4 Nyomtatot huzalozású lemezek

Átírás

1 4 Nyomtatot huzalozású lemezek 4.1 Bevezetés A nyomtatott huzalozás különálló elektronikai alkatrészek között létesít villamos és mechanikai kapcsolatot, szigetelő alaplemez felületén kialakított vékony, jól vezető sávokkal. A nyomtatott huzalozású lemez az elektronikai berendezés és készülékgyártó ipar alapvető fontosságú alkatrésze és a fejlődés tendenciáiból következően még hosszú távon az is marad. A nagy rajzolatfinomságú fémsávok formájában kialakított huzalok az egyéb vezetékekkel szemben több előnnyel rendelkeznek. A vezetéksáv felületkeresztmetszet aránya kedvezőbb, ezért hőleadása nagyobb, mint a kör keresztmetszetű huzaloké. Így azonos keresztmetszetre nagyobb áramerősség engedhető meg. Ez anyag-, tér-, tömeg- és költségmegtakarítást eredményez. A nagyfrekvenciás áramterhelhetőség is nagyobb, mert a kis vezetékvastagság miatt az áramkiszorítás kevésbé jelentős. A nyomtatott huzalozású lemezek az alkatrész-beültetést, szerelést, bemérést és ellenőrzést egyszerűbbé, automatizálhatóvá teszik. A nyomtatott huzalozású lemezre felépített áramköri egységekben a kötések száma a hagyományos vezetékes huzalozáshoz képest csökken, emiatt az áramkörök megbízhatóbbak, hosszabb élettartamúak. Az első nyomtatott huzalozású lemezeket a harmincas években gyártották kerámia-hordozóra. A vezetőréteget, amely beégetős ezüst készítmény volt, nyomdatechnikai eljárással vitték fel a kerámia lemezek felületére, ebből adódott azután az alkatrész elnevezése. A nyomtatott huzalozású lemezek technológiája az ötvenes évektől kezdődően a tranzisztorok megjelenésével, majd a mikroelektronika igényeinek megfelelően rendkívül gyorsan fejlődött, és igen sok változatot valósítottak meg. 4.2 Nyomtatott huzalozású lemezek csoportosítása A nyomtatott huzalozásokat a szigetelő alaplemez szerint két nagy csoportra oszthatjuk: merev nyomtatott huzalozások (1. ábra), hajlékony nyomtatott huzalozások (2. ábra). 1

2 1. ábra. Merev nyomtatott huzalozású lemez. 2. ábra. Hajlékony vagy flexibilis nyomtatott huzalozású lemez. E két nagy csoportot feloszthatjuk még a vezetőrétegek száma szerint is: a) egy oldalon huzalozott lemezek (3. ábra), b) két oldalon huzalozott lemezek (4. ábra), c) többrétegű lemezek (5. ábra). 3. ábra. Egy oldalon huzalozott lemez. 2

3 4. ábra. Két oldalon huzalozott lemez. 5. ábra. Többrétegű lemez. Külön típusnak tekinthető a hibrid huzalozás, amelynél a nyomtatott huzalozású lemez olyan beültetett elemeket is tartalmaz, amelyek feladata kizárólag az áramvezetés. Ilyen megoldásokat akkor alkalmaznak, ha pl. kétoldalas huzalozás nem lenne elég, viszont többrétegű alkalmazása gazdaságtalan, vagy készítésre nincs mód. Ezzel a megoldással a nyomtatott huzalozású lemez felületigénye és a huzalozás tervezési idő nagymértékben lecsökkenthető. A furatok szerint lehetnek (lásd 6. ábra): fémezett furatú lemezek, nem fémezett furatú lemezek. 6. ábra. Fémezés nélküli (bal) és fémezett falú furat (jobb). A nyomtatott huzalozású lemezeket rajzolatfinomságuk alapján is megkülönböztethetjük: 3

4 normál rajzolatú lemezek (min. huzal- és résszélesség: >0,3 mm), finom rajzolatú lemezek (min. huzal- és résszélesség: 0,3-0,1 mm), igen finom rajzolatú lemezek (min. huzal. és résszélesség: <0,1 mm). Az elektronikai berendezésekben a legszélesebb körben a merev nyomtatott huzalozású lemezek különböző típusait alkalmazzák. Ezek nemcsak a villamos összeköttetéseket biztosítják, de az esetek többségében a beültetett alkatrészeket mechanikailag is védik. Kezdetben a tranzisztoros (furat szerelhető) áramkörökhöz egy- és kétoldalas nyomtatott huzalozású lemezeket használtak és ezek a lemezek általában normál rajzolatúak voltak. A sok kivezetővel rendelkező, nagy alkatrész sűrűségű integrált áramkörök megjelenése finomabb rajzolatú nyomtatott huzalozású lemezek előállítását tette szükségessé. Ezek a lemezek általában fémezett furatú, két oldalon huzalozott kivitelben készülnek. A szerelési sűrűség növekedése, majd a nagyobb sebességű áramkörök kifejlesztése miatt vált szükségessé a kettőnél több rétegű lemezek gyártása. Manapság elterjedten használják a hajlékony nyomtatott huzalozású lemezeket, amelyek speciális térhuzalozások kialakítására is alkalmasak. Ezek egyszerűbb változatai például a hajlékony szalagkábelek. 4.3 Nyomtatott huzalozású lemezek anyagai A nyomtatott huzalozású lemezek szigetelő alaplemezből és azon elhelyezkedő vezetőrétegből állnak. Legtöbb esetben a fémréteg rögzítéséhez ragasztóanyag is szükséges. A forraszthatóság, korrózióállóság, jó villamos érintkezés, kopásállóság fokozására a vezetékmintázatra általában galvánbevonatot visznek fel. A környezeti hatások ellen a kész nyomtatott huzalozású lemezeket védőbevonattal látják el. A nyomtatott huzalozású lemezek anyagai: szigetelő alapanyagok, vezetőanyagok, ragasztóanyagok, galvánbevonat anyagok, védőbevonat műanyagok. 4

5 4.3.1 Szigetelő Alapanyagok A szigetelő alapanyagok lehetnek szervetlen és szerves alapúak. A szervetlen anyagok közül a kerámiákat alkalmazzák. A szerves anyagok közül a vázanyaggal erősített hőre keményedő műanyagok a merev-, az erősítés nélküli hőre lágyuló műanyagok pedig általában a hajlékony, nyomtatott huzalozású lemezek alapanyagai. Kerámia alaplemezek A nyomtatott huzalozások alaplemezeként többnyire ugyanazokat a kerámiaanyagokat alkalmazzák, mint a vastagréteg technikánál. A legelterjedtebbek a szteatit, és az alumínium-oxid kerámiák. Különleges célokra használatosak a berilliumoxid, titándioxid, csillámtöltésű üveg, fényérzékeny üvegkerámia és kerámia-bevonatú acéllemezek is. A kerámiák hátránya, hogy méretük korlátozott, mert sajtolásukhoz nagy nyomás szükséges, és nagy zsugorodásuk miatt törésre hajlamosak. A kerámia-bevonatú acéllemez hordozó anyagok nagy méretben is előállíthatók. Műanyag alaplemezek A merev nyomtatott huzalozású lemezek szigetelőanyaga (kompozit) vázanyagból és kötőanyagból áll. Vázanyagként legelterjedtebbek a papír és az üvegszövetet alkalmazzák. Az üvegszövet erősítés költséghatékonyabb változatai a nem szövött üvegszál, és az üvegpaplan vázanyagok. Kötőanyagként leggyakrabban fenol- és epoxigyantát használnak. A műanyag alaplemezek rétegelt és nem rétegelt változatban készülnek. Nagyobb mechanikai szilárdságuk miatt a rétegelt lemezek az leterjedtebbek. Ezeknél a vázanyagot műgyantával impregnálják, a kívánt vastagságig egymásra rakják, majd hő és nyomás segítségével véglegesen térhálósított lemezekké sajtolják. A felhasználási területet a vázanyag és a kötőanyag fizikai és kémiai tulajdonságai határozzák meg. Általános célú felhasználásra legtöbbször az olcsó, papírvázas fenol gyantás (FR2) rétegelt lemezeket használják. Ezek hőállósága megfelelő, jól megmunkálhatók, de nagy a nedvszívó képességük és kicsi a mechanikai szilárdságuk (ld. 1. táblázat). Főként az első és második generációs rendszereknél használatosak, az egy- és két oldalon huzalozott, de nem fémezett furatú lemezek alapanyagaként. 5

6 A papírvázas epoxigyanta (FR3) kötőanyagú rétegelt lemezek kis dielektromos veszteséggel és nedves környezetben sem változó, kedvező elektromos tulajdonságokkal rendelkeznek (ld. 1. táblázat). Jól sajtolhatók, hajlító szilárdságuk jobb, mint a fenol gyantás lemezeké. Közepes frekvenciatartományban alkalmazhatók. A megmunkálási körülményektől függően fémezett falú furatok készítését is lehetővé teszik. Önkioltó tulajdonságúak. Az üveg-szövetvázas epoxigyanta (FR4) kötőanyagú rétegelt lemezek kiváló villamos, mechanikai és hőállósági tulajdonságokkal rendelkeznek. Vízfelvételük csekély (ld. 1. táblázat). Jó tulajdonságaik következtében nagyfrekvenciás berendezésekben is jól alkalmazhatók. Furatfémezési technikához kiválóan alkalmasak vegyszerállóságuk és jó megmunkálhatóságuk miatt. Két oldalon huzalozott, fémezett furatú és többrétegű nyomtatott huzalozású lemezek legelterjedtebben használt szigetelő anyaga. Létezik olyan változatuk is, amely ultraviola (UV) fényű gerjesztés hatására fluoreszkáló színezéket tartalmaz. Ez fémezett furatú lemezek gyártásánál igen előnyös, mivel a gyártásközi szemrevételezéses ellenőrzés megbízhatóságát javítja. A fémhiányos helyeken az UV fénnyel megvilágított lemez fényesen világít. Így a furatfémezés hiányossága, a vezetékszakadás, és az igen finom rajzolatú lemezeknél maratás után a keskeny szigetelősávok könnyen ellenőrizhetők. Az eddigiekben ismertetett három alaplemez típust (FR2, FR3, FR4) alkalmazzák leggyakrabban. Valamennyi több minőségi fokozatban készül. További alaplemez típusok pl. üvegszövet vázanyagból és szilikon gyanta, melamin gyanta vagy poliészter gyanta kötőanyagból állnak. Ezek alkalmazását egy-egy különleges tulajdonságuk teszi indokolttá. Például az üvegpaplan vázanyaggal erősített poliészter gyanta kötőanyagú rétegelt lemezek olyan területen alkalmazhatók, ahol nagy nedvességtartalmú környezetben jó szigetelési ellenállás és mérettartás szükséges. Bár a merev alapanyagok döntő többsége vázanyaggal erősített hőre keményedő műanyag, létezik hőre lágyuló műanyagból vázanyag nélkül készített merev alaplemez is. Például a polifenilánoxid (PPO) alaplemez, amely nagy hőmérsékleten (T ü = 190 o C) alkalmazható, széles frekvenciatartományban állandó kis értékű a veszteségi tényezője (tgδ = 9 x 10-4 ) és nagy a mechanikai szilárdsága. 6

7 A legszigorúbb minőségi követelmények kielégítésére a hőre lágyuló politetrafluoretilén (teflon) üvegszövet vázanyaggal erősített lemezek alkalmasak. Száraz állapotban igen kicsi a veszteségi tényezőjük, nagy a megengedhető üzemi hőmérsékletük (ld. 1. táblázat). A legtöbb oldószernek, korróziót okozó sóknak és néhány koncentrált savnak is ellenállnak. Vízfelvételük minimális. Kiváló nagyfrekvenciás tulajdonságokkal rendelkeznek, ezért mikrohullámú alkalmazásra igen előnyösek. Általános célú terjedésüket magas áruk korlátozza. A hajlékony nyomtatott huzalozású lemezek jellegzetes szigetelőanyagai: politetrafluoretilén (teflon), poliimid (kapton), polietilén és polivinillklorid (PVC) hőre lágyuló műanyagok, valamint a poliészter (Mylar) hőre keményedő műanyag. Jellemzőket Ld. 1. táblázatban. Bár a vékonyabb epoxi-lemezek hajlékony változatai is forgalomban vannak, ezek nem sorolhatók az általánosan használt hajlékony anyagok közé, mert erősítés nélkül mechanikai szilárdságuk kicsi, üvegszövet-erősítéssel pedig nem elég hajlékonyak Vezetőanyagok A jól vezető fémréteget vagy az alaplemeztől függetlenül fólia formájában állítják elő és ráragasztják, esetleg rásajtolják a szigetelő lemez felületére, vagy közvetlenül annak felületén alakítják ki. A nyomtatott huzalozású lemezek gyártásában a leggyakrabban alkalmazott fém a réz. Különleges célokra alkalmaznak más fémeket is (pl. alumíniumot, ezüstöt, foszfor- vagy beríliumbronzot, nikkelt, mágneses ötvözeteket). A rézfóliák vastagságát szabvány rögzíti. Az ipari gyakorlatban a legelterjedtebben a 18, 35 és 70 µm vastagságú rézfóliákat alkalmazzák. Különleges esetekben pl. igen finom rajzolat esetén, vékonyabb pl. 5 µm vastagságú rézfóliákat is használnak, nagy áramsűrűség esetén pedig vastagabb, nagyjából 100 µm vastagságú rézfóliákat alkalmaznak. A fóliával szemben támasztott nagyon fontos követelmény az egyenletes vastagság és pórusmentesség. Az egyenlőtlen vastagság és a pórusosság ugyanis a vezető keresztmetszetének csökkenését, az áramsűrűség növekedését és a vezetéksáv esetleges leégését okozhatja. A pórusok azért is kedvezőtlenek, mert a fólia felragasztásakor ragasztó kerülhet a fólia felületére, amely maratáskor megakadályozza a réz oldódását ezeken a helyeken. 7

8 A fóliát elektrokémiai úton (galvanizálás) vagy hengereléssel készítik. A hengerelt fólia hátránya, hogy a fólia szélességi mérete korlátozott, villamos valamint mechanikai szempontból egyaránt anizotróp. További hátránya, hogy a fólia mindkét oldala sima, ezért a jó ragaszthatóság érdekében utólag mechanikai vagy kémiai úton érdesíteni kell. A felhasznált fóliák döntő többségét elektrokémiai úton (galvanizálás) állítják elő. A galvanizálás során a rézfóliát lassan forgó, krómozott dobra készítik, rézszulfát vagy rézcianid fürdőben. A kész fóliát folyamatosan fejtik le a dobról. A fólia szemcseszerkezetét az alkalmazott elektrolit összetétele és a galvanizálás paraméterei befolyásolják. A dobról lefejtett fólia dob felöli oldala fényes és sima, míg a másik oldala matt és szemcsés szerkezetű, amely ragasztáshoz megfelelő minőségű. Nyomtatott huzalozású lemezek gyártásához jelenleg leggyakrabban a fémfóliával borított szigetelőlemezeket alkalmazzák. A kívánt vezetékmintázat azonban közvetlenül a szigetelő hordozón is kialakítható pl. kémiai réz felvitellel és galvanizálással Ragasztóanyagok A szigetelő alaplemezre a fémfóliát ragasztással erősítik fel. A ragasztók a fémfólia tapadása szempontjából igen jelentősek, de ezen túlmenően hatással vannak a szigetelési, hő- és klímaállósági tulajdonságokra is. Csak olyan ragasztóanyagok használhatók, amelyek meghibásodás nélkül elviselik a forrasztáskor fellépő hőigénybevételt. A ragasztókban általában megtalálható a ragasztani kívánt szigetelőlemez műgyantája. Ezenkívül még más anyagokat is tartalmaznak, pl. a rugalmasság növelésére hőre lágyuló műanyagot. A merev rétegelt lemezek réz-borításának ragasztásához rendszerint vinillel módosított fenol gyantát és módosított epoxi gyantákat használnak, de a nitrilfenolgyanták alkalmazása is szokásos. A legtöbb hajlékony szigetelőlemezre a fólia ragasztóanyag hozzáadása nélkül, melegen köthető. A politetrafluoretilén-családhoz tartozó fóliák esetén a réz fólia kötéshez gyakran módosító kopolimereket használnak Fémfóliával borított szigetelőlemezek A kereskedelemben vezető fémfóliával borított szigetelőlemezeket egy- vagy két oldalas kivitelben és különböző vastagságokban hoznak forgalomba. Néhány szabványos fémfóliával borított szigetelőlemez vastagsági méret: merev nyomtatott huzalozáshoz: 1,5 és 2,5 mm ± 0,2 mm, 8

9 hajlékony nyomtatott huzalozáshoz: 0,2; 0,5 és 0,8 mm ± 0,1 mm. A leggyakrabban alkalmazott rézfóliával borított műanyaglemezek néhány jellemzőjét a 1. táblázatban tüntettük fel. A táblázat értéktartományokat tartalmaz, mivel az egyes gyártók által előállított lemezek jellemzői eltérőek. 1. Táblázat. Fémfóliával borított szigetelő alaplemezek jellemzői Vázanyag Műgyanta Permittiv itás (ε) 1 MHzen Veszteségi ténye ző (tgδ)x 10-4 Felületi szigetel ési ellenáll ás [MΩ] [1/K ]x MHzen Hőtágulás Hővezetőképesség [W/(m.K)] x10-2 Vízfelv étel 24 óra alatt súly % Lv = 1,5 mm Forra szfürdő állóság 260 C-on [s] Üze mi hő. [ C] papír fenol 4-5, ,6-6 5 max 120 papír epoxi 4, ,3-0,7 10 max 130 üvegszö vet epoxi 5,2-5, ,2-0,4 20 max 150 üvegszövet politetrafluor etilén 2,3-2, > ,1-0, és politetrafluor etilén ,1-2, <0, és poliészter 3-3, ,5-0, és poliimid 3-3, , és Galván bevonat anyagok A teljes vezetékmintázatra felvitt galván bevonatok a jó forraszthatóságot és korrózióállóságot biztosítják. Ezeket a bevonatokat vagy a kész huzalozásra választják le, vagy a vezetékezésnek megfelelő mintázatban maratás előtt viszik 9

10 fel a rézfóliára. Az utóbbi esetben a fémbevonat (tipikusan galván ón) maratási maszkként is szolgál. A leggyakoribb forrasztási védőbevonatok a teljesség igénye nélkül: galván ón, immerziós ón, tűzi ón (ólommentes), NiAu (árammentes nikkel és immerziós arany) és szerves bevonatok. A nyomtatott huzalozású lemez szélén kialakított érintkező felületekre felvitt galván rétegek a jó villamos érintkezést vagy a kopásállóságot biztosítják. Az érintkezők többségét nikkel + keményarany bevonattal látják el. A keményarany 0,1 0,5 % nikkel vagy kobalt ötvözőt tartalmazó arany. Korábban rendszeresen használták az ezüstöt érintkező felületek bevonására is. Az utóbbi időben azonban visszaszorult használata, mert nedves környezetben anyagvándorlásra, elektrokémiai migrációra igen hajlamos. Használatos még a palládium és ródium is, bár mindkét fém átmeneti ellenállása jóval nagyobb az aranyénál Védőbevonat anyagok A védőbevonat alkalmazásának többféle oka lehet. Például vezetékezés védelme mechanikai és környezeti hatások ellen, a beültetett alkatrészek védelme, vagy gépi forrasztáskor kialakuló forrasztóón-hidak (zárlat) kialakulásának megakadályozása. Ha a nyomtatott huzalozású lemezre a gyártás során nem visznek fel galván fémréteget, akkor a rézhuzalozás mintázatot oxidációtól meg kell védeni. Erre a célra régebben fenyőgyanta-bevonatot használnak, ma inkább műgyanta alapú lakkokat. A védőcélzattal felvitt gyantabevonatot azonban az alkatrészek beültetése, ill. a forrasztás előtt el kell távolítani, és friss folyasztószert (flux) kell használni, másként hidegforrasztás jöhet létre. Hosszú ideje a felületen levő gyanta ugyanis beszárad, oxidálódik és nem adja át a helyét a megolvadt forrasznak. A jó folyasztószerrel szemben támasztott egyik követelmény pedig az, hogy a forrasztás hőmérsékletén adja át helyét a megolvadt forrasznak (felületi nedvesíthetőség). A galván fémréteggel ellátott lemezek mechanikai és környezeti hatások elleni védőbevonatként használatos legfontosabb alapanyagok: az epoxigyanták, poliuretánok, szilikonok, akrilgyanták, poliimid és a para-xilol (parilén). A védőbevonat anyagokat osztályokba sorolják. Általános célra szolgál az epoxi és poliuretán bevonat. A szilikonok hőálló bevonatok, az akrilgyanták elektromos és nedvességálló tulajdonságai kiválóak. A poliimid nagyon magas hőmérsékleten tartósan ellenáll, és kiváló a vegyszerállósága. A magas o C kötési hőmérséklete azonban korlátozza alkalmazhatóságát. A fenti típusoktól eltérően a parilén szilárd halmazállapotú anyag, amit tipikusan 10

11 porlasztásos (gőzfázisú) eljárással hordanak fel a hordozókra vákuumban. Ezek az anyagok kiváló ellenállást biztosítanak a levegő páratartalmával, a kopással, a magas hőmérséklettel és vegyszerekkel szemben. A parilénnek sok kiváló tulajdonsága mellett hátránya, hogy igen költséges megoldást jelent. Az alakkövető védőbevonatok (vékony bevonatok) a beültetett alkatrészek kötéseinek elsősorban a mechanikai és kémiai védelmét biztosítják. A vastag bevonatok az alkatrészeket mintegy beágyazzák. Gépi forrasztásánál, a közeli fóliafelületek között keletkező, forrasztó ónhíd képződést megakadályozó forrasztás gátló védőbevonatokat visznek fel pl. a 7. ábrán látható módon. 7. ábra. Zöld forrasztásgátló bevonattal, fehér beültetési ábrával ellátott szerelő lemez részlet. A forrasztási védőbevonatok különleges változatai a forrasztás gátló szerepük mellett további előnyös tulajdonsággal bírnak: kopásállóság, korrózióállóság, nedvességállóság stb. Így forrasztás után a kész nyomtatott huzalozású lemezeken maradhatnak és egyben azok mechanikai és környezeti behatások elleni védelmét is biztosítják. A hajlékony nyomtatott huzalozások védőbevonatként általában az alapanyaggal megegyező, ragasztható műanyag fóliákat használnak. 4.4 A nyomtatott huzalozású lemezek gyártástechnológiája A nyomtatott huzalozású lemezek előállítására nagyon sok technikai eljárást dolgoztak ki és szabadalmaztattak. Jelentősége azonban csak azon néhánynak van, amely egyszerűen, gazdaságosan gyártható, kiváló a villamos és mechanikai 11

12 tulajdonsága, széles az alkalmazási területe és nem utolsó sorban nagy a megbízhatósága. A vezeték mintázat kialakítására alkalmazott eljárásokat többféleképpen csoportosíthatjuk. Az egyik felosztás szerint: szubtraktív, additív és féladditív technológiákat különböztetünk meg. A szubtraktív eljárásnál a kiinduló alapanyag egy vagy két oldalon fémfóliával borított szigetelő lemez, amelyről a nem kívánt fémfólia részeket maratással eltávolítjuk. Az additív eljárásnál (fémfólia mentes) szigetelő lemezből indulunk ki, amelyre a fém vezetősávokat a kívánt geometriában maratás nélkül visszük fel. A féladditív eljárás az előző két technológia kombinációja, azok előnyeit igyekszik egyesíteni (lásd szubtraktív eljárás és additív eljárás fejezetek). Az eljárás jellege szerint: kémiai és mechanikai módszert különböztetünk meg. A nyomtatott huzalozású lemezek döntő többsége kémiai módszerrel készül. A kémia módszer két változata: a negatív vagy fóliamaratásos módszer, és a pozitív vagy galvanizált huzalozási módszer Alaptechnológiai műveletek A különböző típusú lemezek előállításához ugyanazokat az alaptechnológiai műveleteket használják. Ezért először ezeket a technológiai műveleteket tárgyaljuk, és utána foglalkozunk a különböző típusú lemezeknél a konkrét gyártási folyamatokkal. Alaptechnológiai műveletek: mechanikai, maszkolási, galvanizálási, maratási. 12

13 Mechanikai technológiák A nyomtatott huzalozású lemezek gyártásának főbb mechanikai technológiai lépései: technológiai méretre vágás, furat-készítés (lyukasztás, fúrás), sorjátalanítás (maratás, csiszolás) méretre vágás, egyéb mechanikai megmunkálás Technológiai méretre vágás A nyomtatott huzalozású lemezek méretét a befogás, pozicionálás, galvanizálás összekötősávok stb. helyszükségletével, oldalanként általában mm-rel meg kell növelni. Ez a technológiai sávval megnövelt méret a technológiai méret. Kialakításához gyémánttárcsás vagy kemény fémlapkás körfűrészeket, illetve gépi ollót használnak. Sorozatgyártásnál a technológia méret megkívánt tűrése ±0,5 mm, a derékszögtől való eltérés maximum 1 o. Gépi lyukasztás Elsősorban a papírvázas lemezek nagy sorozatú gyártásánál alkalmazott eljárás. A legkisebb sajtolással készíthető furatátmérő kb. a lemezvastagság kétharmada. Értéke az alapanyag tulajdonságát javító gyantaadalékoktól és a vázanyagtól, valamint a lyukasztószerszám kialakításától függ. Fúrás A fúrási művelet helye a technológiai sorrendben a gyártási technológiától és a nyomtatott huzalozás típusától függően eltérő. Ennek megfelelően különbözőek a furatra vonatkozó minőségi követelmények. Fémezésre kerülő furatok esetén a követelmények: a furatfalak és peremek simák és gyantaelkenődés mentesek legyenek, hogy megbízható és jól forrasztható átkötést lehessen létrehozni a két vagy több vezetősík között. A furatfal minőségi az alkalmazott fúró él geometriája és a fúrási paraméterek együttesen határozzák meg egy adott szigetelőanyag esetén. Epoxi-üvegszövet szigetelőlemezekben a furatok készítéséhez nagy fordulatszámú (n = ford./perc) fúróberendezéseket és keményfém fúrókat használnak. A furat hossza (több lemez együttes vastagsága) kb. a furatátmérő 7-szerese lehet. 13

14 A termelékenység javítására a lemezeket általában nem egyedileg fúrják. Ilyenkor a fúrás technológiai sorrendje: csapoló furatok készítése, a lemezek kötegelése a csapoló furatokba nyomott csapokkal, fúrás, kötegbontás, ellenőrzés. A fúróberendezéseket egyrészt a vezérlési mód szerint (kézi, NC, CNC), másrészt az egy időben fúró orsók száma szerint (egy- és többorsós) különböztetjük meg. A kézi vezérlésű egyorsós fúrógépeket az egyedi és kissorozatú lemezek készítéséhez és fúrósablonok előállításához használták. Általában alulról fölfelé fúrtak és optikai, ill. pantográf követő fejjel ellátottak. Az NC vezérlésű fúróberendezések három csoportra oszthatók: egyszerű lyukszalag-vezérlésű fúrógépek (a vezérlő lyukszalag lehet számítógépes tervezés eredménye, vagy egyéb post processzor program segítségével előállított); vezérlő lyukszalagot is készítő berendezések (digitalizáló egységet tartalmazó NC fúróberendezés); önprogramozó NC fúróberendezések (a mintalemez kézi lekövetése feltölti az adattárolót) és, Manapság szinte kivétel nélkül CNC fúróberendezések alkalmaznak. A CNC gépek programozható mikroszámítógépet tartalmaznak, ami a vezérlését végzi illetve az elkészített programok feldolgozását (pl. a program szintaktikai ellenőrzését, a szerszámkorrekció számítását, az interpolációs számításokat, stb.). Sorjátlanítás A furatnak sorjamentesnek kell lennie, hogy ne roncsolja a maszkot, a szilárd fotoreziszt buborékmentesen felfeküdjék a rézfólián, galvanizáláskor csúcshatás ne keletkezzen stb. Ezért fúrás után a sorját kémiai maratással és/vagy csiszolással eltávolítják. A mechanikai sorjaeltávolítás lehet száraz, vagy nedves, valamint kézi vagy gépi eljárás. A kézi csiszolás általában lengőcsiszolóval történik. Jó minőségű csiszolást biztosít a műanyaghabba ágyazott SiC szemcsékkel végzett nedves csiszolás. 14

15 A csiszológépek általában: vizes kenésű alsó és/vagy felső csiszoló hengerpárból, nagynyomású vízkéses furatöblítőből és levegőkéses szárítóból állnak. Méretre vágás, egyéb mechanikai megmunkálás A gyártás utolsó fázisainak egyikében alakítják ki a lemez végleges méretét, elkészítik a nem galvanizált furatokat, alakos kivágásokat. A méretre vágás történhet gépi ollón kézi pozicionálással vagy mechanikus ütköztetéssel, körülvágó szerszámban, körfűrészen vagy kontúrmaró célgépen. A kézi pozicionálással történő beállításhoz optikai élkivetítős vágóolló használata megfelelő pontosságot eredményez. Jó vágási felület érdekében célszerűbb gyémánttárcsás körfűrészt vagy kontúrmaró célgépet használni. A kontúrmaró célgépek előnye a körfűrész gépekkel szemben, hogy termelékenyebbek, íves kivágások és belső, tetszőleges alakú kivágások is elkészíthetők (ld. a 8. ábrát). 8. ábra. Nyomtatott huzalozású lemez kontúrmarás után. Maszkolás technológiák A huzalozás geometriáját alapvetően a maszkolási technológia határozza meg. A maszkkal szemben támasztott követelmények: 15

16 maximális alak- és mérethűség biztosítása, megfelelő ellenálló képesség a gyártás további fázisaiban használt különféle vegyszerekkel (maratószerekkel, galvánfürdőkkel stb.) szemben, egyszerű és maradéktalan eltávolíthatóság. A maszkolás alapvető módszerei a következők: szitanyomtatás, fotolitográfia, ofszetnyomás, lézeres direkt levilágítás (LDI). A maszkolási technológia megválasztása egyrészt műszaki, másrészt gazdaságossági kérdés. Szitanyomtatás A szitanyomtatási technológia elsősorban a sorozatgyártásban alkalmazható gazdaságosan. Kézi szitanyomtatással kis sorozat nagyságú normál rajzolatú lemezek készíthetők. Automata szitanyomtató berendezésekkel finom- és igen finom rajzolatú lemezek állíthatók elő. A nyomtatott huzalozás rajzolat kialakításához alkalmazott szitanyomtatás megegyezik a vastagréteg-technológiánál megismert nyomtatással, csak a nyomtatógépek méretében és az alkalmazott szitaszövetek anyagában, szövésében, valamint geometriai méreteiben van eltérés. A lenyomat minőségét nagymértékben befolyásolja az alkalmazott festék minősége. Az alkalmazási területnek megfelelően igen sokféle festék áll rendelkezésre. a különböző maratás- és galvánálló festékek mellett amelyek között megtaláljuk a nagyobb ellenálló képességű, szerves oldószerrel eltávolítható vagy saválló, lugoldható típusokat számos speciális készítmény is használatos. Például az egy és kétkomponensű forrasztás gátló lakkok, a beültetési rajzok készítésére alkalmas festékek, védőlakkok stb. Külön meg kell említeni az un. UV festékeket. Ezeknek a galván- és maratásálló festékeknek speciális tulajdonsága, hogy a többi festékkel szemben szobahőmérsékleten nem száradnak meg. A beszárítást speciális UV megvilágító berendezésben kell végezni. Ez két nagy előnyt rejt magában: alkalmazásával elkerülhető a szitanyomtató sablon gyakori beszáradása (ez egyébként a szitanyomtatás kényes kérdése), továbbá a néhány perces UV fénnyel való szárítás a hagyományoshoz képest lényegesen gyorsabb, szinte szalagszerű termelést tesz 16

17 lehetővé. Az a tény, hogy a nyomósablonon a festék nem szárad meg, finomabb rajzolatok készítését is lehetővé teszi. Fotolitográfiai eljárás A fotolitográfiai eljárás a finom és az igen finom rajzolatú lemezeknél alkalmazott maszkkészítési technológia. A fotolitográfiai eljárás a következő lépésekből áll: felületkészítés (tisztítás), a fényérzékeny réteg (reziszt) felvitele, gyártófilm pozicionálása, vákuumkeretbe helyezés, megvilágítás, előhívás, retusálás, a maratást, ill. galvanizálást követően a fotoreziszt réteg eltávolítása. A rétegfelvitel módja alapvetően az alkalmazott fotoreziszt típusától függ. A fotoreziszteket két csoportra osztjuk: folyékony rezisztek, szilárd rezisztek. A fotoreziszt típusa és felviteli módja határozza meg az előállítható rétegvastagságot, amelynek döntő szerepe van a bevonat ellenálló képességében. A folyékony rezisztek közül a negatív típusút mártással vagy kenőhengeres úton vihetjük fel a hordozóra. A pozitív típusú rezisztet furattal ellátott lemezre csak kenőhengeres úton vihetjük fel. Mártó eljárásnál ugyanis a furatban is marad fotoreziszt, amelyet nem tudunk úgy megvilágítani, hogy előhíváskor maradék nélkül eltávolítható legyen. Az elérhető maximális rétegvastagság mártó eljárásnál: 5-12 µm, kenőhengeres eljárásnál: µm. A kenőhengeres eljárás előnye a nagyobb rétegvastagság, hátránya a felhordás jellegéből adódóan lényegesen nagyobb fotoreziszt felhasználás. A szilárd fotorezisztek fólia formájában kerülnek forgalomba. Az emulzió vastagsága µm között, a további technológiák kötöttségeinek megfelelően választható meg. A szilárd fotorezisztet védőrétegként poliészter és polietilén fólia fogja közre. A polietilén fóliát a rétegfelvitel során, a poliészter fóliát pedig 17

18 az előhívást megelőzően távolítjuk el az emulzióról. A szilárd fotorezisztek felvitele meleg hengereléssel - un. laminálással történik. Az e célra szolgáló berendezés működési vázlatát a 9. ábra szemlélteti. 9. ábra. Szilárd fotoreziszt lamináló berendezés sematikus ábrázolása. A fotorezisztek megvilágításakor a mesterfotót (gyártófilm) vákuum másolókeretben szorítják a lemezfelületére (képátvitel). A fényforrás kb nm hullámhosszúságú (UV) fényt kibocsátó fénycső vagy higanygőzlámpa volt régebben, manapság inkább a fém-halogén UV típusokat alkalmazzák és a megvilágítás idejét fényforrás automatikus kikapcsolásával lehet szabályozni. A fotorezisztek előhívását általában permetező rendszerű előhívó berendezésekben végzik. Az előhívó anyagát, amely lehet szerves, vagy vizes (lúgos) oldat, az alkalmazott fotoreziszttől függően kell megválasztani. A lúgos előhívással feldolgozható fotorezisztek hátránya, hogy ellenálló képességük korlátozott. Így csak olyan technológia esetén alkalmazhatók, ahol vegyi eljárások csak savas, esetleg igen enyhén lúgos kémhatású fürdőket tartalmaznak. Előnyük tűz- és munkavédelmi, valamint környezetvédelmi szempontból jelentkezik. Gondos technológia esetén is előfordulhat, hogy a fotoreziszt bevonatban helyi hibák keletkeznek. Ezek többnyire retusálással még javíthatók. A maratást, galvanizálást követően a lemezről a fotoreziszt bevonatot el kell távolítani. Erre a célra az előhíváshoz hasonlóan, szerves vagy vizes oldatokat alkalmazhatunk. 18

19 Ofszetnyomás Ez a rajzolat-kialakítási technológia csak igen nagy darabszámú tömeggyártás és normál rajzolat esetén gazdaságos. A vezetékezésről dombor mintát, fém nyomóbélyeget készítenek. Erre a festéket általában lágy gumihengerrel viszik fel. A nyomóbélyegről a huzalozásmintázatnak megfelelő festékbevonatot gumi-nyomóhengerre viszik át, amely azt az alaplemez rézfóliájára továbbítja. Az egy lépésben átvihető festék vastagsága mindössze néhány µm. Ezért vagy többszörös lenyomatot kell készíteni, vagy a festékrétegre bitumenport kell szórni, és o C-on kell égetni. A nyomóbélyeg előállítása nagyon drága, ezért ezt a technológiát csak igen nagy darabszám esetén alkalmazzák. Lézeres direkt levilágítás (LDI) Meg kell említeni, hogy manapság egyre elterjedtebben használják a lézeres direkt levilágítás módszerét (Laser Direct Imaging) is, amely során számítógéppel vezérelt közvetlen maszk kialakítást végeznek lézernyalábbal. A fotolitográfiához képest jobb rajzolatfinomságot biztosít és az eljárás kevésbé érzékeny a környezeti adottságokra (hőmérséklet, páratartalom). Galvanizálási technológiák A nyomtatott huzalozású lemezek gyártásának főbb galvanizálási lépései: maratásálló maszk galvanizálása, furatok galvanizálása, érintkezők galvanizálása. Maratásálló maszk galvanizálás Elsősorban kétoldalas galvanizált furatú lemezeknél alkalmaznak galván fém maszkot, de előfordul egyoldalas lemezeknél is, ha azokon az alkatrész beforrasztás gépi úton történik. A galván fémmaszk anyaga mára gyakorlatilag az ónra korlátozódott. A fémmaszk vastagságát szűk mérethatáron belül kell tartani. Az alsó határ 10 µm körül van; jó forraszthatóság szempontjából ez a minimális rétegvastagság. A maximális rétegvastagság is lényeges. A nyomtatott huzalozású lemezek tekintélyes részét tömegforrasztó eljárással pl. állóhullámú berendezéssel forrasztják. Ezért a lapok forrasztási oldalát szitanyomtatással (vagy függönyöntéssel) felvitt forrasztás gátló bevonattal látják el, és csak a forrasztási 19

20 pontok maradnak szabadon. A forrasztás gátló bevonat a vezetékek közötti rövidzár (forrasz-ónhíd) képződését akadályozza meg. Azonban ha a fémmaszk túl vastag és a forrasztáskor megömlik, a felületi feszültségnek köszönhetően megcsúszik a felületen és megrepeszti a felette lévő forrasztásgátló védőréteget (narancsosodás). E szempontot is figyelembe véve, a maratásálló galván fémmaszk maximális vastagsága kb. 20 µm, de gépi forrasztás esetén célszerű a galván ón maszkot teljesen leoldani és helyette valamilyen szelektív forrasztható védőbevonattal (pl.: NiAu) ellátni a forrasztási felületeket (Ha az ónleoldás mellett döntünk, akkor elég 5 µm ónt galvanizálni). A szelektív forrasztható védőbevonatok elkészítéséhez alkalamzzák az árammentes bevonat-felvitelt és az ún. immerziós bevonatkészítési eljárásokat. A galvanizáláshoz hasonlóan, az előző két eljárás is folyékony közegben (elektrolitokban) kémiai reakciók révén megy végbe, ezért nevezik ezeket a technológiákat nedveskémiai eljárásoknak is. Közös tulajdonságuk, hogy a folyamatok mindegyike redukció: pozitív töltésű fém-ionok elektronfelvétellel fémmé redukálódnak. Galvanizálás során a redukció elektromos áram hatására megy végbe, árammentes rétegfelvitel esetén redukálószert használnak, az immerziós bevonat készítésekor pedig az elektródpotenciálok különbsége a folyamat hajtóereje. Furatok galvanizálása A lemezek előkészítését (zsírtalanítás, kémiai maratás, oxidmentesítés) aktiválási művelet követi. A művelet célja a rézfóliával borított lemez szigetelőfelületein (furat palástfelületek) aktív szemcsék létrehozása. Aktiváláshoz általában palládiumot használnak, melyet egy vagy kétlépcsős eljárással visznek fel. A kétlépcsős eljárásnál először SnCl 2 majd PdCl 2 oldatba mártják az aktiválni kívánt tárgyat. Az SnCl 2 a felületen adszorbeálódik, s amikor a PdCl 2 oldatba mártjuk a tárgyat, a felületére palládium redukálódik ki. SnCl 2 + PdCl 2 -> Pd + SnCl 4 (5.1) Az egylépcsős eljáráshoz kolloid palládium oldatot használnak. Az elektrolit a palládiumot kolloid méretű szemcsék formájában tartalmazza. A szigetelő felületre kivált palládium szemcsék a kémiai réz elektrolitban megindítják a rézkiválást. Az elektrolit (redukciós oldat) alkotói rézszulfát, komplexképző, nátriumhidroxid, formaldehid és stabilizátor. A rézszulfát biztosítja a rézionokat. A komplexképző a rézionok mennyiségét állandó, kis szinten tartja. A 20

21 nátriumhidroxid a szükséges ph-t biztosítja. A formaldehid a redukáló szer. A stabilizátor pedig megakadályozza, hogy réz az elektrolitban is kiváljon. A reakció-egyenlet a következő: CuSO 4 + 4NaOH + 2HCHO = Cu + 2HCOONa + Na 2 SO 4 + H 2 + 2H 2 O (5.2) A kémiai rézleválasztás igen lassú folyamat (0,1 µm/perc), ezért csupán 0,5-1 µm vastag rézbevonatot választanak le kémiai úton. A kellő rétegvastagságot további galvanizálással leválasztott rézréteggel érjük el. A réz galvanizálási folyamat elve a 10. ábrán látható. 10. ábra. Galvanizálás során fém redukció (Me n+ + ne = Me) megy végbe a katódon (-). A galvanizálási műveleteknél a lemezeket a felületükre merőlegesen mozgatni kell az elektrolitban, hogy az elektrolit csere megfelelő legyen. A katódmozgás sebességét általában a galvanizálási technológia paraméterei határozzák meg. Gyors katódmozgatás hatására keskeny és mély fotoreziszt csatornákban örvénylés lép fel, és ez akadályozza a bevonat leválását a csatorna egyik felén, így a leválasztott bevonat féloldalas lesz. Galvanizáláskor kb µm vastag rézréteget és µm vastag ónbevonatot választunk le a huzalozás rajzolatának megfelelően a kiinduló lemezre. Ha az alkalmazott maszk vastagsága nem éri el a galvanikusan felvitt fémbevonat vastagságát, akkor a galván réteg gombaszerűen ránő (élek mentén az áramsűrűség nagyobb) a maszkra, és ezáltal a vezetékek szélessége megnő (11. ábra). 11. ábra. Gombaképződés (fém maszk) sematikus ábrázolása. 21

22 A gombaképződés tehát csökkenti a vezetékek közötti résszélességet. Finom és igen finom rajzolatú lemezek előállításánál rendkívül fontos a gombaképződés megakadályozása. A szilárd rezisztek különböző vastagságú fóliák formájában állnak rendelkezésre. Így szilárd fotoreziszt esetén a fémbevonat két fal között alakul ki, tehát gombaképződés nem léphet fel. A kémia réz + galván rézréteg eljárást az úgynevezett direkt galvanizálási eljárás követte a furatfémezés fejlődéstörténetében, melynek lényege, hogy galvanizálás előtt a furatok falának (pl.: FR4) szigetelési ellenállását lecsökkentik valamilyen vezető vegyület (karbonos oldat, palládium szulfid, stb.) alkalmazásával. Bár a vezető vegyülettel ellátott furatfal nem tekinthető klasszikus értelemben vezetőnek (egy-egy furat villamos ellenállása nx10 kω), viszont ez a csökkentett felületi ellenállás érték már lehetővé teszi a galvanizálást. Így a furatok falára kb. 5 μm vastag galván rézbevonat kerül. Ennek később más változatai is megjelentek, amelyek már a többrétegű lemezek, belső rétegeinek hatékony furatfémezését is lehetővé tették. Manapság a Blackhole furatfémezési technológia van elterjedőben, aminek lényege, hogy a furat falát karbon bázisú vezetővel látják el galvanizálás előtt. Az elnevezés abból ered, hogy első lépesként feketére színeződik a furat fala, a szelektíven megtapadt grafit szemcsék ( nm) miatt és ezután viszik fel a galván rézbevonatot. Az eljárás előnye a fentiekkel szemben, hogy lényegesen csökkenthető a folyamatidő és a költség. Érintkező galvanizálás Ha rajzolat galvanizálásakor maratásálló maszkként ón bevonatot készítenek, akkor az érintkezőket nem szükséges utólag külön bevonattal ellátni. Az általánosan használt ón maszkolás esetén az érintkező felületekre a lemez gyártása során, utolsó lépésként nikkel + arany réteget visznek fel. Az érintkezők felületéről az ón bevonatot kémiai módszerrel leoldják. Ha szükséges, mechanikailag csiszolják, és az így előkészített felületre választják le a nikkelbevonatot Watt s típusú (NiCl 2, NiSO 4, H 3 BO 3 + kiegyenlítő hatású adalékanyagot tartalmazó) félfényes bevonatot eredményező elektrolitból. Aranyozáshoz a nikkel-réteget aktiválni kell citromsavban. Ezt követi az előaranyozás, majd a keményarany-bevonat készítése. A legtöbb célra 2-2,5 µm vastag keményarany-bevonat elégséges. Aranybevonat készítésére a citromsavas és a szulfit-szulfátos típust használják. A citromsavas elektrolitba az aranyat kálium arany cianid formájában adják. A keménységet fokozó ötvözet ebben az esetben az elektrolitban kobalt vagy nikkel. Nagyon fontos az egyes 22

23 műveletek közötti megfelelő vízöblítés. A különböző galvanizálási műveletekhez modul egységekből álló sorokat lehet összeállítani. E berendezések előnye, hogy technológiai műveletsor változás esetén a berendezéseket könnyen át lehet csoportosítani. Maratási technológiák Maratási művelettel távolítjuk el a maszk védőbevonattal el nem látott területről a felesleges rézréteget, ezzel előállítva a huzalozási mintázatot (rajzolat). A nyomtatott huzalozású lemezek maratásához a legrégebben alkalmazott maratószer a ferriklorid (FeCl 3 ). Maratáskor a három vegyértékű vas klorid két vegyértékűvé redukálódik. Első lépésben a következő reakció játszódik le: FeCl 3 + Cu -> FeCl 2 + CuCl (5.3) A képződött és oldatba ment kuprokloridot a ferriklorid tovább oxidálja: CuCl + FeCl 3 -> CuCl 2 + FeCl 2 (5.4) A keletkezett kupriklorid szintén képes rezet oldani, tehát a réz felületén az (5.3) reakció mellett még a következő folyamat is lejátszódik: CuCl 2 + Cu -> 2 CuCl (5.5) A maratási sebességet a következő technológiai paraméterek befolyásolják: maratószer koncentrációja, maratószer hőmérséklete, oldatba ment réz mennyisége, ph értéke, maratási technológia módja. A vas-klorid az egyik legolcsóbb maratószer, ennek ellenére nem a leggazdaságosabb. Az elhasznált vegyszert és az öblítővizet semlegesíteni kell, és ennek költsége sok esetben felülmúlja az alapanyag költségeit. A réz-kloridos maratás azért előnyös, mert a maratószer regenerálható, a maratás során periodikusan elvett maratószerből a réz elektrolízissel viszonylag könnyen kinyerhető. A maartás reakció egyenlete a következő: CuCl 2 + Cu -> Cu 2 Cl 2 (5.6) 23

24 A Cu 2 Cl 2 vízben csak kismértékben oldódik, ezért maratáskor a maratószerhez szakaszosan vagy folyamatosan sósavat és hidrogénperoxidot vagy nátriumhipokloritot adnak. Az oxidálószerekkel a reakció gyorsítható: Cu 2 Cl 2 + 2HCl + H 2 O 2 -> 2CuCl 2 + 2H 2 O (5.7) Cu 2 Cl 2 + 2HCl + NaOCl -> 2CuCl 2 + NaCl + H 2 O (5.8) Az (5.7) és (5.8) reakcióegyenletből látható, hogy kuprikloridra csak a maratás megkezdésekor van szükség, a továbbiakban folyamatosan képződik. A maratószer folyamatos regenerálódásával a maratási sebesség állandó szinten tartható. Más típusú maratószer használatakor a maratási sebesség az oldatba ment réz mennyiségével arányosan csökken, ezért a marató automaták továbbító szerkezetének sebességét folyamatosan csökkenteni kell, tehát a berendezés kapacitása nem használható ki teljesen. A vas-kloridnak és réz-kloridnak is hátránya, hogy a galván-fémmaszkkal (ón) ellátott lemezek maratására nem alkalmasak. A krómsavas marató bár erős oxidálószer nem támadja meg a fémmaszkokat. A forrasz felületén azonban oldhatatlan ólomszulfát-kromát réteg képződik, ami a bevonat forraszthatóságát rontja. A réz oldódásának reakció-egyenlete: 3Cu + 2CrO 3 + 6H 2 SO 4 -> Cr 2 (SO 4 ) 3 + 3CuSO 4 + 6H 2 O (5.9) Krómsavval érhető el a legegyenletesebb maratás, a legkisebb méreteltérés. Bár az ammónium-perszulfát szintén alkalmas ón galván fémmaszkos huzalozások maratására is. Elsősorban a furatgalvanizálást megelőző felületelőkészítő kémiai maratásnál alkalmazzák, felületérdesítési céllal. A kémiai folyamat reakcióegyenlete: (NH 4 ) 2 S 2 O 8 + Cu -> CuSO 4 + (NH 4 ) 2 SO 4 (5.10) Maratáskor az ammónia a rezet komplex vegyületbe viszi. Az öblítővízből komplex formában levő rezet nehéz eltávolítani, ezért kezdtek áttérni a nátrium-perszulfátra. A kénsav-hidrogénperoxid elegy szintén a furatfémezésnél és rajzolatgalvanizálásnál használatos. A reakcióegyenlet a következő: Cu + H 2 SO 4 + H 2 O 2 -> CuSO 4 + 2H 2 O (5.11) 24

25 Előnyösen alkalmazható elő maratószerként, mert olcsó, zárt körben regenerálható, és a réz könnyen visszanyerhető. Elterjedten használják az úgynevezett alkalikus maratószereket, mely alkotói a következők: NH 4 OH, NH 4 Cl, szerves komplexképző. Az alkalikus maratószerek ph-ja 7,2-8,2 között van. A maratószert gyártóik különböző márkanéven hozzák forgalomba, és az elhasznált maratószert is visszavásárolják. Az ammónia-ammóniumkloridos maratószer régen ismert, marató kapacitása azonban kicsi. Komplex-képzőkkel javított maratószereket szabadalmakkal védik. Ezek a komplex képzők növelik a maratószer marató kapacitását. A maratási eljárások, a maratószer munkadarabra történő felviteli módjában különböznek egymástól. Két maratási technológiát különböztetünk meg: állófürdős, és porlasztásos eljárást. Legegyszerűbb technológia az, amikor a maratni kívánt lemezt felmelegített maratószerbe helyezzük. Ekkor a maratás lassú, és pontatlan. Az állófürdős maratás hatásfoka a lemez mozgatásával, illetve a maratószeren levegő átfúvatásával fokozható. A porlasztásos eljárás előnyös tulajdonsága, hogy a lemez felületére mindig friss, folyamatosan adagolt maratószer kerül. Legegyszerűbb változatánál a maratószerben lapátkerék forog, az oldatot felkapcsolja, porlasztja, és a maratandó felületre szórja. A legelterjedtebben használt korszerű maratók vízszintes elrendezésűek, amelyben görgősor továbbítja a lemezt. Nagynyomást biztosító szivattyúk segítségével a lemez alatt és fölött elhelyezkedő porlasztófejekből egyenletesen jut a friss maratószer a maratandó felületekre. Általában két zónás (marató és öblítő zónás) kivitelben készülnek. Sokszor a folyamatos működésű maratógépekhez a fotoreziszt vagy szitafesték eltávolítására, továbbá öblítés és oxidmentesítés, illetve ellenőrzés és továbbítás céljára hasonló felépítésű modulokat csatlakoztatnak, így mindig a követelményeknek legjobban megfelelő gyártósort tudnak létrehozni. A maratószer és maratási eljárás adott 25

26 anyagra együttesen határozza meg a maratás minőségét, méretpontosságát. Maratáskor a maratószer a maszkbevonat alatt oldalirányban is kifejt oldó hatást, ennek következménye az alámaródás (12. ábra). 12. ábra. Alámaródás jelensége. Az alámaródás kísérleti értékének ismeretében, a vezetékszélességek növelésével vagy a vezeték vastagság csökkentésével a hiba mértéke csökkenthető. A rajzolatgalvanizálásnál megismert gombaképződés meghatározza a vezeték maratás utáni állapotát fémmaszk esetén. Ilyenkor az alámaródás mellett egy újabb hiba jelentkezik, a fémmaszk túllógása (13 és 14. ábrák). A túlnyúló részek különösen olyan berendezésekben, amelyek dinamikus igénybevételnek vannak kitéve könnyen letöredezhetnek, és a vezetékek között zárlatot okozhatnak. 13. ábra. Alámaródás és gombaképződés sematikus képe fém maszk esetén. 14. ábra. Alámaródás és gombaképződés elektronmikroszkópos képe. 26

27 Ezért finom és igen finom rajzolat esetén az ón bevonatot leoldják (gombaképződés megszüntetése) és szelektív forrasztható bevonattal látják el a forrasztási felületeket. Ezzel megszüntetik a zárlatveszélyt, elkerülik a narancsosodást és egyúttal a maratás után szabaddá vált rézfelületek védelmét is biztosítják. A nyomtatott huzalozás készítés közös alapműveleteinek áttekintése után ismerkedjünk meg a merev és hajlékony egy-, két- és többrétegű szerelőlemez típusokkal, ahol a műveletek sorrendjével a legelterjedtebben alkalmazott szubsztraktív eljárással kezdünk Szubtraktív (fóliamaratásos) eljárás Szubtraktív eljárásnál a kiinduló alapanyag: fémfóliával borított szigetelőlemez. Erre a huzalozási pályákkal megegyező mintázatban maratószernek ellenálló anyagból maszkot visznek fel, majd a le nem védett fémréteget (a felesleget) kémiai maratással eltávolítják. A szubtraktív eljárás döntő előnye az additív eljáráshoz képest az, hogy a fémfólia rögzítését a szigetelt hordozóra nem a nyomtatott huzalozás gyártása során kell elvégezni. Ez ugyanis a nyomtatott huzalozású lemezek előállításának egyik legkényesebb művelete. A szubtraktív technológia kiinduló anyagát a fémfóliával borított lemezt az alapanyaggyártók nagy tömegen, gondosan kidolgozott technológiával készítik, és így biztosított a fólia jó, megbízható tapadása. Merev nyomtatott huzalozású lemezek A jelenleg gyártott nyomtatott huzalozások többsége merev hordozón készül, egy-, két- vagy többrétegű kivitelben. Egy oldalon huzalozott lemezek Az egy oldalon huzalozott lemezeknél a hordozó szigetelőlemeznek csak az egyik oldalát használják fel huzalozások kialakítására. Elsősorban a második generációs alkatrészekből (miniatűr diszkrét ellenállások, kondenzátorok, tranzisztorok stb.) kialakított áramkörök összekötésére alkalmasak, tekintettel arra, hogy ezeknél még nem volt igény a nagy vezetéksűrűség, a finom rajzolat. Ugyanakkor a tömegforrasztó eljárások elterjedése könnyen forrasztható lemezek előállítását tette szükségessé. Ez a vezetékmintázat utólagos (szelektív bevonat) vagy gyártás közbeni forrasztható réteg kialakításával biztosíthatjuk. Az egyoldalas lemezgyártás legelterjedtebb lépései a ábrákon láthatók. 27

28 15. ábra. Méretre vágott réz fóliával borított lemez. 16. ábra. Pozitív (maratásálló) maszk felvitel fotolitográfiával. 17. ábra. Maratás (alámaródás). 18. ábra. Pozitív fotoreziszt-maszk eltávolítása. 19. ábra. Forrasztásgátló maszk (zöld) felvitele. Az alkalmazott technológia részletesebb műveleti sorrendje a következő: réz fóliával borított lemez technológiai méretre vágása, furatkészítés, tisztítás (nedves csiszolás), 28

29 pozitív (maratásálló) maszk felvitel, maratás, pozitív maszk eltávolítás, védőbevonat (forrasztásgátló maszk) felvitel, beültető ábra felvitel, kontúrmarás, szelektív bevonat felvitel, ellenőrzés. Ritkábban, inkább csak prototípusok gyártásánál, előfordul a fém maszkos eljárás alkalmazása. Az egyoldalas lemezek fém maszkos gyártástechnológiájának lépéseit a ábrák szemléltetik. 20. ábra. Méretre vágott réz fóliával borított lemez. 21. ábra. Negatív (galvánálló) maszk felvitele fotolitográfiával. 22. ábra. Pozitív fémmaszk (Sn) galvanizálása (gombaképződés). 29

30 23. ábra. Negatív fotoreziszt-maszk eltávolítása. 24. ábra. Maratás (alámaródás). 25. ábra. Forrasztásgátló maszk (védőbevonat) felvitele (Sn) fémmaszk leoldása után. Ez utóbbi eljárás az iparban nem terjedt el időigényessége, gombaképződése és költségessége miatt. Az egy oldalas fémmaszkkal rendelkező lemezek gyártásának részletesebb műveleti sorrendje a következő: rézfóliával borított lemezek technológiai méretre vágása, furatkészítés, tisztítása (pl.: nedves csiszolás), negatív (galvánálló) maszk felvitel, galván ón bevonat készítés, negatív maszk eltávolítás, maratás, védőbevonat (forrasztásgátló maszk) felvitel, beültető ábra felvitel, kontúrmarás, szelektív bevonat felvitel, ellenőrzés. 30

31 Két oldalon huzalozott lemezek Az alkatrészek és IC-k tokméretének, valamint a kivezető lábak osztástávolságának csökkenése és a lábak számának növekedése a huzalozási mintázat finomításán túlmenően a huzalkereszteződések megvalósításának igényét vetette fel. Ez a két oldalon huzalozott nyomtatott lemezek kifejlesztéséhez vezetett. Ezeknél a lemezeknél a szigetelő hordozó mindkét oldalán készül vezetékmintázat, amelyek összekötése általában kémiai és elektrokémiai úton létrehozott fémrétegekkel valósítható meg. Ezen utóbbi eljárással készülnek az un. fémezett furatú nyomtatott huzalozású lemezek (6. ábra jobb oldal). A fémezett furatú lemezek előállításához lényegét tekintve panelgalvanizálás (furatfémezés) és/vagy rajzolatgalvanizálást alkalmaznak. A két technika közötti lényeges különbség az, hogy a galvanizálás az első esetben a teljes lemez (panel) felületére, míg a második esetben egy negatív maszk felvitele után, csak a rajzolatra történik. A panelgalvanizálási technológia hátránya, hogy a szükségesnél jóval több rezet kell galvanikusan felvinni, majd maratással eltávolítani, és így az alámaródás jelentősen nagyobb, mint rajzolatgalvanizálásnál. A rajzolatgalvanizálási technológia hátránya, hogy negatív fotoreziszt maszk készítésekor a lemez amelyre rajzolatgalvanizáláskor a bevonatot felvisszük szennyeződik, fotoreziszt-nyomok maradhatnak rajta, s ez rontja a galván réteg tapadását. Tömeggyártásra a két technológia együttese, a kombinált panel- és rajzolatgalvanizálás terjedt el. Ónbevonatú lemez esetén a gyártási folyamat végig követhető a 26. ábrán. A kombinált eljárás lényege, hogy a kifúrt lemezeket panelgalvanizálják (furatfémezés), negatív maszkkal látják el, majd ezt követi a rajzolatgalvanizálás. Ennél a technológiánál a panelgalvanizálás célja a furatba olyan vastag rézréteg felvitele, ami a rajzolatgalvanizálást megelőző tisztítási műveletnek ellenáll. A negatív fotoreziszt maszk készítése után a nem kívánt helyekről a fotoreziszt maradékot ugyanis csak úgy lehet hatásosan eltávolítani, ha a panelgalvanizált rézből néhány µm vastag réteget lemaratunk. A rajzolatgalvanizálás célja olyan vastag rézbevonat felvitele, hogy a furatokban a minimális rézréteg vastagság µm legyen. 31

32 26. ábra. Kétoldalas lemezek főbb gyártástechnológiai lépései. Többrétegű nyomtatott huzalozású lemezek, együttlaminált technológia A többrétegű lemezeknél egymás alatt-felett több vezetőréteg helyezkedik el, közöttük szigetelőréteggel. A többrétegű nyomtatott huzalozás az egy- és kétoldalas lemezekhez képest hely- és súlycsökkenést tesz lehetővé, nagyobb szerelési sűrűséget biztosít, és jobb villamos paramétereket eredményez. Pl. jobb csillapítású vezetősávok, rövidebb úthosszak, nagyobb vezető keresztmetszetek hozhatók létre. A többrétegű lemezek kiinduló anyagai: egy vagy két oldalon rézfóliával borított néhány tized mm vastagságú üvegszövet vázanyagú epoxigyanta (FR4) lemezek, és ezek összeragasztására szolgáló néhány tized mm vastagságú félig kikeményített (B-állapotú) epoxigyantával bevont üvegszövet (prepreg) rétegek. A B-állapotú epoxigyanta hő és nyomás hatására térhálósodik és az egyes lemezeket összeragasztja. Az epoxigyanta alkalmazását az indokolja, hogy a lemezek között saját anyagú ragasztóval jó minőségű kötés hozható létre. Ez 32

33 különösen akkor jelentős, ha a lemezek mindkét oldalán van vezetékezés, mert a ragasztóréteg ilyenkor a szigetelést is biztosítja. A többrétegű lemezek gyártástechnológiája általában négy fázisra tagolódik: 1: A belső lemezeken a vezetékmintázat előállítása (megegyezik az egy és/vagy két oldalon huzalozott lemezek gyártástechnológiájával). 2: A lemezek kötegelése (27.a ábra), présszerszámba helyezése és összeragasztása préseléssel, sajtolással (27.b ábra). 3: A rétegek közötti villamos átkötések kialakítása fúrással (27.c ábra). 4: A külső vezetékmintázat előállítása, ami megegyezik a két oldalon huzalozott lemezek technológiájával (28. ábra). 27. ábra. Rétegek (lemezek + prepreg) kötegelése, majd préselés-sajtolás és fúrás ábra. Többrétegű együttlaminált nyomtatott huzalozású lemez. A préselést a sík és párhuzamos lapokkal ellátott, általában hidraulikus működésű, elektromos vagy gőzfűtésű ( t) etázsprésen végzik. A rövid ciklusidő érdekében biztosítani kell az etázsprés gyors lehűlését is. Ezt legegyszerűbben a préslapok furatain keresztül folyatott hidegvízzel érik el. A lemezek présszerszámban történő kötegelésekor a vezetőcsapok a lemezeken átérnek, így biztosítják az egyes lemezek furatrajzolatának pontos fedését. A csapok a huzalozás-mintázaton kívül helyezkednek el. A kötegelésnek alapvetően két féle típusa terjedt el; az egyoldalas drágább és pontosabb változat (29. ábra) és kétoldalas olcsóbb és pontatlanabb változat (30. ábra).

34 29. ábra. Egy oldalas együttlaminált változat robbantott ábrája. 30. ábra. Két oldalas együttlaminált változat robbantott ábrája. A rétegek közötti villamos átkötéseket fémezett falú átmenő, zsák (via) vagy eltemetett furatokkal (viákkal) valósítják meg (31. ábra). Átmenő furatos megoldás (ld. 31. ábra) esetén a rétegek közötti összekötés és a külső vezetékmintázat kialakítása egy lépésben, furatfémezési technológiával történik. Az eltemetett és zsák furatok (viák) a kötegelt lemezek belsejében helyezkednek el (31. ábra). A két oldalas fémezett furatú vagy többrétegű átmenőfuratos lemezeket egyedileg kell előállítani. Eltemetett rétegként felhasználásra kerülő lemeznél az átmenő furat galvanizálását követően a külső jelvezetékek kialakításánál a két oldalon huzalozott lemezek technológiáját alkalmazzák. 34

35 31. ábra. Többrétegű együttlaminált lemez furat és réteg típusai. Többrétegű nyomtatott huzalozású lemezek, szekvenciális technológia (HDI) Az egyre komplexebb elektronikai alkatrészek megjelenéséhez (egyre nagyobb számú be- és kimenettel rendelkező alkatrészek), a nyomatatott huzalozású lemez gyártóknak is alkalmazkodniuk kellett; ezért például kisebb és kisebb átmérőjű furatok illetve viák gyártástechnológiáját dolgozták ki. Különösem a felületi szereléstechnológia (SMT) megjelenésekor vált szükségessé a mikroviák kialakítása úgy, hogy közben az áramkörök méret- és súlycsökkenése mellett, azok növekvő villamos teljesítményét is figyelembe kellett venni. A mikroviák olyan a vezetőrétegeket összekötő fémezett falú furatok, melyeknek átmérője µm közötti. A mikroviák alkalmazásának előnyei: Kisebb vezetékhossz - nagyobb jelterjedési sebesség - gyorsabb működés, Kisebb méret a furatátmérő és a forrszem méretének csökkenése miatt, Egyes parazita tényezők csökkennek és kisebb zaj, Jobb megbízhatóság. Mikroviák készítésének technológiái: Rétegfelvitel után furatkészítés, majd a furatok fémezése Furatkészítés típusai (lásd 32. ábra): nagy átmérőhöz (> 0,2 mm) mechanikus (CNC) fúrás a gazdaságos, 35

36 kis átmérőhöz (< 0,2 mm) lézeres fúrás, plazmamaratás vagy fotolitográfia ajánlott, Fémezés: a furat falára vagy a furatot teljesen kitöltve. 32. ábra. Mikroviák szerkezete különböző furatkészítési típusok esetén. A mikroviákkal ellátott többrétegű nyomtatott huzalozású lemezek esetében, több elnevezése is elterjed a szakirodalomban. Sokszor szekvenciális többrétegű technológiaként említik, de a nagy vezeték sűrűségű összeköttetés hálózatok (HDI) kifejezéssel is találkozhatunk a mikroviák kapcsán. A HDI áramköröket (teljessé igénye nélkül), a megnövekedett teljesítmény, gyorsabb jelterjedési sebesség, alacsony rádiófrekvenciás és elektromágneses interferencia, kisebb rétegvastagság, nagy műszaki megbízhatóság (jobb környezetállóság) jellemzi. Nem véletlen, hogy a mai korszerű elektronikák egy meghatározó részét szekvenciális technológián alapuló, többrétegű nyomtatott huzalozású lemezeken valósítják meg. A szekvenciális technológia gyártássorozatát a 33. és 34. ábrák szemléltetik melynek lényege, hogy a többrétegű nyomtatott huzalozású lemezt az egyes szigetelő, illetve vezető rétegek egymást követő ráépítéssel, azaz szekvenciálisan alakítják ki. 36

37 33. ábra. Szekvenciális technológia műveleti lépései ábra. Szekvenciális technológia műveleti lépései 2. Hajlékony nyomtatott huzalozások A hajlékony nyomtatott huzalozásnál egy vagy több vékony vezetőréteg, két vagy több vékony és hajlékony műanyag szigetelő fólia között helyezkedik el. A hajlékony nyomtatott huzalozásoknál a huzalozás mintázat hasonló a merev nyomtatott huzalozásokéhoz, azonban a hordozó szigetelő réteg sokkal vékonyabb és hajlékonyabb. A huzalozást rendszerint befedi egy vékony műanyag borítás. Ezen az alkatrész bekötési helyeken ablakokat készítenek. Készülékekben rendszerint térhuzalozások kialakítására használják, olyan helyeken, ahol a huzalozásnak a szerkezet alakját kell követnie. Az egyoldalas hajlékony nyomtatott huzalozás gyártása nem sokban különbözik a merev nyomtatott huzalozások előállításától. Itt is a fólia-maratásos eljárást alkalmazzák leggyakrabban. A fémfóliával borított szigetelőanyagból 37

38 darabonként vagy csoportosan készítik. Igen nagy darabszám esetén összefüggő szalag formájában folyamatosan gyártható. Kétoldalas és többrétegű hajlékony nyomtatott huzalozáshoz ritkán alkalmazzák a merev lemezeknél megismert furatfémezési technológiát. A hőre lágyuló műanyagok terhelése alatti alakváltozásra hajlamosak. Ez a hajlékony hordozók egyik olyan jellemzője, amely a furatok fémezését korlátozza. A hajlékony nyomtatott huzalozások legegyszerűbb változata a nyomtatott több eres kábel, amelynél vékony vezető sávok haladnak egymással párhuzamosan a hajlékony rétegek között. A lapos vezetőkből álló, hajlékony több eres kábelt többnyire végeire szerelt csatlakozókkal alkalmazzák, hasonlóan a hagyományos kábelekhez. Általános felhasználási területe egymástól távoli készülékegységek összekötése, tápfeszültségek és jelfeszültségek átvitele. Alkalmazása különösen akkor előnyös, ha a készülékegységek egymáshoz képest elmozdulhatnak. A sugártér hálósított alapanyagú nyomtatott kábel képes előre meghatározott alakját újra felvenni. Így alkalmas készülékfiókok, ajtók visszaugró vagy visszacsavarodó kábelezésére. A nyomtatott kábelek előnye, hogy alkalmazásukkal a huzalozás helyszükséglete csökken, nagy fajlagos felületük miatt nagyobb az áramszállító képességük, és villamos tulajdonságaik jól kézben tarthatók. Hajlékony szigetelőlemezen a koaxiális vezetékeket helyettesítő kis csillapítású nyomtatott vezetékeket is készítenek. Az egymással párhuzamosan haladó huzalok elrendezését és méreteit úgy választják meg, hogy a szükséges áramszállító képességen túlmenően a vezetékek hullámimpedanciája is megfelelő legyen. A nyomtatott kábelek is elsősorban kémiai maratással készülnek, de tömeggyártás esetén mechanikus eljárással, sajtolással is készülhetnek Additív eljárás Additív eljárásnál a kiinduló alapanyag: szigetelő alaplemez (lásd 35. ábra). Erre viszik fel mechanikai vagy kémiai úton a kívánt geometriában vezetőréteget. 35. ábra. Szubtraktív és additív technológia összehasonlítása: kiindulási lemezek és késztermékek. 38

39 A mechanikai eljárásnak igen sok változatát dolgozták ki. Ezek közül elsősorban a kivágó-sajtolásos eljárást alkalmazzák. Ehhez a technológiához a vezetékmintázatnak megfelelően kialakított kivágó-sajtoló szerszám szükséges. A ragasztóanyaggal bevont fémfóliát felmelegített szerszámmal az alaplemezre nyomják. A szerszám egyidejűleg kivágja és az alaplemezhez köti a vezetékmintázatot, és a vezetősávok széleit az alaplemezbe süllyeszti. A fólia besajtolásával egy időben a furatok is elkészíthetők. Bár ez az eljárás rendkívül egyszerű és termelékeny, csak nagy sorozatban készülő, normál rajzolatú lemezek gyártására alkalmazható, mert a szerszám-előállítás bonyolult és költséges. A vezetékmintázat közvetlen kialakításának kémiai útja az úgynevezett pozitív, huzalozási eljárás. Ezzel az eljárással a furatok felülete a vezetékmintázat kialakításával egy lépésben jól vezető és forrasztható réteggel vonható be. A technológia műveleti sorrendjét a 36. ábra mutatja. 36. ábra. Additív technológia főbb technológiai lépései. A kiinduló szigetelőlemez és az arra felvitt ragasztóréteg aktivált. Fúrás és negatív maszkfelvitel után a tapadás elősegítésére kezelik a ragasztót, majd leválasztják a kémiai rézbevonatot. Szükség esetén erre szintén kémiai módszerrel ón-bevonatot visznek fel. Ezt követi a maszk eltávolítás, a forrasztásgátló maszk és forrasztható védőbevonat felvitel. Az additív eljáráshoz egyenletesen képlékeny, finomszemcsés, 99,9%-os tisztaságú rézbevonat leválasztását biztosító kémiai redukciós réz elektrolitot fejlesztettek ki. 39

40 Előnyök: olcsó az alapanyag, kevesebb a környezetvédelmi szempontból káros vegyszer felhasználása, egyszerű gazdaságos a technológia és nincs alámaródási hiba. Az eljárás hátránya: hogy nem kielégítő a rézbevonat tapadása és a kémia módszerrel készített rézbevonat mechanikai tulajdonságai nagymértékben függenek a technológiai paraméterektől. Ezért nem biztosítható az állandó, egyenletes jó minőség. A fejlődési irány a féladditív technológia felé folytatódott, ami a szubtraktív és additív eljárások előnyeit igyekszik egyesíteni Féladditív eljárás Féladditív eljárásnál a kiinduló alapanyag: igen vékony 5-10 µm vastagságú rézfóliával borított szigetelőlemez. Ezen a kívánt vezetékmintázatnak megfelelő helyeken galvanikusan megvastagítják a fémbevonatot, a többi részről pedig lemaratják a fóliát. A technológia egy lehetséges műveleti sorrendjét a 37. ábra mutatja. 37. ábra. Féladditív technológia főbb technológiai lépései. Ezt a technológiát az igen finom rajzolatok előállításához dolgozták ki, és egyesítették az additív és szubtraktív eljárások előnyeit. Mivel additív eljárásnál a vezetőréteg tapadása még nem kielégítő, kedvezőbb, ha a kiinduló anyag fémfóliával borított szigetelő lemez. Az alámaródás azonban rétegvastagságfüggő, tehát az a jó, ha a fólia vékony. A féladditív technika céljaira kb. 5 µm vastag rézfólia borítású alaplemezeket fejlesztettek ki. A vékony rézfóliát réz 40