Растровые системы прорисовки фотошаблонов для
advertisement
Растровые системы прорисовки прецизионных печатных плат фотошаблонов для Городов Владимир, gorodov@elserv.ru. Широкое применение растровых фотоплоттеров в полиграфии породило появление множества конструкций, призванных решать те или иные задачи. Целью этой статьи является попытка проанализировать различные конструкции фотоплоттеров с точки зрения производства печатных плат по высоким проектным нормам. Введение Операция изготовления фотошаблонов является ключевой в процессе производства печатных плат, т.к. все погрешности фотошаблонов переносятся на топологию платы. Изготовление фотооригиналов для последующего тиражирования рабочих фотошаблонов уже ушло в прошлое. Так как благодаря высокой производительности оборудования стало возможным изготавливать рабочие фотошаблоны. В данный момент на рынке присутствует множество фотоплоттеров, позиционируемых для производства печатных плат, имеющих различные конструктивные решения. Что предлагается? В современном производстве печатных плат уже давно не используются векторные фотоплоттеры (как и фотонаборные машины) ввиду их низкой производительности и высокой стоимости. Поэтому для современного производства остается актуальным только растровый метод засветки. В этом методе рисунок формируется элементарным пятном сфокусированного источника света. Размер данного пятна является одной из самых важных характеристик растровых фотоплоттеров, эта характеристика называется разрешением фотоплоттера. Для формирования топологии фотошаблона необходимо обеспечить горизонтальную и вертикальную развертку луча. Точность механизмов, обеспечивающих эти развертки, в значительной степени сказывается на качестве конечного результата. Рассмотрим существующие компоновки фотоплоттеров, используемых в производстве печатных плат. Планшетные фотоплоттеры Рис. 1. Схема планшетного фотоплоттера 1 – траектория движения каретки; 2 и 3 – люфт при смене направления движения. В случае планшетной компоновки, построенной на основе принципа работы векторных фотоплоттеров, засветка поля фотошаблона осуществляется за счет последовательного перемещения головки с лазером или матрицы расщепленного луча лазера. Как правило, сканирование рабочего поля осуществляется так, как показано на рисунке 1. 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, так как, как правило используется шарико-винтовая передача. Для обеспечения точности позиционирования, и, как следствие, и точности фотошаблонов, в этом типе плоттеров очень важную роль играет система привода каретки или рабочего стола, а также измерительная система, дающая возможность корректирования их положения. Все это делает планшетные фотоплоттеры дорогостоящим оборудованием, при этом их производительность невысока. Следует учесть, что в некоторых планшетных фотоплоттерах засветка производится через стекло, что не благоприятно влияет на её качество. Однако, нельзя не отметить возможность получения хороших результатов использования данного вида фотоплоттеров при обработке фотошаблонов на жестких носителях, например, на стекле. Протяжные фотоплоттеры X 1 Y 2 1 3 2 Рис. 2. Протяжный фотоплоттер 1 – ролики, протягивающие носитель информации; 2 – носитель изображения – фотошаблон; 3 – сканирующий модулируемый луч лазера. Принцип работы этого фотоплоттера можно сравнить с принципом 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. Так как источник света является единственным и неподвижным, а луч света, производимый источником, меняет свое направление, на фотопленке возникает эффект паралакса. Данный недостаток может быть программно компенсирован, при этом обеспечивается равномерность топологии рисунка. Данный тип фотоплоттеров вносит ряд дополнительных погрешностей формы: трапецевидность формы, а также сдвиг одной строки относительно другой. Эти погрешности вызываются проскальзыванием роликов по пленке и неравномерностью движения пленки по конвейеру. Также следует отметить, что при перемещении фотопленка испытывает деформации (растяжения/сжатия), что так же может влиять на точность фотошаблонов. Все это ограничивает применение данного типа фотоплоттеров для производства фотошаблонов, но при этом возможно изготовление фотошаблонов для несложных печатных плат. Барабанный фотоплоттер Y 2 1 X 3 4 5 Рис. 3. Барабанный фотоплоттер 1 – вращающийся барабан; 2 – фотопленка, закрепленная на барабане; 3 – привод головки излучателя. 4 и 5 – сцепление гайки с винтом, при движении в одну сторону люфт выбран Данная компоновка фотоплоттеров является наиболее простой в реализации: фотопленка закрепляется на барабане с помощью вакуума, подаваемого в пазы барабана. После этого барабан раскручивается до определенной частоты. Частота вращения барабана очень точно поддерживается с помощью системы управления с обратной связью. После этого каретка с одним или несколькими источниками света начинает перемещаться по оси Y. По программе 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 её низкая скорость перемещения позволяет использовать стандартную передачу винт-гайка с трапецевидной резьбой. Как видно из рис. 3. 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 этом типе фотоплоттеров в качестве источников излучения используется лазеры, т.к. они позволяют легко сфокусировать луч и имеют возможность менять направление с высокой скоростью. "Внутренний" барабан Y 1 X 3 2 4 5 Рис. 4. "Внутренний" барабан 1 – излучатель; 2 – оптическая призма с зеркалом; 3 – Модулированный луч, засвечивающий фотопленку 5; 4 – привод вращения призмы; 5 – фотопленка. Технология "внутреннего" барабана широко используется в типографских фотоплоттерах в силу большей простоты автоматизации процесса загрузки фотопленки из рулона. Суть этой компоновки заключается в замене вращающегося барабана на вращающуюся оптическую призму с зеркалом внутри барабана. Развертка по оси Х осуществляется за счет вращения призмы с зеркалом. Перемещение всего механизма (системы привода призмы) обеспечивает развертку по оси Y. Замена массивного барабана на легкую оптическую призму позволяет достигать большей частоты вращения и следовательно производительности [3], но меньшая инерционность системы, вопреки ожиданиям, не дает повышения точности поддержания частоты вращения. Однако, такую конструкцию сложно назвать простой: высокоточная призма вращается на герметичном воздушном подшипнике (т.е. еще необходимо обеспечить фокусировку луча на внутренней поверхности барабана), для обеспечения синхронности, требуется передача движения, обеспечивающая большие скорости перемещения. Это заставляет производителей применять шарико-винтовую пару или даже дорогостоящие линейные приводы со следящей системой. Наличие сложной оптики, и размещение подвижных элементов внутри барабана может потребовать дополнительные затраты на обслуживание и настройку. Разрешение Разрешение фотоплоттера является наиболее важной характеристикой, определяющей качество фотошаблона. Как правило, разрешение определяется типом используемого лазера и возможностями оптической системы. Для определения разрешения используется величина, равная отношению количества точек на 1 дюйм (обозначается "dpi"), пришедшее из полиграфии. В таблице 1. приведен перевод наиболее распространенных величин разрешений в размер точки [1]. Таблица 1. Размер точки в зависимости от разрешения. Разрешение, dpi Размер точки, мкм 2000 12,7 4000 6,3 6000 4,2 8000 3,2 16000 1,6 Как правило, ширина минимально воспроизводимой линии должна содержать 4 элементарных точки. Для снижения эффекта "волнистого края" тонких проводников засветка фотопленки производится с шагом, меньшим, чем размер точки (рис. 5.). Однако, это приводит к снижению производительности и для этого требуется точная система позиционирования каретки (с точностью позиционирования меньшей чем размер точки). Рис. 5. Снижение эффекта "волнистого края" Следует отметить, что разные компоновки фотоплоттеров диктуют свои требования к системе засветки фотопленки. Например, в планшетных фотоплоттерах для получения нормальной производительности используется матрица расщепленного луча лазера, качество и характеристики которой определяют разрешение системы. Как правило, эти матрицы являются сложными и дорогостоящими оптическими системами. В барабанных фотоплоттерах засветка может производится несколькими лучами лазера одновременно (для повышения производительности), тогда как в фотоплоттерах с внутренним барабаном луч может быть только один. Точность Многие забывают, что для получения конечного результата – качественного фотошаблона высокого разрешения фотоплоттера бывает недостаточно. На качество фотошаблонов сильно влияет точность системы позиционирования каретки (или стола в зависимости от схемы перемещения пленки). Что бы не получилось таких проводников как на рис. 6, точность позиционирования должна соизмерима с разрешением фотоплоттера. Например невозможно изготовить проводники шириной 10 мкм (разрешение 16000dpi) с точностью позиционирования ± 10 мкм. Рис. 6. Гипотетический случай отрисовки проводника фотоплоттером с высоким разрешением и низкой точностью позиционирования. В первую очередь точность позиционирования определяется качеством изготовления ходовых деталей фотоплоттеров (например, винта в передаче винт-гайка или шарико-винтовой паре). Но и компоновка фотоплоттера накладывает свой отпечаток, например, 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. На рис. 1 приведена утрированная схема выборки зазоров в случае движения в разные стороны. Ситуация осложняется тем, что движение является неравномерным, и следовательно требуется более сложная системы управления что неблагоприятно сказывается на стоимости оборудования. Протяжные фотоплоттеры в силу конструктивных особенностей вносят дополнительные погрешности формы, такие как трапецевидность или сдвиг. Это происходит из-за проскальзывания роликов по фотопленке. Использование специальных материалов роликов позволяет снизить этот 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 является равномерным и имеет одно направление. Такой характер движения позволяет значительно упростить систему управления и конструкцию фотоплоттера. Т.к. погрешности изготовления деталей, вносят в конечный результат систематические погрешности, их можно минимизировать с помощью общеизвестных математических алгоритмов и программного обеспечения. Например, в барабанных фотоплоттерах фирмы Slec для этой цели используются математическая модель "резиновый лист" [4], для внесения предыскажений в программы изготовления фотошаблонов. При этом конечный 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. Использование вращающегося барабана позволило разместить на каретке несколько расщепленных лучей лазера с длинной волны 632,8 нм (например, 8 лучей для модели 5088A, рис. 7), а низкая скорость перемещения каретки — использовать передачу винт-гайка, простую в обслуживании и надежную в работе. При этом производительность осталась на требуемом уровне, так, например, фотоплоттер 5088A позволяет засветить фотошаблон с высоким разрешением (8000 dpi) всего за 20 минут. Все эти достоинства сделали фотоплоттеры фирмы Slec доминирующими на азиатском рынке оборудования и очень популярными в России. Что нас окружает Изменение параметров окружающей среды (влажности и температуры) в значительной мере влияет на размерную стабильность фотошаблонов. Для обеспечения совмещения элементов топологии многослойных печатных плат необходимо проводить операции засветки, химической обработки фотошаблонов (проявление, фиксаж) и экспонирования заготовок печатных плат в одинаковых условиях, т.е. при одинаковых значениях температуры и влажности. Именно поэтому не рекомендуется размещать фотоплоттер и проявочный процессор в одном помещении. Следует учитывать, что влажность в упаковке фотопленки и в помещении может быть различна, поэтому перед экспонированием фотопленка должна вылежаться в помещении в течение 30 минут для одной пленки или 6 часов в случае стопки фотопленок. Отдельное внимание следует уделять хранению готовых фотошаблонов, для этого обычно используются термо- и влагостабилизированные шкафы. Многие считают, что химическая обработка фотопленки ведет к изменениям формы в то время как технология прямого выжигания эмульсионного слоя лазером лишена этого. Однако, энергия, используемая при выжигании, во много раз больше, чем при засветке, это ведет к нагреву и локальным искажениям фотопленки, в то время как усадка фотошаблона после химической обработки равномерна по всему полю, и в случае необходимости может быть скомпенсирована (с использованием математических моделей упомянутых ранее). Не следует забывать, 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 использованы специальные адгезивные ролики или конвейерные установки. Проблему запыленности в помещении невозможно решить с помощью локальной фильтрации, т.к. 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 т.ч. с внутренним барабаном) фотоплоттеры позволяют выполнять фотошаблоны по высоким проектным нормам. Однако способ привода источника света определяет сложность конструкции и системы управления для достижения необходимых параметров точности. Поэтому при равных технических возможностях фотоплоттеры с разными компоновками могут значительно отличаться по стоимости. В статье показано, что барабанные фотоплоттеры имеют возможность изготовления фотошаблонов с высокой точностью и высоким разрешением. А использование недорогих и более надежных компонентов, снижает затраты на обслуживание и настройку. Следовательно "стоимость владения" [5] этим типом фотоплоттеров (капитальная стоимость и стоимость обслуживания) значительно меньше чем у других конструкций. А это означает что с их помощью можно выпускать высокоточные печатные платы с меньшей себестоимостью. Список используемой литературы 1. А. Медведев. Принципы прорисовки фотошаблонов. — Производство электроники, 5/2005 г. 2. С. Бурденко. Оптимизация затрат при изготовлении фотошаблонов для печатных плат. — Производство электроники, 4/2005 г. 3. В. Зипунников. С. Федоров. Новый фотоплоттер с внутренним барабаном на российском рынке. — Производство электроники, 1/2005 г. 4. D. Watson. Contouring: A Guide to the Analysis and Display of Spatial Data. — Elsevier Science, New York, 1994 y. 5. Ш. Далтон. Определение истинной стоимости основного оборудования. — Производство электроники, 5/2005 г.
