty na bázi epoxidů, aramidového papíru i fluoropolymerů. Ohebný polyimidový základní materiál plátovaný měděnou fólii se využívá vícevrstvé flexibilní DPS, pro HDI (High Density Interconnection) aplikace i pro BGA substráty. PET (polyetyléntereftalátové) flexibilní plošné spoje se vyznačují výrazně nižšími teplotami zpracování. Flexibilní materiály se řadí do kategorie základních materiálů pro 3-D propojovací struktury. POLYETYLÉNTEREFTALÁT (PET) Základní materiál je na bázi polyetyléntereftalátové biaxiálně orientované fólie ovrstvené nevytvrzeným polyesterem, na který se nalaminuje měděná fólie. Flexibilní polyesterové substráty se využívají v membránových spínačích, fóliových klávesnicích, tlačítkových displejích aj. Mají malou teplotní odolnost nepřevyšující v trvalém pracovním režimu 115°C. Proces pájení PET fólií se v praxi příliš nerozšířil. POLYETYLÉNNAFTALÁT (PEN) Základní materiál je na bázi polyetylénnaftalátové fólie ovrstvené nevytvrzeným polyesterem, na který se nalaminuje měděná fólie. Flexibilní PEN substráty se využívají v membránových spínačích, fóliových klávesnicích, tlačítkových displejích aj. Mají větší teplotní odolnost i ve většině parametrů příznivější charakteristiky než PET fólie. POLYIMID (PI) Základní materiál je tvořen polyimidovou fólií ovrstvenou nevytvrzeným termosetickým adhezivem (polyimid, epoxid, akrylát, příp. polyester). Měděná fólie se nejčastěji laminuje na akrylátový film. Používají se však i polyimidové substráty naplátované přímo na polyimidový film bez lepicí vrstvy. Polyimidové substráty vyhovují široké škále pracovních teplot od kryogenních teplot po teploty pájení do cca 400°C. Nevýhodou polyimidové ohebné fólie je její velká navlhavost. Polyimidové fólie lze s výhodou opracovávat chemickým frézováním. [1]
Obrázek 3: Kombinace ohebného a pevného materiálu
10
1.3 Anorganické základní materiály Anorganické základní materiály, častěji anorganické substráty, jsou elektroizolační keramické materiály (nejčastěji korundová a beryliová keramika). Tyto substráty mají ve srovnání s organickými mnohé přednosti: velmi dobrou tepelnou vodivost dobrou chemickou odolnost mechanickou integritu (hermetičnost) malou hodnotu TCE Mezi nevýhody patří: vyšší hmotnost vyšší cena křehkost rozměrová limitace toxicita některých typů (BeO keramiky) Tabulka 2: Vlastnosti anorganických materiálů [1]
Materiál Vlastnosti Permitivita (1MHz) Ztrátový činitel (1MHz) TCE xy/z (pro T menší Tg) Tepelná vodivost Ekologičnost materiálu Mechanická stabilita x - nezjištěno
ppmK-1 Js-1m-1K-1 -
Korundová keramika 9-10 0,08 7,5-8 34-38 vyhovuje křehkost
Beryliová keramika 6,5 0,04 8,5 250 toxicita křehkost
Obrázek 4: Korundová keramika
11
Kovové jádro 5,4 --5,5-6,5 2,1 vyhovuje náraz. odolnost
Křemík 3,8 x 8,0 1,9 vyhovuje křehkost
2. Výroba desky plošného spoje technologií panel plating Oboustranně plátovaný základní materiál se nastříhá ze základních rozměrů na požadovanou velikost přířezů pomocí elektrických, mechanických nebo optických nůžek, ale je možno použít i řezání vodním paprskem. Následuje vyvrtání otvorů, které se následně pokoví. Laminace fotorezistu probíhá za konstantních podmínek. Dále se naexponují vodivé cesty, které se vyvolají, leptáním odstraníme vrstvu mědi. Nakonec nanášíme vrstvu fotocitlivé nepájivé masky a po další expozici, vyvolání a vytvrzení přichází na řadu poslední úprava ochrany mědi proti oxidaci. To se provádí metodou HAL či OSP. Obrázek 5 představuje technologický tok výroby technologií panel plating.[4]
Obrázek 5: Technologie panel plating [4]
12
2.1 Vrtání otvorů Vrtání otvorů je kritickou operací při výrobě desek plošných spojů. Díry se obrábějí buď třískově, nebo laserem. Druhý způsob vrtání se používá pro otvory s průměrem menším než 300 µm. První metoda je mnohem rozšířenější.[2]
2.1.1 Vrtáky, parametry vrtání Při třískovém obrábění se vrtá vrtáky se šroubovicí obvyklých tvarů. Při vrtání je třeba dosáhnout dokonalých řezných povrchů bez rozmazání materiálu výplně kompozitu. Vnitřní stěny díry musí mít hladký povrch, na kterém nebudou žádné zbytky rozetřené pryskyřice (zvýšením teploty při tření vrtáku pryskyřice změkne) ani místa s vytrhanými vlákny výplně. Optimální podmínky vrtání zahrnující parametry nástroje a vrtacího procesu se ustálily zhruba na těchto hodnotách: Velikost vrcholového úhlu vrtáku závisí na vrtaném materiálu a bývá pro kompozity s papírem 90° až 110°, pro kompozity se sklem 115° až 130°. Úhel stoupání šroubovice vrtáku bývá v rozmezí 20° až 50°. Tvar drážky je rozhodující pro dobrý odvod třísek. Vrtání otvorů do desek plošných spojů je z hlediska obrábění vrtáním dlouhých otvorů, kde hloubka vrtu výrazně převažuje nad jeho průměrem (typickým průměrem je 0,7 mm, typická tloušťka desky 2 až 3 mm). Otáčky vrtáku a rychlost jeho posuvu do řezu jsou závislé jednak na průměru díry, jednak na vrtaném materiálu. Otáčky se pohybují ve velkém rozmezí od 3 000 do 100 000 otáček za minutu. Velikost posuvu pro desky z tvrzeného papíru nebo ze skloepoxidového laminátu je v rozmezí 0,02 mm až 0,075 mm na jednu otáčku vrtáku, podle tloušťky měděné fólie. S ohledem na tvorbu otřepů platí pravidlo, že vrstva mědi (její tloušťka je běžně 35 µm a 17 µm, méně často 70 µm či 5 µm) by měla být proříznuta při jedné otáčce. Na vstupní a výstupní hraně otvoru nesmí zůstat žádné otřepy. Jejich tvorbě lze zabránit tak, že se nad i pod vrtanou desku vloží vrstvy dalšího materiálu, který je vrtán současně s deskou plošného spoje. Jsou-li všechny vrstvy k sobě dobře stlačeny, nemůže se materiál na vnitřních rozhraních vytlačovat nad či pod desku. Otřepy na vnějších površích nevadí - vznikly na přídavných pomocných deskách. Pro méně náročné použití se vrtáky vyrábějí z rychlořezné oceli. Odolnější a kvalitnější (i méně choulostivé na optimální nastavení parametrů vrtání) jsou monolitické tvrdokovové vrtáky (slinutý karbid wolframu). [2]
Obrázek 6: Vrtáky [5]
13
2.1.2 Vrtačky a jejich řízení Současné požadavky na přesnost umístění otvorů v celé ploše i rozměrné desky a stálá kvalita při opakované výrobě si vynucuje použití číslicově řízených vrtaček (NC vrtačky). Při ručním vrtání s naváděním pomocí optického zaměřování je přesnost umístění sotva lepší než 0,1 mm. Číslicově řízené vrtačky dosahují minimální opakované přesnosti nastavení 0,01 mm a lepší. Vrtané desky jsou upínány na stoly s pohybem řízeným ve směrech os X, Y. Programy pro řízení činnosti NC vrtaček jsou součástí dodávaných strojů. Zpracovávají datové soubory generované návrhovými systémy desek plošných spojů (např. OrCAD, Eagle aj.) ve formátech daných typem použité vrtačky. [2]
2.1.3 Kontrola vyvrtaných děr Po vrtání je třeba kontrolovat kvalitu vrtání, a to jak samotného otvoru, tak i umístění děr po desce. Pro úspěšnost dalších technologických pokovovacích operací a tím, celé výroby je důležitá kvalita vnitřního povrchu díry a jejích okrajů. Přesvědčit se o jakosti stěny otvoru můžeme buď destruktivně tak, že podélnou osou díry vedeme řez a pod mikroskopem posoudíme vzhled vnitřní stěny, nebo nedestruktivně její optickou prohlídkou. Otřepy a jejich velikost lze dobře posoudit lupou s lineárním zvětšením několik jednotek až desítek. Překontrolovat správné průměry otvorů a jejich umístění znamená odměřit délky od desetin milimetru až do desítek centimetrů s přesností desítek mikrometru. Pro kontrolu průměrů se používá stereomikroskop s odpovídajícím zvětšením, kde lze na zvětšeném obraze otvoru promítnutém na matnici s měřítkem nebo přiloženou šablonou měřit rozměry.[2]
Obrázek 7: Souřadnicová cnc vrtačka Bungard
14
2.2 Pokovování otvorů Slouží k pokovení otvorů u dvouvrstvých a vícevrstvých desek. Pokovením otvorů dojde k propojení vnějších vrstev s vnitřními vrstvami.
Obrázek 8: Pokovená čtyřvrstvá DPS [11]
2.2.1 Metody zvodivění otvorů:
Metoda nepřímého pokovení Chemická měď Metoda přímého pokovení Systém na bázi uhlíku/grafitu Systém vodivých polymerů (DMS2) Systém na bázi paladia (CRIMSON)
Systém na bázi uhlíku/grafitu Tato metoda je známa jako Shadow, kde roztok koloidních částic grafitu se zachytí na základním materiálu, především ve vyvrtaných otvorech. Vysoce vodivé částečky grafitu jsou velmi hydrofobní v jejich přirozeném stavu a mohou být suspendovány pouze s pomocí intenzivního míchání. Pro překonání této vazby se používá polymerní aniontový povlak grafitových částeček, jako prostředek k tomu, aby se částečky více odpuzovaly mezi sebou, než aby se spojovaly přes přitažlivé Van Der Waalsovy síly.[12]
Postup: 1. Čištění DPS nylonovým kartáčem pod tekoucí vodou 2. Kondiciování povrchu dielektrika 3. Oplach deionizovanou vodou 4. Nanášení vodivého koloidu uhlíku 5. Ustalovač 6. Oplach deionizovanou vodou 7. Sušení 8. Mikrolept 9. Oplach deionizovanou vodou 10. Sušení
Obrázek 9: Grafitová částice [12]
15
2.2.2 Galvanické pokovování mědí Úkolem tohoto procesu je docílit souvislého kovového povlaku na vnitřním povrchu vrtaného otvoru. Tento povlak musí pevně lnout k nosnému materiálu desky a musí být dobře pájitelný. Vrtané otvory jsou chemickými lázněmi vyčištěny a v otvorech je narušen povrch základního materiálu a obnažena skelná výztuž sklolaminátu. Takto upravený povrch otvoru je chemicky aktivován po celém povrchu otvoru vodivým aktivátorem a aktivovaná vrstva galvanicky pokovena v síle cca 20 µm. Tím, že je vodivý celý aktivovaný povrch vrtaného otvoru, dochází k hlubokému zakotvení galvanické mědi do povrchu otvoru. Po tomto základním prokovení je na DPS nanesen rezist a fotoprocesem vytvořen vodivý obrazec.[13]
Obrázek 10: Technologické požadavky na návrh pokoveného otvoru v DPS [6]
Tabulka 3: Technologické požadavky na pokovený otvor DPS [10]
Konstrukční třída přesnosti Průměr vývodu součástky D Min. výsledný průměr otvoru D1 (D+0,2 mm) Min. průměr vrtaného otvoru D2 (D+0,3 mm) Minimální průměr pájecí plošky D3 Průměr plošky nepájivé masky D4
16
3 4 5 6 0,5 0,4 0,7 0,6 0,4 0,2 0,8 0,7 0,5 0,4 D1+1,05 D1+0,70 D1+0,50 D1+0,40 D3+0,40 D3+0,25 D3+0,20 D3+0,15
Technologický postup: Parametry procesu galvanického vylučováni kovových povlaků tvoří soubor tepelnětechnických, elektrických a technologických veličin a podmínek, které mají společně vliv na kvalitu a jakost povlaku. Rozsah a míra významnosti jednotlivých podmínek je závislá na typy procesu a na kritických parametrech požadované výsledné jakosti. Veličiny je nutné v průběhu procesu sledovat, měřit a řídit. Soubor provozně významných parametrů při galvanickém pokovování: pracovní podmínky
- tepelně technické
- elektrické
technologické podmínky -složeni lázně
- teplota - hladina - účinnost míchání - napětí na anodě - proudová hustota - polarita - vylučovací rychlost - proudový výtěžek - hloubková účinnost - vyrovnávací schopnost
Elektrolýza je děj probíhající na elektrodách při průchodu stejnosměrného elektrického proudu roztokem. Faradayův zákon elektrolýzy: Hmotnost vyloučené látky m je přímo úměrná náboji, který prošel elektrolytem ⇒ m=A⋅Q⇒ A⋅I⋅t (A-elektrochemický ekvivalent, I - proud, t – čas).
Obrázek 11: Zapojení katody a anod
17
2.3 Zpracování fotorezistu Fotorezist: fotocitlivý materiál, který působením UV zářením definované délky změní své vlastnosti. - základní požadavek - musí odolat pokovovacím a případně i leptacím lázním. Dělení fotorezistu:
negativní - po ozáření zpolymeruje a kryje, horší rozlišovací schopnost (360 - 420 nm), působením záření naexponované části polymerují a kryjí, používá se více, je levnější. pozitivní - polymerní vazby se naruší, ve vývojce se narušená struktura odplaví (380 - 405 nm).
Dle skupenství dělíme fotorezisty na: tuhý - nanáší se laminováním, sendvičová struktura PET (nosná, krycí folie) - chrání rezist, odstraní se po naexponování fotorezistu Fotocitlivá vrstva PE (separační folie) – odděluje se při laminování kapalný - levnější, nanáší se zpravidla navalováním mezi dvěma válci Zpracování: 1) laminace na očištěnou desku (navalování) 2) prodleva 10min 3) expozice 4) prodleva 15min 5) vyvolání (ostřik, roztok 1% Na2CO3, teplota 30°C, oplach vodou) 6) sušení
Obrázek 12: Laminator negativního fotorezistu
Obrázek 13: Fotorezist [7]
18
2.4 Leptání mědi Je proces, při kterém dochází k vyleptání přebytečné mědi pro získání požadovaného motivu. Nejčastěji se můžeme setkat s leptáním v chloridu železitém, kyselině chlorovodíkové nebo kyselině sírové. [9]
2.4.1 Leptání v kyselině sírové Leptání v kyselině sírové je velmi nebezpečné, proto je nezbytné před leptáním mít ochranné pracovní pomůcky (rukavice, plášť, brýle). Desku upevníme do držáku a poté ponoříme do kyseliny sírové. Použití kyseliny sírové jako leptací roztok se používá pro laboratorní účely, pro domácí použití nelze doporučit. [9]
Obrázek 14: Jednotka CircuitSmith 2700 pro leptání mědi v kyselině sírové
2.4.2 Leptání v chloridu železitém Způsobů leptání v chloridu železitém je hned několik. Nejrozšířenějším způsobem je použití misky, do které nalijeme vrstvu chloridu železitého rozpuštěného ve vodě. Plošný spoj poté položíme na hladinu stranou plošného spoje dolů. Pokud je horní strana plošného spoje suchá, zůstane deska plavat na hladině a leptací roztok s rozpuštěnou mědí klesá samovolně ke dnu misky. K urychlení leptání můžeme lázeň zahřát. Tento proces je vhodný pro domácí použití. Destičku pokládáme na hladinu tak, aby pod ní nebyly bubliny. Osvědčilo se štětcem nejdříve opatrně rozetřít leptací roztok po celé ploše desky a pak ji položit na hladinu. V průběhu leptání je vhodné zkontrolovat, zda pod deskou není nějaká zapomenutá vzduchová bublina. [9]
Obrázek 15: Leptání v chloridu železitém [9]
19
2.4.3 Leptání v kyselině chlorovodíkové Leptacím roztokem je směs kyseliny chlorovodíkové HCl a peroxidu vodíku H2O2. Peroxid vodíku je třeba použít s koncentrací alespoň 10%, lépe 30%. V nouzi lze použít i peroxidové tablety. Leptací proces probíhá bouřlivě a trvá jednotky minut. Roztok se značně zahřívá. Pokud roztok přestane leptat, je třeba přidat peroxid. Použitý roztok se obtížně skladuje, protože uvolňuje velmi agresivní výpary (chlorovodík) a peroxid se postupně rozkládá (a zbývá po něm voda, čímž se snižuje koncentrace kyseliny v roztoku). Leptání v kyselině chlorovodíkové nelze pro domácí použití doporučit. [9]
2.5 Stripování fotorezistu Je to chemický proces k odstraňování fotorezistu z mědi, tento proces probíhá po vyleptání desky, nebo při špatném osvícení desky. Používají se zpravidla 10% roztok KOH nebo NaOH.
Obrázek 16: a) DPS po vyvolání fotorezistu, b) DPS po leptání a stripování fotorezistu [1]
20
2.6 Nepájivá maska Slouží především jako ochranná izolační vrstva spojů, má definované povrchové elektrické vlastnosti, minimalizuje cínové můstky (zkraty) po pájení. Nepájivá maska zjednodušuje optickou kontrolu zapájených součástek, snižuje spotřebu pájky při strojním pájení, chrání spoje před okolními vlivy a mechanickým poškozením. [3] Můžeme ji nanášet na všechny základní materiály, jak na jednovrstvé, tak i na dvouvrstvé desky. Odolá teplotě 300°C po dobu cca 30s, odolná proti rozpouštědlům. Druhy nepájivé masky: 1) Permanentní 2) Snímatelná Způsoby nanášení: 1) 2) 3) 4)
Laminací Nástřikem Sítotiskem Clonou
Obrázek 17: Nepájivá maska zelená-modrá [8]
Obrázek 18: Laminator nepájivé masky
21
Praktická část 3. Příprava testovací DPS: a) Pomocí mechanických nůžek, jsem nastříhal 6 desek na rozměr 12,5 x 13,5 cm z materiálu FR-4 plátovaného mědí z obou stran. b) Kontrola hmotnosti: na mechanických vahách jsem zvážil hmotnost každé desky zvlášť. Tabulka 4: Hmotnost desek
Deska číslo 1 2 3 4
Hmotnost 52,8018 g 50,6761 g 50,7020 g 53,1886 g
3.1 Vrtání: a) Pomocí cnc vrtačky Bungard byly do připravených DPS vyvrtány otvory o průměru 0.6, 0.8, 1.0, 1.5, 2.1 a 3.0 mm. Každý průměr byl vyvrtán 6x, tím jsem získal desku s 36 otvory.
Obrázek 19: Vrtaná DPS
b) Vliv rychlosti posuvu a otáček na vrtaný otvor: testovány byly doporučené hodnoty pro daný průměr otvoru a hodnoty používané v laboratoři, pomocí mikrovýbrusů byla zjištěna kvalitu vyvrtaných otvorů pro jednotlivé rychlosti a posuvy.
22
Tabulka 5: Hodnoty rychlostí a posuvů pro daný průměr
Průměr otvoru mm 0,6 0,8 1,0 1,5 2,1 3,0
Rychlost posuvu 1 mm/min 1100 1000 950 850 600 350
Otáčky 1 ot/min 56 000 56 000 52 000 43 000 30 000 30 000
Rychlost posuvu 2 mm/min 600 600 500 350 150 100
Otáčky 2 ot/min 60 000 60 000 50 000 50 000 30 000 30 000
Obrázek 20: rychlost posuvu 1, otáčky 1
Obrázek 21: rychlost posuvu 2, otáčky 2
Porovnání vlivu rychlosti posuvu a otáček na vrtaný otvor: po pečlivém prozkoumání vrtaných otvorů pomocí mikrovýbrusu, nebylo zjištěno výrazného rozdílu, proto doporučuji v laboratoři používat již zavedené hodnoty pro vrtání, tzn. hodnoty uvedené v prvních dvou sloupcích. 23
3.2 Čištění DPS: Pomocí nylonového kartáče byly desky očištěny od povrchových nečistot a opláchnuty pod tekoucí vodou.
3.3 Zvodivění otvorů: Technologie Desmear a Shadow byly prováděny v jednotce Bungard compacta L30ABC, kde do dvou van byly vyrobeny 4 menší a 1 větší nádoba z polypropylenu o objemu 1L a 3L, z důvodu vysoké pořizovací ceny lázní. Tato jednotka disponuje možností ohřátí lázně na teplotu 90°C a 50°C, čehož bylo využito při zvodivění otvorů, pro lepší účinnost lázní. Ohřev lázní probíhal tak, že do van v jednotce byla nalita obyčejná voda, do které byly umístěny nádoby s lázněmi a ohřívány na požadované teploty (hypermangan a čistič otvorů na 75°C, kondicionér a ustalovač na 50°C). Do zbylých van byla nalita deionizovaná voda o pokojové teplotě, která sloužila jako oplach po jednotlivých operacích. Technologický postup s časy a teplotami jednotlivých kroků, je popsán v tabulce 6.
Obrázek 22: Jednotka Bungard compacta L30ABC - zvodivění otvorů
24
Tabulka 6: Technologický postup DESMEAR/SHADOW [4]
TECHNOLOGICKÝ POSTUP PRO TECHNOLOGIE DESMEAR/SHADOW Číslo kroku
Proces
Čas (min)
Teplota (°C)
5
DESMEAR Oplach deionizovanou vodou Čistič otvorů (E-Prep Hole Cleaner 340) Oplach deionizovanou vodou Hypermangan (E-Prep Series Permanganate 200) Oplach deionizovanou vodou
6
Mikrolept (Kyselý oplach H2SO4 + H2O2)
2
1-3
Pokojová
20 – 25
7 8 9 10
Oplach deionizovanou vodou Neutralizér (E-Prep Neutralizer) Oplach deionizovanou vodou Sušení
1 5 1 5
1-5 4-6 1-5 3-7
Pokojová 46 Pokojová 75
20 - 25 43 - 49 20 - 25 65 - 85
1 2 3 4
Optimum Rozmezí Optimum Rozmezí 1 1-5 Pokojová 20 - 25 5 1 - 20 79 49 - 85 1 1-5 Pokojová 20 - 25 10
5 - 20
79
68 - 85
1
1-5
Pokojová
20 – 25
Čas (min) SHADOW 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Teplota (°C)
Optimum Rozmezí Optimum Rozmezí
Kondicionér (Cleaner Conditioner 3) Oplach deionizovanou vodou Grafit (Condutive Colloid) Ustalovač Oplach deionizovanou vodou Sušení Test vodivosti děr (Optimum R = 500 1000Ω) Mikrolept (Kyselý oplach H2SO4 + H2O2) Oplach deionizovanou vodou Sušení
25
1 1 1,5 1,5 1 5
0–2 1–5 0–2 0–2 1–5 3–7
55 Pokojová 15 50 Pokojová 75
52 – 57 20 – 25 10 - 20 45 - 55 20 - 25 65 - 85
2 1 5
1–3 1–5 3 - 10
40 35 - 40 Pokojová 20 - 25 100 100 - 150
Tabulka 7: Parametry lázní pro zvodivění otvorů [14]
Pracovní lázeň
Pracovní podmínky
Analytické hodnoty
Životnost lázně
Čistič - kondicioner
Teplota 55°C Normalita 0,22N Obsah mědi <1,8g/l Teplota 15°C Sušina 3,75% pH 8,95 Obsah mědi <0,8 g/l
52 – 57 °C 0,2 – 0,25 N 0 – 1,8 g/l 10 – 20 °C 3,2 – 4 % 8,92 – 9,2 0 – 0,8 g/l
3m2/litr nebo 6 týdnů
Teplota 50°C Normalita 0,1N Obsah mědi <1,8g/l Teplota 38°C Persíran sodný 25g/l Kyselina sírová10ml/l Leptací rychlost 0,5um/min
45 – 55°C 0,07 – 0,15N 0 – 1,8 g/l 35 – 40°C Leptací rychlost 0,4 – 0,6 um/min Obsah mědi < 25g/l
6m2/l nebo 2 měsíce
Vodivý koloid uhlíku
Ustalovač
Mikroleptání
neomezená
Výměna po dosažení koncentrace 25g/l
Obrázek 23: Rychlost ohřevu lázně
Protože je rychlost ohřevu docela pomalá, bylo by vhodné použít časovač, který sepne ohřev lázně. Nejprve zapneme ohřev na 75°C a po dvou hodinách zapneme také ohřev na 50°C, je zcela zbytečné zapínat oba ohřevy zároveň, neboť jak z grafu vyplývá, druhá lázeň se ohřeje mnohem dříve a zapnutím ohřevu dříve docílíme pouze zbytečnému vypařování lázně. 26
Dosažené hodnoty zvodnění otvorů na zkušebních DPS Tabulka 8: Hodnoty odporu mezi horní a spodní stranou DPS před výměnou a po výměně lázní
Deska číslo 1 2 3
Hodnoty odporu mezi horní a spodní stranou DPS před výměnou lázní po výměně lázní 67kΩ 160,2Ω 25kΩ 96,2Ω 6,7kΩ 92,4Ω
Zvodivění otvorů neprobíhalo zrovna nejlépe, z důvodu překročení stáří lázní u kondicionéru a ustalovače. Po výměně těchto lázní, proces probíhal bez problémů a otvory jsem úspěšně zvodivěl. Také se potvrdilo, že je nutné dodržovat jednotlivé teploty lázní pro nejlepší účinnost. V tabulce 7. jsou uvedeny potřebné informace ke stavu lázním.
4. Galvanické pokovování mědí 4.1 Příprava lázně Potřebné chemikálie: Síran měďnatý 67 g/l Kyselina sírová 12% objemu Kyselina chlorovodíková 70 ppm chloridu* PC-671 0,4% objemu PC-672 0,5% objemu ACC 0,5% objemu Deionizovaná voda na doplnění *pozn.: 2,2 ml kyseliny chlorovodíkové přidané do 100 litrové lázně zvýší koncentraci chloridu 10 ppm. Instrukce pro namíchání: 1) Nádobu naplníme z ½ deionizovanou vodou. 2) Mícháme a přidáváme doporučené množství síranu měďnatého a necháme rozpustit. S intenzivním mícháním přidáváme doporučené množství kyseliny sírové. Kyselina sírová vytváří značné množství tepla. Pokud PVC struktury jsou přítomny, sledovat teplotu roztoku a nedovolit překročení přes 49°C. 3) Chladíme a mícháme do teploty 32°C nebo nižší. 4) Mícháme a přidáváme doporučené množství PC-671, PC-672 a ACC. 5) Doplníme deionizovanou vodou do požadovaného množství roztoku a zamícháme. 6) Zkontrolujeme obsah chloridu v lázni a přidáním kyseliny chlorovodíkové zvýšíme koncentraci chloridu na 70 ppm. Složení 35 litrové lázně na galvanické pokovování mědí: Síran měďnatý 2345 g Kyselina sírová 4,2 litru Kyselina chlorovodíková 5,39 ml PC-671 140 ml PC672 140 ml ACC 175 ml Deionizovaná voda 29 litrů 27
Obrázek 24: Pokovovací jednotka CircuitSmith 2900
Nastavení proudové hustoty: Proudová hustota se nastavuje automaticky pomocí elektroniky, která po zadání rozměrů desky nastaví pomocí relátek ideální proudovou hustotu. 7 relátek spíná jednotlivé segmenty anody.
Obrázek 25: Řídící elektronika proudové hustoty
Obrázek 26: Segmenty anody
28
4.2 Kontrola lázní Provádí se tak často, jak je zapotřebí. První kontrola by měla být ihned po prvním namíchání lázně. Při kontrole lázní bychom měly být velmi opatrní, protože pracujeme s nebezpečnými látkami (kyselinami). Kontrolujeme koncentraci: 1) 2) 3) 4)
Síranu měďnatého PC-672 Chloridu Kyseliny sírové
Podrobnější postup při kontrole lázní je uveden v příloze 1.
4.3 Kontrola pokovení otvoru - stanovení tloušťky pokovení: a) Hmotnostním rozdílem: Množství nanesené mědi: Tabulka 9: Naměřené hodnoty
t m R Δm mteor min g Ω g g 0 53,1886 92,6 0 0 10 53,7102 0,6 0,5216 0,5329 20 54,3139 0,5 1,0253 1,0659 30 54,7247 0,5 1,5361 1,5989 40 55,2385 0,4 2,0499 2,1319 Čas 0 = hodnota odporu desky po zvodivění (po technologii Desmear a Shadow) Výpočty:
4.3.1 4.3.2 4.3.3 Hmotnost desky před pokovením: 53,1886 g Hmotnost desky po pokovení: 55,6564 g Rozdíl po pokovení: 2,4678 g Teoretická hodnota tloušťky pokovení otvoru podle vztahu 4.3.3 je 18,3916 µm, při proudové hustotě 2,7A/dm2 a čase 52 minut. Naměřená hodnota tloušťky pokovení byla 18 - 20 µm.
29
Obrázek 27: Závislost odporu mezi horní a spodní stranou desky během pokovování
b) Mikrovýbrusem:
Obrázek 28: Pokovený otvor 0,6mm
30
Obrázek 29: Mikrovýbrus otvoru 0,6mm
Tloušťka pokovení u otvoru 0,6mm se pohybovala v rozmezí 18 – 20µm.
Obrázek 30: Mikrovýbrus otvoru 0,6mm detail stěny otvoru
31
5. Závěr Práce je rozdělena na dvě části, na část teoretickou a na část praktickou. V teoretické části jsou rozepsány základní materiály, požadavky na vrtání otvorů, galvanické pokovování, fotorezist, leptání mědi, stripování fotorezistu, nepájivá maska pro technologii panel plating. Praktická část se zaměřuje na zvodivění otvorů technologií Desmear/Shadow a galvanické pokovování mědí. Pro technologii Desmear/Shadow jsem nechal vyrobit 4 polypropylenové nádoby, 3 o rozměru 250x350x15 mm a 1 o rozměrech 250x350x50 mm, které jsem vložil do jednotky Bungard compacta L30ABC. Zvodivění otvorů neprobíhalo zrovna nejlépe, nedařilo se mi zvodivět otvory, ale až po výměně lázní se mi to úspěšně podařilo, viz tabulka 8. Podle pokynů jsem namíchal 35 litrů lázně na galvanické pokovování mědí. Během pokovování byl měřen odpor horní a spodní stany DPS. Pomocí mechanických vah jsem měřil hmotnost desek před a během pokovovacího procesu, a pomocí mikrovýbrusů zjišťoval kvalitu pokovení a množství nanesené mědi v otvoru, především jsem se soustředil na nejmenší otvor 0,6 mm. Naměřená tloušťka pokovení otvoru se pohybovala v rozmezí 18 - 20µm. Teoretická hodnota vyšla 18,39 µm. Porovnáním hmotnosti zjistil množství mědi, která byla nanesena na DPS během pokovovacího procesu, hmotnost činila 2,47g. Dále jsem sestavil technologický postup přípravy a údržby lázně, manuály na pokovovací jednotku CircuitSmith 2900 a cnc vrtačku Bungard CCD/ATM, které jsou přiloženy jako příloha.
32
6. Použitá literatura [6] BARTÁK, Tomáš. Proces výroby DPS.[online]. [2011-12-03]. Dostupné z URL: http://barty.blog.zive.cz/?p=11 [12] CARANO, Michael, WEI-PING DOW, Gerry, POLAKOVIC, Frank, THORN, Edwin. The Use of a Chemical Fixing Agent with Colloidal Graphite for Producing High Reliability Through Vias and Microvias. [online]. [2009-01-14]. Dostupné z URL: http://www.electrochemicals.com/viasand.pdf [14] ČeMeBo, s.r.o, firemní literatura [11] Gatema s.r.o. [online]. [2011-12-13]. Dostupné z URL: http://pcb.gatema.cz/vicevrstve-desky-plosnych-spoju [10] HRAŠNA, Michal. DPS Plošné spoje od A do Z, 2011-5/6-3. 100 s. [4] CHMELA, Ondřej. Laboratorní a malosériová výroba dvouvrstvých desek s plošnými spoji v laboratoři PROTOCAD. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2011. 55 s. [9] KÁKONA, Jakub, LAFATA, Jan, HORKEL, Milan. Výroba plošných spojů fotocestou. [online]. [2011-12-04]. Dostupné z URL: http://www.mlab.cz/Articles/HowTo/How_to_make_PCB/DOC/HTML/How_to_make_PCB. cs.html [3] LAMIREL PCB EUROPE s.r.o.[online]. [2011-12-04]. Dostupné z URL: http://www.lamirel.cz/nepajivamaska.aspx [13] Mrázek, Oldřich. Pokovovací procesy plošných spojů. Dostupné z URL: http://www.hw.cz/Firemni-clanky/Printed/ART7-Pokovovaci-procesy-plosnych-spoju.html [2] PELIKANOVÁ, Ivana. Návody k laboratorním cvičením předmětu Elektrotechnické materiály a technologie. ČVUT. [online]. [2011-12-04]. Dostupné z URL: http://martin.feld.cvut.cz/~pelikano/vyuka/EMT/vrtani.pdf [5] Pragoboard s.r.o. [online]. [2011-12-04]. Dostupné z URL: http://www.pragoboard.cz/vrtani_frezovani.htm [8] Pragoboard s.r.o. [online]. [2011-12-04]. Dostupné z URL: http://www.pragoboard.cz/maska_potisk.htm [1] STARÝ, Jiří, KAHLE, Petr. Plošné spoje a povrchová montáž. VUT. [online]. [2011-12-04]. Dostupné z URL: http://www.umel.feec.vutbr.cz/METMEL/studijnipomucky/METMEL_11_SP_Plosne_spoje_a_povrchova_montaz.pdf [7] Ultrafast THz Nanoelectronics [online]. [2011-12-03]. Dostupné z URL: http://tera.thoth.kr/blog/12742109 33
7. Seznam obrázků: Obrázek 1: Odolnost materiálu v pájecí lázni 260°C [1] ........................................................................ 9 Obrázek 2: Navlhavost materiálu [1] ...................................................................................................... 9 Obrázek 3: Kombinace ohebného a pevného materiálu ........................................................................ 10 Obrázek 4: Korundová keramika........................................................................................................... 11 Obrázek 5: Technologie panel plating [4] ............................................................................................. 12 Obrázek 6: Vrtáky [5]............................................................................................................................ 13 Obrázek 7: Souřadnicová cnc vrtačka Bungard .................................................................................... 14 Obrázek 8: Pokovená čtyřvrstvá DPS [11] ............................................................................................ 15 Obrázek 9: Grafitová částice [12].......................................................................................................... 15 Obrázek 10: Technologické požadavky na návrh pokoveného otvoru v DPS [6] ................................. 16 Obrázek 11: Zapojení katody a anod ..................................................................................................... 17 Obrázek 12: Laminator negativního fotorezistu .................................................................................... 18 Obrázek 13: Fotorezist [7] ..................................................................................................................... 18 Obrázek 14: Jednotka CircuitSmith 2700 pro leptání mědi v kyselině sírové ...................................... 19 Obrázek 15: Leptání v chloridu železitém [9] ....................................................................................... 19 Obrázek 16: a) DPS po vyvolání fotorezistu, b) DPS po leptání a stripování fotorezistu [1] ............... 20 Obrázek 17: Nepájivá maska zelená-modrá [8] .................................................................................... 21 Obrázek 18: Laminator nepájivé masky ................................................................................................ 21 Obrázek 19: Vrtaná DPS ....................................................................................................................... 22 Obrázek 20: rychlost posuvu 1, otáčky 1 .............................................................................................. 23 Obrázek 21: rychlost posuvu 2, otáčky 2 .............................................................................................. 23 Obrázek 22: Jednotka Bungard compacta L30ABC - zvodivění otvorů ............................................... 24 Obrázek 23: Rychlost ohřevu lázně ....................................................................................................... 26 Obrázek 24: Pokovovací jednotka CircuitSmith 2900 .......................................................................... 28 Obrázek 25: Řídící elektronika proudové hustoty ................................................................................. 28 Obrázek 26: Segmenty anody................................................................................................................ 28 Obrázek 27: Závislost odporu mezi horní a spodní stranou desky během pokovování ........................ 30 Obrázek 28: Pokovený otvor 0,6mm ..................................................................................................... 30 Obrázek 29: Mikrovýbrus otvoru 0,6mm .............................................................................................. 31 Obrázek 30: Mikrovýbrus otvoru 0,6mm detail stěny otvoru ............................................................... 31
8. Seznam tabulek: Tabulka 1: Vlastnosti organických základních materiálů [1] .................................................................. 9 Tabulka 2: Vlastnosti anorganických materiálů [1] .............................................................................. 11 Tabulka 3: Technologické požadavky na pokovený otvor DPS [10] .................................................... 16 Tabulka 4: Hmotnost desek ................................................................................................................... 22 Tabulka 5: Hodnoty rychlostí a posuvů pro daný průměr ..................................................................... 23 Tabulka 6: Technologický postup DESMEAR/SHADOW [4] ............................................................. 25 Tabulka 7: Parametry lázní pro zvodivění otvorů [14].......................................................................... 26 Tabulka 8: Hodnoty odporu mezi horní a spodní stranou DPS před výměnou a po výměně lázní ....... 27 Tabulka 9: Naměřené hodnoty .............................................................................................................. 29
34
9. Seznam použitých symbolů a zkratek FR-4 DPS CCD HCL KOH NaOH H2O2 UV PET PE HAL OSP HDI BGA
Fire redundant Deska Plošných Spojů Charge Coupled Device Kyselina chlorovodíková Hydroxid draselný Hydroxid sodný Peroxid vodíku Ultra fialové záření Polyethylentereftalát Polyethylen Hot air leveling Organic surface protection High Density Interconnection Ball grid array
35
