АНАЛИЗ РАСТРОВЫХ СИСТЕМ ПРОРИСОВКИ ФОТОШАБЛОНОВ ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Аннотация

Захарченко К. С., Чередникова О. Ю., Достлев Ю. С. Анализ растровых систем прорисовки фотошаблонов для прецизионных печатных плат. В данной статьи проанализированы различные конструкции фотоплоттеров с точки зрения производства печатных плат по высоким проектным нормам. Широкое применение растровых фотоплоттеров в полиграфии привело к появлению множества конструкций, призванных решать те или иные задачи.

Ключевые слова: печатная плата, фотоплоттер, фотошаблон, разрешение, система.

Введение

Операция изготовления фотошаблонов является ключевой в процессе производства печатных плат, поскольку все погрешности фотошаблонов переносятся на топологию платы. Изготовление фото-оригиналов для последующего тиражирования рабочих фотошаблонов осталось в прошлом. И сегодня благодаря высокой производительности оборудования существует возможность изготавливать рабочие фотошаблоны. В данный момент на рынке присутствует множество фотоплоттеров, позиционируемых для производства печатных плат и имеющих различные конструктивные решения. В современном производстве печатных плат уже давно не используются векторные фотоплоттеры (как и фотонаборные машины) ввиду их низкой производительности и высокой стоимости. Поэтому актуальным является растровый метод засветки. В этом методе рисунок формируется элементарным пятном сфокусированного источника света. Для формирования топологии фотошаблона выполняется горизонтальная и вертикальная развертка луча. Точность механизмов, обеспечивающих эти развертки, в значительной степени сказывается на качестве конечного результата.

Рассмотрим существующие типы фотоплоттеров, используемые при производстве печатных плат.

Виды фотоплоттеров

Работа планшетного фотоплоттера основана на векторном принципе, при котором засветка поля фотошаблона осуществляется за счет последовательного перемещения головки с лазером или матрицы расщепленного луча лазера. Обычно сканирование рабочего поля осуществляется «змейкой». Сканирующие движения не являются равномерными. Ускорения и торможения движения головки в конечных точках, а также смена направления движения приводит к дополнительным погрешностям позиционирования.

Кроме того, погрешности позиционирования могут быть вызваны выборкой зазоров в передаче перемещения, поскольку, как правило, используется шарико-винтовая передача. Для обеспечения точности позиционирования, и, как следствие, точности фотошаблонов в этом типе плоттеров очень важную роль играет система привода каретки или рабочего стола, а также измерительная система, предоставляющая возможность корректирования их положения. Все это делает планшетные фотоплоттеры дорогостоящим оборудованием, к тому же не отличающимся высокой производительностью. В некоторых планшетных фотоплоттерах засветка производится через стекло, что неблагоприятно влияет на ее качество. Однако данный вид фотоплоттеров позволяет добиться хороших результатов при обработке фотошаблонов на жестких носителях, например на стекле.

Принцип работы протяжного фотоплоттера подобен принципу работы офисного принтера. Фотопленка равномерно движется по роликам конвейера фотоплоттера, и с помощью вращающихся призм с зеркалами производится последовательное отклонение засвечивающего луча, обеспечивающее вертикальную развертку. Т.к. источник света является единственным и неподвижным, а луч света, производимый источником, меняет свое направление, на фотопленке возникает эффект параллакса. Данный недостаток может быть программно компенсирован при одновременном обеспечении равномерности топологии рисунка. В протяжных фотоплоттерах есть дополнительные погрешности формы, такие как трапециевидность формы и сдвиг одной строки относительно другой. Такие погрешности вызваны проскальзыванием роликов по пленке и неравномерностью движения пленки по конвейеру. Кроме того, при перемещении фотопленка испытывает деформации (растяжения/сжатия), что тоже оказывает влияние на точность фотошаблонов. Все это ограничивает применение данного типа фотоплоттеров для производства фотошаблонов, однако возможно изготовление фотошаблонов для несложных печатных плат.

Барабанный тип фотоплоттеров является наиболее простым в реализации: фотопленка закрепляется на барабане с помощью вакуума, подаваемого в пазы барабана. Затем барабан раскручивается до определенной частоты, которая очень точно поддерживается с помощью системы управления с обратной связью. После этого каретка с одним или несколькими источниками света начинает перемещаться по оси Y. В соответствии с программой производится засветка точек растра на фотошаблоне. За один оборот барабана засвечивается одна или несколько строк (в зависимости от количества источников света на каретке). Диаметр и длина барабана определяет формат фотошаблона, а частота вращения — производительность. Следует отметить, что засветка производится за один проход каретки, а ее низкая скорость перемещения позволяет использовать стандартную «передачу винт-гайка» с трапециевидной резьбой. В начале движения (до начала рабочего хода) производится выборка зазоров в передаче, и в дальнейшем эти зазоры не влияют на точность позиционирования. Все это упрощает конструкцию фотоплоттера, делая его недорогим и точным решением для изготовления фотошаблонов. Как правило, в указанном типе фотоплоттеров в качестве источников излучения используются лазеры, так как они позволяют легко сфокусировать луч и могут менять направление с высокой скоростью.

Основные характеристики фотоплоттеров

Разрешение фотоплоттера является наиболее важной характеристикой, определяющей качество фотошаблона. Как правило, разрешение обусловливается типом лазера и возможностями оптической системы. Для определения разрешения используется величина, равная отношению количества точек на 1 дюйм (обозначается dpi), пришедшая из полиграфии. В табл. 1 приведен перевод наиболее распространенных величин разрешений в размер точки [1]. Обычно ширина минимально воспроизводимой линии содержит четыре элементарных точки.

Для снижения эффекта «волнистого края» тонких проводников засветка фотопленки производится с шагом, меньшим, чем размер точки. Однако это приводит к снижению производительности, а потому требуется точная система позиционирования каретки (с точностью позиционирования, меньшей размера точки).

Для получения конечного результата — качественного фотошаблона - не всегда достаточно высокого разрешения фотоплоттера. Значительное влияние оказывает точность системы позиционирования каретки (или стола, в зависимости от схемы перемещения пленки) [2].

Для получения качественных проводников точность позиционирования должна быть соизмерима с разрешением фотоплоттера. Например, невозможно изготовить проводники шириной 10 мкм (разрешение 16 000 dpi) с точностью позиционирования ± 10 мкм.

В первую очередь точность позиционирования определяется качеством изготовления ходовых деталей фотоплоттеров. Но и компоновка фотоплоттера накладывает свой отпечаток. В планшетных фотоплоттерах требуется большая скорость перемещения, вынуждающая производителей использовать ШВП или дорогостоящие линейные приводы. А сканирующий характер движения приводит к дополнительному влиянию зазоров в передаче движения на точность позиционирования. Ситуация осложняется тем, что движение является неравномерным, и, следовательно, необходима более сложная система управления, а это неблагоприятно сказывается на стоимости оборудования.

Протяжные фотоплоттеры в силу конструктивных особенностей вносят дополнительные погрешности формы, такие как трапециевидность или сдвиг. Это происходит из-за проскальзывания роликов по фотопленке. Использование специальных материалов роликов позволяет снизить подобный эффект, но суммарная точность остается недостаточной для производства фотошаблонов прецизионных печатных плат.

В барабанных фотоплоттерах на точность позиционирования влияет только точность изготовления элементов передачи и возможность регулировки элементов привода. Это связано с тем, что движение происходит равномерно и имеет одно направление. Такой характер движения позволяет значительно упростить систему управления и конструкцию фотоплоттера.

Поскольку погрешности изготовления деталей вносят в конечный результат систематические погрешности, их можно минимизировать с помощью общеизвестных математических алгоритмов и программного обеспечения. При этом пользователь может легко изменить параметры модели (смещения в узловых точках) на основе измерений тестового фотошаблона, что позволяет обеспечивать высокую точность засветки и компенсировать естественный износ движущихся частей на протяжении всего периода эксплуатации. Применение вращающегося барабана позволило разместить на каретке несколько расщепленных лучей лазера с длиной волны 632,8 нм, а низкая скорость перемещения каретки — использовать «передачу винт-гайка», простую в обслуживании и надежную в работе [3]. При этом производительность сохранилась на требуемом уровне.

Также следует учитывать тот факт, что наличие частиц в воздухе приводит к дополнительным дефектам на фотошаблонах. Обычно серебросодержащие фотопленки электростатически не притягивают частицы (в отличие от пленок, используемых при выжигании), и для удаления пыли с них могут быть применены специальные адгезивные ролики или конвейерные установки. Проблему запыленности в помещении невозможно решить с помощью локальной фильтрации, так как при пропускании через фильтры создается дополнительная циркуляция воздуха, поднимающая более тяжелые частицы с поверхностей. Для удаления микрочастиц в чистых комнатах очищенный воздух подается потоком сверху вниз, а все фильтры вынесены за пределы помещения.

Заключение

В заключение хочется отметить, что планшетные, барабанные (в том числе с внутренним барабаном) фотоплоттеры позволяют выполнять фотошаблоны по высоким проектным нормам. Однако способ привода источника света определяет сложность конструкции и системы управления, предназначенной для достижения необходимых параметров точности. Поэтому при равных технических возможностях фотоплоттеры с разными компоновками могут значительно отличаться по стоимости. На барабанных фотоплоттерах изготавливаются фотошаблоны с высокой точностью и высоким разрешением. А использование недорогих и более надежных компонентов снижает затраты на обслуживание и настройку. Следовательно, стоимость владения этим типом фотоплоттеров (капитальная стоимость и стоимость обслуживания) значительно меньше, чем у других конструкций [4]. А это означает, что с их помощью можно выпускать высокоточные печатные платы с меньшей себестоимостью.

Список использованной литературы

1. Принципы прорисовки фотошаблонов [Текст] / Медведев А. // Производство электроники. – 2005. – № 5.
2. Оптимизация затрат при изготовлении фотошаблонов для печатных плат [Текст] / Бурденко С. // Производство электроники. – 2005. – № 4.
3. Новый фотоплоттер с внутренним барабаном на российском рынке [Текст] / Зипунников В., Федоров С. // Производство электроники. – 2005. – № 1.
4. Watson, David F. Contouring: a Guide to the Analysis and Display of Spatial Data : with Programs On Diskette. 1st ed., 4th impr. Oxford: Pergamon press, 1999.