Технологии в электронной промышленности №5'2006

Лазерная литография в производстве печатных плат

Аркадий Медведев


Возможности увеличения плотности межсоединений в печатных платах непосредственно связаны с литографическими процессами, традиционно завершающимися травлением металлического покрытия (фольги) для формирования токопроводящего рисунка и изоляционных зазоров. На смену стандартной фотолитографии, начинающейся с фотошаблонов, приходят процессы прямого формирования рисунка на фоторезисте (LDI — Laser Direct Imeging), исключающие операцию изготовления фотошаблонов и даже процесс выжигания фольги (или медных покрытий) для обконтуривания проводников изоляционными дорожками (DS — Direct Structuring). Это позволяет вообще обходиться без процессов фотолитографии и травления. В сравнении с традиционной контактной печатью LDI имеет как преимущества, так и недостатки. Поэтому важно понять суть этого процесса, чтобы определить его применимость к специфическим условиям конкретного производства.


Аркадий Сержантов,

Исторически растровое формирование изображения по технологии LDI было впервые разработано в 1990 году. В самой обычной реализации LDI управляющая CAD/CAM-система используется для того, чтобы модулировать сфокусированный лазерный луч, который в свою очередь создает растровый топологический рисунок на поверхности платы, аналогично тому, как изображение построчно формируется на экране телевизора. Доступные в настоящее время LDI-системы могут прорисовать заготовки шириной 610 мм за один проход, что исключает необходимость пошагового создания изображения или сшивания фрагментов в один формат. Эти системы обычно используют газовый или твердотельный лазер, который выделяет несколько ватт мощности в ультрафиолетовом диапазоне.

Самые очевидные преимущества LDI — экономия времени и отсутствие расходов на изготовление, использование, обработку и хранение фотошаблонов. Кроме того, LDI избавлено от проблем, связанных с фотопленкой, ее хранением и дефектами. Процессы LDI обеспечивают лучшую четкость рисунка и позволяют увеличить выход годных печатных плат.

Процессы LDI также обеспечивают более точное совмещение элементов межсоединений, чем методы контактной печати, и поэтому позволяют производить платы самой разнообразной сложности и классов точности. При контактной печати трудно избежать изменений размеров фотошаблонов и деформаций заготовок плат. Эти изменения обусловлены нестабильностью среды производственных помещений, которые в идеальном случае должны поддерживаться в пределах +2 °С и ±5% относительной влажности. Кроме того, изменения как в пленочной основе фотошаблонов, так и в основаниях ПП обычно носят анизотропный характер. В результате для компенсации ошибки невозможно применить какой-либо один коэффициент масштабирования топологического рисунка (рис. 1).

Технология LDI помогает избежать всех этих проблем, так как, во-первых, не использует фотошаблонов, и топологическая точность растрового рисунка, сделанного лазерным лучом, не зависит от внешних условий. Во-вторых, большая управляемость, присущая LDI-процессу, позволяет при необходимости изменять размеры, позиционирование и формы элементов рисунка. Чтобы определить, какие конкретные изменения необходимы, система отображения LDI измеряет точные положения реперных знаков на заготовке и затем использует полученные данные для того, чтобы с высокой точностью вычислить масштабные коэффициенты для оптимизации совмещения конкретно для каждого образца или для партии однотипных заготовок. Как правило, масштабирование касается изменения положения элементов по осям X и Y и смещения рисунка поворотом (наклоном). В итоге, в реальных производственных условиях точность совмещения двух сторон заготовки слоя с размерами 610x812 мм может достигать 24 мкм.

Рис. 1. Топография деформаций тонкого внутреннего слоя МПП, демонстрирующая неоднозначность смещений элементов рисунка по полю заготовки

Способность обеспечивать хорошее совмещение особенно важна для производства ПП с высокими классами точности. Как правило, когда изготовитель хочет обеспечить высокую точность совмещения, он использует меньший размер заготовки, что позволяет свести к минимуму влияние линейных деформаций. Этот же прием по существу диктует и ГОСТ 23751. С одной стороны, это действенный способ уменьшения смещения элементов за счет деформаций и увеличения выхода годных. Но с другой — при этом снижается производительность, так как резко уменьшается количество ПП, мультиплицированных на заготовке. Вследствие этого повышаются производственные издержки. LDI, напротив, не нуждается в использовании заготовок малых размеров.

Анизотропность процесса экспонирования фоторезиста вертикальным лучом позволяет при определенных экспозициях получить глубокий рельеф с вертикальными стенками и после наполнения его гальванической медью с последующим дифференциальным травлением получить прямоугольный профиль проводников с узкими зазорами.

Один из недостатков LDI заключается в невозможности достичь такой же высокой разрешающей способности рисунка, как при контактной печати. Минимальный размер, который могут воспроизвести современные LDI-системы — 25 мкм (15 мкм — для контактной печати). Этот недостаток делает невозможным использование LDI для производства тонких линий, например, для Flip-Chip-компонентов. Однако это препятствие не является непреодолимым, и разработки систем, где эта проблема устраняется, уже ведутся. В первую очередь решаются проблемы уменьшения светового пятна лазера и увеличения фокусного расстояния, чтобы избежать расфокусировки при разновысокости заготовок (рис. 2).

Есть еще один существенный недостаток LDI — относительно низкая производительность процесса: 80-90 заготовок в час (как для внутренних, так и для внешних слоев). Технология контактной печати позволяет экспонировать порядка 200-300 заготовок в час для внутренних слоев и 90-120 — для внешних. LDI-системы если и смогут достичь такого результата, то только при использовании сверхчувствительных сухих пленочных фоторезистов (СПФ) (10 мДж/см2), которые, естественно, намного дороже, чем обычные СПФ.

Производительность LDI-системы может быть улучшена и путем увеличения мощности лазера. Ранее в LDI-системах использовали аргоновые лазеры, например, 4-ваттный аргоновый лазер с длиной волны 351-364 нм. Этот тип лазера обладает необходимым для успешной работы LDI-системы качеством излучения. Главный недостаток его — проблемы, связанные с эксплуатацией, а также большие начальные затраты по монтажу и настройке системы. Немало возникает проблем и собственно с работой лазера и его обслуживанием, которое стоит довольно дорого. Заметим, что 4-ваттный аргоновый проточный лазер потребляет и рассеивает значительную мощность, требующую эффективного водяного охлаждения (скорость около 20-50 литров в минуту) и непрерывного обмена сухого азота в рабочей камере (5-10 литров в час). При этих условиях среднее время наработки на отказ плазменной трубы для лазера такого типа — около 3000 часов.

Рис. 2. Сравнение систем LDI с большой и малой глубиной резкости
Рис. 3. Схема выделения нужной гармоники излучения лазера (355 нм)

Оптическая система в LDI-установке требует настройки после замены трубы, так как лазерный луч не будет выходить из новой трубы точно так же, как из предыдущей. В дополнение к затратам на вспомогательное оборудование для LDI приходится учитывать время простоя в периоды замены трубы и юстировки оптики, что тоже обходится довольно дорого.

Чтобы соответствовать требованиям LDI-систем, в частности в плане обеспечения надежности в сочетании с приемлемыми ценами, изготовители лазеров, например Coherent, разработали альтернативный твердотельный лазер. Так, например, в лазере Coherent Paladin используется стержень NdYAG (стеклоподоб-ное вещество) с оптической накачкой диодными лазерами через спаренные оптоволоконные линии. Из основного инфракрасного излучения (1064 нм) NdYAG-лазера специальными приемами (рис. 3) выделяется для использования гармоника с длиной волны 355 нм.

Такая конфигурация позволяет получить на выходе излучение отличного качества, с очень хорошей сходимостью и стабильной мощностью. Технологические твердотельные лазеры собираются в стерильных условиях, затем герметически запечатываются, чтобы исключить возможность внесения загрязнений в оптическую систему установки. Срок службы систем с твердотельными лазерами определяется ресурсом диодов накачки — 10 тыс. часов. За счет сдвоенности оптической системы накачки лазера создается возможность замены диодов без остановки процесса и дополнительной юстировки системы.

Кристаллы выделения гармоник требуют замены через 15 тыс. часов работы, что довольно много. Замену кристаллов производит их изготовитель.

В дополнение к увеличенному сроку службы, эта LDI-система способна работать в широком диапазоне температур и при произвольных колебаниях влажности, а это обеспечивает возможность работы в жестких промышленных условиях без вмешательства наладчиков.

Относительно большой КПД твердотельных лазеров снижает потребляемую и рассеиваемую мощность. Это позволяет подключать лазер к стандартной сети, а для охлаждения использовать небольшой охладитель с замкнутым водяным контуром, который устраняет потребность в большом количестве воды (для сравнения: потребляемая мощность Paladin 4 кВт, аргонового лазера — около 60 кВт).

Первые LDI-системы на основе твердотельного лазера использовали установки с выходной мощностью 4 Вт. При такой мощности нельзя было рассчитывать на высокую производительность процесса, если использовался обычный фоторезист. Однако LDI-системы имеют большое преимущество — возможность масштабирования.

Затем, в 2005 году на рынке появился лазер мощностью 8 Вт. С такой мощностью стало возможным использование менее дорогого пленочного фоторезиста (20 мДж/см2) и при этом поддерживать производительность около 80 заготовок в час. Для еще большего увеличения производительности, в свою очередь, может использоваться более чувствительный фоторезист. Графики на рис. 4 отражают зависимость производительности процесса от чувствительности фоторезиста для лазеров мощностью 8 и 4 Вт.

Рис. 4. Зависимость производительности процесса от чувствительности фоторезиста для мощностей лазеров 4 и 8 Вт

Вообще говоря, области применения LDI-процессов гораздо шире, чем растровое экспонирование фоторезистов. Применительно к твердотельному лазеру YAG UV, работающему на третьей гармонике, или к эксимер-ным лазерам можно оговорить весь перечень возможностей их использования:

    • Сверление глухих отверстий (Ablation drilling of vias). Лазер может «прошить» один, два, три внутренних слоя, чтобы после металлизации можно было сформировать межслой-ные соединения. Скорость лазерного сверления достигает сотен (в ряде случаев — тысяч) сверлений в секунду. Таким образом, лазерная установка сверления тонких отверстий по производительности и своим возможностям заменяет десятки шпинделей станков механического сверления.
    • Прямое лазерное изображение на фоторезисте — лазерная литография (Direct imaging of photoresist). Мощный ультрафиолетовый лазер (355 нм) с автоматическим управлением создает достаточную для экспонирования фоторезиста плотность энергии (30 мДж/см2). Лазерный луч формирует растровое изображение топологического рисунка в негативном или позитивном фоторезисте, свободное от пыли и дефектов, свойственных фотошаблонам, без деформаций, связанных с неустойчивостью параметров внешней среды, без необходимости использования процессов контактной печати и дорогостоящих установок экспонирования.
    • Прямое лазерное изображение в масочном покрытии (Direct Imaging by ablation of resist). Используется любое покрытие, устойчивое к травильным растворам и агрессивной среде электролитов меднения и нанесения металлорезистов. Избирательное испарение (сублимация) под действием энергии лазера формирует в масочном покрытии позитивный или негативный топологический рисунок. По нему идет травление медной фольги или нанесение металлорезиста с последующим травлением. Этот процесс, как и предыдущий, свободен от проблем с пылью, деформацией фотошаблонов, контактной печатью.
    • Прямое формирование рисунка непосредственно в медном (фольговом) покрытии (Direct Patterning of the Copper). Этот процесс не нуждается в резисте, его проявлении и удалении. Он может сочетаться в одном проходе с лазерным сверлением глухих отверстий, чем дополнительно обеспечивается хорошее совмещение контактных площадок с отверстиями (±20 мкм).
    • Прямое формирование рисунка на метал-лорезисте (Direct Patterning of the Tin plated Copper). Этот процесс следует рассматривать в связи с использованием тентинг-про-цессов, когда на завершающей стадии электрохимической металлизации на всю поверхность заготовки осаждается ровный слой металлорезиста (в частности, олова). Рисунок формируется в поверхностном ме-таллорезисте, по которому идет последующее травление. Хорошо управляемое совмещение топологического рисунка с отверстиями позволяет избежать случайных травлений отверстий, свойственных тен-тинг-методу, когда фоторезист не защищает отдельные отверстия от травления. Нет необходимости использования дорогостоящего толстого фоторезиста, свойственного тентинг-методу.
    • Прямое лазерное гравирование (Direct Grooving Ablation). Само название процесса говорит о возможностях его использования, в частности, для изготовления шиль-диков.
    • Избирательная (по рисунку) активация диэлектрика (Direct Laminate Activation). Лазерный луч активирует внедренный в объем диэлектрика катализатор, на котором потом идет химическое осаждение меди.
    • Этот чисто фотоаддитивный процесс запатентован фирмой LPKF в сочетании возможностей управления фокусировкой луча так, что можно формировать рисунок на неплоских поверхностях. LPKF демонстрирует свой процесс на телефонных трубках, внутри которых лазером активируются элементы рисунка, которые потом металлизируются для образования нужных соединений микрофона и телефонной капсулы.

    • Избирательное испарение (сублимация) паяльной маски (Soldermask Ablation). Процесс идет на полностью отвержденной паяльной маске. В местах, которые должны быть освобождены от масочного покрытия, управляемый лазерный луч выжигает покрытие, очищает и активирует поверхность контактных площадок для пайки.
    • Лазерная обрезка по контуру (Direct Routing of complex shapes). Такие гибкие материалы, как полиимид или полиэфирные пленки, не поддаются качественной механической обработке. Кроме того, что лазерное фрезерование контура плат гораздо производительнее механического, оно позволяет обрабатывать все экзотические материалы без ограничений.
    • Подгонка резисторов (Resistor Trimming). Расширяющееся использование встроенных в плату пассивных компонентов обуславливает необходимость подгонки напечатанных резисторов, индуктивностей и конденсаторов под нужный номинал. Эти процессы используются уже давно в других конструкциях монтажных подложек (в микросборках, гибридных схемах), но здесь они выступают в новом качестве из-за других габаритов и более низкой термостойкости монтажных подложек. Единственный вариант использования LDI-систем для прямого формирования рисунка обконтуриванием проводников с выжиганием фольги (рис. 5) до сих пор вызывает сомнения, что мешает их продвижению в производство. Пока никто не предъявил результаты этого процесса, удовлетворяющие приемлемым требованиям. Но увеличение термостойкости базовых материалов, возможности специальной обработки границ раздела «фольга-диэлектрик», чернение поверхности меди для лучшего поглощения лучистой энергии и другие, еще не известные нам, приемы должны приблизить промышленность к решению проблем этого очень перспективного процесса.
    Рис. 5. Выделение проводников из общего массива фольги выжиганием контуров

    Принцип избирательного выжигания фольги основывается на разнице в спектральном поглощении световой энергии диэлектриком и металлом (рис. 6). Как видно из рисунка, эта разница наблюдается в очень узком диапазоне между 270 и 320 нм, куда попадает ограниченный ряд лазеров. В этом ультрафиолетовом диапазоне излучают Krl-лазер (240 нм), аргоновый лазер (351-364 нм) и NdYAG-лазер на третьей гармонике (355 нм). В свою очередь, в инфракрасной области хорошо излучают все тот же NdYAG-лазер на первой гармонике (1065 нм) и С02-лазер (9,25; 9,4 и 10,6 мкм). В том и другом случае имеются в виду мощные лазеры, способные обеспечить высокую производительность в процессе формирования рельефа рисунка плат.

    Рис. 6. Спектральные характеристики абсорбции энергии излучения диэлектриками и металлами

    Сомнения заключаются в том, что сублимация меди, когда ее выжигают до диэлектрического основания, не обжигает диэлектрик. И что конденсация паров металла на поверхности диэлектрика может быть надежно потом удалена без повреждения диэлектрика. Тем не менее, в ряде публикаций [2] этот процесс в сопоставлении с другими рассматривается всерьез, и мы тоже попробуем сопоставить наиболее интересные для производства варианты использования лазерной литографии: LDI по фоторезисту, LDI по меди — с традиционным процессом изготовления плат.

    Рис. 7. Схемы процессов изготовления внутренних слоев МПП
    Рис. 8. Сопоставление стоимостей формирования рисунка внутренних слоев МПП различными методами в зависимости от объема партий. Стоимость отнесена к 12-слойной плате. Разрешение: ширины проводников и зазоров — 50 и 50 мкм. Выход годных: для традиционных технологий — 70%, для лазерной литографии по фоторезисту — 90%, для выжигания лазером фольги — 95%.

    Представим структуры процессов изготовления внутренних слоев многослойных печатных плат (МПП) или, что то же самое, плат без металлизации отверстий, показанные на рис. 7.

    В таблице 1 показано качественное сопоставление процессов, изображенных на рис. 7.

    Из различных источников, в частности [2], можно представить стоимость 1 м2 заготовок слоев, обрабатываемых по сопоставляемым методам (рис. 8). Из рис. 8 видно, что стоимость лазерной литографии слабо зависит от объема партии. Это значит, что она приемлема для прототипного производства высококлассных печатных плат. Традиционные технологии для обеспечения производства плат высокого класса требуют набора дорогостоящего оборудования высокой производительности, избыточной для прототипных производств.

    На рис. 9 показаны схемы обработки наружных слоев плат с металлизацией отверстий. Сопоставление показателей процесса приведено в таблице 2. Сопоставление стоимостей процессов показано на рис. 10. Здесь тоже явно просматриваются преимущества лазерной литографии.

    Таблица 1. Сопоставление методов формирования токопроводящего рисунка на внутренних слоях
    Таблица 2. Сопоставление методов формирования токопроводящего рисунка на наружных слоях печатных плат
    Рис. 9. Схемы процессов изготовления наружных слоев с паяльной маской
    Рис. 10. Сопоставление стоимостей формирования рисунка наружных слоев различными методами в зависимости от объема партий.

    Заключение

    Подводя итоги оценки возможностей лазерной литографии, можно с уверенностью утверждать, что за ними будущее. Ведь уже сегодня они демонстрируют явные преимущества при создании прототипных производств многослойных печатных плат высокого класса точности. Эти преимущества состоят не только в меньших капиталовложениях, но и в возможности быстрого изготовления плат, когда исключена процедура изготовления и стабилизации фотошаблонов, а также в меньшем уровне требований к производственной среде, в меньшем объеме брака и производственных издержек.

    Результаты исследований в области лазерной литографии предрекают им успех в конкуренции с контактной печатью и традиционными технологиями производства печатных плат. Для российских производств, с их малыми объемами в сочетании с необходимостью изготавливать платы высокого класса точности, лазерная литография может занять лидирующее место, хотя это и не отменяет право на существование базовых процессов, особенно для больших партий плат.

    Литература

    1. Венкат Ш. Лазерные разработки расширяют возможности LDI // Технологии в электронной промышленности. 2006. № 1.
    2. Vaucher С, Jaquet К. Laser Direct Imaging and Structuring: Материалы летней конференции EIPC, Стокгольм, июнь 2005 г.

     
    ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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

    Запчасти для автокранов
    Обслуживание и ремонт автокранов
    z-k-s.ru