Растровые системы прорисовки фотошаблонов для прецизионных печатных плат

Владимир Городов

Введение

Операция изготовления фотошаблонов является ключевой в процессе производства печатных плат, поскольку все погрешности фотошаблонов переносятся на топологию платы. Изготовление фотооригиналов для последующего тиражирования рабочих фотошаблонов осталось в прошлом. И сегодня благодаря высокой производительности оборудования существует возможность изготавливать рабочие фотошаблоны. В данный момент на рынке присутствует множество фотоплоттеров, позиционируемых для производства печатных плат, имеющих различные конструктивные решения.

Что предлагается?

В современном производстве печатных плат уже давно не используются векторные фотоплоттеры (как и фотонаборные машины) ввиду их низкой производительности и высокой стоимости. Поэтому для современного производства остается актуальным только растровый метод засветки. В этом методе рисунок формируется элементарным пятном сфокусированного источника света. Размер пятна является одной из самых важных характеристик растровых фотоплоттеров, которая называется разрешением фотоплоттера. Для формирования топологии фотошаблона необходимо выполнить горизонтальную и вертикальную развертку луча. Точность механизмов, обеспечивающих эти развертки, в значительной степени сказывается на качестве конечного результата.

Рассмотрим существующие компоновки фотоплоттеров, используемых в производстве печатных плат.

Планшетные фотоплоттеры

В случае планшетной компоновки, построенной на основе принципа работы векторных фотоплоттеров, засветка поля фотошаблона осуществляется

за счет последовательного перемещения головки с лазером или матрицы расщепленного луча лазера. Обычно сканирование рабочего поля осуществляется так, как показано на рис. 1. Сканирующие движения не являются равномерными. Ускорения и торможения движения головки в конечных точках, а также смена направления движения приводит к дополнительным погрешностям позиционирования. Кроме того, погрешности позиционирования могут быть вызваны выборкой зазоров в передаче перемещения, поскольку, как правило, используется шарико-винтовая передача. Для обеспечения точности позиционирования, и, как следствие, точности фотошаблонов в этом типе плоттеров очень важную роль играет система привода каретки или рабочего стола, а также измерительная система, предоставляющая возможность корректирования их положения. Все это делает планшетные фотоплоттеры дорогостоящим оборудованием, к тому же не отличающимся высокой производительностью. Кстати, в некоторых планшетных фотоплоттерах засветка производится через стекло, что неблагоприятно влияет на ее качество. Однако данный вид фотоплоттеров позволяет добиться хороших результатов при обработке фотошаблонов на жестких носителях, например на стекле.

Протяжные фотоплоттеры

Принцип работы этого фотоплоттера можно сравнить с принципом работы офисного принтера (рис. 2). Фотопленка равномерно движется по роликам конвейера фотоплоттера, и с помощью вращающихся призм с зеркалами производится последовательное отклонение засвечивающего луча, обеспечивающее вертикальную развертку. Так как источник света является единственным и неподвижным, а луч света, производимый источником, меняет свое направление, на фотопленке возникает эффект параллакса. Данный недостаток может быть программно компенсирован при одновременном обеспечении равномерности топологии рисунка. В протяжных фотоплоттерах есть дополнительные погрешности формы: трапециевид-ность формы, а также сдвиг одной строки относительно другой. Такие погрешности вызваны проскальзыванием роликов по пленке и неравномерностью движения пленки по конвейеру. Кроме того, при перемещении фотопленка испытывает деформации (растяжения/сжатия), что тоже оказывает влияние на точность фотошаблонов. Все это ограничивает применение данного типа фотоплоттеров для производства фотошаблонов, однако возможно изготовление фотошаблонов для несложных печатных плат.

Барабанный фотоплоттер

Данная компоновка фотоплоттеров является наиболее простой в реализации: фотопленка закрепляется на барабане с помощью вакуума, подаваемого в пазы барабана. Затем барабан раскручивается до определенной частоты, которая очень точно поддерживается с помощью системы управления с обратной связью. После этого каретка с одним или несколькими источниками света начинает перемещаться по оси Υ. В соответствии с программой производится засветка точек растра на фотошаблоне. За один оборот барабана засвечивается одна или несколько строк (в зависимости от количества источников света на каретке). Диаметр и длина барабана определяет формат фотошаблона, а частота вращения — производительность. Следует отметить, что засветка производится за один проход каретки, а ее низкая скорость перемещения позволяет использовать стандартную передачу «винт-гайка» с трапециевидной резьбой. Как видно на рис. 3, в начале движения (до начала рабочего хода) производится выборка зазоров в передаче, и в дальнейшем эти зазоры не влияют на точность позиционирования. Все это упрощает конструкцию фотоплоттера, делая его недорогим и точным решением для изготовления фотошаблонов. Как правило, в указанном типе фотоплоттеров в качестве источников излучения используются лазеры, так как они позволяют легко сфокусировать луч и могут менять направление с высокой скоростью.

«Внутренний» барабан

Технология «внутреннего» барабана широко используется в типографских фотоплоттерах, в силу большей простоты автоматизации процесса, предусматривающего загрузку фотопленки из рулона. Суть этой компоновки заключается в замене вращающегося барабана на вращающуюся оптическую призму с зеркалом внутри барабана. Развертка по оси X осуществляется за счет вращения призмы с зеркалом. Перемещение всего механизма (системы привода призмы) обеспечивает развертку по оси Υ. Замена массивного барабана на легкую оптическую призму позволяет достигать большей частоты вращения и, следовательно, производительности [3]. Но меньшая инерционность системы вопреки ожиданиям не дает повышения точности поддержания частоты вращения. Однако такую конструкцию сложно назвать простой: высокоточная призма вращается на герметичном воздушном подшипнике (то есть дополнительно необходимо обеспечить фокусировку луча на внутренней поверхности барабана), для поддержания синхронности требуется передача движения, способная создавать большие скорости перемещения. Это заставляет производителей применять шари-ко-винтовую пару или даже дорогостоящие линейные приводы со следящей системой. Наличие сложной оптики и размещение подвижных элементов внутри барабана может потребовать дополнительных затрат на обслуживание и настройку.

Разрешение

Разрешение фотоплоттера является наиболее важной характеристикой, определяющей качество фотошаблона. Как правило, разрешение обусловливается типом лазера и возможностями оптической системы. Для определения разрешения используется величина, равная отношению количества точек на 1 дюйм (обозначается dpi), пришедшая из полиграфии. В таблице приведен перевод наиболее распространенных величин разрешений в размер точки [1].

Обычно ширина минимально воспроизводимой линии содержит четыре элементарных точки.

Для снижения эффекта «волнистого края» тонких проводников засветка фотопленки производится с шагом, меньшим, чем размер точки (рис. 5). Однако это приводит к снижению производительности, а потому требуется точная система позиционирования каретки (с точностью позиционирования, меньшей размера точки).

Таблица. Размер точки в зависимости от разрешения

Следует отметить, что разные компоновки фотоплоттеров диктуют свои требования к системе засветки фотопленки. Например, в планшетных фотоплоттерах для получения нормальной производительности используется матрица расщепленного луча лазера, качество и характеристики которой определяют разрешение системы. Такие матрицы являются сложными и дорогостоящими оптическими системами. В барабанных фотоплоттерах засветка может выполняться несколькими лучами лазера одновременно (для повышения производительности), тогда как в фотоплоттерах с внутренним барабаном луч может быть только один.

Точность

Многие забывают, что для получения конечного результата — качественного фотошаблона высокого разрешения — фотоплоттера бывает недостаточно. На качество фотошаблонов сильно влияет точность системы позиционирования каретки (или стола, в зависимости от схемы перемещения пленки). Чтобы не получилось таких проводников, как показано на рис. 6, точность позиционирования должна быть соизмерима с разрешением фотоплоттера. Например, невозможно изготовить проводники шириной 10 мкм (разрешение 16 000 dpi) с точностью позиционирования ± 10 мкм.

В первую очередь точность позиционирования определяется качеством изготовления ходовых деталей фотоплоттеров (к примеру, винта в передаче «винт-гайка» или ша-рико-винтовой паре). Но и компоновка фотоплоттера накладывает свой отпечаток — так, в планшетных фотоплоттерах требуется большая скорость перемещения, вынуждающая производителей использовать ШВП или дорогостоящие линейные приводы. А сканирующий характер движения приводит к дополнительному влиянию зазоров в передаче движения на точность позиционирования. На рис. 1 приведена утрированная схема выборки зазоров в случае движения в разные стороны. Ситуация осложняется тем, что движение является неравномерным, и, следовательно, необходима более сложная система управления, а это неблагоприятно сказывается на стоимости оборудования.

Протяжные фотоплоттеры в силу конструктивных особенностей вносят дополнительные погрешности формы, такие как тра-пециевидность или сдвиг. Это происходит из-за проскальзывания роликов по фотопленке. Использование специальных материалов роликов позволяет снизить подобный эффект, но суммарная точность остается недостаточной для производства фотошаблонов прецизионных печатных плат.

В барабанных фото плоттерах на точность позиционирования влияет только точность изготовления элементов передачи и возможность регулировки элементов привода. Это связано с тем, что движение происходит равномерно и имеет одно направление. Такой характер движения позволяет значительно упростить систему управления и конструкцию фотоплоттера.

Поскольку погрешности изготовления деталей вносят в конечный результат систематические погрешности, их можно минимизировать с помощью общеизвестных математических алгоритмов и программного обеспечения. Например, в барабанных фотоплоттерах фирмы Slec для этой цели используются математическая модель «резиновый лист» [4], для внесения предыскажений в программы изготовления фотошаблонов. При этом пользователь может легко изменить параметры модели (смещения в узловых точках) на основе измерений тестового фотошаблона, что позволяет обеспечивать высокую точность засветки и компенсировать естественный износ движущихся частей на протяжении всего периода эксплуатации. Применение вращающегося барабана позволило разместить на каретке несколько расщепленных лучей лазера с длиной волны 632,8 нм (например, 8 лучей для модели 5088А, рис. 7), а низкая скорость перемещения каретки — использовать передачу «винт-гайка», простую в обслуживании и надежную в работе. При этом производительность осталась на требуемом уровне, скажем, фотоплоттер 5088А позволяет засветить фотошаблон с высоким разрешением (8000 dpi) всего за 20 минут. Все эти достоинства сделали фотоплоттеры фирмы Slec доминирующими на азиатском рынке оборудования и очень популярными в России.

Что нас окружает

Изменение параметров окружающей среды (влажности и температуры) в значительной мере влияет на размерную стабильность фотошаблонов. Для обеспечения совмещения элементов топологии многослойных печатных плат необходимо проводить операции засветки, химической обработки фотошаблонов (проявление, фиксаж) и экспонирования заготовок печатных плат в одинаковых условиях, то есть при одинаковых значениях температуры и влажности. Именно поэтому не рекомендуется размещать фотоплоттер и проявочный процессор в одном помещении. Следует учитывать, что влажность в упаковке фотопленки и в помещении может быть различной, поэтому перед экспонированием фотопленка должна вылежаться в помещении в течение 30 минут для одной пленки или 6 часов, если фотопленки уложены стопкой. Особое внимание следует уделять хранению готовых фотошаблонов, для этого обычно используются термо- и влагостаби-лизированные шкафы. Многие считают, что химическая обработка фотопленки ведет к изменениям формы, в то время как технология прямого выжигания эмульсионного слоя лазером лишена этого. Однако энергия, используемая при выжигании, во много раз больше, нежели при засветке, что ведет к нагреву и локальным искажениям фотопленки, а усадка фотошаблона после химической обработки равномерна по всему полю и при необходимости может быть скомпенсирована (с использованием математических моделей, упомянутых ранее).

Не следует забывать, что наличие частиц в воздухе приводит к дополнительным дефектам на фотошаблонах. Обычно серебросодер-жащие фотопленки электростатически не притягивают частицы (в отличие от пленок, используемых при выжигании), и для удаления пыли с них могут быть применены специальные адгезивные ролики или конвейерные установки. Проблему запыленности в помещении невозможно решить с помощью локальной фильтрации, так как при пропускании через фильтры создается дополнительная циркуляция воздуха, поднимающая более тяжелые частицы с поверхностей. Для удаления микрочастиц в чистых комнатах очищенный воздух подается потоком сверху вниз, а все фильтры вынесены за пределы помещения.

Заключение

В заключение хочется отметить, что планшетные, барабанные (в том числе с внутренним барабаном) фотоплоттеры позволяют выполнять фотошаблоны по высоким проектным нормам. Однако способ привода источника света определяет сложность конструкции и системы управления, предназначенной для достижения необходимых параметров точности. Поэтому при равных технических возможностях фотоплоттеры с разными компоновками могут значительно отличаться по стоимости. В статье показано, что на барабанных фотоплоттерах изготавливаются фотошаблоны с высокой точностью и высоким разрешением. А использование недорогих и более надежных компонентов снижает затраты на обслуживание и настройку. Следовательно, стоимость владения [5] этим типом фотоплоттеров (капитальная стоимость и стоимость обслуживания) значительно меньше, чем у других конструкций. А это означает, что с их помощью можно выпускать высокоточные печатные платы с меньшей себестоимостью.

Литература

1. Медведев А. Принципы прорисовки фотошаблонов // Производство электроники. 2005. № 5.
2. Бурденко С. Оптимизация затрат при изготовлении фотошаблонов для печатных плат // Производство электроники. 2005. № 4.
3. Зипунников В., Федоров С. Новый фотоплоттер с внутренним барабаном на российском рынке // Производство электроники. 2005. № 1.
4. Watson D. Contouring: A Guide to the Analysis and Display of Spatial Data. Elsevier Science, New York, 1994.
5. Далтон Ш. Определение истинной стоимости основного оборудования // Производство электроники. 2005. № 5.