Prototyp w godzine cz1, Elektronika, Warsztat, PCB

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
N O T A T N I K P R A K T Y K A
Prototyp w godzinę
− precyzja niemal przemysłowa
Płytki drukowane w domu, część 1
WstÍp
Potrzeba ³atwego dostÍpu do
p³ytek drukowanych towarzy-
szy elektronikom niemal od
pocz¹tku obecnoúci technolo-
gii PCB na rynku. Jeszcze we
wczesnych latach 90. moøli-
woúci wyboru zawiera³y†siÍ
pomiÍdzy ømudnym malowa-
niem úcieøek lakierem do paz-
nokci b¹dü alchemi¹ ciemni
fotograficznej a wydaniem
okr¹g³ej sumki na p³ytkÍ wy-
konan¹ profesjonalnie lub po-
úwiÍceniem naleønej liczby
godzin na zabaw͆z†kynarem
i†p³ytk¹ uniwersaln¹. Na prze-
strzeni ostatnich kilku lat
problem amatorskich PCB za-
cz¹³ jednak nabieraÊ nowego
wymiaru. OtÛø coraz wiÍksza
liczba interesuj¹cych uk³adÛw
scalonych opuszcza fabryki
wy³¹cznie w†obudowach SMD
o†gÍstoúci wyprowadzeÒ prze-
kraczaj¹cej moøliwoúci jakich-
kolwiek p³ytek uniwersalnych.
Z†drugiej strony oferta za-
k³adÛw zajmuj¹cych siÍ pro-
fesjonaln¹ technologi¹ PCB
staje siÍ coraz ³atwiej dostÍp-
na (przede wszystkim finanso-
wo) dla zwyk³ych úmiertelni-
kÛw. Do przesz³oúci naleø¹
k³opotliwe pytania o†listy
apertur oraz w³asnorÍczne
przygotowywanie plikÛw Ger-
bera i†listy wierceÒ. WiÍk-
szoúÊ zak³adÛw bez oporÛw
przyjmuje pliki zapisane
w†formacie popularnych na-
rzÍdzi projektowych. W†zasa-
dzie nie stanowi juø w†tej
chwili wiÍkszego problemu
W†artykule omÛwiono popularne, domowe
metody wykonywania p³ytek drukowanych,
ze szczegÛlnym uwzglÍdnieniem czynnikÛw
warunkuj¹cych powtarzalnoúÊ procesu
i†przyczyn najczÍúciej pope³nianych
b³ÍdÛw.
W†pierwszej czÍúci artyku³u
przedstawiamy przegl¹d najbardziej
popularnych metod wykonywania p³ytek
drukowanych, za miesi¹c opublikujemy
opis metody pozwalaj¹cej w†warunkach
domowych uzyskaÊ powtarzalne úcieøki
6-milsowe.
Elektronika Praktyczna 6/2003
51
N O T A T N I K P R A K T Y K A
z³oøenie zamÛwienia na wyko-
nanie precyzyjnych, jednostko-
wych p³ytek przeznaczonych
do prototypu urz¹dzenia. Jed-
nak wci¹ø pozostaje kilka is-
totnych ìaleî... Rozmiary jed-
nostkowego zamÛwienia s¹ za-
zwyczaj znacznie mniejsze od
rozmiarÛw typowych formatek
stosowanych w†procesie tech-
nologicznym. Dlatego wyko-
nawcy czekaj¹, aø zbierze siÍ
odpowiednia liczba ìdetalis-
tÛwî potrzebna do wype³nie-
nia formatki produkcyjnej lub
odpowiednio podnosz¹ ceny
obowi¹zuj¹ce przy ma³ych za-
mÛwieniach. RÛwnieø koszt
przygotowania dokumentacji
produkcyjnej wnosi swÛj nie-
bagatelny udzia³ do finalnej
kwoty widniej¹cej na fakturze.
Oczywiúcie moøna powie-
dzieÊ, øe ìprototyp musi kosz-
towaÊî. Jednak niezaleønie od
posiadanego budøetu nie da
siÍ zniwelowaÊ czasu, jaki
musi up³yn¹Ê od zapisania na
dysku projektu PCB do chwili
wziÍcia do rÍki upragnionego
kawa³ka laminatu. Nawet za-
mawiaj¹c us³ugÍ 24-godzinn¹
wed³ug specjalnych supereks-
presowych stawek, nie unik-
nie siÍ koniecznoúci fizyczne-
go dostarczenia p³ytki do zle-
ceniodawcy. Dlatego amators-
kie metody wytwarzania PCB
wci¹ø budz¹ øywe zaintereso-
wanie. Uúciúlijmy przy tym,
øe pojÍcie ìamatorskieî nie
odnosi siÍ do rangi i†stopnia
komplikacji samych projektÛw,
a†raczej oznacza brak dostÍpu
do rozbudowanego zaplecza
technologicznego. Z†punktu
widzenia hobbysty, techniki te
stwarzaj¹ moøliwoúÊ ominiÍcia
kosztÛw stawiaj¹cych pod zna-
kiem zapytania sens realizacji
wielu zamierzeÒ. Dla projek-
tanta-profesjonalisty kryje siÍ
w†nich ³atwoúÊ szybkiego pro-
totypowania i†wprowadzania
zmian do projektowanych
uk³adÛw. Dysponuj¹c techno-
logi¹ amatorsk¹, nawet o†gor-
szej jakoúci niø technologie
profesjonalne, ale za to do-
stÍpn¹ na zawo³anie, moøna j¹
efektywnie wykorzystaÊ przy
uruchamianiu niekrytycznych
fragmentÛw uk³adu. Jak zresz-
t¹ zobaczymy w†drugiej czÍúci
artyku³u, rezultaty osi¹galne
po nabraniu pewnego do-
úwiadczenia s¹ co najmniej
godne uwagi.
Najefektowniejsza, a†zarazem
precyzyjna metoda szybkiego
wytwarzania jednostkowych
p³ytek prototypowych polega
na bezpoúrednim grawerowa-
niu mozaiki na powierzchni
laminatu. M.in. w†EP8/2001
opisywaliúmy marzenie projek-
tanta - specjalizowane plotte-
ry graweruj¹ce firmy LPKF.
Niestety urz¹dzenia te, z†racji
ceny, leø¹ w†zasiÍgu moøli-
woúci jedynie nielicznych ze-
spo³Ûw projektowych, a†dla
wiÍkszoúci z†nas pozostan¹
w³aúnie marzeniem.
³oúci w¹skich úcieøek i†nie-
powodowanie zwarÊ blisko
po³oøonych elementÛw mo-
zaiki. Od minimalnych osi¹-
galnych rozmiarÛw úcieøek
i†dziel¹cych je separacji za-
leøy m.in. jakich typÛw
obudÛw elementÛw bÍdzie-
my mogli uøywaÊ w†swoich
projektach.
- dok³adne zachowanie rozmia-
rÛw ca³ego projektu, umoøli-
wiaj¹ce m.in. dopasowanie
precyzyjnych elementÛw
o†duøych rozmiarach, takich
jak np. wielostykowe z³¹cza
lub gniazda pamiÍci DIMM.
- ze wzglÍdu na warunki war-
sztatowe dodajmy jeszcze
brak wymagaÒ dotycz¹cych
kosztownego wyposaøenia,
trudno dostÍpnych b¹dü tok-
sycznych odczynnikÛw itp.
Obecnie moøemy w†zasadzie
mÛwiÊ o†trzech ìdomowychî
korzystuj¹cej papier kredowy
w†roli noúnika. Pierwsze dwie
metody, tzn. Positiv i†TES-200
s¹ powszechnie znane, a†ich
opisy ³atwo dostÍpne w†Inter-
necie. Artyku³ poúwiÍcony fo-
tochemicznemu wytwarzaniu
p³ytek PCB znalaz³ siÍ teø kie-
dyú na ³amach EP (listopad
1994) i†jest rÛwnieø dostÍpny
na internetowej stronie EP
(
kepcb/index.html
). Jednak
urok kaødej technologii tkwi
w†szczegÛ³ach, a†posiadanie jej
opisu nie oznacza jeszcze
prostej drogi do sukcesu. Nie-
przypadkowo najcenniejszym
tomem dokumentacji technolo-
gicznej w†wielu zak³adach jest
zeszyt z†odrÍcznymi notatkami
g³Ûwnego technologa. Dlatego,
zamiast powtarzaÊ ogÛlnie
znane wyjaúnienia, skoncent-
rujÍ siÍ przede wszystkim na
omÛwieniu czynnikÛw decy-
duj¹cych o†jakoúci wykonania
oraz na mechanizmach naj-
czÍúciej pope³nianych b³ÍdÛw.
Pewn¹ nowoúci¹, znan¹ do-
tychczas g³Ûwnie uczestnikom
internetowych grup dyskusyj-
nych, jest zmodyfikowana me-
toda termotransferowa wyko-
rzystuj¹ca papier kredowy.
Opieraj¹c siÍ na bardzo pros-
tym pomyúle, pozwala ona na
osi¹gniÍcie zaskakuj¹co dob-
rych i†powtarzalnych wyni-
kÛw. Nie bÍdÍ ukrywa³, øe
technika ta najbardziej przy-
pad³a mi do gustu, dlatego
poúwiÍcÍ jej drug¹ czÍúÊ arty-
ku³u, prÛbuj¹c zarazem okreú-
liÊ, gdzie leø¹ granice jej moø-
liwoúci.
Tajniki technologii
Zdecydowana wiÍkszoúÊ
wspÛ³czesnych technologii
PCB opiera siÍ na metodach
fotochemicznych, przy czym
rozrÛøniamy tu dwie zasadni-
cze grupy:
- metody subtraktywne polega-
j¹ce na selektywnym usuwa-
niu zbÍdnych obszarÛw mie-
dzi z†powierzchni laminatu,
- metody addytywne (lub pÛ³-
addytywne) wykorzystuj¹ce
selektywne osadzanie miedzi
tworz¹cej mozaikÍ úcieøek.
Termotransferową metodę wykonywania płytek
polecamy w szczególności:
Amatorom
− jako tani sposób wytwarzania
jednostkowych płytek do własnych projektów
nie wymagający korzystania z ciemni
i czystego laboratorium.
Zawodowcom
− jako sposób na szybkie
wykonywanie płytek prototypowych. W ramach
zachęty zasygnalizujemy, że wykonanie
jednostronnej płytki drukowanej dobrej
jakości zajmuje mniej niż 1 h i daje się
przeprowadzić niemalże na biurku obok
komputera.
Metody addytywne, a†do
nich naleø¹ niestety prawie
wszystkie sposoby metalizacji
otworÛw, do chwili obecnej
leø¹ poza zasiÍgiem dzia³aÒ
amatorskich. Wynika to zarÛ-
wno z†koniecznoúci korzysta-
nia ze skomplikowanych pro-
cesÛw chemicznych (aktywacja
powierzchni nieprzewodz¹-
cych, chemiczne i†elektroche-
miczne osadzanie miedzi), jak
rÛwnieø z†koniecznoúci uøycia
precyzyjnych wysokoobroto-
wych wiertarek niezbÍdnych
do wykonania otworÛw o†rÛw-
nych, g³adkich úciankach.
Tak wiÍc, w†domenie ama-
torÛw pozostaj¹ wy³¹cznie je-
dno- lub dwuwarstwowe p³yt-
ki drukowane wykonywane
metod¹ subtraktywn¹, czyli
wykonywane przez selektywne
maskowanie i†trawienie nie-
os³oniÍtej miedzi.
Uúciúlijmy zatem, jakie wy-
magania powinna spe³niaÊ za-
dowalaj¹ca technologia wytwa-
rzania PCB:
- wierne odwzorowanie szcze-
gÛ³Ûw projektu, a†w†szcze-
gÛlnoúci zachowanie ci¹g-
sposobach maskowania po-
wierzchni miedzi:
- malowanie úcieøek pisakiem
odpornym na trawienie,
- zastosowanie emulsji úwiat-
³oczu³ej (fotolitografia),
- nanoszenie maski ochronnej
metod¹ termotransferu.
O†malowaniu pisakiem che-
moodpornym wspominam je-
dynie z†kronikarskiego obo-
wi¹zku, gdyø nadaje siÍ wy-
³¹cznie do bardzo prostych
urz¹dzeÒ. RÍczne naniesienie
punktÛw lutowniczych pod
uk³ad w†obudowie DIP wyma-
ga pewnej rÍki i†nie zawsze
udaje siÍ bez b³ÍdÛw. Posiada-
nie odpornego na trawienie
pisaka z†bardzo cienk¹ koÒ-
cÛwk¹ (np. 0,3 mm) moøe jed-
nak okazaÊ siÍ przydatne do
ew. retuszu masek wykona-
nych innymi metodami.
Kolejne dwie techniki s¹
przedmiotem niekoÒcz¹cej siÍ
rywalizacji pomiÍdzy zwolen-
nikami emulsji úwiat³oczu³ej
Positiv 20 a†uøytkownikami
folii TES-200 oraz - od nie-
dawna - fanami obiecuj¹cej
metody termotransferowej wy-
Fotolitografia
z†wykorzystaniem
Positivu
Starsi staøem Czytelnicy pa-
miÍtaj¹ zapewne skomplikowa-
ne przepisy przygotowania
i†stosowania negatywowych
emulsji úwiat³oczu³ych spo-
rz¹dzonych na bazie albuminy,
kleju stolarskiego lub szelaku
i†uczulanych dwuchromianem
potasu lub amonu. Moøna za-
ryzykowaÊ stwierdzenie, øe do-
piero upowszechnienie prepa-
ratu Positiv 20 otworzy³o dro-
gÍ do wytwarzania dobrych ja-
koúciowo p³ytek drukowanych
w†warunkach domowego war-
sztatu. £atwoúÊ nanoszenia
emulsji, doskona³a rozdziel-
czoúÊ, dobra úwiat³oczu³oúÊ
i†prosty sposÛb wywo³ywania
niezmiernie uproúci³y i†skrÛ-
ci³y†proces technologiczny. Fo-
tolitografia oferuje rÛwnieø po-
tencjalnie najwyøsz¹ precyzjÍ
odwzorowania. Jednak, z†dru-
giej strony, metoda fotoche-
52
Elektronika Praktyczna 6/2003
N O T A T N I K P R A K T Y K A
N O T A T N I K P R A K T Y K A
miczna to wci¹ø czasoch³onny,
kilkuetapowy proces o†wielu
stopniach swobody, a†b³Ídy
pope³nione na ktÛrymkolwiek
z†etapÛw powoduj¹, øe pracÍ
trzeba zacz¹Ê od pocz¹tku.
Uzyskanie powtarzalnych wy-
nikÛw wymaga úcis³ego prze-
strzegania reøimu technologicz-
nego. WymieÒmy zatem naj-
waøniejsze etapy decyduj¹ce
o†jakoúci finalnego produktu:
- przygotowanie powierzchni
laminatu,
- nanoszenie warstwy úwiat³o-
czu³ej (fotorezystu),
- suszenie fotorezystu,
- naúwietlanie,
- wywo³ywanie,
- trawienie miedzi,
- usuwanie rezystu.
ca³ej powierzchni. Nie muszÍ
chyba dodawaÊ, øe od tego
momentu nie wolno juø doty-
kaÊ miedzi palcami. Ponie-
waø†czysta powierzchnia mie-
dzi ulega stopniowemu utle-
nianiu i†zabrudzeniom, nie
naleøy teø niepotrzebnie zwle-
kaÊ z†lakierowaniem.
Nanoszenie fotorezystu
Podobnie jak w†przypadku
pow³ok lakierniczych, przy na-
k³adaniu fotorezystu zaleøy
nam na rÛwnomiernym, szczel-
nym pokryciu ca³ej powierzch-
ni pod³oøa. Dodatkowo jednak,
szczegÛlnego znaczenia nabiera
gruboúÊ naniesionej warstwy
przek³adaj¹ca siÍ bezpoúrednio
na wartoúÊ energii promienio-
wania potrzebnej do jej pra-
wid³owego naúwietlenia. Nie-
rÛwnomiernoúÊ warstwy moøe
spowodowaÊ problemy z†dobo-
rem czasu ekspozycji,
a†w†skrajnym przypadku unie-
moøliwiÊ poprawne naúwietle-
nie ca³ego pola roboczego.
GruboúÊ warstwy úwiat³oczu³ej
decyduje rÛwnieø o†osi¹galnej
rozdzielczoúci odwzorowania -
aczkolwiek zalecana pow³oka
Positivu jest stosunkowo cien-
ka (ok. 6...8 µm), dziÍki cze-
mu w†zastosowaniach PCB jej
gruboúÊ nie wywiera znacz¹ce-
go wp³ywu na rozdzielczoúÊ
metody. Do oszacowania
gruboúci moøna pos³uøyʆsiÍ
ocen¹ barwy - zgodnie z†
tab.
1
. Podane barwy odnosz¹ siÍ
do emulsji naniesionej na pod-
³oøe bezbarwne - np. alumi-
nium. Na skutek mieszania
barw, lakier naniesiony na po-
wierzchniÍ miedzi zyskuje od-
cieÒ fioletowy.
Nak³adanie pow³oki najlepiej
wykonywaÊ przy øÛ³tym úwiet-
le, aczkolwiek w†stanie mokrym
emulsja jest s³abo wraøliwa i†to-
leruje krÛtkotrwa³e oúwietlenie
przyt³umionym úwiat³em dzien-
nym. W†miarÍ schniÍcia jej
úwiat³oczu³oúÊ istotnie wzrasta,
dlatego suszenie powinno odby-
waÊ siÍ juø w†ciemnoúci.
P³ytka przeznaczona do la-
kierowania musi byÊ dok³ad-
nie wysuszona po myciu. Do
malowania natryskiem uk³ada-
my laminat poziomo lub na-
chylony pod niewielkim k¹-
tem. Malowanie prowadzi siÍ
jednym nieprzerwanym ru-
chem, rozpoczynaj¹c†natrysk
poza p³ytk¹, a†nastÍpnie wo-
dz¹c dyszÍ wzd³uø linii zyg-
zakowatej, pocz¹wszy od gÛr-
nego naroønika. Przed skiero-
waniem strumienia na p³ytkÍ
warto poúwiÍciÊ kilka kropel
preparatu na przedmuchanie
dyszy i†uwolnienie ewentual-
Przygotowanie
powierzchni p³ytki
W†odniesieniu do Positiv
20, producent (firma CRC
Kontakt Chemie) czÍsto
w†swoich materia³ach uøywa
okreúlenia ìlakierî. Faktycz-
nie, opakowanie aerozolowe
i†stosowane rozpuszczalniki
(m.in. aceton, eter dwumetylo-
wy) blisko kojarz¹ siÍ z†malo-
waniem, a†zamierzaj¹c uzyskaÊ
pow³okÍ o†dobrej przyczepnoú-
ci, rÛwnieø powinniúmy stoso-
waÊ siÍ do zasad panuj¹cych
w†tej dziedzinie. Do wykona-
nia p³ytek drukowanych nale-
øy wybieraÊ laminat pozba-
wiony wgnieceÒ, g³Íbokich rys
i†úladÛw korozji. Przygotowa-
nie powierzchni polega na de-
likatnym, rÛwnomiernym zma-
towieniu miedzi (rozwiniÍcie
powierzchni poprawia adhezjÍ
lakieru) oraz bardzo dok³ad-
nym odt³uszczeniu. W†prakty-
ce dosyÊ dobrze zdaj¹ egza-
min detergentowe, ìnierysuj¹-
ceî mleczka do czyszczenia
urz¹dzeÒ sanitarnych (np. CIF,
Skrzat itp.) lub p³yny do my-
cia naczyÒ. Moøna rÛwnieø
pos³uøyÊ siÍ bardzo drobnym,
wodoodpornym papierem
úciernym o†gradacji >1000,
szlifuj¹c p³ytkÍ na mokro -
najlepiej pod strumieniem bie-
ø¹cej wody. O†dobrym od-
t³uszczeniu úwiadczy rÛwno-
mierne zwiløanie przez wodÍ
Tab. 1. Grubość powłoki
emulsji Positiv 20 można
ocenić po kolorze pokrycia
GruboϾ
GruboϾ
Barwa
pow³oki
[
µ
m]
m
m]
Elektronika Praktyczna 6/2003
53
GruboϾ
Barwa
pow³oki
N O T A T N I K P R A K T Y K A
nych skrzepniÍtych ìk³acz-
kÛwî. Przy malowaniu naleøy
uwaøaÊ, aby trzymaÊ opako-
wanie moøliwie blisko pionu.
Przechylenie do poziomu po-
woduje niepotrzebn¹ ucieczkÍ
gazu noúnego i†wystÍpowanie
przerw w†strumieniu, co odbi-
ja siÍ na jednorodnoúci po-
w³oki. Nanoszony lakier
w†pierwszym momencie osia-
da na p³ytce w†postaci ìpoma-
raÒczowej skÛrkiî, a†dopiero
po chwili rozp³ywa siÍ w†jed-
nolit¹, g³adk¹ warstwÍ. Ponad-
to rozp³ywaj¹ca siÍ emulsja
wykazuje tendencjÍ do tworze-
nia zgrubieÒ na krawÍdziach
laminatu, dlatego naleøy pa-
miÍtaÊ o†zachowaniu odpo-
wiednich marginesÛw wokÛ³
pola roboczego.
Nak³adaniu cienkich pow³ok
sprzyja bardzo niska lepkoúÊ
preparatu, jednak natryúniÍcie
pokrycia o†sta³ej, powtarzalnej
gruboúci wymaga sporej wpra-
wy. Dlatego, szczegÛlnie przy
precyzyjnych projektach, roz-
prowadzanie lakieru powinno
byÊ wspomagane wirowaniem
p³ytki. DziÍki ma³ej lepkoúci
wystarczaj¹ stosunkowo nie-
wielkie prÍdkoúci wirowania -
rzÍdu 100 obr./min. W†warun-
kach amatorskich moøna wyko-
naÊ prost¹ wirÛwkÍ, adaptuj¹c
np. typowy wentylator z†silni-
kiem sta³opr¹dowym 12 V za-
silany obniøonym napiÍciem.
Emulsja Positiv 20 ma ogra-
niczon¹ trwa³oúÊ (w tempera-
turze max. 25
o
C†nominalnie
1,5 roku od daty konfekcjono-
wania), a†przekroczenie daty
waønoúci objawia siÍ np.
w†postaci nierÛwnomiernoúci
na³oøonej warstwy (powstawa-
nie ìk³aczkÛwî). Znacznie
krÛtszy czas przydatnoúci cha-
rakteryzuje such¹ emulsjÍ na-
niesion¹ na powierzchniÍ la-
minatu. Wed³ug danych pro-
ducenta, okres przechowywa-
nia w†temperaturze pokojowej
nie moøe przekraczaÊ 4†tygo-
dni. ZwrÛÊmy uwagÍ, øe okres
ten dotyczy rÛwnieø gotowych
lakierowanych p³ytek oferowa-
nych przez niektÛrych dystry-
butorÛw. Przed³uøeniu trwa-
³oúci sprzyja sk³adowanie
w†temperaturze obniøonej do
+8...+12
o
C. Trzeba jednak pa-
miÍtaÊ, øeby (z†uwagi na kon-
densacjÍ pary wodnej) przed
uøyciem ogrzaÊ p³ytki do tem-
peratury pokojowej.
a†takøe, o†czym juø wspo-
mnia³em, o†jego efektywnej
czu³oúci na úwiat³o. Na ca³ko-
wite wyschniÍcie lakieru
w†temperaturze pokojowej po-
trzeba co najmniej 24 h.
Z†jednej strony czas ten po-
winien byÊ jak najkrÛtszy,
gdyø lepka powierzchnia lakie-
ru jest szczegÛlnie podatna na
chwytanie zanieczyszczeÒ
z†powietrza. Z†drugiej - zbyt
intensywne suszenie moøe spo-
wodowaÊ wytworzenie ìskÛr-
kiî i†pomarszczenie pow³oki.
t³o projektu staj¹ siÍ rozpusz-
czalne i†zostaj¹ usuniÍte pod-
czas wywo³ywania ods³aniaj¹c
powierzchniÍ miedzi. Dla po-
rÛwnania przypomnijmy, øe
tradycyjne, amatorskie emulsje
chromianowe naleøa³y do gru-
py negatywowej, tzn. pod
wp³ywem úwiat³a nastÍpowa³o
w†nich garbowanie bia³ek
i†utrata rozpuszczalnoúci. Dla-
tego teø wymaga³y naúwietla-
nia rysunkiem w†negatywie -
w†miejscach przezroczystych
úcieøek nastÍpowa³o utrwalenie
m wynosi orientacyjnie 100
mJ/cm
2
. Najlepszym dostÍp-
nym ürÛd³em úwiat³a o†odpo-
wiedniej charakterystyce wid-
mowej s¹ wy³adowcze lampy
rtÍciowe (np. przezroczysta
úwietlÛwka UV lub jarznik po-
zyskany z†wysokoprÍønej lam-
py rtÍciowej). Aczkolwiek wy-
starczaj¹co dobre rezultaty da-
je rÛwnieø zastosowanie øaro-
wej lampy halogenowej, a†na-
wet bezpoúredniego úwiat³a
s³onecznego. Ze wzglÍdu na
trudnoúÊ obiektywnego pomia-
ru natÍøenia ultrafioletu w†wa-
runkach amatorskich, naj³at-
wiej ustaliÊ w³aúciwy czas
ekspozycji eksperymentalnie,
wykonuj¹c seriÍ prÛbek o†rÛø-
nym stopniu naúwietlenia. Za-
miast stosowanego profesjonal-
nie klina szaroúci, wystarczy
wielokrotne naúwietlanie prÛb-
ki ze stopniowym ods³ania-
niem kolejnych partii fotore-
zystu. Spodziewane czasy na-
úwietlania przy uøyciu typo-
wych ürÛde³ (lampa kwarco-
wa, halogen 500 W) i†odleg-
³oúci rzÍdu 0,3...0,5 m†plasuj¹
siÍ zazwyczaj w†przedziale
kilku...kilkunastu minut.
DobÛr ürÛd³a úwiat³a powi-
nien uwzglÍdniaÊ jeszcze dwa
aspekty - jednorodnoúÊ oúwiet-
lenia ca³ej powierzchni pola
roboczego oraz kolimacjÍ
úwiat³a. RÛwnomiernoúÊ
oúwietlenia nie wymaga, jak
s¹dzÍ, szczegÛ³owego uzasad-
nienia. Moøna j¹ uzyskaÊ, sto-
suj¹c jednorodne ürÛd³o úwiat-
³a o†powierzchni porÛwnywal-
nej z†powierzchni¹ sto³u robo-
czego (np. zespÛ³ rÛwnoleg³ych
úwietlÛwek UV z†reflektorami
parabolicznymi) lub ürÛd³o
punktowe znacznie oddalone
od p³aszczyzny roboczej. Dru-
gie zagadnienie wymaga jednak
kilku s³Ûw wyjaúnienia. OtÛø
rozmiary obiektu odwzorowa-
nego w†fotorezyúcie nigdy nie
bÍd¹ identyczne z†rozmiarami
tego samego obiektu na kliszy.
Zjawisko to, zwane podciÍciem
krawÍdzi jest skutkiem pod-
úwietlania fotorezystu po³oøo-
nego pod zaczernionym frag-
mentem kliszy (
rys. 1
). Przyj-
muj¹c, øe stosujemy fotorezyst
pozytywowy (czyli np. Posi-
tiv), ktÛrego naúwietlenie po-
woduje rozpuszczalnoúÊ emul-
sji, zaobserwujemy efekt pole-
gaj¹cy na zwÍøeniu úcieøek
w†stosunku do wymiarÛw za³o-
øonych w†projekcie. ZwrÛÊmy
uwagÍ, øe skutki podciÍcia
krawÍdzi fotorezystu kumuluj¹
siÍ ze zwÍøeniem úcieøek po-
Błędy, których przyczyn nie widać
Wydaje się, że 5 mils to niewiele, ale tylko
błąd naświetlania może udaremnić próbę
wykonania ścieżek o szerokości mniejszej od
10...12 mils.
UwzglÍdniaj¹c oba wymaga-
nia, producent zaleca suszenie
przyspieszone w†temperaturze
70
o
C†w†suszarce z†promienni-
kiem IR lub obiegiem ciep³e-
go powietrza. Po umieszcze-
niu p³ytki w†komorze, na-
leøy†powoli podnosiÊ tempera-
turÍ, a†po osi¹gnieciu maksi-
mum odczekaÊ jeszcze 15...20
minut do ca³kowitego wy-
schniÍcia. Przypomnijmy, øe
suszenie powinno odbywaÊ
siÍ w†ciemnoúci, w†otoczeniu
wolnym od kurzu. Przekrocze-
nie temperatury 80
o
C†powodu-
je, øe fotorezyst ulega nieod-
wracalnym przemianom, stop-
niowo trac¹c rozpuszczalnoúÊ.
emulsji chroni¹cej pÛüniej
miedü przed trawieniem.
Niedoúwietlenie skutkuje
s³ab¹ rozpuszczalnoúci¹ fotore-
zystu utrudniaj¹c¹ ods³oniÍcie
t³a i†powoduj¹c¹ powstawanie
zwarÊ pomiÍdzy úcieøkami.
Natomiast przeúwietlenie po-
woduje m.in. podmywanie
úcieøek, a†w†skrajnym przy-
padku sp³yniÍcie ca³ej emulsji
podczas wywo³ywania.
Zakres swobody w†doborze
czasu naúwietlania jest ograni-
czony przez kontrast posiadane-
go diapozytywu, a†w†praktyce
przede wszystkim przez jego
gÍstoúÊ optyczn¹ (D) w†obsza-
rach zaczernionych (czyli loga-
rytm dziesiÍtny ze stosunku
iloúci úwiat³a padaj¹cego do
przechodz¹cego). Zbyt ma³a gÍs-
toúÊ optyczna objawia siÍ naru-
szeniem powierzchni miedzi na
p³aszczyznach, ktÛre powinny
pozostaÊ nietkniÍte. Najlepsz¹
gÍstoúÊ optyczn¹ (D>3,5) maj¹
klisze wykonane na fotoploterze
lub naúwietlarce rastrowej. Na-
tomiast gÍstoúÊ pokrycia uzyska-
nego na wydruku z†drukarki la-
serowej lub atramentowej czÍs-
to okazuje siÍ niewystarczaj¹ca.
Ponadto na wydrukach z†nie-
ktÛrych drukarek laserowych
wystÍpuje rÛwnieø tendencja do
niejednolitego krycia duøych ob-
szarÛw. W†przypadku drukarki
laserowej lub ksero moøna uzys-
kaÊ znacz¹c¹ poprawÍ, umiesz-
czaj¹c wydruk na kilkadzie-
si¹t†minut w†parach acetonu lub
rozpuszczalnika nitro, powodu-
j¹cych spÍcznienie tonera
i†w†efekcie jego optyczne
uszczelnienie.
Naúwietlanie
Naúwietlanie emulsji jest
najbardziej krytycznym etapem
fotolitografii, a†ze wzglÍdu na
duø¹ liczbÍ parametrÛw rÛw-
nieø najtrudniejszym z†punktu
widzenia powtarzalnoúci pro-
cesu. WymieÒmy zasadnicze
czynniki decyduj¹ce o†powo-
dzeniu procesu:
- dobÛr diapozytywu (rysunek
w†pozytywie, w³aúciwa gÍs-
toúÊ optyczna),
- dobÛr ürÛd³a úwiat³a (cha-
rakterystyka widmowa, gÍs-
toúÊ mocy, kolimacja),
- rÛwnomierny docisk kliszy
do laminatu,
- dobÛr czasu naúwietlania,
- zachowanie czystoúci.
Diapozytyw
Positiv 20 naleøy do grupy
emulsji pozytywowych, tzn.
uzyskuj¹cych rozpuszczalnoúÊ
w†wyniku naúwietlenia. Dlate-
go na diapozytywie uøytym do
naúwietlania musi siÍ znajdo-
waÊ pozytywowy rysunek mo-
zaiki - tzn. czarne úcieøki na
przezroczystym tle. Naúwietlo-
ne obszary fotorezystu, czyli
Suszenie
Naniesiona warstwa musi
byÊ dok³adnie wysuszona
przed naúwietlaniem. JakoúÊ
wysuszenia decyduje o†przy-
czepnoúci rezystu do pod³oøa,
èrÛd³o úwiat³a
Maksimum czu³oúci widmo-
wej Positivu przypada w†za-
kresie bliskiego ultrafioletu
UVA - czyli w†przedziale
54
Elektronika Praktyczna 6/2003
340...420 nm. GÍstoúÊ energii
wymagana do naúwietlenia
warstwy fotorezystu o†gruboúci
8†
µ
N O T A T N I K P R A K T Y K A
Rys. 1. Jedną z przyczyn podświetlania krawędzi podczas
naświetlania jest niedokładne dociśnięcie kliszy do
powierzchni fotorezystu
WystÍpowanie szczelin po-
miÍdzy mask¹ optyczn¹ a†fo-
torezystem zaleøy przede
wszystkim od zastosowanej
metody docisku - ale nie tyl-
ko. Przede wszystkim klisza
musi leøeÊ na p³ytce emulsj¹
(lub tonerem) do do³u! Gru-
boúÊ kliszy wynosz¹ca
0,1...0,2 mm jest juø wystar-
czaj¹ca aby, przy niew³aúci-
wym u³oøeniu, spowodowaÊ
zauwaøalne podúwietlenie kra-
wÍdzi. CzÍsto stosowany do-
cisk za pomoc¹ szyby (szkla-
nej lub PMMA) niestety nie
zawsze zdaje egzamin. Nawet
niewielkie zwichrowanie p³yt-
ki laminatu zazwyczaj unie-
moøliwia rÛwnomierne przy-
ciúniÍcie maski na ca³ej po-
wierzchni. Ponadto szk³o po-
ch³ania czÍúÊ ultrafioletu, na-
tomiast miÍkkie plexi ³atwo
ulega zarysowaniom. Jedynym
skutecznym sposobem wydaje
siÍ zastosowanie kopioramy
z†dociskiem prÛøniowym. Mi-
mo powaønie brzmi¹cej nazwy
jest to urz¹dzenie ³atwe do
wykonania, a†doraünie daj¹ce
siÍ zast¹piÊ nawet torebk¹
z†przezroczystej folii PE. Na
swoje potrzeby wykona³em
prost¹ kopioramkÍ z³oøon¹
z†kwadratowej, drewnianej
ramki z†zag³Íbion¹ p³yt¹
szklan¹ (
rys. 2, fot. 3
). Uøycie
szk³a wynika³o z†potrzeby za-
stosowania p³askiej g³adkiej
p³yty, ale przy okazji u³atwia
optyczne centrowanie masek
podczas wykonywania p³ytek
dwustronnych. KrawÍdzie
ramki zosta³y pokryte warstw¹
silikonu sanitarnego i†wyg³a-
dzone na mokro. Powierzchnia
gumy silikonowej przez d³uø-
szy czas zachowuje pewn¹
lepkoúÊ, dziÍki czemu dosko-
nale zdaje egzamin jako
uszczelnienie. Zaznaczona na
rysunku i†widoczna na zdjÍciu
rurka z†otworami, biegn¹ca
wzd³uø krawÍdzi ramki s³uøy
jako doprowadzenie podciúnie-
nia. Ze wzglÍdu na niewielkie
wymagania odnoúnie wydaj-
noúci i†ciúnienia koÒcowego,
w†roli pompy prÛøniowej mo-
øe wyst¹piʆprosta, inøektoro-
wa pompa wodna, a†nawet
agregat sprÍøarkowy wymonto-
wany ze z³omowanej lodÛwki.
Naúwietlan¹ p³ytkÍ wraz
z†mask¹ naleøy po³oøyÊ na ko-
pioramie, fotorezystem do gÛ-
ry, a†nastÍpnie ca³¹ ramkÍ na-
kryÊ cienk¹, przezroczyst¹ fo-
li¹ polietylenow¹ (
stretch
) sto-
sowan¹ do pakowania øyw-
noúci (
fot. 4
). Folia PE
o†gruboúci ok. 10 µm prak-
tycznie nie poch³ania ultrafio-
letu a†wprowadzane przez ni¹
ewentualne za³amania úwiat³a
nie odwzorowuj¹ siÍ na foto-
rezyúcie. NaprÍøona, czysta
folia bardzo ³atwo przylega
szczelnie do powierzchni si-
likonu. Po w³¹czeniu podciú-
nienia, ulega ugiÍciu o†2...3
mm, praktycznie nie prze-
mieszczaj¹c siÍ w†p³aszczyü-
nie poziomej. DziÍki temu ca-
³a powierzchnia maski zostaje
rÛwnomiernie dociúniÍta do
laminatu, bez ryzyka przesu-
niÍcia wzglÍdem otworÛw
centruj¹cych.
wstaj¹cym na skutek podtra-
wiania miedzi. Jednym ze spo-
sobÛw kolimacji, przydatnym
szczegÛlnie w†przypadku
naúwietlania za pomoc¹ p³as-
kiego zespo³u úwietlÛwek UV,
moøe byÊ zastosowanie koli-
matora kratownicowego, czyli
grubej przes³ony w†postaci kra-
townicy o†niewielkim przekro-
ju otworÛw i†cienkich úcian-
kach poch³aniaj¹cych úwiat³o.
W†warunkach amatorskich za
wystarczaj¹ce moøna jednak
uznaÊ zastosowanie ürÛd³a
punktowego (o niewielkich
rozmiarach) oddalonego od po-
wierzchni p³ytki. W†swojej
praktyce uøywa³em, z†dobrym
skutkiem, archaicznej lampy
kwarcowej do opalania, z†krÛt-
kim jarznikiem rtÍciowym
o†mocy 125 W†umieszczonej
na wysokoúci ok. 50 cm nad
kopioramk¹.
Y=0,5 mm. PrzyjÍty maksy-
malny k¹t padania úwiat³a od-
powiada mniej wiÍcej zastoso-
waniu typowej oprawy oúwiet-
leniowej z†liniowym øarni-
kiem halogenowym 500
W†umieszczonej na wysokoúci
40 cm nad p³ytk¹.
Z†prostego uk³adu geomet-
rycznego moøemy wyliczyÊ,
øe krawÍdzie úcieøek na foto-
rezyúcie zostan¹ podúwietlone
na g³ÍbokoúÊ:

†0,13†mm,
czyli ok. 5†mils (mils = 0,001
cala jest jednostk¹ powszech-
nie stosowan¹ w†projektowa-
niu PCB)
Oczywiúcie w†obliczeniu po-
minÍliúmy wszelkie subtelnoú-
ci, takie jak: rÛøne wspÛ³czyn-
niki za³amania úwiat³a w†ma-
teriale kliszy i†warstwie úwiat-
³oczu³ej, ugiÍcie úwiat³a na
krawÍdzi maski, wsteczne od-
bicie úwiat³a od miedzi, a†tak-
øe charakterystykÍ czu³oúci fo-
torezystu.
Jakie to ma znaczenie prak-
tyczne? Wydaje siÍ, øe 5†mils
to niewiele, ale tylko ten je-
den b³¹d naúwietlania moøe
udaremniÊ prÛbÍ wykonania
úcieøek o†szerokoúci mniejszej
od 10...12 mils.
X†=†

Y†
.
†tg(15
o
)†
WrÛg numer 1†- kurz
WymÛg sterylnej niemaløe
czystoúci - od pocz¹tku nano-
szenia emulsji do chwili wy-
jÍcia p³ytki z†kopioramy, jest
wspÛln¹ cech¹ wszystkich fo-
tolitografii. Jakkolwiek wymo-
gi czystoúci niezbÍdnej przy
wykonywaniu PCB s¹ niepo-
rÛwnywalne z†rygorami panu-
j¹cymi w†
cleanroomach
labo-
ratoriÛw pÛ³przewodnikowych,
to jednak przyjmuje siÍ, øe
przy fotolitografii wysokopre-
cyzyjnych PCB pomieszczenia
laboratoryjne musz¹ byÊ utrzy-
mywane w†klasie czystoúci
ì10000î, co znaczy, øe liczba
cz¹stek sta³ych o†úrednicy
>0,5
Docisk kliszy
Niedok³adne przy³oøenie
i†docisk kliszy, w†po³¹czeniu
z†brakiem kolimacji oúwietle-
nia jest istotnym, chociaø
czÍsto niedocenianym ürÛd³em
b³ÍdÛw. Jestem sk³onny zary-
zykowaÊ stwierdzenie, øe
w³aúnie w†tym miejscu kryje
siÍ praktyczne ograniczenie
rozdzielczoúci domowej fotoli-
tografii. Jak juø wspomnia³em
oúwietlenie p³ytki pod k¹tem
rÛønym od 90
o
(deklinacja)
w†po³¹czeniu z†nierÛwnoleg-
³oúci¹ wi¹zki úwiat³a (brak ko-
limacji) skutkuje podcinaniem
krawÍdzi i†zwÍøaniem úcieøek
(rys. 1) SprÛbujmy przeprowa-
dziÊ szybkie oszacowanie. Za-
³Ûømy, øe dysponujemy
oúwietleniem o†maksymalnym
k¹cie deklinacji
m nie moøe przekraczaÊ
(po przeliczeniu na jednostki
metryczne) 350 szt./dm
3
po-
wietrza, natomiast cz¹stek
o†úrednicy >5
µ
m juø tylko
2,3 szt./dm
3
.
=15
o
, a†jed-
noczeúnie pomiÍdzy fotorezys-
tem a†niedok³adnie dociúniÍt¹
klisz¹ powsta³a szczelina
α
Rys. 2. Rysunek przekrojowy ilustrujący budowę kopioramy podciśnieniowej
56
Elektronika Praktyczna 6/2003


µ
[ Pobierz całość w formacie PDF ]