Nyomtatott huzalozású lemezek technológiája NYÁK, PCB (Printed Circuit Board), NYHL, PWB (~ Wiring ~)

Átírás

1 Nyomtatott huzalozású lemezek technológiája 1 NYÁK, PCB (Printed Circuit Board), NYHL, PWB (~ Wiring ~) Vezetőhálózat + mechanikai tartás + szerelési alap Előnyök: Nagyobb terhelhetőség, jobb disszipáció (felület/keresztmetszet nagy) Szerelés, mérés, hibakeresés automatizálható Megbízhatóság jobb 2 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 Furatfémezés Maszkolás Felület kikészítés Galvanikus Árammentes (redukciós) Immerziós Forrasztásgátló bevonat Ellenőrzés 4 2

3 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 3

4 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) 4

5 Mechanikai műveletek 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 Fúrás Anyag: wolfram-karbid Menetemelkedés: o Kúpszög: ~140 o Fordulatszám: /min minél kisebb furat, annál nagyobb fordulatszám Min. d =0,2 0,15 mm 10 5

6 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 11 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) 12 6

7 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 13 Ultrahangos tisztítás f = 20 40kHz Idő: 2 3 perc, (max. 10perc) Forgatni kell Oldószer: tiszta víz (meleg), lúgos zsírtalanító oldat, szerves oldószer, pl. aceton 14 7

8 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 8

9 Furatfémezési megoldások 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 Fémbevonatok 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 9

10 Elektródfolyamatok emlékeztető: Galvanizálás Zn e - Zn Mindkét irányú folyamat E elektródpotenciál oldat és határréteg között többlettöltés fémkiválás Leválási potenciál E o E leválási ási ási E o = η (túlfeszültség) 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 10

11 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 11

12 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 Ónozás 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 Rajzolatgalván Maszkol a szelektív maratóval szemben Savas fürdő j = 1 2 A/dm 2, Hajlamos hidrogén együtt-leválásra matt réteg Anód: tiszta Sn 12

13 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 13

14 Kémiai redukciós fémbevonat (Electroless plating) Fürdő összetétel: Fémsó Redukálószer Puffer Nedvesítőszer Stabilizátor Víz Funkció: Pontos ph beállítása, tartása Tapadás javítása, felületi feszültség csökkentése Fürdő spontán bomlásának gátolása Electroless Nickel Electroless Plating Ni ++ Ni Cu 14

15 Electroless and Immersion Plating ENIG Ni ++ Ni + Au ++ Ni Then Ni Cu Cu Electroless Nickel Plating Immersion Gold Plating Ábrakialakítási módszerek Foto készítés Fotolitográfia Szitanyomtatás 30 15

16 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 x;y koordináták Gerber fájl: fény nyit/zár apertura mérete Laser levilágító: Ábra pontokból mint a mátrixnyomtató Felbontás jó, de ferde vonalak széle lépcsős Laserplotter: Folytonos minden irányban Felbontás jó Lassú 32 16

17 Fototechnikai alapok Fekete-fehér film Fényérzékeny réteg: Zselatinban eloszlatott finomszemcsés ezüst-halogenid szemcsék (emulzió) Emulzió + fényérzékeny anyag Hordozó Fényvédő Emulzió réteg + fényérzékeny anyag Hordozó Fényvédő réteg Film szerkezete 33 Exponálás - előhívás Exponálás: AgBr + hν Ag + Br latens kép Előhívás: a redukció teljessé tétele a fényt kapott szemcsékben 34 17

18 AgBr kristály elektronmikroszkópos képe Exponált, részben előhívott AgBr szemcsék 35 Fixálás: Az exponálatlan AgBr kioldása Fixírsó: Na 2 S 2 O 3 AgBr-ból vízoldható komplex só 36 18

19 Fotók jellemző tulajdonságai 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 37 Maszkolási módszerek 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 38 19

20 Fotoreziszt technológia = fotolitográfia fényérzékeny és ellenálló tulajdonságú polimer réteg használatos: NYHL, hibrid IC, félvezető felbontás, ~vonalfinomság (20 nm) típusok: pozitív negatív folyékony szilárd 39 Fotokémiai alapok A reakcióhoz szükséges aktiválási- kötési energiát egy elnyelt foton szolgáltatja. W = hc/λ a reakcióhoz egy adott értéknél kisebb λ kell

21 Fotorezisztek fajtái 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 Pozitív rezisztek Negatív rezisztek 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 21

22 Szilárd rezisztek +, - negatív elterjedtebb Vastagabb furatgalvánnál fontos Kevesebb technológiai lépés Egyenletes rétegvastagság Mylar (poliészter) Reziszt film PE 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 22

23 45 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 46 23

24 Technológia 3-szilárd reziszt 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 47 Levilágítási technológiák Érintkezéses levilágítás (Contact Imaging) Lézeres vetítő módszer (Laser Projection Imaging, LPI) Lézeres közvetlen levilágítás (Laser Direct Imaging, LDI) Ismétlő levilágítás (Step and Repeat Imaging) 48 24

25 Érintkezéses levilágítás (Contact Imaging) Bejáratott, kipróbált eljárások, olcsó, könnyen beszerezhető eszközök, nagy áteresztőképesség, Relatív alacsony kihozatal, pontatlan helyezés, pozícionálás, kis felbontás, maszk kopás, szemcsés szennyezés veszélye 49 Lézeres vetítő módszer 50 25

26 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 51 Előhívott rezisztminták lézeres levilágítás után 52 26

27 Lézeres közvetlen levilágítás 53 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

28 Ismétlő levilágítás (step and repeat) 55 Nincs maszk-panel kontaktus magas kihozatal, pontos helyezés, hagyományos rezisztek használhatók, olcsó, a léptetés-helyezés-ismétlés módszer behatárolja az áteresztőképességet, korlátozott méret

29 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 57 Maszkolási módszerek Szitanyomtatás 58 29

30 Alkalmazás: közepes sorozat közepes rajzolatfinomság maratásálló maszk forrasztópaszta forrasztásgátló maszk felvitelére feliratok készítésére 59 Szita jellemző tulajdonságai Szál: Szakítószilárdság Rugalmasság Kopásállóság Vegyszerállóság Szövet: Szitafinomság (mesh:csomó/inch) Szabad felület % ~ 1 mm 60 30

31 Szitanyomó maszk Keret Emulziós maszk Tömítő festék 61 Maszk fajtái, készítése Direkt (emulziós) Folyékony fényérzékeny emulzió: mártás, szárítás, exponálás Jó tapadás, ~ Speciális megvilágító (kerettel együtt) 62 31

32 Indirekt (fotostencil) Negatív fényérzékeny fólia (PVA, PVOH) Exponálás hordozó oldalról! Hívás: meleg víz Behengerlés a szitaszövetbe 63 Mikroszkópi kép indirekt direkt 64 32

33 Nyomtatás Asztal: rögzítés, pozícionálás, gyors lemezcsere Kés: (rakel, squeegee) éles, vegyszerálló, kopásálló szilikongumi dőlésszög: o, sebesség közepes 65 Festék 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 66 33

34 67 Fémmaszk Fémfólián a nyílások kivágása Laserrel (elektrokémiai) maratással Előnyök: nagyobb pontosság, nagyobb felbontás ( µm- es lábkiosztás) nagyobb élettartam 68 34

35 Stencilmaszk kivágás Lézeres maszk kivágás Elektrokémiai maszk készítés 69 Elektrokémiailag maratott maszk profilja Lézerrel kivágott maszk Fotolitográfia maszk maratás vagy galvanizálás Nincs foto, vegyszer, nagyobb megbízhatóság 70 35

36 Maratás Cél: a réz eltávolítása a maszk által nem védett területről. Maratószer: Oxidáló: Cu Cu e - Savas/lúgos ph: a Cu 2+ oldatban tartására 71 Típusok: Savas: szulfátos kloridos Lúgos: kénsav-hidrogénperoxid ammónium-perszulfát vas(iii)klorid réz(ii)klorid réztetrammin-komplex nátrium-klorit nátrium/kálium-perszulfát 72 36

37 Maratószer jellemzők 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 73 Maratási módszerek 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 74 37

38 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) 38

39 HASL (Hot Air Solder Levelling) ELŐNYÖK + Könnyű művelet, javítható + Jó kötéserősség + Hosszú eltarthatóság + Könnyű vizuális ellenőrzés (nedvesítés) 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 u = mikroinch HASL Hot Air Solder Levelling Furat metszete Fémezett falú furat Gombaképződés 39

40 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 40

41 Immerziós Ag Jellemző vastagság: µm ELŐNYÖK + 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- ) u = mikorinch OSP (Organic Solderability Preservative) ELŐNYÖK Jellemző vastagság: µm HÁTRÁNYOK + Egyenletes sík felület + Javítható a beültető üzemben is + Nem változtatja a furat méretét + Gyors, könnyű művelet + Olcsó + Jól összefér a forrasztásgátló lakkal - Nehéz az ellenőrzése - Megbízhatóság kérdéses - Korlátozott újraforrasztás -Érzékeny néhány oldószerre (pl: szitázási hiba javításánál) - Korlátozott eltarthatóság - Szigetelő, teszteléskor el kell távolítani 41

42 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 A felületkikészítő eljárások összehasonlítása 84 42

43 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 43

44 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 87 A hibalehetőségek leírása, értelmezése Fényképes illusztráció minden technológiai lépésről, a helyes megoldás, az elfogadhatóság feltételeiről és a hibás részletekről