Технологии в электронной промышленности №5'2005

Варианты формирования рисунка в производстве печатных плат

Джо Дудек


Формирование схем обычно происходит методом фотолитографии или трафаретной печати, однако для завершения процесса формирования схем печатная плата подвергается травлению, металлизации и снятию фоторезиста. В этой статье акцент делается только на фотолитографию и ее эквивалентные варианты, такие как струйная печать, с одним исключением: на первый план выдвигаются заменители традиционных субтрактивных процессов. В их число входят варианты полуаддитивной и полностью аддитивной технологии. В статье не упоминаетсягосподствующее направление — традиционная контактная печать, включающая использование фотошаблона (или маскирующего слоя), однако ее конкурентам уделяется особое внимание. Многие процессы, описанные в этой статье, являются новыми (но не все). Поскольку область нововведений изобилует случайностями, то, чтобы получить верное представление о перспективе развития, в нее включены многообещающие, но в настоящее время приостановленные технологические инициативы. Кроме того, некоторые из ранних разработок, упоминаемыхавтором, могут прекратить свое существование к тому времени, когда статья выйдет из печати.


Полуаддитивный процесс и полностью аддитивная технология

На рис. 1 дано общее представление о полуаддитивном процессе (ПАП). Последовательность процесса, представленная слева на рис. 1, применяется при формировании рисунка с микроотверстиями методом послойного наращивания для монтажа кристаллов методом flip-chip. На неструктурированную (плоскую) наращенную поверхность диэлектрика и стенки сквозных микроотверстий химически осаждается медь, наносится рисунок из резиста, медь избирательно осаждается, резист удаляется и осуществляется дифференциальное травление химически осажденной на основание меди. При таком подходе печатная схема не защищена металлорезистом.

Основным моментом является адгезия химически осажденной меди к поверхности диэлектрика с микрошероховатостями. Процесс нуждается в тщательном контроле и современных материалах диэлектрического основания и фоторезиста. Вместо химмеди в качестве основы можно использовать медную фольгу, чтобы обеспечить хорошую адгезию меди. Эта фольга может быть в виде тонкого слоя меди на медной подложке или в виде более толстого слоя меди, утонченного травлением. Оставшаяся медная основа все еще толще, чем хим-медь, и это делает невозможным формирование очень тонких печатных проводников (<30 мкм). Шероховатости поверхности («зубчики») фольги также становятся проблемой для очень высоких частот вследствие скин-эффекта, так что для высокочастотных слоев рассматривается вариант более гладкой меди, нанесенной напылением.

Справа на рис. 1 представлена схема процесса, который включает формирование рельефа в поверхности диэлектрика в качестве рисунка схем. Канавки рельефа можно формировать лазерным гравированием [3], прессованием, горячим тиснением или оттиском [4]. Затем вся поверхность диэлектрика покрывается химмедью с последующим гальваническим осаждением меди в высокоскоростном электролите, специально предусмотренном для металлизации глухих отверстий или рельефа. Излишки меди с поверхности убираются посредством избирательного травления, электрополировки или процесса химико-механической полировки. Металлизация рельефа заглублена в плоскую поверхность подложки и сцеплена с ней по трем сторонам канавки, что дает большую прочность сцепления проводников к подложке. Процесс «Transfer lamination» [5], не показанный на рис. 1, дает тот же результат: рисунок резиста формируется на проводящем слое (например, нержавеющей стали). На этот слой наносится медный рисунок, резист удаляется, а медный рисунок переносится (впечатывается) на препреc.

Рис. 1.Полуаддитивный процесс

На рис. 2а представлен вариант полностью аддитивной технологии, согласно которой подложка содержит «активатор», дающий начало химическому осаждению меди. Активатором может быть палладий, как это было в случае с классическим полноценным процессом толстослойного химического меднения по Коллморгену. Резист в данном применении должен обладать стойкостью к воздействию сильной щелочной среды в течение нескольких часов. Альтернативой этому процессу может быть применение различных активаторов, таких как органо-металлический комплекс или окислы металлов, которые преобразуются в металл под воздействием лазерного излучения [6, 7], с последующим химическим осаждением меди.

На рис. 26 представлены аддитивные технологии, которые начинаются с плоской подложки без введенного активатора. В одном таком процессе (Parmod Technology фирмы Parelec, Inc.) методом трафаретной печати наносится исходный материал — проводящая паста. При нагревании исходный материал превращается в проводящий металл. В качестве альтернативы на подложку может быть нанесена проводящая паста методом трафаретной или офсетной печати. Паста может иметь достаточную проводимость, чтобы служить непосредственно проводником в устройствах с низким потреблением тока, она может также служить основой для электролитического осаждения меди [8]. Еще один вариант этой технологии включает покрытие поверхности подложки токопроводящим полимером, который под воздействием лазерного излучения формирует рисунок схемы [9]. Как вариант, полимерное покрытие может представлять собой непроводящий слой, который превращается в проводящий полимер под воздействием лазерного излучения. Примером может служить полимер «РАТАС» [10]. Самым новейшим достижением в области аддитивной технологии является разработка корпорации Seiko Epson (см. табл. 3) — нанесение методом струйной печати проводящего рисунка (или рисунка диэлектрика) [11].

Рис. 2а. Аддитивные технологии.
Рис. 26. Аддитивные технологии
Таблица 1. Технология прямого формирования изображения лазером

Варианты лазерного формирования рисунка

На рис. 3 дано общее представление о вариантах лазерного формирования рисунка.

Первой в голову приходит технология непосредственного нанесения изображения с помощью лазера, которая включает экспонирование фоторезиста, пиксель за пикселем, с помощью лазерной головки. Такие установки предлагаются фирмами Orbotech [12], Asahi Optical [13], Fuji и др. Подробности смотрите в таблице 1.

После нескольких лет относительного затишья производители ПП снова проявили интерес к прямому нанесению изображения с помощью лазера (LDI). Оказалось, что существует несколько побуждающих факторов для этой разработки, а именно растущая потребность в следующем:

    • в формировании изображения с точным позиционированием небольших деталей на больших форматах;
    • в улучшении точного послойного совмещения;
    • в «масштабировании» изображения, то есть изменение размеров изображения и смещение изображения для наиболее точного
    • совмещения со смещенным или искаженным с эталонным изображением;
    • в более низкой стоимость эксплуатации системы LDI.
    Рис. 3. Варианты лазерного формирования изображения
    Рис. 4. Маркировка лазером (источник: Control Micro Systems; www.cmslasermarking.coml
    Рис. 5. Система проецирования изображений фирмы Anvik (источник: www.anvik.com)
    Таблица 2. Технология формирования изображения путем удаления воздействием лазерного излучения

    Эти требования в настоящее время удовлетворены за счет улучшения возможностей формирователя изображений LDI, более продолжительному сроку службы и более низкому потреблению энергии твердотельного лазера, а также современным фоторезистам для первичного изображения и трафаретам для нанесения припоя с удовлетворительной скоростью.

    На рис. 3 показано несколько методов лазерного формирования изображений. Лазеры использовались для формирования рисунка на фоторезисте в «островках высокой плотности межсоединений» после того, как посредством традиционной фотолитографии была сформирована структура рисунка резиста, к которой предъявляются меньшие требования. Еще одним примером использования лазеров является процесс формирования рисунка лучом лазера за счет полимеризации жидкого органического резиста, в который погружено основание платы. На отдельном этапе методом погружения резист раскрашивается цветом, контрастным цвету меди. «Lamwit» [3] — пример удаления материала диэлектрического основания воздействием лазерного излучения. Технология фирмы Siemens представляет собой пример избирательного удаления олова, нанесенного методом погружения, воздействием лазерного излучения с металлизированной платы, с последующим щелочным травлением. В технологии прототипного производства фирмы INVINT лазер используется для удаления проводящего полимерного покрытия для формирования рисунка схемы.

    В контексте удаления воздействием лазера следует также упомянуть процесс маркировки ПП с помощью лазера фирмы Control Micro Systems [14] (рис. 4).

    Подробности смотрите в таблице 2.

    Примеры применения лазера, отличающиеся от выше упомянутых примеров с LDI и удалением материала воздействием лазерного излучения: фирма Anvik использует эксимерный лазер в качестве источника излучений в своей системе проецирования изображения большого формата Anvik HexScan 2100 SPE [15] (рис. 5); лазерная система LPKF для активации рисунка затравки на ЗО-структурах [6].

    Применение струйной печати в производстве ПП

    Первым успешным применением струйной печати в производстве ПП было создание надписи красителем на трафарете для нанесения припоя [16-21]. И это неудивительно, поскольку такое применение тесно связано с первоначальным применением струйной печати на бумаге, и это говорит о сильных сторонах струйной печати: нанесение краски тонким слоем, ограниченные требования к разрешающей способности, управляемость с помощью цифровых данных.

    Таблица 3. Технология формирования изображения методом струйной печати
    Таблица 4. Технология формирования изображения путем проецирования

    Следующее применение (успешное, хоть только и на ранней стадии) — это струйная печать резиста для травления (табл. 3). Здесь также оказалось достаточно относительно тонкого покрытия, свободного, тем не менее, от точечных дефектов.

    Применение струйной печати для нанесения гальванического резиста или трафарета для нанесения припоя гораздо более проблематично, поскольку для более толстых покрытий требуется нанесение нескольких слоев и хорошая выраженность боковых стенок. Формирование изображения методом диффузии оказалось удачным выходом из положения: краситель, нанесенный струей, используется не для наращивания резиста, а для формирования его рисунка. В основе этого процесса лежит селективное растворение (или нерастворение) посредством, например, распыления красителя на резист. Процесс распыления регулируется в соответствии с данными цифрового изображения. Примером может служить распыление амин-ного раствора на подложку, плакированную медью и покрытую неэкпонированным негативным фоторезистом. Амин селективно растворяет резист, который затем проявляется и экспонируется по необработанной поверхности. Этот процесс не применяется в серийном производстве (запатентовано фирмой DuPont). Новым и очень впечатляющим способом применения струйной печати в производстве ПП является аддитивная многослойная технология Seiko Epson (табл. 3), по которой этим методом наносится рисунок как диэлектрика, так и проводника.

    Проецирование изображений

    В таблице 4 дается общее представление об оборудовании для проецирования изображений.

    Пошаговое проецирование изображения — это предпочтительная технология в производстве ПС. В настоящее время она применяется для формирования схем с тонкими линиями межсоединений. Широко применяются фотошаблоны из хромированного стекла. Оптика для проекционного изображения может изотропно изменять размеры изображения по осям X и Y в целях компенсации увеличения или уменьшения подложки. Источник света очень интенсивный, что позволяет получить приемлемое время облучения при низкой фоточувствительности используемых резистов с высокой разрешающей способностью.

    Офсетная печать

    Офсетная печать проводящей пастой упоминалась выше [8]. Результаты усилий консорциума в разработке метода офсетной печати резиста типа «print-and-etch» были представлены на выставке Productronica-2003. В этой разработке участвовали научно-исследовательские институты, университеты, поставщики и производители. Имеются два варианта технологии. В основе одного лежит односторонняя офсетная печать плат на оборудовании MAN Roland 200, а другой представляет собой процесс двусторонней печати типа «reel-to-reel» (с катушки на катушку) (тип DICO Web), с помощью которого можно обрабатывать примерно 2000 заготовок в час. На печатающий барабан лазером наносится изображение, которое впоследствии можно менять, подобно CD-RW. 

    Рис. 6. Схемы РТ, полученные с помощью технологии офсетной литографии (источник: RT Circuits)         

    Литература

    1. Karl H. Dietz. Fine Lines in High Yields (Part CV): Laser Direct Imaging Update // CircuiTree. June 2004.
    2. Karl H. Dietz. Fine Lines in High Yields (Part LXXIII): Ink-Jet Applications in Electronics // CircuiTree. October 2001.
    3. Christophe Vaucher. The Sharper Image: Current Alternatives to Direct Imaging/ Patterning (Part II) // CircuiTree. July 2001.
    4. George Gregoire. Innovative Uses for Imprinted, U-Shaped PWB Traces & Microvias. IPC Expo `98. Long Beach, CA, USA.
    5. US Patent 4,606,787 to P. Pellegrino.
    6. D. J. Meier, J. Kickelhain. Laser Technologies for HDI Applications — New Structuring and Via Processing. Proc. ECWC (9). October 2002. Cologne, Germany.
    7. Ultramid T als Traeger fuer MID-Schaltungen bei Laser-Direkt-Strukturierung // Production von Leiterplatten und Systemen. 2004. № 9.
    8. Additive Circuit Processes // RT Circuits: Printed Circuit Europe. 3rd Quarter 2001.
    9. INVINT (www.invint.com).
    10. H. K. Roth et al. Laser Recording of Circuit Structures from Conducting Polymers in
    11. Insulating Polymer Layers // Circuit World. 1996. Vol. 22, N 2.
    12. Yoshiko Hara. Inkjet wiring advances `desktop factory` goal // ЕЕ Times. 11/8/2004.
    13. Market needs and LDI technological improvements drive further utilization of LDI (Orbotech). TPCA Proc. Oct.-Nov. 2003. Taipei, Taiwan.
    14. http://www.pentax.co.jp/japan/products/
    15. www.cmslasermarking.com
    16. www.anvik.com
    17. New System Company (www.new-system.com).
    18. Productronica. Product Launches // Printed Circuit Europe. 1st Quarter 2000.
    19. Jetmask Ltd. (www.jetmask.com).
    20. The Inkjet Legend // Printed Circuit Europe. 1st Quarter 2001.
    21. Printar (www.printar.com).
    22. MicroFab Technologies (www.microfab.com).

     
    ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

    Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
    Хорошо
    Нормально
    Плохо