Технология изготовления однослойных печатных плат субтрактивным методом с использованием металлорезиста (олово – свинец)
СОДЕРЖАНИЕ: Материалы, используемые при изготовлении однослойных печатных плат. Маркировка печатных плат, контроль и автоматизация технологического процесса изготовления однослойных печатных плат. Система печатных проводников. Длина сигнальных проводников в плате.Министерство образования и науки РФ.
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Ивановский государственный химико-технологический университет».
Факультет неорганической химии.
Кафедра технологии приборов и материалов электронной техники
Курсовая работа
на тему: «Технология изготовления однослойных печатных плат субтрактивным методом с использованием металлорезиста (олово – свинец)».
Выполнил: ________________________________________Крайнов А.А.
Руководитель: ____________________________________Ситанов Д.В.
Зав. кафедрой: ________________________________проф. Светцов В.И.
Иваново 2010 г.
Содержание:
Расчетно-пояснительная записка.
1. Определение ОПП
2. Материалы, используемые при изготовлении ОПП.
3. Описание технологических операций
4. Маркировка ПП, контроль и автоматизация технологического процесса изготовления ОПП.
5. Описание технологического оборудования.
Технологический маршрут изготовления однослойных печатных плат субтрактивным методом с использованием металлорезиста олово – свинец.
Выводы:
Список используемой литературы:
Расчетно-пояснительная записка
1. Определение ОПП
Однослойные печатные платы (ОПП) – наиболее употребляемые конструктивные элементы бытовой и промышленной техники, с помощью которых обеспечивается:
· Система печатных проводников для объединения электронных компонентов в конкретную электрическую схему;
· Размещение электронных компонентов;
· Монтаж электронных компонентов путем соединения их со схемой связи;
· Монтаж разъемных соединительных компонентов;
· Монтаж дискретных связей (проволочных, кабельных, шлейфовых);
· Распределение тока питания между электронными компонентами.
Основные монтажные, трассировочные, конструкционные и электрические характеристики ОПП.
Основные монтажные характеристики однослойных печатных плат:
· количество монтируемых микросхем, разъемных соединителей, резисторов, конденсаторов и т.д.;
· количество объединяемых выводов электронных и электрических компонентов;
· площадь посадочного места микросхем;
· шаг контактных площадок для присоединения выводов микросхем;
· размещение контактных площадок для монтажа ремонтных проводников;
· размещение и форма специальных реперных знаков для автоматизированного совмещения выводов микросхем и контактных площадок;
· размещение компонентов на одной или обеих сторонах.
Основные трассировочные характеристики однослойных печатных плат:
· количество каналов для размещения сигнальных проводников;
· количество сигнальных проводников;
· плотность проводников;
· топология посадочных мест микросхем;
· длина сигнальных проводников в плате;
Основные конструкционные характеристики однослойных печатных плат (рис. 1):
однослойный печатный плата
рис.1
· размер рабочего поля платы;
· толщина платы;
· размеры проводников и зазоров;
· толщина проводников;
· топология проводников;
· топология контактных площадок;
· материал проводников;
· материал изоляции;
· форма контактных площадок для поверхностного монтажа
· компонентов;
Конкретные значения характеристик печатных плат определяются требованиями к устройствам и технологическим уровнем изготовления.
Основные электрические характеристики однослойных печатных плат:
· погонное сопротивление проводников на постоянном токе;
· погонная индуктивность проводников;
· величина постоянного тока питания, распределяемого шинами питания и земли;
· равномерность распределения напряжения питания по полю платы;
Движущими мотивами увеличения сложности печатных плат, используемых для производства электронной техники, можно считать:
· увеличение функциональной сложности и функциональной завершенности узлов на печатной плате,
· увеличение сложности и разнообразия форм электрических компонентов, монтируемых на плате.
При этом наблюдается стремление к минимизации габаритов печатных плат за счет повышения плотности монтажа компонентов. [1,3,4]
2. Материалы, используемые при изготовлении ОПП
Фольгированные диэлектрики.
Одним из основных факторов, определяющих качество и надежность печатных плат, является материал, из которого они изготовлены.
Используются диэлектрики марок: гетинакс, стеклотекстолит типа СТФ, FR4 и др. В производстве проводится всесторонний входной контроль и отбраковка диэлектриков перед запуском в работу.
1)Контроль состояния поверхности.
Диэлектрик для печатных плат не должен иметь дефектов, вносящих брак при производстве ОПП, т.е. трещин, складок, пятен, раковин, царапин. Пластмассовая поверхность под фольгой не должна иметь участков с отсутствием смолы, выхода сплетенных волокон, ожогов, инородных материалов.
2)Контроль толщины.
Толщина листа диэлектрика измеряется на индикаторной головке по периметру в 10 точках. За толщину листа принимают среднее арифметическое значение, при этом предельные отклонения не должны превышать ±5%
3) Проверка устойчивости стеклотекстолита к воздействию расплавленного припоя для оценки термостойкости партии.
Проводится на 2-х образцах, изготовление рисунка - методом травления фольги. Образец не должен расслаиваться, а на фольгиро- ванной поверхности не должно быть пузырей после погружения в припой при температуре 260°С.
Кроме этих, обязательных для каждой партии анализов, периодически проверяются поступившие диэлектрики на следующие I параметры:
· прочность на отслаивание фольги,
· сопротивление изоляции на электродах-гребенках,
· поверхностное и объемное удельное сопротивления.
Трафаретные краски
Краски трафаретные печатные защитные щелочесмываемые серии СТ3.12, краски трафаретные для не впитывающих поверхностей серии ТНФП, фотополимеризующиеся композиции ФПК-ТЩ, краски трафаретные гальваностойкие СТ3.13 и СТ3.5. В случае не- i обходимости ТНФП разбавить уайт-спиритом.
Пленочные фоторезисты
Пленочный фоторезист применяется в производстве печатных плат для получения защитных изображений при формировании проводящего рисунка печатных плат способами: травлением по защитному изображению в медной фольге на диэлектрике.
Пленочный фоторезист представляет собой сухой фотополимерный слой заданной толщины, заключенный между двумя прозрачными пленками: лавсановой - основой и полиэтиленовой - защитной, толщиной 25 мкм каждая. Толщина фотополимерного слоя задается в пределах от 15 до 72 мкм.
Поставляется пленочный фоторезист в рулонах, готовый для использования.
Основное достоинство пленочных фоторезистов - это способность обеспечивать воспроизведение четких изображений.
Эти фоторезисты имеют одинаковую структуру - фотополимерные слои негативного действия, чувствительные к экспозиции в ультрафиолетовом диапазоне спектра (320 - 400 нм). По способу проявления фоторезисты подразделяются на органопроявляемые и водощелочного проявления.
Паяльная маска
Введение в конструкцию 01111 паяльной маски является обязательным условием, т.к. обычная стеклоэпоксидная основа 01111 не обладает достаточной теплостойкостью к температурам пайки ПМ (220-240°С), и без паяльной маски за время необходимое для проведения техпроцесса пайки (0,5 - 2,5 мин.) может происходить поверхностная деструкция материала диэлектрика.
По методу формирования рисунка паяльные маски делятся на два типа:
1) Паяльные маски, рисунок которых формируется методом трафаретной печати.
Как правило, это составы на эпоксидной основе, отверждае- мые термически или УФ излучением. При относительной дешевизне основным их недостатком является низкая разрешающая способность и необходимость использования сеткографического трафарета.
2) Паяльные маски, рисунок которых формируется фотолитографическим методом (их еще называют фоторезистивные паяльные маски).
Эти паяльные маски позволяют формировать рисунок любой сложности и в последнее время получили наибольшее распространение.
В свою очередь фоторезистивные паяльные маски по методу нанесения делятся на два типа:
· сухие паяльные маски;
· жидкие паяльные маски.
Сухая паяльная маска (СПМ).
СПМ выпускается в виде пленки толщиной 50, 75, 100 и 150 мкм и по свойствам и методам использования очень похожа на сухой пленочный фоторезист (СПФ), используемый для получения рисунка 01111. СПМ имеет, однако, два существенных отличия, определяющие особенности ее нанесения, формирования и использования:
· СПМ является конструкционным материалом и должна выдерживать не только технологические, но и эксплуатационные воздействия во время всего срока эксплуатации 01111.
· СПМ наносится на рельеф, образованный сформированным наружным слоем ОПП.Для нанесения СПМ необходимо специальное оборудование - т.н. вакуумный ламинатор - особое устройство с вакуумной подогреваемой камерой, обеспечивающее плотное прилегание толстой пленки СПМ на рельеф 01111. Толщина СПМ выбирается из условия прокрытая необходимой высоты рельефа.
Нспф=0,7hрельефа
Следует всегда иметь в виду, что основной проблемой при нанесении СПМ является ее адгезия к поверхности 01111, поэтому перед ламинированием поверхность ОПП должна быть тщательно очищена от всякого рода органических и неорганических загрязнений. Надо также помнить, что адгезия СПМ к покрытиям, изменяющим агрегатное состояние в процессе технологических обработок или эксплуатационных воздействий, может резко ухудшаться. Речь идет в первую очередь о покрытиях оловяно-свинцовыми и другими лепсоплавкими припоями. Предпочтительным является нанесение СПМ на голую медь, допустимым - на никель, золото.
После ламинирования следуют стандартные операции экспонирования и проявления. Существуют СПМ, как органического, так и водно-щелочного проявления. Последние получают все более широкое распространение в связи с более простой процедурой регенерации промывочных вод и утилизации проявочных растворов.
После формирования рисунка паяльная маска подвергается операции задубливания, которая заключается в окончательной полимеризации материала СПМ для набора им в полном объеме защитных свойств, обеспечивающих механическую, термическую и климатическую защиту поверхности ОПП от технологических и эксплуатационных воздействий. Окончательное задубливание может быть термическим или смешанным: термическим и УФ.
К недостаткам СПМ можно отнести ограничение по разрешающей способности:
· 0,3 мм - для толстых (100-150 мкм) пленок СПМ;
· 0,2 мм - для тонких (50-75 мкм) пленок СПМ.
Этого недостатка лишены жидкие паяльные маски.
Жидкая паяльная маска (ЖПМ).
От СПМ ЖПМ отличается только способом нанесения, обеспечивающим покрытие 01111 равномерным тонким слоем. Для ЖПМ применяют два способа нанесения:
· методом трафаретной печати через чистую (без маски) сетку - этот метод является мало производительным и используется в мелкосерийном производстве;
· методом полива в режиме занавеса - этот метод требует специального оборудования, создающего падающий ламинарный поток - занавес, и используется в крупносерийном производстве.
ЖПМ наносится тонким слоем 20-30 мкм и в связи с этим практически не имеет ограничений по разрешению при всех ныне мыслимых рисунках монтажного слоя.
Остальные операции: экспонирование, проявление, окончательное задубливание - аналогичны СПМ. [1,3,4]
3. Описание технологических операций
НАНЕСЕНИЕ КРАСКИ МЕТОДОМ СЕТКОГРАФИЧЕСКОЙ ПЕЧАТИ
Материалы: краски трафаретные печатные защитные щело- чесмываемые серии СТ3.12, краски трафаретные для невпитываю- щих поверхностей серии ТНФП, фотополимеризующиеся композиции ФПК-ТЩ, краски трафаретные гальваностойкиеСТЗЛЗ и СТ3.5. В случае необходимости ТНФП разбавить уайт-спиртом.
Рихтовать заготовки на установке рихтовки. Нанести рисунок. Автомат сеткографической печати, трафаретная форма, шаблон. Сушить, печь сушильная или установка сушки плат УСП-001, температура 60-80 о G, 45-55 мин. Допускается сушка (полимеризация) ТНФП на воздухе 15 час.
При наличии дефектов ретушировать. Эмаль НЦ-25 или краской СТ3.5 с последующей сушкой на воздухе.
УДАЛЕНИЕ КРАСОК
При необходимости ретушь удаляется шпателем или тампоном, смоченным ацетоном. Комплекс модулей для травления и снятия краски КМ-8.
Обработать в щелочи натрия гидроокиси ( 50 - 100 г/л), температура 25-35°С, от 0,8 до 3 мин. Удалить краску. Оборудование то же. Натрия гидрат окиси. Промыть проточной горячей водой. Промыть проточной холодной водой. Сушить, КМ-8, 40-60°С, 0,5-2 мин.
ПОДГОТОВКА ПОВЕРХНОСТИ ЗАГОТОВОК ДЛЯ СПФ
Контроль поверхности производится визуально. Не должно быть заломов, заусенцев, рисок, смолы, деформированных базовых отверстий. Торцы фольги должны быть ровными и гладкими.
Подготовка поверхности под СПФ производится на пемзост- руйной установке Комби-Скраб. Заготовки из тонких фольгиро- ванных диэлектриков обрабатываются на спутниках. Обезжиривание и снятие окисной пленки. Промывка. Обработка струями пемзовой суспензии. Промывка деионизованной водой. Сушка. Выходной контроль качества поверхности: поверхность должна быть розовой, без затеков, окисленных участков, равномерно матовой. Хранение заготовок, поступающих на участок допускается не более 10 дней, обработанных не более 1 час.
ПОЛУЧЕНИЕ РИСУНКА СХЕМЫ ИЗ СПФ
Заготовки должны быть розовые без окислов, затеков, набро- сов. Нанесение СПФ:
Подогреть заготовки - сушильная печь , 60-80°С .Нанести СПФ- ламинатор HRL-650, 105+5°С. Все операции с СПФ и наслоенными заготовками проводить при неактиничном освещении - желтом или оранжевом. Слой СПФ должен быть сплошным без складок, пузырей, посторонних включений и отслоений.
Максимальное время межоперационного хранения 5 суток в темном месте.
Экспонирование: совместить фотошаблон с заготовкой, кнопки 5мм, по О отметкам в соответствии со структурой поместить в установку экспонирования ORC HMW-201 В.
Время экспонирования подбирается согласно методике. При экспонировании должны обеспечиваться: равномерная освещенность заготовок, исключающая наличие воздуха между эмульсией фотошаблона и фоточувствительным слоем, температура заготовки не более 35°С. Удалить защитную лавсановую пленку.
Проявить рисунок схемы: установка проявления СПФ-ВЩ КМ-8.
Выборочно из каждой партии изделий замерить размеры элементов. Размер должен быть не более +20 мкм при негативном изображении и не менее -15 мкм для позитивного изображения.
КОНТРОЛЬ И РЕТУШЬ РИСУНКА СХЕМЫ, ЗАЩИЩЕННОЙ СПФ
Изображение должно быть глянцевым, четким, без смещения и потерь деталей изображения. Не должно быть царапин, сколов, кромки по краю рисунка по цвету отличной от изображения. На неэкспонированных участках фоторезист должен быть полностью удален.
Определить места несоответствия требованиям предъявляемым к изображению, отретушировать, подчистить, (микроскоп МБС-2, скальпель, эмаль НЦ-25,ацетон).
Остатки СПФ удалить скальпелем.
ТРАВЛЕНИЕ МЕДИ ПО СПФ
Визуально не допускается наличие жировых загрязнений. Травление меди с заготовок со схемой рисунка, защищенной СПФ: установка травления Кемкат-568, 40+2°С. Камера травления медь хлорная, по металлу 75 - 140 г/л. Промыть водопроводной водой. Рисунок должен быть четким, без рваных краев, вздутий, отслоений, разрывов, протравов. Допускаются отдельные неровности, не ухудшающие минимально допустимые размеры элементов.
УДАЛЕНИЕ СПФ С ЗАГОТОВОК
Снять ретушь: вытяжной шкаф, ацетон, тампон ваты. Удаление СПФ: установка снятия СПФ ГТМ1254001 - 1-я камера КОН 1,5%, 45-50°С, 2-я камера 45-50°С, 3-я камера - вода водопроводная 10-22°С, 4-я камера промывка 18-22°С. Камера сушки воздух 40-50°С. Проверить полноту удаления. Микроскоп МБС-2.
КОНТРОЛЬ И ПОДЧИСТКА РИСУНКА СХЕМЫ ТРАВЛЕННЫХ СЛОЕВ
Рисунок должен быть четким, без рваных краев, отслоений, обрывов, подтравов. На экранных слоях не должно бьггь белесости диэлектрика, остатков краски, фоторезиста, меди в освобождениях, а также освобождений диаметром меньше допустимого и деформированных (стол с подсветкрй). Определить места несоответствия требованиям предъявляемым к изображению. Неотравленную медь удалять скальпелем или резаком.
Проверить геометрические размеры рисунка схемы - установка Визекс.
Геометрические размеры рисунка схемы должны соответствовать чертежу.
ФИНИШНАЯ ОТМЫВКА ОПП.
Линия финишной подготовки ВНМ 1.240.006 НС. Обезжиривание: моющее средство ОП7-ОПЮ 40-50 С, струйная промывка раствором ПВА с рециркуляцией. Струйная промывка горячей водой с рециркуляцией 40-5 0°С. Промывка ДНИ горячей деионизованной водой с применением УЗ с рециркуляцией, 40- 50°С. Сушка в установке ГСМ. Модули сушки с горячим сжатым воздухом, 50-60°С.
Сушка: шкаф сушильный ДПТМ 60-90°С. Вакуумная сушка: установка вакуумной сушки УВС-150, 90-120°С. Вакуумную сушку производить, если сопротивление изоляции не обеспечивается отмывкой.
Все операции отмывки, сушки и последующие операции проводить в х/б перчатках.
ПОДГОТОВКА ПОВЕРХНОСТИ ПОД ПАЯЛЬНУЮ МАСКУ
Подготовка поверхности плат (с покрытием медью). Проверить заготовки визуально. Не допускается: диаметр базового отверстия не соответствующий чертежу; наличие изоляционных лент; рассовмещение рисунка фотошаблона с рисунком платы. Зачистить платы. Установка фирмы Schmid Combi-scrab, кассета. Скорость конвейера 0,8 м/мин.
НАНЕСЕНИЕ ЖИДКОЙ ПАЯЛЬНОЙ МАСКИ
Нанесение жидкой паяльной маски Ozatec. Приготовить ре- зист. Поместить плату на рабочий стол установки трафаретной печати F-700. Установить трафарет. Установить ракели на вал установки. Ракели должны быть закреплены ровно, без перекоса.
Угол наклона ракелей 75 градусов. Зазор между трафаретами и платой 13-14 мм.
Скорость движения ракелей 3 м/мин. Зазор между трафаретом и ракелем 6 мм.
Нанесение резиста проводить за 1 полный цикл (проход ракеля вперед-назад).
Снять плату со стола установки. Слой резиста должен быть равномерным, без посторонних включений. Не допускается непро- крытие на рабочем поле платы.
Сушить: установка сушки, 75-80°С. Отмыть трафарет (ацетон).
ЭКСПОНИРОВАНИЕ ПАЯЛЬНОЙ МАСКИ
Протереть рабочую поверхность фотошаблона и платы. Смонтировать фотошаблоны с заготовками и закрепить кнопками. Наложить фотошаблоны эмульсионной стороной к заготовке, совместив их по базовым отверстиям.
Поместить заготовку в установку экспонирования. Режим экспонирования выбирается согласно рекомендациям фирмы- изготовителя фоторезиста. Экспонировать. Демонтировать заготовку.
ПРОЯВЛЕНИЕ ПАЯЛЬНОЙ МАСКИ
Проявление паяльной маски Ozatec LSF60. Включить установку проявления КМ-4. Установить на регуляторе скорости конвейера установки значение 6 (0,2 м/мин).
Проявить: 1% р-р Na С03, 3% р-р H2S04. Сушка: шкаф сушильный ДПТМ 3623000. Проверить качество проявления визуально. На неэкспонированных участках фоторезиста должен быть полностью удален. В случае обнаружения брака резист удаляется согласно рекомендациям фирмы Ozatec.
ДУБЛЕНИЕ ПАЯЛЬНОЙ МАСКИ
Дубление паяльной маски Ozatec. Поместить платы в нагревательный шкаф.
Включить шкаф и нагреть до заданной температуры 145±5°С. Дубить. Выключить шкаф. Открыть шкаф и остудить до комнатной температуры. Вынуть платы.
МАРКИРОВКА
Обезжирить платы (ацетон). Сушить. Поместить плату на рабочий стол установки трафаретной печати Futura F-700. Установить трафарет на установку внешней стороной к плате. На рабочей стороне трафарета рисунок должен читаться.
Совместить трафарет с рисунком печатной платы по репер- ным знакам. Раму трафарета закрепить. Установить ракели на вал установки. Ракели должны быть закреплены без перекоса, рабочая плоскость ракелей должна быть параллельна трафарету. Установить рабочие режимы. Зазор между платой и трафаретом 12-13 мм, скорость движения ракелей 4,8 м/мин. Маркировать: краска маркировочная ТНПФ84 белая. Снять плату со стола установки. Проверить качество маркировки.
Изображение должно быть четким, читаемым, равномерным, без посторонних включений. Допускается попадание краски на контактные площадки на ширину линии 250 мкм. Не допускаются непрокрытая. В случае некачественной маркировки допускается отмыть платы от краски ацетоном и повторить маркировку.
Сушить: установка сушки G-86, 60°С. Отмыть трафарет (уайт- спирт).
ОКОНЧАТЕЛЬНЫЙ ВИЗУАЛЬНЫЙ И РАЗМЕРНЫЙ КОНТРОЛЬ ПЛАТ
Контроль плат, защищенных паяльной маской, после горячего лужения. Покрытие должно быть гладким, без трещин, вспучиваний, сколов, не должно быть смещения рисунка схемы. В плате не должно быть пузырей, и расслаивания диэлектрика.
Контроль плат после оплавления. На оплавленных платах не должно быть наплывов, перемычек сплава, дающих КЗ или уменьшающих минимально допустимый зазор между элементами рисунка схемы. МБС-2.
Окончательный контроль плат на соответствие чертежу.[1,3,4]
4. Маркировка ПП, контроль и автоматизация технологического процесса изготовления ОПП
Маркировка.
Операция, заключающаяся в нанесении на поверхность ОПП специальной краской обозначений компонентов и их посадочных мест. Наносится методом трафаретной печати. Качество определяется допустимым разрешением по толщине линий (0,15 мм минимум), размером выполняемых шрифтов (1,3 мм минимум) и достигается оптимальным выбором вязкости краски и параметров сетки.
По содержанию маркировка необходима в большей степени при наладке, ремонте, визуальном контроле узлов, собранных на ОПП. Однако в малосерийном производстве, когда размещение компонентов на ОПП (особенно плотной) производится полуавтоматически или вручную, наличие маркировки существенно облегчает процедуру размещения компонентов.
Автоматизация видеоконтроля.
Методы визуального контроля позволяют выявлять не только обрывы или закоротки проводников, но также различные дефекты, связанные с локальными изменениями ширины проводников или зазоров по диэлектрику, остаточные вкрапления проводника на диэлектрике, дырки в проводниках и т.д.
Наиболее полно указанные преимущества позволяют реализовать себя в производстве однослойных печатных плат с высокой плотностью расположения элементов, поскольку в этом случае вопрос о точности воспроизведения рисунка принимает первостепенное значение. Поэтому в последние годы, в связи с повышением уровня технологии изготовления печатных плат, все большая часть объема работ по контролю выполняется с привлечением визуальных методов.
Однако с повышением сложности контролируемых плат процесс визуального контроля значительно усложняется. При контроле высокоплотных слоев оператору необходимо применять различные оптические приборы, что приводит к более быстрой утомляемости оператора, и как следствие к снижению производительности и надежности контроля. Так, если при контроле плат с проводниками шириной 300 мкм оператор пропускает меньше 5% дефектов, то при контроле плат с шириной 100 мкм эта величина уже возрастает до 50% . Наиболее отрицательно снижение достоверности контроля проявляет себя в производстве печатных плат, где требования к достоверности контроля становятся наиболее жесткими.
Таким образом, складывается ситуация, что с повышением уровня технологии производства печатных плат объем работ по визуальному контролю возрастает, а выполнять эти работы на необходимом уровне становится все труднее. Реальный путь преодоления этих противоречий - это автоматизация визуального контроля, то есть исключение из процедуры контроля оператора.
Автоматизация визуального контроля предполагает решение двух основных проблем - это формирование изображения контролируемого объекта, представление его в удобном для цифровой обработки виде и обработка этого изображения с целью выявления дефектов.
Первая из этих проблем решается в автоматизированных системах видеоконтроля с привлечением средств технического зрения, а вторая с использованием методов искусственного интеллекта.
Сложность решения первой проблемы состоит в большом разнообразии видов объектов контроля и несовершенстве их оптических характеристик.
Во втором случае основные трудности возникают в связи с необходимостью обработки больших объемов информации до 109 бит за относительно малое (порядка нескольких минут) время контроля.
Рассмотрим возможности и ограничения использования метода автоматизированного видеоконтроля в производстве печатных плат.
Обладая более высокой достоверностью и производительностью контроля системы автоматизированного видеоконтроля (АВК) сохраняют основные преимущества, которые присущи визуальным методам контроля.
В первую очередь - это возможность обнаружения дефектов, связанных с изменением размеров элементов рисунка, искажением формы и границ элементов. Это позволяет обнаруживать так называемые потенциальные дефекты в виде локальных заужений проводников или уменьшения зазоров по диэлектрику, то есть таких дефектов, которые в процессе эксплуатации могут развиться в обрывы или закоротки и привести к выходу платы из строя. Выявление таких дефектов существенно повышает надежность печатных плат.
Другим важным преимуществом методов визуального контроля, а следовательно, и систем АВК, является возможность контроля продукции на различных этапах технологического процесса, начиная от изготовления фотошаблонов и заканчивая ДПП. Они могут быть проконтролированы как после травления, то есть на этапе сформированного проводящего рисунка, так и этапе рисунка, сформированного в слое фоторезиста.
Это позволяет выявлять и устранять дефекты на ранних стадиях производства, когда экономические потери могут быть значительно меньше, чем при обнаружении брака в готовой плате.
Использование в системах АВК вычислительных средств дает возможность проводить статистическую обработку больших массивов данных, несущих информацию о дефектах. Системы АВК приобретают качественно новые свойства. Появляется возможность классификации дефектов, анализа их повторяемости и выявления на основании этих данных различных отклонений в технологическом процессе.
Визуальный принцип контроля накладывает на системы АВК ряд ограничений. Наиболее важным является то, что на системах АВК принципиально нельзя достигнуть стопроцентного выявления разрывов или закороток - дефектов катастрофического типа, приводящих к отказу платы.
Принцип работы системы АВК заключается в представлении изображения объекта контроля в некотором цифровом виде, то есть в виде массива двоичных элементов (пикселей). В этом случае отображение элементов изображения, размером сравнимым с размером пикселя, носит вероятностный характер. Вероятность обнаружения дефектов зависит от размера пикселя. Достаточно надежно выявляются дефекты, размер которых более чем в 2 - 3 раза превышает размер пикселя.
С уменьшением размера дефекта вероятность его обнаружения падает. При размерах дефекта близких к размерам пикселя вероятность его обнаружения составляет величину около 0,5. Следует отметить, что возможность уменьшения минимального размера регистрируемого дефекта за счет уменьшения размера пикселя, ограничено снижением производительности контроля, так как скорость контроля обратно пропорциональна квадрату размера пикселя.
Другим ограничением систем АВК является регистрация при контроле ложных дефектов. Одной из причин появления таких дефектов является наличие различных дефектов на поверхности объекта контроля, приводящих к неоднородности ее оптических характеристик. Это могут быть царапины, оксидные пятна на проводнике, неравномерность покрытий и т.д. Другой причиной появления ложных дефектов являются ошибки распознавания из-за несовершенства алгоритма контроля. Появление ложных дефектов приводит к тому, что во избежание отбраковки хорошего слоя, необходимо проводить верификацию, то есть просмотр оператором выявленных системой АВК дефектов, с целью уточнения их реальности. Эта процедура может привести к существенному снижению результирующей производительности системы.
Достоверность обнаружения дефектов и количество регистрируемых ложных дефектов - взаимосвязанные величины. Повышение процента выявления дефектов, например, за счет повышения разрешения или установки более жестких допусков на контролируемые параметры, неизбежно приводит к увеличению потока ложных дефектов, связанному с повышением чувствительности системы кон- I троля и, наоборот,,- любое загрубление чувствительности системы контроля с целью снижения потока ложных дефектов неизбежно приводит к снижению достоверности контроля. Оптимальное соотношение между достоверностью контроля и потоком ложных дефектов должно выбираться из условий применения системы кон- Iтроля.
В настоящее время в эксплуатации находится порядка 500 ав- I томатизированных систем оптического контроля, представляющих разработки более 20- зарубежных фирм. Из этого числа примерно 50% составляют разработки фирмы Оптротэчь - фирмы освоившей выпуск первых систем автоматизированного оптического контроля серии Вижен-104. Примерно 25% составляют системы фирмы Орбот (в настоящее время эти фирмы объединились, образовав фирму Орботех), оставшиеся 25% составляют разработки других фирм, среди которых наиболее известны Визионетикс (США), I Сантор (Франция), Мания (ФРГ), Клингенберг (ФРГ), Хитачи (Япо- I ния) и т.д.
Решающее влияние на характеристики систем АВК оказывает конструкция узла формирования изображения, то есть выбранный метод освещения объекта контроля и принцип регистрации изображения.
Наиболее часто используемый принцип формирования изображения - это использование наклонного освещения и зеркально [отраженного света.
В качестве фоточувствительных элементов применяются ли- ! нейные фоточувствительные приборы с зарядовой связью. Освещение на объект обычно передается через световодную оптическую систему, формирующую освещение узкой полосы объекта контроля, [проектируемой на линейку ПЗС, и систему инфракрасных фильтров, [предотвращающих перегрев поверхности контролируемого слоя.
В таком простом варианте оптического узла формирования изображения система контроля дает большое число псевдодефектов, связанных с наличием на поверхности объекта контроля оксидных (пятен, механических повреждений в виде царапин и т.д. Кроме этого, такие системы не могут контролировать внешние слои после оправления олова, большие трудности возникают при контроле слоев с резистом. Поэтому разработчиками оптических систем контроля в последние годы были затрачены большие усилия на создание более совершенных оптических систем.
Появились комбинированные оптические системы, работающие в зеркально и диффузионно-отраженном свете, системы, работающие на эффекте флуоресценции, системы, использующие рассеяние света в подложке, лазерные системы освещения и т.д.
Одной из основных характеристик системы АВК является ее разрешение, то есть размер минимального элемента изображения i (пикселя).
В большинстве систем АВК предусмотрена возможность варьирования разрешающей способности примерно от 5 до 30 мкм. Другой важной характеристикой системы является скорость контроля. Скорость контроля зависит от выбранного разрешения и, например, при разрешении 12,7 мкм для различных систем составляет , величину от 5 до 50 дм2/мин.
Наибольшей скоростью контроля обладает система PC-1132 фирмы Орбот -11.5 дм /мин (при разрешении 12,7 мкм).
По функциональным возможностям почти все системы уни- I версального применения, то есть предполагают возможность контроля широкого спектра материалов объектов контроля от фото- i шаблонов до внешних слоев.
Можно выделить два принципиально различных подхода к построению автоматизированных систем видеоконтроля. Первый - L это сравнение объекта контроля с некоторым эталоном. Возможны различные формы представления эталона. Это может быть либо так [называемая золотая плата,, то есть тщательно проконтролированный бездефектный слой, либо файл с описанием объекта контроля, ^генерируемый системой автоматизированного проектирования ДПП, но в любом случае эталон предполагает наличие максимально полной информации о топологии объекта контроля.
Другой подход заключается в проверке определенных наиболее важных правил, которыми руководствовались конструкторы при [проектировании платы. Например, это может быть минимально допустимый зазор по диэлектрику, номинальное значение ширины , проводника и допуск на его изменение и т.д. Типичным примером ^реализации первого подхода является система контроля Р - SEE разработка фирмы DIT-MCO, а второго подхода - система Вижен-104 фирмы Оптротэчь. Оба эти подхода имеют свои преимущества и [недостатки.
Компаторный метод контроля в принципе дает наиболее достоверные результаты контроля, однако требует для своей реализации высокоточные сканирующие системы, обеспечивающие совмещение объекта контроля и эталона. Недостатком этого метода является также необходимость наличия эталона. Определенные сложности в реализации этого метода возникают из-за проблемы допусков, то есть рисунок реальной печатной платы, в определенных пределах, может отличаться от эталона и эти отличия не должны фиксироваться как дефекты. Поэтому в своем простейшем варианте, когда поэлементно сравниваются эталонное и контролируемое изображения, компараторный метод практически не применяется.
Один из вариантов преодоления указанных ограничений реализован в системах АВК фирмы Хитачи и заключается в выделении на изображении некоторых особенностей и последующий анализ наличия этих особенностей на эталонном и контролируемом изображениях.
Основным преимуществом второго подхода - метода контроля выполнения правил конструирования (КПК) - является отсутствие эталона.
В этом случае объект контроля может с достаточно большим допуском устанавливаться на координатном устройстве и без перенастройки системы можно контролировать целый класс объектов, разработка которых проводилась по одним и тем же конструкционным правилам. Однако этот метод имеет принципиальные ограничения, заключающиеся в том, что при контроле могут быть пропущены некоторые дефекты, которые, являясь реальными дефектами для контролируемого изделия, не противоречат при этом тому набору конструкционных правил, по которому это изделие разрабатывалось. Типичным примером является закоротка между проводниками, ширина которой укладывается в допусках на размеры проводников.
Другим недостатком этого метода является его недостаточная гибкость по отношению к изменению конструкционных правил. Особенно это характерно для более ранних систем контроля, где этот метод реализовывается в основном аппаратно - это первые разработки фирмы Оптротэчь.
В последние годы появились системы, использующие так называемую гибридную технологию, где сочетаются аппаратные и программные средства реализации метода КПК, что существенно повышает гибкость системы по отношению к изменению технологии изготовления плат. Примером является система Мультивижн производство французской фирмы Сантор.
Во многих последних разработках систем видеоконтроля используется сочетание этих двух методов контроля, что позволяет реализовать преимущества каждого из этих методов.
Основные направления развития систем АВК - это повышение производительности и надежности контроля, повышение разрешающей способности, снижение степени влияния качества поверхности объекта контроля на результаты контроля. [1,3,4]
5. Описание технологического оборудования
Автоматизированная система измерений и контроля GAM 820
Описание
Камера: Цветная CCD камера высокого разрешения
Увеличение: 50Х
Максимальный размер заготовки: 500420 мм
Габаритные размеры (ШхГхВ): 130011301150 мм
Сушильный шкаф серии ON
Описание:
Температура нагрева до 250 0С
Цифровой контроллер
Таймер на включение/выключение
Полки, регулируемые по высоте
Естественная конвекция
Обзорное окно (опционально)
Камерная установка струйного проявления SPLASH
Описание:
Профессиональная установка для струйного травления для высококачественного производства одно- и двухсторонних печатных плат. Может быть также использована для проявкифоторезистаипаяльной маски(с применением пеногасителя).
· Скорость травления – 35 мкм меди за 90 сек. (при свежем и подогретом растворе FeCl3).
· Максимальный размер платы – 210 х 300 мм
· Подходит для всех известных растворов
· Надежный нагреватель мощностью 1000 Вт с термостатом и предохранителем
Установка снятия заусенцев и механической подготовки поверхности. Зачистная машина RBM402
Описание:
Профессиональная зачистная машина, специально разработанная для прототипного и мелкосерийного производства печатных плат.
Особенности:
· настольное исполнение
· двухсторонняя обработка материалов
· конструкция выполнена из нержавеющей стали, алюминия и пластика
· прозрачная верхняя крышка позволяет следить за процессом обработки, а встроенный конечный выключатель не позволяет эксплуатировать установку с открытой крышкой
· рабочая ширина обработки 400 мм
· толщина обрабатываемого материала от 0,3 мм до 5 мм
Автоматическая установка экспонирования EXPOMAT AEX II
Описание:
Автоматическая высокоточная установка экспонирования с автоматическим оптическим совмещением по реперным знакам для внутренних, внешних слоев и паяльной маски.
Компактная прецизионная установка. Занимает место размером: 2480х1260 мм.
• Двустороннее оптическое совмещение по реперным знакам с использованием 2-х или 4-х подвижных видеокамер;
• Двустороннее экспонирование паяльной маски, внешних и внутренних слоев в одной машине без необходимости перенастройки;
• Точность совмещения ± 5 мкм;
• Точность позиционирования ± 2 мкм;
• Повторяемость ± 2 мкм;
• Смена задания 1 мин;
• Статистический контроль процесса с выводом результатов измерений совмещения и деформации фотошаблона;
Сверлильно-фрезерный станок CNC-1
Mape CNC-1 - это модульная сверлильно-фрезерная установка с числовым программным обеспечением, используемая для сверления и фрезерования печатных плат. [2]
Выводы:
1. Ознакомился с литературой по теме курсового проекта.
2. Ознакомился с основными и вспомогательными технологическими операциями и типовым оборудованием.
3. Составил технологический маршрут «изготовления однослойных печатных плат субтрактивным методом с использованием металлорезиста олово – свинец.
Список используемой литературы:
1. Методическое руководство «Технологические процессы изготовления однослойных печатных плат»
2. http://www.ostec-st.ru/pcb/catalogue/
3. А.Медведев «Печатные платы. Конструкции и материалы».
4. А.Медведев «Технология производства печатных плат».