Автоматические методы изготовления фотошаблонов.

Установились два принципа прорисовки рисунка печатной платы: векторный и растровый. И хотя в последнее время предпочтение отдается растровому методу, используемому в фото плоттерах, необходимо хотя бы упомянуть и векторной метод, занявший значительный период развития технологий печатных плат.

4.2.2.1. Векторный метод вычерчивания изображений

Машины, в которых используются векторные принципы прочерчивания рисунка на координатных столах, принято называть координатографами. На одних из них работы могут выполняться вручную (см. п.п. 4.2.1.4 и 4.2.1.5), на других — в автоматических режимах. В автоматических координатографах в большинстве случаев для прорисовки фотошаблонов используется световой луч, экспонирующий фотоматериал. Для формирования светового пятна заданной формы используются соответствующие апертуры, которые размещаются на стеклянной планке или диске. При прорисовке программно управляемый механизм выставляет необходимую в данном случае апертуру: контактную площадку той или другой формы, круговое или квадратное пятно определенного диаметра для прорисовки проводников и т.д. (рис. 4.7).

Большая часть времени работы координатографа занимает прорисовка проводников. Для этого координатный стол с управляемым приводом движется в системе координат X-Y, включающийся при движении световой луч через апертуру засвечивает фотоплёнку (рис.4.8). Скорость движения луча — порядка 0,2 м/с, скорость смены апертуры (символов) - 0,5 с. Однако на самом деле время прори­совки определяется ускорением разгона и замедления координатного стола.

А это зависит от мощности привода. Реально средняя скорость перемещения луча при прорисовке проводников- 0,1 м/с. При экспонировании контактных площадок стол постоянно работает в режиме «старт-стоп», т.е. он вынужден разгоняться и при подходе к позиции контактной площадки замедляться. В общей сложности на пропечатку контактных площадок уходит порядка 2с на позицию. Если учесть, что суммарная длина проводников в МПП средней сложности составляет 100м, а число контактных площадок примерно 1000, и они повторяются на слоях и на противоположном наружном слое, чистое время прорисовки проводников не может быть меньше одного часа. Если учесть еще и время смены заданий при переходе от одного слоя к другому, общее время изготовления комплекта фотошаблонов MПП на координатографе превышает два часа.

Поскольку движение стола полностью соответствует направлениям проводни­ков, такой принцип прорисовки называют векторным.

Погрешности прорисовки фотошаблонов на координатографах складываются из погрешностей позиционирования координатного стола и погрешностей позиционирования световых пятен от апертур на планках или дисках.

Когда эти погрешности сведены к минимуму, можно ожидать погрешности координатографов в пределах ±10... 12 мкм.

4.2.2.2. Наборный принцип

Фотонаборные автоматы (ФНА) - это поколение высокопроизводительных среднеформатньгх фотовыводных устройств. Они работают по принципу поочередной фотопечати элементов рисунка. Они также как и в фотокоординатографах имеют источник света и апертуры, соответствующие различным элементам рисунка

Рис. 4.9. Принцип работы фотонаборного автомата: 1 - источники света, 2 - барабан с набором символов, 3 - две строчки символов на) барабане и символ «Н», 4-объективы с различным увеличением, 5 - зеркало направляющее луч к фотоносителю, 6 фотоноситель, в данном случае рулонная фотоплёнка

На рис. 4.9 показан принцип действия фотонаборного автомата применительно к полиграфическому производству, где они активно используются. На рисунке показано для примера воспроизведение символа «Н», но им может быть любой элемент рисунка печатной платы. Время смены символов порядка 0,1...0,2 с. Поскольку наборный принцип означает поочередное экспонирование элементов рисунка, то проводник прорисовывается как последовательность пошаговых экспонирований элементов проводника. Поэтому производительность фотонаборных автома­тов при изготовлении фотошаблонов печатных плат очень низка. Фотонаборные автоматы плохо приспосабливаются к производству фотошаблонов. Тем не менее, их применение в производстве печатных плат не исключено.

4.2.2.3. Растровый принцип

По способу печати растровые графопостроители подразделяются на:

-электростатические графопостроители (electrostatic plotter) с электростатическим принципом воспроизведения изображения на специальных носителях;

-струйные графопостроители (ink-jet plotter), основанными на принципе струйной печати (выдавливании красящего вещества через сопла форсунок за счет термоудара или динамического удара пьезоэлементом);

-лазерные графопостроители (laser plotter), воспроизводящие изображение с использованием луча лазера на промежуточном носителе с последующим переносом на бумагу;

-светодиодные графопостроители (LED-plotter), отличающиеся от лазерных способом формирования изображения для переноса его с барабана на бумагу;

-термические графопостроители (thermal plotter);

-фотоплоттеры (photo plotter) с фиксацией изображения на светочувствительном материале.

Мы будем рассматривать растровые фотоплоттеры применительно к.
процессам фотолитографии, используемым в технологиях печатных плат.
Растровый принцип формирования изображений полностью подобен воспроизведению рисунка на экранах мониторов: телевизоров, компьютеров и т.д. Построчно бегающий луч модулируется по яркости, поэтому на изображении появляются светлые и темные элементы.

Растровый метод записи изображений одинаково легко воспроизводит любые элементы рисунка: позитивные и негативные, прямые и зеркальные. Возможности проектирования печатных плат расширяется за счёт простоты воспроизведения любых форм проводников и контактных площадок.. I

Построчная развертка луча может осуществляться либо за счет вращения барабана, на котором закреплена фотоплёнка, либо за счет вращения призмы с зеркалами, построчно, развертывающей луч на плоской поверхности, несущей фотоматериал. Поэтому фотоплоттеры могут быть двух типов: планшетные и барабанные.

Возможности использования растровых фотоплоттеров расширились с появлением лазерных источников света. Их большая энергетическая насыщенность (плотность энергии), возможность фокусировки луча в точечный размер и, главное, способность к высокоскоростному модулированию луча - все это создало условия для широкого распространения растрового принципа формирования изображений.

Размер фотошаблона определяется диаметром барабана, на котором закрепляется фотоплёнка и длиной пробега источника света по каретке вдоль направляющей барабана. Чтобы фотоплёнка плотно прилегала к плоскости барабана, его снабжают перфорацией, с помощью которой осуществляется вакуумный прижим плёнки.

В качестве источника света в фотоплоттерах могут использо­ваться лазерные и световые, например, ксеноновые лампы.

У ксеноновых ламп спектр излучения шире, чем у монохромного лазера (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Спектр ксеноновой лампы

Поэтому в них могут использоватьсяобычные фото-материалы, сенсибилизированные к видимой части света. Ксеноновая лампа имеет большой срок эксплуатации (более десяти лет при круглосуточном использовании или вспышек) и имеет максимальное излучение в диапазоне 400-560 нм (синий-голубой-зелёный спектр). Она излучает очень короткие (менее 3 микросекунд) и мощные импульсы света. Активная жидкокристаллическая матрица (LCD) модулирует свет вспышки согласно данным рисунка фотошаблона, которые по-кадрово на ней воспроизводятся при перемещении фотоголовки.

Для лазерных фотоплоттеров необходимо использовать фотоматериалы, имеющие максимальную чувствительность на длине излучения лазера: красный или зеленый или др. лазеры. Фотоматериалы с широкой спектральной чувствительностью малочувствительны в узкой полосе излучения лазера. Именно поэтому для лазерных фотоплоттеров используют специальные фотоматериалы, сенсибилизированные к соответствующей частоте (длине волны) излучения лазера.

Скорость прорисовки изображений на фотоплоттерах явно выше, чем при использовании других принципов. В первую очередь это обусловлено отсутствием режима «старт-стоп». Это значит, что при движении луча ему нет необходимости останавливаться и разгоняться, прорисовка идет построчно с постоянно высокой скоростью. Сама скорость движения луча зависит от мощности источника света и чувствительности плёнки. Производительность изготовления фотошаблона связана с заданной разрешающей способностью так, что чем она выше, тем тоньше линии, тем их больше, тем большим количеством строк формируется рисунок. В табл. 4.2 показаны эти соотношения при использовании красного полупроводникового лазера и стандартной, специально предназначенной для этого лазера, фотоплёнки.

Таблица 4.2. Разрешение рисунка, воспроизводимого растровым способом

Принято считать, что минимальный размер светового пятна лазера примерно равен 3...5 длинам, волн когерентного источника света. Значит, если красный лазер излучает свет с длиной волны 650 нм, с его использованием можно получить четкое световое пятно размером 2...3 мкм. Если требуется получать более четкое изображение, необходимо использовать лазер­ные источники света с меньшей длиной волны и соответствую­щие им фотоматериалы (см. табл. 4.11).

4.11. Формирование горизонтальных и вертикальных линий растровым методом

Четкость и равномерность края проводников непосредственно зависит от частоты строк растрового изображения
(рис.4.11). Волнистость края вертикального проводника - естественное явление для растра.

С увеличением разрешения производительность фотоплоттера падает так, как ему приходится воспроизводить рисунок большим количеством строк. Для примера в табл. 4.3 показана производительность фотоплоттеров с ксеноновой лампой.