Nyomtatott huzalozású lemezek technológiája

Átírás

1 NYÁK, PCB (Printed Circuit Board), NYHL, PWB (~ Wiring ~) Nyomtatott huzalozású lemezek technológiája Vezetőhálózat + mechanikai tartás + szerelési alap Előnyök: Nagyobb terhelhetőség, jobb disszipáció (felület/keresztmetszet nagy) Szerelés, mérés, hibakeresés automatizálható Megbízhatóság jobb 1 2 NYHL típusok Hordozó: merev hajlékony Vezetősávok száma: egyoldalas, kétoldalas, furatfémezett, többrétegű Rajzolatfinomság: vezető szigetelő vastagság normál: 0,4 0,6 mm >16mil finom: 0,3 0,4 mm ~12 16 mil igen finom: 0,1 0,2 mm ~ 4 8 mil (1 raszter = 2,54mm, 1 mil = 0,001 inch = 0,01raszter) 3 Fő lépések Anyagválasztás (hordozó, fólia) Mechanikai megmunkálás (fúrás,darabolás) Rajzolat kialakítás Maszk készítés: fotolitográfia, szitanyomtatás Maratás Fémbevonatok: Cél Megoldás Forrasztásgátló bevonat Ellenőrzés Furatfémezés Maszkolás Felület kikészítés Galvanikus Árammentes (redukciós) Immerziós 4 Tartalom Kétoldalas, furatfémezett NYÁK technológiája Egyoldalas Többrétegű NYÁK, együttlaminált technológia Tervezési szempontok, DfM Nagy sűrűségű összeköttetés, HDI, a technológia új megoldásai 5 Kétoldalas technológia összefoglalása Fúrás Aktiválás Sn Pd, Árammentes Cu bevonat, Panelgalvanizálás Szilárd fotoreziszt felvitele Fotolitográfia 1

2 Galván Cu bevonat (~20µm) Sn galvanizálás (~10µm) Negatív maszk eltávolítása Cu maratás, a fényes Sn maszkol Sn védőréteg eltávolítása (vagy megömlesztése: HASL) Forrasztásgátló réteg felvitele Felületkikészítés (Au, Ag, Sn, OSP) Mechanikai műveletek Fúrás Darabolás: Technológiai méretre (~ cm-es táblák) Technológiai sáv Utólag: kivágás, kontúrmarás Fúrás: egyoldalas: a műveletsor végén - nem kritikus kétoldalas, többrétegű: elején - nagyon fontos. Furat belső fala fémezhető legyen. Méretarány (aspect ratio) átmérő/furathossz fúrószár terhelhetősége, furat fémezhetősége Pakett, koordináta-fúró 9 Anyag: wolfram-karbid Menetemelkedés: o Kúpszög: ~140 o Fordulatszám: /min minél kisebb furat, annál nagyobb fordulatszám Min. d =0,2 0,15 mm 10 Felülettisztítás Mechanikai: dörzshenger, habkőpor (nedves) Zsírtalanítás: új réteg egyenletes tapadása Vizes bázisú zsírtalanítók: Lúgos: NaOH, Na 2 CO 3, Na 3 PO 4 Felületaktív anyag: szappanszerű vegyületek Bemerítéssel vagy permetezéssel Szerves oldószeres zsírtalanítás Nagyrészt mérgező, tűzveszélyes gőzök Klórozott szénhidrogének (széntetraklorid, triklóretilén) mérgező Freonok ózonkárosítók Emulziós : o/v (durva zsírtalanítás) Gőzfázisú tisztítás: zárt térben, a hideg hordozót a melegen telített gőzbe helyezik, a tiszta oldószer lecsapódik, lecsorog. (inkább félvezető)

3 Ultrahangos tisztítás A hang longitudinális hullám - nyomásváltozás Kavitációs üreg keletkezik - összeomlik, p = Pa, (folyadék szilárd határfelületen) Fellazítja, letépi a szennyeződést a felületről Hatása függ: az oldószer Hőmérsékletétől, Felületi feszültségétől Gőznyomásától, Viszkozitásától Ultrahangos tisztítás f = 20 40kHz Idő: 2 3 perc, (max. 10perc) Forgatni kell Oldószer: tiszta víz (meleg), lúgos zsírtalanító oldat, szerves oldószer, pl. aceton Oxidmentesítés Felületi oxidréteg, ill. más korróziós bevonat eltávolítása fémtiszta állapotig -dekapírozás- Általában savas pácoldatok Rézen: Cu 2 O, Cu(OH) 2 CuCO 3, 10 20% -os kénsav, sósav, szobahőmérsékleten, 0,5-1 perc 15 Furatfémezés, panelgalvanizálás Kiindulás: 2 x 18µm-es folírozott lemez Felület előkészítés: Tisztítás, zsírtalanítás Érdesítés, mikromarás Aktiválás SnCl 2 majd Pd Kémiai reakció: CuSO 4 + 2HCHO + 4NaOH Cu + 2(HCO) 2 Na + H 2 + 2H 2 O + Na 2 SO 4 Szobahőmérsékleten Rétegvastagság 1-2µm, galvanikusan tovább vastagítható. Panelgalvanizálás: kb. 5µm Cu a furatokba és a teljes 16 felületre Furatfémezési megoldások Fémbevonatok Kémiai (redukciós) réz: Direct plating: Pd rétegre közvetlen galván Cu Black hole: grafitréteg galván Cu Vezető polimer: polimer réteg oxidációval vezetővé tétel galván Cu Szigetelő furatfal Vezető furatfal Galvanikusan vastagított furatfal Kémiai redukciós Szigetelő felületre is Alkalmazás: furatfémezés, ellenállás Leggyakoribb: Cu, Ni, Ag Immerziós Vezető felületre, árammentes, ioncsere reakció Leggyakoribb: Ni, Ag, Au Redukció: Me + + e - Me Galvanikus Vezető felületre Alkalmazás: Panel, rajzolat érintkezők 3

4 Elektródfolyamatok emlékeztető: Galvanizálás Zn e - Zn Mindkét irányú folyamat E elektródpotenciál oldat és határréteg között többlettöltés fémkiválás Faraday törvény m = k I t k = M/z F, j = I/A [A/dm 2 ] Rétegvastagság a sűrűség ismeretében számítható Áramkihasználás: η 1 Veszteség oka: H 2 együttleválás más szennyező ionok hőfejlődés Leválási potenciál E o E leválási ási ási E o = η (túlfeszültség) Bevonat tulajdonságok Tapadás Felület előkészítés Szemcseméret Szerkezet illeszkedés (hőtágulás, rácsállandó) Egyenletesség Makroszórás Keménység, kopásállóság Szemcseméret Bevonat tisztasága (H 2 kiválás) Fényesség, felületi simaság Felület előkészítése, polírozása Fürdő mikroszórása Korrózióállóság Változó villamos ellenállás Fürdők összetétele Bevonandó fém sója Vezető só [MgSO 4, (NH 4 ) 2 SO 4 ] Puffer (leválási potenciál, fürdő stabilitás) Komplexképző (szabad fémion konc. csökk.) Depasszivátor (általában Cl -, az anód oldódását segíti) Nedvesítő, szemcsefinomító, fényesítő Követelmény: összetétel, ph, vezetőképesség hosszú távú stabilitása Rezezés Furatgalván (panel, rajzolat) Egyéb alkalmazás: köztes réteg (tapadás növelés, diffúzió gátlás) Savas fürdő: CuSO 4, H 2 SO 4, NaCl+adalékok j = 0,5 5A/dm 2, Katódmozgatás, Anód: foszfortartalmú réz Ónozás Rajzolatgalván Maszkol a szelektív maratóval szemben Savas fürdő j = 1 2 A/dm 2, Hajlamos hidrogén együtt-leválásra matt réteg Anód: tiszta Sn 4

5 Kontaktus-galvanizálás Ni elválasztó réteg (Cu-Au diffúzió) + kemény Au 1 3 5µm ~0,1% Ni vagy Co vagy Cd Cianidos (!?) fürdőből j = 0,5 1 A/dm 2 Anód: platinázott titán Kémiai redukciós fémbevonat (Electroless plating) Electroless Nickel Electroless Plating Fürdő összetétel: Fémsó Redukálószer Puffer Nedvesítőszer Stabilizátor Víz Funkció: Pontos ph beállítása, tartása Tapadás javítása, felületi feszültség csökkentése Fürdő spontán bomlásának gátolása Ni Cu Ni ++ Electroless and Immersion Plating ENIG Ni ++ Au ++ Ni + Ábrakialakítási módszerek Foto készítés Fotolitográfia Szitanyomtatás Ni Then Ni Cu Cu Electroless Nickel Plating Immersion Gold Plating 30 5

6 Fotomaszk készítés Foto technológiai szerepe: minta átvitele Mesterábra készítése: Kézi: tusrajz, sablonkészlet (chartpack) kontakt foto Gépi: Ák. tervező program NYHL tervező program minden réteg huzalozási rajza furatok, forrasztásgátló bevonat rajza NYHL ellenőrző program 31 Gerber fájl: Laser levilágító: Ábra pontokból mint a mátrixnyomtató Felbontás jó, de ferde vonalak széle lépcsős x;y koordináták fény nyit/zár apertura mérete Laserplotter: Folytonos minden irányban Felbontás jó Lassú 32 Fototechnikai alapok Fekete-fehér film Fényérzékeny réteg: Zselatinban eloszlatott finomszemcsés ezüst-halogenid szemcsék (emulzió) Emulzió + fényérzékeny anyag Hordozó Fényvédő Emulzió réteg + fényérzékeny anyag Hordozó Exponálás - előhívás Exponálás: AgBr + hν Ag + Br latens kép Előhívás: a redukció teljessé tétele a fényt kapott szemcsékben Fényvédő réteg Film szerkezete AgBr kristály elektronmikroszkópos képe Exponált, részben előhívott AgBr szemcsék Fixálás: Az exponálatlan AgBr kioldása Fixírsó: Na 2 S 2 O 3 AgBr-ból vízoldható komplex só

7 Fotók jellemző tulajdonságai Maszkolási módszerek Negatív működésű Fényérzékenység: ISO/DIN 100/21, 200/24, 400/27 Denzitás: (feketeség mértéke) D = I 0 /I Kontraszt, alapfátyol Felbontóképesség: A fényérzékenységgel fordítottan változik Jó technológiai foto: min dpi Maszkolás célja: A felület meghatározott területeit v.milyen fizikai / kémiai hatással szemben megvédeni Különálló maszk, pl. szita Maszk a felületen Foto minősége döntő: Pontosság Rétegfotók illesztettsége Fotoreziszt technológia = fotolitográfia Fotokémiai alapok fényérzékeny és ellenálló tulajdonságú polimer réteg használatos: NYHL, hibrid IC, félvezető felbontás, ~vonalfinomság (20 nm) típusok: pozitív negatív folyékony szilárd A reakcióhoz szükséges aktiválási- kötési energiát egy elnyelt foton szolgáltatja. W = hc/λ a reakcióhoz egy adott értéknél kisebb λ kell Fotorezisztek fajtái Pozitív rezisztek Negatív rezisztek Pozitív: fény hatására depolimerizáció, csökken a molekulatömeg. Ezek oldhatósága megnő. Negatív: fény hatására polimerizálódik a monomer gyanta, és/vagy a lineáris polimer láncok keresztkötésekkel egymásba kapaszkodva oldhatatlanná teszik a rezisztet az előhívó anyag számára. Folyékony Szilárd 41 Érzékenység: UV, láthatóra alig Megvilágítás: UV Előhívó: híg NaOH Leoldás szerves oldószerben Pontos rajzolat, könnyű technológia Fényérzékenység: ~540 nm alatt (sárga lámpa a munkahelyen!) Megvilágítás: UV Előhívó: gyengébb lúg, pl. 1 2% Na 2 CO 3 Leoldás: erősebb lúg, pl. 5% NaOH Pontos rajzolat, könnyű technológia 42 7

8 Szilárd rezisztek +, - negatív elterjedtebb Vastagabb furatgalvánnál fontos Kevesebb technológiai lépés Egyenletes rétegvastagság PE Reziszt film Mylar (poliészter) 43 Technológiai lépések (folyékony reziszt) 1. Tiszta, zsírtalan, száraz felület 2. Rétegfelvitel Centrifugálás (d ~ v k ~ r ) Kenőhenger Szitanyomás Függönyöntés 3. Szárítás o C oldószer elpárolog (oldószer csökkenti a fényérzékenységet) filmképződés 44 Technológiai lépések 2 4. Megvilágítás Emulziós oldal a rezisztre szorítva UV - nagynyomású Hg-gőzlámpa (365nm) Távolság, idő kisérleti beállítása (dózisból számítható) 5. Előhívás Előhívóban oldódási sebesség-különbség Ált. permetezéssel együtt változik, nem lehet csak egyiket módosítani 6. Beégetés 7. Maratás Technológia 3-szilárd reziszt Levilágítási technológiák Du Pont Riston fólia Felhengerlés, laminálás 100 o C, (lemez előmelegítve), felület mikroérdesítve Megvilágítás: egyszerre 2 oldal, pontos pozícionálás! Előhívás: mylar fólia le, hívó gyengén lúgos (1 2%-os Na 2 CO 3 ), permetező, erős mechanikai hatás is kell Érintkezéses levilágítás (Contact Imaging) Lézeres vetítő módszer (Laser Projection Imaging, LPI) Lézeres közvetlen levilágítás (Laser Direct Imaging, LDI) Ismétlő levilágítás (Step and Repeat Imaging)

9 Érintkezéses levilágítás (Contact Imaging) Lézeres vetítő módszer Bejáratott, kipróbált eljárások, olcsó, könnyen beszerezhető eszközök, nagy áteresztőképesség, Relatív alacsony kihozatal, pontatlan helyezés, pozícionálás, kis felbontás, maszk kopás, szemcsés szennyezés veszélye Nagy felbontás nagy felületű hordozón is, nagy pontosságú helyezés, pozícionálás, nagy áteresztőképesség hagyományos rezisztekkel, nincs maszk-panel kontaktus magas kihozatal, viát lehet vele fúrni polimer rétegbe Előhívott rezisztminták lézeres levilágítás után Lézeres közvetlen levilágítás nincs szükség maszkra, kis sorozatú gyártásra ideális, nagy pontosságú helyezés, pozícionálás, függetlenül beállítható X és Y irányú korrekciós skála panel deformációkhoz alkalmazkodik, kiváló kihozatal, különleges, nagyérzékenységű és gyorsan exponálható rezisztet igényel, az áteresztőképesség függ a felbontástól

10 Ismétlő levilágítás (step and repeat) Nincs maszk-panel kontaktus magas kihozatal, pontos helyezés, hagyományos rezisztek használhatók, olcsó, a léptetés-helyezés-ismétlés módszer behatárolja az áteresztőképességet, korlátozott méret IC fotoreziszt technológia Vonalfinomság: >0,1µm Megvilágítás: mély UV, 93nm, monokromatikus, excimer laser Step ad repeat Ehhez illeszkedő optikai anyagok pl. CaF 2, Ezen a λ-n érzékeny fotoreziszt Maszkolási módszerek Szitanyomtatás Alkalmazás: Szita jellemző tulajdonságai közepes sorozat közepes rajzolatfinomság maratásálló maszk forrasztópaszta forrasztásgátló maszk felvitelére feliratok készítésére 59 Szál: Szakítószilárdság Rugalmasság Kopásállóság Vegyszerállóság Szövet: Szitafinomság (mesh:csomó/inch) Szabad felület % ~ 1 mm 60 10

11 Szitanyomó maszk Keret Emulziós maszk Tömítő festék Maszk fajtái, készítése Direkt (emulziós) Folyékony fényérzékeny emulzió: mártás, szárítás, exponálás Jó tapadás, ~ Speciális megvilágító (kerettel együtt) Indirekt (fotostencil) Negatív fényérzékeny fólia (PVA, PVOH) Exponálás hordozó oldalról! Hívás: meleg víz Behengerlés a szitaszövetbe Mikroszkópi kép indirekt direkt Nyomtatás Festék Asztal: rögzítés, pozícionálás, gyors lemezcsere Kés: (rakel, squeegee) éles, vegyszerálló, kopásálló szilikongumi dőlésszög: o, sebesség közepes Fő tulajdonságok viszkozitás; kicsi-nagy? nyomtatás könnyű legyen az átpréselt pöttyök összefolyjanak a nyomtatott minták ne folyjanak össze tixotrop felületi feszültség Típusok maratásálló, forrasztásgátó, forraszpaszta, vastagréteg áramköri elemek, felirat

12 Fémmaszk Fémfólián a nyílások kivágása Laserrel (elektrokémiai) maratással Előnyök: nagyobb pontosság, nagyobb felbontás ( µm- es lábkiosztás) nagyobb élettartam Stencilmaszk kivágás Elektrokémiailag maratott maszk profilja Lézerrel kivágott maszk Lézeres maszk kivágás Elektrokémiai maszk készítés 69 Fotolitográfia maszk maratás vagy galvanizálás Nincs foto, vegyszer, nagyobb megbízhatóság 70 Maratás Cél: a réz eltávolítása a maszk által nem védett területről. Maratószer: Oxidáló: Cu Cu e - Savas/lúgos ph: a Cu 2+ oldatban tartására Típusok: Savas: szulfátos kloridos Lúgos: kénsav-hidrogénperoxid ammónium-perszulfát vas(iii)klorid réz(ii)klorid réztetrammin-komplex nátrium-klorit nátrium/kálium-perszulfát

13 Maratószer jellemzők Maratási módszerek Marási sebesség (µm/perc) hőmérséklet, koncentráció függés Marási kapacitás (m 2 NYHL/kg maratószer) Alámarás (v /v ) Szelektivitás (Sn maszk esetén) Regenerálhatóság, Egészségi, környezeti hatás Bemerítés Permetezés Folyadéksugaras mindig friss maratószer jut a felületre erős áramlás lemossa az oldott rezet folyamatos regenerálás (Cu kinyerés, redoxpotenciál, ph visszaállítása) Öblítés minimális kihordás (levegőlefúvó, gumihenger) első öblítővíz nem önthető ki! kaszkád öblítés Forrasztásgátló lakk A teljes panel bevonása, kivéve a forrasztási felületeket Célok: Védelem A forrasztási felületek elválasztása, különösen az IC lábaknál Technológia: Fényérzékeny lakkal bevonás (függönyöntés) Megvilágítás, előhívás, mint a Riston fóliánál Beégetés, kikeményítés 75 Felületkikészítés (surface finishing) Cél: a rézfelület forraszthatóságának javítása, tartósítása, nedvesítés javítása, különösen ólommentes forrasztás esetén. Módszerek: HASL (Hot Air Solder Level) ENIG (Electroless nikkel/immerziós arany) Electroless Nickel/Palladium-Immersion Gold Imm Ag (Immerziós ezüst) Imm Sn (Immerziós ón) Szerves bevonatok OSP (Organic Solderability Preservative) Carbon Ink (szitanyomtatással) HASL (Hot Air Solder Levelling) ELŐNYÖK + Könnyű művelet, javítható + Jó kötéserősség + Hosszú eltarthatóság + Könnyű vizuális ellenőrzés (nedvesítés) u = mikroinch HÁTRÁNYOK - A felületek nem tökéletes síkban, kontaktushiány veszélye a szitanyomtatáskor - Egyenetlen rétegvastagság - Nem alkalmas nagy aspect ratio esetén -Kevésbé alkalmas fine-pitch SMT alkatrészek esetén - Rövidzár (Bridging) veszélye fine pitch kivezetések esetén - Réz beoldódás - Alapos folyamatellenőrzés szükséges HASL Fémezett falú furat Hot Air Solder Levelling Furat metszete Gombaképződés 13

14 ENIG (Electroless Nikkel/Immerziós Arany) Tipikus vastagság: µm Ni, µm Au ELŐNYÖK + Sík felület + Egyenletes vastagság + Többszörös hőciklust elbír + Hosszú eltarthatóság + Jól forrasztható + Alkalmas fine pitch IC-khez HÁTRÁNYOK o Arany huzalkötésre (bondolás) nem alkalmas o Drága o Nikkel hulladékkezelés szükséges o Nem javítható a szerelőüzemben o Nem optimális a nagysebességű áramkörökhöz o Ritkán előfordul a Ni felületre jutása (hiperkorrozió) ENIPIG (Electroless Nikkel/Immerziós Palládium/Immerziós Arany) A legjobb és legdrágább bevonat, Jól forrasztható és bondolható, Ni és Au elválasztva, nincs hiperkorrozió 80 ELŐNYÖK Immerziós Ag Jellemző vastagság: µm + Alkalmas a fine pitch alkatrészekhez + Sík felület + Nem drága + Gyors, könnyű művelet + Nem függ a furatmérettől + Javítható, újra elkészíthető a szerelőüzemben is HÁTRÁNYOK - Törékeny réteg, nem alkalmas press fit alkatrészek beültetésére -Nehézségek mikroviák fémezésénél (aspect ratio > 0.75:1) -Korrózióra érzékeny (Cl - and S 2- ) OSP (Organic Solderability Preservative) ELŐNYÖK Jellemző vastagság: µm + Egyenletes sík felület + Javítható a beültető üzemben is + Nem változtatja a furat méretét + Gyors, könnyű művelet + Olcsó + Jól összefér a forrasztásgátló lakkal HÁTRÁNYOK - Nehéz az ellenőrzése - Megbízhatóság kérdéses - Korlátozott újraforrasztás -Érzékeny néhány oldószerre (pl: szitázási hiba javításánál) - Korlátozott eltarthatóság - Szigetelő, teszteléskor el kell távolítani u = mikorinch A felületkikészítő eljárások összehasonlítása A felületkikészítő eljárások összehasonlítása SURFACE FINISH COSTS $ 10,00 $ 9,00 $ 8,00 $ 7,00 $ 6,00 $ 5,00 $ 4,00 $ 3,00 $ 2,00 $ 1,00 $ 0,00 Cost per Sq Ft *Cost per Panel OSP (-C) OSP (-NC) I-Tin (-NC) I-Tin (-C) I- Silver (-C) HASL (-C) HASL (-NC) ENIG (-NC) Ni-Pd-Au (-NC) -C: Conveyorized Process -NC: Non-Conveyorized Process 84 14

15 Jelölések nyomtatása Legend, silkscreen Beültetést, javítást, azonosítást segítő jelölések Készítési módok: Szitanyomtatás Fotolitográfia Tintasugaras nyomtató 85 Ellenőrzés Folyamatos gyártásközi ellenőrzés Eszközök: fúrók, galvánfürdők, elektródok Termék hibátlansága Módszerek: Vizuális AOI: Automatical Optical Inspection Mikroszkópi csiszolatok Mérőautomaták Minősítés IPC-A-600: Acceptability of Printed Boards Kategóriák felhasználás szerint: 1. osztály: általános elektronikai eszközök, pl. PC, szórakoztató el., stb. 2. osztály: fontos a megbízhatóság, hosszabb élettartam pl. távközlési, kiemelt üzleti berendezések 3. osztály: nagy megbízhatóságú eszközök, fontos a folyamatos működés, leállás nem megengedett. Pl. életvédelmi eszk., repülés A hibalehetőségek leírása, értelmezése Fényképes illusztráció minden technológiai lépésről, a helyes megoldás, az elfogadhatóság feltételeiről és a hibás részletekről