XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Введение

Все более жесткие требования к печатным платам, предъявляемые изготовителями электроники, вынуждают производителей печатных плат постоянно совершенствовать технологию изготовления и обновлять технологическое оборудование.

В процессе изготовления МПП многократно проводятся операции совмещения: фотошаблонов с внутренними и внешними слоями, слоев с системами механического и лазерного сверления, а также слоев между собой при прессовании. Поэтому усовершенствование систем совмещения напрямую влияет на качество плат.

Совмещение по штифтам

Ограничение перемещений объекта по двум координатам и его вращения в общем случае может быть обеспечено двумя штифтами. Ось X проходит через центры штифтов и является базовой линией, ось Y перпендикулярна ей, начало координат – в центре левого штифта. Точки на базируемом объекте имеют текущие координаты. Для обеспечения посадки отверстий на штифты между ними предусматривают гарантированный зазор С, который является причиной неопределенности положения совмещаемых объектов (на рис. 1 зазор показан утрированно большим для ясности построений).

Рис. 1. Базирование объекта на штифтах1,2 –штифты, 3,4 –отверстия

Компенсация возможных масштабных погрешностей за счет увеличения зазора C возможна при дополнительном обеспечении базирования по перпендикулярной координате или при особом расположении и форме базовых отверстий. При этом необходима конструктивная модификация системы базирования.

Масштабные искажения платы корректируются системой управления сверлильного станка.

Классификация базирующих систем

Проведем классификацию систем базирования объектов на штифтах по их основным конструктивным особенностям – виду замыкания контактирующих элементов и способу центрирования объектов [1]. Первая особенность определяет степень устранения неопределенности положения объектов из-за гарантированного зазора между штифтами и отверстиями. Вторая – возможность уменьшения влияния масштабных погрешностей как вдоль одной из осей, так и для координатной системы объекта в целом.

Рис. 2. Классификация базирующих систем

Схема 1.1: ось первого штифта определяет базовую точку системы базирования, а сам он предотвращает смещения объекта по координатным осям. Второй ромбический штифт ограничивает лишь угловой разворот объекта и за счет срезанных участков компенсирует размерные и координатные погрешности штифтов и отверстий, обеспечивая их соединение. Данной схеме базирования присущи все погрешности, представленные на рис. 1 – координатные сдвиги и угловой разворот, определяемые величиной зазора С и межосевым расстоянием L. Такая схема используется при установке заготовки печатной платы на сверлильные и фрезерные станки для последующей механической обработки.

Схема 1.2: позволяет устранить влияние зазора за счет замыкания и самоцентрирования штифта по отверстию. Для этого могут применяться разжимные штифты, которые в исходном состоянии имеют меньший, чем у отверстия диаметр, а при разжиме самоцентрируются по нему.

Схема 1.3: обеспечивает самоустановку отверстия по центрирующему штифту за счет выбора формы базирующих отверстий. Одно из них квадратной формы, развернутое на угол 45°, центрируется по штифту при контакте по образующим. Второе продолговатое отверстие расположено параллельно одной из осей объекта и позволяет сопряженному с ним штифту самоустановиться при базировании. Прижим отверстий объекта к штифтам происходит с помощью разжимного штифта на противоположной стороне рабочего поля. Масштабные погрешности при этом не устраняются, они нарастают пропорционально координате X. Центрирование по одной из осей объекта обеспечивается размещением базирующего отверстия на одной из осей и частичной или полной заменой круглых базирующих отверстий пазами (слотами).

Схема2.1: при использовании круглого отверстия оно размещается на центральной оси заготовки, а слоты –слева и справа от нее. При наличии масштабных погрешностей штифты самоустанавливаются в слотах вдоль соответствующей координаты. Центрирующий слот может быть дополнительно размещен на противоположной стороне рабочего поля для увеличения межцентровых расстояний.

Схема 2.2: повышает точность базирования за счет замыкания центрального отверстия с разжимным штифтом.

Схема 2.3: часть слотов размещена под углом к центральным осям, позволяет базировать слои с взаимными масштабными искажениями по 2 осям. Как и в схеме 1.3, в данном случае предусмотрено кинематическое замыкание слотов и штифтов под действием силы тяжести при наклоне базовой плоскости или с помощью разжимного штифта.

В результате применения схем 2.1 –2.3 одна из осей заготовки совмещается с соответствующей осью системы базирования, при этом абсолютные значения масштабных погрешностей вдоль этой оси уменьшаются вдвое. Центрирование координатной системы объекта должно обеспечить совмещение его центра и координатных осей с центром и координатными осями системы базирования. Результатом является уменьшение вдвое абсолютных значений масштабных погрешностей по обеим осям.

Схема 3.1: позволяет центрировать координатную систему при наличии существенных масштабных погрешностей благодаря использованию слотов, разнесенных по перпендикулярным осям. Недостатком является то, что между штифтами и отверстиями предусматривается гарантированный зазор, являющийся причиной неопределенности положения объектов.

Схема 3.2: предназначена для замыкания штифтов и отверстий при центрировании объекта. Все штифты выполнены в виде продолговатых поворотных кулачков, способных после установки объекта выбрать зазоры в слотах и центрировать объект.

Схема 3.3: имеет целью замыкание осей объекта и базирующей системы при центрировании его координатной системы. Для этого одна из сторон каждого клиновидного штифта размещена на центральной оси базирующего устройства. Геометрически соответствующие стороны штифтов и отверстий составляют единые прямые линии, сопрягающие между собой координатные системы объекта и базирующего устройства. Данная схема не получила практического применения, так как очень чувствительна к неортогональности осей и случайным погрешностям.

Схема 3.4: осуществляет выборку зазора при центрировании объекта с кинематическим замыканием штифтов и отверстий, что устраняет неопределенность положения объекта. При перемещении штифтов под углом к центральным осям происходит их кинематическое замыкание с отверстиями, формируется система равновесных сил и за счет этого осуществляется разворот и центрирование объекта.

Несмотря на все многообразие технических приемов уменьшения погрешности, штифтовая технология совмещения не может обеспечить точность, необходимую для производства современных плат 5 класса точности и выше. Также использование штифтов уменьшает ресурс фотошаблонов и повышает риск их механического повреждения. Следующим шагом в технологии совмещения явилось оптическое совмещение с использованием высокоточной системы машинного зрения.

Автоматическое оптическое совмещение. Новый тип совмещения открывает новые возможности для проектирования установок экспонирования и сборки пакетов МПП. Суть заключается в отказе от скрепления совмещаемых объектов друг с другом посредством штифтов и применении системы реперных знаков и машинного зрения для взаимного позиционирования. Закрепление при этом, как правило, производится вакуумным захватом, что позволяет продлить срок службы фотошаблонов в случае с фотолитографией. Помимо этого, с помощью оптического совмещения становится возможной технология прямого экспонирования, при которой засветка фоторезиста производится без фотошаблонов, напрямую [1]. Итак, рассмотрим подходы, применяемые в установках автоматического оптического совмещения для фотолитографии.

Совмещение с помощью подвижной рамы – самое распространенное решение, применяемое в высокоточных установках для экспонирования через фотошаблоны. В данном случае закрепление фотошаблонов может производиться с двух сторон заготовки посредством вакуумного захвата к верхней и нижней створке рамы. Разрежение подается через желоба, выполненные на плоскости стекла и задающие требования к размеру фотошаблонов.

Установка экспонирования OlecAT30, совмещающая платы оптически с помощью подвижной рамы, позволяет добиться точности совмещения до 10мкм. Она подходит для производства плат 5 класса точности и ниже [2].

Рассмотрим систему реперных знаков, применяемых для совмещения (рис.3). Нижняя пленка имеет метку в виде прямого креста. Верхняя пленка имеет метку в виде диагонального креста, а диаметр контрольного отверстия обеспечивает позиционную информацию для платы. Совмещение производится по 2 меткам - крестам.

а б в г

Рис. 3. Система реперных знаков: плата - а, нижняя пленка - б, верхняя пленка - в, совмещение - г

Такие установки обычно используют крупные производства, так как цена относительно велика. Зато экспонирование и совмещение производится на одной установке, экономится и время и место. Существует упрощенный вариант, если уже имеется установка экспонирования, и бюджет ограничен.

Рис.4. Схема одностороннего совмещения вакуумным захватом: 1 –заготовка; 2 –прижимная ножка; 3 –упор ножки; 4 –канал подвода вакуума; 5 –держатель ножки; 6 –катушка; 7 –подвижные каретки с рельсами; 8 –двигатели осей Х; 9 –направляющие кареток; 10 –камера машинного зрения; 11 –двигатели оси Y

Одностороннее совмещение вакуумным захватом представляет собой установку оптического совмещения без возможности экспонирования. Совмещение в таких установках производится по предварительно сформированным отверстиям в заготовках и меткам на фотошаблонах. При этом возможно совмещение только одного шаблона с платой за одну установку. При этом для экспонирования внутренних слоев без сформированных отверстий можно совместить шаблон с шаблоном, скрепить их и использовать как пакет для многократного экспонирования. Такой подход обеспечит ускорение процесса, однако можно потерять в точности. Совмещение на отдельной машине дает возможность использовать имеющиеся установки экспонирования при переходе на повышенные точности совмещения. Рассмотрим схему типовой установки на рис.4.

Заготовка 1 располагается на плоскости на центрирующих штифтах или с упором нижней части в штифты. Сверху кладется фотошаблон, при этом предварительное ориентирование производится либо по штифтам, либо наведением реперных меток на лазерный указатель. Метками являются отверстия для заготовки и окружности для фотошаблонов. После предварительного позиционирования подается ток на катушку 6 и ножка опускается на плату, так как её верхняя часть является сердечником и втягивается внутрь катушки. Реализация прижима ножки может быть различной, например, с помощью двигателя или под собственным весом. После этого подается разрежение в канал 4, и фотошаблон прихватывается к пяте прижимной ножки.

Далее с помощью камер 10 производится захват реперных знаков и обработка изображения. Исходя из полученной картины, машина выдает команды на соответствующие двигатели для перемещения шаблона. По оси Х позиционирование происходит посредством двигателей 8 и передачи винт-гайка. По оси Y – посредством двигателей 11 и передачи винт-гайка. Угловой разворот осуществляется скоординированным движением двигателей по Х и Y.

После удачного совмещения, шаблон необходимо скрепить с печатной платой. Обычно для этого используется скотч. В случае с платой, приходится проводить совмещение с 2 сторон, тогда как при изготовлении внутренних слоев, в качестве заготовки можно использовать нижний шаблон. Таким образом, после совмещения и закрепления получится пакет из фотошаблонов, между которыми можно будет помещать внутренние слои несколько раз. Однако следует быть осторожным, это может уменьшить точность. Когда комплект закреплен, остается только перенести его на классическую установку экспонирования для засветки.

Примером такого технического решения является установка автоматического совмещения Printprocess ExpoAligner , у которой заявленная точность совмещения ±7,5 мкм.

Для многослойных плат повышенной точности недостаточно просто спозиционировать верхний рисунок относительно нижнего на каждом из слоев, также очень важно точно совместить слои друг с другом. После совмещения 2 слоев, они скрепляются друг с другом, как правило, за счет спекания друг с другом, поэтому этот процесс называют бондированием (от английского bonding).

Рассмотрим полуавтоматическую установку бондирования DISPRS 77.

Совмещение в этой установке происходит аналогично установке, рассмотренной ранее. Особенность заключается в том, что меткой является вытравленное отверстие с медной точкой в центре, то есть метка непрозрачная (рис.5).

Рис.5. Метки для установки бондрования DISPRS77

Поэтому машина привязывает все слои к координатам первого слоя, которые считываются в начале работы с новой сборкой. В итоге не получается суммирования погрешности от слоя к слою, что было бы неизбежно при совмещении каждого нового слоя с предыдущим. Помимо этого, установка делит погрешность пополам, симметрично относительно центра платы. Она требует 2 метки на слоях. Манипулирование слоем происходит 2 захватами: спереди и сзади. Принцип совмещения аналогичен представленной на рис.6 схеме. Заявленная точность позиционирования ±17 мкм.

После совмещения каждого слоя машина сваривает его с предыдущими слоями в 4 точках, образуя надежно закрепленный пакет. Эта особенность и скрывает основной недостаток таких установок. При последующем прессовании слои претерпевают серьезные масштабные искажения под влиянием температуры. Так как все слои разные, то и ведут они себя по-разному, какие-то сильнее расширяются, какие-то слабее. Но все они собраны в пакет и сварены друг с другом, поэтому при повышении температуры некоторые слои пытаются растянуть, а другие, наоборот, сдавить своих соседей. Такая картина довольно непредсказуема и несет в себе много случайных погрешностей. Для предотвращения этого используют штифтовую сборку на слотах по схеме 3.1 на рис. 2. При этом слои лишены сдвига и углового разворота, но могут независимо друг от друга растягиваться и усаживаться. Точность совмещения, конечно, будет меньше, но зато получаем предсказуемую картину после прессования. Так, измерив на наладочной заготовке масштабные изменения слоев после пресса, можно достаточно точно выбрать погрешности масштабными коэффициентами на этапе подготовки к производству.

В качестве завершения, следует отметить технологию прямого экспонирования, активно набирающую популярность в наше время. Она также стала возможной благодаря точной системе автоматического совмещения с помощью машинного зрения. Однако в этой технологии нет необходимости совмещать фотошаблоны с заготовкой с помощью хитрых механизмов, так как фотошаблонов в этой технологии нет.

Прямое экспонирование – засвечивание фоточувствительного материала и формирование топологического рисунка напрямую, без использования шаблонов. Этот процесс обеспечивается непосредственным облучением резистивного материала в местах, которые необходимо защитить от травления.

В этой технологии все совмещение заключается в привязке системы координат машины к реперным знакам на заготовках. Как обычно, на просверленных платах метками являются отверстия. Внутренние слои также поступают в установку без меток. Однако тут есть одно отличие. Экспонирование может производиться только с одной стороны, поэтому после засветки заготовку необходимо перевернуть и экспонировать оборотную сторону. Тут то и вновь возникает необходимость совмещения слоев друг с другом. С платами дело обстоит легче, базовые отверстия читаемы с 2 сторон, система вновь находит метки и снова привязывается к ним. А вот на слоях метки отсутствуют, а совмещать стороны друг с другом также необходимо. Поэтому установка должна сама поставить необходимые реперные знаки. Когда слой поступает в машину, она засвечивает на фоторезисте метки, с привязкой к которым рисует изображение. После переворота, система ищет засвеченные метки на оборотной стороне и экспонирует новую сторону относительно оборотной. В итоге получаем засвеченную с двух сторон заготовку, готовую к химическим операциям.

В установке прямого экспонирования PrintProcessApollon-DI-A11 заявленная точность совмещения ±5 мкм [3]. Это с учетом того, что отсутствуют погрешности фотошаблонов, которые вносят ощутимый вклад в погрешность классической технологии с фотошаблонами. Заявленная минимальная ширина проводника/зазора 25/25 мкм. Это открывает путь в 7 класс точности печатных плат и даже выше.

В заключение стоит отметить тенденцию к упрощению и автоматизации процессов совмещения. При штифтовой технологии сильно влияют человеческий фактор и случайные погрешности. Процесс многокомпонентный, и общая погрешность складывается из суммы всех операций и элементов. При переходе на автоматическое совмещение фотошаблонов суммарное отклонение расположения будет складываться из погрешности оптической системы и погрешности топологии фотошаблонов. Помимо этого, из процесса исключен человеческий фактор в случае автоматического совмещения и экспонирования, что выдвигает этот процесс вперед. Однако и это еще не предел. Следующий шаг исключает еще и погрешность фотошаблонов, а точнее сказать, вообще исключает фотошаблоны. Человеческий фактор отсутствует, нет изменяющихся со временем в размерах фотошаблонов, остается только оптическая система и высокоточные приводы. Однако в полученной последовательности технологий возрастает не только точность позиционирования, но и стоимость оборудования. Выбор остается за конкретным производителем и его требованиями.

Список использованной литературы:

Семенов П.В., Цветков Ю.Б. Анализ точности базирования при совмещении слоев многослойных печатных плат // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2010. № 11. С. 32–40

Установка экспонирования AT30 CL. Инструкция по эксплуатации и обслуживанию. 2008г.

PrintProcess Apollon-DI-A11. Service manual. 2014г.

Код для цитирования: Скопировать