plytki 1.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 zabawÍ†z†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

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

( http://www.ep.com.pl/?ftp/ma-

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-

Elektronika Praktyczna 6/2003

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 pos³uøyÊ†siÍ

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

Gruboœæ

Barwa

pow³oki

[

µ m]

m m]

Elektronika Praktyczna 6/2003

Gruboœæ

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

Elektronika Praktyczna 6/2003

340...420 nm. GÍstoúÊ energii

wymagana do naúwietlenia

warstwy fotorezystu o†gruboúci

8†

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 wyst¹piÊ†prosta, 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

m juø tylko

2,3 szt./dm 3 .

=15 o , a†jed-

noczeúnie pomiÍdzy fotorezys-

tem a†niedok³adnie dociúniÍt¹

klisz¹ powsta³a szczelina

Rys. 2. Rysunek przekrojowy ilustrujący budowę kopioramy podciśnieniowej

Elektronika Praktyczna 6/2003

∆

≈

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: