. Nyomtatott Áramköri Lapok áttekintés

Átírás

1 . Nyomtatott Áramköri Lapok áttekintés A német származású Paul Esler 1943-ban fejlesztette ki a Nyomtatott Áramköri Kártyát (továbbiakban: NYÁK). Szükség volt egy olyan eszközre, aminek a segítségével egyszerűbben, rendszerezettben össze lehet kötni az egyre sűrűsödő és több helyet foglaló elektromos alkatrészeket. Most jó pár évtizeddel később szinte az elektronika elengedhetetlen kellékévé vált a találmány. Persze a használt anyagok és a gyártási technikák változtak, mégis Paul Esler felfedezése meghatározó napjainkba is. 1. ábra: Paul Eisler a Nyomtatott Áramköri Kártya feltalálója 2.3 A tervezés szempontjai A Nyomtatott Áramköri Kártyák elsősorban a különálló kábeleket volt hivatott felváltani, és egy helyen tárolva az eszközöket, megvalósítani a kapcsolatot köztük. Napjainkba azonban számos más feladatot is teljesítenie kell: Állandó, stabil energiát kell szolgáltasson az összes kártyán lévő aktív elemnek. El kell vezesse a keletkezett hőt. Az áram alatt lévő kártya hőt termel, főleg bizonyos csomópontoknál a kártyán, ahol nagyobb az alkatrészsűrűség. Ezért el kell oszlatni egyenletesen ezt a keletkezett hőt a kártyán, és biztosítani kell ennek a keletkezett hőnek az elvezetését, megfelelő hőáramlással, vagy hősugárzással. Mechanikai stabilitást kell biztosítson a tervezett élettartam végéig. Teljesítenie kell különleges elektromos és mechanikus kívánalmakat, úgymint a nagyfrekvenciás jelek, nagy áram, különlegesen sűrű vezetékhálózat. Környezetbarátnak kell lennie. Mivel limitált az élettartama ezeknek a kártyáknak, ügyelni kell arra, hogy olyan anyagokból készüljön, amik megfelelnek az Uniós RoHS (A veszélyes anyagok használatának korlátozása) szabályozásnak. A szabályzat utasítja a tagországokat, hogy 2004 aug. 13.-ig olyan helyi szabályozásokat hozzanak, amik korlátozzák hat anyagnak a használatát az elektronikus berendezésekben. Megadott határérték fölött nem szerepelhetnek a termékekben a kadmium, higany, ólom, hatértékű króm és a brómozott égésgátlók (PBB és PBDE). A megbízhatósága kiegyensúlyozott kell legyen. Jól kell bírja a hőmérsékletet, a gyártás során végbemenő folyamatokat, az alkatrész-beszerelést, és a szállítást. Törekedni kell a minél alacsonyabb áron való előállításra, hogy versenyképes tudjon maradni a piacon. A Nyomtatott Áramköri Lapokat 3 fő szempont alapján különböztetjük meg:

2 Vonalvastagság: minél több alkatrészt akarunk minél sűrűbben elhelyezni a kártyán, annál vékonyabb vezetővonalak előállítására van szükségünk. Rétegek száma: igénytől függően egy, kettő vagy többrétegű kártyák gyártása. A beszerelés helyének függvényébe el kell döntsük mennyire legyen rugalmas a kártyánk 4. ábra: Flexibilis NYÁK és merev és hajlítható NYÁK kombinációja 2.4 A hordozó alapanyaga A hordozónak a következő feladatokat, minőségi követelményeket kell kielégíteni: Megtartani a komponenseket a szerelés és a használat során; szilárd legyen, ne vetemedjen. Legyen jó szigetelő; nagy fajlagos és felületi ellenállás, kicsi relatív dielektromos állandó, kis veszteségi tényező, nagy frekvencián is Vezesse el, ossza szét, adja le a keletkezett hőt Viselje el a gyártás és a használat során fellépő hőterhelést Legyen kicsi a hőtágulása Fúrható, darabolható legyen A szigetelő felület fémezhető legyen Álljon ellen a technológia során használt vegyszereknek Minimális legyen a vízfelvétele A NYÁK alapjául szolgáló szigetelőanyag általában szálerősített hőre nem lágyuló műgyanta. Az erősítő anyag legtöbbször üvegszál, régebben papír, néhány különleges esetben szálas kerámia. A mátrix régebben fenolgyanta, ma leginkább epoxi, esetleg poliészter. Az alábbi táblázatban látható milyen alapanyagú kártyák állnak rendelkezésre, bár ezek közül néhányat már nem használnak. 2

3 Kártya A gyanta anyaga neve G-3 Üveg Fenolgyanta Megjegyzés Nagy szakítószilárdság Száraz körülmények között jó villamos tulajdonságok Nagy szakítószilárdság G-10 Üveg Epoxigyanta Száraz, és párás környezetben is jó villamos tulajdonságok. Jó szigetelési ellenállás G-11 Üveg Epoxigyanta Hasonló, mint a G-10 Javított hőállóság FR-1 Papír Fenolgyanta Jó nedvesség, és elektromos ellenállás Lángálló (Flame Retardant) FR-2 Papír Fenolgyanta /lángálló/ Hasonló, mint az FR-1. Jobb nedvességtűrés FR-3 Papír Epoxigynata /lángálló/ Nagyobb szakítószilárdság Jó, stabil villamos tulajdonságok, nagy páratartalom esetén is. FR-4 Üveg Epoxigynata Hasonló, mint a G-10, csak lángálló. FR-5 Üveg Epoxigynata Hasonló, mint a G-11, csak lángálló. FR-6 Üveg Poliészter /töltőanyagokkal/ Kiemelkedő lángállóság CEM-1 CEM-2 Vegyes - Epoxigyanta Cellulóz papír és üvegszál erősítők lángálló epoxigyanta kötőanyag 1.táblázat: A kártyák alapanyaga Az FR-2 és CEM-1 olcsó, és alkalmas olyan használatra, hol nincsenek kritikus tényezők. G-10, FR-4 üvegszálakkal megerősített epoxigyanta tartalmú kártyák a masszívságuk, és a jó villamos karakterisztikájuk miatt széleskörűen alkalmazhatóak. Ezek típusok jól alkalmazhatóak vékony kártyák, és többrétegű kártyák gyártásánál is. Az ipar 80%-a az FR-4-es lapokat használja. 3

4 A fejlesztés egyik iránya a nagyobb hőállóságú polimerek (poliimid, teflon) alkalmazása. A teflon kiváló nagyfrekvenciás jellemzői miatt a mikrohullámú eszközökben használható. A környezetvédelem egyrészt a könnyebb újrahasznosíthatóságot (hőre lágyuló ill. folyadékkristályos polimerek), másrészt a brómtartalmú lánggátló adalékok helyettesítését várja a korszerűbb hordozóktól. Tg, transzformációs hőmérséklet (üvegesedési hőmérséklet): Ezzel jellemezhető a hordozók hőállósága. Nem kristályos anyagoknál (polimerek, üvegek) az a hőmérséklet, amely alatt az anyag rideg, szilárd, fölötte fokozatosan lágyul, és nagy viszkozitású, túlhűtött olvadékként viselkedik. Tg fölött még használhatók a polimerek, kezdetben rugalmasan deformálhatók, de a hordozók esetében ezt megakadályozza az üvegszövet erősítő. Csökken a mechanikai szilárdság, romlik a mérettartás. Fóliakészítés: A szigetelőrétegen lévő réz vastagsága 10 és 100 mikron közt változhat, de általában a 18, 35, és 70 mikron rézvastagságú kártyák az elterjedtek. Ezt a rézréteget laminálással viszik fel a szigetelőkártyákra. Magát a rézfóliát galvanoplasztikai eljárással készítik a rajz szerinti berendezésben. Az elektrolitikusan leválasztott réz oszlopos kristályszerkezete 4

5 3. Darabolás, furatkialakítás 3.1. Furatkialakítási eljárások Furatok szükségesek a lemezek mechanikai rögzítésére, a rétegek illesztésére, pozícionálására, a furatba szerelhető alkatrészek beültetésére. A két és többrétegű kártyákon a rétegek közötti összeköttetést vezető furatok, viák biztosítják. A furatoknak a kialakításának módjai: Gépi furás Lézeres furatkialakítás Plazmamarás Kémiai marás Lyukasztás A lézeres eljárást a többrétegű szekvenciális kártyák gyártásánál ismertetjük, a három utolsó kevéssé elterjedt. Gépi fúrás Ez a legelterjedtebb eljárás. Az átmenő viák készítése így történik. A folírozott lemezek fúrása több szempontból különbözik a hagyományos fúrási eljárásoktól. A lemez anyaga nem homogén, a viszonylag lágy műgyanta mellett a kemény, erősen koptató hatású üvegszövet található, kívül pedig a réz. Maró és fúrófejek A furatok átmérője igen kicsi, az alsó határ ~0,2 mm alatt van, de 0,8-1 mmnél szinte soha nem nagyobb. Az átlagosan 0,5-1 m nagyságú táblán tartani kell a közel 0,1 mm-es pontosságot, méghozzá sok táblán egymás után is. A fúrófej anyaga wolfram karbid. Ez kellően kemény, kopás- és hőálló anyag, de meglehetősen rideg. Célunk egyenletes és sima falú furat létrehozása. Ennek feltétele az éles fúró, a nagy fordulatszám, és az, hogy a műanyag a felületén ne melegedjen fel annyira, hogy meglágyuljon, kenődjön. Egy epoxi-üveg hordozó esetében a hőmérséklet nem haladhatja meg a 110C o -ot. A jobb hőelvezetést a kártyák fölé helyezett alumínium fóliával lehet biztosítani. Általában több panelt raknak egymásra, és egyszerre fúrják át. Az egyszerre fúrható rétegek számát a furat hossz/átmérő arány (aspect ratio) szabja meg, ami a korszerűbb gépeknél 7-10 között van. Tehát, ha a legkisebb furat pl. 0,6 mm, akkor a panelek össz. vastagsága kb. 5mm lehet, azaz pl. három 1,5 mm-es hordozójú panelből készülhet egy pakett. A pakett a fúráshoz illesztő furatokon keresztül összeszegecselt lemezekből összeállított egység. A legalsó réteg egy vékony pozdorja lemez, amely megakadályozza a sorja képződést, legfelül pedig az említett Al fólia található. Az alsó kimeneti lapnak természetesen még az is a szerepe, hogy a fúrófej ne a fém munkaasztalba érkezzen a művelet végén. 5

6 A szükséges pontosság és termelékenység CNC fúrógépekkel érhető el. A tervezéskor a rajzolat mellett külön elkészíthető a furatok terve is, amely alapja a gépet vezérlő programnak (Excellon fájl). A fontos paraméterek: a furat koordinátái, a mérete, mélysége és esetleg a fúrás sebessége. A munka során a gép automatikusan cseréli a fúrófejeket. Fontos a törés észlelése; egyszerűbb esetben ez úgy történik, hogy az adott méretből utoljára a lemez A fúráshoz összerakott pakett (nem méretarányos) szélére fúr egy lyukat, csak ennek meglétét kell ellenőrizni. A korszerűbb gépekben a fejcsere során kamerával ellenőrzik a régi épségét és az új méretét. Léteznek egy és többfejű fúrógépek is. Fúrógép működés közben, és a kifúrt lemez részlete Lézeres és plazmamarásos fúrást a mikroviák készítésére használnak. Az eljárásokat a többrétegű NYÁK gyártás során ismertetjük. Lyukasztás: A lyukasztás a legegyszerűbb mód. Szükség esetén nem csak kör, hanem négyszögletes, vagy ovális formában tudunk így lyukakat készíteni. Illesztő, pozícionáló, szerelő lyukak készítésére alkalmas módszer. A furatfal alkalmatlan a fémezésre, ezért via így nem készíthető. 4. A felület előkészítése A fúrást követő lépés a furatfémezés. Ennek során a furatok falára valamint a teljes panelre rézréteget választunk le. Mint minden rétegfelviteli eljárásnál, itt is kulcsfontosságú a felület tisztaságának, egyenletességének biztosítása, mert ez az új réteg egyenletes tapadásának feltétele. Ezek a műveletek részben kémiai, részben mechanikai eljárásokat foglalnak magukba. (Ezek a lépések a gyártás során többször ismétlődhetnek, ezért itt összefoglaljuk a fontosabb felülettisztítási módszereket.) 6

7 Mechanikai tisztítás állnak ki körbe. A dörzsölő anyag ezeknél a keféknél általában szilícium karbid (SiC), amit a szálak anyagába A kefés tisztítás a leginkább használatos felülettisztítási eljárás. Miközben a réz felületét is alakítja, érdesíti, a felületi szennyeződést is eltávolítja. Ezek a tisztítógépek általában párokban lévő forgó hengerekből állnak, hogy egyszerre tudjuk tisztítani a paneljeink alsó, és felső felületét. A hengerek két fő fajtája a nylon sörtés kefe, és a tömör kefe. A sörtés kefe hengeréről nagyon sűrűn nylon szálak impregnáltak bele. A tömör kefék anyaga pedig koptató, kötő és szálas anyagokból álló kompozit. A hengerekre vizet permeteznek, ami hűti a forgó keféket, és kimossa, továbbszállítja az eltávolított szennyeződést és rezet a szűrők felé. A víz tisztaságát és ph-ját rendszeresen ellenőrizni kell. Az elfolyó víz rezet, rézoxidot is tartalmaz, ezért csatornába nem engedhető. Jó megoldás, ha ülepítés után a vizet visszaforgatjuk, a maradékot pedig a réztartalom kinyerésére továbbadjuk. A felülettisztító gépekben használt kefék különböző méretűek és keménységűek Tisztítás habkővel, alumíniumdioxiddal A habkő egy szilikát ásvány, porózus, nem túl kemény anyag, egyéb felhasználás mellett kiváló koptató hatású tisztító anyag. Szemcsés, pórusos szerkezete látható az ábrán. A szemcsék átlagos mérete 60 µm. Habköves mosást végezhetünk: kézzel, egy kefe segítségével, géppel, amelyben a dörzshengerhez hasonló, de lágyabb sörtéjű kefék között tisztul meg a NYÁK felülete habkősugár géppel, amelyben habkövet tartalmazó vízsugár takarítja le a felületet Egy habkő szemcse csiszolata és egy kefés felülettisztító gép 7

8 Kémiai felületkezelések Zsírtalanítás: Bármilyen következő réteg fotoreziszt fólia, galvanizált fém egyenletes tapadásának feltétele, hogy a felület zsírtalanított legyen. Korábban szerves oldószereket használtak, azonban ezek nagyobb környezetterhelése, egészségkárosító hatása és tűzveszélyessége miatt zömében tiltottak. Ma leggyakrabban lúgos zsírtalanítókat alkalmaznak. Ez lehet híg nátrium-hidroxid (NaOH), vagy szóda (Na 2 CO 3 ). A felületaktív anyagok szintén jó zsírtalanító hatásúak. Ezek mosószer jellegű anyagok, lehetnek savas és lúgos kémhatásúak, manapság inkább a savas a népszerűbb. A zsírtalanító fürdőt alapos öblítés követi. Mikromarás: Elsődleges cél a felület finom érdesítése, ezáltal a következő réteg jobb tapadásának elősegítése. Az érdesedés azért következik be, mert a marás gyorsabban halad a szemcsehatárokon, mint a krisztallit belsejében. (A félvezetőgyártásban a hasonló marási eljárás másik nagyon fontos célja, hogy a néhány atomnyi vastag felületi réteg eltávolítsák, amely szennyezettebb, több hibát tartalmaz, mint a tömbi kristály.) A mikromarásra elvileg ugyanazok a maratószerek alkalmasak, mint a rajzolat marására, leggyakrabban ammónium-perszulfátot ((NH 4 ) 2 S 2 O 8 ) vagy nátrum-perszulfátot (Na 2 S 2 O 8 ) használnak. A kisebb marási sebességet a hígabb 10-15%-os oldat biztosítja. Oxidmentesítés (dekapírozás): A réz felületén könnyen képződik egy vékony oxidréteg, akár a levegő hatására, még inkább a mikromarató maradványainak eredményeképp. Ha pl. erre visszük fel a fotoreziszt fóliát, és így egy savas fürdőbe tesszük, akkor az oxidot fel tudja oldani a híg savas oldat is. Megszűnik a tapadás a két réteg között, és a következő lépésben pl. a galvánfürdő, vagy a maratószer juthat be a reziszt által lefedett területre, ami rövidzárat vagy szakadást is okozhat. Ezért a dekapírozás a mikroérdesítést kötelezően követő lépés. Leggyakrabbak 10%-os kénsavval történik, ritkábban sósavval. A rajzolat kialakítása Foto (ábra) készítés Az áramkörök és a NYHL tervezésével itt nem foglalkozunk. Onnan indulunk, hogy kész a terv, amely a következőket tartalmazhatja: Huzalozási rajz rétegenként. Lézeres levilágítóval, vagy fotoplotterrel készíthetők el közvetlenül fényérzékeny filmre a rétegfotók. A film a hagyományos ezüst-halogenid alapú fekete-fehér film. A filmmel szembeni követelmény a nagyon jó felbontóképesség, nagy denzitás (~ jó feketedés), nagy kontraszt és kisebb érzékenység. A rétegek pontos illesztéséhez aszimmetrikus elrendezésben pozícionáló furatokat is kell tervezni. 8

9 Forrasztásgátló lakk ábrája Fúróvezérlő program A gyártás végi ellenőrzés vezérlő programja Nagyobb sorozatú gyártás esetén a rétegfotók eredetijét mesterfotóként kezeljük, és erről a szükséges mennyiségű másolatot, technológiai fotó készítünk Fotolitográfia Azok az eljárások tartoznak ide, amelyekben a képi információ, az ábra átvitele valamilyen fényérzékeny réteg segítségével, fototechnikai úton történik. A fényérzékeny anyagot itt fotorezisztnek nevezzük, ami arra utal, hogy megvilágítás hatására megváltozik az oldhatósága, ellenálló-képessége valamilyen oldószerrel (előhívóval) szemben. A legáltalánosabb rajzolat kialakítási technológia, ami elsősorban a szinte korlátlan felbontóképességének köszönhető. Alkalmas a 100 µm alatti finomságú NYÁK rajzolattól kezdve a 10 nm közeli félvezető áramköri elemek maszkolására. A két kulcstényező a reziszt anyaga és az optikai rendszer. Ahogy csökken a jellemző méret, egyre rövidebb hullámhosszúságú fény szükséges, ahhoz pedig új fényérzékeny anyagokat és új megvilágító rendszereket kell alkalmazni. Ez különösen az IC technológiában nagy kihívás, hiszen itt a fejlődés egyik kritériuma a méretek folyamatos csökkentése. Működési módjuk szerint lehetnek pozitív és negatív rezisztek, aszerint, hogy az eredeti ábrát vagy annak ellentettjét kapjuk a megvilágítás után. A pozitív és negatív fotorezisztek működési elve 9

10 Pozitív Negatív Működés A megvilágítás hatására a polimer A megvilágítás hatására láncmolekulák molekulák feltöredeznek, ezeknek a összekapcsolódnak, térhálósodnak, területeknek az oldhatósága ezeknek a területeknek az oldhatósága jelentősen megnő jelentősen lecsökken Fényérzékenység UV-ra érzékeny, a látható UV-ra és a rövidebb hullámhosszú tartományban nem láthatóra érzékeny (~540 nm alatt) Exponálás Bármilyen UV lámpával, de ajánlott a nagynyomású Hg-gőz lámpa (365 nm) Előhívás Híg NaOH oldat (5 g/l) Túlhívásra érzékeny 1-2%-os Na 2 CO 3 oldat Túlhívásra nem érzékeny Sztrippelés Szerves oldószer (pl alkohol), vagy 5%-os NaOH töményebb NaOH A fényérzékenység pontosabban jellemezhető a hullámhossz szerinti (spektrális) érzékenységgel. Az ábrán egy hagyományos negatív reziszt görbéje látható. Fontos megjegyezni, hogy a megvilágítás hatására a felület gyorsabban és lassabban oldódó területekre oszlik, nem pedig oldható és nem oldható részekre. Azaz mindig gondolnunk kell a túlhívás veszélyére, ami jobban fennáll a pozitív rezisztek esetében, míg a negatívoknál valóban elég nehezen oldódik le az exponált terület. Folyékony és szilárd rezisztek Kezdetben folyékony anyagokat használtak. Ezeknél fontos az egyenletes rétegfelvitel. Jó eredményt ad a centrifugálás, némi gyakorlattal a porlasztás. Újabban terjedt el a szitanyomtatás (részletesen később), amelyhez nagyobb viszkozitású alapanyag kell. A legnagyobb termelékenységű, és egyben a legjobb bevonatot is a folyadékfüggönyös eljárás adja. 10

11 A folyadékfüggönyös bevonatkészítés és a szilárd rezisztfólia rétegei A folytonos függönyt képező folyadékon keresztül nagy sebességgel átlövik a lemezeket, miáltal egy adott vastagságú egyenletes bevonat keletkezik. Minden rétegfelvitelt szárítás követ. Ha a gyártó nem ír elő más paramétereket, a szokásos szárítás 80 C-on 10 percig tart. A szilárd reziszteket a kétoldalas technológia igényei miatt kellett kifejleszteni. Legfontosabb előnyei: Egyenletes rétegvastagság, ha kell, vastagabb, mint amilyent folyékonyból meg lehet valósítani. Rajzolatgalvanizáláskor az ónnal együtt µm-es réteget visznek fel, ennél kell a szilárd rezisztnek vastagabbnak lenni, hogy a gombaképződést megelőzzük. Kétoldalas NYÁK esetében nem folyik be a furatokba. Kevesebb technológiai lépésből megvalósítható. A rétegelvitel laminálással történik. A panelt tisztítás, zsírtalanítás és finom érdesítés után a lamináló gép hengerei közé tolják, ott két oldalról rásimul a fólia. A fűtött hengerek felmelegítik a fóliát, rányomják a felületre, és a kicsit meglágyult reziszt jól rátapad a NYÁK felületére. A hengerek hőmérséklete kb C, segíti a tapadást, ha a lemezt is előmelegítjük. A jó rétegfelvitelt befolyásoló paraméterek: A lamináló hengerek, a panel hőmérséklete A hengerek nyomása Sebesség A fólia vastagsága A panel tisztasága 11

12 A rossz tapadás eredménye, hogy ellapult, alig észrevehető légbuborékok (void) maradnak a fólia alatt. A túlbiztosítás is kockázatos, nagyobb nyomás, főképp magasabb hőmérséklet hatására úgy térhálósodhat az anyag, mintha exponáltuk volna, és ezáltal már nem lehet előhívni a rajzolatot. Laminátor Kétoldalas, 5kW-os megvilágító Levilágítás (exponálás) A leggyakoribb a kontakt levilágítás, ez esetben a rajzolatot tartalmazó filmet pozícionáló jelek (fiducial) segítségével rögzítik a panelhez, behelyezik a megvilágító gépbe, vákuummal rászorítják a filmet, megelőzendő az alávilágítást. Így tolják be a lámpák közé, ahol a beállított ideig exponálódik. A szokásos reziszteknek viszonylag kicsi a fényérzékenységük, így a megvilágítási idő perc nagyságrendű, több kw-os lámpák mellett. Az újabb levilágítási rendszerek fejlesztésével a következő célokat szeretnék elérni: A pontosság, kihozatal javítása; a maszk illesztése ne kézi munkával történjen A termelékenység, a berendezés áteresztő-képességének növelése A felbontóképesség megtartása vagy javítása Mindezeket a lézeres vetítős levilágító berendezésekkel lehet elérni. Itt már nem érintkezik közvetlenül a 12 A lézeres vetítős és a lézeres közvetlen levilágító(direct imaging) rendszer sematikus képe

13 maszk és a panel. A hagyományos fotorezisztek használhatók, a panel befogásával a pontos illesztés is biztosítható. A következő lépés a maszk teljes elhagyása (közvetlen levilágítás). Ez esetben a lézernyalábot a rétegrajz terve szerint modulálják és vetítik a panelre. A módszer előnye a pontosság és a rugalmasság, ezért kis sorozatok gyártására is alkalmas. Ugyanakkor, mivel a nyaláb végigrajzolja a vonalakat, az áramkör bonyolultságától fog függni a műveleti idő. Továbbá, hogy mégis elég gyorsan tudjon rajzolni, a szokásosnál jóval érzékenyebb fotoreziszt szükséges hozzá. Előhívás Az előhívási fázisban, a negatívan működő fóliánk esetében, eltávolítjuk a nem kívánatos, meg nem megvilágított részeket (pozitívnál a megvilágítottat). Kritikus lesz az előhívási idő, mivel különösen a pozitív rezisztek esetében elég szűk a mezsgye az alul és a túlhívott állapot között. Alulhíváskor egy alig látható fátyol marad a rézen, ami miatt nem tapad a következő galvánréteg. Természetesen, ha túlhívjuk, onnan is lejön a maszk, ahol még védeni kellene a felületet, szakadás lesz, ha pozitív anyagot használtunk, vagy rövidzár, ha negatív a reziszt és utána galvanizálunk. Mivel a negatív rezisztek kevéssé érzékenyek a túlhívásra, ezért az ipari gyártásban úgy állítják be a hívási időt, hogy kb. 60%-nál már gyakorlatilag kész legyen az előhívás, a maradék idő már csak biztonsági rátartás. Az előhívó oldatot 1,5 2 bar nyomással porlasztják a felületre. Utána öblítés következik, vízzel vagy híg savval. Utóbbi gyorsabban leállítja a hívást. Sztippelés A technológiai sorban nem ez a következő lépés, az előhívott rajzolatra vagy galvanizálunk, vagy lemarjuk a szabadon hagyott rézfelületet. Csak ezután következik a maradék reziszt eltávolítása (sztrippelés). Erősen lúgos oldat alkalmas erre, pl. 5%-os NaOH. Szitanyomtatás Szitanyomtatással viszonylag egyszerű módon, olcsó berendezésben, tudunk ábrát készíteni. Az eljárás eredetileg nyomdai technológia, de szívesen alkalmazzák a nyomtatott áramköri gyártásban és a vastagréteg IC-k készítésénél. A szitanyomtatás lényege, hogy a kifeszített szitaszövetnek a rajzolat szerinti területét hagyjuk szabadon, a többit egy maszkkal átjárhatatlanná tesszük. Így a szitára felrakott festéket egy kenőkéssel áthúzva, a festék a szabad lyukakon átjut, és a minta átkerül a hordozóra. Az eljárás nagyon könnyen gépesíthető, de viszonylag nagyobb sorozatokat is gyakran kézzel nyomtatnak. A főbb alkalmazások a következők: maratásálló, galvanizálás-álló maszk forrasztópaszta forrasztásgátló maszk (lötstoplakk) felvitele 13

14 feliratok készítése fotoreziszt, fényérzékeny forrasztásgátló lakk egyenletes rétegként való felvitele vastagréteg áramköri passzív elemek nyomtatása A szitaszövetet egy megfelelően merev és sík keretre feszítik. A keretet úgy kell megválasztani, hogy mérete kb. háromszorosa (de minimum kétszerese) legyen a nyomtatandó ábrának. A szövetet vagy ragasztással rögzítik, vagy egy önfeszítő mechanizmus fogja és húzza a szükséges feszességűre. A szitaszövet anyaga poliészter vagy acél lehet. A legtöbb tulajdonságban az acél felülmúlja a műanyag szálat. A fontos jellemzők a következők: szakítószilárdság: az erősebb anyagból vékonyabb szál is elég, tehát finomabb szita szőhető kopásállóság: a szövet élettartamát határozza meg. A forraszpaszta, a vastagréteg paszták olyan kemény szemcséket is tartalmaznak, amelyek a lágyabb poliészter szálakat nagyon hamar tönkretennék, ezért ezek csak acélszitán vagy acélstencilen (ld. később) nyomtathatók. rugalmasság: a poliészter szövet kifeszítve is mutat némi rugalmasságot, ezért ezt nyomtatáskor el lehet emelni a hordozótól és csak a kenőkés nyomja a felületre. Az acélszitának közvetlenül érintkezni kell a nyomtatandó felülettel, ezért másféle berendezést kell használni. kémiai ellenálló-képesség: A festékhígítók, oldószerek, tisztításhoz használt anyagok között több eléggé agresszív anyag is található, de ezeket mindkét anyag elég jól tűri. geometriai jellemzők: a szitafinomságot, az elérhető felbontóképességet az angolszász hagyományos mértékegység szerint mesh -ben adják meg, ami az egy inch-re jutó csomók száma. A NYÁK rajzolatokhoz általában mesh-es szita megfelelő. Emellett fontos jellemző még a szabad felület aránya is, különösen akkor, ha a nyomtatandó réteg vastagsága is fontos paraméter. Maszk: A nyomtatandó ábrát általában fototechnikai úton viszik fel a szitára. Attól függően, hogy a fényérzékeny anyag felvitele és a fotózás hogy követik egymást, megkülönböztetünk direkt és indirekt (közvetlen és közvetett) maszkot. 14

15 A direkt maszk készítésekor először a teljes szitafelületet bevonják egy fényérzékeny anyaggal (bemerítik a folyékony emulzióba, majd a rátapadt réteget beszárítják), és erre fotózzák rá a kívánt rajzolatot. A megvilágítás kontaktmásolással történik, a filmet rászorítják a szitára, és ezen keresztül UV fénnyel exponálják a szitát. Leggyakrabban poli-vinilalkohol alapú negatív fényérzékeny anyagot használnak, ebből következően pozitív filmet kell használni, és így a meg nem világított területek Indirekt és direkt emulziós szitamaszk maradnak oldhatóak. Az előhívó ez esetben meleg víz. Végül szárítás után a szitán a rajzolatnak megfelelő területek lesznek átjárhatók, a többi nem. Az indirekt maszknál a fényérzékeny anyagot fólia formában használják, először exponálnak és előhívják, majd még nedvesen belepréselik a szitaszövetbe. Száradás után a szita maszkon kívüli felületét tömítő festékkel ki kell kenni. A két eljárás közül a direkt maszk valamivel erősebben kötődik a szövetbe, ezért ez tartósabb, ezer nyomtatást kibír. Ezzel szemben az indirekt maszk készítése könnyebb, gyorsabb és kevesebb anyagot használ. A rajzolat pontosságában nincs számottevő különbség. A direkt maszk készítésénél lehetőség van többszöri bemártással a rétegvastagság növelésére, és ezzel a nyomtatandó réteg vastagságának növelésére. Ennek elsősorban a vastagréteg passzív elemek nyomtatásánál van jelentősége. Nyomtatás A lemezt a szitaasztalon rögzíteni és nagyon pontosan pozícionálni kell, hiszen legtöbbször a nyomtatott ábra más rajzolatokhoz illeszkedik. Az ábra pontossága, reprodukálhatósága a nyomtatási paraméterek pontos betartásától, a szitamaszk és a festék tulajdonságaitól függ. 15

16 Nyomtatási paraméterek: Kenőkés nyomóerő: Az erőnek legalább akkorának kell lenni, hogy a szitát lenyomja a bevonandó felületre. Nagyobb nyomóerő hatására több festék jut a felületre, részben azért is, mert a gumi deformálódása miatt a kés dőlésszöge is csökken. A túl nagy nyomóerő károsíthatja, torzíthatja a maszkot. Kenőkés sebessége: A sebességet alapvetően a festék viszkozitásához kell igazítani, hogy a kés egy nyílás fölött annyi ideig tartózkodjon, amíg azon a festék átpréselődik és eljut a hordozóig. A túl kicsi sebesség okozhat egyenetlen rétegvastagságot, esetleg aláfolyást, de nagyobb nyomással párosulva a szilikon kés éle behajlik a nyílás közepén és elvékonyítja a réteget. A túl nagy késsebesség elvékonyodást, hiányos nyomtatást eredményez. Általában csökkenteni kell a sebességet, ha nagyobb viszkozitású, esetleg tapadós a festék, ha finomabb rajzolatot nyomtatunk, ha vastagabb maszkot használunk. A kés dőlésszöge: ennek változtatásával széles tartományban szabályozhatjuk a maszk lyukain átpréselt festék mennyiségét. A szög meghatározásánál figyelembe kell venni azt is, hogy a nyomás hatására a kés kicsit meghajlik. 60 -nál kisebb szög esetén már egyenetlenné válhat a réteg, míg 90 hoz közelítve elvékonyodik, hiányossá válik a nyomtatás. Szita hordozó távolság (eltartás): lényege az, hogy a szita kiemelése a nyomtatott festékrétegből gyorsan és azonnal a kés elhaladása után megtörténjen, mert így a legkisebb az esélye a festék elkenődésének. Ez csak a poliészter sziták esetében lehet, mert annak van elegendő rugalmassága. A kés nyomja le a maszkot a hordozó felületére, és ahogy a kés tovább halad, a szövet felemelkedik, és a szitaszálak kiemelkednek a lenyomtatott festékből, úgy, hogy nem húznak szálat maguk után. A távolság konkrét értéke elsősorban a szita feszítettségétől és a méretétől függ, általában 2 3 mm. (Ugyanezt az eltartást nem lehet megvalósítani a nem nyújtható acélszitákkal és stencillel. Ez esetben a hordozó gyors süllyesztésével próbálnak hasonló hatást elérni.) Festék 16

17 A felhasználás szerint többféle anyag nyomtatható, maratás-, galvanizálás-álló festék, fotoreziszt, forrasztásgátló lakk, jelölő festék, de a vastagréteg áramkörök esetében a vezető, ellenállás és dielektrikum paszták is. Ez alapján vannak speciális anyagtulajdonságok, de a jó szitázhatóságnak vannak általános követelményei is. Ezek a megfelelő felületi feszültség és a viszkozitás. A szitanyomtatás menete rugalmas szitaszövet (poliészter) esetén A felületi feszültségnek elég nagynak kell lenni ahhoz, hogy szita lyukain átjutott festék felülete rövid idő alatt kisimuljon, de ne legyen olyan nagy, hogy a hordozó nedvesítését, így a festék tapadását csökkentse. A viszkozitásnál is két ellentétes igény jelentkezik, a nyomtatás során kis viszkozitás az előnyös, hogy Kenőkés a festék könnyen átjusson a szitanyílásokon, a szálak könnyen ki tudjanak szakadni a festékből, vastag anyag utánhúzása nélkül. A kinyomtatott festéknek viszont nagy viszkozitásúnak kell lenni, nehogy szétfolyjon. A megoldást az un. tixotróp anyagok biztosítják, amelyek akkor, ha áramlanak (pl. nyomtatáskor), kicsi, míg nyugalomban nagy viszkozitásúak. (Ez a tulajdonság a festékhez adott mikroszkópos méretű lemez vagy pálcika alakú részecskéknek köszönhető, amelyek áramlás közben rendeződnek a kisebb ellenállás irányába, nyugalomban viszont rövid idő alatt megszűnik ez a rend és megnő a viszkozitás.) Anyaga legtöbbször kemény szilikongumi, ennek kopásállósága, vegyszerállósága kiváló, rugalmassága megfelelően beállítható, és nem terheli nagyon a szitaszövetet. Az élét általában 90 osra alakítják ki, ritkábban kisebbre. 17

18 Fémbevonatok A NYÁK technológiában gyakorlatilag csak vizes oldatból történő rétegkészítést alkalmaznak, azaz valamilyen oldott fémvegyületből redukálják a fémet. A fém ionos formában van a vízben, ebből redukcióval elektron felvételével válik semleges fémmé: Me n+ + ne - Me Me (metall) általában egy fém, n db pozitív töltéssel. Attól függően, hogy milyen módon kapja meg a fém a hiányzó elektronokat, háromféle módszert különböztethetünk meg: Galvanizálás (elektrolizálás, galvanic plating): villamos áram biztosítja a szükséges töltést, Redukciós fémezés (kémiai fémezés, elektroless plating): kémiai reakcióban egy redukálószer adja át a szükséges elektron(ok)at, Immerziós fémezés (immersion plating): egy csere-reakcióban egy másik fémtől kapja meg a hiányzó elektron(ok)at. Mindhárom eljárást használják a NYÁK technológiában, úgyhogy ismerkedjünk meg velük, felkészülve arra is, hogy egy kevés kémiai ismeret is szükséges lesz. Galvanizálás: A legismertebb, széles körben használható eljárás, gyakorlatilag minden technikai fémből lehet így réteget készíteni. Egyetlen feltétel, hogy a bevonandó felület vezessen A sematikus ábrán látható, hogy a bevonandó fémet katódként kapcsoljuk, az oldat (elektrolit) a bevonó fém vegyületét tartalmazza, és az anód anyaga pedig általában (de nem kötelezően) szintén a bevonó fémből van. Az elektrolit pozitív fémionjai a villamos tér hatására vándorolnak a katód felé, a felülethez érve pedig megkapják a hiányzó elektronokat, semleges atommá alakulnak és beépülnek a felületi rétegbe. A cellán átfolyó töltéssel arányos mennyiségű fém tud semlegesítődni, tehát ezzel szabályozható a rétegvastagság. Ezt írja le a Faraday törvény: m = k I t a k elektrokémiai állandó helyett M/zF és az m tömeg helyett ρ A d kifejezéseket használva kapjuk a: összefüggést, ahol: = ρ: a fém sűrűsége A: a felület nagysága d: a rétegvastagság M: a fém móltömege I: áramerősség t: idő z: a fémion töltésszáma (1, 2, 3) F: Faraday állandó = 96500C/mól Ebből számolható a rétegvastagság vagy a kívánt rétegvastagsághoz szükséges áramerősség és idő. 18

19 Galvanizáló berendezés: Az ipari gyakorlatban galvanizáló sorokat állítanak össze, amelyben az előkezelő, galvanizáló és öblítő fürdők együtt megtalálhatók. A panelokat keretekre rögzítve egy konvejor rendszer szállítja a gyártóprogram szerint. A galvánsor és a sorról kijött munkadarabok. A bal oldali az ónozás, a jobb oldali a réz galvanizálás után. A kék területeken a Riston fólia van. A galvánfürdők fő alkotói a következők: a felvinni kívánt fém sója (általában szulfát, pl. CuSO 4, SnSO 4 ) kénsav (ph savasan tartása és a vezetőképesség növelése) adalékanyagok (fényesítő, szemcsefinomító, depasszivátor az anód védelmére, stb.) nemesfémeknél megengedett a lúgos, cianidos fürdők alkalmazása, mert csak így lehet a kellő töménységű oldatot elkészíteni. A fürdők rendszeres karbantartást igényelnek, meghatározott (Ah-ban mért) terhelés után ellenőrizni kell, és ha szükséges, pótolni a hiányzó komponenseket. A jól gondozott fürdő több éven keresztül használható. Az anód anyaga tiszta fém, néha speciális ötvözet (pl. a NYÁK rezezéséhez foszfor tartalmú anódot használnak), és a nemesfémek esetében valamilyen olcsóbb, nem oldódó fémet választanak (pl. aranyozáshoz titánt). A fürdő élettartamát növeli, ha az esetleg elporladó anyag felfogására műszálas szövetből anódzsákot készítünk. Az elektronikai iparban leggyakoribb galvánbevonatok: réz: NYÁK panel, rajzolat és furatgalvanizálás, vezetőréteg hízlalás. Így készül maga a fólia is, egy forgó hengerre épül a réteg, az áramsűrűséget és a forgási sebességet úgy állítják be, hogy egy fél fordulat alatt pont a szükséges (35, 18, 70 µm) vastagságú réteg készüljön. ón: NYÁK maratásálló maszk készítés nikkel: NYÁK felületkikészítés, kontaktusfémezés, átmeneti 19

20 réteg aranyozás alá, rétegellenállás arany: kontaktusfémezés Néhány galvántechnológiai fogalom: Áramkihasználás: a valóságban kivált hasznos anyag tömege és a Faraday törvényből számított tömeg hányadosa. Amennyiben jelentősen kisebb 1-nél (100%-nál), annak oka általában az, hogy nagyobb galvanizáló feszültség, nagyobb áramsűrűség alkalmazása esetén nem csak a kívánt anyag válik ki a katódon, hanem más is. Ez leggyakrabban hidrogén, mivel az vizes oldatban mindig jelen van, és kiválasztásához nem kell nagy többletfeszültség. A hidrogénkiválás fő baja nem is az áramhasznosítás csökkenése, hanem a bevonat minőségének romlása. Porózus, matt, néha fekete lesz a felület, a tapadása romlik, beépülve a fémszerkezetbe pedig rideggé teszi azt. A fürdők adott áraműrűség-tartományban tudnak szép, egyenletes bevonatot produkálni, ez általában 1 5 A/m 2. Túl kicsinél szemcsedurvulás valószínű és lassú a folyamat, túl nagynál pedig más ionok együttleválása rontja a réteg minőségét. Szóróképesség: a galvánfürdőknek azon tulajdonsága, hogy mennyire képesek elsimítani a katód áramsűrűségének helyi ingadozásból származó bevonat-egyenetlenségeket. Megkülönböztetünk makro- és mikro áramszóró-képességet. Makroszórás vagy primer szórás: Akkor alakul ki, ha az anód és a katód felülete nem párhuzamos, így az áramsűrűség sem lesz egyenletes. Ez a helyzet pl. alakos katód esetében és a folírozott lemez furataiban is. A fürdő makroszórását helyes anód-elrendezéssel és vezetősó alkalmazásával lehet javítani. Mikroszórás vagy szekunder szórás: Az áramsűrűség ingadozást a bevonandó tárgy felületi egyenetlenségei okozzák. Lyukak, karcolások mentén csökken, élek, kiemelkedések közelében a csúcshatás miatt jelentősen megnő az áramsűrűség. Ennek hatására itt gyorsan megindul a fémkiválás, de ettől hamar kiürül a csúcs közvetlen környezete a leválasztandó fémionból. Ennek következtében helyileg megnő a leválási potenciál (polarizációs potenciál). A rétegépülés ezért itt leáll, és csak ott folytatódik, ahol a leválási potenciál alacsonyabb, azaz a mélyedésekben, sík felületen. Tehát a jó mikroszórású fürdő csökkenti a felületi érdességet, sima, esetleg fényes bevonatot hoz létre. A mikroszórást azok az adalékok javítják, amelyek a túlfeszültséget növelik. Ilyenek a komplexképzők (pl. ammónia, cianid, de utóbbit mérgező volta miatt ma már csak néhány nemesfém fürdőben használják), felületaktív anyagok, glicerin. 20

21 Polarizációs potenciál: Ha egy galvanizáló cellát készítünk, azzal egy galvánelemet is készítettünk. Ennek elektromotoros ereje a két elektród elektródpotenciáljának különbsége. Ha galvanizálni akarunk, ellentétes irányú áramot kell a cellán átbocsátani. Ehhez nyilván legalább akkora ellentétes feszültséget kell a cellára kapcsolni, mint annak az elektromotoros ereje. Ezt nevezzük a cella bomlásfeszültségének. (Lehet 0V is, ha mindkét elektród ugyanaz a fém, és a katód- anódtér nincs elválasztva) Egyensúlyi esetben végtelen kis áram folyhat át a cellán. Ha növeljük az áramerősséget, a határrétegek állapota is megváltozik, az ionok kiválásához többlet munkavégzés szükséges, ami abban nyilvánul meg, hogy többlet feszültség kell az elektrolízishez. (W = QU ismeretében ez könnyen belátható) Ezt a jelenséget (elektród)polarizációnak nevezzük, az egyensúlyi potenciálhoz képest mérhető növekményt túlfeszültségnek (η). U pol = E + η Általában a katódon mindig az a pozitív ion válik ki, amelyik kilépéséhez a legkisebb munkavégzés (=polarizációs potenciál) szükséges. Előfordulhat, hogy a túlfeszültség annyira megnő, hogy eléri a polarizációs potenciál az oldatban levő más ion polarizációs potenciálját, és ettől kezdve azonos eséllyel válhat ki a két ion. Vizes elektrolitokban leggyakoribb, hogy a hidrogén követi a fémet a kiválási sorban. Érdemes megjegyezni, hogy a makroszórásnál említett vezetősó azért alkalmazható, mert a szokásosan használt Na 2 SO 4, MgSO 4 ben levő fémionok leválási potenciálja olyan magas, hogy soha nem fognak kiválni a katódon, miközben a fürdő ellenállását hatásosan csökkentik. Redukciós fémezés: Ennek az eljárásnak a legfontosabb előnye, hogy szigetelőanyagokra is készíthető így fémbevonat, ami szükség esetén galvanikusan tovább vastagítható. Egy oldatban kell összehozni a kiválasztandó fémet és egy közepesen erős redukálószert (leggyakrabban formaldehid) és egy stabilizátort, ami az idő előtti reakciót megakadályozza. A fémkiválásnak csak akkor szabad megindulni, ha az előkezelt, aktivált munkadarabot behelyeztük a fürdőbe. Az anyagválaszték elég szerény, csak néhány fémből készíthető réteg kémiai redukcióval: réz: a furatfémezés legelterjedtebb módja, formaldehides oldatból szobahőmérsékleten, 5-10 perc alatt 1-2µm vastag réteg épül, ami már elegendő alap a galvanizáláshoz nikkel: felületkikészítő eljárásoknál az arany alá elválasztó rétegként használjuk, illetve régebben kerámia hordozóra leválasztva diszkrét rétegellenállást készítettek így ezüst: a tükrök bevonata is így készül, a NYÁK gyártásban inkább immerziós ezüstöt használnak palládium: a redukciós réz alá, a felület aktiválására választják le, nem is összefüggő rétegként, de a folyamat itt is hasonló, a redukálószer Sn 2+. A teljesség kedvéért meg kell említeni, hogy a furatfal vezetővé tételére (making hole conductiv) az említett kémiai rezezésen kívül más eljárások is ismertek és használatosak: 21

22 Black hole : a furatokon grafit szuszpenziót préselnek át, és a falra rászárított grafit már elegendő vezetőképességgel rendelkezik a galvanizáláshoz A furatfémezés lépései: 1. Fúrás, felület előkészítés, aktiválás, 2. Vezető réteg felvitele, 3. Réz galvanizálása a furatfalra (és a panelre is) jobbra: fémezett falú furat Direct plating : a redukciós rezezés alá használt Pd bevonatot vastagabbra, összefüggőre készítik, így ez a réteg már galvanizálható Vezető epoxi: a falon vékony epoxi réteget hoznak létre és ezt forró kénsavas kálium-permanganát oldattal kezelve vezetővé válik. Immerziós fémezés: Ez mindig egy csere reakció; egy kevésbé nemes fémet (negatívabb elektródpotenciálút) egy nemesebb fém oldatába merítjük. Az oldatban levő megkapja a szükséges elektronokat, redukálódik és semleges fémként kiválik a felületre. Leginkább a forraszthatóságot biztosító felületkikészítő rétegek készülnek így: Ezüst: közvetlenül a rézzel cserél: 2Ag+ + Cu 2 Ag + Cu2+ Jól forrasztható, viszonylag olcsóbb bevonatot ad. Vastagsága 0,15 0,45 µm Arany: az alá rétegezett nikkellel cserél helyet. 0,05 0,2 µm vastagságban készíthető, többször forrasztható, hosszú ideig stabil réteget képez. Strippelés A rajzolatgalvanizálás után a maszk szerepét az ón veszi át, a rezisztfóliát el kell távolítani, hogy a maratószer hozzáférhessen a réz felülethez. A strippelő oldat gyakrabban erős lúg ( kb 2 3 %-os nátrium-, illetve káliumhidroxid), vagy szerves. Utóbbiak gyorsabbak, de drágábbak és kevésbé környezetbarátak. Az oldatok C-ig melegíthetők. Az exponált reziszt nem oldódik fel, csak összetöredezik és elválik a réztől, így szűréssel könnyen eltávolítható a fürdőből. 22

23 A fólia eltávolítása után ónnal védett vezetőpályák és szabad, maratható rézfelület marad vissza Maratás A maratással kémiai úton távolítjuk el azokról a helyekről a rézréteget, ahol nincs rá szükségünk. Így a maratás után már csak a vezetőpályákon és a furatokban található réz a kártyán. A kémiával szembeni tartózkodás sokakat késztetett arra, hogy más megoldásokat keressenek. A mechanikus marás minőségileg megfelelő, de inkább csak prototípusoknál célszerű, ugyanis a művelet ideje függ az ábra bonyolultságától. Ez sorozatgyártás esetén igen nagy előny a kémiai marás oldalán, így az ipar még ezt használja. Ez mindig egy oxidációs folyamat, az elemi rézből vegyületet kell készíteni, ilyenkor egy vagy kétszeresen pozitív ion keletkezik (elektronleadás = oxidáció). A keletkezett vegyületnek még oldhatónak is kell lenni, mert el kell távoznia a felületről, hogy a következő réteghez is hozzáférhessen a maratószer. A réz sók savas közegben Cu ++ ion formában jól oldódnak, lúgos közegben pedig akkor, ha ammónia jelenlétében komplex iont képezhetnek Cu[(NH 3 ) 4 ] ++ (réz-tetrammin ion). Tehát a jó maratószernek elég erélyes oxidálószernek kell lenni, mert a réz elég stabil fém, ezen kívül pedig savas vagy lúgos ph-júnak kell lenni. Számos lúgos és savas maratószer is létezik. Ezek közül a legelterjedtebbek: Vas (III) klorid FeCl 3 Ammónium perszulfát (NH 4 ) 2 S 2 O 8 Réz klorid CuCl 2 Kénsav - hidrogén peroxid H 2 SO 4 H 2 O 2 Réz tetrammin (lúgos) [Cu(NH 3 ) 4 ](OH) 2 A maratás folyamata A maratás sebességét, és a maratott kártyák minőségét is az alkalmazott eljárás, és a felszerelés is nagymértékben meghatározza. A két legelterjedtebb maratási módszer a merülő, és a szállítószalagos maratás. A merülő megoldás az egyszerűbb. Itt egy tartályban tárolt melegített maratószerbe merítjük a kártyákat. 23

24 A szállítószalagos eljárás során egy zárt gép belsejében szállítjuk egy futószalagon a kártyákat, miközben maratószer permeteződik a felületükre. A NYÁK iparban ez az elterjedtebb, mivel gyorsabban lehet lemaratni a kártyákról a rézréteget, ezáltal jobban alkalmazható a nagy szériás gyártásokban. Permetező maratógép: A gép aljában található egy elzárt rész, ahol a maratószert tárolja és melegíti a kívánt hőmérsékletre. A maratószer motoros szivattyú segítségével jut el a permetezőkarokig, amik a maratókamra teljes hosszában és szélességében képesek szétszórni az oldatot. A permetezőkarokat a szállítószalag fölött és alatt is elhelyeznek, hogy a kártyák mindkét oldalát egyszerre lehessen maratni. Miután a kártyákat lemarattuk, átkerülnek az öblítő kamrákba. Itt lemossuk kisebb koncentrációjú maratószerrel, illetve vízzel a kártyákon maradt maratószert. Általában kétkamrás gépekkel dolgoznak a gyártók. Az első kamrában mossuk le a rézréteg nagy részét egy kisebb koncentrációjú maratószerrel. Ez azért fontos, mert az itt összegyűlt folyadékot visszaforgatják a maratószerbe, ezzel töltjük fel/pótoljuk a maratókamrában használt oldatot. Egy kaszkád rendszerben sorba kapcsolt kádakat kell elképzelni. Egy adagoló segítségével a kívánt mennyiségű maratószer folyamatosan utánpótlásra kerül. Miután már a réz nagy része lemosódott, jön a vizes tisztítás. Környezetvédelmi, és hulladékkezelési szempontból is fontos, hogy az öblítővíznek ne legyen nagy réztartalma. Maratógép: A gép elején behelyezzük a kártyákat, amik görgőkön haladnak tovább. Látható, hogy egymástól elkülönített kamrákban történnek a technológiai lépések. Kritikus változók Hogy állandó, és kiszámítható eredményt kapjunk az összes kritikus változót szükséges folyamatosan mérni, és kontrollálni. Koncentráció: A maratószerek koncentrációja nagyban befolyásolja a maratási teljesítményt. Figyelni kell az állandó pótlásra. 24

25 Hőmérséklet: A hőmérséklet változtatásának közvetlen ráhatása van a végeredményre. Ha növeljük a maratószer hőmérsékletét, felgyorsítjuk vele a folyamatot, de egy bizonyos pont után ez már a minőség romlásával is jár. A maratószerek nagy része elkezd bomlani (réztetramin, hidrogénperoxid), másrészt a szerkezeti anyagok (pl. PVC) is károsodnak. Nyomás: Általában 1,5-2 bar nyomás az ideális. A túl magas nyomás megváltoztathatja a kártyák egyenletes mozgását a szállítószalagon. (Túl nagy nyomás alulról megemelheti a kártyát.) A permetezőkarok nyílásait időként tisztítani kell, mert ha eltömődnek a kimenetei, akkor egyeletlen lehet a maratása a kártyáknak. Sebesség: A szállítószalag sebességét úgy kell beállítani, hogy a töréspont a maratókamra 80%-ánál legyen. Ez azt jelent hogy ennél a pontnál már le kell jöjjön a rézréteg majdnem egésze. Ha ennél alacsonyabb a töréspont, akkor alámarást eredményezhet, ami elvékonyítja a vezetőpályákat. Alámarás Alámarásnak nevezzük, amikor a maratási eljárás során a vezetőpályák falai nem teljesen függőlegesek, hanem keskenyednek. Az alámarás mértékét meghatározhatjuk a maratási faktorral. A maratási faktor a maratási mélység (a rézréteg vastagsága) és az alámarás mértékének aránya (X/V). A maratási faktor egy fő szempont a minőség meghatározásakor, főleg a finom rajzolatú kártyáknál. Például egy 100 µm vastagságú vezetőpályánál, ha 25 µm -es az alámarás mindkét oldalon, akkor a vezetőpálya fele lemaródik. Az alámarást a marási faktorral jellemezhetjük, ami a felületre merőleges és a párhuzamos marás sebességének hányadosa. Átlagosan 3 körüli érték. Függ a maratószer anyagán kívül annak frissességétől, koncentrációjától és a marató berendezés típusától is; az erősebben permetező, gyorsabb folyamatban kisebb az alámarás. Tervezéskor tudnunk kell a használandó maratófürdő alámarását, és ha kritikus, annyival szélesebb vezetőcsíkot kell tervezni, amennyi várhatóan elfogy. Környezetvédelmi szempontok: a maratás a NYÁK gyártás leginkább környezetterhelő lépése. Meglehetősen agresszív anyagokat használ, a kimerült maratószer pedig rezet, azaz nehézfémet tartalmaz, tehát mindenképp veszélyes hulladék. Ezért, ha lehet meg kell akadályozni a hulladékká válást, tehát regenerálni a fürdőt, a lemart rezet hasznosítható állapotban kivonni a fürdő ph-ját és oxidáló-képességét (redox potenciálját) visszaállítani. Elvileg minden maratószerre létezik regenerálási eljárás, de nem egyformán egyszerűek, van, hogy a cégeknek a gyűjtés lerakás jobban megéri, pl. a rézteramminos marató esetében. 25

26 Forrasztásgátló lakk (lötstoplakk) felvitele Miután végeztünk a maratással, már csak az ónozott vezetőpályák, és a vezetővé tett furatok találhatók a kártyán. Kétféleképpen fejezhetjük be a gyártást. A régebbi, és olcsóbb módszer az, ha rajtahagyjuk az ónréteget a rézpályákon, és úgy visszük fel a forraszálló lötstoplakkréteget. Ha a kártyára ezek után az alkatrészeket kézi beültetéssel helyezik fel, akkor nem olyan lényeges hogy az galvánón réteg ott maradt a festék alatt. Azonban ha az alkatrészeket (kondenzátorok, tranzisztorok, ellenállások, stb.) gépi beültetéssel teszik fel, akkor a hullámforrasztás során a magas hőmérséklet hatására az ón a festék alatt folyékonnyá válik. Emiatt felpúposodhat a festék a kártyán, ha túl kemény a festék felülete meg is repedezhet. Ezért a gépi beültető cégek az úgynevezett szelektív technológiával gyártott NYÁK-at részesítik előnyben. Ilyenkor eltávolítják a galvánón réteget a réz felületéről, és a lötstoplakk felvitele után szelektív eljárással bevonatot képeznek a még befedetlen réz részekre. Akármelyik eljárást is választja a gyártó, a következő lépés a forraszálló festék felvitele. Lötstoplakk Mielőtt elküldenék a kártyákat az alkatrész-beültetésre egy szerves festékréteget visznek fel rá. A kártya egész felületére felkerül ez a festék, kivéve a furatokat, alkatrészlábak helyét, és a csatlakozókat. Erre azért van szükség, hogy csak az adott helyekre lehessen forrasztani, és a kártya festék által védett részeire ne tapadjon rá a forraszanyag. Ezenkívül a festék védi a vezetőpályákat a különböző környezeti hatásoktól. A lötstoplakk alapja a gyanta. Ennek a minősége határozza meg a festék minőségét is. A lötstoplakk határozza meg a NYÁK végleges színét. Létezik az alap zöld színen kívül piros, fekete és kék színben is a festék. 30. ábra: A megrendelő határozza meg a kártya színét A lakkot általában függönyöntéssel viszik fel a NYÁK felületére. Ilyenkor fényérzékeny lakkot használnak, a beszárítás után a megfelelő maszkon keresztül megvilágítják és előhívják az ábrát. Kisebb sorozatoknál a 26

27 függönyöntés nem gazdaságos (pl. a nem zöld lakkoknál), ezeknél az egyenletes bevonatot szitanyomtatással készíthetjük (a szitán a panel méretének megfelelő téglalapot hagyunk szabadon, így szép, egyenletes réteget nyomtathatunk). Az exponálási UV dózis elég arra, hogy a lakk előhívható legyen, a megvilágított rész már nem oldódik (negatív lakk), de a használathoz teljessé kell tenni a térhálósodást egy utólagos hőkezeléssel (kb. 150 C, 1 óra). Elvileg készíthető forrasztásgátló maszk közvetlenül szitanyomtatással is, de ezt viszonylag ritkán alkalmazzák. Automata szitázógép. Függönytő gép. Pozíció festékek (legend, silkscreen) A lötstoplakk réteg után még egy festékréteg kerül a kártyára. Bár ez inkább csak jelölésként szolgáló festék. A tervezők ennek a segítségével írnak a kártya felületére. Meg kell határozni, hogy melyik csatlakozási felülethez melyik alkatrész kerül. Itt kerülnek meghatározásra az ellenállások, tranzisztorok, chipek helyei. Ezen kívül, a típusszám, a gyártó cég neve, és technikai adatok is felkerülhetnek a pozíciófestékkel. Ezeknél a festékeknél ugyanazok a felviteli eljárástípusok találhatóak meg mint a lötstoplakknál : fotózható, UV-ra száradó, és a hőre keményedő. 34. ábra: A fehér pozíciófestékkel jelölik meg a különböző alkatrészek helyeit 27