Schulungsblätter | PDF

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Schulungsblätter
für die
Leiterplattenfertigung
herausgegeben vom Fachausschuß „Leiterplattenfertigung (FA 5.2) im
GMM-Fachbereich „Leiterplatten- und Baugruppentechnik“ (FB5)
Frankfurt a.M. im Mai 1999
VDE/VDI-SCHULUNGSBLÄTTER FÜR DIE LEITERPLATTENFERTIGUNG
Inhalt
VDE/VDI
3711
Seite 1
Inhalt
Vorwort
Dank an die Autoren
Blatt 1
Die Leiterplatte
Geschichtliche Entwicklung und Zukunftsprognosen; allgemeine
Fertigungsabläufe
Blatt 2
Basismaterialien für Leiterplatten
Starre, starrflexible, flexible und Mehrlagenmaterialien;
Eigenschaftsmerkmale
Mechanische Bearbeitung
Blatt 3.1
Bohren
Blatt 3.2
Fräsen
Blatt 3.3
Ritzen
Blatt 3.4
Stanzen
Chemische und galvanische Verfahren
Blatt 4.1
Bohrlochreinigung und Durchkontaktierung
Blatt 4.2
Ätzen und Beizen
Blatt 4.3
Galvanische Verfahren
Blatt 4.4
Metallresiststrippen
Blatt 4.5
Oxidation von Kupfer
Blatt 4.6
Löt- und bondfähige Nickel/Gold-Endschichten
Blatt 4.7
Fotoresiststrippen
Blatt 4.8
Spültechnik
Inhalt
VDE/VDI
3711
Seite 2
Drucktechnische Verfahren
Blatt 5.1
Fototools
Blatt 5.2
Siebdruck
Blatt 5.3
Fotodruck mit Trockenfilmresists;Trockenfilm-Lötstoppmaske
Blatt 5.4
Fotodruck mit Trockenfilm- oder Flüssigresist
Blatt 5.5
Fotodruck mit Flüssigresists, Lötstoppmaske
Blatt 6
Verfahren zur Erhaltung der Lötbarkeit
Blatt 7
Leiterplatte und Umwelt
Begriffsbestimmungen für die Leiterplattenfertigung
Vorwort
VDE/VDI
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Seite 1
Vorwort
Die Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens, gespiegelt am Bedarf des
Marktes nach neuen leistungsfähigeren Erzeugnissen mit immer kürzeren
Produktlebenszyklen und geringerem Kostenaufwand, ist eine der wesentlichen Triebkräfte
auch für den technologischen Fortschritt in der elektronischen Baugruppenfertigung.
Als elektronische Baugruppe wird eine funktionelle Einheit aus integrierten und/oder
diskreten aktiven und passiven Bauelementen definiert, die durch ein Leitungsnetzwerk auf
einem geeigneten Träger - dem sogenannten Verdrahtungsträger - elektrisch und
mechanisch miteinander verbunden sind. Im Rahmen der vorliegenden Schulungsblätter
wird die Leiterplatte als Verdrahtungsträger betrachtet.
Die Leiterplatte in dieser klassischen Form ist durch das Aufbauprinzip der
Funktionenintegration gekennzeichnet, was nichts anderes bedeutet, daß ein Dielektrikum
mit bzw. ohne Verstärkung die elektrische und mechanische Funktion tragen muß.
Dieses klassische Aufbauprinzip der Leiterplatte führte dazu, die ständig zunehmende
funktionelle Komplexität elektronischer Systeme durch quantitative Veränderungen
(Verkleinerung, Vervielfachung) zu realisieren. Steigende Lagenzahlen, Feinstleitertechnik,
kleinste Löcher, Materialien mit hoher Glasumwandlungstemperatur sind Ausdruck dieser
Entwicklung. Auch mit diesen quantitativen Veränderungen erreicht man funktionelle
Systemgrenzen. Es müssen folglich für modenste Elektronikerzeugnisse neue LeiterplattenAufbauprinzipien entwickelt werden. Diese sind nur durch Modularisierung der
Funktionsebenen realisierbar (Prinzip der Funktionentrennnung). Damit können
beispielsweise ein elektrischer und ein optischer Verdrahtungsträger separat gefertigt,
geprüft und z.B. über einen Laminierschritt zur optoelektronischen Leiterplattenstruktur
zusammengefügt werden.
Dementsprechend ist der Weg für die Leiterplatte als Verdrahtungsträger für elektronische
Komponenten seit ihrer Erfindung in den 40er Jahren. von der funktionell relativ
anspruchslosen Einlagen-Leiterplatte (EL) bis zu heute funktionell hoch spezifizierten
Mehrlagen-Leiterplatte (MLL) bzw. Multilayer in starrer und flexibler Form bzw. gespritzter
3D-Konfiguration (MID) gekennzeichnet.
In Vorbereitung der Entwicklung neuer Erzeugnisse ist stets auch die Frage nach
technischer Leistungsfähigkeit, Kosten und Betriebszuverlässigkeit zu beantworten. Die
vorliegenden Schulungsblätter sollen hierbei Unterstützung leisten.
Nach dem neuesten Stand der Technik werden dafür das Vormaterial für Leiterplatten, die
Leiterplattenkonstruktion sowie die etablierten Fertigungstechniken, zum einen für die
Metallisierung zur Ausbildung der Verdrahtung, zum anderen auch für darauf aufbauende
funktionelle Oberflächenschichten, Qualitätssicherung, Verpackung, Fehleranalytik und
Ökologie gegenwärtig behandelt.
Vorwort
VDE/VDI
3711
Seite 2
Wirtschaftlichkeit und Ausbeute der einzelnen Verfahrensschritte werden gleichzeitig
berücksichtigt. Die Verfahrensblätter vermitteln damit die notwendigen Grundkenntnisse zur
Leiterplattentechnik sowie zu den erforderlichen Verfahren und Ausrüstungen.
Für die Fortführung und weitere Bearbeitung der Schulungsblätter bitten wir Sie Anregungen
und Ergänzungswünsche an folgende Adresse zu übermitteln:
VDE/VDI - Gesellschaft
Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik (GMM)
Geschäftsführung
Stresemannallee 15
60596 Frankfurt/M.
Tel.:069/6308-330
Fax:069/631-2925
Prof. Dr. W. Scheel
Berlin, den 29.10.98
Dank an die Autoren
VDE/VDI
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Seite 1
Dank an die Autoren
Die Berufe in der Leiterplattenfertigung werden mit der technologischen Weiterentwicklung
anspruchsvoller und die Mitarbeiter, die diese Berufe ausfüllen müssen diesem Anspruch
folgen. Dabei genügt es nicht mehr mit einem einmal erworbenen “Vorratswissen“ das
Berufsleben zu meistern. Die stetige Weiterbildung und Vertiefung der Fachkenntnisse für
die gesamte berufliche Tätigkeit ist erforderlich.
Das waren die wesentlichen Gründe dafür, daß der Fachausschuß 5.2 den Entschluß faßte,
“Schulungsblätter für die Leiterplattenfertigung“ zu verfassen. Die Schulungsblätter sollen
dem neuen Mitarbeiter eine Basis für die Einarbeitung bieten und dem langjährigen
Mitarbeiter zur Auffrischung und als Vertiefung von erarbeitetem Wissen dienen.
Allen Mitarbeitern des Fachausschusses 5.2 danke ich für den engagierten Einsatz und für
die geleistete Arbeit bei der Erstellung der Schlulungsblätter.
Velbert, im Mai 1999
Wolfgang Grönig, Arden Verfahrenstechnik
Leiter des GMM-FA 5.2
Mitarbeiter des FA 5.2
Dipl.-Ing. H. Cichoreck
Dipl.-Ing. H. Claus
Dipl.-Ing. R. Dietrich
Dipl.-Ing. B. Gerlach
Dr. B. Hartmann
Dir. H. Hartmann
Dipl.-Ing. P. Hensel
Dipl.-Ing. H. Kern
Ing. G. Korsten
Dr. G. Linka
Dipl.-Ing. E.R. Mais
K. Maurischat
Dr. Ing. A. Obermann
Dipl.-Ing. W. Peters
Ing. K. Piper
Prof. Dr.-Ing. W. Scheel
J. Skrypczinski
Dipl.-Ing. D. Voss
M. Weinhold
Dipl.-Ing. D. G. Weiss
Dr. K. Wundt
ISOLA-Werke AG, Düren
Umteco GmbH, Siegen
Lackwerke Peters GmbH + Co KG, Kempen
Schmoll Maschinen GmbH, Rödermark
Humleitec GmbH, Hattorf
ISOLA-Werke AG, Düren
B&B Leiterplattentechnik GmbH, Heiligenhaus
FELA Electronic AG, Thundorf
Korsten Produktions GmbH, Haan
ATOTECH Electronics, Berlin
Heidenhain-Microprint GmbH, Berlin
Klaus Maurischat Consulting, Staufen
Ruwel Bayonne SA, Bayonne Cedex, Frankreich
Lackwerke Peters GmbH + Co KG, Kempen
Circuit Foil S.A., Wiltz, Luxemburg
Fraunhofer-Institut Berlin, Berlin
Andreas Maier GmbH, Schwendi-Hörenhausen
Unternehmensberatung, Annaberg-Buchholz
DuPont de Nemours International S.A., Saconnex, Genf, Schweiz
Dielectra GmbH, Köln
Multiline International Europa L.P., Friedrichsdorf
Besonderer Dank für die Unterstützung gilt auch Dipl.-Ing. Rainer Theobald, VDE/VDI Gesellschaft Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik (GMM), Frankfurt/M.
Geschichtliche Entwicklung und Zukunftsprognosen;
allgemeine Fertigungsabläufe;
Begriffsbestimmungen
Die Leiterplatte
VDE/VDI
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Blatt 1
Seite 1
Was ist eine Leiterplatte?
Auf diese Frage wird schon mal scherzhaft geantwortet: „Ein Brett mit Löchern“
Aber was ist nun eine Leiterplatte?
Wenn man den „Großen Brockhaus“ befragt, dann lautet die Definition schlicht und einfach:
„Leiterplatte, eine mit Leitungen belegte Isolierstoffplatte“, (siehe „Gedruckte Schaltung“). Mit
einem „Pfeil“ wird im Brockhaus dann auf den älteren Begriff „Gedruckte Schaltung“ hingewiesen und in der Tat kann man dann hier etwas mehr zum Stichwort „Leiterplatte“ nachlesen.
Wesentlich exakter ist die Definition „Leiterplatte“ laut der soeben erschienenen VDI/VDERichtlinie 3710, Blatt 1: „Fertigung von Leiterplatten; Übersicht und Begriffsbestimmungen“.
Hier lautet die Definition:
„Die Leiterplatte ist das am häufigsten eingesetzte Verbindungselement für elektronische
Bauteile. Sie ist gekennzeichnet durch elektrisch leitende, festhaftende Verbindungen in
oder auf einem Isolierstoff und dient zusätzlich als Bauteileträger. Es können Informationen
für Montage, Prüfung und Service aufgedruckt werden.
Technische Anforderungen und die Wirtschaftlichkeit bestimmen die verschiedenen Ausführungen der Leiterplatte.“
Zahlreich sind weitere Definitionen zum Thema „Leiterplatte“ bzw. „Zur Einführung in den
Schaltungsdruck“. Stellvertretend für solche Definitionen sei folgendes genannt: „Gedruckte
Schaltung“ - auch der Begriff „Leiterplatte“ ist geläufiger - ist ein wesentlicher Bestandteil der
Elektronik.
Die Gedruckte Schaltung erfüllt zwei wesentliche Aufgaben. Zum einen dient sie als mechanische Einheit zur Befestigung von Bauteilen, zum anderen erfüllt sie die Aufgabe, Bauteile
(Komponenten) miteinander elektrisch zu verbinden. Die Gedruckte Schaltung ist mechanischer Träger von Bauelementen und verbindet diese durch elektrisch leitende Bahnen.“
Aber merke:
− es gibt keine Leiterbahnen
− es gibt keine Leiterzüge
− es gibt erst recht keine Leiterbahnzüge,
denn lt. DIN-Norm 40804 „Begriffsbestimmungen“ wird nur der Begriff „Leiter“ definiert.
Die Leiterplatte
1
Die Geschichte der Leiterplatte
1.1
Die Anfänge der Leiterplatte
VDE/VDI
3711,
Blatt 1
Seite 2
Die ersten Gedruckten Schaltungen wurden im Zweiten Weltkrieg hergestellt. Besonders in
den USA erkannte man bereits unmittelbar nach dem Krieg die technische Bedeutung der
Gedruckten Schaltung. Hier wurden auch die ersten Radios im „Taschenformat“ hergestellt,
was eigentlich nur durch den „Schaltungsdruck“ möglich wurde.
Heute ist die Gedruckte Schaltung, die den Wegfall des früher üblichen aufwendigen Gewirrs aus zahllosen Leiterdrähten ermöglichte, aus Radio- und Fernsehapparaten, Uhren,
Telefonapparaten, Haushaltsgeräten u.a. nicht mehr wegzudenken. Die modernen Raumschiffe und Nachrichtensatelliten sind der sichtbare Erfolg der Anwendung gedruckter und
integrierter Schaltungen mit kleinstem Platzbedarf.
Diese „Printed Circuits“, in der exakten Übersetzung „Gedruckte Stromkreise“, waren in den
Anfängen in der Tat „aufgedruckte Stromkreise“, denn es wurde durch Siebdruck im „direkten Verfahren“ das Schaltsystem bzw. der Stromkreis mit einer elektrisch leitfähigen Farbe
direkt positiv aufgedruckt.
Verwendung fanden als elektrisch leitfähige Farben sogenannte „Silberlacke“. Da Silber eine
relativ geringe Neigung zur Korrosion und eine hervorragende Leitfähigkeit aufweist, waren
die ersten Schaltungsdrucklacke farblose Siebdrucklacke, denen so viel feines Silberpulver
zugemischt wurde, bis der angestrebte Leitwert erreicht werden konnte. Diese Silberlacke
wurden dann im Sinne des Schaltbildes positiv auf eine nichtleitende Kunststoffplatte oder
auch auf Keramikplatten aufgedruckt, so daß die Druckfarbe die Funktion der isolierten
Drähte übernahm.
So fortschrittlich dieses Verfahren auch war, es hatte seine Mängel und entsprach letztlich
nicht den Erwartungen, denn auch damals schon war Leitsilber relativ teuer, die Silberlacke
hatten eine nicht immer ausreichende Haftfestigkeit, und da die unterschiedliche
Farbschichtdicke zwangsläufig zu unterschiedlichen Leitwerten führte, wurde recht bald das
„indirekte Verfahren“ entwickelt.
Bei diesem Verfahren wird eine säurebeständige, ätzfeste Siebdruckfarbe (Ätzreserve/Ätzresist) auf kupferkaschiertes Basismaterial (Phenolharz-Hartpapier/EpoxiGlasfaserlaminat) positiv gedruckt. Das nicht bedruckte Kupfer wird dann vorwiegend in sauren Ätzmitteln weggeätzt. Anschließend wird die Leiterplatte gespült und in die Farbschicht
entsprechend ihrer Zusammensetzung entweder in Lösungsmitteln oder alkalischen Strippern entfernt. Dieses Verfahren ist heute technisch ausgereift, und der gesamte Vorgang,
Ätzen, Spülen und Farbentschichtung (Strippen) wird heute in einer einzigen Maschine, sogenannte Ätzautomaten, durchgeführt.
Der Anfang des Schaltungsdruckes war also der Druck mit „Silberleitlack“ als gedruckter
Stromkreis, so daß die Namensgebung „Gedruckte Schaltung“ zutreffend war.
Die Leiterplatte
VDE/VDI
3711,
Blatt 1
Seite 3
Mit Patent vom 2. Februar 1942 von Dr. Paul Eisler wird erstmals vorgeschlagen, als Basismaterial für die Leiterplattenherstellung ein mit Kupferfolie beidseitig kaschiertes, plattenförmiges Isoliermaterial, insbesondere auf Phenolharz aufgebaute Preßschichtstoffe, anzuwenden. Mit diesem Patent wird erstmals der Druck mit einer Abdeckmaske (Ätzresist) als
Leiterbild auf die Kupferkaschierung und das anschließende Wegätzen des nicht bedruckten
Kupfers beschrieben. Als Ätzreserve kamen für dieses Verfahren zunächst sogenannte“Asphaltlacke“ zur Anwendung. Dies war der Anfang und zugleich auch der große Durchbruch zur Herstellung zunächst einfacher Leiterplatten und deren weitere auf Wirtschaftlichkeit ausgerichtete Massenfertigung.
1.2
Die Geschichtstafel der Leiterplatte
Die Geschichtstafel der Leiterplatte ist recht lang und R. Müller legt die Anfänge der Leiterplatte sogar bis in das Jahr 1824 zurück, in dem er Illustrationen von Ampere als Vorläufer
der Leiterplatte in Form einer lackierten Tischplatte mit aufgeklebten Metallstreifen als den
Beginn der Leiterplatte einstuft.
Die eigentliche Geschichtstafel beginnt realistisch aber erst rund 100 Jahre später.
Die nachstehende Auflistung ist zwangsläufig nicht vollständig, doch gibt sie die markanten
Daten zur Geschichte der Leiterplatte wieder:
1925: Am 2. März 1925 reicht Charles Ducas beim amerikanischen Patentamt sein Patentgesuch zur Herstellung einer Leiterplatte ein.
1925: Nur wenige Tage später, am 27. März 1925, reicht der Franzose M. César Pasolini,
unabhängig von Charles Ducas, ein Patentgesuch in Frankreich ein, das erstmals die
Grundgedanken der Leiterplattentechnik beschreibt.
1928: Am 12. September 1928 reicht Samuel Charles Ryder ein australisches Patentgesuch ein, das die Ausfertigung von Induktionsspulen für Radiogeräte oder andere
elektrische Geräte vorsah, wobei der Druck mit einer „Leitfarbe“ vorgeschlagen wurde.
1936: Erfindung der Kupferfolie
1937: Die N.V. Philips Gloeilampenfabrieken meldete am 31. Mai 1937 ein deutsches Patent an, wonach die Leiter in einem Formgießvorgang hergestellt werden sollten,
doch fand dieses Patent keinen Eingang in die Praxis.
1942: Mit seinem Patent vom 2. Februar 1942 beschreibt Dr. Paul Eisler erstmals die Herstellung einer Leiterplatte, indem er „mit Kupferfolie kaschiertes, plattenförmiges Isoliermaterial“ zum Patent anmeldete.
Gleichzeitig meldet er als Patentanspruch an:
− die Anwendung einer Abdeckmaske als Ätzresist
− die Kaschierung der Kupferfolie auf beiden Seiten, was zugleich die Erfindung der
„doppelseitigen“ Leiterplatte bedeutete
− das war zugleich der „technische Durchbruch“, denn erst mit diesem Patent begann die wirtschaftliche Fertigung der Leiterplatte.
1956: Es wird von Ing. Fritz Stahl, Ruwel-Werke in Geldern, die erste in Deutschland serienmäßig hergestellte Leiterplatte für die damaligen Metz-Radiowerke gefertigt.
Die Leiterplatte
1961:
1967:
1974:
1978:
1982:
1988:
2
VDE/VDI
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Blatt 1
Seite 4
Einen Prototypen dieser Leiterplatte kann man heute im Deutschen Museum in München bewundern. Das war zugleich der Beginn der Leiterplattenfertigung in Deutschland und Europa.
Patenterteilung für die erste Mehrebenenschaltung (Multilayer) für die Firma Hazeltyne (USA).
Erfindung des Trockenfilms zur Leiterbilderstellung durch die Firma Dupont
Einführung des Hot-Air Levelling (HAL)
Einführung von fotostrukturierbaren Lötstopplacken
Start der SMD (Surface Mounted Devices)
Start des Laserbohrens unter Produktionsbedingungen
Daten zum Leiterplattenmarkt
Die aussagefähigsten Zahlenangaben für Europa und Deutschland zum Leiterplattenmarkt
erfolgen durch den VdL und aufgrund von Studien zum Leiterplattenmarkt des internationalen Marktforschungs- und Consultingsunternehmens Frost und Sullivan.
Hat es 1990 noch etwa 1.500 Hersteller in Westeuropa gegeben, so ist diese Anzahl bis
1996 auf etwa nur noch 720 gefallen, wobei sich die Anzahl der Leiterplattenhersteller in einigen europäischen Ländern, u.a. Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Italien, Schweiz,
fast durchgängig halbiert hat.
Nachstehende Tabelle 1 und Abbildung 1 geben die Leiterplattenproduktion für Westeuropa
wieder:
Die Leiterplatte
VDE/VDI
3711,
Blatt 1
Seite 5
Produktion: Leiterplatten West-Europa in 1995
Land
Produktion
in Mio. DM
Deutschland
Großbritannien
Frankreich
Niederlande
Italien
Schweiz
Österreich
Spanien
Belgien
Schweden
Dänemark
Finnland
Irland
Norwegen
Total
2.288
1.020
595
218
597
223
232
377
215
209
113
127
22
19
6.255
% Welt
6,6
2,9
1,7
0,6
1,7
0,6
0,7
1,1
0,6
0,6
0,3
0,4
0,1
17,9
% Europa
36,6
16,3
9,5
3,6
9,5
3,6
3,8
6,0
3,4
3,3
1,8
2,0
0,4
0,3
100
Mitarbeiter
Anzahl
Betriebe
in-house
Anteil
175
150
120
23
130
45
12
42
15
25
20
8
6
7
778
17 %
9%
15 %
11.710
7.200
3.700
1.650
5.000
1.400
1.950
1.800
1.200
1.200
800
970
400
100
39.080
Tabelle 1 (VdL)
Produktion: Produktion West-Europa 1995
Frankreich 595
Dänemark 113
Irland 22
Großbritannien
1020
Österreich 232
Schw eiz 223
Italien 597
Belgien 215
Deutschland 2288
Abbildung 1 (VdL)
Gesamtvolumen: 6.255 Mrd. DM
Spanien 377
Skan. S/F/N 355
Niederlande 218
15 %
30 %
12 %
Die Leiterplatte
VDE/VDI
3711,
Blatt 1
Seite 6
Unterscheidung der deutschen Leiterplattenhersteller nach Betrieben (1995)
Anzahl der Betriebe
87
56
21
11
175
Tabelle 2 (VdL)
Umsatzgruppe
bis 3 Mio. DM
3 - 15 Mio. DM
15 - 50 Mio. DM
über 50 Mio. DM
Umsatzvolumen
Mio. DM
Mio. DM
Mio. DM
Mio. DM
Mio. DM
Unterscheidung nach Produktgruppen Deutschland 1995:
ndk
8%
Sondertypen
5%
Multilayer
50%
dk
37%
ndk = nicht durchkontaktiert
dk = durchkontaktiert
Abbildung 2
Der europäische Markt für Leiterplatten
Prognose bis zum Jahr 2002 (in Mrd. US-Dollar)
Mrd. US $
7
6
5
4
3
2
1
0
1995
1996
1997
1998
Abbildung 3 (Frost + Sullivan)
1999
2000
2001
2002
55
333
500
1.400
2.288
VDE/VDI
3711,
Blatt 1
Die Leiterplatte
Seite 7
Leiterplatten-Bedarfsentwicklung 1993 - 1998 (Mio. m²)
1993
1995
1998
Europa
N.-Amerika
Japan
1
Asien
Rest der Welt
16,9
15,0
36,9
45,5
14,8
18,8
16,7
40,4
52,2
16,9
22,1
19,2
46,2
56,4
20,5
Durchschnittswachstum
1993 - 1998
5,5
5,1
4,6
4,9
6,5
Total
129,1
145,0
164,4
5,4
2
1
2
% Anteil
1995
12
12
28
36
12
Hong Kong, Singapur, Korea, Taiwan, China, Rest-Asien
CIS/Ost-Europa, Mittlerer Osten, Afrika, Rest-Amerika, Australien
Tabelle 3 (Quelle: BPA, Maurischat Consulting)
Leiterplattenmarkt: Deutschland
Leiterplatten
Unterhaltungselektronik
KFZ-Elektronik
Sonst. Konsumgüter
Datentechnik
Telekommunikation
Industrie-Elektronik
Summe:
Mio
DM
79
330
185
463
735
616
2408
1995
Anteil
1996
Anteil
3,3 %
Wachstum
8,2 %
Mio
DM
75
13,7 %
7,7 %
19,2 %
30,5 %
25,6 %
100 %
15,0 %
9,5 %
14,0 %
13,3 %
11,6 %
12,7 %
361
183
503
805
625
2552
1997
Anteil
1998
Anteil
2,6 %
Wachs- Mio
tum
DM
- 6,7 % 70
2,5 %
Wachs
-tum
0,0 %
392
175
543
864
641
2685
14,6 %
6,5 %
20,2 %
32,2 %
23,9 %
100 %
8,6 %
- 4,4 %
8,0 %
7,3 %
2,6 %
5,2 %
15,1 %
6,3 %
20,7 %
32,4 %
22,9 %
100 %
9,7 %
2,9 %
8, 7 %
6,8 %
1,9 %
6,0 %
Mio $M
1997
Anteil
8800
7050
8720
5800
590
30960
28,4 %
22,8 %
28,2 %
18,7 %
1,9 %
100 %
2,9 %
Wachs Mio
-tum
DM
- 5,1 % 70
14,1 %
7,2 %
19,7 %
31,5 %
24,5 %
100 %
9,4 %
- 1,1 %
8,6 %
9,5 %
1,5 %
6,0 %
430
180
590
923
653
2846
Tabelle 4 (Quelle: ZVEI-BE)
Leiterplattenmarkt: Welt
Leiterplatten
Amerika
Europa
Japan
Südostasien
Afrika/Mittl. Osten
Total
Mio $
1995
Anteil
7555
6325
7800
5150
470
27300
27,7 %
23,2 %
28,6 %
18,9 %
1,7 %
100 %
Wachstum
4,8 %
3,4 %
5,6 %
24,3 %
25,3 %
8,2 %
Tabelle 5 (Quelle: ZVEI-BE)
Mio $
1996
Anteil
8050
6700
8235
5540
540
29065
27,7 %
23,1 %
28,3 %
19,1 %
1,9 %
100 %
Wachstum
6,6 %
5,9 %
5,6 %
7,6 %
14,9 %
6,5 %
Wachstum
9,3 %
5,2 %
5,9 %
4,7 %
9,3 %
6,5 %
Mio $
1998
Anteil
9310
7480
9340
6235
650
33015
28,2 %
22,7 %
28,3 %
18,9 %
2,0 %
100 %
Wachs
-tum
5,8 %
6,1 %
7,1 %
7,5 %
10,2 %
6,6 %
Die Leiterplatte
3
VDE/VDI
3711,
Blatt 1
Seite 8
Was wird? - Die Zukunft der Leiterplatte
Mark Twain, der amerikanische Autor (1835 - 1910) hat einmal ebenso geistreich wie amüsant gesagt: "Voraussagen soll man vermeiden, besonders solche über die Zukunft." Auf
dem Gebiet der Leiterplattentechnologie lassen sich aber Voraussagen abgeben, ohne
gleich als der falsche Prophet apostrophiert zu werden.
Folgende Aspekte bzw. Trends sind bereits erkennbar bzw. können erwartet werden:
− neue Basismaterialien mit wesentlich verbesserten Eigenschaften bezüglich Temperaturbelastung und Wärmeabführung - sie sind Voraussetzung zur Realisierung der "Leiterplattentechnologie von Morgen"; sie werden die bisherigen Basismaterialien nicht gleich
verdrängen, aber zunehmend Bedeutung erlangen, wobei die Variantenvielfalt (die Hersteller sagen: leider) zunimmt
− der Trend zur Miniaturisierung hält unvermindert an
− nach SMD-Technik, die ja immerhin jetzt schon zehn Jahre alt ist, zeichnen sich neue
Technologien, ja Technologiesprünge ab
− richtungsweisende und zugleich auch eindeutige Trends sind zur Zeit nur andeutungsweise erkennbar; in Anwendung und Diskussion sind High Density Interconnect (HDI),
Sequential-Build up (SBU), MOV-Technik und andere mehr
− Plasmaätzen scheint out, foto- und laserstrukturierte Mikrobohrungen werden sich mehr
und mehr durchsetzen
− der Trend zum Thema "Leiterdichten" (Leiterbreiten und Leiterabstände) bis runter zu
50 µm Feinheiten wurde bereits angesprochen
− es ist zu erwarten, daß mit dem bisherigen Maschinenequipment Leiterbreiten und abstände von 50 - 25 µm nicht mehr machbar sein werden, so daß auch hier neue Technologien angegangen werden müssen. Ähnliches gilt auch für die Technologien Bestükken, Prüfen und Testen, so daß auch hier die hohe Kompetenz der Zulieferer gefragt und
gefordert ist
− von wachsender Bedeutung ist somit die technische Beherrschung des von den Bauelementen ausgehenden Miniaturisierungsschubs über die ganze Wertschöpfungskette der
Leiterplatten- und Elektronikproduktion
− zunehmend wird bei Leiterplatten die Abschirmproblematik zum Thema werden
− konventionelle Verbindungstechniken, wie z.B. "Multilayer- und Hybridschaltungen" in
Form der "Multiwire-Verbindungstechnik" sind "out", aufgrund niedriger Ausbeute bei
gleichzeitig hohen Kosten. Ob die "Microwiretechnik", die mit "Diskreter" Verdrahtung arbeitet, hier eine Lücke schließen kann, bleibt abzuwarten
− es werden deutliche Steigerungen bei Leiterplatten in Fein- und Feinstleitertechnik erwartet, wobei Leiterplatten mit Leiterbreiten von 80 bis runtergehend auf 50 µm und
Bohrdurchmesser von kleiner als 0,3 mm erforderlich und auch realisierbar scheinen. Für
solche Leiterplatten ist "Panel-Plating" out und "Pattern Plating", vorzugsweise in stromloser Verkupferung, wird für diese Technik zur Anwendung kommen. Bei Leiterbreiten unter
50 µm versagt auch diese Technik, und es bietet sich dann nur noch ein "Aufdampfen"
der Leiter an, wobei dann auch andere Substrate, sprich anderes Basismaterial, benötigt
wird
Die Leiterplatte
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− bei der Leiterbilderstellung im Bereich zwischen 50 und 100 µm Leiterbreiten und abständen kommen verstärkt Flüssigresists zur Anwendung. Die neue Generation fotosensitiver Ätz- und Galvanoresists kommt im Siebdruck, Walzenauftragsverfahren oder
im Vorhanggießverfahren (Curtain-coating) zur Applikation. Als Entwicklermedien stehen
Alkalien oder Butyldiglycol (BDG) zur Verfügung, wobei BDG der bestehenden Umweltschutzgesetzgebung wegen seiner Recyclebarkeit absolut gerecht wird. Diese Flüssigresists, die sich in relativ geringen Schichtdicken (ca. 10 - 15 µm) auftragen lassen, folgen
somit dem Trend und verlangen nach dünnen Schichtdicken, wodurch die geforderte höhere Auflösung möglich wird.
− Fachexperten erwarten entweder eine deutliche Absenkung der heute üblichen Stromdichten von ca. 2,5 A/dm² oder das Wiederaufleben der stromlosen Kupferabscheidung
(chemisches Kupfer)
− diesem Gesamttrend folgt auch die Beschichtung mit Lötstoppmaske; hier stößt der konventionelle Siebdruck an die Grenzen seiner Machbarkeit, so daß 2-KomponentenLötstopplacke mehr und mehr durch fotosensitive Lötstoppmasken abgelöst werden, wobei der Trend eindeutig in Richtung Flüssigresists geht
− zur Verbesserung der Lötbarkeit wird auch weiterhin nach einer Alternative zum "Hot-AirLevelling" (HAL) gesucht, denn die meisten in letzter Zeit ins Gespräch gebrachten alternativen Verfahren sind (noch) nicht die gesuchten Problemlöser bzw. nicht genug ausgereift
− um für SMD-Bauteile mit hoher Abschlußfläche eine möglichst planare Oberfläche auf
den Landepads und damit eine einwandfreie Lötung zu erreichen, kommt die Nickel/GoldBelegung verstärkt zur Anwendung; dies führt - vor allem nach längerer Lagerung - zu erheblich verbesserten Lötergebnissen.
− dreidimensionale Leiterplatten, sogenannte MID's, werden deutlich zulegen
− das gleiche gilt für flexible Leiterplatten
− aber für diese beiden Leiterplattentypen gilt auch, daß, gemessen am Gesamtvolumen,
der prozentuale Anteil nicht wesentlich steigt.
Diese Auflistung der technischen Aspekte erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Sie
läßt aber deutlich erkennen, daß sowohl die Leiterplattenhersteller als auch ihre Zubringerindustrie in den nächsten Jahren vor großen Herausforderungen stehen.
Aber es sollten auch noch einige wirtschaftliche Aspekte genannt werden, denn die Technologiesprünge werden immer kurzlebiger, lösen einen hohen Investitionsbedarf aus und
müssen bei schrumpfenden Gewinnen finanzierbar sein:
− damit die technologischen Anforderungen der Miniaturisierung umgesetzt werden können,
müssen signifikante Verbesserungen bestehender Verfahren, Materialien und Prozesse
angegangen werden
− im Frühstadium sollten hierzu Leiterplattenhersteller, Zulieferer und vor allem die OEM's,
ggf. auch Lehre und Forschung, einbezogen werden, denn partnerschaftliche Zusammenarbeit wird die eigene Position im härter werdenden Wettbewerb besser absichern
− der Druck auf die Verkaufspreise für Leiterplatten wird noch eine Zeitlang anhalten; dies
gilt besonders für Standardprodukte, doch wird erwartet, daß der Preisdruck nachläßt,
denn die europäische Leiterplattenindustrie ist sowohl preislich als auch technologisch
Die Leiterplatte
−
−
−
−
−
−
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wieder so wettbewerbsfähig geworden, daß nach Fernost abgewanderte Aufträge wieder
zurückkommen
bei Leiterplatten mit sehr hohem Lohnanteil ist zu einem großen Teil die Abwanderung
samt Bestückung nach Fernost vollzogen worden und ein Umkehrprozess nicht so schnell
zu erwarten
jahrelang wurde den Leiterplattenherstellern Spezialisierung und/oder "Nischenfertigung"
empfohlen, aber diesen Rat sollte man nicht mehr unbedingt umsetzen, denn inzwischen
sind die sogenannten "Nischen" meistens besetzt
der Leiterplattenmarkt bleibt Wachstumsmarkt; nach einer Siemens-Aussage steigt der
Weltverbrauch in Mio. m² jährlich um etwa 6,2 %. Nach einer Frost + Sullivan-Prognose
beträgt die Wachstumsrate in Europa wertmäßig in US-Dollar jährlich bis zum Jahr 2002
um etwa 6,4 %, wobei der Anteil der deutschen Leiterplattenindustrie von derzeit 26,5 %
sich noch auf 28,1 % steigern wird.
in den letzten Jahren wurde bei vielen OEM's Personal in den Entwicklungsabteilungen
abgebaut, so daß sich die Umsetzung neuer Technologien verstärkt zum Leiterplattenhersteller verlagert; wer diesem Trend folgen kann, wird auf der Gewinnerseite sein
Leiterplattenanwender erwarten vermehrt ein breites, ja umfassendes Angebot in der
Leiterplattenproduktpalette; unter diesem Gesichtspunkt sind auch die in den letzten Jahren vollzogenen Zu- bzw. Aufkäufe von Leiterplattenherstellern einzuordnen
die wohl größte Schwierigkeit für den Leiterplattenhersteller ist und bleibt der richtige Entscheid für die "richtige" Technologie, denn bei den hochpreisigen Einrichtungen können
falsche Kaufentscheidungen an den "Überlebensnerv" gehen.
Starre, starrflexible, flexible und Mehrlagenmaterial;
Basismaterial
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Basismaterialien für Leiterplatten / Multilayer
Die Entwicklung der Basismaterialien für Leiterplatten ist eng verbunden mit der Entwicklung
der Elektroisolierstoffe.
Nachfolgend soll ein Überblick über gängige Basismaterialien vermittelt werden.
1
Basismaterialarten
Verschiedene internationale Normen haben unterschiedliche Klassifikationen von
Basismaterialien vorgenommen. In der Industrie haben sich jedoch die Klassifikation nach
NEMA (National Electrical Manufacturers Association) durchgesetzt. In Überischt 1 sind die
Klassifikationen zusammmen mit den Klassifikationen nach MIL-P-13949 und DIN/IEC 249
gelistet. Eine direkte Zuordnung der Typenbezeichnungen untereinander ist nicht möglich,
da die Kriterien der jeweiligen Klassifikation nicht immer vergleichbar sind.
Die Bezeichnungen der MIL und der DIN/IEC werden dabei noch erweitert durch weitere
Zusätze, die das Material und seine Kupferkaschierung noch detaillierter beschreiben.
Entsprechende Details können in den entsprechenden Normen nachgeschlagen werden.
Diese Unterteilung beinhaltet primär die Materialien für starre Leiterplatten. Die erwähnten
Normenwerke beinhalten noch weitere Klassifikationen, es handelt sich jedoch dabei meist
um Materialien die keine Bedeutung in der Leiterplatten-Industrie erlangt haben bzw.
aufgrund der Bestandteile (z. B. Asbest) heute nicht mehr produziert werden. Hinzu kommen
Folien aus Polyester und Polyimid für dauerflexible Anwendungen sowie modifizierte
Epoxidharzsysteme mit Trägern (Glasgewebe, Glasvlies, Aramidgewebe) für semiflexible
Anwendungen.
Basismaterial
•
Beschreibung
XXXP
XXXPC
G-10
G-11
FR-2
FR-3
FR-4
FR-5
CEM-3
GT
GX
Papier, Phenolharz, warm stanzbar
Papier, Phenolharz, kalt stanzbar
Glasgewebe, Epoxidharz
Glasgewebe, Epoxidharz, erhöhte Temperaturbeständigkeit
Papier, Phenolharz, flammwidrig
Papier, Epoxidharz, flammwidrig
Glasgewebe, Epoxidharz, flammwidrig
Glasgewebe, Epoxidharz, flammwidrig, erhöhte
Temperaturbeständigkeit
Glasmatte, Polyesterharz, flammwidrig
Glasgewebeoberfläche, Cellulosepapier-Kern,
Epoxidharz, flammwidrig
Glasgewebeoberfläche, Glasflies-Kern, Epoxidharz, flammwidrig
Glasgewebe, PTFE-Harz, kontrollierte Dielektrizitätskonstante
vergleichbar Type GT, engere Toleranzen der Dielektrizitätskonstante
MIL TYP
Beschreibung
PX
GB
Papier, Epoxidharz, flammwidrig
Glasgewebe, Epoxidharz mehrheitlich polyfunktional, hohe
Temperaturbeständigkeit
Glasgewebe, Epoxidharz mehrheitlich difunktional
Glasgewebe, Epoxidharz mehrheitlich difunktional, flammwidrig
Glasgewebe, Epoxidharz mehrheitlich polyfunktional, flammwidrig,
hohe Temperaturbetändigkeit
Glasmatte, PTFE-Harz, flammwidrig
Glasmatte, PTFE-Harz, flammwidrig, für Mikrowellenanwendung
Glasgewebe, PTFE-Harz, flammwidrig
Glasgewebe, PTFE-Harz, flammwidrig, für Mikrowellenanwendung
GE
GF
GH
GP
GR
GT
GX
•
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Nema Typ
FR-6
CEM-1
•
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DIN/IEC TYP Beschreibung
PF-CP 01
PF-CP 02
PF-CP 03
EP-CP 01
EP-GC 01
EP-GC 02
Phenolharz, Cellulosepapier
Epoxidharz, Cellulosepapier
Epoxidharz, Glasgewebe
Epoxidharz, Glasgewebe
Übersicht 1: Basismaterialklassifikationen
Basismaterial
2
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Rohstoffe
Die Rohstoffe für die Laminatproduktion lassen sich in drei Materialklassen einteilen: Harze,
Trägerstoffe und Kupferfolien. Während die ersten beiden Klassen normalerweise immer im
Laminat enthalten sind, werden Kupferfolien nur bei der Subtraktivtechnik benötigt. Die
Additivtechnik verwendet unkaschierte Laminate, die metallischen Leiter werden selektiv
aufgebracht.
2.1
Harzsysteme
In der Klasse der Harze sind die Aufzählungen mit · Punkt Phenolharze, Polyesterharze,
Epoxidharze,
Bismaleinimid/Triazin-Harze,
Cyanatesterharze,
Polyimidharze
und
Polytetrafluor-ethylen (Teflon) zu erwähnen. Teflon ist bei dieser Zusammenstellung das
einzige Thermoplast, alle anderen Harzsysteme werden bei der Polymerisation
dreidimensional vernetzt und damit duroplastisch.
Vorgenannte Harze zur Herstellung von Duroplasten lassen sich durch Zugabe von Härtern
und Beschleunigern polymerisieren. Die in der Basismaterialherstellung verwendeten
Systeme benötigen dabei Druck und Hitze zur Polymerisation.
Der Übergang von einem Harz-Zustand zum anderen der nachfolgend beschriebenen
Zustände erfolgt dabei ausschließlich durch Wärmezufuhr.
A-Zustand: Harz, so wie es im Reaktor aus den Komponenten synthetisiert wird. Das Harz
ist in einem Lösungsmittel gelöst. In diesem Zustand werden Härter und Beschleuniger
zugefügt, auch andere Zuschlagstoffe wie Flexibilisatoren, Füller und Pigmente lassen sich
zufügen. Diese Lösung wird zur Imprägnierung der Trägerstoffe verwendet.
B-Zustand: Wird erreicht durch Wärmezugabe auf den A-Zustand. Das Harz ist nur bedingt
löslich. In diesem Zustand befindet sich das Harz bereits auf dem Trägerstoff. Der Verbund
wird auch als B-Stage Prepreg bezeichnet. Das Harz ist noch nicht ausgehärtet und wird bei
erneuter Erwärmung niederviskos.
C-Zustand: Wird erreicht durch erneute Wärmezugabe. In diesem Zustand ist das Harz voll
ausgehärtet.
Die selbstverlöschenden Eigenschaften
Flammschutzmitteln eingestellt.
der
Harze
werden
durch
Zugabe
von
Epoxidharze sind difunktional oder polyfunktional. Difunktionale Epoxidharze besitzen zwei
Epoxidgruppen und polyfunktionale Epoxidharze drei oder mehr Epoxidgruppen per Molekül.
Basismaterial
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Die Epoxidharze liegen beim Lackansatz in einem Lösungsmittel (z. B. Aceton, Methyl-,
Ethyl-Keton, Dimethylformamid) vor und werden zur Umsetzung vom A-Zustand in den BZustand mit einem Härter und einem Beschleuniger X2 gemischt. Gebräuchlichste
Härtersubstanz in der Laminatherstellung ist Dicyandiamid. Die Reaktionsgeschwindigkeit
der Harzvernetzung ist ohne den Zusatz von Beschleunigern unzureichend; eine Umsetzung
erfolgt erst bei Temperaturen oberhalb von 140°C. Als Beschleuniger werden verschiedene
tertiäre Amine verwendet.
Neuere Entwicklungen sehen den Einsatz von lösungsmittelfreien Epoxy-Harzsystemen vor.
2.2
Trägerstoffe
Folgende Trägerstoffe werden vorwiegend eingesetzt:
•
•
•
•
•
•
•
Papier
Glasvlies
Glasgewebe
Aramidvlies
Aramidgewebe
PTFE Gewebe
PTFE Folie
Bei Papier wird unterschieden zwischen Cellulosepapier und Baumwollpapier. Glas als
Trägerstoff gibt es in verschiedenen Materialarten, E-Glas, D-Glas und Quarzglas. Die
gebräuchlichste Glastype ist E-Glas. Die Preisunterschiede zu den anderen Glastypen sind
erheblich. D-Glas und Quarzglas werden nur eingesetzt, wenn eine niedrige
Dielektrizitätskonstante gefordert wird.
Die einzelnen Garne unterscheiden sich im Durchmesser der Glasfasern und dem Gewicht
des Fadens.
Die Garnbezeichnung ist in DIN 60 850 und ISO 2078 festgelegt, z.B. :
E C 9 - 68 Z 28
Bezeichnung der Glasart (E=E-Glas)
Kurzzeichen der Faserform (C=endlos)
Filamentdurchmesser in µm
Drehungen je m
Drehungsrichtung
Garnfeinheit in tex
(Gewicht in g/1000 m)
Die Garne werden zu Geweben verwoben. Für die Laminatindustrie ist Leinwandbindung die
einzig heute erwähnenswerte Gewebeart. Wie bei allen Geweben unterscheidet man
Kettrichtung und Schußrichtung.
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Basismaterial
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Zur Herstellung des Gewebes werden Kettfäden zu langen Kettbäumen verarbeitet. Diese
Kettbäume haben meist Längen von 10.000 Metern. Die Schußfäden werden quer zum
Kettbaum beim Weben eingeschossen. Der Kettfaden muß dabei nicht von gleicher Art sein
wie der Schußfaden. Die heute erhältlichen Glasgewebe mit Typenbezeichnung,
Charakteristika und verwendeten Garntypen sind in Abbildung 2 aufgelistet.
Nach dem Webprozess wird die für das Weben erforderliche Schlichte (Gleitmittel) entfernt.
Dies kann durch Auswaschen oder auch durch Hitzeeinwirkung erfolgen. Die thermische
Entschlichtung ist heute das am weitesten verbreitete Verfahren und arbeitet bei
Temperaturen zwischen 400° und 600°C. Im Anschluß an diesen Entschlichtungsprozess
werden die Gewebe einer weiteren Behandlung unterzogen, bei der ein Stoff (Finish)
aufgebracht wird, der die Haftung zwischen Glasfaser und Harz verbessert.
Die aus der Schmelze gezogenen Glasfäden lassen sich auch zu Vliesstoffen verarbeiten.
Gewebe- FlächenTyp
gewicht
g/m²
KETTE
Fadenzahl pro
cm
104
20
24
106
25
22
1080
2113
2125
2116
2165
7628
7629
48
78
88
107
122
200
213
24
24
16
24
24
17
17
GarnFilatyp tex mentdicke
µm
EC
- 5
5.5
EC
- 5
5.5
EC - 11 5
EC - 22 7
EC - 22 7
EC - 22 7
EC - 22 7
EC - 68 9
EC - 68 9
SCHUSS
Faden- Garnzahl pro typ tex
cm
Filamentdicke µm
20
EC - 2.8
5
22
EC - 5.5
5
19
22
15
23
20
12
13
EC - 11
EC - 11
EC - 34
EC - 22
EC - 34
EC - 68
EC - 68
5
5
9
7
9
9
9
Abbildung 2: Glasgewebe für die Basismaterialherstellung
Alternativ zu Glas gibt es auch die Möglichkeit organische Fasern als Trägerstoffe
einzusetzen.
Nennenswert
für
die
Basismaterialherstellung
sind
lediglich
Polyamid
und
Polytetrafluorethylen. Polyamidfasern, vielleicht den meisten besser als Aramid bekannt, ist
in Geweben als auch als Matte erhältlich. Aramidfasern haben gegenüber Glasfasern nicht
unerhebliche Vorteile. Neben dem geringeren Gewicht (minus 44%) ist insbesondere die
bessere Dielektrizitätskonstante (3,5 für Aramid gegenüber 6,2 für E-Glas bei 1MHz) zu
nennen.
Basismaterial
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Seite 6
2.3 Kupferfolien
Das Kupfer wird in zwei verschiedenen Herstellungsarten gefertigt:
• elektrolytisch abgeschiedenes Kupfer
• gewalztes Kupfer
Für dauerflexiblen Einsatz der Schaltung, wo also die flexible Schaltung als Kabelersatz
dauernd bewegt wird, wird gewalztes Kupfer eingesetzt.
Elektrolytisch abgeschiedenes Kupfer wird mit einem Treatment versehen. Dem Treatment
kommt die Aufgabe zu, eine gute Haftung zwischen Kupferfolie und Harz herzustellen. Als
letzter Schritt der Kupferfolienherstellung wird auf beide Folienseiten eine Passivierung
aufgebracht. Die Passivierung verhindert die Oxidation der Oberfläche. Foliendicken reichen
von 5 µm bis hin zu 210 µm, eine Auflistung der verschiedenen Foliendicken in ihren
Abstufungen ist in Abbildung 3 wiedergegeben.
Foliendicke
µm
5
Flächengewicht
oz/ft²
1/7
g/m²
44
9
12
18
35
70
105
140
175
210
1/4
3/8
1/2
1
2
3
4
5
6
77
107
153
305
610
915
1221
1526
1830
Abbildung 3: Kupferfolientypen
Besonderheiten
nur mit Trägerfolie
erhältlich
mit und ohne Trägerfolie
Basismaterial
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Ultradünne Kupferfolien
Diese Kupferfolien (5/70 µm und 9/70 µm) eignen sich besonders bei Feinstleiterstrukturen.
Die mechanisch abziehbare, ca. 70 µm dicke Kupfer-trägerfolie wird erst nach dem Bohren
entfernt. Dadurch kann auf die Bohrauflage verzichtet werden. Ebenfalls entfällt das
Entfernen des Bohrgrats. Die Kupferträgerfolie ist recyclebar. Die 9 µm Kupferfolie kann
auch ohne Trägerfolie geliefert werden.
Kupferfolien mit HTE-Eigenschaften
HTE-Kupferfolien zeichnen sich durch hohe Bruchdehnungswerte bei erhöhter Temperatur
aus. Im Vergleich zum Standard erreichen diese selbst bei 180°C mehr als doppelt so hohe
Dehnungswerte, so dass die Gefahr von Leiterbahn-Hülsenabrissen (foil-cracking) reduziert
wird. Wir empfehlen den Einsatz dieser Kupferfolien bei allen Dünnlaminaten <0.3 mm
Substratdicke.
Very-Low-Profile-Kupferfolien mit HTE Eigenschaften
Neben der erhöhten Bruchdehnung sind bei diesem Kupferfolientyp aufgrund der geringen
Treatmentrauhigkeit die Treatmentspitzen (Dendrite) weniger stark ausgebildet und somit
weniger tief im Harz eingebettet. Typische Rauhigkeitswerte liegen bei 4,5 µm (Rz).
Kupferfolien entsprechender Dicke mit Standard-Treatmentprofil weisen dagegen ca. 8 µm
(Rz) auf.
Bei der Innenlagen-Fertigung lassen sich im Ätzprozess optimale Leiterbahnflanken
erzeugen. Wegen der kürzeren Ätzzeiten ist mit einer geringeren Unterätzung zu rechnen.
Dieser Vorteil sollte bei der Fertigung von impedanzkontrollierten Schaltungen genutzt
werden. Wir empfehlen diesen Kupferfolientyp bei ultradünnen Laminaten <0,1 mm
Substratdicke, insbesondere dann, wenn diese mit nur einem Glasgewebebogen aufgebaut
sind.
Kupferfolien mit doppelseitigem Treatment
Die Vorbehandlung der Kupferoberfläche, d.h. das Oxydieren der Innenlagen wird
überflüssig. Die Haftung zur Harzmatrix wird durch die auch auf der ‘Shiny-Seite’
vorhandenen Treatment-Struktur erreicht.
Kupferfolien mit hoher Duktilität (HD)
Diese Folien sind besonders für den Einsatz in Flex- und Starr-Schaltungen geeignet.
Walzkupfer
Die Kupferbleche (typische Dicke: 400 µm) werden bevorzugt in der KFZ-Leistungselektronik
eingesetzt und erhalgten vor dem Laminieren eine spezielle Oberflächenb ehandlung zur
Erhöhung der Haftfestigkeit.
Basismaterial
3
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Seite 8
Basismaterialherstellung
Die erste Stufe der Basismaterialherstellung ist die Lackherstellung aus dem vorher
synthetisierten Harz. Hierzu werden das Grundharz, Lösungsmittel, Härter, Beschleuniger
und gegebenenfalls diverse andere Zuschlagstoffe (Farbpigmente, Flammschutzmittel,
Flexibilisatoren, Füller) gemischt.
Die Beschichtung der Trägerstoffe mit dem Lack erfolgt in Imprägnieranlagen. Diese
Beschichtung erfolgt normalerweise aus der flüssigen Phase, da die Harze in einem
Lösungsmittel gelöst vorliegen. Der Harzanteil schwankt dabei je nach Anwendung zwischen
30-80 %.
Die Beschichtung erfolgt im Durchlaufverfahren. Die Trägerstoffe werden in Rollen
angeliefert und über Einzugvorrichtungen in das Imprägnierwerk eingezogen. Die einzelnen
Rollen werden aneinander geklebt, so daß der Prozess endlos und kontinuierlich abläuft.
Nur so ist es möglich, daß jeder Meter imprägnierter Trägerstoff gleichbleibende Qualität
besitzt. Nach der Beschichtung durchlaufen die getränkten Trägerstoffe einen Trockenofen.
Dieser Trockenofen hat nicht nur die Aufgabe, das Lösungsmittel zu verdampfen und
dadurch ein handhabbares Material zu erzeugen, sondern auch die Vor-Polymerisation
einzuleiten. Die richtige Trocknung stellt somit sicher, daß beim späteren Verpressen der
imprägnierten Trägerstoffe (Prepregs) eine gute Lagenbindung zwischen den einzelnen
Lagen erzeugt wird, und der Harzfluß auf ein Mindestmaß reduziert wird.
Die Trocknung kann mit Heißluft oder durch Strahlungswärme erfolgen.
In der Bauweise der Öfen unterscheidet man horizontale und vertikale Systeme. Horizontale
Öfen (Tunnelöfen) haben den Vorteil hoher Geschwindigkeiten ohne übermäßige
Zugbelastung der Trägerstoffe. Vertikale Öfen (Trockentürme) haben den Vorteil der
gleichmäßigeren Trocknung. Die Trägerstoffe müssen aber im Turm oben umgelenkt
werden. Dieses Umlenkfeld wird gekühlt, um ein Ankleben der Prepregs zu verhindern.
Basismaterial
VDE/VDI
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Imprägnieranlagen
Imprägnieranlage
Rohgewebe
Prepreg
Abbildung 4: Schema einer vertikalen Imprägnieranlage
Papier wird normalerweise horizontal imprägniert, Trägerstoffe aus Glas vertikal. Nachdem
die Prepregs den Ofen verlassen haben, werden sie entweder zu Rollen aufgewickelt oder
aber direkt geschnitten. Dabei wird ein Bogenmaß entsprechend der Größe der zu
verpressenden Tafeln gewählt.
Die nächste Arbeitsstufe der Laminatproduktion
unterscheidet man zwei verschiedene Verfahren:
ist
das
Pressen.
Grundsätzlich
• das konventionelle Pressen im Chargenbetrieb
• das kontinuierliche Pressen im Durchlauf
Beim konventionellen Pressen beginnt man mit der Konfektionierung der Prepregs, der
Kupferfolie und des Presspolsterpapiers. Die Zuschnittformate richten sich dabei nach der
Größe der Presse. Normale Pressen haben Heizplatten mit einem Format von ca. 1300 x
1400 mm, d. h. es können die normalen Tafelformate (US-Format, Euroformat) gepresst
werden. Zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Pressen hat man aber auch Pressen
für Doppelformate, Dreifachformate und Vierfachformate gebaut.
Das Eintafeln erfolgt in Reinräumen.
Basismaterial
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Schmutzpartikel führen zu Ausschuß. Das Eintafeln erfolgt manuell, insbesondere die
Handhabung der 18 bzw. 35 µm dünnen Kupferfolien ist dabei ein sehr sensibler Prozess.
Der Aufbau eines Pressbuches erfolgt nach folgendem Schema:
Pressblech
Presspolsterpapier
Presspolsterpapier
Presspolsterpapier
Pressblech
Kupferfolie
Prepreg
Prepreg
Kupferfolie
Pressblech
Ausgleichslage
gegen Heizplatte
erste Tafel
zweite Tafel etc.
Die Heizplatten der Presse müssen absolut parallel sein, sie sollen keine
Dickenschwankungen aufweisen und auch bei höherem Druck keine Durchbiegung zeigen.
Die Kupferfolie wird im Format größer gewählt als die Prepregs, da das Harz beim Pressen
fließt. Ausfließendes Harz könnte die Pressbleche ansonsten verunreinigen. Die einzelnen
Pressbücher werden mit Hilfe eines Beschickwagens in die Öffnungen zwischen den
einzelnen Heizplatten gefahren.
Die Beheizung der Pressen kann mit Heißwasser, Wasserdampf, Thermalöl oder elektrisch
erfolgen.
Da der Pressdruck nur bis zur Laminathärtung benötigt wird, kann man alternativ die
Pressbücher zum Abkühlen unter Kontaktdruck in eine separate Kühlpresse transferieren.
Dieses Transferverfahren hat den Vorteil, daß die Heizpresse besser genutzt werden kann.
Zur Verbesserung der Dickentoleranzen des Laminates wurde ab Anfang der 80er Jahre das
Pressen unter Vakuum eingeführt. Dies ermöglichte die Reduzierung des Pressdrucks und
damit größere Gleichmäßigkeit der Dicke bei reduziertem Harzfluß.
Bei Vakuumpressen unterscheidet man Systeme, die entweder in Vakuumkammern
betrieben werden oder mit Vakuumrahmen versehen sind.
Der Druck und das Temperaturprofil sind abhängig vom Produkt wie auch vom
Pressverfahren. Die Laminate werden auf Oberflächenfehler überprüft und dann zum
Besäumen weitergeleitet. Beim Besäumen wird der vorher erwähnte Flußrand abgeschnitten
oder weggestanzt.
Gängige Tafelformate sind:
Europaformat
US-Format
Uni-Format
Kette
1070 mm
925 mm
1070 mm
x
x
x
Schuss
1165 mm
1225 mm
1225 mm
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Blatt 2
Basismaterial
Seite 11
Der gesamte Ablauf der konventionellen Laminatproduktion ist in Abbildung 5 nochmals
zusammenfassend schematisch dargestellt.
Konventioneller Preßprozeß
-
1.
Zuschneiden von Kupferfolie,
Prepregs und Preßpolsterpapier
2.
Eintafeln
+
3.
Verpressen mit Hitze und
Abkühlung
4.
Kantenbeschneidung auf
Tafelformat
Abbildung 5:Schematischer Fertigungsablauf konventionelle Laminatfertigung
Alternativ zum konventionellen Pressen lassen sich Laminate auch kontinuierlich
produzieren. Dieses Verfahren eignet sich vorwiegend zur Herstellung von Dünnlaminaten.
Kontinuierlicher Preßprozeß
Reinraum
3
3
Doppelbandpresse
1
7
4
6
8
5
3
3
2
Materialfluß
1. Abzugstation für Kupferfolie
5. Aufrollstation für Trennfolie
2. Abzugstation für Kupferfolie oder 6. Querteilen
Trennfolie
3. Abzugstation für Prepreg
7. Aufrollstation für Flex-Laminate
4. Besäumen / Längsteilen
8. Tafel-/ Zuschnittkonfektionierung
Abbildung 6: Schematischer Fertigungsablauf der kontinuierlichen
produktion
Laminat-
Basismaterial
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Die Materialien Prepregs und Kupferfolie werden von der Rolle direkt in die Presse
eingeschleust. Eine vorherige Konfektionierung entfällt. Es wird immer nur ein Laminat, dafür
aber endlos verpresst. Damit entfallen auch die Unterschiede im Aufheizverhalten eines
Pressbuches. Rollenwechsel werden wie beim Imprägnieren bei laufender Maschine durch
Aneinanderkleben der Rollen durchgeführt. Auch Veränderungen des Laminataufbaus
werden bei laufender Maschine durchgeführt.
Die Spannung auf den einzelnen Rollen wird gemessen und permanent justiert. Die Presse
selbst besteht aus dem Pressenkörper und jeweils oben und unten einem Trommelpaar,
über welches endlose Pressbänder laufen. In der Presse selbst gibt es eine Heiz- und eine
Kühlzone. Die Beheizung erfolgt mit Thermalöl, welches heiß gegen die Pressbänder
gedrückt wird. Das Öl ersetzt somit auch das beim konventionellen Pressen erforderliche
Pressposterpapier.
Am Auslauf der Maschine schließt sich direkt das Besäumen der Flußränder an.
Das Laminat kann dann in einem Arbeitsgang direkt auf die gewünschte Zuschnittgröße
geschnitten werden.
Starre
Laminate
erhalten
normalerweise
ein
Herstellerkennzeichen.
Dieses
Herstellerkennzeichen (Logo) wird vor dem Imprägnieren auf den Trägerstoff aufgedruckt.
Dieses Logo kennzeichnet bei Papierträgerstoffen die Faserrichtung und bei Glasgeweben
Kette und Schuß. Die Faserrichtung des Papiers und die Kette des Glasgewebes
entsprechen der Längsrichtung bei der Imprägnierung.
Basismaterial
4
VDE/VDI
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4.1 Elektrische Eigenschaften
Die elektrischen Eigenschaften der Basismaterialien mit typischen Messwerten für einige
der gebräuchlichsten Materialarten sind in Abbildung 7 dargestellt.
Oberflächenwiderstand
nach Lagerung in feuchter
Wärme
bei erhöhter Temperatur
Spezifischer Durchgangswiderstand
nach Lagerung in feuchter
Wärme
bei erhöhter Temperatur
Kantenkorrosion
Dielektrizitätskonstante bei 1 MHz
Dielektrischer Verlustfaktor
Kriechstromfestigkeit (IEC 112)
FR-2
FR-3
FR-4
10.000 MΩ
100.000 MΩ
1.000.000 MΩ
100 MΩ
1.000 MΩ
10.000 MΩ
50.000 MΩcm
100.000.000M
Ωcm
10.000 MΩcm
AB 1,4
4,8
0,042
CTI 300
5.000.000 MΩ
1.000 MΩcm
AB 1,5
5,5
0,45
CTI 180
500.000 MΩ
AN 1,2
4,8
0,02
CTI 200
Abbildung 7: Elektrische Eigenschaften von Basismaterialien
Die Dielektrizitätskonstante ist abhängig von der Art des Basismaterials. Abbildung 8 gibt
einen Überblick.
Die Dielektrizitätskonstante ist für eine Materialkombination nur solange konstant, wie das
Mischungsverhältnis konstant ist. Am Beispiel von FR-4 ist in Abbildung 9 der Verlauf der
Dielektrizitätskonstante in Abhängigkeit vom Harzgehalt des Laminates aufgezeigt.
Basismaterial
VDE/VDI
3711,
Blatt 2
Seite 14
Er-Bestimmung in Abhängigkeit von der Frequenz
Er-Wert
5
4,8
4,6
Cyanatester
4,4
BT
4,2
Polyimid
4
multifunkt. FR4
3,8
FR4
3,6
3,4
3,2
3
2
Abb. 8:
Frequenz in MHz
100
Er-Bestimmung in Abhängigkeit von der Frequenz für verschiedene
Harzsysteme. Die Dielektrizitätskonstante ist für eine Materialkombination nur solange konstant, wie das Harz - Trägerverhältnis konstant
ist.
Er-Wert
4,9
4,8
4,7
ca. 60%
4,6
ca. 55%
4,5
ca. 50%
4,4
ca. 45%
4,3
ca. 40%
4,2
4,1
4
2
Abb. 9:
Frequenz in MHz
100
Einfluss des Harzgehaltes auf die Dielektrizitätszahl
Basismaterial
4.2
VDE/VDI
3711,
Blatt 2
Seite 15
Thermische Eigenschaften
Die thermischen Eigenschaften der Basismaterialien werden durch das gewählte
Harzsystem bestimmt.
Mit der Forderung nach höherer Wärmebeständigkeit wurden Modifikationen sowohl an den
Epoxidharzen als auch am Härter und Beschleuniger durchgeführt.
Heute verwendete FR-4 Laminate haben Tg-Werte von 130 - 145°C und werden damit den
meisten Anforderungen gerecht.
FR-4 Laminate beginnen, bei Temperaturen oberhalb 180°C zu oxidieren, und spalten
anschließend Wasser ab. Diese Wasserabspaltung bedeutet nicht das Aufspalten von
Molekülketten und damit Zersetzung, sondern ist lediglich eine Umlagerungsreaktion, die
aber zur Materialversprödung führt.
Thermogravimetrische Untersuchungen können dieses Verhalten deutlich aufzeigen.
Langzeituntersuchungen bei 250°C bestätigen, daß ausser der Oxidation/Dehydration keine
Veränderungen auftreten.( Abbildung 10)
Thermogravimetrische Langzeituntersuchung
Geewichtsverlust %
an FR4 - 1,55 mm - 35/0 µm bei 250°C
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16
Zeit in Tagen
Abbildung 10: Thermogravimetrische Langzeitanalyse von FR-4
Eine Zersetzung des Epoxidharzes beginnt erst bei Temperaturen oberhalb 280°C. Es wird
bei den thermischen Eigenschaften zwischen der Dauer-temperaturbeständigkeit und der
kurzfristigen Beständigkeit unterschieden.
Basismaterial
VDE/VDI
3711,
Blatt 2
Seite 16
Eine Übersicht ist für verschiedene Materialien in Abbildung 11 angegeben.
NEMA Type
XXXPC
FR-2
FR-3
CEM-1
FR-4
Dauertemperaturbeständigkeit
95°C
110°C
130°C
130°C
130°C
FR-5
ohne Klassifikation
Polyimid
170°C
kurzfristige Temperaturbeständigkeit
soll
ist
>10 sec
260°C
>20 sec
>10 sec
260°C
>45 sec
>10 sec
260°C
>45 sec
>20 sec
260°C
>120 sec
>10 sec
287°C
>60 sec
>10 sec
287°C
>120 sec
230°C
>10 sec
287°C
>120 sec
Abbildung 11: Temperaturbeständigkeit verschiedener Laminate
Die Temperaturbeständigkeit des Basismaterials wird durch die Glasumwandlungstemperatur vorgegeben.
Entsprechende Werte für verschiedene Basismaterialien sind in Abbildung 12 gelistet.
Tg/°C
300
260
235
250
210
200
150
135
145
160
100
50
0
FR4
tetrafunkt.
FR4
multifunkt.
FR4
BT-Harz
Cyanatester
Polyimid
Abbildung 12: Glasübergangstemperaturen von Basismaterialien
Die Glasumwandlungstemperatur des Laminates lässt sich durch entsprechendes
Abmischen verschiedener Komponenten sehr genau einstellen.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient eines Laminates ist ein Maß für die Ausdehnung
des Materials unter Wärmebelastung. Dieser Wert ist immer dann wichtig, wenn es gilt zu
prüfen, ob die Verbindung verschiedener Materialien nicht zu Problemen bei
Wärmeeinwirkung führt.
Die Materialien verhalten sich unterhalb des Glasumwandlungspunktes deutlich anders als
bei Temperaturen oberhalb des Tg. In Abbildung 13 ist dieses Ausdehnungsverhalten in ZRichtung für verschiedene Laminate aufgezeigt.
Basismaterial
VDE/VDI
3711,
Blatt 2
Seite 17
Deutlich erkennt man, wie das Material unterhalb Tg nur eine geringe Längenänderung
erfährt. Oberhalb des Tg steigt die Kurve dann steil an, die Längenänderung ist nun
erheblich größer.
Ausdehnung in delta l/lo
Vergleich der Z-Achsenausdehnung
delta l = lo * alpha * delta T
60
50
1.FR4 m odifiziert
40
2.FR4
30
3.FR5 G FG
20
10
0
0
50
100
150
200
250
300
Tem peratur in °C
Abbildung 13: Thermischer Ausdehnungskoeffizient in Z-Achse
Neben den allgemeinen thermischen Eigenschaften ist auch die Brennbarkeit ein Kriterium
der Beurteilung der Basismaterialien. Standard Normenwerk ist hier die Spezifikation von
Underwriters Laboratories in den USA, UL 796. Normalerweise verlangen die Anwender die
Einhaltung der Klassifikation V0, d. h. selbstverlöschend innerhalb von 10 sec unter
spezifizierten Bedingungen. Diese schwierigste aller Klassen der UL 796 ist bei
Basismaterial nur durch Zugabe von Flammschutzmitteln zu erreichen.
4.3
Mechanische und verarbeitungsrelevante Eigenschaften
Bei den mechanischen Eigenschaften ist die Dimensionsstabilität als wohl wichtigstes
Kriterium zu nennen. Da bei der Leiterplattenherstellung verschiedene Strukturen passgenau
zueinander aufgebracht werden müssen, trägt die absolute Dimensionsstabilität einerseits,
und die Kontinuität der Dimensionsstabilität für die Lieferchargen andererseits maßgeblich
zur Qualität der Produktion bei.
Die üblichen Testmethoden zur Prüfung der Dimensionsstabilität haben dabei jedoch den
Nachteil, nicht unbedingt die Verhältnisse bei der Verarbeitung wiederzugeben. Dies
bedeutet, die Testmethoden zeigen lediglich das gleichbleibende Verhalten des Laminates
auf, nicht jedoch das absolute Verhalten. Dementsprechend lassen sich gemessene Werte
nicht unbedingt zur Kompensation von Filmunterlagen verwenden. Mit höherwertigen
Basismaterial
VDE/VDI
3711,
Blatt 2
Seite 18
Harzsystemen nimmt die Dimensionsstabilität in Z-Achse zu, gleichzeitig steigen die
Anforderungen in der Weiterverarbeitung.
Die Wasseraufnahme von Laminaten ist ebenfalls ein wichtiger Parameter. Sie erfolgt durch
Diffusion in das Harz, praktisch alle Polymere zeigen ein solches Verhalten. In Abbildung 14
ist dies für einige Epoxidharzsysteme aufgezeigt.
Wasseraufnahme %
Dicke 1,6 mm
0,6
WASSERAUFNAHME
in kochendem Wasser
0,5
0,4
0,3
FR 4
0,2
FR 5/GH
0,1
FR 5/GFG
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Zeit - Stunden
Abbildung 14: Wasseraufnahme in kochendem Wasser
Mit der Wasseraufnahme verändern sich die mechanischen und physikalischen Kenndaten
des Basismaterials. Diese Wasseraufnahme findet auch bei fertigen Leiterplatten während
der normalen Lagerung statt. Das Laminat nimmt normale Luftfeuchtigkeit auf. Dies
verursacht eine Senkung des Glasumwandlungspunktes, was gleichzeitig mit einer
Schwächung der Temperaturstabilität verbunden ist. In Abbildung 15 ist dieses Verhalten am
Beispiel von FR-4 aufgezeigt.
Basismaterial
VDE/VDI
3711,
Blatt 2
Seite 19
Tg nach Wasserlagerung
Masslam 4 Lagen - FR 4
Temperatur °C
140
135
130
TG1
TG2
125
120
115
110
0
16
40
64
120
Zeit - Stunde
200
250
500
Abbildung 15: Veränderung des Tg durch Wasseraufnahme
Dieser Prozess ist reversibel, d. h. durch Trocknung des Laminates wird auch wieder eine
Erhöhung des Tg erreicht. Diese Tatsache ist insbesondere für die Leiterplattenbestücker
von Wichtigkeit. Durch längere Lagerung von Leiterplatten findet eine Wasseraufnahme
statt. Bevor Leiterplatten starken thermischen Belastungen, wie z. B. Infrarot-Löten,
ausgesetzt werden, muß die Leiterplatte getempert werden, um die Feuchtigkeit zu
entfernen und die Temperaturstabilität zu erhöhen. Wird dies nicht getan, können
Delaminationen des Basismaterials beim Löten die Folge sein.
Die Haftfestigkeit der Kupferfolie auf dem Basismaterial ist ein weiteres wichtiges Kriterium.
Sie wird nicht nur im Anlieferzustand gemessen, sondern auch nach Wärmeschock, nach
Prozeßsimulation und bei 180°C. Die Haftfestigkeitswerte richten sich dabei nach dem
verwendeten Harzsystem einerseits und nach dem Treatment der Kupferfolie andererseits.
5
Multilayer
Multilayer sind Schaltungen mit mehr als zwei Leiterebenen. Die vorgefertigten Innenlagen
werden dabei mit Prepregs (Laminat im B-Zustand) unter dem für die Polymerisation
notwendigen Druck und Hitze so verpresst, daß eine Mehrlagenschaltung entsteht, deren
Innenlagen genau zueinander ausgerichtet sind. Als Basismaterial werden Epoxidharze in
unterschiedlichen Funktionalitäten sowie höherwertige Harzsysteme verwendet. Der
interlaminare Haftverbund benötigt dabei eine Vorbehandlung der Kupferoberflächen. Dies
erfolgt meist durch die Oxidation der Kupferoberfläche mit Hilfe von stark oxidierenden
Chemikalien (z. B. Natriumchlorit). Die so gebildete Kupferoxidoberfläche hat, vergleichbar
dem Treatment der Kupferfolie, eine gerauhte Oberflächenstruktur, die die Haftung des
Harzes verbessert. Da diese Oxidschicht größtenteils aus zweiwertigem Kupferoxid besteht,
welches nicht säurebeständig ist, wird zusätzlich nach der Oxidation eine gezielte Reduktion
des zweiwertigen Kupferoxids in einwertiges, säurebeständiges Kupferoxid vorgenommen.
Basismaterial
VDE/VDI
3711,
Blatt 2
Seite 20
Dieses reduzierte Oxid verhindert nach dem Bohren der Multilayer den Angriff der sauren
Prozeßchemikalien der Folgeprozesse auf die Oxidschicht. Alternativ besteht die
Möglichkeit, anstelle der Oxidation eine doppelseitig getreatete Kupferfolie zu verwenden.
5.1
Aufbauten
Die Aufbauten eines Multilayers richten sich zum einen nach der geforderten Enddicke, zum
anderen nach den gewünschten elektrischen Eigenschaften. Die wirtschaftlichen
Gesichtspunkte spielen natürlich ebenfalls eine Rolle, müssen sich aber den vorgenannten
Gründen meist unterordnen. Standard-Aufbauten für 6 und 8 Lagen Multilayer sind in
Abbildung 16 für die Enddicke 1,5 mm angegeben.
Multilayer, Aufbau: 6 Lagen
Enddicken mm
Lage 1 Cu-Folie
Prepregs
Lage 2 Cu
Laminat
Lage 3 Cu
Prepregs
Lage 4 Cu
Laminat
Lage 5 Cu
Prepregs
Lage 6 Cu-Folie
1,6
+
0,15
18 oder
35
2
x
0,105
35
0,38
35
3
x
0,105
35
35
35
0,38
0,51
0,38
35
35
35
2 x 0,105 1 x 0,105 2
x
1 x 0,066 0,105
18 oder 18 oder 18 oder
35
35
35
1,5
+
0,15
18 oder
35
2 x 0,105
1,6
+
0,15
18 oder
35
1 x 0,066
1 x 0,105
35
35
0,38
0,51
35
35
2 x 0,105 2 x 0,105
1,6
+ 2,4 + 0,2
0,15
18 oder 18 oder 35
35
2 x 0,18 1 x 0,066
1 x 0,18
35
35
0,2
0,71
35
35
2 x 0,18 2 x 0,18
35
0,2
35
2 x 0,18
18
35
35
0,71
35
1 x 0,18
1 x 0,066
oder 18 oder 35
Basismaterial
Multilayer, Aufbau: 8 Lagen
Enddicken mm
Prepregs
1,5
+
0,15
18 oder
35
2 x 0,105
Lage 2 Cu
Laminat
Lage 3 Cu
Prepregs
35
0,2
35
2 x 0,105
Lage 4 Cu
Laminat
Lage 5 Cu
Prepregs
35
0,2
35
2 x 0,105
Lage 6 Cu
Laminat
Lage 7 Cu
Prepregs
35
0,2
35
2 x 0,105
Lage 8 Cu-Folie
18
35
Lage 1 Cu-Folie
Prepregdicke:
oder
2,0 + 0,2 2,4 + 0,2 3,2 + 0,25
18 oder
35
2
x
0,105
35
0,38
35
2
x
0,105
35
0,38
35
2
x
0,105
35
0,38
35
2
x
0,105
18 oder
35
18 oder 18 oder 35
35
2 x 0,105 2 x 0,105
35
0,51
35
2 x 0,105
35
0,76
35
2 x 0,105
35
0,51
35
2 x 0,105
35
0,76
35
2 x 0,105
35
0,51
35
2 x 0,105
35
0,76
35
2 x 0,105
18
35
oder 18 oder 35
0,066 mm = Prepregtyp 1080
Dickenangaben in mm
-
Kupferfolie in µm
Abbildung 16: Standard Multilayer-Aufbauten
VDE/VDI
3711,
Blatt 2
Seite 21
Basismaterial
VDE/VDI
3711,
Blatt 2
Seite 22
Vorgenannte Aufbauten sind alle in Folientechnik ausgeführt, d. h. beim Verlegen des
Multilayers wird zur Bildung der Aussenlagen Kupferfolie verwendet. Die alternative Technik
nennt sich Caplayer-Technik und arbeitet mit dünnen, einseitig kupferkaschierten
Innenlagen. Dabei ist die Problematik der Handhabung der dünnen Kupferfolien nicht
gegeben. Als dritte Möglichkeit des Aufbaus ist die Coretechnik zu nennen. Bei dieser
Variante wird ausschließlich mit Innenlagen gearbeitet. Die beiden äusseren Innenlagen
erhalten dabei lediglich auf einer Lage eine Strukturierung (Leiterbild), die später nach
aussen gewandte Seite bleibt vollflächig Kupfer.
Will man erhöhte Kosten vermeiden, so gilt es kostengünstige und standardisierte Aufbauten
sowohl für den Multilayer als auch für die hierbei verwendeten Innenlagen und Prepregs zu
wählen. Bedingt durch die zunehmende Anzahl an impedanzkontollierten Schaltungen ist es
nicht immer möglich, vorgenannte Aufbau-Standards zu wählen. Bei den Innenlagen ist dies
jedoch eher möglich, Abbildung 17 listet diese Aufbau-Standards.
Dicke mil
2
3
4
5
10
12
14
16
mm
0,05
0,075
0,10
0,125 (einlagig)
(zweilagig)
0,15 (einlagig)
(zweilagig)
0,20 (einlagig)
(zweilagig)
0,25
0,30
0,36
0,41
18
0,46
20
22
0,51
0,56
0,61
28
30
36
42
0,71
0,76
0,90
1,08
6
8
Aufbau
1 x 106
1 x 1080
1 x 2116
1 x 2165
2 x 1080
1 x 2165
2 x 1080
1 x 7628
2 x 2116
2 x 2165
2 x 2165
2 x 7628
2 x 7628
1 x 1080
2 x 7628
1 x 2125
3 x 7628
3 x 7628
2 x 2165
2 x 7628
4 x 7628
4 x 7628
5 x 7628
6 x 7628
Abbildung 17: Dicken und Aufbauten von Dünnlaminaten
Basismaterial
VDE/VDI
3711,
Blatt 2
Seite 23
Aus Standardisierungsgründen sollte man sich bei Prepregs möglichst auf die Glastypen
106, 1080, 2125 und 7628 beschränken.
Bei Multilayern ist, wie bei den Laminaten für doppelseitige Schaltungen, ein Trend zur
Reduzierung der Gesamtdicke erkennbar. Multilayer mit einer Enddicke zwischen 0,5 und
0,8 mm sind mehr und mehr im Einsatz. Solch dünne Schaltungen zeichnen sich nicht nur
durch die reduzierte Dicke aus, sondern auch durch deutlich geringeres Gewicht.
5.2
Pressverfahren
Bei den Pressverfahren für Multilayer kann man mit Heiz/Kühlpressen und mit den bei der
Basismaterialherstellung bereits erwähnten Transferpressen oder mit Druck-Autoklaven
arbeiten.
In den hydraulischen Pressen wird das vorbereitete Preßpaket in die aufzuheizende
(Kaltstart) oder aufgeheizte (Heißstart) Presse eingeschoben. Bis zum Schließen der Presse
sollten beim Heißstart die Presspakete dabei noch nicht flächig auf der Heizetage aufliegen.
Nachdem der Druck angelegt ist (er beträgt zwischen 150-300 N/cm²), werden gleichzeitig
die Presspakete aufgeheizt. Die mittlere Aufheiz-geschwindigkeit der Pakete liegt zwischen
5-8°C/min. Bei normalem FR-4 wird bis auf 175-180°C geheizt, höher vernetzte Systeme
benötigen teilweise 225°C. Alternativ läßt sich eine Nachhärtung der höher vernetzten
Systeme im Temperofen bei 225°C erreichen. Die Presszeit richtet sich sowohl nach dem
verwendeten Harzsystem als auch nach der Dicke des Pressbuchs. Es gilt sicherzustellen,
daß auch die mittlere Platte im Pressbuch komplett ausgehärtet ist. FR-4-Systeme
benötigen zur Aushärtung 45 min. Unter Kontaktdruck wird anschließend das Presspaket
abgekühlt. Die Multilayer sollten erst der Presse entnommen werden, wenn eine Temperatur
von 40°C erreicht ist.
Der Aufbau der Presspakete ist dabei vergleichbar dessen, wie er für das Basismaterial
erwähnt wurde. Pressbleche mit einer Dicke von 1,5 bis 2,0 mm aus hochglanzpoliertem
Edelstahl und Papierpresspolster mit einem Gesamtgewicht von 300-500 g/m² werden
normalerweise verwendet. Alternativ zu den Pressblechen haben sich verstärkt 0,35 mm
dicke Aluminiumbleche durchgesetzt. Diese Bleche werden anstelle der Edelstahlbleche
eingesetzt und haben den Vorteil, daß aufgrund der reduzierten Dicke mehr Schaltungen pro
Pressbuch eingelegt werden können. Beim Einsatz von Edelstahlblechen sind diese immer
größer. Das Kupfer für die Aussenseiten wird ebenfalls größer gewählt als die Innenlagen,
um die Pressbleche beim Pressen vor ausfließendem Harz zu schützen. Im Gegensatz zum
Verpressen von normalem Basismaterial wird jedoch noch ein Presswerkzeug benötigt.
Dieses Presswerkzeug aus 6-10 mm dickem Werkzeugstahl enthält die Stifte, die zur
Registrierung der Innenlagen zueinander notwendig sind. Hydraulische Pressen werden
immer häufiger mit Vakuumkammern hergestellt, um auch beim Pressen von Multilayern
bessere Pressergebnisse zu erreichen.
Basismaterial
VDE/VDI
3711,
Blatt 2
Seite 24
Bei Autoklavpressen handelt es sich um isostatische Gas- oder Öldruckpressen. Die
Presspakete werden dabei vakuumverpackt in eine Druckkammer eingefahren. Die
Druckkammer wird mit einem inerten Gas (z. B. Stickstoff) oder Öl geflutet, das Medium
dient der Übertragung von Druck und Hitze. Der isostatische Druck beim Verpressen beträgt
80-200 N/cm². Im Gegensatz zum hydraulichen Pressen können in der Druckkammer
unterschiedliche Pressformate gleichzeitig verpresst werden.
5.3
Registrierverfahren
Die Innenlagen der Multilayer müssen zueinander registriert werden, zusätzlich ist eine
Registrierung des geätzten Bildes zum Bohrbild erforderlich. Das bekannteste Verfahren ist
das Stift- oder Aufnahmeloch-System. Bei diesem Verfahren werden die Aufnahmelöcher
der Innenlagen gestanzt oder gebohrt. Diese Löcher können zum Registrieren der Filme
beim Fotoprozess, zum Registrieren beim Verpressen und zum Registrieren beim Bohren
verwendet werden. Die Prepregs werden im Bereich der Bohrungen der Innenlagen größer
freigestellt, um ein Zufließen der Registrierlöcher bzw. ein Verbacken mit den
Registrierstiften zu vermeiden.
Will man die beim Ätzen der Innenlagen auftretende Längenänderung nicht bereits als erste
Verschiebung des Registriersystems haben, kann man das Registriersystem unter
Zuhilfenahme einer Registrieroptik nach dem Ätzen stanzen. Man benötigt dann jedoch ein
weiteres System, um das versatzfreie Belichten der Vorder- und Rückseite der Innenlagen
zu sichern.
Da das Basismaterial beim Verpressen schrumpft, sind gegenüberliegende Rundlöcher als
System ungeeignet. Mindestens ein Loch muß als Langloch ausgeführt sein, um dem
Material Spielraum zur Schrumpfung zu geben. Bei diesem Rundloch/Langloch-System geht
die gesamte Schrumpfung zum Rundloch. Alternativ lässt sich an allen vier Seiten der
Innenlagen ein Langloch einbringen. Die gesamte Schrumpfung geht bei diesem System
dann zur Mitte. Das Fließverhalten der Prepregs, die im Randbereich nach aussen fließen,
beeinflußt mit die Registriergenauigkeit des Multilayers.
Das schwimmende Verpressen ohne Stiftformen stellt die Alternative zum Stiftsystem dar.
Optisches Registrieren und Innenlagenregistrieren werden hierbei unterschieden. Beim
optischen Registrieren werden beim Herstellen der Innenlagen die Registriersymbole
mitgeätzt.
Bei Multilayern mit einem Innenlagencore (4 Lagen) werden die Registriersymbole nach dem
Pressen freigefräst und dann optisch aufgebohrt. Bei mehreren Cores lassen sich die
Innenlagen über entsprechende Optiksysteme zueinander ausrichten und dann punktuell
über die zwischen den einzelnen Innenlagen liegenden Prepregs verkleben. Nach dem
Verpressen werden auch solche höherlagigen Multilayer über gebohrte, freigefräste
Registriersymbole zentriert.
Basismaterial
VDE/VDI
3711,
Blatt 2
Seite 25
Beim Innenlagenregistrieren werden die einzelnen Innenlagen mit einem gebohrten oder
gestanzten Registriersystem versehen. Die einzelnen Innenlagencores werden über das
Registriersytem mit Hilfe von Kunststoff-Stiften oder Metallhülsen miteinander verbunden
und fixiert. Solch ein Multilayer lässt sich dann schwimmend ohne Stiftwerkzeug verpressen.
5.4
Qualitätsmerkmale und Testmethoden
Der Haftverbund der Innenlagen zueinander wird über die Prepregs erzeugt. Die Prepregs
können über die Parameter Harzgehalt, Fluß, Reaktivität und Schmelzviskosität
charakterisiert werden. Ein hoher Harzgehalt ist insbesondere dann wichtig, wenn viele
topographischen Unebenheiten bzw. Bohrungen gefüllt werden müssen.
Beim fertigen Multilayer ist es wichtig, die Festigkeit des Haftverbundes, die komplette
Aushärtung, die Porenfreiheit, das Schrumpfverhalten der Innenlagen und die
Hitzebeständigkeit zu prüfen.
Den Haftverbund prüft man normalerweise durch eine Zerreißmaschine, die die Kraft mißt,
die erforderlich ist, um einen interlaminaren Haftverbund aufzureißen. Bei FR-4 findet man
dabei Werte größer 900 N/mm. Bei Multilayer liegen die Werte normalerweise höher als bei
starrem Laminat.
Die komplette Aushärtung
läßt
sich zusammen
mit
der
Messung
der
Glasumwandlungstemperatur prüfen. Ein Unterschied von Tg1 zu Tg2 von kleiner als 4°C
zeigt die komplette Aushärtung des Multilayers an.
Die Porenfreiheit des verpressten Multilayers lässt sich im Schliff, zusammen mit dem
Innenlagenversatz als auch durch Abätzen der Kupferfolie visuell prüfen.
Das Schrumpfverhalten der Innenlagen wird mit Röntgengeräten geprüft. Die
Hitzebeständigkeit der Multilayer prüft man normalerweise im Lötbad nach MIL-P-13949.
Elektrische Prüfungen der dielektrischen Eigenschaften des Basismaterials lassen sich
bedingt am fertigen Multilayer durchführen.
Bohren
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.1
Seite 1
Allgemeines
Bohrungen erfüllen in der Leiterplatte verschiedene Aufgaben. Sie dienen der Aufnahme der
Leiterplatte für folgende Fertigungsprozesse und zur Befestigung der Bauteilanschlüsse bei
Einsteckmontage. Für Leiterplatten mit mehr als einer Leiterebene erfolgt die Kontaktierung
durch die Metallisierung der Bohrlochwandung, wobei die angeschnittenen Kupferschichten
elektrisch leitend verbunden werden.
Das Bohren erfordert höchste Präzision, da Bohrbild und Druckbild der Leitergeometrie
paßgenau zugeordnet werden müssen. Bei doppelseitigen Leiterplatten sind es die
Druckbilder der Vorder- und Rückseite (Bestückungs- und Lötseite). Das Bohren von
mehrlagigen Leiterplatten (Multilayer) erfolgt nach dem Verpressen der geätzten Innenlagen.
Dabei orientieren sich die zulässigen Toleranzen des Bohrversatzes an den Größen der
Pad’s bzw. Antipad’s in den Innenlagen.
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.1
Bohren
Seite 2
Schematische Inhaltsdarstellung
Wareneingangskontrolle / Bohrer
!
Pkt. 1
Bohrermanagement
!
Pkt. 2
Paketieren
!
Pkt. 3
Bohrmaschine / Einrichten
!
Pkt. 4
Bohrer / Bohrdaten
!
Pkt. 5
Beladen der Bohrmaschine
!
Pkt. 6
Bohren / Bohrtechnologie
!
Pkt. 7
Entladen der Bohrmaschine
!
Pkt. 8
Vereinzelung der Paketierung
!
Pkt. 9
Qualitätssicherung
!
Pkt. 10
Bohren
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.1
Seite 3
Prozeßablauf beim Bohren
Paketieren
Bohrer
Bohrermanagement
Bohrdaten
Bohren
Nachschleifen
Bohrer
Verschleißprüfung
Vereinzeln
Prüfen
1
Wareneingangskontrolle / Bohrer
Aufgrund der unterschiedlichen Materialstruktur von Leiterplatten können beim Bohren nur
Vollhartmetall-Spezialbohrer eingesetzt werden. Um einen sicheren Prozeßablauf zu
gewährleisten kommt der Eingangskontrolle eine entscheidende Bedeutung zu. Die
Wareneingangskontrolle der Bohrer sollte sich auf folgende Hauptkriterien beschränken:
• Bohrer-Nenndurchmesser
• Spirallänge (Nutlänge) L2
• Schneidengeometrie der Bohrerspitze
Auf den nachfolgenden Seiten 4 und 5 sind die Abmessungen der Bohrer sowie die
Schneidengeometrie der Bohrerspitze dargestellt.
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Seite 4
Bohren
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Seite 5
Bohren
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Seite 6
1.1 Handhabung der Werkzeuge
Zur Prüfung des Bohrerdurchmessers sollte ein optisches Meßverfahren verwendet werden,
um mechanische Beschädigungen am Bohrer zu vermeiden.
Nach der Prüfung sind die Bohrer wieder in ihre Originalverpackungen zu stecken. Damit ist
ein sicherer und beschädigungsfreier Transport der Werkzeuge gewährleistet (auch zum
Nachschleifen).
2
Bohrermanagement
Unter Bohrermanagement ist die Bohrerverwaltung und -vorbereitung
Werkzeughandling mit der Werkzeugkassettenverwaltung zu verstehen.
sowie das
Über die Bohrerverwaltung wird die auftragsspezifische Bohrerzusammenstellung
vorgenommen. Hierbei werden die Bohrer magaziniert. Aus den Kassetten wechselt die
Maschine nach Vorgabe im Bohrprogramm die Bohrer nach Durchmesser und Standzeit
vollautomatisch aus.
Um beim Microbohren das Werkzeughandling zu vereinfachen, wurde das Euromagazin
entwickelt. Das Euromagazin besteht aus einem linearen Streifen aus Kunststoff, der
insgesamt 11 Werkzeugpositionen aufweist. Bestückt wird das Euromagazin jedoch nur mit
10 Werkzeugen. Der zusätzliche Leerplatz wird hierbei zur optischen Trennung von neuen
und gebrauchten Werkzeugen benutzt. In Bild 1 ist eine Werkzeugkassette mit 600 Bohrern
und Euromagazinen dargestellt.
Bild 1: Werkzeugkassette mit 600 Bohrern und Euromagazinen
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Bohren
Seite 7
Die Werkzeugkassetten-Verwaltung ist ein entscheidender Faktor zur Erhöhung der
Produktivität beim Bohren. Bei manuellen Bohrmaschinen kommen heute 100 oder 200
Werkzeuge pro Spindel zum Einsatz. Bei den automatischen Bohrmaschinen sind 400
Werkzeuge oder mit Euromagazinen 600 bis 1.200 Werkzeuge je Bohrkopf notwendig (Bild
2). Um diese Vielzahl von Werkzeugen verwalten zu können, ist ein separater
Werkzeugbestückungsplatz erforderlich.
Die Aufgabenstellung, Werkzeugkassetten für die Produktion zur Verfügung zu stellen, kann
auf unterschiedliche Weise gelöst werden. Eine Möglichkeit besteht darin, mit StandardWerkzeugkassetten zu arbeiten. Dabei wird für alle Aufträge die gleiche
Kassettenbestückung gewählt. Die andere Möglichkeit besteht darin, die Bestückung der
Werkzeugkassetten exakt am Bedarf eines zu produzierenden Auftrages durchzuführen. Die
so erzeugten Werkzeugkassetten werden als auftragsspezifische Werkzeugkassetten
bezeichnet. Ihre Bestückung ist für jeden Auftrag anders.
Werkzeugverwaltung
Manuelle Maschinen
Autom. Maschinen
100 Werkzeuge
400 Werkzeuge
200 Werkzeuge
Euro -Magazin
200 Werkzeuge
200 Werkzeuge
WerkzeugBestückungsplatz
Bild 2: Werkzeugverwaltung bei manuellen und automatischen Maschinen
Die Bestückung von Standard-Werkzeugkassetten wird so gewählt, daß alle in der
Produktion benötigten Werkzeuge mindestens einmal in der Kassette vorhanden sind.
Bohren
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3711,
Blatt 3.1
Seite 8
Häufig benötigte Werkzeuge sind mehrfach vorhanden (Schwesterwerkzeuge). Gewechselt
werden die Kassetten entweder, nachdem mehrere Aufträge bearbeitet wurden, oder wenn
für einen Werkzeugtyp kein Schwesterwerkzeug mehr vorhanden ist.
Bei den auftragsspezifischen Werkzeugkassetten erfolgt die Bestückung der Kassetten
aufgrund des zu fertigenden Auftrages. Dazu steht eine Software zur Verfügung, welche die
Belegung der Kassette generiert. Vom Bediener sind nur die Losgrößen und die Namen der
Bohrprogramme einzugeben. Aus dem Bohrprogramm, den Bohrparametern und den
Losgrößen wird der Werkzeugbedarf ermittelt und ein Datensatz für die Werkzeugkassette
erstellt.
Vorteile der auftragsspezifischen Kassetten gegenüber Standard-Werkzeug-kassetten:
•
•
optimale Ausnutzung der Kassettenkapazität
keine Unterbrechung der Produktion durch fehlende Werkzeuge, da genau bekannt
ist, wann die Kassetten getauscht werden müssen
Der Werkzeugbestückungsplatz besteht aus einem grafischen Werkzeugkassetten-Editor
und einer Vorrichtung zur Aufnahme der Werkzeugkassetten. Der grafische
Werkzeugkassetten-Editor ist ein effektives Hilfsmittel zum Erstellen neuer und zum
Bestücken abgelaufener Werkzeugkassetten. Mit ihm lassen sich sowohl Einzelwerkzeuge
als auch Euromagazine verwalten.
2.1
Bohren mit Distanzring
Zur Positionierung des Bohrers in der Bohrspindel wird ein Kunststoff-Distanzring in Bezug
zur Bohrerspitze auf den Spannschaft gepreßt. Von der genauen Position des Ringes stellt
die CNC-Steuerung einen Bezug zur Bohrerspitze her.
2.2
Bohren ohne Distanzring
Bei diesem Bohrverfahren wird die 0-Position der Z-Achse nach jedem Werkzeugwechsel
mittels einer mechanischen Kalibrierstation oder durch ein Lasermeßgerät (siehe Kapitel 4.2)
geprüft und danach der Bohrhub ausgeführt. Der Bezug zur Bohrerspitze wird hierbei über
die Werkzeuglänge vorgegeben.
Für Leiterplattenbohrmaschinen mit automatischem Werkzeugwechsel werden die Bohrer
aus den Magazinen entnommen und in die Bohrspindel eingeführt. Anschließend erfolgt die
Klemmung am Werkzeugschaft durch die Spannzange in der Spindel.
Bohren
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Seite 9
2.3
Bohrerverschleiß / Nachschleifen
Die mögliche Bohrstrecke (Hubzahl x Paketdicke) ist abhängig von Basismaterial, Schnittund Vorschubgeschwindigkeit, Bohrerdurchmesser, geforderter Bohrlochqualität und
Werkzeug.
Bei durchmetallisierten Leiterplatten aus FR4-Material gelten folgende Richtwerte:
Bohrerdurchmesser 0,3 mm,
Bohrstrecke 3 bis 7 m
Nach Erreichen der Richtwerte können die Werkzeuge bis maximal 3 x nachgeschliffen
werden. Beim Nachschleifen wird immer nur die Bohrerspitze regeneriert. Die
Nebenschneiden werden bei zu langem Einsatz des Bohrers ebenfalls abgenutzt. Deshalb
die Limitierung auf dreimaliges Nachschleifen (Bild 3).
Bild 3: Nachschliff beim Bohrer
3
Paketieren
Für die Serienbearbeitung werden aus Rationalisierungsgründen mehrere Zuschnitte zusätzlich mit Bohrunter- und Bohrauflagen - übereinander gestapelt.
Zweck der Bohrunterlage:
Verminderung von Bohrgrat,
Auslauf der Bohrerspitze
Zweck der Bohrauflage:
Verminderung von Bohrgrat,
Schutz der Kupferkaschierung,
Werkzeugreinigung
Als Bohrunterlagen werden verwendet:
• Phenolharzpapier
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.1
Bohren
Seite 10
• speziell gefertigte Holzspanplatten, mit und ohne Kaschierungen aus Papier oder
Melaminharz. Die üblichen Plattendicken betragen 2 - 5 mm.
Als Bohrauflagen kommen zum Einsatz:
Material
Phenolharzhartpapier
Aluminiumblech
Leg.
F
Kunststoff-Folie
0,4 - 0,5 mm
alle
0,2 - 0,3 mm
> 0,2 mm
0,1 mm
< 0,2 mm
Anmerkung:
Bei der Verwendung von Aluminiumfolien (unter 0,24 mm) entsteht das Problem der
„Blasenbildung“: Durch den hohen Anpreßdruck des Niederhalters (20-30 kp) wird die AlFolie deformiert. Die Folie wölbt sich in die Niederhalteröffnung hinein (Bild 4). Dies führt zu
Gratbildund und Bohrerverlauf. Außerdem kann die Position des Bohrers beim Auftreffen auf
die Aluminiumfolie verlaufen. Eine Abhilfe wird durch eine möglichst kleine Bohrung im
Niederhalter-Druckring erreicht.
Bild 4: Blasenbildung der Aluminiumfolie
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Seite 11
3.1
Paketieren mit Stiften
In das zusammengelegte Paket werden mit einer Bohr- und Verstiftmaschine nacheinander
die Stiftaufnahmebohrungen eingebracht und die Stifte eingepreßt. Die Stifte dienen zum
Zusammenhalten des Paketes und als Aufnahmestifte zum Registrieren auf dem
Maschinentisch. Stiftdurchmesser und Stiftlänge sind auf den Bohrmaschinentisch
abzustimmen.
3.2
Paketieren ohne Stifte
Das Arbeiten ohne Stifte setzt den Einsatz von Zuschnitten mit genauen Kanten voraus und
wird immer häufiger eingesetzt. Die Fixierung der Zuschnitte als Paket erfolgt mit einem
selbstklebenden Bandabschnitt von der Oberseite über die Kante zur Unterseite des
Paketes. Pro Kante wird ein Klebestreifen gesetzt. Das Positionieren des Paketes wird über
feste und pneumatisch betätigte Anschläge auf dem Maschinentisch vorgenommen. Diese
Anschläge sind gleichzeitig als Spannpratzen ausgebildet, die für eine spielfreie
Aufspannung des Paketes sorgen.
4
Bohrmaschine / Einrichten
Leiterplattenbohrmaschinen stehen als Ein- oder Mehrspindel-Ausführung zur Verfügung.
Der Grundaufbau der heutigen Bohrmaschinen ist bei den meisten Herstellern aus Granit
gefertigt, wobei das Prinzip der geteilten Achsen am häufigsten anzutreffen ist. Die Führung
der X- und Y-Achse erfolgt durch Prä-zisionsluftlager mit einer Luftspaltkompensation.
Dieses Prinzip kompensiert jede Längenänderung zwischen Granit, Traversenschlitten und
Maschinentisch bei Temperaturschwankungen.
Die moderne CNC-Steuerung ermöglicht in Verbindung mit den Achsantrieben und den
linearen Meßsystemen ein schwingungsfreies Positionieren der X- und Y-Achse bei
optimalen Positionierzeiten und höchster Positioniergenauigkeit. Die bisher eingesetzten
DC-Servomotoren werden heute durch AC-Servomotoren ersetzt, die entscheidende Vorteile
aufweisen: Sie sind bürstenlos, wartungsfrei, bieten eine sehr gute Dynamik und höhere
Leistungen bei gleicher Motorabmessung.
Um die Bohrzeiten und damit die Durchlaufzeiten zu halbieren, wurde die TWINBohrmaschine entwickelt. Bei diesem Maschinentyp ist die X-Achse mit zwei Bohrköpfen
ausgestattet, die mittels zweier CNC-Achsen das Leiterplattenpaket gleichzeitig bohren (Bild
5). Dadurch ergibt sich eine höhere Produktivität, die bei 70 % bis 100 % liegt. Dieser
Maschinentyp ist einer Zweispindel-Maschine in bezug auf Produktivität nahezu
gleichzusetzen.
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Seite 12
Bild 5: Innenraum einer TWIN-Bohrmaschine
4.1
Bohrköpfe mit Bohrspindeln
An dem Traversenschlitten sind die Bohrköpfe befestigt. Diese nehmen die Bohrspindeln
auf. Die Hubbewegung der Bohrspindeln erfolgt über die Z-Achsensteuerung. Dem ZAchsenvorschub kommt hierbei eine entscheidende Bedeutung zu. Eine optimale Lösung
wird durch den Einsatz der Multi-Z-Achse (Bild 6) erreicht. Hierbei erfolgt die Hubbewegung
der Bohrköpfe durch einzelne Kugelgewindetriebe in Verbindung mit einzelangetriebenen
AC-Motoren.
Beim Bohren kommen heute überwiegend luftgelagerte Spindeln mit einem Drehzahlbereich
von 20.000 - 125.000 U/min zum Einsatz.
Bild 6: Bohrkopf mit AC-Antrieb
Bohren
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Seite 13
4.2
Bohrerbruchkontrolle und Lasermeßsystem
Die Bohrerbruchkontrolle überwacht den ordnungsgemäßen Zustand der Werkzeuge
während des Bohrens. Zur ständigen Kontrolle ist im Niederhalter eine Lichtschranke
eingebaut, die folgende Maschinenfunktionen überwacht: Werkzeugaufnahme aus dem
Magazin, Werkzeugablage im Magazin und Werkzeugbruch beim Bohren (Durchmesser bis
0,2 mm).
Beim Mikrobohren wird die Position des gebohrten Loches in starkem Maße von der
Rundlaufabweichung der Bohrspindel und des Mikrobohrers beeinflußt. Hierbei ist zu
beachten, daß sich beide Toleranzen im ungünstigsten Fall addieren können. Die
berührungslose Überprüfung der Rundlaufabweichung kann mit einem speziellen
Lasermeßgerät automatisch nach jedem Werkzeugwechsel durchgeführt werden (Bild 7).
Die Messung erfolgt dynamisch mit der programmierten Drehzahl am Maschinentisch für
jede Bohrspindel. Weiterhin können Durchmesser und Einspannlängen der Bohrer
kontrolliert werden.
Bild 7: Systembild des Lasermeßgerätes
4.3
DNC-Betrieb mit Vernetzung
Bohrmaschinen können im DNC-Betrieb ohne jegliche Datenträger in der Produktion
arbeiten. Der Abruf von Programmen aus der DNC-Anlage erfolgt direkt vom
Maschinenbediener an der CNC-Steuerung. Dazu gibt der Bediener lediglich die
Bezeichnung des gewünschten Programmes ein. Die DNC-Anlage sucht jetzt auf der
Festplatte nach dem gewünschten Programm und sendet es an die Steuerung.
Eine weitere Vereinfachung besteht darin, das Programm mit Hilfe eines Barcode-Lesers an
der Maschine über den Barcode-Streifen auf den Auftragspapieren einzulesen.
Der Datenaustausch zwischen den Steuerungen der Bohrmaschinen, dem Leitrechner
(Panel-Manager) und weiteren Rechnern (DNC) erfolgt über ein Ethernet Netzwerk. Für eine
Gruppe von Maschinen ist ein Fileserver installiert. Der Fileserver dient zur Speicherung
Bohren
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3711,
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Seite 14
lokaler Daten und als Brücke zu anderen Rechnern bzw. Netzen (DNC). Eine Anbindung an
unterschiedliche Netzwerksysteme ist möglich.
4.4
Einrichten der Bohrmaschine
Beim Einrichten der Bohrmaschine ist zu prüfen, welche Leiterplattentypen (wie z.B.
einseitige LP, doppelseitige LP oder Multilayer) zu bohren sind. Diese Informationen sind
den Auftragspapieren des jeweiligen Bohrauftrages zu entnehmen. Anhand der
Auftragspapiere ist die Maschinenzuordnung ebenfalls festgelegt.
Speziell bei Multilayern werden zur Fixierung der Leiterplatten auf dem Maschinentisch vier
Aufnahmebohrungen (Soft-Tools) in Kunststoffeinsätze gebohrt. Diese Einsätze sind
entweder im Maschinentisch integriert oder auf Aluminium-Adapterplatten montiert. Nach
dem Bohren der Soft-Tools werden vier Aufnahmestifte manuell eingesetzt, wodurch die
Registrierung der Multilayer möglich ist.
Vor dem eigentlichen Bohrvorgang wird mit Hilfe des graphischen WerkzeugkassettenEditors die Werkzeugkassette auf die ausreichende Menge der benötigten Bohrer überprüft.
Danach wird das Bohrprogramm mittels Diskette oder über die DNC-Anlage in die CNCSteuerung der Bohrmaschine eingelesen.
Bei manuell beladenen Bohrmaschinen werden anschließend die Leiterplatten-Pakete auf
den Maschinentisch gelegt und fixiert. Durch Betätigung der Starttaste an der CNCSteuerung erfolgt das Abarbeiten des Bohrprogrammes mit den unterschiedlichen
Bohrdurchmessern.
Bei automatisch beladenen Bohrmaschinen wird der Belader mit Leiterplatten-Paketen
bestückt. Durch Betätigung der Starttaste an der CNC-Steuerung werden die Pakete auf den
Maschinentisch transportiert, dort fixiert, und anschließend erfolgt das Abarbeiten des
Bohrprogrammes wie bei den manuellen Bohrmaschinen.
Bohren
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Seite 15
5
Bohrer / Bohrdaten
Bild 8 : DIN Bezeichnungen am Spiralbohrer
Es wird mit Vollhartmetall-Bohrern gearbeitet, die sich durch hohe Verschleiß- und
Biegefestigkeit auszeichnen. Überwiegend werden Bohrer mit einheitlichem Spannschaft
3,175 mm (1/8") eingesetzt (Bild 8).
5.1
Was ist Vollhartmetall ?
Vollhartmetall ist ein naturhartes Sintermetall, das auf pulvermetallurgischem Wege
hergestellt wird. Seine Hauptbestandteile Wolframcarbid (ca. 92 %), Kobalt (ca. 6 %) und
weitere Zusätze werden pulverisiert, gepreßt und bei 1400° - 1500° C gesintert.
Bei diesem Prozeß (Korngröße ca. 0,5 µ) sintern die Materialien zu einem dichten Rohling
mit einer Vickershärte von ca. 1900 HV zusammen (zum Vergleich HSS ca. 850 HV).
Die Werkstoffeigenschaften sind hohe Verschleißfestigkeit und Biegefestigkeit.
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.1
Bohren
Seite 16
5.2
Bohrergeometrie
Der Anschliff der Bohrerspitze ist von größter Bedeutung. Beim Vierflächen-Anschliff wird
jede Freifläche in zwei ebene Flächen aufgeteilt. Dadurch erhält das Zentrum des Bohrers
eine definierte Spitze, die ihn besser zentriert.
Die Winkel an der Schneide sind der erste Freiwinkel mit 15° und der zweite Freiwinkel mit
30°. Der Spitzenwinkel ist vom Bohrerdurchmesser abhängig. Für den Durchmesserbereich
von 0,1 bis 3,175 mm ist er 130°. Im Durchmesserbereich ab 3,2 mm beträgt er 165°.
Die Problematik bei der Festlegung von Span- und Freiwinkel an einem Bohrer zum
Bearbeiten von gedruckten Schaltungen liegt in den verschiedenen Materialien, die in einem
Arbeitsgang bearbeitet werden sollen. Glasfasern, Epoxidharz und Kupfer verhalten sich
beim Zerspanungsvorgang völlig verschieden, so daß letztlich nur ein Kompromiß zur
Einstellung der Zerspanungsparameter geschlossen werden kann.
5.3
Bohrdaten
Die Arbeitsbedingungen für ein Werkzeug werden im wesentlichen durch Vorschub und
Schnittgeschwindigkeit bestimmt. Dabei ist die Schnittgeschwindigkeit V die Geschwindigkeit
in m/min, die von den Schneidenecken in Drehrichtung erreicht wird.
Unter Vorschub S (mm/U) versteht man den Weg, den der Bohrer bei einer Umdrehung ins
Material eindringt (Spanabnahme pro Umdrehung) oder als Z-Achsen-Vorschub (Meter pro
Minute) ausgedrückt, den Weg, den der Bohrer in einer Minute ins Material eindringt. Auf
Seite 17 sind übliche Zerspanungsparameter angegeben.
6
Beladen der Bohrmaschine
Die Beladung der Bohrmaschine kann manuell durch
vollautomatisch mittels Beladesystem durchgeführt werden.
eine
Bedienperson
oder
Beim manuellen Beladen der Bohrmaschine wird das Leiterplattenpaket auf den
Aufnahmeplatten des Maschinentisches registriert und der Ablauf des Bohrprogrammes
durch Betätigung der Starttaste an der Bedieneinheit eingeleitet. Zur optimalen Registrierung
der Leiterplatten auf dem Maschinentisch kommen folgende Aufnahmeplatten zum Einsatz:
•
•
•
spielfreie Zentrierung mittels pneumatischer Prisma- und Schlitzklemmung
zusätzliche Klemmung durch Pilze, die das LP-Paket auf die Aufnahmeplatten
drücken (Bild 9 )
Aufnahme von Multilayer: Hierbei werden spezielle Delrin-Buchsen nach einem
Rastersystem in die eigentlichen Aufnahmeplatten eingeschraubt. Danach erfolgt
das Bohren der vier Aufnahmebohrungen für die Multi-layer-Stifte mit den einzelnen
Bohrspindeln. Diese Methode garantiert eine optimale Position der Multilayer-Stifte
und damit eine hohe Biegefestigkeit zum Leiterbild.
Bohren
VDE/VDI
3711,
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Seite 17
Bild 9: Aufnahmeplatte mit Prisma-, Schlitz- und Pilzklemmung
Bei den vollautomatisch arbeitenden Bohrmaschinen erfolgt die Beladung mit Hilfe eines
zusätzlich installierten Beladesystems. Hierbei unterscheidet man zwischen den zwei
Ausführungsarten Autark- und In-Line-Produktion (Bild 10). Die Autark-Systeme werden in
der "mannlosen Schicht" eingesetzt. Hierbei kommen Ein-Spindelmaschinen sowie MehrSpindelmaschinen mit zwei bis fünf Spindeln zum Einsatz. Bei den Multi-Stationsmaschinen
sind drei bis sechs Ein-Spindel- oder Twin-Bohrmaschinen in einer Linie zusammengestellt.
Alle Autark-Systeme stellen eine kostengünstige Lösung dar und ermöglichen eine
VDE/VDI
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Bohren
Seite 18
schrittweise Automatisierung bei günstiger Wirtschaftlichkeit. In Bild 11 und 12 ist eine 5spindlige Bohrmaschine mit autarker Beladung dargestellt.
Beladesysteme
Bohren
Autark-Systeme
In-Line-Systeme
1-Spindler
1-Spindler
2 bis 5- Spindler
2 bis 5- Spindler
Multi-Stationen
Bild 10: Ausführungsarten von Beladesystemen
Die In-Line-Systeme kommen bei der Produktion von großen Losgrößen zum Einsatz. Diese
automatisierten Bohrmaschinen sind verkettet und werden über ein gemeinsames
Zuführsystem beladen. Bei der Verkettung von Ein-Spindlern oder TWIN-Bohrmaschinen
erfolgt die Beladung der LP-Pakete mit Transportsystemen von hinten in die Maschine.
Dieses Prinzip zeichnet sich durch eine gute Flexibilität aus, hat jedoch Nachteile: hohe
Investitionskosten und großer Platzbedarf. Eine kostengünstigere Fertigung ist dagegen bei
der Verkettung von 5 bis 6-Spindlern zu erzielen. Mit diesem System ergeben sich niedrigere
Investitionskosten pro Spindel bei geringerem Platzbedarf.
Bohren
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Seite 19
Bild 11: 5-spindlige Bohrmaschine mit Beladesystem
Bild 12: Riemenbelader der Maschine nach Bild 11
Bohren
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Seite 20
7
Bohren
Beim Bohren bestehen die ungünstigsten Bedingungen innerhalb der spanabhebenden
Verfahren. Der Grund liegt in den unterschiedlichen Schnitt-verhältnissen entlang der beiden
Hauptschneiden und an der Bohrerspitze.
Im Zentrum ist die Schnittschwindigkeit Null, wobei der Vorschub der gleiche ist wie an den
Schneidecken am Bohrerdurchmesser. Deshalb schneidet der Bohrer im Zentrum nicht, er
drückt dort nur. Im Gegensatz dazu sind die Schnittverhältnisse an den Schneidecken am
günstigsten. Hier ist die Schnittgeschwindigkeit am höchsten und die Schneidengeometrie
wirkt sich auf den Schnitt optimal aus.
Die zum Durchmetallisieren benötigte Lochwandqualität in Glas/Epoxid-Laminaten (ca. 20 max. 40 µm Rauhigkeit) kann nur durch Bohren erreicht werden. Da der Lochdurchmesser
durch die Metallisierung kleiner wird, müssen die Löcher größer als der Nenndurchmesser
gebohrt werden.
Beim Bohren von Mehrlagen-Leiterplatten wird wegen möglicher Harzver-schmierungen an
der Schnittfläche der Cu-Innenlagen die Bohrtiefe (Paketdicke) sowie die max. Hubzahl des
Bohrers im Vergleich zum Bohren der doppelseitigen Leiterplatten reduziert. Der größere
Cu-Anteil bei Mehrlagen-Leiterplatten führt zu größerem Verschleiß des Bohrers
(Wärmeverschleiß).
Weiterhin ist eine gute Spanabsaugung erforderlich, um Spänestau und ein Überhitzen des
Werkzeuges zu verhindern. Ungenügende Kühlung vermindert die Standzeit des
Werkzeuges und verstärkt die Harzverschmierung an der Lochwandung.
In Abhängigkeit vom Bohrerdurchmesser und Spirallänge ergibt sich die max. Bohrtiefe
(Aspect Ratio) .
7.1 Arbeiten mit Bohrern
Folgende Aspekte sollten näher betrachtet werden, um dem Anwender zu vermitteln, wie
gute Qualität beim Bohren erreicht wird:
•
•
•
•
Bohrparameter (siehe Tabelle)
Die Spirallängen sollten der Bohrtiefe angepaßt sein (Bild 13)
Die Spindel der Bohrmaschine und der Maschinentisch sollten so "schwingungsfrei"
wie möglich sein.
Die Spannzange der Spindel und die Spannvorrichtung der Aufnahmeplatten
müssen schmutzfrei arbeiten.
Auf den Seiten 21 und 22 sind die unterschiedlichen Probleme beim Bohren, ihre möglichen
Ursachen und deren Beseitigung dargestellt.
Bohren
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.1
Seite 21
Fehlersuche beim Bohren von gedruckten Schaltungen
Problem
Ungenaue
Bohrlochpositionierung
Mögliche Ursachen
• Bohrerverlauf
• Spindelverlauf ist zu groß, oder
Fixierung ungenügend
• Bohrergeometrie ist ungenau
Spänewicklung
am Bohrer
Schlechte
Oberflächenqualität
Bohrerbruch
• ungenügende Spanabsaugung
• Vorschub zu gering
(Kupferspäne sind zu lang)
• Bohrer 3,175 mm hat keine
Spanleitnut (Kupferspäne sind
zu lang).
• Verschmierungen durch
schlechte Spanabfuhr
• Verschmierungen durch
stumpfe oder ausgebrochene
Schneidkanten
• Plattenmaterial ungenügend
ausgehärtet
• Späne verkleben die Spannuten
• zu viel Schnittdruck
• Spindelverlauf
Nagelkopfbildung
• Bohrerverlauf
• Der Bohrer ist stumpf oder
beschädigt.
• Der Vorschub ist zu hoch.
• Verweilzeit des Bohrers in der
untersten Bohrung ist zu lang.
• falsche Schnittparameter
Beseitigung
Auflagematerial
(Holzspanplatte-Alu-minium)
verwenden
• Vorschub verringern
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Spindel überprüfen
Toleranz der Bohrerspitze
prüfen
Absaugsystem säubern und
prüfen
Vorschub erhöhen
Bohrer mit Spanleitnut
(Spanbrecher) verwenden
Spanabfuhr verbessern
Schneidkanten und
Parameter nochmals prüfen
Spindelverlauf überprüfen.
Qualität des Laminats
überprüfen.
Bohrer verwenden, der für
die Schnittbedingungen
geeignet ist (Geometrie)
Vorschub verrringern
Spindel auf Verlauf prüfen
Auflagematerial mit 0,3 mm
Dicke verwenden
Bohrerschneidkanten auf
Ausbrüche/Verschleiß prüfen
Vorschub reduzieren
Verweilzeit verkürzen
Schnittbedingungen auf das
verwendete Laminat
abstimmen.
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.1
Bohren
Seite 22
Problem
Deformation
an der Eintrittsund/oder
untersten Bohrung
Harzverschmierung
Deformation der
Innenlagen
Gratbildung an
der Eintritts- und/
oder untersten
Bohrung
Mögliche Ursachen
•
• beschädigter oder
verbrauchter Bohrer
• zu geringer Niederhalterdruck
•
• zu hohe Temperatur beim
Bohren
•
•
• Wegen schlechter Spanabfuhr •
erhitzen sich die Späne
zwischen Bohrwand und
Bohrerrücken
•
• Laminat nicht genügend
•
ausgehärtet
• Bohrer verschlissen oder
ausgebrochen.
• zu hohe mechanische Kräfte
•
während des Bohrens:
a) Späne verkleben die Spannut
b) Bohrer ist stumpf
•
• schlechter Laminatverbund
• Bohrerschneidkanten sind
•
ausgebrochen oder abgenutzt.
• Vorschub zu hoch
•
• Unterlagematerial zu weich
Ausgasung
Beseitigung
• zu wenig Niederhalterdruck
(Punkt 1 und 2 sind
gewöhnlich die Ursache für
Gratbildung an der
Bohrungsoberseite, Punkt 3
und 4 an der
Bohrungsunterseite)
• schlechte Metallisierung
• rissige Oberfläche der
Bohrwandung
• Restfeuchtigkeit im Laminat
•
•
•
•
•
•
Vorschub wie in der
Parametertabelle empfohlen
Auflagematerial 0,3 mm dick
verwenden
Niederhalterdruck auf
20 kp erhöhen
Vorschub erhöhen,
Schnittgeschwindigkeit
reduzieren
Spanabfuhr überprüfen,
Köpfchenbohrer
verwenden, dadurch weniger
Berührungsfläche beim Bohren
Laminat überprüfen
Bohrer auf Ausbrüche oder
Verschleiß prüfen
Spanabfuhr des Bohrers
verbessern
Späneförderung prüfen,
Vorschub verringern
Bohrerschneidkanten und
Schnittbedingungen nochmals
überprüfen
Vorschub reduzieren,
Auflagematerial mit 0,3 mm
Dicke verwenden
Unterlagenmaterial
auswechseln
Niederhalterdruck überprüfen
Metallisierung prüfen
Problem: schlechte
Oberflächenqualität
Parameter prüfen
Laminat tempern
Bohren
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.1
Seite 23
Bild 13: Formel zur Bestimmung der Bohrtiefe
7.2
Ausspänautomatik
Beim Bohren von Multilayer-Schaltungen ab einer Dicke von 3 bis 4 mm und einer BohrerSpirallänge von 5 mm ist es wegen der besseren Späneabfuhr sinnvoll, 2 bis 3 mal
auszuspänen. Hierfür ist die CNC-Steuerung mit einer speziellen Software ausgerüstet. Über
die Programmierung wird die zyklische Bohrtiefe und damit die Anzahl der Ausspänungen
vorgegeben. Hierbei können zwei unterschiedliche Verfahren, nämlich das Ausspänen mit
Spanbrechen und das Ausspänen mit Rückhub eingesetzt werden. Beim Ausspänen mit
"Spanbrechen" wird der Bohrer nach einer Bohrtiefe von etwa 5 xd ca. 0,2 mm abgehoben
und dadurch der Span gebrochen (Bild 14). Dieses Verfahren ist günstiger als Ausspänen
mit vollem Rückhub, da die Wärmeentwicklung im Bohrloch geringer ist und somit eine
Bohren
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3711,
Blatt 3.1
Seite 24
bessere Lochqualität erreicht wird. Das Ausspänen mit "vollem Rückhub" hat sich bei
Material mit hohem Cu-Anteil und beim Bohren von Cu und Aluminium bewährt.
Bild 14: Ausspänen mit Spanbrechen
7.3
Tiefenbohren (Sacklochbohren)
Der Bedarf an hochkomplexen, elektronischen Baugruppen führt zum vermehrten Einsatz
von hochwertigen Leiterplatten mit feinsten Leiterzügen und Mikrobohrungen. Multilayer sind
heute nicht nur in der High-Tech-Fertigung, sondern auch in der Massenproduktion
anzutreffen. Bei derartigen Leiterplatten werden in zunehmendem Maße Sacklochbohrungen
als elektrische Verbindungsbohrungen eingesetzt. Hierbei kommt es darauf an, daß eine
bestimmte Innenlage von der Oberfläche der Leiterplatte mit einer hohen Tiefengenauigkeit
angebohrt wird.
Bohren
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Seite 25
Bild 15: Schliffbild beim Sacklochbohren (Kontaktbohren)
Beim herkömmlichen Tiefenbohren ist dafür jeder Bohrkopf mit einem zweiten Meßsystem
und einer Laser-Kalibrierstation ausgerüstet. Mit Hilfe des Lasers und des zweiten
Meßsystems wird der Abstand zwischen Niederhalter-Unterkante und Bohrerspitze bezogen
auf die ML-Oberfläche exakt gemessen. Entsprechend der Programmierung ist es somit
möglich, Sacklöcher von der Leiterplattenoberfläche aus in der gewünschten Tiefe mit der
Toleranz von ± 25 µ zu bohren.
Durch die Verringerung der Leiterhöhe bei den Innenlagen werden die Multilayer in Zukunft
mit immer geringerer Dicke gefertigt. Für diese neue Technologie ist die obige Toleranz
nicht mehr ausreichend. Bei derartigen Multilayern wird eine Toleranz von ± 15 µ gefordert.
Um diese höhere Tiefengenauigkeit unter Produktionsbedingungen sicherzustellen, wurde
das Kontaktbohren entwickelt. Das Kontaktbohren arbeitet in der Weise, daß beim Auftreffen
des Bohrers auf der oberen Kupferschicht ein Signal für die CNC-Steuerung erzeugt wird.
Durch dieses Signal wird die Position des Bohrkopfes (Z-Achse) gespeichert und von dort
aus die genaue Tiefe berechnet. Da bei diesem neuartigen Verfahren keinerlei mechanische
Elemente die Tiefengenauigkeit beeinflussen, wird die Toleranz von ± 15 µ im
Produktionsprozeß sicher eingehalten. In Bild 15 ist ein Schliffbild dieses neuartigen
Verfahrens dargestellt.
Bohren
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.1
Seite 26
7.4
Quickdrill
Die Bohrköpfe arbeiten bei diesem Bohrverfahren mit einer Z-Achsen-Kompensation, so daß
unterschiedliche Pakethöhen in kürzester Zeit automatisch gefertigt werden können. Beim
ersten Aufsetzen des Niederhalters auf das Leiterplatten-Paket wird die Dicke des Paketes
erfaßt und beim Bohren der weiteren Löcher durch die Software der Z-Achsensteuerung
ständig kompensiert. Bei unterschiedlichen Pakethöhen wird somit nur der geringstmögliche
Z-Achsenhub ausgeführt, was ein Bohren in der kürzesten Zeit ermöglicht.
8
Entladen der Bohrmaschine
Nachdem das Bohrprogramm mit den unterschiedlichen Bohrdurchmessern abgearbeitet
wurde, erfolgt das Entladen der Bohrmaschine.
Die Leiterplatten-Pakete werden bei den manuellen Bohrmaschinen dem Maschinentisch
entnommen. Danach werden die Decklage entfernt und die Stifte mit Hilfe einer Handpresse
aus dem Leiterplatten-Paket herausgedrückt. Anhand eines dem Auftrag zugeordneten
Filmes werden die gebohrten Leiterplatten stichproben-artig und visuell auf das
Vorhandensein aller Bohrungen geprüft.
Bei automatischen Bohrmaschinen werden die Leiterplatten-Pakete dem Belader
entnommen. Danach erfolgt ebenfalls das Entfernen der Decklage, das Entstiften und die
Stichprobenkontrolle mittels Film.
9
Vereinzeln der Pakete
Bei den verstifteten Paketen werden die Paketierstifte mit einer Handpresse oder einer
pneumatischen Entstiftmaschine aus dem Paket herausgedrückt. Die Stifte werden wieder
verwendet.
Bei unverstifteten Paketen werden die Klebestreifen von Hand abgezogen. Danach ist die
Vereinzelung möglich.
10
Qualitätssicherung
Zur Qualitätssicherung der gebohrten Leiterplatten werden folgende Kontrollen ausgeführt:
• Vollständigkeit aller Bohrungen:
visuell mit Bohrkontrollfilm auf Leuchtkasten
• Versatz zum Aufnahmeloch / Rasternullpunkt:
visuell mit Bohrkontrollfilm auf Leuchtkasten oder
Bohren
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.1
Seite 27
unter Verwendung einer Koordinatenmeßmaschine oder
eines optischen Inspektionssystems
• Versatz innerhalb des Bohrbildes:
visuell mit Bohrkontrollfilm auf Leuchtkasten, oder
unter Verwendung einer Koordinatenmeßmaschine, oder
eines optischen Inspektionssystems
• Gratbildung:
visuelle Beurteilung, Tasten (Fühlen) mit der Fingerspitze
• Lochwandung:
Lochwandrauhigkeit sowie der Verschmierungsgrad und Nagelkopfbildung
werden erst nach der Durchkontaktierung beurteilt
• Lochwandeigenschaften:
metallografischer Schliff, ggf. vorherige Metallisierung erforderlich,
nur bedingt durch mikroskopische Betrachtung (Fischaugenmikroskop)
• Bohrgenauigkeit der Lochposition (Positioniergenauigkeit)
Bild 15: Faktoren, welche die Positioniergenauigkeit beeinträchtigen
Bohren
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.1
Seite 28
Die einfachste Methode zur Überprüfung der Leiterplatte auf Vollständigkeit aller Bohrungen
erfolgt mittels Film und Leuchttisch. Bei der Qualitätssicherung durch einen Scanner werden
die Bohrungen automatisch auf Vollständigkeit in Verbindung mit dem Bohrprogramm
kontrolliert.
Die Qualität der Lochwandeigenschaft ist entscheidend für das Ergebnis der
Durchkontaktierung. Die Bohrung darf für die Aufnahme der Kupferschicht weder "zu rauh"
noch "zu glatt" sein. Bei üblicher Qualität ist eine Rauhtiefe von Rt = 15 µm anzustreben.
Dieser Wert ermöglicht eine gute Haftung in Verbindung mit einer gleichmäßigen Dicke der
Kupferschicht.
Bei der Prüfung der Bohrgenauigkeit werden die Lochpositionen gemessen. Um hierbei eine
eindeutige Aussage zu erhalten, werden am günstigsten 100, mindestens jedoch 50
Bohrungen auf das gesamte Bohrformat verteilt, gebohrt und anschließend vermessen.
Hierbei ist zu beachten, daß die Testplatte beim Bohren nicht verschoben wird und nur neue
Bohrer eingesetzt werden. Sinnvoll ist ebenfalls, mindestens drei Werkzeugwechsel im
Testprogramm durchzuführen. Da bei dieser Maschinenprüfung jeglicher Bohrerverlauf
ausgeschlossen sein muß, werden folgende Parameter zugrunde gelegt:
•
•
•
•
•
Bohrdurchmesser: 1,3 mm bis 2,0 mm
Spirallänge: Minimum
Material: 1 Platte FR4, beidseitig Cu-beschichtet
Deckplatte: HP oder Al
Raumtemperatur: 22°C ± 1°C (Bohren / Messen)
Bei der Prüfung der Bohrgenauigkeit kommen das Linearverfahren oder firmenspezifische
Prüfprogramme zur Anwendung (VDI, DGQ 3441 u. 3444). Bei allen Programmen ist zu
beachten, daß große Verfahrwege zugrunde gelegt und jeweils die X- und Y-Achse
positioniert werden. Nur so ist eine eindeutige Genauigkeitsprüfung der Bohrmaschine
sichergestellt. Zum Vermessen der Prüfplatten können drei verschiedene Maschinenarten
eingesetzt werden:
•
•
•
Programmier- und Meßplatz
Koordinaten-Meßmaschine
optische Leiterplatten-Meßmaschine mit graphischer Darstellung und statistischer
Auswertung (Bild 16).
Bohren
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.1
Seite 29
Bild 16: Meßprotokoll mit graphischer Darstellung
Fräsen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.2
Seite 1
Allgemeines
Fräskonturen der Leiterplatte erfüllen verschiedene Aufgaben. Sie müssen exakt zum
Druckbild hergestellt und geometrisch an das Endprodukt angepaßt werden. Hierbei wird
eine hohe Genauigkeit der Außen- und Innenkontur sowie eine sehr gute Kantenqualität
gefordert.
Das Konturenfräsen erfordert höchste Präzision, da Bohrbild, Druckbild und Fräskontur
paßgenau zueinander gefertigt werden müssen. Diese hohen Qualitätsanforderungen
können nicht mit dem herkömmlichen Formstanzen, sondern nur mit CNC-Fräsmaschinen
erfüllt werden. Ergänzend zu diesem Schulungsblatt wird das Blatt 3.1 „Mechanische
Bearbeitung, Bohren“ empfohlen.
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.2
Fräsen
Seite 2
Maschinenkonzept
!
Pkt. 1
Fräsköpfe / Frässpindeln
!
Pkt. 2
Werkzeugwechsel /
Fräserüberwachung
!
Pkt. 3
Aufnahmeplatten
!
Pkt. 4
Frästechnologie
!
Pkt. 5
Fräser
!
Pkt. 6
Fräsdaten
!
Pkt. 7
Tiefenfräsen
!
Pkt. 8
Kombinierte Bohr- und
Fräsmaschinen
!
Pkt. 9
Qualitätssicherung
!
Pkt. 10
Fräsen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.2
Seite 3
1
Maschinenkonzept
Die CNC-Fräsmaschinen unterscheiden sich in ihrer Konzeption grundsätzlich nicht von den
Bohrmaschinen. Sie sind jedoch mit speziellen Zusatzfunktionen zum Fräsen ausgestattet
(Bild 1).
Bild 1: CNC-Fräsmaschine mit drei Fräsköpfen
1.1
CNC-Steuerung
Die eingesetzten CNC-Steuerungen gewährleisten in Verbindung mit den Achsenantrieben
und den linearen Meßsystemen ein schwingungsfreies Positionieren der X- und Y-Achse bei
hoher Positioniergenauigkeit.
Zum Konturenfräsen ist die CNC-Steuerung mit einer speziellen Software ausgerüstet und
ermöglicht die Bearbeitung von:
• geraden Strecken
• beliebigen Diagonalen
• Kreisbögen
• Vollkreisen
• eine Kombination von Strecken, Diagonalen und Kreisbögen.
Fräsen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.2
Seite 4
1.2
Bahnfehler
Der Bahnfehler ist definiert als Differenz zwischen der programmierten Fräskontur (Sollwert)
und der tatsächlichen Kontur an der Leiterplatte (Istwert).
Der Bahnfehler muß so klein wie möglich sein (<20 µm). Zur Prüfung des Bahnfehlers wird
hierbei ein Radius von 150 mm mit einer Geschwindigkeit von 1,25 m/min abgefahren. Die
zulässige Abweichung der Bahnkurve darf dabei
10 µm nicht überschreiten.
1.3
Software für Fräserradius-Kompensation
Diese Software stellt eine wesentliche Erleichterung der Programmierung dar. Sie
ermöglicht, daß nur die Werkstückkontur unter Zufügung des Fräsdurchmessers
programmiert wird. Weiterhin erlaubt sie die Vollkreisprogrammierung.
1.4
Software für Fräserstandzeit
Ähnlich wie beim Bohren der automatische Werkzeugwechsel nach einer bestimmten Anzahl
von Bohrungen selbständig erfolgt, gibt es heute die Möglichkeit des automatischen
Fräserwechsels nach Erreichen der Sollfrässtrecke.
2
Fräsköpfe / Frässpindeln
Zum Konturenfräsen werden Fräsköpfe mit Einzelantrieb eingesetzt. Hierbei erfolgt die
Hubbewegung in der Z-Achse über einzelne Kugelgewindetriebe in Verbindung mit ACMotoren (Bild 2).
Fräsen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.2
Seite 5
Bild 2: Fräskopf mit Einzelantrieb (Funktionsschema)
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.2
Fräsen
Seite 6
Beim Konturenfräsen kommen folgende Spindeln zum Einsatz:
2.1
Wälzgelagerte Frässpindeln:
n = 15.000 - 60.000 U/min
• Precise, SC 63,
n = 15.000 - 60.000 U/min
• Precise, SC 3063,
n = 20.000 - 80.000 U/min
• Precise, SC 3063 H,
n
=
15.000
• Precise, SC 3163,
(mit Fräserkühlung durch „Air Stream“ Funktion)
2.2
60.000
U/min
Luftgelagerte Frässpindeln:
• Precise, ASC 3063,
• Westwind, W320,
• Westwind, W1331-26,
3
-
n = 20.000 - 100.000 U/min
n = 15.000 - 80.000 U/min
n = 20.000 - 125.000 U/min
Werkzeugwechsel / Fräserüberwachung
Um die Stillstandzeiten der Maschine zu verringern und die Produktionssicherheit zu
erhöhen, wird der Multi-Werkzeugwechsel wie bei Bohrmaschinen eingesetzt (Bild 3). Als
optimale Lösung hat sich hierbei der 300-fache Werkzeugwechsel bewährt. Das
Werkzeugmagazin ist mit Fräsern von 0,8 bis 3,0 mm und Bohrern von 0,8 bis 6,35 mm für
nichtdurchkontaktierte
Durchmesser
bestückt.
Bei
optimaler
Nutzung
des
Werkzeugmagazins ist die Bestückung nur einmal pro Woche erforderlich (3Schichtbetrieb).
Zur Sicherung der Qualität und zur Fräserüberwachung wird wie bei Bohrmaschinen ein
Lasermeßgerät für jeden Fräskopf eingesetzt (Bild 3). Dieses Meßsystem ermöglicht das
berührungslose Messen von:
• Fräserlänge
• Fräserdurchmesser
• Fräserbruch vor dem Ablegen in die Kassette
Fräsen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.2
Seite 7
Bild 3: Fräskopf mit zweitem Meßsystem, Werkzeugmagazin (links) und Lasermeßgerät
(unten)
4
Aufnahmeplatten
Bei der beschriebenen Frästechnik ist es zwingend notwendig, daß das Fräs-paket ohne
Verzug des Fräsrahmens aufgespannt wird. Hierfür sind die Aufnahmeplatten mit einer
Prisma-Schlitz- und Pilzklemmung versehen. Die Besonderheit dieses Systems liegt in der
Pilzspannung. Die Pilzspannung ist mit sechs pneumatischen Spannern versehen, wobei
jedes Element das Fräspaket mit 400 N spannt. Bei sechs Pilzen bedeutet dies, daß das
Fräspaket mit 2400 N aufgespannt wird. Dadurch ist ein Verrutschen des Paketes absolut
ausgeschlossen (Bild 4).
Fräsen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.2
Seite 8
Bild 4: Aufnahmeplatte zum Fräsen
5
Frästechnologie
5.1
Fräsrichtungen
Beim Fräsen der Außenkontur sollte entgegen dem Uhrzeigersinn, beim Fräsen der
Innenkontur im Uhrzeigersinn gefräst werden (Bild 5).
Bild 5: Fräsrichtungen für Außen- und Innenkontur
Fräsen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.2
Seite 9
5.2
Ausfräsen von kleinen Teilen
Bei den Fräsmaschinen kann ein kurzes Abschalten des Spanabsaugung mit
einprogrammiert werden. Dieses Abschalten ist kurz vor der Beendigung des
Fräsdurchganges notwendig. Das Abschalten hat den Vorteil, daß die Kleinteile beim
Austauchen des Fräsers vom Niederhalter nicht angesaugt werden und beim neuerlichen
Eintauchen den Fräser nicht zerstören.
5.3
Niederhalter zum stegfreien Fräsen
Um ein stegfreies Fräsen zu gewährleisten, wird ein spezieller Niederhalter zum stegfreien
Fräsen eingesetzt. Diese Funktion kann wahlweise über die Programmierung auf dem
Datenträger abgerufen werden. Hierbei ist die Fräsrichtung beliebig innerhalb eines
Bereiches von 360° und einer Frässtrecke von ± 5 mm programmierbar (Bild 6).
5.4
Multifunktions-Niederhalter
Beim Fräsen sind drei Niederhalterkräfte zum Bohren (50 bis 240 N), Konturenfräsen (5 bis
50 N) und Fertigfräsen (240 N) wahlweise durch die Programmierung abrufbar. Bei der
neuen Frästechnologie wird der Multifunktions-Niederhalter eingesetzt. Dieser Niederhalter
ist mit einer Bürste und einem Druckring aus Teflon ausgerüstet. Über das Fräsprogramm
können die Funktionen Fräsen der Innen- und Außenkonturen mittels Bürste und stegfreies
Fertigfräsen durch den Teflondruckring abgerufen werden (Bild 7).
Bild 6: Niederhalter zum stegfreien Fräsen (Funktionsschema)
Fräsen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.2
Seite 10
Bild 7: Multifunktions-Niederhalter
5.5
Verkleinern von Teilen
Um beim Ausfräsen von kleinen Teilen eine Verstopfung des Niederhalters zu vermeiden, ist
es sinnvoll, daß diese verkleinert werden. Dies wird dadurch erreicht, daß mittels einer
speziellen Software Kreisscheiben, Quadrate und Rechtecke in kleine Partikel aufgefräst
und über die Absaugung problemlos abgeführt werden können. Ergänzend hierzu ist jede
Frässpindel direkt hinter dem Niederhalter mit einem Absaugschieber ausgestattet, so daß
bei Kleinteilen eine schnelle Absaugsperrwirkung erreicht wird (siehe Punkt 5.2).
5.6
Stufenfräsen
Beim herkömmlichen Fräsen können kleine Durchmesser (0,8 bis 2,0 mm) nur 1-2 lagig
gefräst werden. Zur Steigerung des Produktivität wurde deshalb das Stufenfräsen entwickelt.
Hierbei erfolgt das Fräsen mehrmalig in verschiedenen Ebenen (Bild 8).
Fräsen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.2
Seite 11
Bild 8: Stufenfräsen (Funktionsschema)
5.7
Deck- und Unterlage
Beim Fräsen wird üblicherweise ohne Deckmaterial gearbeitet. Bei empfindlichen
Oberflächen kommt jedoch Deckmaterial von 0,6 bis 0,8 mm Dicke zum Einsatz. Als
Unterlagenmaterial wird eine Preßspanplatte von 2,5 mm Dicke verwendet. Auf diesem
Material werden alle anfallenden Frästeile bearbeitet. Bei 30 unterschiedlichen Programmen
pro Tag wird das Unterlagenmaterial etwa alle 2 Tage gewechselt. Beim Konturen-Fräsen
können Plattenpakete von 5 bis 6 (6,4) mm bearbeitet werden.
Bei manchen Fräsaufgaben ist es empfehlenswert, eine HG-Adapterplatte zu verwenden,
die mit Freifräsungen entsprechend der zu fräsenden Kontur versehen ist. Zusätzlich werden
an mehreren Stellen Anschlußkanäle nach außen gefräst. Diese dienen als
Luftansaugschlitze für die Absaugung der Späne.
5.8
Absaugung
Beim Fräsvorgang ist es sehr wichtig, daß die Späne vom Fräser abgeführt und dann sicher
abgesaugt werden. Aus diesem Grund muß besonders darauf geachtet werden, daß eine
gut funktionierende, leistungsstarke Absaugung vorhanden ist (80 - 100 mbar).
Fräsen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.2
Seite 12
6
Fräser
In der Leiterplattenindustrie werden hauptsächlich zwei verschiedene Typen von Fräsern
verwendet:
• Vollhartmetallfräser, diamantverzahnt, spiralverzahnt, mehrschneidig (Bild 9) sowie
• Vollhartmetallfräser, spiralverzahnt, zweischneidig, dreischneidig (Bild 10).
Zur Bearbeitung von glasfaserverstärkten Leiterplatten haben sich Fräswerkzeuge bewährt,
deren Schneidengeometrie nicht nur der Bearbeitung der Glasfasern, sondern auch dem
Zerspanen von Epoxidharz und Kupfer Rechnung trägt.
Ausgehend von pyramidförmigen Schneidspitzen am Umfang (Diamantver-zahnung) weisen
diese Fräser einen Schneidkeil mit geeignetem Spanwinkel und Freiwinkel auf und haben
eine vielfache Schneidenanzahl. Durch Einschleifen einer unterschiedlichen Anzahl von
rechts- und linksspiraliger Nuten entstehen am Umfang versetzt angeordnete Schneidkeile.
6.1
Fräser für Folien und flexible Schaltungen sowie Teflon
Diese Spezialfräser mit ein bis fünf Schneiden haben extrem scharf geschliffene Schneiden
und garantieren dadurch einen sauberen und gratfreien Schnitt, wenn die zu bearbeitenden
Materialien sicher gespannt sind.
6.2
Handhabung von Fräswerkzeugen
Vollhartmetall-Fräser sind ebenso wie Vollhartmetall-Bohrer äußerst empfindlich gegen
Schlag und müssen deshalb entsprechend vorsichtig behandelt werden.
Ausbrüche an den einzelnen Schneiden haben eine geringere Standzeit und eine geringere
Qualität der gefrästen Teile zu Folge.
Fräsen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.2
Seite 13
Bild 9: Vollhartmetall-Konturenfräser mit Diamantverzahnung (Werkbild HAM)
Fräsen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.2
Seite 14
Bild 10: Vollhartmetall-Konturenfräser, spiralgenutet (Werkbild HAM)
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.2
Fräsen
Seite 15
7
Fräsdaten
7.1
Schnittdaten
Die Schnittgeschwindigkeit (V) ist die Geschwindigkeit in
Umfangsschneiden in Drehrichtung erreicht wird. Unter Vorschub
den Weg, den der Fräser bei einer Umdrehung ins Material
Umdrehung) oder als Vorschubgeschwindigkeit ausgedrückt, den
einer Minute ins Material eindringt.
m/min, die von den
S (mm/U) versteht man
eindringt (Fräsweg pro
Weg den der Fräser in
Vorschub
und
Schnittgeschwindigkeit
beeinflussen
die
Kantenqualität,
die
Werkzeugstandzeit und die Produktivität beim Fräsen. Der Vorschub darf einen bestimmten
Mindestwert nicht unterschreiten, da die einzelne Schneide sonst nicht genügend in das
Material eindringen kann. Sie würde in diesem Fall nur noch schaben. Eine erhöhte
Wärmeentwicklung und dadurch ein Zusammenkleben der Späne mit eventuellem
Fräserbruch wären die Folge.
Wird ein bestimmter Maximalwert des Vorschubes überschritten, tritt ein zu großes
Biegemoment auf. Der Fräser bricht. Bei zu großem Vorschub besteht außerdem die
Gefahr, daß die Spindelleistung nicht ausreicht und dadurch die Spindeldrehzahl abfällt
(siehe Fräsparameter). Dies führt ebenfalls zum Fräserbruch. Die Parameter zum
Konturenfräsen sind den nachfolgenden Richtwerttabellen 1 und 2 zu entnehmen.
7.2
Standzeit
Die mögliche Frässtrecke (Standzeit) ist abhängig von Basismaterial, Schnitt- und
Vorschubgeschwindigkeit, Fräserdurchmesser, geforderter Fräskantenqualität, Werkzeug
und Absaugleistung.
Nachfolgend ein Beispiel zur Standzeit (FR-4 bei 4 x 1,6 mm Paketdicke):
Fräsertype:
Durchmesser:
Parameter:
Standzeit:
7.3
•
•
•
•
•
•
448
spiralverzahnt
441
diamantverzahnt
2,4 mm
32.000 U/min
26.000 U/min
1,4 m/min
> 90 m
Voraussetzungen für hohe Standzeiten und Kantenqualität
einwandfreies Fräswerkzeug (ohne Beschädigung)
optimale Schnittbedingungen (Schnittgeschwindigkeit, Vorschub)
gut funktionierende Spanabsaugung (80 - 100 mbar)
sichere Fixierung des Leiterplattenpaketes auf dem Maschinentisch
ausreichende Antriebsleistung und exakter Rundlauf der Frässpindel
sichere Werkzeugspannung
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.2
Fräsen
Seite 16
∅
[mm]
Pakethöhe
[mm]
Materialtyp
0.30
0.40
0.50
0.60
0.6
0.6
1.0-2.0
2.0-2.5
0.70
2.0-2.5
0.80
0.80
0.80
2.5-5.5
2.5-5.5
2.0-3.0
●
●
❍
0.90
0.90
0.90
2.5-5.5
3.0-5.5
2.5-3.0
●
●
❍
1.00
1.00
1.00
2.5-5.5
2.5-5.5
2.5-3.5
●
●
❍
1.10
1.10
1.10
2.5-5.5
2.5-5.5
2.5-3.5
●
●
❍
1.20
1.20
1.20
3.5-5.5
3.5-5.5
3.5
●
●
❍
1.30
1.30
1.30
3.5-5.5
3.5-5.5
3.5
●
●
❍
1.40
1.40
1.40
4.0-5.5
4.0-5.5
3.5
●
●
❍
1.50
1.50
1.50
4.0-5.5
4.0-5.5
3.5
●
●
❍
Cu
Teflon Multi ●
Spiral ❍
K
[m/min]
Absaugleistung
[mbar]
❍
❍
❍
❍
❍
❍
❍
❍
❍
❍
❍
❍
80
80
75
75
0.05 - 0.1
0.05 - 0.1
0.05 - 0.1
0.08 -0.12
80-100
80-100
80-100
80-100
❍
❍
❍
426
423, 426
423, 426
423, 425
426, 427
423, 425
426, 427
70
0.15 - 0.2
80-100
68
60
50
0.3 - 0.4
0.3 - 0.4
0.1 - 0.15
80-100
80-100
80-100
55
45
40
0.3 - 0.5
0.3 - 0.5
0.1 - 0.15
80-100
80-100
80-100
45
35
30
0.4 - 0.7
0.4 - 0.7
0.2 - 0.5
80-100
80-100
80-100
45
35
30
0.4 - 0.7
0.4 - 0.7
0.2 - 0.5
80-100
80-100
80-100
45
35
30
0.4 - 0.7
0.4 - 0.7
0.2 - 0.5
80-100
80-100
80-100
40
30
25
0.8
0.8
0.6
80-100
80-100
80-100
40
30
25
0.8
0.8
0.6
80-100
80-100
80-100
40
30
25
1.0
1.0
0.8
80-100
80-100
80-100
Glas Flex
FR4
Fräsertyp
U/min Vorschub
441
❍
❍
448
❍
423, 425
426, 427
441
❍
❍
448
❍
423, 425
426, 427
441
❍
❍
448
❍
423, 425
426, 427
441
❍
❍
448
❍
423, 425
426, 427
441
❍
❍
448
❍
423, 425
426, 427
441
❍
❍
448
❍
423, 425
426, 427
441
❍
❍
448
❍
423, 425
426, 427
441
❍
❍
❍
448
423, 425
426, 427
Richtwerttabelle 1: Parameter zum Konturenfräsen (Werkbild HAM)
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.2
Fräsen
Seite 17
∅
Materialtyp
[mm]
Pakethöhe
[mm]
1.60
1.60
1.60
6.5
6.5
4.5
●
●
❍
Glas Flex
FR4
Fräsertyp
Cu
Teflon
Multi ●
441
U/min Vorschub
Spiral ❍
K
40
30
❍
❍
❍
423, 425 25
426. 427
●
1.70
6.5
441
40
●
1.70
6.5
448
30
❍
❍
❍
❍
1.70
4.5
423, 425 25
427
●
1.80
6.5
441
35
●
1.80
6.5
448
28
❍
❍
❍
❍
1.80
4.5
423, 425 23
427
●
1.90
6.5
441
35
●
1.90
6.5
448
28
❍
❍
❍
❍
1.90
4.5
423, 425 23
427
●
2.00
6.5
441
35
●
2.00
6.5
448
38
❍
❍
❍
❍
2.00
4.5
423, 425 23
427
●
2.10
6.5
441
35
●
2.10
6.5
448
28
❍
❍
❍
❍
2.10
6.5
423, 425 23
427
●
2.20
6.5
441
32
●
2.20
6.5
448
26
❍
❍
❍
❍
2.20
6.5
423, 425 22
427
●
2.40
8.0
441
32
●
2.40
8.0
448
26
❍
❍
❍
❍
2.40
8.0
423, 425 22
427
●
2.50
8.0
441
32
●
2.50
8.0
448
26
❍
❍
❍
❍
2.50
8.0
423, 425 22
427
●
3.00
8.0
441
28
●
3.00
8.0
448
22
❍
❍
❍
❍
3.00
8.0
423, 425 18
427
Richtwerttabelle 2: Parameter zum Konturenfräsen (Werkbild HAM)
448
[m/min]
Absaugleistung
[mbar]
1.0
1.0
0.8
80-100
80-100
80-100
1.0
1.0
0.8
80-100
80-100
80-100
1.1
1.1
0.9
80-100
80-100
80-100
1.1
1.1
0.9
80-100
80-100
80-100
1.2
1.2
0.9
80-100
80-100
80-100
1.2
1.2
0.9
80-100
80-100
80-100
1.3
1.3
1.0
80-100
80-100
80-100
1.4
1.4
1.0
80-100
80-100
80-100
1.4
1.4
1.0
80-100
80-100
80-100
1.2
1.2
0.8
80-100
80-100
80-100
Fräsen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.2
Seite 18
8
Tiefenfräsen
Beim Fräsen von flexiblen Schaltungen ist es erforderlich, mit einer Tiefentoleranz von ± 50
µm (von der Oberfläche aus gemessen) zu arbeiten. Aus diesem Grund ist jeder Fräskopf
mit einem zweiten Linearmeßsystem ausgestattet (Bild 3). Mit Hilfe des vorher
beschriebenen Lasermeßsystems wird der Abstand zwischen Niederhalter-Unterkante und
Fräserspitze bezogen auf die LP-Oberfläche exakt gemessen. Der beschriebene
Arbeitsablauf wird durch eine spezielle Software vollautomatisch ausgeführt und hat den
Vorteil, daß auch bei unterschiedlichen Einspannlängen der Fräser, unebenen Leiterplatten
oder Verschleiß am Niederhalter-Andruckring die Tiefentoleranz nicht beeinflußt wird.
Hierbei kommen zwei Verfahren zum Einsatz:
• Tiefenfräsen ohne Nachregeln
• Tiefenfräsen mit Nachregeln
9
Kombinierte Bohr- und Fräsmaschinen
Bei der spanenden Bearbeitung von LP kann man den Bohr- und Fräsvorgang auf einer
Maschine
vereinigen.
Hierbei
ist
es
möglich,
die
Arbeitsgänge
• nur Bohren
• nur Fräsen
• Bohren und Fräsen
durchzuführen. Bei den kombinierten Bohr- und Fräsmaschinen sind die jeweiligen
Besonderheiten von Bohr- und Fräsmaschinen in einer Maschine vereinigt. Als Ergänzung
ist es notwendig, daß der Niederhalter über die Programmierung
auf
• den Bohrdruck (große Kraft) und
• den Fräsdruck (kleine Kraft)
umsteuerbar ist.
Die kombinierten Bohr- und Fräsmaschinen sind aufgrund der hohen Flexibilität vorwiegend
bei kleineren LP-Herstellern im Einsatz. In diesem Zusammenhang sollte noch erwähnt
werden, daß Großhersteller vom LP mit hohen Qualitätsansprüchen nicht mit diesem
kombinierten Maschinen produzieren. Diese Hersteller setzen
• Bohrmaschinen zum Bohren und
• Fräsmaschinen zum Fräsen ein.
Fräsen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.2
Seite 19
10
Qualitätssicherung
Beim Konturenfräsen von Leiterplatten erfolgt die Qualitätssicherung durch Prüfung der
Bohr- und Fräsgenauigkeit. Die Bohrgenauigkeit beträgt hierbei weniger als ± 20 µm.
Folgende Parameter sind dabei zugrunde gelegt:
Bohrdurchmesser: 1,3 mm bis 2,0 mm
Spirallänge: Minimum
Material: 1 Platte FR 4, beidseitig Cu-beschichtet
Deckplatte: HP oder Al
Raumtemperatur: 22 °C ± 1°C (Bohren / Messen)
Bezüglich der Fräsgenauigkeit können bei FR 4 Material (1,6 mm Dicke) folgende
Genauigkeiten erreicht werden:
•
•
•
∅ 2,4 mm
∅ 2,4 mm
∅ 3,0 mm
3-lagig
4-lagig
4-lagig
± 0,05 mm
± 0,12 mm
± 0,12 mm
Ritzen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.3
Seite 1
Allgemeines
Das Ritzen von Leiterplatten ist ein mechanisches Fertigungsverfahren zur Erzeugung von
Sollbruchstellen an den Nutzenrändern von Leiterplatten.
Beim Ritzen werden zwei V-förmige Nuten von oben und unten eingebracht, um später das
Herausbrechen der einzelnen Leiterplatten zu ermöglichen. In diesem Schulungsblatt sind
die unterschiedlichen Maschinenkonzepte, die Ausführungen der Ritzfräser und die
Qualitätssicherung erläutert.
4-Achsen CNC-Ritzmaschine (Funktionsschema, Werkbild ALFA)
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.3
Ritzen
Seite 2
Maschinenkonzepte
!
Pkt. 1
Ritzfräser
!
Pkt. 2
Qualitätssicherung
!
Pkt. 3
Ritzen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.3
Seite 3
1
Maschinenkonzepte
Die Kerbritzung besteht aus der Ritztiefe von oben und der Ritztiefe von unten. Der
verbleibende Reststeg, auch als Bruchsteg bezeichnet, ermöglicht das spätere
Herausbrechen der einzelnen Leiterplatten. Die Ritzungen können hierbei
• in einer Richtung parallel oder
• in zwei Richtungen um 90° verdreht (X- und Y-Achse)
eingebracht werden.
Beim Ritzen kommen Maschinen mit unterschiedlicher Arbeitsweise zum Einsatz:
• mechanische Ritzmaschinen
• CNC-gesteuerte Ritzmaschinen
1.1
Mechanische Ritzmaschine
Bei der mechanischen Ritzmaschine sind zwei Fräserwellen oben und unten
gegenüberliegend angeordnet. Die Vollhartmetall-Ritzfräser werden durch Distanzringe auf
den Wellen entsprechend dem Ritzabstand auf Position montiert. Die Ritzfräser müssen
hierbei nicht nur in genauer Distanz positioniert werden, sondern auch exakt mit den Spitzen
von oben nach unten zueinander fluchten. Nur so ist das spätere Brechen an den
Sollbruchstellen ohne Komplikationen möglich.
Die Positionierung und Fixierung der Leiterplatte erfolgt mit zwei Indexstiften, die in zwei
Indexbohrungen an einer Seite der Leiterplatte eingreifen. Beim Ritzen in X- und Y-Achse ist
in der Regel eine dritte Indexbohrung an einer rechtwinklig zugeordneten Seite eingebracht,
worin die Leiterplatte nach der 90° Drehung nochmals eingehängt werden kann.
Der Nachteil der mechanischen Ritzmaschine liegt unter anderem in sehr langen Rüstzeiten
bei der Umstellung auf andere Ritzabstände (Messerabstände). Damit weist dieses
Maschinenkonzept eine sehr geringe Flexibilität auf und wird heute nur noch selten
eingesetzt.
1.2
2-Achsen CNC-Ritzmaschine
Bei diesem Maschinentyp sind zwei Ritzfräser oben und unten gegenüberliegend montiert.
Der Leiterplatten-Nutzen wird CNC-gesteuert zwischen den Ritzfräsern positioniert, wobei
der obere und untere Ritzfräser gleichzeitig eine definierte Rille in die Leiterplatte einfräsen.
Zwischen den beiden Ritzfräsern bleibt ein ungefräster Reststeg stehen (Bild 1).
Über die X-Achse werden die Ritzabstände programmiert, während die Y-Achse eine
Programmierung des Hubes (Plattenlänge plus Überlauf) und der Vorschubgeschwindigkeit
beim Ritzen ermöglicht.
Ritzen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.3
Seite 4
Bild 1: Ritzprofil mit Reststeg (Werkbild L+H Maschinenbau)
Die Bedienungsperson erstellt an der CNC-Steuerung das Ritzprogramm für die X- und YAchse. Der Arbeitsablauf erfolgt dann automatisch nach dem Start der Maschine.
Je nach Maschinentyp können hierbei der Ober- und Unterfräser manuell oder motorisch
zueinander eingestellt werden. Die damit entstehende Reststegdicke ist von folgenden
Faktoren abhängig:
•
•
•
•
Werkstoff des Basismaterials
Format der Leiterplatte
Packungsdichte der Leiterplatten-Nutzen
bei der Weiterverarbeitung der Leiterplatten-Nutzen eingesetzte Verfahren
Die Positionierung der Leiterplatte erfolgt hierbei ebenfalls durch zwei Indexstifte und die
zugehörigen Indexbohrungen in Relation zum Maschinen-Koordinaten-system.
1.3
4-Achsen CNC-Ritzmaschine
Bei der 4-Achsen-CNC-Ritzmaschine werden neben der programmierbaren X- und Y-Achse
zusätzlich die beiden Ritzfräser CNC-gesteuert angetrieben (siehe Titelbild Seite 1). Die vier
CNC-Achsen haben folgende Funktionen:
• X-Achse: Zustellachse für die Ritzabstände
• Y-Achse: Hubachse (Plattenlänge plus Überlauf) sowie
Vorschubachse (Ritzgeschwindigkeit)
• Z-Achse: Zustell- und Positionierachse für die oberen Ritzfräser
Ritzen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.3
Seite 5
• A-Achse: Zustell- und Positionierachse für den unteren Ritzfräser
Dieser Maschinentyp ermöglicht folgende Fertigungsverfahren (Bild 2):
• unterbrochene Ritzungen („Sprung-Ritzen“) innerhalb der LP
• programmierbare Dicke des Reststeges
• unterschiedliche Reststegdicken auf einer Leiterplatte während eines automatisch
ablaufenden Bearbeitungszyklus
• unterschiedliche Ritztiefen an der Ober- und Unterseite der Leiterplatte
Bild 2: Ritzprofil mit unterschiedlicher Ritztiefe (Werkbild L+H Maschinenbau)
1.4
Vollautomatische 5-Achsen CNC-Ritzmaschine
Dieser Maschinentyp ist mit fünf CNC-gesteuerten Achsen ausgerüstet (Bild 3) und hat
neben der programmierbaren X-, Y-, Z- und A-Achse eine zusätzliche Achse zur LPDrehung um 90°, wodurch folgende Anwendungen möglich sind:
• Vollautomatisches X- und Y-Ritzen mit 90°-Drehung der LP
• Positionieren der Ritzfräser von oben und unten durch Software
• Programmieren der Dicke des Reststeges per Software. Änderung der Dicke von Ritz zu
Ritz ist möglich. Abfallstreifen können somit beispielsweise als Teilnutzen weiter
durchgeritzt werden.
Ritzen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.3
Seite 6
• Innerhalb der LP können unterbrochene Ritzungen („Sprung-Ritzen“) hergestellt werden,
damit ist eine rechtwinklige Ritzung in der LP realisierbar.
• Unterschiedliche Ritztiefen auf Ober- und Unterseite sind möglich, einseitiges Ritzen ist
per Software programmierbar.
• Automatisches, formatabhängiges Einstellen der Indexstifte
Diese CNC-Ritzmaschine kann zusätzlich mit folgenden Funktionsmodulen arbeiten:
• Software-Programmierplatz: Mit dem PC kann das Ritzprogramm leicht und
benutzerfreundlich graphisch erstellt werden. Durch die graphische Darstellung des
Programms können Programmierfehler sofort erkannt und einfach korrigiert werden.
• DNC-Betrieb
• Handlingsmodule (in Horizontal- oder Magazintechnik) zum automatischen Be- und
Entladen der Ritzmaschine
• Schwimmend gelagerte LP-Spann- und Indexierungsvorrichtung: Die gesamte LPHalterung ist an einem mitfahrenden Auflege-Rollentisch montiert. Dieser unterstützt die
Wirkung der schwimmenden Aufhängung/Indexierung und ist Voraussetzung für ein
genaues Zentrieren der LP zwischen den Fräsern. Nur so ist gewährleistet, daß dünne,
krumme LP mit der geforderten Toleranz geritzt werden können.
• Durch Verwendung von bürstenlosen AC-Servo-Antrieben mit Resolvern wird eine
Arbeitsgeschwindigkeit bis 40 m/min erreicht.
• Die hohe Flexibilität der Maschine ermöglicht eine wirtschaftliche Fertigung, auch bei
kleinen bis mittleren Losgrößen.
Ritzen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.3
Seite 7
Bild 3: 5-Achsen-CNC-Ritzmaschine mit automatischer Be- und Entladung sowie 90°
Drehung (Werkbild L+H Maschinenbau)
1.5
Vollautomatische 5-Achsen CNC-Ritzmaschine mit CCD-Kamera
Der zunehmende Einsatz von hochwertigen Leiterplatten mit feinsten Leiterzügen und
Microbohrungen zwingt dazu, die Fertigungstoleranzen immer mehr einzuengen. Für das
Ritzen bedeutet dies, daß die V-förmige Nut bei derartigen Leiterplatten exakt zum Leiterbild
eingebracht werden muß. Hierzu ist der Rand des Leiterplatten-Nutzens mit
Positionsmarken (Fiducials) als Bestandteil des Leiterbildes versehen. Diese werden durch
eine eingebaute CCD-Kamera abgetastet und ermöglichen somit eine Achsenkorrektur. Bei
dieser Funktion wird das Ritzen stiftlos durchgeführt.
Bei der Achsenkorrektur wird zuerst die LP-Position ermittelt (Bild 4). Danach erfolgt die
Korrektur der LP-Position (Bild 5). Die Ermittlung der Position erfolgt in drei Schritten:
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.3
Ritzen
Seite 8
• Das
Vakuum
• Der
Hub-/Drehkopf
im
Hub-/Drehkopf
fährt
mit
(i)
der
• Während dieses Transports ermittelt
Positionsmarken auf der Leiterplatte.
wird
LP
die
eingeschaltet
nach
oben
Kamera
(k)
und
die
und
hält
zur
Lage
die
LP.
Ritzmaschine.
der
beiden
Bild 4: Ermitteln der LP-Position (Funktionsschema, ALFA)
Weicht die Lage der beiden Marken von der vorgegebenen Position ab, dann wird dieser
Fehler wie folgt korrigiert:
• Der Abweichungswinkel (ß) wird durch Drehung des Hub-/Drehkopfs ausgeglichen.
• Der Versatz in X-Richung wird über die Positionierung der X-(Transfer)-Achse
ausgeglichen.
Ritzen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.3
Seite 9
• Ein Versatz in Y-Richtung wird über das jeweilige Ritzprogramm (im „Jump-Cut“- Betrieb)
ausgeglichen. Die Ritzmesser werden entsprechend des Versatzes früher oder später
eingesenkt.
Bild 5: Korrektur der LP-Position (Funktionsschema, Werkbild ALFA)
2
Ritzfräser
Beim Ritzen von Leiterplatten werden wahlweise folgende Werkzeuge eingesetzt:
• Vollhartmetall-Ritzfräser unbeschichtet
• Vollhartmetall-Ritzfräser beschichtet
• Diamant-Ritzfräser
Das häufigste Profil bei den Vollhartmetall-Ritzfräsern ist ein Spitzenwinkel von 30° mit einer
Fase von 0,05 bis 0,10 mm, die ein zu schnelles Abstumpfen der Spitze verhindert. Aber
auch Spitzenwinkel von 45°, 60°, 90° oder sogar 120° bzw. 140° werden eingesetzt. Die
größeren Winkel dienen hierbei jedoch
dem Fasen von Leiterplattenkanten mit
gleichzeitigem Ritzeffekt.
Ritzen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.3
Seite 10
Um den Reststeg während einer bestimmten Arbeitszeit konstant zu halten, wird durch
Zustellung der Werkzeuge eine Verschleißkompensation durchgeführt. Die Abstumpfung
wird hierbei durch eine Beschichtung der Werkzeuge mit z.B. TiCN (Titancarbonitrid)
erfolgreich verlangsamt. Diese Schicht wird mittels Ionenplattieren (PVD-Verfahren)
aufgetragen und bringt eine um 50% härtere Schutzschicht auf das Hartmetall. Dadurch
steigt die Härte der Oberfläche von
HV 2000 auf HV 3000 an.
Die Verschleißkompensation entfällt weitestgehend beim Einsatz von Diamant-Ritzfräsern.
Die verwendeten Profile haben die gleichen Spitzenwinkel wie zuvor erläutert. Die DiamantSpitze wird aber nicht von einer Fase geschützt, sondern durch einen Radius von 0,07 mm
bis 0,1 mm, der das Ausbrechen der Spitze verhindert und eine exakte Bruchkante am
Nutzen ermöglicht (Bild 6).
Die Formstabilität der Diamant-Ritzfräser ist durch die Härte der Diamantschneide zu
erklären. Sie liegt nach der Knoop-Härte bie „50“, im Vergleich zu Hartmetall ISO K 10 bei
„7“. Dies erklärt auch die Formstabilität und die viel längere Standzeit der DiamantRitzfräser. Diese Werkzeuge haben in FR4-Basismaterial eine Standzeit von 60.000 bis
80.000 m und können mehrmals nachgeschliffen werden.
Bild 6 : Diamant-Ritzfräser (Werkbild LACH DIAMANT)
Ritzen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.3
Seite 11
3
Qualitätssicherung
Bei der Qualitätssicherung der beschriebenen CNC-gesteuerten Ritzmaschinen können
folgende technische Daten zugrunde gelegt werden:
Stiftabstand - 1. Ritz:
min. 6 mm
Parallelität Stift - Ritz:± 0,03 mm
Abstand Ritz - Ritz:
± 0,03 mm
Wiederholungsgenauigkeit: ± 0,03 mm
Reststegdicke:
programmierbar von 0,1 - 3,0 mm ± 0,03 mm
Literatur:
Bei diesem Schulungsblatt wurden technische Unterlagen der Firmen ALFA, LACHDIAMANT und L+H Maschinenbau verwendet. Wir bedanken uns für die freundliche
Unterstützung.
Stanzen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.4
Seite 1
Allgemeines
Das Stanzen von Leiterplatten ist ein klassisches Fertigungsverfahren zur Erzeugung von
Löchern, Innen- und Außenkonturen bei hohen Stückzahlen und bietet die Gewähr für eine
kostengünstige und rationelle Fertigung.
Aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung der Bauteile und der damit verbundenen
starken Zunahme von Kleinstbohrungen ist das Stanzen in den letzten Jahren stark zurückgedrängt worden. Es wird jedoch auch heute noch als kostengünstiges Verfahren bei Leiterplatten mit geeignetem Layout und hoher Stückzahl eingesetzt.
Inhaltsverzeichnis
Entscheidungskriterien
Pkt. 1
Arbeitsvorbereitung
Pkt. 2
Stanzwerkzeuge
Pkt. 3
Schlußwort
Pkt. 4
Stanzen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.4
Seite 2
1
Entscheidungskriterien
• 1.1 Material
• 1.2 Leiterplattenlayout
• 1.3 Maßhaltigkeit / Qualität
• 1.4 Stückzahl
• 1.5 Termin
• 1.6 Produktionseinrichtung
1.1
Material
Im Prinzip lassen sich alle bekannten Leiterplattenmaterialien stanzen.Phenolharz-und
Epoxydharzhartpapiere in kaschierter und in unkaschierter Form werden vor dem Stanzen
auf 60°C bis 80°C erwärmt, um ein Ausbrechen der Schnittkante zu vermeiden (laustanzbar). Glasfaserverstärkte Materialien werden kalt gestanzt. Bei der Werkzeugherstellung sind die Eigenschaften des zu stanzenden Materials zu berücksichtigen (Schnittspalt
zwischen Stempel und Matritze). Die Materialdicke sollte 1,6 mm nicht überschreiten.
1.2 Leiterplattenlayout
Um eine Leiterplatte stanzfähig zu machen, sollten schon bei der Layouterstellung folgende
Regeln beachtet werden:
• nicht geeignet für durchkontaktierte Bohrungen ( Lochwandrauhigkeit )
• Abstand Leiterbahn von Kontur => 0,5 mm
• Kupferfreistellung zur Außenkontur zur Vermeidung von Stanzgrat
• Verhältnis Lochdurchmesser bzw. Schlitzbreite zu Materialdicke =>1:1
• Vermeidung von stegartig angebundenen Ausbruchabdeckungen
(Matritzenstabilität des Stanzwerkzeuges).
• Eckige Innekonturen sind nur im Stanzverfahren herzustellen
• Stanzen mit anschließendem Zurückdrücken ( als Deckel für Lötwelle oder
Herstellung Starrflex )
• Multilayer stanzen nicht empfehlenswert.
Stanzen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.4
Seite 3
1.3
Maßhaltigkeit / Qualität
Mittenabstände
bei Komplettschnitt: +/-0,02 mm
bei Folgeschnitt : +/-0,05 mm
Innenkontur zu Außenkontur
Leiterbahnen zu Kontur
Bei Bandstahlschnitten müssen Toleranzen von +/-0,40 mm berücksichtigt
werden. Diese Angaben setzen voraus:
•
•
•
•
•
∙fachlich einwandfreie Konstruktion ( Bauart ) und Anfertigung des Stanzwerkzeuges
∙gewartetes Werkzeug
∙geschliffenes Werkzeug
∙geeignete Stanzmaschine
sehr gute Wiederholgenauigkeit
Beim Stanzen wird nur das erste Drittel der Materialdicke "geschnitten",sodaß zwei Drittel
der Materialstärke eine rauhe Oberfläche aufweisen, die Mikrorisse oder austretende Glasfasern erkennen lassen. Für Einschubtechnik und Mikroelktronik nicht empfehlenswert.
1.4
Stückzahl
In der Regel wird das Stanzen von Leiterplatten aus wirtschaftlichen Gründen geplant.und
dem Bohren oder Fräsen vorgezogen. Um eine Amortisation der Werkzeugkosten zu erreichen, muß beispielsweise für eine Europakarte ( 160 mm x 100 mm ) eine Totalstückzahl
von ca 80000 erreicht werden.
1.5
Termin
Für die Konstruktion und Herstellung eines Stanzwerkzeuges wird in Abhängigkeitvon Komplexität und Bauart ein Zeitraum von 5 bis10 Wochen erforderlich. Für Änderungen müssen
je nach Änderungsumfang 5 bis 20 Tage angesetzt werden.
1.6
Produktionseinrichtungen
Stanzwerkzeuge erfordern je nach Werkzeugtyp den Einsatz in
Exzenterpressen,
Hydraulische Pressen,
Pneumatische Pressen oder
Kniehebelpressen.
Stanzen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.4
Seite 4
Bei langen Schnittkonturen können Drücke von 100 t erforderlich werden, bei Bandstahlschnitten in der Regel weniger als 2 t.
2
Arbeitsvorbereitung
Entsprechend der unter Pkt. 2 genannten Entscheidungskriterien wird in der Arbeitsvorbereitung das geeignete Herstellverfahren ausgewählt. In vielen Fällen sind auch Kombinationen von unterschiedlichen Bearbeitungen erforderlich oder sinnvoll.
•
•
•
•
∙ stanzen Lochbild, stanzen Kontur
∙ bohren Lochbild, stanzen Kontur
∙ bohren Lochbild, ritzen , stanzen Kontur
∙ bohren, Streifen schneiden, stanzen Kontur
Bandstahlschnitte ( kostengünstig und schnell herzustellen ) werden in der Regel nur nur
noch bei flexiblen Materialien ( Polyimid )eingesetzt. Bei starren Materialien kommen überwiegend Komplettschnitte und Folgeschnitte zum Einsatz.
Erforderlich bei der Nutzenauslegung sind zusätzliche Referenzbohrungen, die beim Stanzen als Werkzeugaufnahme dienen und gleichzeitig einen toleranzminimierten Bezug zum
Leiterbild gewährleisten.
Für eilige Entwicklungsmuster sind wegen der langen Herstellungszeit des Werkzeuges und
des Änderungsrisikos häufig alternative Herstellverfahren einzuplanen.
3
Stanzwerkzeuge
Beim Komplettschnitt erfolgt das Stanzen der Löcher und das Schneiden der Kontur in einem Arbeitsgang. Der Hauptstempel, der die Außenform der Leiterplatte schneidet, ist
gleichzeitig Schnittplatte für die eingestzten Stempel Stanznadeln). Komplettschnitte benötigen eine sehr genaue Führung und werden meist in Säulenführungsgestelle eingebaut.
Folgeschnitte (Säulenführungsschnitt) mit Vorlocher werden überwiegend zum Stanzen kleinerer Leiterplatteneingesetzt. Der Vortei dieser Werkzeugkonzeption besteht im Unterbringen vieler Stempel in einer Schnittplatte. Im ersten Schritt werden beim Stanzen nur bestimmte Lochgruppen bzw. Innekonturen oder je nach geforderter Lochzahl alle Löcher gestanzt. Danach wird die Leiterplatte (oder der Zuschnitt) um ein Raster verschoben und beim
zweiten Hub die Kontur ausgeschnitten, wobei gleichzeitig der Lochvorgang in der nächsten
Leiterplatte durchgeführt wird.
Das Positionieren des Zuschnittes im Werkzeug erfolgt entweder über Einhängestifte oder
mit Sucherstiften. Einhängestifte müssen fest in der Schnittplatte verankert sein. Sie sind
pilzförmig gedreht und in der Herstellung und Einbau kostengünstig. Bei Folgeschnitten mit
Stanzen
VDE/VDI
3711,
Blatt 3.4
Seite 5
Vorlochern genügen oftmals Einhängestifte den Anforderungen an die Zentrierung nicht.
Durch ungenaues Vorschieben der Zuschnitte und durch Spiel in den Referenzlöchern können vogegebene Toleranzen nicht eingehalten werden. Diese Fehler werden beim Einbau
von Sucherstiften weitgehend vermieden. Die Sucherstifte greifen beim Herunterfahren des
Werkzeuges in die vorgegebenen Referenzlöcher und positionieren die Leiterplatte. Erst
dann erfolgt das Stanzen.
Der Einbau von Niederhaltern vermeidet die sogenannte Hofbildung um Löcher und Schlitze.
Die Niederhaltekraft ist bei Hartpapieren so auszulegen, daß sie ca. 50 % der notwendigen
Stanzkraft entspricht. Runde Lochstempel können gehärtet und geschliffen bezogen werden.Sie werden mit oder ohne Kopf geliefert und können mit durchlaufendem Durchmesser
oder abgesetzt sein. Die Durchmesser sind nach Toleranzfeld h 6 geschliffen. Bei abgesetzten Stanznadeln wird eine Rundlaufgenauigkeit von 5 mm verlangt. Ähnliche Genauigkeiten werden bei allen anderen Stempel-Matritzen-Passungen verlangt, sodaß Schnittspalte
je nach zu stanzendem Material nahezu null betragen. Als Material wird hochwertiger Cr-NiStahl oder Hartmetall verwendet.
4
Schlußwort
Das Stanzen ist die kostengünstigste Methode der Formgebung und der Herstellung von
nicht durchkontaktierten Löchern und Durchbrüchen für die Massenproduktion. Der Einsatz
und die Behandlung von Basismaterialien, die Planung, Konstruktion und Herstellung von
Stanzwerkzeugen sowie das Arbeiten mit Werkzeug und Stanzmaschine erfordert ein einschlägiges Fachwissen. Dieses geht bei den typischen Leiterplattenherstellern immer mehr
verloren. Durch die Weiterentwichlung von Bohrmaschinen, Fräsmaschinen und Ritzmaschinen sind sehr flexible Alternativen im Einsatz. Da in der Leiterplattenindustrie die innovativen
Kräfte eher aus den Bereichen der Mikroelektronik mit einer zunehmenden Miniaturisierung
der Bauelemente kommen, ist für die Stanztechnik eine abnehmende Bedeutung zu erwarten.
Bohrlochreinigung und
Durchkontakierung
VDE/VDI
3711,
Blatt 4.1
Seite 1
Allgemeines
In der VDI/VDE-Richtlinie 3710 wird die Fertigung von Leiterplatten beschrieben. So werden
u.a. die verschiedenen Herstellungsverfahren von durchmetallisierten Leiterplatten
erläutert. Nach der Durchkontak-tierung werden die Leiterplatten entweder in “Panel
Plating“-Technik oder nach einem Photoprozeß (Imaging) in “Pattern Plating“-Technik
bearbeitet, um die gewünschte Schichtdicke von galvanisch abgeschiedenem Kupfer zu
erreichen. Unter Durchkontaktierung versteht man den Prozeß der Metallisierung gebohrter
Leiterplatten. Dabei kommen verschiedene chemische Verfahren zum Einsatz, die im
folgenden näher dargestellt werden.
Multilayer nach Lötschocktest (288°C, 10 sec)
Durchkontakierung
VDE/VDI
3711,
Blatt 4.1
Seite 2
1
Bohrlochreinigung (Desmear)
Multilayer müssen, bevor sie durchkontaktiert werden können, einen Prozeß zur Bohrloch
reinigung durchlaufen. In diesem Prozeß werden insbesondere die Innenlagen von Harzverschmierungen, die sich beim Bohren gebildet haben, befreit. Nur so ist eine einwandfreie
Ankontaktierung von Innenlagen gewährleistet.
Als Desmearprozess nach dem Bohren spielt heute neben dem Permanganatprozess
praktisch nur noch die Plasmabehandlung ei ne Rolle. Chromsäure- bzw..
Schwefelsäureverfahren werden hier deshalb nicht beschrieben.
1.1 Permanganat-Prozeß
Der Permanganatprozeß besteht aus 3 Schritten:
Quellen
⇓
Ätzen
⇓
Reduzieren
1.1.1
Quellen
Das Basismaterial wird zunächst in organischen Lösungsmitteln oder wäßrigen Mischungen
Anteilen an organischen Lösungsmitteln bei erhöhten Temperaturen von 50 - 80°C
behandelt, um den anschließenden Angriff von Permanganat zu erleichtern. So werden
Abhebungen der abzuscheidenden Kupferschicht vom Basismaterial (Pull away) vermieden.
Je nach Quellprozeß wird durch diese Behandlung in Verbindung mit dem nachfolgenden
Ätzschritt in Permanganat sogar eine Mikroaufrauhung des Basismaterials erreicht, was für
die Haftfestigkeit des abgeschiedenen Kupfers nicht erforderlich aber zumindest vorteilhaft
ist.
1.1.2
Ätzen
Durch Behandlung in alkalischen Permanganatlösungen (typische Arbeitsparameter: 45 g/l
MnO4 , 45 g/l NaOH; T = 60 - 80°C) werden die Bohrlöcher und insbesondere die Innenlagen
oxidativ von Harzverschmierungen (Smear), die beim Bohren gebildet werden, befreit. Dabei
entsteht durch die Reduktion von Permanganat (MnO4 ) neben Braunstein (MnO2) auch
Durchkontakierung
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2-
Manganat (MnO4 ). Um die Permanganatlösungen kontinuierlich betreiben zu können,
haben sich elektrolytische Regenerierungszellen durchgesetzt. In diesen Elektrolysezellen
wird das Manganat wieder zu Permanganat oxidiert. Hierbei wird an der Kathode
Wasserstoff gebildet, der wegen der Gefahr der Knallgasbildung abgesaugt werden muß.
Aber auch bei der Verwendung von Elektrolysezellen sind die Permanganatlösungen nicht
unbegrenzt haltbar. Wenn die Manganatkonzentration nicht mehr unter 25 g/l gehalten
werden kann, muß ein Neuansatz erfolgen.
1.1.3
Reduzieren
2+
Im nachfolgenden Reduktionsschritt wird der Braunstein zu Mn reduziert, um eine saubere
Bohrlochwandung zu gewährleisten. Als Reduktionsmittel werden z.B. Mischungen von
Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid bei Raumtemperatur eingesetzt.
1.2
Plasma
Durch hochfrequente elektromagnetische Strahlung wird in einer Gasmischung unter
vermindertem Druck ein Plasma erzeugt, worin reaktive Teilchen (Ionen, Radikale etc.)
enthalten sind, die mit den Teilchen der Bohrlochwand reagieren. Als Gasmischung hat sich
z.B. O2/CF4 bewährt. Die jeweiligen Prozeßbedingungen hängen davon ab, ob man nur eine
Bohrlochreinigung oder eine Bohrlochreinigung mit Rückätzung des Harzes (Etch back)
erreichen will. Wenn mit Rückätzung des Harzes gearbeitet wird, müssen anschließend die
herausstehenden Glasfasern geätzt werden.
Die wichtigen Prozeßparameter sind:
• Gaszusammensetzung
• Gasdruck
• Gasfluß
• Hochfreqenz-Leistung
• Prozeßzeit
Nach der Bohrlochreinigung können die Leiterplatten getrocknet und gelagert werden oder
die Durchkontaktierung erfolgt direkt anschließend („naß-in-naß“).
Bei der Durchkontaktierung unterscheidet man heute konventionelle Verfahren, die mit
Chemisch Kupfer arbeiten von den Direktmetallisierungsverfahren, bei denen auf die
chemische Verkupferung verzichtet wird.
Durchkontakierung
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2
Konventionelle Durchkontaktierung
Die konventionelle Durchkontaktierung beinhaltet im wesentlichen folgende Schritte:
Reinigen/Konditionieren
⇓
Mikroaufrauhen
⇓
Aktivieren
⇓
Chemisch Kupfer
2.1
Im Arbeitsschritt Reinigen/Konditionieren werden die Bohrloch- und Kupferober-flächen
nochmals von anhaftenden Verunreinigungen befreit. Weiterhin werden die Glasfasern mit
speziellen Konditionierungsmitteln belegt, um die anschließende Aktivierung und
Kupferabscheidung zu gewährleisten.
2.2
Mikroaufrauhen
Eine kurze Behandlung in typischen Ätzreinigern (z.B.: 100 ml/l H2SO4 + 80 ml/l H2O2 oder
150 g/l Natriumpersulfat + 15 ml/l H2SO4) bei RT hat sich bewährt, um eine gute
Haftfestigkeit des galvanisch abgeschieden Kupfers auf der Kupfer-kaschierung bzw. den
Innenlagen sicherzustellen. Typische Ätzraten liegen bei 0,5-1 µm Kupfer/min.
2.3
Aktivieren
Beim Aktivieren werden katalytisch wirksame Metallkeime (zumeist: Palladium) auf dem
Basismaterial abgeschieden und ermöglichen so die nachfolgende chemische Verkupferung.
Hier müssen kolloidale Palladium/Zinn- und ionogene Palladium-Aktivatoren grundsätzlich
voneinander unterschieden werden.
Durchkontakierung
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Die kolloidalen Palladium/Zinn-Aktivatoren sind stark sauer (Salzsäure) und benötigen einen
nachfolgenden Prozeßschritt, um das Schutzkolloid zu entfernen. Die ionogenen PalladiumAktivatoren sind alkalisch und werden im nachfolgenden Schritt zu Palladium reduziert.
2.4
Chemisch Verkupfern
Beim chemisch (stromlos) Verkupfern kommen zwei Verfahrensvarianten zum Einsatz: die
Dünn- und die Dickkupfertechnik. Wird die chemische Kupferschicht dünn (ca. 0,2 µm in 1015 min.) bei 25-30 °C abgeschieden, so ist vor dem Photoprozeß eine galvanische
Verstärkung erforderlich. Wird die chemische Kupferschicht in Korbtechnik dicker (ca. 1,5-5
µm in 30-60 min) bei 35-45°C abgeschieden, kann auf die galvanische Verstärkung vor dem
Photoprozeß verzichtet werden. Als wesentliche Bestandteile eines chemischen
Kupferbades sind die folgenden zu nennen:
• Kupfersalz zur Lieferung von Kupferionen
• Komplexbildner (EDTA, Quadrol, Tartrat)
• Reduktionsmittel (Formaldehyd)
• pH-Regulatoren (z.B.: Natronlauge)
• Netzmittel
• Stabilisatoren (z.B.: Cyanid)
Bevor die Leiterplatten nach der chemischen Verkupferung galvanisch verstärkt oder im
Photoprozeß bearbeitet werden, können sie einen Anlaufschutz (z.B.: 1%-ige Citronensäure)
erhalten.
3
Direktmetallisierung
Z. Zt. sind im wesentlichen drei Varianten der Direktmetallisierung im Einsatz, die sich durch
die Art der ersten leitfähigen Schicht auf dem Basismaterial unterscheiden:
• Leitfähige Polymere
• Kohlenstoff
• Palladium-Kolloide
Perfekte Anbindung der Innenlage
Durchkontakierung
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3.1
Leitfähige Polymere
Die Direktmetallisierungsverfahren, die auf der Basis leitfähiger Polymere (z.B. Polypyrrol
oder -thiophen) arbeiten, sind selektive Prozesse, d.h. die leitfähige Schicht wird nur dort
ausgebildet, wo zuvor Braunstein durch die Reaktion des Basismaterials mit Permanganat
entstanden ist.
Bei der Bildung des leitfähigen Polymers aus dem jeweiligen Monomer wird Braunstein
2+
reduziert. Kupferoberflächen bleiben unbelegt, was eine gute
(MnO2) zu Mangan
Ankontaktierung der Innenlagen gewährleistet.
Das hat allerdings auch zur Folge, daß bezüglich der metallisierbaren Kunststoffe gewisse
Beschränkungen bestehen. Teflon reagiert z.B. nicht mit Permanganat, der zur Bildung der
Leitfähigkeit notwendige Braunstein kann nicht entstehen.
Prozeßablauf:
Mikroaufrauhen
⇓
⇓
Permanganat
⇓
Polymer
Anschließend können die Leiterplatten galvanisch verkupfert werden.
Durchkontakierung
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3.2 Kohlenstoff
Kohlenstoff wird entweder als Ruß oder Graphit eingesetzt. Der Prozeß ist nicht selektiv, d.h.
der Kohlenstoff muß von den Kupferoberflächen wieder entfernt werden, damit eine
ausreichende Haftfestigkeit des anschließend galvanisch abgeschiedenen Kupfers auf der
Kupferkaschierung und -innenlage gewährleistet ist. Die Entfernung des Kohlenstoffs von
Kupferoberflächen erfolgt mit Ätzreinigern.
⇓
Graphit/Kohlenstoff
⇓
Trocknen
⇓
Mikroätzen
Durchkontakierung
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3.2.1
Palladium-Kolloide
Die verwendeten Palladium-Kolloide sind entweder durch Zinn(II) oder durch organische
Polymere stabilisiert. Nach der Adsorption auf dem Basismaterial wird durch eine
Nachbehandlung das Zinn bzw. das organische Polymer entfernt.
Zur Verbesserung der Stabilität der Leitschicht wandelt ein Verfahren das Palladium der
Leitschicht in Palladiumsulfid um. Dabei wird auch Kupfer in Kupfersulfid umgewandelt. Die
Kupferoberflächen müssen deshalb anschließend wieder gereinigt werden, um eine sichere
Kupfer-Kupfer-Anbindung zu erreichen. Im Prinzip wird eine der konventionellen
Durchkontaktierung entsprechende Prozeßfolge durchlaufen:
⇓
Mikroätzen
⇓
Aktivieren
⇓
Beschleunigen
4
Umwelt und Entsorgung
Durch die Direktmetallisierungsverfahren soll insbesondere der Prozeß der chemischen
Verkupferung umgangen werden.
Das in den chemischen Kupferbädern enthaltene Formaldehyd steht unter dem Verdacht,
ein krebserzeugendes Potential zu besitzen. Deshalb ist die Belastung durch Formaldehyd
so gering wie möglich zu halten (Absaugung, Lüftung).
Weiterhin muß der Komplexbildner EDTA entweder zurückgewonnen oder zerstört werden.
Deshalb ist der biologisch abbaubare Komplexbildner Tartrat zukünftig vorzuziehen.
Die Direct Plating-Verfahren enthalten meist nur noch im Conditioner schwache
Komplexbildner, die biologisch abbaubar sind, aber in der Abwasserbehandlung eine
Hydroxidfällung ausschlließen.
Ätzen und Beizen
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1
Ammoniakalisches Atzen
1.1
Allgemeines
Das in der Leiterplattenfertigung am weitesten verbreitete Ätzverfahren ist das ammoniakalische Ätzen, da sowohl die mit einem metallischen Ätzresist, wie z. B. Zinn/Blei oder Reinzinn, als auch die mit Fotoresist versehenen Schaltungen geätzt werden können.
Grundgleichung für die Ätzreaktion ist die Umsetzung von metallischem Kupfer und Kupfer(II)ionen zu einwertigen Kupferionen.
2+
+
Cu + Cu <==> 2 Cu
Die Regeneration des Ätzmediums erfolgt durch Oxidation der Cu(I)-Ionen mit Luftsauerstoff
im alkalischen Milieu wieder zu Cu(II)-Ionen, so daß die Ätzreaktion wieder von vorn beginnen kann. Durch das Einätzen von Kupfer steigt die Kupferkonzentration und damit die
Dichte der Lösung. Um die Kupferionen bei pH-Werten um 8,5 in Lösung zu halten, bindet
man sie mit Ammoniak im Kupfertetraminkomplex. Das konventionelle ammoniakalische
Ätzmedium besteht überwiegend aus einer Ammoniumchlorid-haltigen Kupferchloridlösung.
Zum Schutz der Oberfläche und zur Erhöhung der Ätzrate werden Zusätze beigefügt.
Die Verwendung von Basismaterial mit dünneren Kupferkaschierungen für die Feinstleitertechnik reduziert die Gesamtmenge an abzuätzendem Kupfer, während bei der Tentingtechnik die Schichtdicke des abzuätzenden Materials um bis zu 25 µm durch chemisch und galvanisch abgeschiedenes Kupfer erhöht wird.
Resist
Laminat
Insbesondere bei feinen Leitern ist es wichtig, daß der Ätzvorgang möglichst gerichtet abläuft und nicht zur Seite in die Flanke des Leiters. Ein quantitatives Maß für die Ätzqualität ist
der Ätzfaktor, der als Quotient von Tiefenätung (V) zu Seitenätzung (X) definiert ist. Der
Ätzfaktor hängt Anlagenparametern wie z. B. Sprühdruck, Düsenkonfiguration, -abstand,
Oszillation und der chemischen Zusammensetzung des Ätzmediums. ab, und sollte möglichst hoch sein. Ein typischer Wert des Ätzfaktors beim ammoniakalischen Ätzen ist 1,3 bis
1,5.
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Ätzen und Beizen
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Prozeßablaufschema
Innenlagen
Metallresisttechnik
ammoniakalisches Ätzen
Replenisher
Recycling
Spülkaskade
Aufheller
Spülkaskade
Ätzresistentfernung
Spülkaskade
Trockner
Ätzen und Beizen
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1.2
Prozeßablauf
Den grundsätzlichen Verfahrensablauf zeigt umseitiges Ablaufschema.
Durch den Ätzprozeß reichert sich die Ätzlösung mit Kupfer an, so daß oberhalb 160 g Cu/l
mit frischer Ätzlösung verdünnt werden muß, damit sich konstante Verhältnisse einstellen
können. Mit der frischen kupferfreien Ätzlösung, Replenisher genannt, werden die Leiterplattennutzen nach dem Ätzen gespült. Die Replenisherspülung minimiert die Kupferausschleppung in das Abwasser, weil das ausgeschleppte Kupfer über die Replenisherdosierung wieder in das Ätzmedium zurückgeführt wird. Zum Teil ist es möglich, Spülwasserkonzentrat aus der Kaskade der Altätze zuzugeben, um das Abwasser zu entlasten. Da diese
Verdünnung der Altätze die externe Aufarbeitung beeinträchtigt, können nur kleine Spülwasserzusätze, wenn überhaupt, zugelassen werden. Je Kilogramm eingeätztes Kupfer verbraucht man mindestens 7 l Ätzlösung.
Soll als Ätzresist dienendes Zinn/Blei aufgeschmolzen werden, muß ein die Oberfläche für
das Aufschmelzen vorbereitender Aufheller eingesetzt werden.
Als Alternative zum konventionellen Replenisher-Ätzverfahren wird ein Recyclingverfahren
für die ammoniakalische Ätze eingesetzt, bei dem man wegen der Elektrolysierbarkeit Chlorid durch Sulfat als Basisanion ersetzt. Die elektrolytische Aufarbeitung erfolgt in einer bipolaren Zelle, die durch ihren Aufbau besonders energiesparend und kompakt ist. Zwischen
zwei Randelektroden, an die eine Spannung von bis zu 42 V angelegt wird, sind 15 bzw. 17
Edelstahlelektroden isoliert angebracht, die im elektrischen Feld aufgrund des Zwischenleitereffekts auf der einen Seite kathodisch und auf der anderen Seite anodisch polarisiert werden. Bei der Elektrolyse mit Stromdichten von ca. 10 A/dm² scheidet sich kathodisch Kupfer
in Form von Folien ab, die leicht „abgeerntet“ werden können. Die entkupferte Ätzlösung
sammelt man als Regenerat und speist sie mit Hilfe der Dichteregelung wieder in das Ätzmodul ein, so daß für die Handhabung in der Fertigung, bis auf die etwas geringere Geschwindigkeit, keine Unterschiede feststellbar sind.
Die entkupferte Ätzlösung sammelt man als Regenerat und speist sie mit Hilfe der Dichteregelung wieder in das Ätzmodul ein, so daß für die Handhabung in der Fertigung, bis auf die
etwas geringere Geschwindigkeit, keine Unterschiede feststellbar sind.
Neben der Ätzgeschwindigkeit ist die Unterätzung die für den Ätzprozeß ausschlaggebende
Größe. Während des Ätzens greift das Ätzmedium das Kupfer nicht nur in der gewünschten
Richtung senkrecht zur Oberfläche an, sondern ätzt auch zur Seite, was zur sogenannten
Unterätzung der Leiter führt. Der Ätzfaktor, der Quotient aus Tiefen- und Seitenätzung, ist
ein Maß für die Qualität des Ätzverfahrens und hängt unter anderem von den Anlagenparametern Düsenkonfiguration, Sprühdruck und -abstand, Oszillation, sowie der chemischen
Zusammensetzung des Ätzmediums, aber auch dem Leiterbild ab. Beim ammoniakalischen
Ätzen findet man meist einen Ätzfaktor von 1,5 (Bild).
Ätzen und Beizen
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1.3
Die Aufarbeitung der ammoniakalischen Ätze erfolgt im Normalfall extern, wobei neben frischer Replenisherlösung weitere kupferhaltige Produkte hergestellt werden. Für die zentrale
Verwertung ist es allerdings nötig, jährlich tausende von Tonnen verbrauchter, wassergefährdender Ätzlösung zum Teil über viele hundert Kilometer zu transportieren. Das Recyclingverfahren hat noch einen kleinen Marktanteil.
Durch die Absaugung der Ätzanlage, fast immer eine horizontale Durchlaufanlage, wird beim
Replenisher-Verfahren der pH-Wert von über 9 auf den Betriebswert von ca. 8,6 herabgesetzt. Dadurch findet man erhebliche Mengen an Ammoniak, die als Überschuß im Replenisher enthalten waren, im Gaswäscher der Abluft. Beim Recyclingverfahren führt man das
freigesetzte Ammoniak über Injektoren in die Ätze zurück. Man erreicht durch die damit verbundene Dosierung von gasförmigem Ammoniak zum Ausgleich der Verluste eine Halbierung der Ammoniakemission gegenüber dem Replenisherverfahren. Die Gaswäscherlösungen müssen wegen der komplexbildnerischen Eigenschaften des Ammoniaks entsprechend
aufwendig behandelt werden.
2
Saures Ätzen
2.1
Allgemeines
Zum Auflösen von Metallen durch chemischen Angriff benötigt man ein Ätzmedium und einen Ätzresist, der den Teil des Produkts schützt, der nicht weggeätzt werden soll. Als Ätzresist dienen beim sauren Ätzen in der Leiterplattenherstellung organische Lack- oder Fotoresistschichten, die gegen die anorganischen Ätzmedien beständig sind, aber nach dem Ätzen
normalerweise wieder entfernt werden können (Strippen). Metallische Ätzresiste wie z. B.
Zinn/Blei lassen sich hier nicht einsetzen. Im Gegensatz zur Innenlagenfertigung, bei der die
Kupferkaschierung außerhalb des Leiterbilds, das durch den Ätzresist abgedeckt wird, abgeätzt wird, muß man bei der Tenting-Technik Kaschierung, sowie chemisch und galvanisch
aufgebrachtes Kupfer durch Ätzen entfernen. Die Leiter werden dann durch ein positives Bild
aus Fotoresist gegen das Ätzmedium geschützt, wobei vorzugsweise die saure Ätze eingesetzt wird.
Beim sauren Ätzen dient eine salzsaure Kupferchloridlösung als Ätzmedium, das sich durch
gute Steuerbarkeit und konstante Ätzrate auszeichnet.
Die chemische Gleichung des Ätzvorgangs lautet hier:
Cu + CuCl2 ==> 2 CuCl
Durch die Bildung von einwertigen Kupferionen sinkt die Aktivität der Ätze, die durch chemische Reoxidation mit Wasserstoffperoxid wieder regeneriert werden muß:
2 CuCl + H2O2 + 2 HCl ==> 2 CuCl2 + 2H2O
Ätzen und Beizen
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Das Redoxpotential ist ein Maß für die Aktivität des Ätzmediums. Der normale Arbeitsbereich liegt zwischen 460 und 500 mV. Durch Zugabe von Wasser, Salzsäure und Wasserstoffperoxid in einem empirischen Verhältnis und Abfluß der überschüssigen Ätzlösung können die Verhältnisse konstant gehalten werden.
2.2
Prozeßablauf
Den grundsätzlichen Verfahrensablauf zeigt das umseitige Ablaufschema.
Beim Ätzen in horizontalen Sprühätzmaschinen bilden sich auf der Leiterplattenoberseite
durch das Ablaufen des Ätzmediums „Pfützen“, die den Zutritt frischen Ätzmediums behindern, und dadurch die Ätzrate gegenüber der Leiterplattenunterseite verringern. Diesen Effekt versucht man durch einen um ca. 0,3 bar höheren oberseitigen Sprühdruck zu kompensieren.
Durch einen Redoxregler werden Dosierpumpen gesteuert, die Wasserstoffperoxid, Salzsäure und Wasser in einem empirischen Verhältnis dosieren. Um eine optimale Regelung
und Chemikaliennutzung zu gewährleisten, wird die Dosierung fein verteilt und in kleinen
Portionen zugegeben. Bei höherem Redoxpotential steigt zwar auch die Ätzrate, aber der
Effekt ist relativ gering im Vergleich zum erhöhten Chemikalienverbrauch, da sich das Wasserstoffperoxid im Ätzmedium auch spontan zersetzt.
Das Ätzmedium enthält im Normalfall mindestens einen Salzsäuregehalt von 200 ml HCl/l
und einem Kupfergehalt von 100 bis 140 g/l, um bei akzeptabler Ätzrate die Chemikalien
möglichst optimal zu nutzen. Die Ätzrate steigt mit zunehmender Salzsäurekonzentration um
10 µm/min je 90 ml/l (33 g/l). Erhöht man die Salzsäurekonzentration über 500 ml HCl/l
(halbkonzentriert) sinkt die Ätzrate wieder wegen der wachsenden Stabilität der Chorokomplexe.
Besonders wichtig ist auch die Temperaturabhängigkeit der Ätzrate, die bei Standardkonzentration um ca. 28% fällt, wenn die Temperatur von 50 auf 40° C gesenkt wird.
2.3
Bei Verwendung geeigneter Spülkaskaden kann der saure Ätzprozeß abwasserfrei geführt
werden, weil nur so viel Spülwasser nötig ist, wie zum Ansatz der frischen Ätzlösung verwendet werden kann.
Um die Emission von Salzsäuredämpfen zu reduzieren bietet es sich an, den größten Teil
der Salzsäure durch Kochsalz zu ersetzen. Neben der Umweltverbesserung werden dadurch
sogar noch Kosten gespart.
Die konzentrierten Wasserstoffperoxidlösungen zersetzen sich leicht und spalten reaktionsfähigen Sauerstoff ab. Deshalb muß beim Umgang mit Wasserstoffperoxid auf peinlichste
Sauberkeit geachtet werden, da schon durch kleine Verunreinigungen, Ätzlösung oder
Schmutz, schwere Explosionen auftreten können. Selbstverständlich muß man auch
Schutzbrille und Schutzhandschuhe verwenden.
Ätzen und Beizen
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Bisher haben Recyclingtechniken für die saure Ätze nur einen geringfügigen Marktanteil.
Die beim sauren Ätzen anfallenden stark salzsauren Kupferchloridlösungen können überwiegend in der chemischen Industrie als Rohstoff zur Herstellung von kupferhaltigen Produkten verwendet werden, wobei z. T. lange Transportwege zurückzulegen sind.
Eine interne Entsorgung verbrauchter saurer Ätzlösungen durch Fällung als Hydroxid ist
problemlos möglich, wobei die anfallenden Schlämme als Sonderabfall deponiert oder als
Monoschlamm einer externen Verwertung zugeführt werden.
Prozeßablaufschema
Innenlagen + Tenting
saures Ätzen
Spülkaskade
Ätzresistentfernung
Spülkaskade
Trocknen
3
Beizen
3.1
Allgemeines
Zur Vorbereitung der Kupferoberflächen auf die wesentlichen Prozeßschritte wird im allgemeinen ein Beizschritt vorgeschaltet. Der Abtrag von meist 0,3 bis 2 µm Kupfer schafft eine
frische, von der Vorgeschichte weitgehend unabhängige Oberfläche mit optimalen Eigen-
Ätzen und Beizen
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schaften für nachfolgende physikalische, chemische oder elektrolytische Bearbeitungen.
Zwar werden Beizen auf unterschiedlicher chemischer Basis wie z. B. Eisensalze, Schwefelsäure/Wasserstoffperoxid, Kupfersalze oder Phosphor-/Salpetersäure eingesetzt, doch die
größte Verbreitung hat in Deutschland die Natriumpersulfatbeize (NaPS). Entsprechend den
Anforderungen der jeweiligen Anwendung findet man bei Persulfatbeizen ein breites Spektrum an Zusammensetzungen und Arbeitsparametern. Häufig werden auch von Fachfirmen
bezogene Beizen eingesetzt, deren Wirkungsweise durch nicht offengelegte Zusätze verbessert worden sein soll.
Auch eine elektrolytische Ätzung wird eingesetzt, die die Vorteile einer genauen Kontrolle
des Abtrags und eines geringeren Abtrags in den Durchkontaktierungslöchern aufweist.
3.2
Prozeßablauf
Die Beizprozesse stellen zwar einen unverzichtbaren Bestandteil der Fertigungsprozesse
dar, müssen aber für die jeweilige Fertigungslinie angepaßt werden. Bei einigen Prozessen,
z. B. in der Durchkontaktierung, der Oxidationslinie, oder dem Leiteraufbau wird ein Reiniger
bzw. Entfetter vorgeschaltet, der Fett und andere organische Rückstände, die von der Beize
nicht angegriffen werden, vorab entfernt.
Handelt es sich um einen sauren Reiniger kann man in der Regel das Spülwasser der Kaskade nach dem Beizen zur Versorgung der Spülkaskade nach dem Reiniger verwenden, und
so ohne Qualitätseinbußen das Spülwasser doppelt nutzen. Bei alkalischen Reinigern besteht die Gefahr, daß die ausgeschleppte Alkalität zum Ausfällen von Hydroxidschlämmen in
der Anlage führt.
Im Folgenden sollen die Charakteristika der einzelnen Beizschritte erläutert werden:
3.2.1
Beizen vor der Durchkontaktierung
In der vorgeschalteten Konditionierung wurde die Oberfläche von mechanischen und organischen Verunreinigungen befreit, während in der Beize die gesamte Oberfläche der Kupferkaschierung durch einen Abtrag von meist 0,5 bis 1 µm Kupfer gereinigt und aktiviert wird.
Die Konditionierung der Harz- und Glasfaserflächen in den Lochhülsen darf durch den Beizvorgang nicht beeinträchtigt werden.
3.2.2
Beizen vor dem Fotoresist-Laminieren
Das Beizen vor dem Laminieren von Fotoresisten, fest oder flüssig, soll die Kupferoberfläche
reinigen und durch verstärkte Korngrenzenätzung strukturieren. Beim Beizen von Innenlagen
trägt man meist 1 bis 2 µm Kupfer ab. Da die Kupferschicht in den Durchkontaktierungslöchern teilweise ein Minimum von 2 µm aufweist, muß beim Beizvorgang der Außenlagen die
Beizrate sehr genau kontrolliert werden. Meist laminiert man die Nutzen „in line“ nach dem
Beizen, wobei, bei möglichen längeren Wartezeiten, eine auf den eingesetzten Fotoresist
abgestimmte Oberflächenpassivierung verwendet wird.
Ätzen und Beizen
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3.2.3
Beizen vor der Galvanik
Durch die Durchkontaktierung liegen in den Lochhülsen nur sehr dünne Verkupferungen mit
Schichtdicken bis herunter zu 2 µm vor. Der Abtrag beim Beizen vor der Galvanik beträgt
meist zwischen 0,2 und 0,8 µm Kupfer. Der Beizschritt soll die Oberfläche aktivieren, damit
bei der nachfolgenden galvanischen Abscheidung weitere Metallatome angelagert werden
können.
3.2.4
Beizen in der Oxidationslinie
Bevor die Kupferoberfläche der Innenlagen zur Erzielung der geforderten Haftfestigkeit der
Multilayer oxidiert wird, muß besonders sorgfältig gereinigt und gebeizt werden, da Reste
von Verunreinigungen und ungleichmäßige Beizung eine veränderte Struktur der Oxidschicht hervorrufen.
3.2.5
Beizen vor dem Heißverzinnen (HAL)
Der Beizvorgang dient überwiegend der Entfernung von Oxidationsschichten, die sich beim
Aushärten der Lötstoppmaske gebildet haben, und der Aktivierung der Oberfläche, um eine
optimale Benetzung mit Lot zu gewährleisten.
Meist stellt die Beize einen Vorbehandlungsschritt in einer Fertigungslinie dar, so daß eine
direkte Weiterverwendung der aktiven Kupferoberfläche erfolgt. Die gebeizte Oberfläche ist
sehr aktiv und wird leicht wieder kontaminiert, was Oberflächenuntersuchungen belegen.
Ohne Passivierung der Oberfläche wird eine Wiederholung der Aktivierung schon nach ca. 4
Stunden empfohlen.
Prozeßablaufschema
Reiniger
Spülkaskade
Beize
Spülkaskade
weitere
Prozeßstufen
oder Trockner
Ätzen und Beizen
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3.3
Beizsysteme
3.3.1
Die Persulfatbeize
Aus Umweltgründen bevorzugt man fast immer die Natriumperoxodisulfatbeize gegenüber
der Ammoniumpersulfatbeize. Die Beizrate wird hauptsächlich beeinflußt von Temperatur,
Persulfatkonzentration und Kupferaufnahme, während die anderen Einflußgrößen wie z. B.
Säurekonzentration nur geringere Bedeutung besitzen. Als Beiztemperatur wird maximal
40°C gewählt, weil oberhalb die Selbstzersetzung überhand nimmt, aber auch tiefere Temperaturen, insbesondere Raumtemperatur, sind häufig im Einsatz. Die Persulfatkonzentration variiert zwischen 50 und 200 g/l. Wegen der Forderung der Konstanz der Beizrate wird z.
T. die Beize schon nach einer Kupferaufnahme von unter 10 g/l verworfen. Bei geringeren
Forderungen bzw. durch entsprechende Verfahrensanpassung kann aber auch mit einer
Kupferaufnahme von mehr als 25 g/l gearbeitet werden.
3.3.2
Schwefelsäure/Wasserstoffperoxid-Beizen
Bei Beizen auf der Basis Schwefelsäure/Wasserstoffperoxid kommt der Stabilisierung des
Wasserstoffperoxids zentrale Bedeutung zu. Die mögliche Kupferaufnahme hängt stark von
der Arbeitstemperatur ab und beträgt bis zu 80 g/l, wobei die Stabilität der Beize bei sehr
hohen Arbeitstemperaturen abnimmt. In der Praxis wird häufig bei ca. 45 °C gearbeitet. Bei
tieferer Temperatur kristallisiert ein Teil des gelösten Kupfersulfats aus, ein Effekt, der zum
Regenerieren der Beizlösung genutzt werden kann, aber auch im ungünstigen Fall zu Störungen in der Anlage führt.
3.4
Bei der Entsorgung verbrauchter Beizen in der Chargenbehandlung der Abwasseranlage
zerstört man üblicherweise zuerst das Restpersulfat durch Zugabe von Natriumbisulfitlösung
als Reduktionsmittel. Danach erfolgt die Fällung des Kupfers. Bei Verwendung von Natronlauge zur separaten Fällung erhält man einen hochwertigeren Monoschlamm, der auch extern einer Verwertung zugeführt werden kann, während bei Verwendung von Kalkmilch die
Menge des Schlamms durch mit ausgefällten Gips erheblich erhöht und die Verwertbarkeit
eingeschränkt wird. Die Fällung mit Sulfid oder Organosulfid sichert die Einhaltung der Einleitegrenzwerte, auch wenn durch eigentlich zu vermeidende Vermischung Komplexbildner
in die Abwasserbehandlung der verbrauchten Beizen gelangt sind. Sulfid- oder Organosulfidschlämme sind für eine Verwertung ungünstiger, so daß sie als Sonderabfall einer entsprechend ausgewiesenen Sondermülldeponie zugeführt werden müssen. Wird nicht mit Kalk
gefällt, enthalten die abgeleiteten Filtrate große Mengen an Neutralsalzen, die zwar keine
Gefahrstoffe darstellen, aber auch das Gewässer belasten.
Einer reinen Entsorgung ist eine Metallrückgewinnung z. B. in Platten- oder Partikelelektrodenelektrolysezellen umweltmäßig vorzuziehen, bei der neben dem verwertbaren Kupferschrott größere Mengen an Abfallösungen bearbeitet und entsorgt werden. Dabei entsteht
eine kleinere Menge "Galvanoschlamm" und eine große Menge neutralsalzhaltiger Konzentrate, die als Abwasser abgeleitet werden müssen.
Das elektrolytische Recyclingsystem für Natriumpersulfatlösungen befindet sich in der
Markteinführung. In einer sogenannten Gaslift-Zelle werden im durch eine Ionenaustau-
Ätzen und Beizen
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schermembran abgetrennten Kathodenraum Restpersulfat und Kupfer reduziert, während im
nachgeschalteten Anodenraum das Sulfat wieder zu Peroxodisulfat reoxidiert wird. Die derart regenerierte Beizlösung kann dann zur Wiederverwendung in die Fertigung zurückgeführt werden, so daß kein Schlamm anfällt.
Auch aus verbrauchten Schwefelsäure/Wasserstoffperoxid-Beizen läßt sich durch interne
oder externe elektrolytische Aufarbeitung das Kupfer für eine Verwertung zurückgewinnen.
Bei einer Elektrolyse vor Ort kann die entkupferte Lösung durch Nachschärfen regeneriert
und in der Fertigung weiter verwendet werden.
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Allgemeines
Die galvanotechnischen Prozesse nehmen in der Leiterplattenherstellung einen
bedeutenden Platz ein. An das Galvanisierverfahren werden hohe Anforderungen gestellt,
wie höchste Qualität der Abscheidung, die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit.
Unter der galvanischen Metallabscheidung versteht man die Abscheidung eines Metalls auf
einen Basiswerkstoff aus einem Elektrolyten (wäßrige Metall-salzlösung). Dazu wird eine
äußere Stromquelle benötigt. Die wichtigste Voraussetzung für die Herstellung eines
festhaftenden Metallüberzuges ist eine fett- und oxidfreie Oberfläche der zu
galvanisierenden Werkstücke. Dazu werden Vorbehandlungsbäder eingesetzt, die auf den
Oberflächenzustand und die Eigenschaften des Werkstoffes abgestimmt sind.
Die galvanischen Überzüge haben die Funktion einer leitenden Verbindung, eines Ätzresists,
des Korrosions- und Verschleißschutzes sowie Kontaktschichten bei Steckerleisten.
1
Grundlagen der Metallabscheidung
Verschiedene Stoffe, dissoziieren in wäßriger Lösungen, d.h. sie zerfallen in Ionen. Damit
sind sie dann in der Lage, den elektrischen Strom zu leiten. Sie werden als Leiter 2. Klasse
bezeichnet.
Bei einer Elektrolyse wird der Strom über die Elektroden zugeführt. Die Elektroden sind stets
Leiter 1. Klasse. Unterschieden wird in die Kathode(-), die die Elektronen zuführt, und der
Anode(+), die sie wieder abzieht.
Legt man an die Elektroden eine Spannung an, so entsteht zwischen beiden Elektroden ein
elektrisches Feld und an den Phasengrenzen Elektroden/Elektrolyt findet eine
elektrochemische Reaktion statt.
Die positiv geladenen Kationen wandern zur Kathode (negativer Pol) und die Anionen zur
Anode (positiver Pol). An der Kathode findet eine Aufnahme von Elektronen statt.
Zum Beispiel elektrolysieren wir eine Kupfersulfatlösung:
Cu++ + 2 e
→
Cu
Einen solche Vorgang bezeichnet man als Reduktion.
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An der Anode, zu der die SulfatIonen wandern, erfolgt eine Abgabe von Elektronen, also
eine Oxidation.
SO4 2-
→
SO3 + H2O
→
SO3 + 2 e + 1/2 O2
H2SO4
Primärvorgang
Sekundärvorgang
Die Elektrolyse ist ein Redoxvorgang bestehend aus Reduktion und Oxidation und diese
Entladung der Ionen wird als der Primärvorgang bezeichnet. Die weiteren Reaktionen der
entladenen Teilchen sind von der Natur der Stoffe und der Bedingungen abhängig.
Man bezeichnet die nächsten Schritte als Sekundärvorgänge.
Durch M. Farraday (1791-1867) wurden in den Jahren 1833 und 1834 die quantitativen
Zusammenhänge aufgeklärt. Mittels Versuchsreihen stellte er fest, daß zwischen der
abgeschiedenen Stoffmenge und der benötigten Stoffmenge
(gleich dem Produkt aus Stromstärke und Zeit) Proportionalität besteht.
Das 1. Farradaysche Gesetz lautet :
Die abgeschiedene Stoffmenge m ist
Zeit t, die durch den Leiter geflossen ist.
m
=
proportional der
StromstärkeI
I
und der
k∗ I∗ t
Um die Konstante k zu bestimmen, leitete er die gleiche Strommenge durch verschiedene
Elektrolytlösungen, die hintereinandergeschaltet wurden. Dabei beobachtete er, daß die
abgeschiedenen Mengen unterschiedlich groß waren.
Bei Division mit der Äquivalentmasse (= Molmasse/Ladungsänderung) erhielt er aber stets
die gleiche Anzahl Grammäquivalente.
Das 2. Farradaysche Gesetz lautet daher:
Durch gleiche Stoffmengen werden stets äquivalente Stoffmengen aus verschiedenen
Elektrolyten abgeschieden.
VDE/VDI
3711,
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Seite 3
Beispiel:
Wieviel Gramm Kupfer erhält man, wenn ein Strom von 3 Ampere 2 Stunden durch eine
Kupfersulfatlösung fließt?
I ∗ t = 3 ∗ 2 Ah = 6 Ah
Die Äquivalentmasse des Kupfers beträgt
A = M//2
=
63,54 : 2
g/val
= 31,77 g/val
F = 26,8 Ah/val
I∗t∗A
m= -------------F
3,0 ∗ 2 ∗ 31,77
m = -------------------------26,8
∗ g = 7,11 g
Es wurden 7,11 g Kupfer abgeschieden.
2
Kupfer
Die galvanische Metallabscheidung von Kupfer dient zur Verstärkung des Leiterbildes und
der Durchkontaktierung.
2.1
Galvanische Vorverkupferung:
Die
Anschlagverkupferung
des
im
chemischen
Kupferbades
aufgebrachten
Durchkontaktierung ist zu dünn. Deshalb wird diese Kupferschicht unmittelbar nach dem
letzten Spülgang des Vorverkupferungsprozesses in Schwefelsäure dekapiert und darauf
unmittelbar elektrolytisch auf > 5 µm verstärkt.
Die Dekapiersäure erfüllt zwei Aufgaben, sie neutralisiert die vorher in alkalischen,
stromlosen Kupferbad behandelte Leiterplatte und stellt die Oberfläche auf den pH-Wert des
nachfolgenden sauren, galvanischen Kupferbades ein. Außerdem werden die durch den im
Spülwasser gebundenen Sauerstoff entstandenen Oxide restlos entfernt.
VDE/VDI
3711,
Blatt 4.3
Seite 4
Prozessablauf:
−
Dekapieren
30 s, Schwefelsäure, 5 %ig
−
galvanische Vorverkupferung
Handelsüblicher schwefelsaurer Elektrolyt (Kupfersulfat, Schwefelsäure, Netzmittel,
organische chem. Glanzzusätze verbessern die Einebnung und Schichtdickenverteilung).
Temperatur
Stromdichte
Horizontal - Anlagen,
Abscheidegeschwindigkeit
2.2
18 - 30 ° C
2
0,5 - 3 A/dm ,
2
> 6 A/dm
8 - 100 µm/h
Galvanische Leiterbildverstärkung
Die Vorbehandlung der Leiterplattenoberflächen vor diesem Prozeßschritt ist sehr wichtig.
Sie ist von entscheidender Bedeutung damit eine gleichmäßige Kupfer-abscheidung erzielt
wird und die Haftfestigkeit zum Substrat gewährleistet ist.
Die Sollschichtstärke liegt zwischen 15 - 35 µm.
Prozeßschritte:
− Entfetten
saures, handelsübliches Entfettungsmittel
− Spülen
− Kupferaktivierung
Natriumpersulfat 20% ig, Schwefelsäure 5% ig
− Spülen/Dekapieren
− Galvanischer Leiteraufbau
handelsüblicher, schwefelsaurer Kupferelektrolyt
− Spülen
VDE/VDI
3711,
Blatt 4.3
Seite 5
Nachfolgeprozeßschritte
a)
Zinn und Zinn/Blei - Leiteraufbau
b)
Blei als Ätzresist
c)
Nickel als Ätzresist
d)
Ni/Au als Endoberfläche
Die Metallrückgewinnung aus Spülwässern, Halbkonzentraten und Konzentraten durch die
Fällung als Hydroxide sollte sortenrein erfolgen. Dabei führt die Fällung der Metalle als
Hydroxide nicht zwangsläufig zu einem Filtrat, dessen Metallkonzentration den
vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.
In der Leiterplattentechnik kommen Komplexbildner zum Einsatz und so ist häufig die
Fällung mit Natriumsulfid erforderlich.
Das Lösen der Hydroxide/Sulfide in Schwefelsäure und die anschließende Verwertung durch
die elektrolytische Metallgewinnung ist möglich.
In vielen Fällen ist die sortenreine Ausfällung nicht möglich, so daß Mischschlämme
vorliegen. Spezialisierte Verwerter nehmen auch derartige Schlämme zur Rückgewinnung
entgegen, wenn die entsprechenden Metalle in ausreichender Konzentrationen vorliegen.
Das heißt, die Wirtschaftlichkeit des Verwertungsverfahrens ist ein wichtiger Aspekt.
Die unmittelbare Elektrolyse von sortenreinen flüssigen Konzentraten und Halbkonzentraten
in der Fertigung bietet sich ebenfalls an.
3
Die galvanische Verzinnung
In der modernen Leiterplattenfertigung ist die galvanische Verzinnung, bzw. sind Zinn/BleiLegierungsüberzüge unverändert hoch in ihrer Bedeutung.
So übernehmen diese Überzüge unterschiedliche Funktionen als:
−
Ätzresist, während der Fertigung der Leiterplatte
−
Lötoberfläche, bei der metallurgischen Verbindung der Lötflächen der Leiter-platte mit
den Bauelementen, also dem Weichlötprozeß
So bestimmmen z.B. bei der Substraktiv-Technik die Prozeßvarianten und die gewünschten
Endeigenschaften der Leiterplatten die Auswahl der galvanischen
Verzinnungsprozesse.
VDE/VDI
3711,
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Seite 6
3.1
Glanzzinnüberzüge
Es werden Glanzzinnüberzüge bevorzugt, die aus sauren Elektrolyten auf Sulfatbasis direkt
abgeschieden werden. Hierbei sind spezielle Glanzzusätze erforderlich. Das sind Additive,
bestehend aus organischen Verbindungen und einem nichtionischen Netzmittel.
Glanzzinnüberzüge haben auch nachteilige Eigenschaften, wie:
Whiskerbildung, das ist ein Einkristallwachstum bis zu einer Größe, daß sich sogar auf
Leiterplatten Kurzschlüsse bilden können. Aber durch geringe Bleianteile in der
abgeschiedenen Schicht kann dieses Phänomen verhindert werden.
Die abgeschiedenen Zinnschichten stehen bei unterätzten Leiterzügen dachförmig über und
können so leicht abbrechen. Damit besteht die Gefahr, daß sie durch Flitterbildung
Kurzschlüsse verursachen.
Beispiel für Konzentrations- und Arbeitsbereiche:
Zinn-II-Gehalt
freie Schwefelsäure
Grundzusatz
Badtemperatur
kathodische Stromdichte
anodische Stromdichte
bei 2 A/dm²
ca. 20
ca. 190
ca. 30
10-25
1,5-2
<2,5
1
g/l
g/l
g/l
°C (18°C)
A/dm²
A/dm²
µm/min
Zinn-Blei-Elektrolyte
Die nachteiligen Eigenschaften der Glanzzinnüberzüge führten zur Entwicklung von ZinnBlei-Elektrolyten und umschmelzbaren Überzügen. Mengenmäßig haben sie den größten
Anteil der galvanischen Zinnlegierungen in der Leiterplatten -Technik.
Die Abscheidung von Zinn-Blei-Legierungsüberzügen kann in beliebiger Zusammensetzung
der beiden Komponenten Zinn und Blei erfolgen.
Aus metallurgischen Gründen wird in der Leiterplattentechnik eine Abscheidung von 63%
Zinn und 37% Blei angestrebt. Das entspricht der Zusammensetzung des Eutektikums, d.h.
der Zusammensetzung aus Zinn und Blei mit dem niedrigsten Schmelzpunkt von ca. 183°C.
Diese Legierungsanteile entsprechen vom Aufbau her den Weichloten, wie sie später bei der
metallurgischen
Verbindung - dem Weichlöten - von Leiterplatten und Bauteilanschlüssen zum Einsatz
kommen.
VDE/VDI
3711,
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Seite 7
Nach der galvanischen Abscheidung müssen die Überzüge einem Wärmeprozeß, dem
Aufschmelzen, unterzogen werden, damit sich das eutektische Zinn-Blei-Gefüge bildet. Das
Aufschmelzen erfolgt durch Infrarotöfen oder durch unmittelbaren Kontakt mit Heißöl.
Beispiel für Konzentrations- und Arbeitsbereiche für einen fluoridhaltigen Elektrolyten:
Bleigehalt
Zinn-II-Gehalt
Gesamtmetallgehalt
Verhältnis Blei : Zinn
freie Fluorobosäure
Borsäure
Grundzusatz
Glättungszusatz
Stabilisator
Arbeitstemperatur
Abscheidungsrate bei 2A/dm²
11
24
35
1 : 2,18
50
10
15
5
10
20-30°C
1,5-2
1
g/l
g/l
g/l
ml/l
g/l
ml/l
ml/l
ml/l
A/dm²
µm/min
Beispiel für Konzentrations - und Arbeitsbereiche für einen fluoridfreien Elektrolyten:
Zinn-II-Gehalt
Blei
Verhältnis von Blei : Zinn
Zinnanteil 60%
Zinnanteil 70%
Säurekonzentration
Zusatz
Badtemperatur
bei 2 A/dm²
4
16-24 (18)
7-11 (8)
g/l
g/l
1 : 2,2
1 : 3,0
120-180 (150)
15-25 (20)
20-30 (25)
1-4 (2)
g/l
g/l
°C
A/dm²
ca. 1
µm/min
Die galvanische Bleibeschichtung
Die galvanische Bleibeschichtung wird sowohl für die Metallresisttechnik als auch zum
Verbleien als Zwischenschicht unmittelbar vor der Zinn-Blei-Legierungselektrolyse
eingesetzt.
Dieser Arbeitsschritt ist dann als eigenständige Taktstelle in den Prozeß eingefügt.
Der Bleiüberzug als Ätzresist wird mit ca. 5 - 7µm Schichtstärke aufgebracht und muß eine
feinkristalline und porenfreie Schichtauflage haben. Damit wird ein Durchätzen der
Leiterstrukturen vermieden.
VDE/VDI
3711,
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Seite 8
Konzentrations- und Arbeitsbereiche
Blei
Säurekonzentrat
Bleibadzusatz
Arbeitstemperaturr
Kathodische Stromdichte
Stromausbeute
100
20-225
120-180
12
20-30
0,5-5
g/l
g/l
(15-25)ml/l
°C
A/dm²
%
Das Ablösen (Strippen) der Bleischichten erfolgt in Sprühanlagen.
Zur Abscheidung dünner Bleischichten und einer kathodischen Stromdichte bis ca. 1,5
A/dm² sind Bleigehalte von 25 g/l die Regel. Höhere Kathodenstromdichten von bis zu 4-5
A/dm² und Bleigehalten bis zu 200 g/l werden bei der Abscheidung dicker Bleischichten
erforderlich.
Die Technologie der dünneren Bleiüberzüge als Zwischenschichten unter Zinn-BleiSchichten verbessert die Belegungsstärke von kritischen Zonen der Lochgeometrie nach
dem Umschmelzprozeß mit Zinn-Blei-Schichten. Hier besteht die Gefahr, daß durch
übermäßiges "Abfließen" der flüssigen Zinn-Blei-Schmelze sehr dünne Schichten entstehen
und ein später in Erscheinung tretendes Benetzungsproblem beim Weichlöten entstehen
läßt. Durch die dünne Bleizwischenschicht bleibt eine ausreichend dicke Zinn/Blei-Schicht in
den kritischen Zonen erhalten. Die Lötbarkeit im späteren Lötprozeß wird auch mit lange
gelagerten Leiterplatten sichergestellt.
Eine Bleibeschichtung von ca. 1 - 3 µm unter der Zinn/Blei-Schicht ist ausreichend.
Das Zinn läßt sich nur teilweise elektrolytisch aufarbeiten. Die Rest-konzentrationen müssen
mit Natronlauge, Kalkmilch oder Sulfid gefällt werden.
Das Blei kann sehr gut, bis auf eine geringe Restkonzentration, durch Elektrolyse
zurückgewonnen werden.
Das Zinn bleibt dabei in Lösung und wird im allgemeinen dann gefällt.
5
Galvanisches Vernickeln
Im Bereich der Leiterplattenfertigung werden galvanische Nickelelektrolyte überwiegend für
die Abscheidung von Zwischenschichten eingesetzt. Aber auch als Ätzresist werden
Nickelbeschichtungen noch verwendet, die im Anschluß nach dem Ätzen verzinnt werden.
VDE/VDI
3711,
Blatt 4.3
Seite 9
Nach dem Abscheiden der Nickelzwischenschicht erfolgt dann ein Überzug von Silber oder
Gold für Steck- oder Schaltkontakte. Hier werden an die Nickel-beschichtung bezüglich der
physikalischen Eigenschaften bestimmte Anforderungen gestellt, wie z.B. die Härte. Die
Nickelzwischenschichten müssen
duktil sein und einen relativ gleichmäßigen Überzug bilden. Bei der galvano-technischen
Lotdepottechnik wird verschiedentlich mit Nickelschichten gearbeitet.
Beispiel für Konzentrations- und Arbeitsbereiche
Nickel
Chlorid
Borsäure
bei 2 A/dm²
Badtemperatur
pH-Wert
6
45-80 (65)
8-12 (10)
35-45 (40)
1,5-2
ca. 0,4
max. 30
3,8-4,2 (4)
g/l
g/l
g/l
A/dm²
µm/min
°C
Galvanisches Vergolden
Galvanische Goldschichten werden als Überzug der Steckerleisten von Leiterplatten
aufgebracht. Hier stehen schwachsaure Elektrolyte zur Verfügung, die alkalisch
verarbeitbaren Fotoresist nicht angreifen. Es werden aber auch schwach alkalische
Elektrolyte auf Sulfitbasis eingesetzt. Eine generell zu beachtende Problematik bei der
galvanischen Vergoldung aus sauren Elektrolyten ist die Gefahr der Einwirkung des
Wasserstoffs auf den Resist. Bei einer Stromausbeute von bis zu 60% kann der Wasserstoff
den Resist besonders an den Flanken der Leiter einwirken. So wird die Haftung zum
Substrat vermindert. Die Stromausbeute bei schwach alkalischen Elektrolyten liegt nahe
100%.
Die Qualität der Goldüberzüge wird in der Leiterplattenfertigung anhand funktioneller
Kriterien bewertet. So ist z.B. eine Härte von 130-180 HV 0,05 bei einer ausreichenden
Duktilität anzustreben. Entsprechend der geforderten Schaltleistungen werden die
Goldschichtdicken aufgalvanisiert. Der spezifische elektrische Widerstand der Goldschicht
ist ein weiteres wichtiges Qualitätsmerkmal.
VDE/VDI
3711,
Blatt 4.3
Seite 10
Beispiel für Konzentrations- und Arbeitsbereiche eines sauren Goldelektrolyten:
Goldgehalt
Dichte des Elektolyten
pH-Bereich
Betriebstemperatur
anodische Stromdichte
z.B. bei 1A/dm²
Härte der Goldüberzüge
Der Goldüberzug enthält
Spezifischer elektrischer Widerstand
der Goldschicht
bei 0°C
bei 50°C
11
24
3-5
20-30
1,5-2
<2,5
g/l
g/l
°C
A/dm²
A/dm²
1
20-30
µm/min
1
HV
ca. 99,8% Au
3,9
4,5
µΩ ∗ cm
µΩ ∗ cm
Zur Herstellung funktioneller Hartgoldschichten (>150 HV) werden geringe Mengen von
Cobalt, Nickel, Eisen oder Arsen in die abgeschiedenen Schichten eingebaut.
Beispiel für Konzentrations- und Arbeitsbereiche eines alkalischen Goldelektrolyten:
Goldgehalt
pH-Bereich
Badtemperatur
Natriumsulfitgehalt
kathodischer Stromdichtebereich
anodischer Stromdichtebereich
z.B. bei 0,3A/dm²
Härte der Goldschicht
Reinheit des Goldüberzuges
Spezifischer elektrischer Widerstand
der Goldschicht
bei 0°C
bei 50°C
1
HV = Härte Vickers
11-13 (12,3)
9-10 (9,5)g/l
45-55 (50)°C
>40
0,1-0,5 (0,3)
max. 0,2
g/l
g/l
A/dm²
A/dm²
0,19
µm/min
130-170
ca. 99,90% Au
HV 0,05
3,0
3,4
µΩ ∗ cm
µΩ ∗ cm
VDE/VDI
3711,
Blatt 4.3
Seite 11
Die Goldüberzüge werden aus z.B. Gründen der besseren Verschleißfestigkeit auf
Nickelzwischenschichten abgeschieden. Fast alle Metalle haben die Eigenschaft, daß sie
sich an der Luft sofort mit Oxidschichten überziehen. Entsprechende Vorbehandlungsmittel
sorgen dafür, daß die gebildeten Metalloxide entfernt werden.
Die Unternickelung von Goldüberzügen (wie auch Silberüberzügen) ist so reaktiv, daß sich
schon beim Spülen passivierende Schichten bilden können. Diese Passivschichten
vermindern die Haftung der galvanischen Goldüberzüge.
In diesen Fällen hat sich eine saure Vorvergoldung als sehr wirksam erwiesen. Diese Bäder
haben nur einen geringen Metallgehalt und sauren Charakter, was beim Badprozeß einen
reduzierend wirkenden Wasserstoff zur Reaktivierung der Nickelschichten erzeugt. Die
erneute Passivierung wird duch eine <0,1µm starke Edelmetallschicht verhindert.
7
Galvanische Silberelektrolyte
Wie bei den Goldüberzügen ausgeführt, werden auch die Silberüberzüge als Schalt- und
Steckerkontakte aufgebracht. Zum besseren Verschleißschutz ist die Unternickelung üblich,
wobei auch hier eine Vorversilberung die Haftung auf der Nickelschicht sicherstellen soll.
Beispiel für Konzentrations- und Arbeitsbereiche:
Silbergehalt
Gehalt an freiem Kaliumcyanid
Grundzusatz
Glanzzusatz
Arbeitstemperatur
z.B. bei 1,6A/dm²
30 oder 40
ca. 150
20
2,5
g/l
g/l
g/l
g/l
15-25
1,2-2
°C
A/dm²
1,0
µm/min
≈1,88
≈1,66
µΩ ∗ cm
µΩ ∗ cm
≈120
≈80
HV
HV
Eigenschaften der Silberschichten:
spezifischer elektrischer Widerstand
von frisch abgeschiedenen Silberschichten
gealterten Silberschichten
Härte der Silberschichten (Vickers)
frisch abgeschiedenen
nach Lagerung
VDE/VDI
3711,
Blatt 4.3
Seite 12
Verständlicherweise werden die Edelmetalle Gold und Silber schon lange elektrolytisch
zurückgewonnen. Wegen des hohen Metallwertes ist eine solche Maßnahme wirtschaftlich.
So
werden
zahlreiche,
in
ihrer
Konstruktion
unterschiedliche
Zellen
zur
Materialrückgewinnung eingesetzt. Auch die Entfernung von Edelmetallspuren aus
Spülwässern mit Ionenaustauschern ist Stand der Technik.
Wegen des Cyanidgehalts der meisten Edelmetallelektrolyte erfolgt eine strikte Trennung
von den meist sauren Lösungen der anderen Metalle.
Bei der Abwasserbehandlung zerstört man zunächst das Cyanid oxidativ, wobei zunehmend
chlorfreie Oxidationsmittel eingesetzt werden, um die Bildung von AOX zu vermeiden,
Der Begriff AOX kennzeichnet einen Summenparameter und steht für "adsorbierbare
organische Chlorverbindungen". Diese Verbindungen können entstehen, wenn bei der
Behandlung von Abwasser, das organische Substanzen enthält, diese durch chlorhaltige
Oxidationsmittel chloriert werden.
Quellenangaben:
− Handbuch der Leiterplattentechnik. G. Herrmann, K. Egerer
− Arbeitsmappe Leiterplatte, Schlötter
− Unterlagen der Firma Ato-Tech
VDE/VDI
3711,
Blatt 4.4
Seite 1
Allgemeines
Bei der klassischen Metallresist-Technik werden nach der Kupferverstärkung die Leiter auf
den Außenlagen mit Metallresisten elektrolytisch beschichtet, die üblicherweise aus Zinn
oder Zinn/Blei-Legierung bestehen. Auch Nickel-/Gold-Schichten können zum Einsatz kommen, verbleiben aber generell nach dem Ätzvorgang auf der Oberfläche.
Im Falle einer Heißverzinnung als Endoberfläche sollte Zinn als Ätzresist eingesetzt werden,
da es nach dem Ätzvorgang gestrippt wird. Im Falle einer Zinn/Blei-Oberfläche (aufgeschmolzen oder nicht aufgeschmolzen) muß Zinn/Blei als Ätzresist eingesetzt werden, da es
nach dem Ätzvorgang auf dem Kupfer verbleibt. Bei der aufgeschmolzenen Oberfläche erfolgt anschließend der Aufschmelzprozeß.
Die handelsüblichen Stripper sind in der Lage Zinn und Zinn/Blei von der Kupferoberfläche
zu entfernen, wobei es sehr wichtig ist, daß die intermetallische Phase, die sich zwischen
Kupfer und dem Metallresist gebildet hat, vollständig entfernt wird.
1
Schematischer Prozeßablauf
Ätzen
Spülen
Metallstripper
Spülen
Anlaufschutz
Trocknen
VDE/VDI
3711,
Blatt 4.4
Seite 2
2
Prozeßablauf
Nach dem Ätzen des Leiterbildes wird in horizontalen, hintereinander geschalteten Anlagen
gespült und der Metallresist gestrippt. Moderne Stripper arbeiten nicht mehr auf Wasserstoffperoxid- oder auf Fluorid-, sondern auf Salpetersäurebasis. Teilweise werden EinstufenStripper, teilweise zweistufige Stripper eingesetzt, wobei im letztgenanntem Fall die 1. Stufe
Zinn bzw. Zinn/Blei ablöst. Die 2. Stufe entfernt die intermetallische Phase.
Durch vorhandene Inhibitoren wird das Kupfer nicht oder nur gering angegriffen. Nach dem
intensiven Spülprozeß muß die gereinigte Kupferoberfläche gegen anschließende Oxidationen geschützt werden. Das kann durch eine Behandlung mit Zitronen- bzw. Weinsäure geschehen oder durch organische Schutzschichten.
Die zur Verfügung stehenden Stripper arbeiten teilweise kontinuierlich, teilweise diskontinuierlich. Bei einer kontinuierlichen Arbeitsweise wird in Abhängigkeit vom Durchsatz frische
Stripperlösung zudosiert. Überschüssige Stripperlösung läuft mit einem konstanten Metallgehalt ab. Der Prozeß ist stabil und zeigt gleichmäßige Strippraten.
Bei einem diskontinuierlichen Chargenbetrieb reichert sich das zu strippende Metall im Stripper langsam an. Die Stripperlösung wird bei Erreichung eines Maximalwertes (z.B. 180 g
Metall/l) abgelassen, die Maschine gesäubert und wieder mit neuer Stripperlösung befüllt.
Die Strippraten verändern sich je nach Metallkonzentration.
Neben Metallresiststrippern, die auf Wasserstoffperoxid-, Fluorid- bzw. Salpetersäurebasis
arbeiten, gibt es ein Verfahren, das auf Salzsäurebasis unter Einsatz von Kupferchlorid arbeitet (Elget-Verfahren).
3
Die mit Metall angereicherten Stripper (150 - 180 g/l) werden gesammelt und in der Regel
einer externen Entsorgungsfirma zugeführt. Hier erfolgt die Aufarbeitung der Stripperlösung,
indem die Metalle gefällt und von der Säure getrennt werden.
Bei dem Umgang mit salpetersäurehaltiger Stripperlösung sind die Vorschriften für den Umgang mit Säuren zu beachten. Die Bearbeitungsmaschinen für den Strippvorgang müssen
hermetisch dicht sein und sind derart abzusaugen, daß ein leichter Unterdruck in den Anlagen entsteht.
Vor dem Einsatz der Stripperlösungen müssen die technischen Datenblätter aufmerksam
gelesen werden. Das Bedienungspersonal ist entsprechend den gesetzlichen Vorschriften
zu schulen und einzuweisen.
VDE/VDI
3711,
Blatt 4.5
Seite 1
Allgemeines
Der hier beschriebene Oxidationsprozeß soll die Haftung zwischen der Kupferoberfläche einer strukturierten Innenlage und dem Prepreg bei der Multilayer-Herstellung verbessern
(siehe hierzu VDI/VDE-Richtlinie 3710 Blatt 3/Seite 7). In einigen Fällen wird dieser Prozeß
auch vor dem Aufbringen des Lötstopplackes vorgenommen, wenn besondere Anforderungen an die Haftung des Lötstopplackes auf dem Leiterbild gestellt werden. Diese verbesserte Haftung wird durch eine oxidative Vorbehandlung der Kupferoberfläche erreicht, bei
der es zu einer Oberflächenvergrößerung durch die Bildung von Oxidschichten kommt.
Durch eine stark alkalische Natriumchloritlösung bei erhöhter Temperatur kommt es zur Bildung von Kupfer (I)- und Kupfer (II)-oxiden, die nach folgender Gleichung abläuft:
1. Stufe:
2. Stufe:
Bild 1
2 Cu + NaClO2
Cu2O + NaClO2
⇒
⇒
Cu2O + NaClO
2 CuO + NaClO
VDE/VDI
3711,
Blatt 4.5
Seite 2
Je nach Verfahrensablauf und nach der Behandlungszeit bildet sich zunächst Kupfer (I)Oxid, das eigentlich rot ist. Im weiteren Verlauf geht dieses Kupfer (I)-Oxid in Kupfer (II)Oxid über, wobei die typische tief schwarze Farbe entsteht. Mit längerer Verweilzeit im Oxidationsbad geht die Oberflächenfarbe von rot über in bronze → braun → schwarz.
Bei hohen Temperaturen und hoher Alkalität bilden sich bevorzugt Schwarzoxidschichten mit
langen feinen Kristallen, die unerwünscht sind. Hierbei kommt es bei der Weiterverarbeitung
zum Abbrechen dieser Kristalle und zu einer reduzierten Haftfestigkeit. Die beste Haftung
zwischen Prepreg und Kupfer wird bei dunkelbraunen knospigen Oberflächen erzielt. Eine
exakte Prozeßführung ist unbedingt erforderlich.
Als Überwachung hat sich die Schälkraft- und die Schichtgewichts-Messung bewährt. Üblicherweise werden bei der Schichtgewichts-Messung Werte von 20 - 40 mg/dm² erreicht.
Hierbei wird die Gewichtszunahme durch die Oxidation gemessen.
Bei der Schälkraft-Messung wird die Abzugskraft gemessen, die für die Trennung einer oxidierten Cu-Folie von einer Harzoberfläche erforderlich ist. Üblich sind Werte von 1,3 N/mm.
Der Prozeß wird in konventionellen Vertikalanlagen in Korbtechnik oder in Horizontalanlagen
durchgeführt.
1
Schematische Darstellung (Beispiel)
30 - 50 °C
→ Pkt. 3.1
⇓
Spülen
RT
→ Pkt. 3.2
⇓
Beizen
20 - 40 °C
→ Pkt. 3.3
⇓
Spülen
RT
→ Pkt. 3.4
⇓
Oxidieren
60 - 70 °C
→ Pkt. 3.5
⇓
Spülen
RT
→ Pkt. 3.6
50 - 60 °C
→ Pkt. 3.7
60 - 80 °C
→ Pkt. 3.8
Reinigen/Entfetten
⇓
(Warmspülen)
⇓
Trocknen
VDE/VDI
3711,
Blatt 4.5
Seite 3
2
Prozeßablauf
2.1
Reinigen/Entfetten
Zur Vorbehandlung der Kupferoberflächen werden alkalische oder saure Reiniger eingesetzt, die durch entsprechende Zusätze entfettende Wirkung haben.
2.2
Spülen
Intensives Spülen z.B. in einer Spülkaskade bei Raumtemperatur.
2.3
Beizen
Um eine mikrorauhe Kupferoberfläche zu erzeugen, wird ein Ätzreiniger auf Basis
Na2S2O8/H2SO4 oder H2O2/H2SO4 eingesetzt.
2.4
Spülen
Intensives Spülen mittels Spülkaskade bei Raumtemperatur.
2.5
Oxidieren
Häufig wird noch eine alkalische Vortauchlösung vorgeschaltet, um die sauren Reste des
Ätzreinigers vollständig zu entfernen und das Hauptbad zu schützen. Die exakte Einhaltung
der vom Lieferanten vorgeschriebenen Prozeßparameter (Temperatur, Verweilzeit, Konzentrationen) ist für eine gleichmäßige Oxidbildung unabdingbar. Typische Konzentrationen
können 120 g/l NaClO2 und 20 - 40 g/l NaOH sein.
2.6
Spülen
Intensives Spülen zur Entfernung der alkalischen Lösungen von der Oxidoberfläche.
2.7
Warmspülen
Zur Verbesserung der Spülwirkung auf der Oberfläche empfehlen einige Lieferanten einen
letzten Spülschritt mit warmen Wasser.
2.8
Trocknen
Durch das sofortige Trocknen der Zuschnitte erhält man eine gleichmäßige, fleckenfreie
Oberfläche.
VDE/VDI
3711,
Blatt 4.5
Seite 4
3
Reduktion der Kupferoxidschicht
Nach der Verpressung der so hergestellten Innenlagen entsteht ein Multilayer, der eine gute
Haftung zwischen Harz und Kupferoberfläche zeigt. Allerdings ist das aufgebrachte Kupferoxid gegen saure Lösungen nicht ausreichend beständig und wird bei den nachfolgenden
chemischen Prozessen (Desmearing, Durchmetallisierung) angegriffen. Der Angriff erfolgt
von der Bohrwandung her und löst das Kupferoxid auf, so daß es zu einer Zerstörung des
Haftungsverbundes zwischen Harz und Kupferoberfläche kommt. Dabei wird das dunkle
Kupferoxid aufgelöst, und es kommt zu einer hellen, rötlichen Aufhellung um Bohrungen
herum (Rotring/pink ring).
Im Bereich von umlaufend ca. 30 µm pink ring-Breite besteht keine Gefahr für die einwandfreie Bildung einer Durchmetallisierung. Bei größeren, flächenförmigen Oxidzerstörungen
entsteht ein mikroskopisch kleiner Spalt, in den Lösungsreste hineinlaufen und dort verbleiben. In solch einem Fall entstehen Unterbrechungen der Durchmetallisierungshülse (wedge
voids), die die Funktionsfähigkeit einer Schaltung erheblich beeinflussen.
VDE/VDI
3711,
Blatt 4.5
Seite 5
Abhilfe schafft hier eine dünne Oxidschicht (kleine Angriffsfläche) oder eine chemische bzw.
elektrolytische Reduktion des aufgebrachten Kupferoxides, da es deutliche Unterschiede
zwischen der Säurebeständigkeit von Kupfer (I)- und Kupfer (II)-Oxid gibt. Kupfer (I)-Oxid ist
weniger empfindlich gegen einen Säureangriff, so daß eine Reduktion des gebildeten Kupfer
(II)-Oxides zu Kupfer (I)-Oxid sinnvoll ist.
3.1
Reduktionsverfahren
3.1.1
Dimethylaminoboran
Üblicherweise erfolgt die chemische Reduktion mittels Dimethylaminoboran, das sich langsam bei der Arbeitstemperatur von 25 °C - 35 °C unter Abgabe von Wasserstoff zersetzt.
Aufgrund dieser Unbeständigkeit erhöht sich der Chemikalieneinsatz und damit die Kosten.
3.1.2
Natriumdithionit
Bei einer Temperatur von 30 - 40 °C und einem pH-Wert von 7 - 8,5 wird mittels Natriumdithionit das Kupfer(II)-oxid reduziert.
3.1.3
Elektrochemische Reduktion
Hierbei handelt es sich um ein relativ kostengünstiges Verfahren, bei dem in horizontaler
Fahrweise in wässrigem Medium unter Gleichspannung eine Reduktion des Kupfer(II)-oxids
vorgenommen wird.
3.1.4
Niederdruckplasma-Verfahren
Als Reduktionsmittel wird Wasserstoffgas eingesetzt.
Bei der Reduktion wird die Mikrostruktur der Oxidschicht nicht verändert, allerdings wird die
Schälkraft und damit die allgemeine Haftung auch reduziert. Aus diesem Grund ist sorgfältig
abzuwägen, ob eine Reduktion sinnvoll ist.
Speziell der stark salzsaure Palladium/Zinn-Aktivator bei der chemischen Durchkontaktierung greift die Oxidschicht an und erzeugt einen pink ring. Beim Einsatz von alkalischen
Prozeßlösungen bei der Durchkontaktierung ist dieser Rotring-Effekt nicht festzustellen.
In Europa hat sich das Dimethylaminoboran, trotz seiner hohen Toxizität durchgesetzt. In
den USA wird eine Nachbehandlung der Kupfer(II)-oxidschicht praktiziert, bei der ein Mikroätzschritt unter Einsatz von Ethylendiamintetraacetat (EDTA) vorgenommen wird. Die Oberfläche wird dadurch weiter vergrößert, und es kommt zu einer verbesserten Harzhaftung.
Säure kann nicht eindringen.
VDE/VDI
3711,
Blatt 4.5
Seite 6
4
Chlorite sind starke Oxidationsmittel, die entsprechend den Herstellerangaben gelagert,
transportiert und verarbeitet werden müssen. In Verbindung mit der Natronlauge entsteht eine stark alkalische, stark oxidierende Lösung, die nur von geschulten und unterwiesenen
Mitarbeitern verarbeitet werden darf. Bei der Entsorgung erfolgt eine Zerstörung des Chlorites durch Bisulfit und anschließender Neutralisation.
ACHTUNG:
gas.
Kommt Natriumchlorit mit Säuren in Verbindung, so entsteht spontan Chlor-
Die flüssige Lösung von Dimethylaminoboran ist kühl zu lagern. Bei der Zersetzung, die
temperaturabhängig ist, entsteht Wasserstoffgas. Die Vorschriften im Umgang mit diesem
hoch toxischen Stoff sind unbedingt zu beachten. Die verbrauchte Lösung wird bei einem
pH-Wert von 6 - 14 unter Rühren mit Natriumhypochlorit zerstört, wobei es zur Erhöhung der
adsorbierbaren, organischen Halogenverbindungen (AOX) kommt, und normal innerhalb der
Abwasseranlage behandelt.
Löt- und bondfähige Nickel/GoldEndschichten
VDE/VDI
3711,
Blatt 4.6
Seite 1
Allgemeines
Durch die Miniaturisierung von Leiterplatten werden an die Bestückung und Verbindungstechnik immer höhere Anforderungen gestellt. Die SMD (Surface Mounted Device)-Technik
erfordert eine hohe Planarität der Leiterplattenoberfläche. Diese Forderung ist mit konventionellen Verfahren wie galvanische Abscheidung oder HAL (Hot Air Levelling) zur Zinn/BleiBeschichtung kaum zu erfüllen. Die chemische Nickel/Gold-Abscheidung ist wesentlich
gleichmäßiger, wobei die Schichten gut löt- und bondbar sind. Nach dem Leiterbildaufbau
wird entweder das gesamte Leiterbild oder, nach dem Auftragen einer Lötstoppmaske, nur
die Bohrlöcher und SMD- bzw. Bondpads vernickelt und vergoldet.
Kantenbelegung mit Zinn/Blei (HAL)
Kantenbelegung mit Nickel/Gold
1
VDE/VDI
3711,
Blatt 4.6
Seite 2
Prozeßablauf
Die chemische Nickel/Goldabscheidung umfaßt im wesentlichen 5 Prozeßstufen:
Reinigen
⇓
Mikroätzen
⇓
Aktivieren
⇓
Chemisch Nickel
⇓
Sudgold
1.1
Reinigung
Die Kupferoberflächen werden von anhaftenden Verunreinigungen befreit und benetzt.
1.2
Mikroätzen
Eine Behandlung in Ätzreinigern hat sich bewährt, um eine gute Haftfestigkeit der abgeschieden Nickel/Goldschicht auf Kupfer zu gewährleisten. Für gewöhnlich werden 1-2 µm
Kupfer geätzt.
1.3
Aktivieren
Die Aktivierung der Kupferoberflächen für die nachfolgende chemische Vernickelung erfolgt
in sauren Pd(II)-Lösungen durch Zementation (Ladungsaustausch). Die Palladiumionen
werden auf den Kupferoberflächen reduziert, wobei Kupferionen in Lösung gehen. So wird
eine für die chemische Vernickelung katalytisch wirksame Schicht von Palladium auf Kupfer
ausgebildet.
1.4
VDE/VDI
3711,
Blatt 4.6
Seite 3
Chemisch Nickel
Die chemisch abgeschiedene Nickelschicht enthält 8-10 Gew.-% Phosphor, da die Reduktion der Nickelionen mit Hypophosphit erfolgt. Der Phosphorgehalt der Schicht und die Abscheidungsgeschwindigkeit des Bades (10-15 µm/h) lassen sich über die Regelung von
Temperatur (80-90 °C) und pH-Wert (4,8-5,3) konstant halten.
1.5
Sudgold
Die Vergoldung erfolgt bei 70-90 °C über eine Zementation ausschließlich auf Nickel. So
wird eine gleichmäßige Goldschicht mit einer Dicke von maximal 0,15 µm abgeschieden.
VDE/VDI
3711,
Blatt 4.6
Seite 4
Die REM-Aufnahmen bei 1000- und 2000-facher Vergrößerung zeigen die Topographie der
Oberfläche und die Flankenbelegung bis zum Basismaterial.
2
Goldverluste durch Ausschleppung aus dem Sudgoldbad werden durch Rückführung aus einer nachfolgenden Standspüle minimiert. Aus nachfolgenden Spülstufen werden Goldreste
durch Ionenaustauscher zurückgewonnen. Gold aus verbrauchten Bädern wird aufgearbeitet.
VDE/VDI
3711,
Blatt 4.7
Fotoresiststrippen
Seite 1
Allgemeines
Zur Strukturierung des Leiterbildes werden Flüssig- und Trockenresiste eingesetzt, die heute
in wässrig-alkalischen Medien entwickel- und strippbar sind. Aufgrund der Gesetzgebung
sind die früher zum Einsatz gekommenen Fotoresiste, die mit Lösungsmittel (1.1.1. –
Trichlorethan) entwickelt und gestrippt (Methylenchlorid) wurden, vom Markt verschwunden
und haben praktisch keine Bedeutung mehr.
Da Trockenfilmresiste zu ca. 60 % aus hydrophilen/polaren Bindemitteln bestehen, können
sie in ionischen Medien, wie z.B. Kalium- bzw. Natriumhydroxid-Lösungen gestrippt werden.
Die Stripplösung diffundiert in den Resist und quillt das polymerisierte Netzwerk an.
1
Schematischer Prozeßablauf (Beispiel)
⇓
Alkalischer Stripper
KOH-Lösung 2,0 %
50 - 70 °C
⇓
Sprüh-Spülen
RT
⇓
Sprüh-Spülen
2
RT
Prozeßablauf
Zur Entfernung des polymerisierten Resistes wird vorzugsweise mit einer 2,0 bis 2,5 %igen
KOH-Lösung gearbeitet, die über Sprühdüsen auf die Oberfläche aufgebracht wird. Da der
Resist sich nicht löst, sondern nur quillt, sind entsprechende Sprühdüsen und Sprühdrücke
erforderlich, damit die Fladen von der Oberfläche entfernt werden.
NaOH liefert bei gleicher Konzentration deutlich gröbere Strippfladen. Eine Erhöhung der
Laugenkonzentration verringert zwar die Strippzeit, vergrößert aber die Strippfladen.
Fotoresiststrippen
VDE/VDI
3711,
Blatt 4.7
Seite 2
Typisches Strippverhalten
NaOH
Zeit
(Sekunden)
KOH
Partikelgröße
Zeit
(Sekunden)
Partikelgröße
2%
87
ca. 5 mm
84
ca. 3 mm
2%
72
∼ 10 mm
77
ca. 4 mm
4%
69
∼ 15 mm
56
ca. 5 mm
Die Strippzeiten werden stark beeinflußt von den Resistdicken, dem Polymerisationsgrad,
der Höhe des Galvanoaufbaus und den Leiterabständen.
Die üblicherweise eingesetzten horizontalen Durchlauflinien haben zur Entfernung der
Strippfladen Band- oder Cyclonfilter.
3
Die anfallende Mischung aus Stripplösung und Spülwässer kann über Ultrafiltration aufkonzentriert werden. Das Retentat wird durch Säure gefällt und filtriert. Diese Säurefällung kann
auch direkt ohne Ultrafiltration und Aufkonzentrierung durchgeführt werden.
Die Rückstände der Fällung und der Fladenfiltration direkt am Stripper werden gesammelt
und einer Sonderdeponie zugeführt. Bei dem Umgang mit stark alkalischen Stripplösungen
sind die Vorschriften für den Umgang mit Laugen zu beachten. Vor dem Einsatz der Stripperlösungen müssen die technischen Datenblätter aufmerksam gelesen werden. Das Bedienungspersonal ist entsprechend den gesetzlichen Vorschriften zu schulen und einzuweisen.
Spültechnik
VDE/VDI
3711,
Blatt 4.8
Seite 1
Allgemeines
Der Spülprozeß beendet praktisch jeden Prozeßschritt in der naßchemischen Herstellung
der Leiterplatten und Galvanik. Dabei erfüllt die Spülung sowohl die Funktion der
Beendigung des vorangegangenen Prozesses, als auch die Funktion der Vorbereitung der
Oberfläche auf den folgenden Arbeitsgang. Die quantitativen Anforderungen an den
Spülprozeß sind allerdings sehr unterschiedlich. Der Spülfaktor, der als Quotient aus
Prozeßlösungskonzentration und Konzentration in der letzten Spülstufe definiert ist, variiert
zwischen wenigen hundert bei unkritischen Zwischenspülen bis zu ca. 10000 bei
galvanischer Kupfer- oder Nickelabscheidung. Für dekorative Anwendungen sind noch weit
höhere Spülfaktoren zu erreichen.
1
Gesetzliche Forderungen
Die Basis der behördlichen Forderungen an die Eigenschaften des Abwassers bildet Anhang
40 der Rahmen-Abwasser-Verwaltungsvorschrift.
Dementsprechend sind im Bereich der Leiterplattenfertigung die Schadstoffe, die im
Abwasser enthalten sind, vor der Einleitung in die öffentliche Kläranlage oder den Vorfluter
nach dem Stand der Technik zu behandeln. Für die am häufigsten eingesetzten Metalle
Kupfer, Nickel und Blei wird ein Einleitungsgrenzwert von 0,5 mg/l vorgegeben. Für Zinn und
Eisen liegt der Grenzwert bei 2 bzw. 3 mg/l, während für Cyanid 0,2 und für Silber sogar 0,1
mg/l einzuhalten sind. Ammoniumstickstoff und Fluorid werden nach den allgemein
anerkannten Regeln der Technik auf 50 mg/l begrenzt.
Es wird verlangt, die Prozesse möglichst abfall- und ausschleppungsarm zu betreiben. Für
Spülwässer wird eine Mehrfachnutzung z. B. durch Kaskadierung oder IonenaustauscherKreislaufführung gefordert. Geeignete Inhaltsstoffe sollen aus den Spülen zurückgeführt und
EDTA muß zurückgewonnen werden.
In der praktischen Anwendung ergibt sich wegen der Vielfältigkeit der Prozesse ein
Umsetzungsspielraum.
2
Kaskadenspülung
R = co / cn = (Q/V)
n
R: Spülkriterium
co : Konzentration der Prozeßlösung
cn : Konzentration in der n-ten Spüle
Q: Spülwassermenge
V: Verschleppung
Häufig wird dieser Zusammenhang mit Hilfe von graphischen Auftragungen oder
Nomogrammen genutzt.
Spültechnik
VDE/VDI
3711,
Blatt 4.8
Seite 2
In der Praxis arbeitet man inzwischen bevorzugt mit dreifach Spülkaskaden, die sich in
vielen Fällen bezüglich des Kosten/Nutzen-Verhältnisses bewährt haben. In einer Kaskade
fließen Ausschleppung mit dem Produkt und das Spülwasser im Gegenstrom. Bei einem
Spülfaktor von z. B. 1000 benötigt die dreifach-Spülkaskade nur 1% der Wassermenge einer
einfachen Fließspüle. Zum Zweck der Rückgewinnung von Inhaltsstoffen teilt man häufig
den Spülprozeß in eine Sparspüle, bzw. Sparspülkaskade zum Aufkonzentrieren der
Inhaltsstoffe für eine mögliche Verwertung und eine Klarspülzone bzw. -kaskade zur
Erzielung der geforderten Oberflächenreinheit.
Bei
Prozessen,
z.
B.
das
saure
Ätzen,
kann
die
Forderung
nach
Spülwassermehrfachverwendung dadurch erfüllt werden, daß das gesamte Spülwasser zum
Regenerieren der Ätze eingesetzt wird, wodurch dieser Prozeß vollständig abwasserfrei
betrieben werden kann. In analoger Weise kann man das Spülwasser des FotoresistEntwicklers und -Strippers zum Ansatz der Frischlösung verwenden.
Vollständige Spülwasserfreiheit erreicht man auch z. B. beim ammoniakalischen Ätzen durch
Verwendung eines Vakuumverdampfers, dessen Kondensat vollständig zu Spülen ausreicht,
während durch Rückführung des Destillationssumpfes in den Prozeß die Inhaltsstoffe
erhalten bleiben.
Setzt man Kühlwasser, das durch die leichte Aufwärmung sogar eine bessere Spülwirkung
aufweist, als Spülwasser ein, ergibt sich oft das Problem der Kopplung der beiden Prozesse
durch das Wasser. Es wird z. B. Spülwasser benötigt, wenn gerade keine Kühlung
erforderlich ist bzw. umgekehrt.
Bei geeigneter Zusammensetzung der Prozeßlösungen kann auch das Spülwasser eines
Prozeßschritts vollständig zum spülen eines vorgeschalteten Prozeßschritt dienen, wie z. B.
das Spülwasser nach dem Beizen zum Spülen des vorherigen sauren Reinigers eingesetzt
werden kann.
Der Einsatz von Ionenaustauscher-Kreislaufanlagen kann speziell zur Einsparung von
Wasser beitragen. In manuell oder automatisch über die Leitfähigkeit gesteuerten Anlagen
wird das Spülwasser durch Säulen von Kiesfilter, Kationenaustauschern und
Anionenaustauschern geführt. Gegebenenfalls schließt sich noch ein Tensidfänger an, um
das Kumulieren von Tensiden im Wasserkreislauf zu verhindern. Die beladenen
Ionenaustauscherharze werden mit Säure, bzw. Lauge regeneriert. Da bei der Regeneration
ein Chemikalienüberschuß eingesetzt werden muß, ergibt sich deutlich, daß
Ionenaustauscher-Kreislaufführung nur bei schwach belasteten Spülwässern sinnvoll
eingesetzt wird. Da das Volumen des Regenerats sehr klein ist, kann man durch
Ionenaustauscher die Inhaltsstoffe aufkonzentrieren und aus dem Regenerat günstiger
verwerten. Auf jeden Fall muß die Chemie der an dem Wasserkreislauf beteiligten Prozesse
auf nichtionische Komponenten untersucht werden, die im Kreislauf kumulieren können und
die Herstellabläufe dann empfindlich stören.
In der Praxis findet man zum Teil deutliche Abweichungen von der Theorie der
Spülgleichungen, weil die Gleichgewichtseinstellung nicht immer vollständig erfolgt. Bei
einem im Spülwasser ruhenden Produkt bewirkt nur der Konzentrationsgradient zwischen
dem am Produkt anhaftenden Prozeßlösungsfilm und der Menge des Spülwassers eine
Spültechnik
VDE/VDI
3711,
Blatt 4.8
Seite 3
Homogenisierung der Konzentrationen. In Tauchbädern erzeugt man durch Badbewegung,
Lufteinblasung oder Umpumpen der Lösung für Turbulenz, die die Gleichgewichtseinstellung
beschleunigen. Es werden auch kleine mechanische Stöße und Ultraschall zur
Beschleunigung der Spülvorgänge eingesetzt. Zur Spülung eignen sich auch in besonderem
Maße die Sprühverfahren. Beim Sprühen kommt die mechanische Energie der
Spülwassertropfen der Spülwirkung zu Gute. Besonders wassersparend ist die
Intervallspritzspültechnik, bei der in den Pausen zwischen den Spritzphasen das Wasser
ablaufen kann. Dabei ist es möglich, das Spülwasser der verschiedenen Spülgänge separat
abzuleiten, so daß das Spülwasser des jeweils ersten Spülgangs, welches die höchste
Inhaltsstoffkonzentration aufweist, zur Aufarbeitung der Inhaltsstoffe verwendet wird,
während das restliche Spülwasser mit geringerer Inhaltsstoffkonzentration über
Ionenaustauscher im Kreislauf geführt wird.
Fototools
VDE/VDI
3711,
Blatt 5.1
Seite 1
Allgemeines
Die Herstellung von Leiterplatten ist nach dem heutigen Stand der Technik ohne den Einsatz
von Foto-oder Druckwerkzeugen nicht möglich.
In der Leiterplattenindustrie haben sich die Beherrschung der Grundbegriffe der Fotografie
unentbehrlich gemacht. Hier haben sich sowohl die Belichtungsgeräte als auch der Film zu
echten High-tech-Produkten entwickelt.
Die Zulieferindustrie ist ständig um die Entwicklung neuerer Filme bemüht, die den strengen
und komplexen Anforderungen der Leiterplatten-Industrie entsprechen.
Der Einsatz der Direktbelichtung, also eine direkte Laserbelichtung auf die mit einem
fotosensitiven Resist laminierte Leiterplatte, ist seit einigen Jahren bekannt. Entsprechende
Maschinen werden angeboten. In wieweit sich auf diesem Gebiet ein Technologiewandel
einstellt ist noch sehr schwer einschätzbar.
Inhalt
• Der fotografische Film
=>
Pkt. 1
• Struktur
=>
Pkt. 1.1
• Herstellung
=>
Pkt. 1.2
• Eigenschaften
=>
Pkt. 1.3
• Arbeitsbedingungen
=>
Pkt. 2
• Einsatzbereiche
=>
Pkt. 3
Fototools
VDE/VDI
3711,
Blatt 5.1
Seite 2
1
Der fotografische Film
1.1
Struktur
Ein Film ist ein Sandwich verschiedener Schichten auf einem Trägermaterial.
Schutzschicht (Antistreß)
Emulsion
Haftschicht
Unterlage Polyester
Haftschicht
Lichthofschutzschicht
Filme für die Elektronikindustrie haben im allgemeinen eine Unterlage, eine 175µm starke
Polyesterfolie (PET), mit hoher Transparenz für das sichtbare UV-Licht und einer
hervorragenden Maßhaltigkeit. Haftschichten auf dem PET sorgen für eine gute Haftung der
Emulsion und der Lichhofschutzschicht auf der Rückseite. Zusätzlich machen spezielle
Additive in den Haftschichten den Film antistatisch.
Die Emulsion eines Filmes für Fototooling ist eine 2 bis 6 Mikron dicke Gelantineschicht, die
unter anderem folgende Komponenten enthält:
Eine Mischung aus Silberverbindungen:das eigentliche lichtempfindliche Material. Es
•
handelt sich dabei um Verbindungen von Silber mit Brom, Chlor oder Jod.
Zusatzmittel, die die Lichtempfindlichkeit der Silberverbindungen regulieren.
•
Spektrale Sensibilisatoren, die die Farbempfindlichkeit bestimmen.
•
Substanzen, die die Wasseraufnahme durch die Gelantine regulieren und so die
•
Maßhaltigkeit bestimmen.
Eine weniger als 1 µm dünne Schutzschicht verhindert Beschädigungen der
darunterliegenden Emulsion.
Die Lichthofschutzschicht auf der Rückseite des Films enthält spezielle Farbstoffe,
die das Licht absorbieren, das durch die Emulsion dringt. Sie verhindert eine
Reflexion des Lichts (doppelte Belichtung) und verbessert so die Bildschärfe. Die
Lichthofschutzschicht verhindert auch eine zu starke Rolltendenz des Films.
1.2
Herstellung
1.2.1
Belichtung
Fototools werden in einem Fotoplotter belichtet. Auf dem Markt werden sowohl Flachbett- als
auch Trommelplotter eingesetzt, die beide moderne Präzisionsmechanik mit Laseroptik
kombinieren. Sie sind in den CAM-Bereich(Computer Added Manufacturing) integriert und
werden direkt mit Hilfe der Anwendersoftware angesteuert.
Fototools
VDE/VDI
3711,
Blatt 5.1
Seite 3
Durch eine Bewegung des Lichtstrahls, des Films oder beider wird das Laserlicht über die
ganze Filmoberfläche geführt. In jeder Position kann die Lichtquelle ein- oder ausgeschaltet
werden. So wird durch die Kombination einer großen Anzahl kleiner Lichtpunkte (Pixel) auf
dem Film ein latentes Bild aufgebaut.
Richtig eingestellte Plotter und die regelmäßige Justage sind absolute Voraussetzungen für
die Herstellung guter Qualität.
1.2.2
Verarbeitung
Während der chemischen Verarbeitung wird das bei der Belichtung entstandene latente Bild
sichtbar gemacht und stabilisiert. Die Verarbeitung des Silberfilms umfaßt vier
Arbeitsschritte: Entwickeln, Fixieren, Wässern, Trocknen.
1.2.3
Entwickeln
Beim Entwickeln - einer chemischen Reaktion - wird das latente Bild verstärkt. Der
Entwickler breitet die mikroskopische chemische Veränderung, die durch die Belichtung
ausgelöst wurde, über das ganze Silberkristall aus. Die Entwicklungsreaktion stoppt, wenn
alle belichteten Kristalle auf diese Weise zu metallischem Silber umgeformt sind.
Nach der Entwicklungsphase sind nur die belichteten Kristalle schwarz; die unbelichteten
Teile bleiben unverändert.
1.2.4
Fixieren
Nach der Entwicklung enthält der Film noch unbelichtete Teile, die - weil lichtempfindlich das soeben entstandene Bild stören können. Deshalb wird das Bild fixiert. Das Fixierbad löst
die unbelichteten Silberverbindungen auf, absorbiert sie und führt sie ab. Nach dem Fixieren
kann der Film dann Licht ausgesetzt werden: er hat seine Lichtempfindlichkeit verloren. Die
Qualität des Fixierbades bestimmt zu einem großen Teil die Archivierbarkeit des Films.
Manchmal wird dem Fixierbad ein Additiv zugefügt - ein Härter. Dieser begrenzt die
Wasserabsorption der Emulsion und beeinflußt so die Trockeneigenschaften.
1.2.5
Wässern
Nach dem Verlassen des Fixierbads ist die Emulsion noch mit Fixierbad gesättigt. Außerdem
enthält sie noch sehr kleine unbelichtete Teilchen. Durch intensives Wässern werden die
letzten Emulsions- und Chemikalienreste entfernt.
1.2.6
Trocknen
Der Film wird anschließend getrocknet und ist dann bereit zur weiteren Verwendung.
Fototools
VDE/VDI
3711,
Blatt 5.1
Seite 4
1.3
Eigenschaften
Ein Fototool ist das Ergebnis einer Reihe komplexer Bearbeitungen. Im Fotoplotter, im Film,
in den Chemikalien, in der Entwicklungsmaschine, aber auch während der Belichtung und
Verarbeitung können Mängel auftreten. Das ideale Fototool ist ein Film, der exakt und
beständig die Abbildung eines vorgegebenen Layouts auf ein Fotoresist übertragen kann.
Das ideale Fototool
•
•
•
•
•
läßt alles Licht in den transparenten Bereichen durch und absorbiert das Licht in den
schwarzen Bereichen;
weist einen abrupten Übergang zwischen transparenten und schwarzen Bereichen
auf: dies wird als Strichschärfe bezeichnet;
ist robust: es kann nicht beschädigt werden und verliert bei Gebrauch oder Alterung
seine Eigenschaften nicht;
ist maßhaltig;
ist permanent antistatisch.
Umgesetzt in meßbare und daher kontrollierbare Eigenschaften besitzt der ideale Film für
Fototooling das richtige Maß an Dichte, Gradient, Empfindlichkeit, Maßhaltigkeit und
Kratzfestigkeit.
1.3.1
Die Dichte
Die Dichte eines Films ist der Schwärzungsgrad, das Maß der Lichtdurchlässigkeit. Die
Dichte der schwarzen Bereiche wird Dmax genannt und sollte idealerweise unendlich groß
sein und überhaupt kein Licht durchlassen. Die ideale Dmin - die Dichte der transparenten
Bereiche - sollte gleich Null sein und also das Licht vollständig durchlassen.
1.3.2
Der Gradient
Der Gradient eines Films gibt an, wie sich die Dichte mit der auf den Film einfallenden
Lichtmenge ändert. Auf der Schwärzungskurve, der Dichte in Abhängigkeit von der
Lichtmenge, wird der Gradient durch die Steilheit der Kurve ausgedrückt. Ideal ist eine große
Gradientendichte. Zusammen mit weiteren Faktoren bestimmt der Gradient die
Strichschärfe.
1.3.3
Die Empfindlichkeit
Die Empfindlichkeit eines Films verweist auf die Reaktion des Materials auf das einfallende
Licht. In der Praxis ist dies die nötige Belichtungsmenge (I x t), um eine bestimmte Dichte
auf dem entwickelten fotografischen Material zu erhalten.
1.3.4
Die spektrale Empfindlichkeit
Die spektrale Empfindlichkeit eines Films wird als Wellenlänge (in Nanometer) ausgedrückt.
Es handelt sich dabei um den Bereich im Spektrum, für den dieser Film am empfindlichsten
ist. Dieser Faktor ist wichtig für die Wahl der Lichtquelle (oder umgekehrt: die verwendete
Fototools
VDE/VDI
3711,
Blatt 5.1
Seite 5
Lichtquelle bestimmt mit, welcher Filmtyp verwendet wird). Die spektrale Empfindlichkeit der
Lichtquelle und des Films müssen aufeinander abgastimmt sein.
Ebenso
wichtig
ist
die
spektrale
Empfindlichkeit
bei
der
Wahl
der
Dunkelkammerbeleuchtung: der Film muß für die Farbe des Dunkelkammerfilters
unempfindlich sein. Im Idealfall fällt die spektrale Empfindlichkeit des Films mit der der
Lichtquelle des Fotoplotters zusammen und liegt außerhalb der Dunkelkammerbeleuchtung.
1.3.5
Maßhaltigkeit
Die Maßhaltigkeit gibt an, wie anfällig ein Material für Maßänderungen ist. Maßänderungen
können die Folge sein von Schwankungen der relativen Feuchte und/oder der
Umgebungstemperatur, von mechanischen Spannungen im Film oder von Alterung. Solche
Maßänderungen können umkehrbar oder unumkehrbar sein.
Im Hinblick auf die zunehmende Miniaturisierung in der Bauteileindustrie ist die Maßhaltigkeit
der Fototools wesentlich für die Qualität der Leiterplatte und der Ausschußreduzierung in der
Produktion verantwortlich. Die Maße des idealen Films sind unter allen Umständen konstant.
1.3.6
Kratzfestigkeit
Ein fotografischer Film kann durch mechanische Einflüsse beschädigt werden.
Beschädigungen können sowohl vor als auch während oder nach der Belichtung und
Verarbeitung erfolgen oder auch bei jedem normalen Gebrauch eines Fototools. Die
Ursache kann ein scharfer Gegenstand sein( Späne oder Flitter) aber ebenso Staubteilchen
oder Fingerabdrücke. Schon kleinste Kratzer (100µm) können die Ursache für
Leiterbahnunterbrechungen oder Kurzschlüssen sein.
1.3.7
Permanent antistatisch
Ein permanent antistatischer Film kann nicht elektrostatisch aufgeladen werden. Folglich
zieht der Film auch keinen Schmutz oder Staubpartikel an. Auf den Film fallende
Staubpartikel werden nicht festgehalten und lassen sich leicht entfernen. Staubpartikel
können ebenso wie Kratzer die Ursache für Unterbrechung oder Kurzschluß darstellen.
2
Arbeitsbedingungen
Die Arbeitsbedingungen (Arbeitsplatzgestaltung) haben einen wesentlichen Einfluß auf die
Erreichung und Einhaltung der in Absatz 2 beschriebenen idealen Fototooleigenschaften.
Sie sind Voraussetzung für einen qualitätsoptimierten Fertigungsablauf.
In der Regel werden spezifizierte Arbeitsbedingungen von den Filmmaterial-Lieferanten sehr
genau beschrieben, sodaß hier nur die wesentlichsten Punkte genannt werden sollen:
•
•
Filmlagerung: flach liegend bei einer Temperatur von 21 °C und einer relativen
Feuchtigkeit von 50%. Vermeidung von schnellen Klimaänderungen.
Umgebung:
Lager,
Konditionierraum,
Plotterraum,
Aufstellort
der
Entwicklungsmaschine, Verarbeitungsräume, Archiv.
Fototools
VDE/VDI
3711,
Blatt 5.1
Seite 6
•
•
•
•
•
3
Zwischen -20 °C und +60 °C sind die Maßänderungen umkehrbar. Außerhalb dieser
Grenzen ist die Verformung des Filmspermanent. Hohe Temperaturen lassen den
Film schneller altern.
Eine konstante Temperatur ist wichtiger als der absolute Wert.
Liegt die relative Feuchte der Luft unter 30% oder über 70%, sind die
Maßänderungen sogar unumkehrbar. Der Einsatz eines oder mehrerer Hygrometer
ist erforderlich.
Akklimatisierung:
Film
ohne
Außenverpackung
in
den
Plotterraum
(Staubvermeidung) transportieren. Die normale Zeitdauer der Akklimatisierung
beträgt 24 Std.
Dunkelkammerbeleuchtung: sie muß auf den Filmtyp abgestimmt sein. Mit Hilfe
des Münztestes kann festgestellt werden, wie lange der Film die
Dunkelkammerbeleuchtung sicher verträgt.
Plotterbeladung: muß vorsichtig erfolgen ohne ein Übereinanderschieben der Filme.
Plotter: verhindern von Streulicht zur Vermeidung von Schleierbildung. Die Qualität
des Fototools hängt stark von der Qualität des Plotters ab. Die Einstellung muß hoch
genug sein, um genügend Dichte zu erhalten (so daß in den schwarzen Bereichen
keine Scanlinien mehr sichtbar sind), und niedrich genug, um die Linienbreite korrekt
wiederzugeben.
Entwicklungsmaschine: Transport möglichst direkt zur Vermeidung von
Filmbeschädigungen. Die während der Naßphase aufgetretene Schrumpfung wird
durch das Recken des Films im Trockner auf das ursprüngliche Maß erreicht
(Optimierung der Trockentemperatur).
Einsatzbereiche
Als Fototools werden sämtliche Arbeitsfilme bezeichnet, die in der Produktion
zur Belichtung von photosensitiven Materialien dienen. Mit Hilfe von Fototools werden
folgende Informationen originalgetreu auf die Leiterplatte übertragen:
Kupferlayout für Innenlagen
Kupferlayout für Außenlagen
Lötstopplack
Umsteigerzudruck
Positions- (Beschriftungs-) druck
Carbonleitlack
abziehbarer Lötstopplack
Fototools sind Silberhalogenidfilme oder Diazofilme. Die Dimensionsstabilität ist abhängig
von Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Veränderungen werden wie folgt spezifiziert:
-
Temperatur:
18 µm/ m und °C
Luftfeuchtigkeit: 10µm/ m und %
Aus dieser Eigenschaft des Filmmaterials ( Polyester/Polyethylenterephtalat) folgt, daß vom
Plotten bis zum Belichtungsprozeß eine Temperatur von 21 °C und eine Luftfeuchte von
50% eingehalten werden muß.
Fototools
VDE/VDI
3711,
Blatt 5.1
Seite 7
Die Herstellung der Arbeitsfilme erfolgt innerhalb der CAM-Bearbeitung, grundsätzlich nach
dem unter Pkt. 2 beschriebenen Ablaufschema. Mit Hilfe eines systemintegrierten
Postprozessors werden Layoutdaten in Laser-Steuerbefehle umgesetzt, so daß mit dem
Plottbefehl direkt der Arbeitsfilm belichtet werden kann.
Der laserbelichtete Film wird unmittelbar dem Durchlaufentwickler zugeführt, so daß in sehr
kurzer Zeit Arbeitsfilme für die Produktion bereit stehen. (" first generation phototools")
In einigen Fällen wird von diesem Druckoriginal nun das eigentliche Fototool kopiert, das
gemäß DIN 40808 als Druckwerkzeug (Arbeitsfilm) bezeichnet wird.
Zeitgemäße Laserplotter arbeiten mit Pixelgrößen von 6,25µ bis 12,5µ. Die reine Plottdauer
(Laserbelichtungszeit) beträgt 5 bis 10 min. pro Film. Bei diesen Maschinen erfolgt die
Aufnahme des Filmmaterials auf Trommeln, wobei die Belichtung während der
Trommelbewegung und der einmaligen linearen Laserkopfbewegung über die gesamte
Trommelbreite erfolgt. Die in der Vergangenheit eingesetzten Flachbettplotter werden aus
folgenden Gründen durch Trommelplotter ersetzt:
- einfachere Mechanik ,
- bessere Temperaturkonstanz während der Belichtung
- Plottgenauigkeit
- Plottzeitreduzierung
Filmgrößen sind je nach System häufig bei 26"x 20" begrenzt.
Bei der Erstellung von Fototools sind folgende Zusammenhänge zwischen Filmmaterial und
Fertigungstechnologie zu beachten:
a.) Das Filmmaterial besteht aus einem Träger ( Polyester ) und der
darauf befindlichen fotosensitiven Schichtseite. Laserbelichtet wird
grundsätzlich von der Schichtseite.
b.) Der fertige Arbeitsfilm liegt beim Belichten grundsätzlich mit seiner
Schichtseite auf dem photosentitiven Laminat. Die Schichtseiten
bestimmung muß bei der Plotterausgabe berücksichtigt werden.
c.) Multilayerinnenlagen werden i. d. R. im Ätzverfahren hergestellt,
d. h. mit dem Arbeitsfilm soll ein Ätzresist belichtet werden und somit
eine " Ätzschablone" erzeugt werden. Der Laserplotter muß einen
Negativfilm erzeugen, der die Kupferinformationen transparent
erscheinen läßt und somit die Belichtung der mit photosensitivem
Laminat beschichteten Innenlage (core) zuläßt. Der
lichtbeaufschlagte Teil des Laminats (Leiterbahnen) wird
auspolymerisiert und verbleibt nach dem Entwicklungsprozeß als
Ätzresist auf dem core. Der nicht beaufschlagte Teil (Film schwarz) wird
herausentwickelt und stellt das Kupfer frei.
d.) Bei Außenlagen (Bilayer/Multilayer) werden Leiterbahnen i.d.R. im
sogenannten Additiv-Verfahren hergestellt, d.h. in einem erstellten
Resistkanal wird die Leiterbahn auf galvanotechnischem Wege
elektrolytisch aufgebaut. Zur bildlichen Wiedergabe wird ein
Positivfilm geplottet. Kupferinformationen erscheinen im Gegensetz
Fototools
VDE/VDI
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Seite 8
zu Negativfilmen lichtundurchlässig schwarz.
Das kupferkaschierte und mit photosensitivem Laminat beschichtete
Basismaterial wird belichtet, wobei durch den nicht lichtbeaufschlagten Teil nach dem anschließenden Entwicklungsprozeß der
Resistkanal gebildet wird.
e.) Arbeitsfilme für fotosensitive Lötstopplacke sind Negativfilme, d.h.
für Bereiche der mit Lack beschichteten Leiterplattenoberfläche ist
der Film transparent, für SMD-Pads und Lötaugen schwarz.
f.) Arbeitsgänge, die im Siebdruckverfahren durchgeführt werden,
erfordern zur Herstellung des Siebes einen Positivfilm. Dieser erlaubt
nach dem Belichten eine Freistellung des mit einer fotosensitiven
Schicht belegten Siebgewebes.
Siebe werden für folgende Drucke erforderlich:
Positions/Beschriftung
Umsteigerzudruck
abziehbarer Lötstopplack
einfacher Lötstopplack (Freistellung >0,3 mm)
Carbonleitlack
Widerstandspasten
Ätzresist bei einseitigen Platten
g.) Idealerweise werden Leiterplattendaten in Ebenen beschrieben,
sodaß die Topseite in der oberen und die Bottomseite in der
unteren Bildschirmebene zu erkennen ist. Die Darstellung der
unteren Seite wird also von innen gesehen .
Die Begriffe ”Lötseite”und ”Bestückungsseite” sollten
aufgrund der heute üblichen beidseitigen Bestückung vermieden
werden.
Vor der Ausgabe eines Arbeitsfilmes müssen die vom Kunden übertragenen
Leiterplattendaten überprüft werden, ob sich die geforderten Layoutstrukturen mit dem in der
Produktion zur Verfügung stehenden Maschinenequipment verfahrenstechnologisch
realisieren lassen. Mit den bekannten design-rule-checks lassen sich noch lange nicht alle
"versteckten fouls" insbesondere bei hochlagigen Multilayern erkennen.
Die Kontrolle sollte sich auf folgende Daten beziehen:
- Leiterbahnbreite/-abstand
- Lötauge Restring
- Kupferverteilung
- Abstand metallisierte Bohrung zu innenliegende Leiterbahn (ML )
- Pitch-Abstände (el. Prüfung)
- Kupferabstand zur Kontur
- NDK-Bohrungen in Masseflächen (Tentfläche)
- freiliegende Leiterbahnenden
- Herstellerlogo?, Datumscode?,
- Änderungsindex
- Lötstopplackfreistellungen
- Abdecklack, Abstand zu pads
- Beschriftungsdruck über pads
Fototools
VDE/VDI
3711,
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Seite 9
- Carbonabstände
Neben der Beherrschung der reinen Datenverarbeitung im CAM-Bereich ist die Kenntnis der
Produktionstechnologie
zwingende
Voraussetzung
für
die
qualitativ
gute,
ausschußvermeidende Erstellung von Fotowerkzeugen.
Quellenangabe:
Agfa
Du Pont
VDE/VDI
3711,
Blatt 5.2
Siebdruck
Seite 1
Allgemeines
Der Siebdruck, als viertes Druckverfahren neben Offset-, Tief- und Flexodruck, ist wegen
der zahlreichen Möglichkeiten zur Beeinflussung der Druckergebnisse zu einem vielfältig
einsetzbaren Druckverfahren geworden. Ausgezeichnete Ergebnisse im grafischen Gewerbe
und die Erfolge des künstlerischen Siebdrucks "Serigraphie" haben in den Anfangsjahren
des industriellen Siebdrucks den Ruf gestützt, der Siebdruck sei speziell für Künstler und
das grafische Gewerbe geeignet.
Durch den industriellen Einsatz, mit z. B. in Produktionsstraßen integrierten Druckeinheiten
in zahlreichen Bereichen, ist dieser Ruf längst widerlegt. Erinnert werden soll an die
Tatsache, daß ohne den Siebdruck der Begriff "gedruckte Schaltung" mit allen daraus
folgenden Technologien nicht in der bekannten Weise den Erfolg gehabt hätte bzw.
unmöglich gewesen wäre. Siebdruck wird in der Leiterplattentechnik z. B. zur Abdeckung
von Leiterstrukturen vor dem Ätzprozeß, zum Druck von Lötstoppmasken, zum Positionsbzw. Bestückungsdruck und zum Druck von Abdecklacken (zum Schutz von Goldkontakten
beim Löten u.a.) verwendet.
Da der Siebdruck heute durch die Miniaturisierung und andere Einflüsse besonders im
Elektronikbereich an die Grenze des drucktechnisch Möglichen gekommen ist, verlangt der
Einsatz in den Grenzbereichen genaue Festlegung der Druckparameter, exakte Ausführung
beim Auflagendruck sowie ausreichende Kontrollen. Trotz dieser Maßnahmen hat der
konventionelle horizontale Siebdruck - vor allem in Europa - für die Applikation von
(fotostrukturierbaren) Lötstopplacken an Bedeutung verloren. Hier hat sich das
Vorhanggießverfahren etabliert. Eine Renaissance für die Verarbeitung von Lötstopplacken
erfährt der Siebdruck z.Z. jedoch in einer abgewandelten Form: dem vertikalen,
doppelseitigen Siebdruck. Auf diese Technik wird am Ende noch genauer eingegangen.
Große Bedeutung für die Leiterplattenfertigung hat der konventionelle Siebdruck für das
Aufbringen von Signierlacken, Abdecklacken und Viahole-fillern, da für diese Anwendungen
die zu erreichende Auflösung des konventionellen Siebdruckes ausreicht, und er somit ein
effektives und kostengünstiges Applikationsverfahren darstellt.
Druckrichtung
Rakelanschliff
Rakel
Druckfarbe
Schablonenrahmen
Siebrahmen
Siebdruckschablone
Absprung
Leiterplatte
Drucktisch
Lagefixierung
Skizze: Prinzip des Siebdruckprozesses
VDE/VDI
3711,
Blatt 5.2
Siebdruck
Seite 2
Pkt.
Prinzip
1
Rahmen
2
Material
2.1
Rahmenvorspannung
2.2
Gewebe
3
Gewebebezeichnung
3.1
Gewebespannen
3.2
Kleben
3.3
Schablone
4
Schablonenmaterial
4.1
Schablonenmethoden
4.2
Eigenschaften
4.3
Belichtung
4.4
Druck
5
Absprung
5.1
Druckrakel
5.2
Druck mit Leersieb (ohne Schablone)
5.3
Doppelseitiger, vertikaler Siebdruck
6
Siebdruck
VDE/VDI
3711,
Blatt 5.2
Seite 3
1
Prinzip
Beim Siebdruck ist ein Siebgewebe fest an einem Rahmen fixiert. Der Siebdrucklack auf
dem Siebgewebe wird mit Hilfe eines elastischen Rakels durch die Öffnungen des Siebes
auf die Leiterplatte übertragen. Ein spezielles Druckbild wird durch die Verwendung einer
Schablone (Druckform) erreicht. Diese verschließt alle nicht zu druckenden Flächen des
Siebgewebes, so daß der Siebdrucklack an diesen Stellen nicht auf die Leiterplatte
übertragen werden kann.
Im folgenden werden einige wesentliche Punkte des Siebdruckes unter Berücksichtigung der
Anforderungen in der Leiterplattenfertigung erörtert.
2
Rahmen
Grundvoraussetzung für passergenaue Druckarbeiten in der Leiterplattenindustrie sind
stabile Stahl- oder Alu-Rahmen mit quadratischem oder liegendem Rechteckprofil, z. T. mit
verstärkten Vertikalwänden.
2.1
Material
Bedenkenswert bei der Auswahl des Rahmenmaterials ist, daß der Ausdehnungskoeffizient
für Aluminium etwa doppelt so groß wie für Stahl ist. Bei 10 °C Temperaturdifferenz bedeutet
das eine Ausdehnung für Stahl von 0,14 mm/cm und für Aluminium von 0,26 mm/cm.
Diesem Vorteil des Stahls steht das deutlich höhere Gewicht (spez. Gewicht: Fe = 7,8 g/cm³,
Al = 2,7 g/cm³) entgegen. Das höhere Gewicht eines Stahlrahmens kann sich bei schwach
dimensionierten
Rahmenhalterungen
als
Negativfaktor
auswirken.
Auch
die
Korrosionsresistenz spricht für jeweils ausreichend dimensionierte Alurahmen.
2.2
Rahmenvorspannung
Die Forderung nach hoher Stabilität ergibt sich aus der Tatsache, daß durch das gespannte
Gewebe in Abhängigkeit von Gewebeart und Stärke der Siebspannung bis zu 30 kg auf 10
cm Länge auf die Rahmenschenkel wirken können. Einer Rahmendurchbiegung und dem
daraus sich ergebenden Spannungsverlust des Gewebes begegnet man durch eine
Vorspannung des Rahmens vor dem Verkleben oder durch eine "Bombierung" des
Rahmens bei der Fertigung.
Die Rahmenvorspannung erreicht man durch Spannklammern, die sich am Rahmen
abstützen und so der Zugkraft des Gewebes entgegenwirken, oder durch spezielle
Spannwerkzeuge. Bei großformatigen Rahmen bevorzugt man eine Verschweißung der
Rahmen im Winkel von > 90° und erhält so nach außen gewölbte (bombierte)
Rahmenschenkel, die nach dem Brückenprinzip erhöhte Stabilität aufweisen.
Siebdruck
VDE/VDI
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Seite 4
3
Gewebe
Neben der Auswahl des geeigneten Lacksystems beeinflußt die Auswahl des Siebgewebes
in hohem Maße das Druckergebnis.
Für den Bereich der Leiterplattenherstellung sind überwiegend monofile Polyestergewebe, z.
T. metallisiert, und Edelstahlgewebe im Einsatz. Mit steigender Tendenz kommen
sogenannte Hoch-Modulgewebe für den Präzisionsdruck zum Einsatz. Dieses HochModulgewebe erhält man durch eine Vorspannung bei der Fadenproduktion; es ist leichter
zu verspannen und weist als wesentlichen Vorteil sehr geringe Spannungsverluste nach dem
Verkleben auf. Zu den Metallgeweben sei erwähnt, daß diese mit hoher Maßhaltigkeit beste
Druckergebnisse bringen, die Standfestigkeit ist allerdings durch Metallermüdung geringer
als bei einem Polyestergewebe.
3.1
Gewebekennzeichnung
Mit der Auswahl des Gewebes für die zu erfüllende Druckaufgabe sind die Werte u. a. für
Auftragsstärke und Konturenschärfe vorbestimmt. Eine Optimierung dieser Werte ist durch
die Auswahl der Fadenstärke - durch die Gewebebezeichnungen S, M, T, und HD
(s = small, M + T = medium, HD = heavy duty) erkennbar - , möglich. Mit dem dicker
werdenden Faden ändern sich außer den mechanischen Eigenschaften die Gewebedicke
und dadurch auch der Farbauftrag.
Im Bereich „gedruckte Schaltung“ ist überwiegend T-Qualität wegen guter mechanischer
Beanspruchungsmöglichkeit der Schablone bei hohem Farbdurchlaß im Einsatz. Dieser
Vorteil ergibt sich aus dem günstigen Verhältnis von Gesamtfadendicke und offener
Maschenweite.
Siebdruck
VDE/VDI
3711,
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Seite 5
Folgende Gewebe haben sich für die Fertigung von gedruckten Schaltungen bewährt:
3.1.1
konventionelle Lacksysteme
Ätzresist
Galvanoresist
Lötstopplack
Signierlack
abziehbarer Lötabdecklack
3.1.2
UV-Lacke
Ätzresist
Galvanoresist
Lötstopplack
Signierlack
3.1.3
120 T/140 T
120 T
68 T - 120 T
100 T - 140 T
fotostrukturierbare Lacke
Lötstopplack, auch vertikaler
Siebdruck
Signierlack
3.2
110 HD/120 T
90 T/100 T/110 HD
43 T bis 63 T, abhängig von der
Leiterhöhe
90 T - 120 T
10 T - 18 T
43 T - 55 T, abhängig von der
Leiterhöhe
61 T - 100 T
Gewebespannen
Mit steigenden Qualitätsansprüchen und verstärkten Forderungen nach Qualitätssicherung
bei gleichzeitigem Zwang zur Kostenreduzierung ist wegen des großen Einflusses auf die
Druckqualität und die Standzeit eines Schablonenträgers dem richtigen und sachgerechten
Aufspannen des Gewebes besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Die Spannung des
Gewebes bestimmt die Durchstreckung der Schablone in der Druckachse, den
Siebabsprung aus dem aufgedruckten Lackfilm und dadurch die einstellbare Absprunghöhe.
Die richtige Spannung des Gewebes ist Voraussetzung für ein gutes Druckergebnis über die
gesamte Losgröße (Druckauflage).
Ein Schablonengewebe ist sachgerecht gespannt, wenn der Spannungsprozeß auf die
physikalischen Eigenschaften des Gewebetypes abgestimmt ist. Dazu sind unbedingt die
Herstellerangaben für Spann- und Streckwerte einzuhalten, eine gleichmäßige
Flächenspannung anzustreben und ein stabiler Spannungszustand zu erreichen.
Die Spannungswerte liegen je nach Druckaufgabe und Gewebe zwischen 15 und 25 N/cm.
Erstrebenswert sind gering unterhalb der höchstzulässigen für Gewebe und Fadenmaterial
angegebene Spannungswerte, da durch den "kalten Fluß" im Laufe der Zeit die Spannung
des Gewebes ohnehin nachläßt. Eine Überdehnung ist unbedingt zu vermeiden, da dadurch
die Elastizität verlorengeht (Herstellerhinweise beachten).
Siebdruck
VDE/VDI
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3.2.1
Gewebespannen winklig
Die Grenzwerte druckbarer Strichstärken im Siebdruck werden durch Fadenzahl,
Fadendicke und die sich daraus ergebende Maschenweite bestimmt. Optimale Randschärfe
ist dazu eine Grundvoraussetzung, diese wird mit Geweben erzielt, bei denen die
Maschenweite größer als die Fadenstärke ist. Druckbare Feinheit und Kantenschärfe
werden durch die Winkellage der kopierten Linien zum Gewebe wesentlich beeinflußt.
Der günstigste Kopierwinkel hat sich nach Versuchen der Gewebehersteller sowie Praxiserfahrungen mit 22,5° herausgestellt, wobei jedoch miterwähnt werden muß, daß der
Gewebeverbrauch und somit die Kosten steigen.
3.3
Kleben
In den Spanntischen wird das Gewebe auf die Siebrahmen geklebt. Die Güte der
Verklebung des Gewebes am Rahmen bestimmt die Lebensdauer einer
Siebdruckschablone. Zum Verkleben des Gewebes am Rahmen stellt der Fachhandel
zahlreiche Kleber zur Verfügung, die auf die Fadenqualität und den Verwendungszweck
zugeschnitten sind. Zu beachten ist eine Beständigkeit des Klebers gegen die in den Lacken
verwendeten Lösungs- bzw. der Reinigungsmittel.
4
Schablone (Druckform)
Eine Siebdruckschablone bestimmt mit ihren Eigenschaften das Druckergebnis, diese sind
abhängig von der Auswahl des Rahmens, Gewebe, Schablonenart
und
Schablonenmethodik. Die Entscheidung, mit welcher Siebdruckschablone optimal gedruckt
werden kann, ist von folgenden Überlegungen abhängig:
Siebdruck
VDE/VDI
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•
•
•
•
Höhe des gewünschten Lackauftrages
gewünschte Auflösung und Druckrandschärfe
Reproduktionsgenauigkeit
Druck- und Trocknungsbedingungen.
4.1
Schablonenmaterial
Eine Bewertung der zahlreichen Schablonenmaterialien soll dem Fachmann überlassen
werden, da zahlreiche Kombinationen möglich sind, und die richtige Auswahl auch von der
Druckaufgabe abhängig ist. Aus diesem Grund werden im folgenden nur die gängigsten
Materialien genannt.
Die Entwicklung der Kopieremulsionen hat durch den Einsatz von synthetischen Basisharzen
(Polyvinylalkohol, Polyvinylacetate und Polyacrylate) einen rasanten Aufschwung und große
Typenvielfalt gebracht. Die Sensibilisierung mit Bichromat ist durch Diazo-Sensibilisierung
abgelöst und sollte auch aus physiologischen und abwassertechnischen Gründen nicht mehr
zum Einsatz kommen. Relativ kurz im Einsatz ist die Stilben-Sensibilisierung mit
hervorragenden Eigenschaften für Dickschichtschablonen durch hohe Lichtempfindlichkeit
bei ebenso hoher Auflösung. Ähnlich gute Eigenschaften zeigen binäre (doppelt sensitive)
Emulsionssysteme, mit denen lösungsmittelresistente und wasserbeständige Schablonen
hergestellt werden können. Diese sind ungefähr seit 1990 im Einsatz.
Die oben erwähnten Schablonenmaterialien sind als direkte Kopierschichten, Fotofilme und
Kapillarfilme im Handel. Dem Schablonenhersteller bietet sich dadurch die Möglichkeit, je
nach Betriebseinrichtung das optimale Schablonensystem für die zu erfüllende
Druckaufgabe auszuwählen. Um die Vorteile moderner Schablonenmaterialien auch voll
nutzen zu können, sollte die Beratung durch den Schablonenfachmann vor der
Entscheidung stehen.
4.2
Schablonenmethoden
Man unterscheidet nach Herstellungsmethode und nach Art des Kopiermaterials zwischen:
4.2.1
4.2.2
4.2.3
4.2.4
direkter Fotoschablone (Direktemulsion)
indirekter Fotoschablone (Gelantinefilm)
direkt-indirekter Fotoschablone (Kombi-Schablone)
Kapillarfilm
Bei der direkten Fotoschablone wird die Kopierlösung durch Beschichtungsautomaten
oder manuell mit einer Beschichtungsrinne auf das Gewebe aufgebracht, dann belichtet und
entwickelt.
Eine indirekte Fotoschablone erhält man, indem der Schablonenfilm zunächst belichtet
und entwickelt und dann mit dem Gewebe verbunden wird.
Siebdruck
VDE/VDI
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Die Kombi- oder direkt-indirekt-Fotoschablone kombiniert 4.2.1 und 4.2.4 insofern, als mit
einer Kopierlösung ein Schablonenfilm am Gewebe verankert wird, und dieser Verbund
belichtet und entwickelt wird.
Die Kapillarfilmmethode nutzt die Quellung der Emulsionsoberfläche eines
lichtempfindlichen Fotofilms durch das nasse Gewebe - die auftretenden kapillaren Kräfte
der offenen Gewebefläche geben dem Film eine ausgezeichnete Haftung im Gewebe.
4.3
Eigenschaften
Die direkte Fotoschablone ist nach wie vor wegen hoher Druckauflagenbeständigkeit häufig
im Einsatz. Die früher bekannten Mängel (unscharfe Konturen, Kopierverluste und
unterschiedliche Kopierergebnisse) sind durch die Herstellung verbesserter (eingefärbter)
Gewebe, besseren Kopiermaterialien und verbesserten Arbeitsmethoden weitgehend
ausgeschaltet worden. Die direkte Fotoschablone hat wegen der geschilderten Vorteile auch
breite Anwendung in der Leiterplattenindustrie gefunden. Die Möglichkeit, mit
Zwischentrocknung und Mehrfachbeschichtung
nahezu
jeden erwünschten
Schablonenaufbau für einen vorgegebenen Sollwert an Lack- oder Farbauftrag herzustellen,
erweitert die Verwendung dieser Methode.
Die indirekte Schablone ist besonders wegen hoher Detailwiedergabe bei Feinstrich- und
Rasterarbeiten bevorzugt im graphischen Bereich, z. T. auch im Verpackungsdruck, im
Einsatz. Die bekannte geringe Auflagenbeständigkeit, die durch unzureichende Haftung des
Films am Gewebe verursacht wird, konnte durch Optimierung der Materialien und der
Arbeitsmethoden deutlich verbessert werden. Dennoch bleibt der Haupteinsatz auf mittlere
Auflagen mit hoher Druckqualität begrenzt.
Mit der Entwicklung der direkt-indirekten Methode ist es gelungen, die Vorteile der direkten
Schablone (hohe Auflagenfestigkeit) und die der indirekten Schablone (ausgezeichnete
Druckschärfe) zu kombinieren. Die Qualität einer direkt-indirekten Schablone ist aber mehr
als die der vorgenannten Schablonen von der Belichtung abhängig. Beste Ergebnisse
werden mit eingefärbtem Gewebe erreicht.
Wegen der guten Eigenschaften ist die direkt-indirekte Siebdruckschablone in weiten
Bereichen des Siebdrucks im Einsatz, so auch bei Drucken mit hoher Genauigkeit in der
Leiterplattenindustrie.
Große Vorteile weisen Siebdruckschablonen auf, die mit Kapillarfilmen erstellt wurden. Sie
zeigen große mechanische Belastbarkeit, drucken kantenscharf und haben ein hohes
Auflösevermögen. Gleichzeitig erlauben Kapillarfilme mit unterschiedlichen Emulsionsdicken
ohne hohen Zeitaufwand die Herstellung von Dickschichtschablonen, z. B. für den
Leiterplattendruck und den Druck von Lötabdecklacken.
Selbstverständlich sind wirtschaftliche Erwägungen, technische Voraussetzungen und
Kenntnisse mit entscheidend. Unabhängig von der Basisentscheidung, welcher Art und
Feinheit das Gewebe und die Schablonenmethode sind, ist die zwingende Notwendigkeit für
einen kantenscharfen Druck eine flachliegende Druckseite (siehe Abbildung 3 und 4).
Siebdruck
VDE/VDI
3711,
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Die Abbildungen 1 bis 4 verdeutlichen die Beeinflussung der Kantenschärfe des Druckes
durch die Siebbeschichtung.
Abb. 1: Korrekte Beschichtung
Abb. 3: korrekte Beschichtung
Abb. 2: Beschichtung zu dünn
Abb. 4: Beschichtung zu dünn
Bei einem Schablonenauftrag, wie in Abb. 4 dargestellt, kommt es auch verstärkt zu
Verschmierungen beim Drucken.
4.4
Belichtung
Die für die optimale Durchhärtung einer Kopierschicht erforderliche Belichtungszeit ist im
Wesentlichen von folgenden Faktoren abhängig:
−
−
−
−
−
−
−
−
Lichtempfindlichkeit der Kopierschicht
Härtungsverhalten der Kopierschicht
Schichtdicke
spektrale Empfindlichkeit der Kopierschicht
spektrale Lichtverteilung der Kopierlampe
Lichtstärke der Kopierlampe
Abstand zwischen Kopierlampe und Kopierfläche
Lichtverlust durch Lichtabsorption in der Kopiervorlage.
Siebdruck
VDE/VDI
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5
Druck
Bevor mit dem Druckvorgang begonnen wird, werden in der Regel die Rahmeninnenkanten
mit Klebeband abgeklebt, um eine Verschmutzung durch den Lack zu verhindern. Dann
kann die Druckform (Schablone) passergenau auf die zu bedruckenden Leiterplatten justiert
und anschließend kann die Absprunghöhe festgelegt werden. Der Druckvorgang (Rakelzug)
selbst unterteilt sich in das sogenannte Fluten (Rakeln ohne Anpreßdruck) und das
eigentliche Drucken (Rakeln mit Anpreßdruck). Beim Fluten wird vor dem eigentlichen
Druckvorgang der Lack ohne Druck mit der Rakel über das Sieb gezogen. Hierbei bildet sich
ein gleichmäßiger Lackauftrag und die offenen Schablonenstellen werden mit Lack gefüllt.
Es gelangt jedoch noch kein Lack auf die zu bedruckende Leiterplatte. Erst nach dem Fluten
erfolgt das eigentliche Drucken.
5.1
Absprung
Mit Absprung ist das Loslösen des Schablonenträgers (Gewebe) hinter der sich
bewegenden Rakel definiert, auch der Abstand zwischen Schablonenträger und
Bedruckstoff (Leiterplatte). Er verhindert, daß die Leiterplatte nicht vor dem Bedrucken vom
Sieb berührt wird und bewirkt, daß sich das gespannte Sieb hinter der Druckrakel von der
Leiterplatte abhebt. Der Absprung ist maßgeblich für ein gutes Druckbild verantwortlich, da
durch ihn das Abreißen der Farbe erreicht und ein Verwischen vermieden wird.
5.2
Druckrakel
Druckrakel bestehen aus plastischen, in einer Halterung befestigten Materialstreifen aus
Polyurethan. Wesentlich für das Ergebnis des Siebdruckes sind Härte, Rakelprofil,
Rakelschliff, Rakeldruck und Rakelstellung (Schräglage). Die Härte der Rakelblätter wird in
Shore gemessen.
Übliche Rakelhärten sind:
- weich:
- mittel:
- hart:
65 ± 5 Shore A
75 ± 5 Shore A
85 ± 5 Shore A
In der Leiterplattenfertigung werden in der Regel Rakel mit 65- 80 Shore verwendet.
Allgemein sind härtere Rakel für die Darstellung feinerer Linien geeignet, wobei jedoch
berücksichtigt werden muß, daß zu harte Rakel einen hohen Rakeldruck verlangen. Zu
weiche Rakel können nach hinten ausweichen; der Rakelwinkel wird zu flach, und der Lack
wird mit hohem Druck durch das Sieb gepreßt und unterläuft die Schablone (Verschmieren).
Siebdruck
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Konturenscharfer Druck
Unscharfer
Druck
Für die unterschiedlichen siebdrucktechnischen Aufgaben gibt es speziell angeschliffene
Rakelkanten, wie z.B. ein rechteckiges Profil, Winkelschliff mit gebrochener Kante, Rundoder Schräg-/Keilschliff. In der Leiterplattenfertigung werden häufig rechteckige Profile
verwendet, da diese gut geeignet sind feine Details und kantenscharfe Drucke zu erzeugen.
Bzgl. der Rakelstellung ist zu sagen, daß mit abnehmendem Winkel die Lackmenge, welche
durch das Sieb gedrückt wird, abnimmt. Der Rakeldruck während des Druckvorgangs muß
konstant gehalten werden, um ein gleichmäßiges Druckbild zu erhalten.
5.3
Druck mit Leersieb (ohne Schablone)
Bei der Leiterplattenfertigung kann z.B. ein fotostrukturierbarer Lötstopplack durch den
Druck mit einem Leersieb auf die Leiterplatte aufgebracht werden. Wenn mit einem
Leersieb, also ohne Schablone, gedruckt wird, dann fehlt an den Löchern bzw. den
Durchkontaktierungen der Druckträger, so daß an diesen Stellen kein Kontakt zustande
kommt, und der über den Rakeldruck durch das Sieb gedrückte Lack nicht übertragen
werden kann.
Die Folge sind Lackansammlungen unter dem Sieb, die mit jedem nachfolgenden Druck
stärker werden und bei kleinen Lochdurchmessern bereits nach dem zweiten Druck in die
Löcher hineingedrückt werden können.
Daher sind beim Druck mit einem Leersieb Maßnahmen zu treffen, daß Lackansammlungen,
die nicht vom Sieb abgenommen werden, beim nächsten Druck nicht in die
Durchkontaktierungen gedruckt werden. Dies gilt besonders für Lochdurchmesser von
weniger als 0,8 bis 1,0 mm.
Dies kann z. B. durch folgende Maßnahmen vermieden bzw. eingeschränkt werden:
− Verwendung relativ feiner Siebe, z. B. 51 T-Gewebe, wodurch aber geringerer
Lackauftrag zustande kommt
− Verwendung härterer Rakel, z. B. 80 Shore-A-Härte, was gleichfalls eine geringere
Lackschicht ergibt
− sofern möglich, Verringerung des Rakeldrucks
− versetzter Druck durch Verschieben der Leiterplatte
− häufige Papierabdrucke mit einem gut saugenden, aber trotzdem nicht flusenden Papier.
Siebdruck
VDE/VDI
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Seite 12
Der Druck mit einem Leersieb birgt aber, wie die aufgezählten Parameter zeigen, latent die
Gefahr, daß Lack in die Durchkontaktierungen gelangt und später aus den Kontaktierungen
nicht einwandfrei herausentwickelt werden kann, so daß der Druck mit einem Leersieb
eigentlich nur für Null- oder Kleinserien vorgesehen werden sollte. Bei großen Serien ist es
unbedingt ratsam, den Druck mit einer Siebdruckschablone vorzunehmen.
6
Doppelseitiger, vertikaler Siebdruck
Eine interessante und verstärkt in den Markt gelangende Variante der Beschichtung von
Leiterplatten unter Verwendung von Leersieben bietet der doppelseitig arbeitende, vertikale
Siebdruck. Dieser wurde für die Applikation speziell von flüssigen, fotosensitiven
Lötstoppmasken entwickelt und zeigt hervorragende Ergebnisse.
Beim vertikalen, doppelseitigen Siebdruck werden die Nutzen vertikal eingespannt. Die
Siebe sind im gleichen Abstand zu den Nutzen befestigt. Die exakt gegenüberliegenden
Rakel beschichten unter identischem Rakelwinkel gleichzeitig beide Leiterplattenseiten.
Große Vorteile bietet die beidseitige Beschichtung auch bei Druck von flexiblen Leiterplatten.
Auch bzgl. der Leiterplattenabmessungen (sehr große, schwere Platten) bietet der vertikale,
doppelseitige Siebdruck viele Möglichkeiten. Die gleichzeitige Beschichtung beider
Leiterplattenseiten mit fotostrukturierbaren Lötstopplacken bewirkt im Trocknungsprozeß
einen geringeren Energiebedarf und keine Gefahr der Übertrocknung, wie sie z. B. bei der
zuerst beschichteten Leiterplattenseite im Vorhanggießverfahren auftreten kann. Durch den
gleichen Vortrocknungsgrad bzw. gleiche thermische Belastung beider Leiterplattenseiten
ergeben sich weiterhin Vorteile hinsichtlich identischer Entwickelbarkeit beider Seiten.
Prinzipiell kann die Entwicklungszeit daher etwas reduziert werden, was wiederum auch eine
mögliche Verkürzung der Belichtungszeit beinhaltet.
Die unter 6.4 geschilderten Lackansammlungen und daraus resultierenden
Entwicklerprobleme treten bei dieser Verarbeitungsweise nicht auf.
7
Quellenangabe
"Handbuch der Leiterplattentechnik", Band 3, 1993,
Herausgeber: G. Herrmann,
unter Mitwirkung von 21 Mitautoren, u. a. auch von Werner Peters.
Erschienen im Eugen G. Leutze Verlag, D-88342 Saulgau/Württ.,
ISBN-Nr. 3-87480-091-1.
Informationsschrift:
"Moderne Siebdruckschablonen im Vergleich"
BarChem GmbH, Volker G. Bartelmäs, D-74321 Bietigheim-Bissingen
"Handbuch für den Sieb- und Textildruck“ (Nov. 1998)
Sefav AG, Division Druck, Thal (CH)
Ausbildungsleitfaden "Der Siebdrucker"
Verband der Druckindustrie Niedersachsen
Fotodruck mit Trockenfilmresists;
Trockenfilm-Lötstoppmaske
VDE/VDI
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Blatt 5.3
Seite 1
Dieser Abschnitt wird zu einem späteren Zeitpunkt ergänzt
Leiterbilderstellung; Fotodruck mit
Trockenfilm- oder Flüssigresist
VDE/VDI
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Blatt 5.4
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Inhaltsangabe
1 Verfahrensschema Fotodruck „Leiterbilderstellung“
2 Vorbehandlung
2.1 Ziel der Vorbehandlung
2.2 Methoden der Vorbehandlung
3 Produktbeschreibung des Fotoresists
3.1 Zweck des Fotoresists
3.2 Fotoresistarten
4 Laminieren mit Trockenfilmresisten
4.1 Trockenfilmresist (Festresist)
4.2 Aufbau von Laminatoren
4.3 Laminierparameter
4.4 Was beim Laminieren generell zu berücksichtigen ist
5 Beschichten mit Flüssigresisten
5.1 Allgemein
5.2 Flüssig - / Trockenfilm-Resiste im Vergleich
5.3 Verarbeiten von Flüssigresisten
5.4 Positiv / negativ arbeitende Fotoresiste
5.5 Elektrophoretisch abgeschiedene Fotoresiste
5.6 Siebverdruckbare Fotoresiste
5.7 Ökologie / Ökonomie
6 Belichten
6.1 Ablauf des Belichtungsvorgangs
6.2 Optik
6.3 Abbildungsfehler
6.4 Belichtungsgeräte
6.5 Brenner
6.6 Registriersysteme
7 Entwickeln
7.1 Entwicklungsverfahren
7.2 Entwicklungsmedium
7.3 Beurteilung der Entwicklungsqualität
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Seite 2
8 Überprüfen von Belichtungszeiten und Belichtungsgeräten
8.1 Grau-/Stufenkeil
8.2 UV - Energiemesser
9 Fehleranalyse
10 Anhang
10.1 Fortpflanzung von Fehlern
10.2 Graukeil-Vergleichstabelle
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Seite 3
1
Verfahrenschema Fotodruck „Leiterbilderstellung“
Im folgenden Flußdiagramm (Bild 1.1) ist der Prozeßablauf Fotodruck für Innenlagen und
Außenlagen dargestellt.
Lochmetallisierte
Leiterplatte
Innenlagen
Kanten schleifen
Vorbehandeln
Laminieren mit Trockenfilmresisten
oder Beschichten mit Flüssigresisten
Belichten
Entwickeln
Ätzen
Galvanisieren
Bild 1.1: Prozeßablauf Fotodruck „Leiterbilderstellung“
VDE/VDI
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2
Vorbehandlung
2.1
Ziel der Vorbehandlung
Es ist das Ziel der Vorbehandlung, eine saubere, fett- und weitgehend oxidfreie und im UVLicht wenig reflektierende matte Oberfläche zu erzeugen. Sie ist die Voraussetzung für eine
gute Haftung zwischen Fotoresist und Kupferoberfläche und gewährt optimale Ergebnisse
bei der Reproduktion der Fotovorlage (Abbildungsgenauigkeit).
Die Oberfläche muß deshalb frei von Verunreinigungen jeder Art sein, insbesondere aber
frei von:
Fetten und Ölen
Fingerabdrücken
Oxid- und Wasserflecken
Rückständen wie Staub, Haare, Salze
Bimsmehl oder Schleifvlies.
Die Kanten des Basismaterials sollen entgratet und geglättet sein, um Staub durch abbrechende Glasfasern und Epoxidpartikel zu vermeiden und Kupfergrad vom Sägen zu entfernen. Dieser beschädigt im nachfolgenden Prozeß des Resistlaminierens die Laminierwalzen,
sowie beim Belichten die Fotovorlagen und kann zu Defekten beim Leiterbild führen.
Zum Entgraten und Glätten werden verschiedene Techniken benutzt:
Sägen
Fräsen
Schaben.
Zusätzlich muß bei durchmetallisierter Ware vor dem Auflaminieren des Fotoresists sicher
gestellt sein, daß etwa nach dem Bohren vorhandener Bohrgrat abgeschliffen wurde. Der
Bohrgrat verhindert, daß der Fotoresist plan auf dem Basismaterial aufliegt; beim nachfolgenden Belichten kommt es zu Unterstrahlungen, die zu Abbildungsfehlern führen. Ebenso
können vom Resist überspannte Bohrungen (Tents) beschädigt werden.
VDE/VDI
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2.2
Methoden der Vorbehandlung
Folgende Methoden der Vorbehandlung stehen zur Verfügung:
Chemische Vorbehandlung
Mechanische Vorbehandlung
Kombination beider Vorbehandlungen.
Angestrebt wird eine gleichmäßig matte Oberfläche; bei hochglänzenden Oberflächen kann
es beim nachfolgenden Belichtungsprozeß zu Problemen aufgrund der Lichtreflektion an der
glänzenden Kupferoberfläche kommen (Streulicht).
2.2.1
Entfetten
Eine Entfettung ist hauptsächlich bei Innenlagen und reiner Ätzware notwendig. Lochmetallisierte Ware sollte bei gut geführter Handhabung in den Vorprozessen keine Fettspuren aufweisen. Trotzdem wird eine Entfettung mit einem sauren Entfetter empfohlen, um eine
gleichmäßige Benetzung der Oberfläche im nachfolgenden Prozeß zu gewährleisten. Auch
auf eine möglichst rückstandsfreie Spülung muß geachtet werden, da Verschleppungen der
Entfetterlösung die nachfolgenden Prozeß stark beeinträchtigen können.
2.2.2
Chemische Vorbehandlung oder Mikroätzen
Das Mikroätzen bewirkt eine Desoxidation der Kupferoberfläche und ein Anätzen der Korngrenzen; hierdurch wird eine matte Oberfläche erzeugt, die die störende Reflexion der UVStrahlung praktisch beseitigt. Gleichzeitig werden je nach Art, Konzentration und Verweilzeit
einige Mikrometer Kupfer abgetragen. Der Abtrag ist nicht immer gleichmäßig und kann
durchaus zwischen 2 µm und 5 µm liegen. Die Folgen bei notwendiger Nacharbeit können
entweder DK-Fehler oder bei Innenlagen die Unterschreitung einer minimalen Kupferstärke
sein. Dies ist besonders kritisch, da beim Braun- oder Schwarzoxidieren ein nochmaliger
Kupferabtrag bei der Vorreinigung und eine Kupferumwandlung in Oxid stattfindet, so daß
der fertige Multilayer Innenlagenfehler aufweisen kann, obwohl die geätzte Innenlage die
elektrische und/oder die optische Prüfung bestanden hat.
Beim Anätzen mit Persulfaten sollte die erste nachfolgende Spülung mit H2SO4 angesäuert
sein, um ein Ausfallen der Persulfate auf der Kupferoberfläche zu verhindern (Salzkristalle
auf dem Kupfer). Aus abwassertechnischen Gründen (Komplexbildung) sind Natrium- oder
Kaliumpersulfate dem Amoniumpersulfat vorzuziehen.
Typische Badkonzentrationen sind ca. 50-100 g/l Persulfat, gefolgt von einer 5-10% H2SO4 Dekapierung mit anschließender sorgfältiger Spülung.
VDE/VDI
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2.2.3
Mechanische Aufrauhverfahren
2.2.3.1 Bimsen
Die Oberflächenreinigung mit Bimsmehl (typische Korngröße 100 µm - 300 µm) kann durch
Hochdrucksprühen (typisch 30 bar) oder mit oszillierenden Walzenbürstmaschinen erfolgen.
Wichtig ist der nachfolgende Spülprozeß, der im allgemeinen ein Hochdruckspülen mit Wasser bis zu 100 bar erfordert, um das Bimsmehl von der Oberfläche und aus den Bohrungen
vollständig zu entfernen. Bei ungeeigneter Anlagenkonzeption besteht eine große Gefahr,
daß Bimsmehl in den Reinraum des Fotodrucks gelangt.
Standzeit des Bimsmehls
•
Der Festkörpergehalt der Bimsmehlschlemme muß festgelegt und täglich kontrolliert werden
(Probenahme des aufgeschlemmten Bimsmehls mit Meßzylinder und Festgehalt nach
Absetzen bestimmen). Je nach Durchsatz und Fassungsvermögen des Vorratsbehälters soll der Festkörpergehalt täglich bestimmt und gegebenenfalls neu eingestellt
werden; etwa wöchentlich sollte die Schlemme neu angesetzt werden.
•
Trennung vom Kupfer
Dies erfolgt mit einer handelsüblichen Zentrifuge, mit der der Kupferanteil im Bimsmehl
niedrig gehalten wird.
Eine regelmäßige Wartung der Bimsstrahlmaschine ist notwendig; hierbei ist besonders auf
einen Verschleiß der Düsen (Keramik) zu achten.
Werden alkalische Entfetter beim vorher stattfindenden Entfetten benutzt, so ist darauf zu
achten, daß die Bimsmehlsuspension durch Verschleppung nicht zu sehr alkalisch (< pH 8)
wird, da andernfalls die frisch aufgerissene Oberfläche des Kupfers unverzüglich wieder oxidiert.
Es ist daher sinnvoll, nach der Bimsmehlbehandlung die erste Spülung anzusäuern (H2SO4),
um die Kupferoberfläche im nassen Zustand oxidfrei zu halten. Dies beugt der erneuten
Oxidation der Kupferfläche vor dem anschließenden Trocknungsprozeß vor.
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2.2.3.2 Korund-Bürstwalzen
Oszillierende Walzen mit Korund-gebundenen Schleifvliesen werden immer seltener eingesetzt. Die Schleifriefen laufen in eine bevorzugte Richtung und erzeugen keine ausreichende
Mikrorauhigkeit; weiterhin kommt es z.T. zu derart tiefen Riefenbildungen, daß der Fotoresist
diese Riefen nur noch überspannt, aber nicht zuverlässig ausfüllt; bei den nachfolgenden
Prozessen dringen die verschiedenen Prozeßlösungen in die Riefen und erzeugen ungewünschte Effekte, wie Einschnürungen durch Ätzmittelangriff, Unterwanderungen in der Galvanik oder ungleichmäßiges Galvanisieren, die unter Umständen zur Nacharbeit und Ausschuß führen.
Durch die auftretenden Kräfte beim Bürsten entstehen bei dünnen Materialien unerwünschte
Längenänderungen, die zu Registrierproblemen, vor allem bei der MultilayerinnenlagenHerstellung, führen.
Gebürstet wird im Naßzustand; bei Trockenlauf besteht die Gefahr der Erwärmung der
kunststoffgebundenen Walzen mit dem Effekt der Schmierbildung auf der Kupferoberfläche.
Auch hier ist es sinnvoll, die nachfolgende erste Spülkammer leicht anzusäuern, um die nasse Oberfläche leicht sauer zu halten und damit vor dem unverzüglichen, erneuten Oxidieren
zu bewahren.
2.2.4
Spülen
Mit dem Spülprozeß soll die völlige Beseitigung der vorher benutzten chemischen Lösungen
erzielt werden. Das Spülwasser muß von hoher Qualität sein; es sollte möglichst rein sein.
Einen Leitwert von weniger als 10 µS ist erstrebenswert.
Kreislaufgeführtes Wasser kann problematisch sein, da sich in ihm bei fehlender Aktivkohlebehandlung bevorzugt organische Substanzen (z.B. Tenside, Glanzbildner) anreichern, die
eventuell mit der frisch desoxidierten Kupferoberfläche beim anschließenden Trocknen mit
heißer Luft reagieren und später einen negativen Einfluß auf die Haftung des Resist auf der
Kupferoberfläche nehmen.
Schwierig ist auch die Spülung von kleinen Bohrungen bei dicken Schaltungen. Eventuell ist
es notwendig, ein Hochdruckspülmodul einzusetzen, um das Bimsmehl und andere Rückstände völlig aus den Löchern zu entfernen.
Die Wartung der Maschinen bezüglich Sauberkeit ist von äußerster Wichtigkeit, da es leicht
zu Schimmel- und Algenbildung in der Maschine kommen kann. In solchen Fällen kann man
mit Sagrotan-Spülungen eine mehrere Wochen dauernde Sauberkeit erzielen.
2.2.5
Trocknung
Bei der Trocknung sollte darauf geachtet werden, daß dieser Prozeß so schnell wie möglich
abläuft, um dem Oxidationsprozeß möglichst wenig Zeit zu lassen. Wichtig ist, daß nach
dem Spülen zunächst das Wasser mit Luftmessern aus den Löchern herausgeblasen und
von der Oberfläche entfernt wird. Zur Erzielung optimaler Ergebnisse müssen Abstand und
Anstellwinkel der Luftmesser ausprobiert werden. Wasserflecken müssen vermieden werden.
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Wenn keine Radialverdichter bei den Luftmessern benutzt werden, sondern Preßluft aus einer Zentralanlage zum Einsatz kommt, muß unbedingt auf Ölfreiheit der Preßluft geachtet
werden, aber auch auf Sauberkeit der Preßluftleitungen (Ölabscheider einbauen, Wartung
beachten!).
Nach der Reinigung darf die Kupferoberfläche nicht mehr berührt werden. Fingerabdrücke
führen bei Feinleiterstrukturen mit höchster Sicherheit zu Ausschuß. Es wird empfohlen,
saubere Handschuhe zu tragen bzw. die Zuschnitte nur an den Kanten zu handhaben.
Nach der Trocknung sollten die Zuschnitte umgehend mit Fotoresist beschichtet werden, um
ein erneutes und unkontrolliertes Oxidieren der Kupferoberfläche zu vermeiden. Unter keinen Umständen sollte gereinigtes Material über mehrere Stunden unbeschichtet aufbewahrt
werden.
3
Produktbeschreibung des Resists
3.1
Zweck des Fotoresists
Fotoresiste sind lichtempfindliche Materialien, die bei Bestrahlung ihr Lösungsverhalten im
Entwickler verändern. In der Leiterplattentechnik werden sie in flüssiger oder fester Form
zum Zweck der Bildübertragung eingesetzt. Der benötigte Wellenlängenbereich des Lichts
liegt zwischen 300 nm bis 500 nm. Durch den Belichtungs- und Entwicklungsprozeß entstehen freie und abgedeckte Flächen auf dem Produktionszuschnitt, wobei in Nachfolgeprozessen die freien Flächen weiter bearbeitet werden (z.B. Ätzen oder Galvanisieren) und die abgedeckten Flächen zunächst unbearbeitet bleiben. Der Fotoresist wird somit als selektiver
Schutz für nachfolgende Bearbeitungsprozesse benutzt.
An diese Fotoresiste werden die verschiedensten Anforderungen gestellt. Deren wichtigste
Eigenschaften sind:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Gute Verarbeitungseigenschaften bzw. breite Prozeßfenster
Gute Haftung auf Kupfer und den verschiedensten Basismaterialien
Hohe Empfindlichkeit gegenüber der differenzierenden UV-Strahlung
Deutlich sichtbarer Farbumschlag zwischen belichtetem und unbelichtetem Resist
Rasche Entwickelbarkeit mit wäßrig-alkalischen Lösungen
Genaue Übertragbarkeit der Fotovorlage
Reproduzierbare und definierte Flankenform beim Entwickeln
Ätzbeständigkeit in sauren und ammoniakalischen Lösungen
Galvanobeständigkeit
Wärmebeständigkeit
Leichte und vollständige Entfernbarkeit (Strippen) des Resists
Gute Lagerfähigkeit unter Lichtausschluß
Bei Rollenware keine Kaltfließeigenschaften (Verkleben der Kanten).
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3.2
Resistarten
Grundsätzlich gibt es zwei völlig unterschiedliche Resistarten, deren schematische Funktionsweisen in Bild 3.1 wiedergegeben sind.
3.2.1
Negativ arbeitender Resist
Bei diesem Resist werden die nicht belichteten monomeren Resiststellen von wäßrigalkalischer Lösung abgewaschen. Die belichteten Stellen polymerisieren und verbleiben als
Schutzschicht vor weiteren Bearbeitungsgängen auf dem Werkstück.
UV-Strahlung
Film
Latentes Bild im
Resist
Basismaterial mit
Cu-Kaschierung
Entwickelter
Resist, der
lösliche Bereich
ist entfernt
Negativresist
Positivresist
Bild 3.1: Schematische Darstellung der negativen und positiven Resistfunktion
3.2.2
Positiv arbeitender Resist
Bei diesem Typ zerfällt der belichtete Resist unter UV-Licht in Bestandteile, die in wäßrigalkalischer Lösung abwaschbar sind. Im Gegensatz zum negativ arbeitenden Resist verbleiben hier die nicht belichteten Stellen als Schutzschicht auf dem Werkstück.
Die größere praktische Bedeutung haben negativ arbeitende Trockenfilmresiste. Negativ arbeitende Flüssigresiste gewinnen aber zunehmend an Bedeutung, vor allem im Bereich der
Ätzanwendungen (z.B. Innenlagenfertigung). Der Vorteil der Flüssigresiste liegt größtenteils
im Kostenbereich, da weniger Material verbraucht wird. Typische Materialstärken betragen
bei Flüssigresisten 4 µm - 12 µm, bei Festresisten in der Ätzanwendung 38 µm (1,5 mil). Es
werden aber auch 25 µm (1 mil) Festresiste angeboten, die bisher keine weitverbreitete Anwendung finden. Für Galvano- / Tenting-Anwendungen werden Resiststärken von 50 µm
und 75 µm eingesetzt.
VDE/VDI
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Aufgrund seiner geringen Schichtstärke ist der Flüssigresist sehr empfindlich gegen mechanische Beanspruchung, z.B. Gefahr von Kratzern, die zu Ausschuß führen. Ein weiterer
Nachteil von Flüssigresisten liegt bei den relativ hohen Neuinvestitionen für die Beschichtungsanlage und die anschließende Trocknung des Resists. Aus diesem Grund werden
Flüssigresiste fast ausschließlich in großvolumigen und vollautomatischen Fertigungslinien
eingesetzt.
Grundsätzlich wären positiv arbeitende Fotoresiste für die Leiterplattenfertigung von Vorteil.
Einer weiten Verbreitung standen bislang aber deutlich höhere Materialkosten und technische Einschränkungen entgegen.
4
Laminieren mit Trockenfilmresisten
4.1
Trockenfilmresist (Festresist)
4.1.1
Aufbau von Festresisten
Der Festresist besteht aus einer etwa 25 µm dicken Trägerfolie aus Polyester (Bild 4.1). Auf
diese Trägerfolie wird beim Hersteller der fotoempfindliche Resist per Rolle im Reinraum der
Reinraumklasse 10 aufgegossen, getrocknet und mit einer ca. 25 µm starken Polyethylenfolie abgedeckt. Anschließend wird das Material aufgerollt. Die Produktionsbreite der Rollen
kann bis zu 1,65 m, die Länge der Masterrolle bis 1500 m betragen. Bei dem späteren notwendigen Schneidvorgang wird die Ware umgespult und auf die gewünschten Längen und
Breiten der Kunden konfektioniert.
Typische Rollenlängen für den Kunden sind 100 m oder 300 m. Die Breiten variieren i.a.
zwischen 200 mm und 610 mm. Die Resiste werden in verschiedenen Dicken von ca. 25 µm
und 38 µm für Ätzware und von ca. 38 µm und 50 µm für Galvanoware angeboten. Für Sonderanwendungen stehen auch Resiste mit einer Schichtstärke von 75 µm bis 120 µm zur
Verfügung.
Trockenresist als
Folie auf Rollen
Polyesterträgerfolie (Mylar ®)
Polyolefinfolie als
Schutzschicht
Lichtempfindlicher
Trockenresist
Bild 4.1: Prinzipieller Aufbau von Festresisten (Werksbild DuPont, Mylar® ist
ein eingetragenes Warenzeichen von DuPont)
VDE/VDI
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Um eine gute, d.h. fehlerfreie Lamination zu erreichen, sind zwei Eigenschaften der Resiste
sehr wesentlich:
• Fließverhalten des Resists
• Klebefähigkeit des Resists
An die Polyesterfolie sind drei Bedingungen zu stellen:
• Hohe UV-Transparenz
• Optische Homogenität
• Dimensionsstabilität bei Wärmefluß
4.1.2
Resistkomponenten
Trockenfilmresiste bestehen alle aus folgenden Funktionseinheiten:
•
Multifunktionale Filmbinder, die aus Acrylaten oder Styrolderivaten bestehen können
und mit Acrylsäuren oder Maleinsäureanhydriden vermengt sind, um die Mischung im
alkalischen Medium lösen zu können.
•
Multifunktionale Monomere, die durch den Belichtungsvorgang zu Polymeren verkettet
werden.
•
Fotoinitiatoren, die bei UV-Bestrahlung Radikale bilden und somit den Polymerisationsvorgang zum Ablauf bringen.
•
Sonstige Komponenten, wie Stabilisatoren, Haftvermittler, Füllstoffe, usw..
Fotoresiste sind somit komplexe Gemische aus vielen aufeinander abgestimmten chemischen Substanzen.
Alle oben aufgeführten Komponenten dürfen im Resist weder alleine noch in Kombination
wasserlöslich sein, da sich der Resist andernfalls während des Ätzens oder Galvanisierens
auflösen würde.
4.1.2.1 Multifunktionale Filmbinder
Die sogenannten Binder eines Fotoresists enthalten organische Säuregruppen, die mit freien
Alkaliionen ein Salz bilden können. Diese Reaktion setzt den Resist in eine wasserlösliche
Verbindung um, vorausgesetzt, die Anzahl der reagierten Gruppen ist groß genug, die hydrophoben Kräfte innerhalb der Polymerkette zu überwinden. Keine der anderen Resistkomponenten kann in alkalischer Lösung dissoziieren und sind daher auch nicht in der Lage,
wasserlöslich zu werden.
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Beim belichteten Resist reicht diese Reaktion der OH-Ionen mit den Säuregruppen in dem
dreidimensionalen polymerisierten Macromolekül nicht mehr aus, das Molekül zu lösen.
Durch erhöhte OH-Ionenkonzentration müssen zusätzlich die Kohäsions- und Adhäsionskräfte gelöst werden, die die Resistmatrix zusammenhalten und an die Kupferoberfläche
binden. Es müssen deshalb zum Strippen alkalische Lösungen mit einem pH-Wert >13 und
hohe Temperaturen von ca. 50°C eingesetzt werden.
Beim Einwickeln und beim Strippen laufen folgende chemische Reaktionen ab:
Soda dissoziiert in Wasser nach folgender Reaktion:
2 Na+ + OH- + HCO3-
Na2CO3 + H2O
Entsprechend dissoziert Natriumhydroxid (Basis eines Strippers):
Na+ + OH- + H2O
NaOH + H2O
Der saure Polymerbinder reagiert nun mit den freien Hydroxigruppen:
R1R2R3COOH + OH-
R1R2R3COO- + H2O
In Wasser und bei
pH < 7 unlöslich
In Wasser und bei
pH > 7 löslich
R1R2R3 können entweder Styrole, Ethylacrylate, Methyl-Methacrylate oder jede andere
Kombination von unterschiedlichen Acrylsäuremonomeren sein.
4.1.2.2 Multifunktionale Monomere
Das Grundprinzip der fotochemischen Reaktion bei Negativresisten ist die Vergrößerung des
Molekulargewichtes durch Polymerisation oder Vernetzung unter Bildung dreidimensionaler
Netzwerke.
Das eingestrahlte Licht wird in einem bestimmten Spektralbereich (300 nm - 500 nm) von
diesen Monomeren absorbiert. Dabei werden die Moleküle in einen höheren Energiezustand
versetzt und damit zu Schwingungen angeregt, die die Bindungsabstände und Bindungswinkel ändern. Darüber hinaus kann im Molekül sich auch die Elektronendichteverteilung
ändern. Dabei werden die Bindungen entweder gelockert oder unter Bildung von Radikalen
getrennt, so daß sich die Moleküle zersetzen. Diese Radikale sind extrem reaktive Spezies,
die mit den unterschiedlichsten funktionellen Gruppen reagieren.
Die Entstehung von Radikalen, die sich bei der Bestrahlung mit UV-Licht bilden, und deren
weitere Reaktionen werden an den folgenden Beispielen deutlich:
R - N3
hν
•
R - N•
+ N2
VDE/VDI
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Bei Bestrahlung spaltet die Azidgruppe (-N3) Stickstoff ab, wobei das sehr reaktive Radikal
Nitren entsteht, das sowohl mit sich selbst als auch mit verschiedensten Gruppen reagieren
kann:
•
•
R - N• + R - N•
R-N=N-R
•
R - N• +
H-C-
H
R- N- C-
•
R - N• +
H-C-
H
R - N• +
•
R - N• +
C
C
•C-
R-N
Die in den Resisten eingesetzten Monomeren enthalten nun eine Vielzahl von reaktiven
Gruppen, die mit den Radikalen unter den oben angegebenen Mechanismen reagieren können. Damit wird erreicht, daß die Polymerisation nicht in eindimensionaler, sondern sofort in
dreidimensionaler Richtung erfolgt.
•
R - N• + O2
R - N = O + andere Produkte
Ein Problem stellt der Luftsauerstoff dar, der ebenfalls mit den Radikalen reagiert und somit
die Vernetzungsreaktionen stört. Dem Resist werden deshalb Verbindungen zugegeben, die
bevorzugt mit Sauerstoff reagieren, um die Konzentration an Sauerstoff im Resist niedrig zu
halten.
Es ist deshalb auch wichtig, die laminierten Zuschnitte nicht allzu lange vor dem Belichten
stehen zu lassen, damit nicht zuviel Luftsauerstoff in den mit Polyesterfolie geschützten Resist diffundieren kann.
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4.1.2.3 Fotoinitiatoren
Die Geschwindigkeit der Fotoreaktion ist von zwei Faktoren abhängig:
1. Von der von dem Resist absorbierten Lichtmenge, die in der Materie entsprechend dem
Lambert-Beer`schen Gesetz exponentiell abnimmt.
2. Von der fotochemischen Quantenausbeute. Diese ist ein Maß für das Verhältnis der fotochemischen Prozessen zu den anderen Konkurrenzprozessen wie Fluoreszenz und
strahlungsloser Desaktivierung.
Um den Wirkungsgrad der Fotoreaktion zu verbessern, müssen die Absorptionsspektren der
Monomeren der Intensitätsverteilung der Lichtquelle angepaßt sein. Dies ist aber nicht immer möglich. Deshalb werden dem Resist chemische Substanzen, sog. Initiatoren, beigefügt, deren Absorptionsspektren denen der Lichtquellen eher entsprechen. Bei Lichtabsorption werden diese Moleküle angeregt, die dann in der Lage sind, diese Energie mit hoher
Ausbeute auf die Monomere zu übertragen, so daß die Radikalbildung einsetzen und die
Kettenreaktion starten kann.
4.1.3 Lagerung von Festresisten
Trockenfilme sind wie allgemein alle fotografischen Materialien temperatur- und in begrenztem Maße luftfeuchteempfindlich. Eine Empfindlichkeit gegen UV-Licht und damit auch gegen Tageslicht ist selbstverständlich. Die Rollen sollten deshalb in Orginalverpackungen
gelagert und nur im Gelblichtbereich ausgepackt werden.
Optimalerweise sollte die Ware im klimatisierten Bereich mit Temperaturen zwischen 16°C
und 20°C gelagert werden.
Bei längerer Lagerung über 20°C tritt verstärkter Resistfluß auf, was zum Verkleben an den
Rollenkanten führen kann und dadurch Probleme beim Laminieren verursacht. Weiterhin
kann erhöhte Temperatur zu Vorpolymerisation und damit zur Beeinträchtigung von wichtigen Resisteigenschaften führen, z.B. verminderte Haftfestigkeit oder verlängerte Belichtungszeiten.
Die Entnahme aus dem Lager sollte strickt nach dem Herstelldatum erfolgen, um eine Überalterung des Resists zu vermeiden (ca. 9 - 12 Monate).
Vor dem Auspacken der Ware aus dem schwarzen Polybeutel im Laminierraum muß beachtet werden, daß der Temperaturunterschied zwischen Laminierraum und Ware nicht zu
groß ist, um Kondensation am Resist zu vermeiden.
4.2 Aufbau von Laminatoren
Im Fotobereich versteht man unter dem Laminieren das ein- und zweiseitige Beschichten
von kupferkaschierten Zuschnitten oder Nutzen mit Trockenfilmresist unter Druck und Wär-
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me. Dieser Prozeß wird entweder auf manuellen Hot-Roll-Laminatoren oder auf automatischen Cut-Sheet-Laminatoren durchgeführt.
4.2.1
Prinzip des Laminators
Der Fotoresist ist bekanntlich zwischen einer Polyolefinfolie und einer Polyesterfolie geschützt und wird auf Rollen geliefert. Im Laminator sind die Rollen auf Schnellspannvorrichtungen eingespannt. Kurz vor dem Beschichten der Zuschnitte wird die untere Polyolefinfolie abgezogen und auf Rollen aufgewickelt. Die Zuschnitte laufen auf einem angetriebenen
Einlauftisch ein, werden zentriert und auf einer Vorheizstrecke auf etwa 80°C vorgewärmt.
Der freiliegende Resist wird nun von Laminierwalzen auf den Zuschnitten angeheftet und erhitzt. Der Resist verflüssigt sich und wird gleichzeitig in die gereinigte Kupferoberfläche und
die vorgegebene Gewebestruktur eingedrückt. Mit einem Messer wird der auflaminierte Resist auf die Zuschnittslänge geschnitten. Die zweite Folie (Polyester- oder Mylar®folie) verbleibt noch auf dem Resist und wird erst nach dem Belichten abgezogen. Der Transport erfolgt durch die Laminierwalzen. Ober- und Unterseite des Zuschnitts werden gleichzeitig beschichtet. Der Auslauf ist ebenfalls angetrieben.
Die beheizbaren Laminierwalzen sind silikonbeschichtet (2,5 mm oder 4 mm Dicke) und weisen eine Härte von 65 - 70 Shore auf. Die Temperatur wird thermostatisch geregelt. Der Anpressdruck ist pneumatisch verstellbar, der Spalt zwischen den Walzen läßt sich variabel
einstellen. Somit sind Basismaterialien unterschiedlichster Dicken problemlos zu bearbeiten.
Je nach Anwendung sind manuelle oder automatische Laminatoren sinnvoll.
4.2.2
Hot-Roll-Laminatoren
Der Einsatz dieser manuell zu bedienenden Laminatoren (Bild 4.2) ist sehr personalintensiv.
Von Vorteil ist, daß sie sowohl für sehr dünne (<0,1 mm Dicke) und flexible Materialien, als
auch für sehr dicke (< 8 mm) sowie für stark strukturierte Oberflächen geeignet sind. Die
Wärmeübertragung auf den Resist ist sehr effizient, da der Resist sehr lange über die Laminierwalzen geführt wird. Durch den großen Kontaktbereich von etwa 1/3 des Laminierwalzenumfangs ist eine optimale Erwärmung des Resists garantiert. Die Laminatoren können
zusätzlich mit Vorwärmstrecken ausgestattet werden, um auch dickere Nutzen gut durchzuwärmen. Eine einstellbare Zentriereinrichtung ermöglicht die Ausrichtung der Nutzen entsprechend der Resistbreite. Um das aufwendige Umrüsten bei kleinen Serien zu vermeiden,
kann bei unterschiedlichen Zuschnittsformaten und Resistbreiten der Resist mittels Seitenschneideeinrichtung auf die gewünschte Breite geschnitten werden. Nachteilig ist das Querschneiden mittels Cuttermesser, die entstehenden Resist- und Glasfaserpartikel können bei
nicht ausreichender Reinigung der Nutzen vor dem Belichten zu Problemen führen.
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Bild 4.2: Hot-Roll-Laminator (Werksbild Morton)
4.2.3
Cut-Sheet-Laminatoren
Cut-Sheet-Laminatoren (Bild 4.3) sind Systeme, bei denen das Schneiden des Resists automatisch auf vorgegebene Längen und Breiten erfolgt.
Bild 4.3: Cut-Sheet-Laminator (Werksbild Morton)
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Im Gegensatz zu handlaminierten Nutzen sind diese nicht bis zum Rand mit Resist beschichtet, sondern je nach Vorgabe nur bis z.B. 5 mm zum Zuschnittsrand. Die Wärmeübertragung auf den Resist ist anders gelöst. Der freiliegende Resist wird mit speziellen Anheftschuhen am vorderen Zuschnittsrand angeheftet und dann auflaminiert. Da die Temperatur
auf den Resist nur in dem kurzen Druckbereich zwischen Laminatorwalze und Resist übertragen wird, müssen die Nutzen deshalb zwingend über eine längere Vorwärmstrecke gefahren werden.
Die Betreibung der Automaten ist nicht personalintensiv, da normalerweise durch Einsatz
von Staplern das Einlegen, Laminieren, Schneiden und Abstapeln vollautomatisch erfolgt.
Manuell muß nur auf die benötigte Resistbreite umgerüstet werden. Da der Resist bei optimaler Rollenbreite automatisch auf die gewünschte Länge zugeschnitten wird, fällt nur beim
Rüsten Resistabfall an. Cut-Sheet-Laminatoren arbeiten sehr wirtschaftlich. Sie werden
meist direkt mit der Vorreinigungsanlage verknüpft. Auch ist der Einsatz eines Mylarremovers vor dem Entwickeln problemlos gegeben.
4.3 Laminierparameter
Durch die Wärme und den Laminierdruck wird die Haftung mit der Kupferoberfläche erzielt.
Diese beiden Parameter sowie die Laminiergeschwindigkeit sind entscheidend für den Laminierprozeß. Sie müssen deshalb exakt auf die Gegebenheiten vor Ort eingestellt werden.
Sie sind von der Art und Dicke des Nutzens, den Anforderungen des Leiterbildes, vom Resisttyp und dessen Dicke und vom Laminatortyp abhängig.
So erfordern z.B. dünne Innenlagen in Feinstleitertechnik (Leiterbreite: < 120 µm) einen höheren Anpreßdruck der Laminierwalzen und eine geringere Laminiergeschwindigkeit im Vergleich zu durchkontaktierter Ware.
In der folgenden Tabelle sind Richtwerte für die Prozeßparameter angegeben:
Tabelle 4.1: Prozeßparameter für Laminatoren
Prozeßparameter
Manueller
Hot-Roll-Laminator
Automatischer
Cut-Sheet-Laminator
Laminiertemperatur
80 - 90 °C
100 - 120 °C
Laminierdruck
1 - 3 bar
2,5 - 5,5 bar
Geschwindigkeit
0,8 - 1,5 m/min
1,0 - 3,5 m/min
Auslauftemperatur
50 - 60 °C
50 - 60 °C
Zuschnittsbreite
150 mm / 610 mm
200 mm / 650 mm
Zuschnittslänge
200 mm / 1200 mm
200 mm / 762 mm
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4.3.1
Laminiergeschwindigkeit
Die Laminiergeschwindigkeit muß so gewählt werden, daß der aufgepreßte Resist eine innige Verbindung mit der Zuschnittoberfläche eingehen kann, ohne Lufteinschlüße aufgrund
von Welligkeit und/oder Oberflächenrauhigkeit. Bei niedriger Geschwindigkeit wird der Resist wesentlich wirksamer gegen die Oberfläche gepreßt. Zu berücksichtigen dabei ist, daß
zwar der Resist sehr weich ist, die Polyesterfolie dagegen relativ starr ist und beim Erkalten
den Resist wieder von der Oberfläche „abziehen“ kann.
Für den Plattendurchsatz ist nicht nur die Vorschubgeschwindigkeit, sondern auch die
Summe der Zeiten für Ausrichten, Anheften und Plattenabstand maßgeblich. Bild 4.4 zeigt
den Plattendurchsatz pro Stunde für vier verschiedene Vorschubgeschwindigkeiten bei gegebener Plattenlänge und verschiedenem Abstand (zwischen 50 mm und 200 mm).
500
Plattenanzahl / h
450
400
350
300
250
200
150
3,50
100
3,00
50
0
100
2,00
200
300
400
V S [ m / m in ]
1,00
500
P lattenläng e [ m m ]
600
700
800
Bild 4.4: Plattendurchsatz bei verschiedenen Vorschubgeschwindigkeiten (VS)
mit einem Cut-Sheet-Laminator (Werksbild Gebr. Schmid)
4.3.2
Laminierdruck
Wird mit Drücken bis 2 bar laminiert, reichen Walzen mit Aluminiumkernen aus. Wird mit
höheren Drucken von 3 bar - 5 bar laminiert, müssen Laminierwalzen mit Stahlkern eingesetzt werden. Es muß dabei aber beachtet werden, daß sich wegen des hohen Druckes die
Laminierwalzen durchbiegen können. Die Folge ist im äußeren Bereich des Zuschnitts ein
ausreichender Druck, im Inneren aber entsteht eine Zone mit geringem oder gar keinem
Druck. Hier treten dann Unterätzungen und Untergalvanisierung auf. Je nach Struktur der
Zuschnittsoberflächen empfehlen sich Walzen mit 2,5 mm oder 4 mm Gummierung. Je nach
Anforderung empfiehlt sich häufig, die Shorehärte der Gummierung zu variieren. Auch ist die
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Gummierung regelmäßig zu erneuern. Durch die dauerhafte Temperaturbelastung verspröden die Beschichtungen, Beschädigungen entstehen und damit resultieren Laminierfehler.
Wichtig ist auch zu wissen, daß die Druckanzeigen nicht den wirksam werdenden Druck
wiedergeben, sondern nur den Druck im Zylinder des pneumatischen Systems. Empfohlene
Laminierdrucke sollten deshalb nicht einfach übertragen bzw. übernommen werden.
4.3.3 Laminiertemperatur
Bei der optimalen Temperatur fließt der Resist in die Unebenheiten der Zuschnittoberfläche
ohne daß sich Luftbläschen bilden und man erhält eine gute Haftung zwischen Kupfer und
Resist. Ist sie aber zu niedrig, so ist das Fließverhalten nicht ausreichend. Ist die Temperatur
aber zu hoch, tritt im Resist eine zusätzliche thermische Polymerisation auf. Dieser läßt sich
sehr schlecht entwickeln und strippen. Die Resistkanten weisen meist einen starken Fuß auf
und man findet häufig Resistrückstände über den ganzen Zuschnitt verteilt.
4.3.4 Vorheizen der Zuschnitte
Das Vorheizen der Zuschnitte muß mit der Temperatur der Laminierwalzen optimiert werden. Von Vorteil ist, daß mit niedrigeren Laminiertemperaturen gearbeitet werden kann, um
das gleiche Laminierergebnis zu erzielen und die Überhitzung des Resists kann vermieden
werden.
4.3.5
Haltezeit
Die Haltezeiten zwischen Vorreinigung und Laminieren sowie vor und nach dem Belichten
sind streng einzuhalten, da sonst Probleme bei den darauf folgenden Arbeitsschritten zu erwarten sind.
Haltezeiten vor der Beschichtung mit Resist führen zur Oxidation des Kupfers. Dadurch wird
die Haftfestigkeit des Resists negativ beeinflußt, was zu Unterätzungen und Unterwanderungen führen kann.
Zu lange Haltezeiten nach dem Laminieren führen bei nicht belichteten Resisten zu verstärkter Haftfestigkeit, da sich eine starke Bindung zwischen dem Kupfer und den Resistkomponenten ausbildet. Innenlagen und Außenlagen lassen sich nicht rückstandsfrei
entwickeln und strippen. Bei Innenlagen führt dies zu einem verzögerten Ätzangriff und bei
Außenlagen zu nicht vollständig aufgebauten Leiter und verminderter Haftfestigkeit des aufgalvanisierten Kupfers.
Beim belichteten Resist tritt diese Reaktion nicht auf, wohl aber findet eine Migration von
polymerisierten / unpolymerisierten Resist bei längerer Haltezeit statt, was zur Folge hat,
daß sich die Konturschärfe und die Auflösung vermindert wird.
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4.4
Was beim Laminieren generell zu berücksichtigen ist
Beim Laminieren führen Staub und sonstige Partikel immer zu Nacharbeit und Ausschuß.
Bei entsprechender Partikelgröße können sie beim Laminieren den Resist beschädigen oder
zwischen Zuschnittsoberfläche und Resist eingeschlossen werden. Die Folge sind Einschnürungen, Unterbrechungen, Unterätzungen und Untergalvanisierung. Deshalb sollte das
Laminieren am besten direkt nach der Vorreinigung erfolgen. Dadurch wird verhindert, daß
die Kupferoberfläche erneut oxidiert und sich Staub und sonstige Schwebstoffe der Umgebung auf den gereinigten Oberflächen absetzen können. Darüber hinaus kommt es beim
Abziehen der Polyolefinfolie zu statischer Aufladung. Auch muß sichergestellt werden, daß
sich keine Glasfaserpartikel auf den Oberflächen befinden. Dieses Problem tritt immer dann
auf, wenn die Zuschnitte nicht optimal zugeschnitten und nicht kantenbesäumt sind. Deshalb
sollten die Laminatoren zusätzlich mit Reinigungs- und Antistatiksystemen ausgestattet sein.
Resist- und Folienpartikel vom Schneiden müssen verhindert werden durch Einsatz scharfer
Messer und optimaler Reinigungsmethoden vor dem Belichten.
Beim Laminieren muß die Oberfläche des Zuschnitts vollständig mit Resist bedeckt sein,
d.h. unter dem Resist dürfen keinerlei Luftblasen zurückbleiben. Luftblasen bilden sich bevorzugt in den Tälern der Gewebestruktur, bei Kratzern, punktförmigen Fehlstellen und Rauhigkeiten. Die Welligkeit des Basismaterials ist abhängig von der Art des Basismaterials,
Dicke der Glasfasern und der Webstruktur sowie des Harzgehaltes.
Scharfkantige Zuschnitte beschädigen sehr leicht die Laminierwalzen, es entstehen Kerben,
Löcher, manchmal auch Rillen in der Gummibeschichtung. Dadurch wird an diesen Stellen
beim Laminieren kein oder nur unzureichender Druck aufgebaut, es entsteht keine oder nur
sehr schlechte Resisthaftung. Teilweise entstehen auch kleine Bläschen, die zu Unterätzung
und Untergalvanisierung führen.
Resistrückstände auf den Walzen führen zu Eindrücken. Die Walzen sollten deshalb täglich
kontrolliert und mit Alkohol gereinigt werden. Es ist selbstverständlich, daß dabei nur fusselfreie Handschuhe und Reinigungstücher verwendet werden. Alle zur Reinigung verwendeten
Lösemittel sollten grundsätzlich auf Verträglichkeit mit der Gummierung der Laminierwalzen
überprüft werden.
Die Zuschnitte müssen optimal getrocknet und frei von Wasserflecken sein, um unterschiedliche Haftung des Resists auf der Kupferoberfläche zu vermeiden.
Zwar sind die Zuschnitte durch die Polyesterfolie geschützt. Doch sollten sie bis zum Belichten in Schräggestellen abgestellt werden, damit keine beim Schneiden abgefallenen Resistpartikel in die Beschichtung eindrücken und Druckstellen auf dem Resist entstehen. Dies
führt unweigerlich zu Pinholes. Auch sollten die Zuschnitte keiner allzu hohen Druckbelastung ausgesetzt sein, um ein Einfließen des Resists in mit Resist überspannten Bohrungen
(Tenting) und damit eine Verjüngung des Resists am Locheingang zu vermeiden.
Die Haltezeit zwischen Laminieren und Belichten sollte beachtet werden, damit die Zuschnitte vor dem Belichten sicher auf Raumtemperatur abgekühlt sind. Warme, mit Resist
beschichtete Zuschnitte dürfen nicht im Stapel, sondern nur vereinzelt abgekühlt werden. Es
empfiehlt sich der Einsatz von Igelstapler oder von Schlitzbrettern.
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Da das Laminieren unter Temperatur und Druck erfolgt, treten Dämpfe auf, die Haut, Augen
und Atemwege reizen können. Es muß deshalb ein funktionierendes Absaugsystem (300
3
3
m /Std - 500 m /Std) installiert sein. Es empfiehlt sich, die Sicherheits- und Verarbeitungshinweise der Resisthersteller zu beachten.
Laminatoren sind in klimatisierten Gelblichträumen bei einer Raumtemperatur von 20°C 22°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 55% ± 10% zu betreiben. Der Raum und die
Maschine sind täglich feucht zu reinigen. Die Reinraumklasse sollte Klasse 10000 entsprechen, wenn der gesamte Fotobereich in einem Reinraum zusammengefaßt ist. Heute empfiehlt sich aus Kostengründen jedes einzelne Gerät zu kapseln, um darin eine Reinraumklasse von 1000 zu erreichen.
5
Beschichten mit Flüssigresisten
5.1
Allgemein
Flüssige Fotoresiste sind seit Jahrzehnten in einer Vielzahl verschiedener Formulierungen
für unterschiedlichste Anwendungen (Halbleiter - Formätzteile - Display Fertigungen) im Einsatz.
Flüssige Fotoresiste dominieren heute in der Leiterplattenfertigung bei der Erstellung von
Lötstoppmasken und werden seit einiger Zeit wiederentdeckt für die Leiterbilderzeugung
(Primärresiste) als Alternative zu Trockenfilmresiste.
Zur prinzipiellen Auswahl stehen positiv und negativ arbeitende Resistsysteme, die entweder
in organischen Lösungsmitteln oder in Wasser (Waterborn Resists) gelöst sind (Bild 5.1).
Bild 5.1: Technologiematrix
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Als Auftragsverfahren haben sich Schleudern (Halbleiterfertigung), Sprühen (airless, elektrostatisch), Tauchen (dip-coating) sowie Roller- und Curtain-Coating-Verfahren (Leiterplatteninnenlagen) etabliert.
Siebverdrucken und elektrophoretisches Abscheiden von Primärfotoresisten sind neue Entwicklungen und decken gleichermaßen Forderungen nach niedrigeren Beschichtungskosten
für Kleinanwender, als auch Forderungen nach hochauflösenden Fertigungsverfahren für
Feinleiteraußenlagen ab.
Grundsätzlich verlagert sich bei Einsatz von flüssigen Fotoresisten die Verantwortung für die
Gleichförmigkeit und Qualität der Fotoresistschicht auf den Leiterplattenhersteller. Trockenfilmresiste werden dagegen als vorgeformte Resistschichten zugekauft - ihre Anwendung ist
leicht, praktisch und zuverlässig.
Die Einführung von Flüssigresisten erfordert nicht nur neue Investitionen für das Beschichten und Trocknen, sondern verlagert auch die Zuständigkeiten für Verarbeitungseinstellungen des Resists, Qualitätssicherungen in erhöhtem Maßstab in die Leiterplattenfertigung die Kontrolle für den gesamten Fertigungsprozeß liegt beim Leiterplattenhersteller. Als Ergebnis werden höhere Ausbeuten und niedrigere Materialkosten erwartet.
5.2
Flüssig- / Trockenfilmresiste im Vergleich
Flüssig aufgetragene Fotoresiste haben nach der Trocknung Schichtdicken von 4µm bis 12
µm, je nach Resistformulierung und Auftragsverfahren - Trockenfilmresiste haben vorgefertigte Schichtdicken von 12 µm bis 75 µm - und Spezialresiste können auch noch dicker sein.
Die flüssigen Resiste haften ausgezeichnet auf dem Trägermaterial und füllen zuverlässig
Oberflächendefekte aus - sie haben gegen mechanische Beschädigungen bei der Weiterverarbeitung, anders als Trockenfilmresiste, keine Schutzschicht.
Auflösungsvermögen und Wiedergabegenauigkeit übersteigen für die Vielzahl der Anwendungen heutige und zukünftige Anforderungen für Leiterplattenanwendungen ohne in prinzipiell neue Verarbeitungsanlagen investieren zu müssen (Bild 5.2).
Die Empfindlichkeit der ungeschützten dünnen Fotoresistschichten erfordert Sorgfalt beim
Transport / Handling, um zuverlässig mechanische Beschädigungen und damit Nacharbeit
und/oder Ausschuß auszuschließen.
Bei der Planung von Fertigungsabläufen, sowie bei der konstruktiven Ausführung von Verarbeitungs- und Handlingsmaschinen wird hier Detailverständnis erforderlich, häufig auch ein
rigoroses Umdenken, um festzulegen an welcher Stelle welche qualitätssichernden Maßnahmen sinnvoll eingesetzt werden sollen.
Die limitierte Dicke der erzielbaren Schichten schließt Anwendungen im "Pattern Plating"Bereich wegen überwachsender Metallabscheidungen und den damit verbundenen unkontrollierten Ungenauigkeiten grundsätzlich aus.
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Zuverlässiges Beschichten von Bohrungen / Sacklöcher wird nur bei elektrophoretisch abgeschiedenen Resisten gewährleistet - damit ist der Hauptanwendungsbereich für flüssige Fotoresiste auf Ätzanwendungen im Innenlagenbereich festgelegt und dort besonders für
großvolumige und automatische Fertigungen attraktiv.
Flüssigresiste für Ätzanwendungen
Trockenfilm
Nass-Lamination
Spezial-Trockenfilme, sehr dünn + ohne Schutzhülle
Direktbelichtung
Elektrophoretisch abgeschiedene Flüssigresiste
300
200
150
100
75
Leiterbreiten in µm
50
25
Bild 5.2: Praktische Anwendungsbereiche für verschiedene Fotoresiste
Eine Ausnahme bilden elektrophoretisch abgeschiedene Fotoresiste mit besonders vorteilhaften Eigenschaften für die Feinleiterherstellung bei Außenlagen - hierauf wird speziell eingegangen.
Flüssige Fotoresiste benötigen keine Haltezeiten zwischen Belichten und Entwickeln und
kommen damit Forderungen nach kontinuierlichen Abläufen ohne Zwischenpufferung nach;
Schutzfolien, wie bei Trockenfilmresisten, müssen nicht entfernt werden - dies erspart Platz
und Investitionen und verkürzt den Fertigungsdurchlauf.
Die dünnen Schichten flüssiger Fotoresiste reduzieren die Kosten für Entwickeln und Strippen und fördern durch leichteren Stoffaustausch der Entwicklungs- und Ätzlösungen die
Gleichförmigkeit des Ergebnisses - insbesondere wichtig für große Produktionsformate mit
Feinleiterstrukturen und/oder hohen Packungsdichten.
Die Produktionsverkettung eines gesamten Fertigungsabschnittes erfordert zwingend, daß
die einzelnen Verfahrensschritte aufeinander unter Gesichtspunkten wie Durchlaufkapazität,
Robustheit des Gesamtverfahrens (Verarbeitungstoleranz) und Verträglichkeit sorgfältig abgestimmt sind. Prozeßverfügbarkeit, sowie die Ausbeute (First pass yield) sind entscheidende Kriterien zur Kontrolle von Kosten und Qualität.
Planung und Vorversuche unter Einbeziehung aller Beteiligten, Lieferanten der Chemie, der
Anlagentechnik, das spätere Bedienpersonal des Betreibers etc. sind Grundvoraussetzung
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für eine eindeutige Charakterisierung der Prozeßschritte und der Optimierung des Gesamtergebnisses. Diese Arbeiten sind zeit- und kostenaufwendig, zahlen sich aber längerfristig
über niedrige Stückkosten aus.
Ein solch komplexer Fertigungsablauf schließt kurzfristige Änderungen oder den Austausch
der eingesetzten Chemie aus.
5.3
Verarbeiten von Flüssigresisten
Eine Vorreinigen ist erforderlich, um gleichförmige Ausgangsbedingungen für das Gesamtverfahren zu schaffen. Mit dem Trend zu dünnen Substraten und der Wichtigkeit den Vorreinigungsprozeß in engen Grenzen zu kontrollieren, bieten sich chemische Verfahren zunehmend an. Die zu beschichtenden Oberflächen müssen auch bei maximaler Liniengeschwindigkeit zuverlässig trocken und oxidfrei sein - ein Einschleppen fester Verunreinigungen muß
ausgeschlossen bleiben.
Kupferfolien mit speziellem Treatment können bei entsprechender Resistauswahl und Optimierung des Fertigungsprozesses auch "ungereinigt" verarbeitet werden.
Bild 5.3: Gesamtansicht einer Roller - Coating - Anlage (Werksbild Ciba Geigy)
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Das Beschichten und das Trocknen sollte als eine integrale Prozeßeinheit (Bild 5.3) und
somit auch als eine integrale Anlage betrachtet werden. Eine allseitige Kapselung dieser
Anlage schafft gleichzeitig die Voraussetzungen für eine klimatisierte und staubfreie Zone
mit hohem Luftwechsel während der Beschichtung / Trocknung, ohne die viel größeren
Luftmengen des gesamten Raumes filtern und klimatisieren zu müssen. Die Luftführung bei
der Trocknung kann darüber hinaus gezielt reguliert werden.
Als Ergebnis sollen gleichmäßige Resistschichtdicken, klebfrei und ohne Fremdkörpereinschlüsse zur Verfügung stehen.
Kontinuierliches Filtrieren des Resists, automatisches Nachdosieren sowie eine Viskositätskontrolle sind Grundvoraussetzungen für eine kontinuierlich automatische Linienfertigung.
"On Line" Dokumentation und Auswertung der Fertigungsparameter sind die Basis für weitere Prozeßoptimierungen und die Grundlage für systematisches Trouble Shooting.
Für das Belichten gilt, daß die spektrale Empfindlichkeiten von flüssigen Fotoresisten denen
von Trockenfilmresisten vergleichbar sind; die Empfindlichkeit ist für eine wirtschaftlich automatische Belichtung ausreichend. Wechselnde Losgrößen und damit verbundene Rüstzeiten können den Belichtungsschritt häufig zum Engpaß des gesamten Fertigungsablaufs
werden lassen.
Der Paralleleinsatz zweier Belichtungsautomaten ist zwar kapitalintensiv, aber häufig zwingend, um die geplanten Durchlaufkapazitäten auch unter widrigsten Umständen aufrecht zu
erhalten.
Bei der Auswahl der Automaten ist auf Zuverlässigkeit, Wiederholgenauigkeit der Registriermechanik, gleichmäßige Leuchtdichte über die gesamte Formatgröße, sowie auf kurzes, einfaches Umrüsten zu achten. Streulichtquellen sind für flüssige Resists vorteilhafter
als hochkollimiertes Licht - da so der Einfluß von Staubpartikel bei hochauflösenden Resistschichten merklich reduziert werden kann (Bild 5.4).
Streulicht
Paralleles Licht
Schmutzpartikel
Film
Resist
Kupfer
Basismaterial
Bild 5.4: Belichten von flüssigen Ätzresisten
Die Klebfreiheit der Resistschichten ist Voraussetzung, um große Serien ohne Verunreinigung der Fotovorlagen, d.h. ohne aufwendige Reinigungsschritte zu fertigen.
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Kontinuierlich arbeitende Fertigungslinien benötigen Pufferstationen, um bei Störungen einzelne Fertigungsabschnitte auszugliedern und zwischenzulagern. Diese Ein- und Ausstapelvorrichtungen müssen so angeordnet werden, daß Stillstände in kritischen Fertigungsstufen
(Entwickeln/Ätzen) ausgeschlossen werden und andererseits genügend Speicherplätze vorhanden sind, um bei Formatwechseln, Umrüsten der Fotowerkezeuge etc., Engpässe zu
vermeiden und die Linie kontinuierlich weiterarbeiten zu lassen.
Mechanische Beschädigungen der Resistschichten müssen zuverlässig ausgeschlossen
werden - Transportvorrichtungen, Stapel- und Puffergeräte, sowie die Belichtungsautomaten
sollen besonders hierauf kritisch überprüft werden.
Flüssige Resiste sind bis pH 8 in Ätzmedien beständig - werden stärker alkalische Ätzmittel
eingesetzt, sind Vorversuche zur Ermittlung der Verarbeitungstoleranzen unter geplanten
Produktionsbedingungen erforderlich, einschließlich einer Zwischentrocknung, um ein
"Nachätzen" zu simulieren.
Während der Verarbeitung versprödende Resiste können beim Ätzen dickerer Kupferschichten vorzeitig partiell abbrechen und somit zu einer Teilunterätzung der Leiterzüge führen - um solche Einbrüche zu vermeiden sind als Grundlage jeglicher Planung praktische
Versuche durchzuführen.
5.4
Positiv / negativ arbeitende Fotoresiste
Negativ arbeitende Fotoresiste werden heute in der Regel für die Leiterbild- und Lötstoppmaskenerstellung eingesetzt; die belichteten Resistflächen reagieren unter Lichteinfluß und
werden gegen Entwicklerlösungen - häufig wäßrige Natriumkarbonatlösungen - unlöslich.
Staub und Beschädigungen der Fotovorlagen (Negative) führen im Bereich des Leiterbildes
zu Ausätzungen bis hin zu Unterbrechungen.
Bei positiv arbeitenden Resisten werden die belichteten Resistflächen in wäßrigen, schwach
alkalischen Lösungen löslich (0,8% - 1,2%-ige Natriumhydroxidlösungen). Belichtet wird mit
"positiv" Fotovorlagen, die zu übertragenden Leiterzüge sind nicht transparent gegen UVLicht.
Größere Staubpartikel können zu Kurzschlüssen zwischen Leiterzügen führen - kleinere
Partikel werden durch Unterätzung häufig eliminiert.
Im Vergleich zu negativ arbeitenden Fotoresisten sind Positivresiste zuverlässig klebfrei an
der Oberfläche, haben aber eine reduzierte Fotoempfindlichkeit.
Eine Umstellung der Druckwerkzeugarchive spielt heute bei der Umstellung auf positiv arbeitende Fotoresiste kaum noch eine Rolle, da die Vorlagen digitalisiert zur Verfügung stehen und sich damit ohne Mehraufwand sowohl als Negative, als auch als Positive erstellen
lassen.
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5.5 Elektrophoretisch abgeschiedene Fotoresiste
Das elektrophoretische (ED = Electro Deposited) Abscheiden organischer Schichten ist nicht
neu - photoreaktive ED-Schichten wurden aber erst in der letzten Dekade entwickelt und
werden heute zunehmend für die Herstellung von Feinleiteraußenlagen eingesetzt.
Die Fotoresistschichten, im Verarbeitungszustand 4 bis 8 µm dick, werden aus wäßrigen,
leicht alkalischen Lösungen, unter Gleichstrom bei verhältnismäßig hohen Stromspannungen (150 V-250 V) und kurzen Expositionszeiten (1 min bis 3 min) abgeschieden (Bild 5.5).
Je nach chemischer Zusammensetzung wird anodisch oder kathodisch gearbeitet - positiv
und negativ arbeitende Resiste sind so abscheidbar, wobei sich die positiv arbeitenden Resistschichten eindeutig bei der Außenlagenherstellung heute durchgesetzt haben.
Bild 5.5: Mechanismus der ED-Resistabscheidung
Für die Serienfertigung stehen zur Beschichtung Vollautomaten, analog zu vertikal arbeitenden Galvanikanlagen zur Verfügung. Vorreinigung, Spülvorgänge, sowie ein abschließender
Trocknungsprozeß sind in den Verfahrensablauf integriert; die Anzahl der ED Abscheidungszellen bestimmt die Kapazität einer solchen Anlage.
Die Ergänzung verbrauchter Wirksubstanzen ist automatisiert - in Spülstufen verschleppte
Wertstoffe werden über Diaphragmen zur Wiederverwendung zurückgewonnen. Der Leiter-
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plattentransport erfolgt über Einzelwarenträger - hierdurch können nicht nur ultradünne Substrate ohne Beschädigungen beschichtet, sondern auch schnell wechselnde Formate ohne
Wartezeiten bearbeitet werden.
Nach dem Trocknen sind die abgeschiedenen positiv arbeitenden Resistschichten klebfrei
und mechanisch belastbar - das Weiterverarbeiten erfolgt in etablierten konventionellen Prozessen.
Bohrungen, auch kleinster Durchmesser, sowie Sacklöcher werden zuverlässig beschichtet.
Zu beachten ist, daß sog. NDK-Bohrungen (Nichtdurchkontaktierte Bohrungen) belichtet
werden müssen, da sie nicht aufgalvanisiert werden dürfen. Dies gelingt entweder durch das
Belichten im Loch mit bestimmten Streulichtquellen oder die Bohrungen müssen nach dem
Galvanisieren eingebracht werden (Registrierproblematik!).
Mit positiv arbeitenden ED-Resisten sind auch lötaugenfreie (landless) Leiterbilder herzustellen (Bild 5.6). Hierdurch steht mehr Platz für Leiterzüge zur Verfügung, ohne das eine
Miniaturisierung erfolgen muß, oder der gewonnene Platz kann zur Baugruppenminiaturisierung eingesetzt werden.
Heute
In Zukunft
Packungsdichte
100
65 %
40 %
30 %
%
Lagenzahl
Bohrung in mm (Vias)
Linienbreite in µm
Linienabstand in µm
Anzahl Leiterzüge zwischen Pads
4
0,3
120
200
3
4
0,3
100
150
5
6
0,3
100
120
5
6
0,15
80
100
5
Bild 5.6: Einfluß von lötaugenfreiem („landless“) Design auf Packungsdichte
und Leiterbreite
ED-Prozesse können in bestehende Produktionsverfahren integriert werden, so daß eine
schrittweise Umstellung der Fertigung auf Anforderungen durch neue Technologien erfolgen
kann.
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Grundvoraussetzung bleibt jedoch, daß "Panel-Plating"-Verfahren genutzt werden, da im Direktverfahren "Nur-Kupfer"-Leiterplatten - analog der Tenting-Technik - im Ätzverfahren hergestellt werden können.
5.6 Siebverdruckbare Fotoresiste
Hochviskos eingestellte, negativ arbeitende Fotoresiste werden über ganzflächig offene Siebe ohne Schablone primär zur Innenlagenbeschichtung verdruckt. Je nach Einstellung können Schichtdicken von 8 µm -20 µm erzielt werden. Die Verarbeitung erfolgt in konventionellen Prozessen - Neuinvestitionen sind nicht erforderlich.
Doppelseitig druckende Siebdruckmaschinen bieten hierbei besondere Vorteile. Die Beschichtung erfolgt beidseitig mit hoher Produktivität im staubarmen, kontrolliertem Druckraum. Gleiche Maschinen wie für den Lötstopplackdruck können benutzt werden und damit
häufig optimal ausgelastet werden. Die Materialkosten sind im Vergleich zu Trockenfilmresisten attraktiv niedrig - das Auflösungsvermögen dieser Schichten, auch unter durchschnittlichen Verarbeitungsbedingungen, gut bis sehr gut. Das Verfahren ist besonders geeignet für
kleinere und mittelgroße Unternehmen.
5.7
Ökologie - Ökonomie
Geringere Schichtdicken bei flüssigen Fotoresisten reduzieren den Materialeinsatz und somit
direkt proportional den Verbrauch an Verarbeitungschemikalien beim Entwickeln und Strippen. Aufwendige Verpackungen wie bei Trockenfilmresisten, obwohl teilweise recyclebar,
entfallen.
Die Toxikologie der pro Mengeneinheit anfallenden Restwertstoffe ist bei allen Fotoresisten
in etwa vergleichbar - nur über die geringeren Verbrauchsvolumina ergibt sich in der Summe
für den Anwender von flüssigen Resisten ein Vorteil.
Beide Resisttypen - Trockenfilm- und flüssige Fotoresiste - werden in der Ausgangsformulierung mittels Lösungsmitteln verarbeitet; Trockenfilmresiste werden zentral vorgefertigt, die
anfallenden Lösungsmittelemissionen werden kontrolliert rückgewonnen, wiederverwendet
und entsorgt.
Bei Verarbeitung flüssiger Fotoresiste fallen diese Emissionen bei allen nicht "waterborne"
Formulierungen bei dem Betreiber der individuellen Beschichtungsanlagen an. Typisch werden hierbei Resistformulierungen mit Lösungsmittelanteilen von 55 - 75 % verarbeitet (Festkörpergehalte 25 - 45 %), die recycled und entsorgt werden müssen.
Die anfallenden maximalen Gesamtemissionen erfordern auch bei strengsten Auflagen bei
großvolumigen Verbräuchen keine besonderen Entsorgungsvorrichtungen, da die Resistdikken in der Anwendung relativ gering sind.
Grundsätzlich können diese Lösungsmittelemissionen durch thermische Nachverbrennung
und/oder absorptive Rückgewinnung deutlich reduziert werden - längerfristig bieten Resistformulierungen auf der Basis wäßriger Lösemittel (waterborne) jedoch die besten Chancen, die Gesamtökobilanz weiter zu verbessern.
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Unter arbeitsplatzhygienischen Gesichtspunkten ist zu beachten, daß sowohl bei der Verarbeitung von Trockenfilm-, als auch bei flüssigen Fotoresisten kleine Mengen an Kondensaten beim Laminieren bzw. Trocknen anfallen, die regelmäßig entsorgt werden müssen. Direkter Hautkontakt kann zu Hautreizungen/Allergien führen.
Eine Sonderstellung bei dieser Betrachtung nehmen flüssige Resiste mit 100 %-igen Festkörperanteil ein.
Hierbei werden UV-reaktive Formulierungen ohne Lösemittelanteile flüssig beschichtet und
wäßrig-alkalisch beim Entwickeln und Strippen weiterverarbeitet.
Ohne Vortrocknung wird die noch feuchte Beschichtung im "Off Contact" Verfahren belichtet
und die unbelichteten Anteile danach ausgewaschen, entwickelt. Beschichtet und verarbeitet
wird einseitig; nach dem ersten Entwicklungsschritt wird die zweite Seite beschichtet, belichtet und entwickelt.
Diese Resistformulierungen sind negativ arbeitend, die Anlagen werden vollautomatisch betrieben und haben sich in Fertigungen bis zu Leiterbreiten / Abständen von minimal 150 µm
bewährt. Für Leitergeometrien darunter sind solche Technologien nicht geeignet, da das
„Off-Contact"-Belichten die großflächige Reproduktion nicht präzise zuläßt. Der Investitionsbedarf, namentlich für den Belichtungsteil, ist kapitalintensiv, ökologisch betrachtet ist dieses
Verfahren jedoch sehr attraktiv, die beste Lösung.
Ökonomisch kann eine Bewertung der Systeme nur unter Berücksichtigung der Gesamtkosten eines Prozesses, einschließlich benötigter Investitionen, variablen Kosten und den erzielten Ausbeuten erfolgen. Eine isolierte Materialkostenbetrachtung ist definitiv die falsche
Basis für eine Entscheidung Trockenfilm- / Flüssigresist.
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Bild 5.7: Schematische Darstellung einer Beschichtungsanlage für Flüssigresist mit Roller Coater (Werksbild Bürkle)
6
Belichten
Nachdem der Produktionszuschnitt mit einer lichtempfindlichen Schicht (flüssiger oder fester
Fotoresist) beschichtet worden ist, wird das Bild der zukünftigen Leiterplatte durch einen Belichtungsprozeß von einem „Negativ" auf den Produktionszuschnitt zur Weiterverarbeitung
übertragen (bei positiv arbeitenden Resisten werden „Positive“ verwendet.
Das "Negativ" besteht aus einem Silberhalogenid- oder einem Diazofilm. Ursprünglich wurde
es dem Leiterplattenhersteller direkt zur Verfügung gestellt, heute werden dagegen fast ausschließlich digitale Daten übermittelt mit denen der Leiterplattenhersteller die Filme selbst
plottet.
6.1
Ablauf des Belichtungsvorgangs
Die zur Bildübertragung verwendeten negativ arbeitenden Fotoresiste haben sogenannte
Fotoinitiatoren, die bei Bestrahlung mit UV-Licht aktiviert werden und an der belichteten
Stelle einen Polymerisationsvorgang initiieren. Beim anschließenden Entwicklungsvorgang
werden die an den nicht belichteten Stellen verbleibenden Monomere in der Entwicklerlösung entfernt und die durch den Belichtungsvorgang polymerisierten Stellen verbleiben.
Um eine optimale Polymerisation zu erzielen, muß darauf geachtet werden, daß der Wellenlängenbereich des verwendeten Lichts den Empfindlichkeitsbereich des Resists überdeckt (Charakteristik der Lampe, Alterung).
Belichtung und Entwicklung sollte man nicht als getrennte, sondern als zwei sich gegenseitig
beeinflussende Prozesse sehen, die zur Erzielung optimaler Eigenschaften aufeinander ab-
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gestimmt werden müssen. Grundsätzlich kann man zwar sagen, daß kurze Belichtungszeiten auch kurze Entwicklungszeiten benötigen, es bedarf aber immer auf die praktische Anwendung abgestimmter Versuche, um die gewünschten Ergebnisse in optimaler Weise zu
erzielen.
Man sollte sich nicht einzig auf die in der Industrie gängige Methode der Graukeilauswertung
verlassen, sondern auch Schliffbilder, Testvorlagen, Aufnahmen von Rasterelektronenmikroskopen etc. mit in die Bewertung einbeziehen.
Temperaturschwankungen im Entwickler können z.B. große Unterschiede im Ergebnis hervorrufen. Um besonders feine Auflösungen zu erzielen, sollte man auf jeden Fall mit sehr
kurzen Belichtungs- und Entwicklungszeiten experimentieren und die Temperatur der Entwicklungslösung eventuell auch unter die empfohlene Mindesttemperatur des Resistherstellers bringen. Man wird auch beachten müssen, daß die Resiste unterschiedlicher Hersteller
sehr verschiedene Ergebnisse bezüglich Feinstrukturauflösung zeigen können.
Generell gilt für höchstmögliche Auflösung: Kurze Belichtungszeiten, mit Hochleistungsbelichtern ohne Haltezeit belichten.
6.2
Optik
6.2.1 Deklination
Zur Klärung des Begriffs Deklination, stellen wir uns zunächst eine streng punktförmige
Lichtquelle vor (z.B. ein Fixstern), die radial in alle Richtungen strahlt. In den uns interessierenden Teil des Lichtwegs schieben wir eine Blende mit streng punktförmiger Öffnung und
betrachten auf einer parallel darunterliegenden Bildebene das Auftreffen der Lichtstrahlen. In
Bild 6.1a sind Lochblende und Lichtquelle derart angeordnet, daß der "einzige" Strahl durch
die Lochblende genau senkrecht auf die Belichtungsebene auftrifft. In Bild 6.1b sind Lochblende und Lichtquelle gegeneinander verschoben; der Lichtstrahl durch die Lochblende trifft
nicht mehr senkrecht auf die Bildebene. Der Winkel, dessen einer Schenkel das Lot von der
Lichtquelle auf die Belichtungsebene und dessen anderer Schenkel der Lichtstrahl bildet,
wird als Deklination definiert (Winkel in Bild 6.1b). Die Deklination läßt sich somit als Abweichung des Lichtstrahls vom senkrechten Einfall auf die Belichtungsebene verstehen. Im Gegensatz zu Bild 6.1b ist in Bild 6.1a diese Abweichung null und somit ist auch der Deklinationswinkel null.
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Lot auf die
Belichtungsebene
a
Belichtungsebene
Bild 6.1a: Deklination
Bild 6.1b: Deklination
6.2.2 Kollimation
Zum Verständnis der Kollimation betrachten wir zunächst zwei punktförmige Lichtquellen L1
und L2, in deren Lichtwege wir analog zu Bild 6.1 wieder eine Lochblende mit punktförmiger
Öffnung schieben und auf einer parallel darunterliegenden Bild-ebene das Auftreffen der
Lichtstrahlen betrachten.
L3
L1
L2
a1
a2
b2 b1
B
C
A
Bild 6.2: Kollimation
L1 erzeugt einen Lichtpunkt in A und L2 einen Lichtpunkt in B. Beide Lichtstrahlen haben einen starken Deklinationswinkel a1 und a2 und kreuzen sich notwendigerweise in der punktförmigen Öffnung der Blende. Eine mögliche Lichtquelle L3, deren Lot auf die Bildebene genau durch die Lochblende verliefe, hätte nach unserer Definition im vorhergehenden Teil den
Deklinationswinkel Null und würde bei C einen Lichtpunkt erzeugen.
Stellen wir uns jetzt vor, daß zwischen L1 und L2 beliebig viele punktförmige Lichtquellen angeordnet wären, z.B. ein glühender Draht, den wir als lineare Lichtquelle L1 / L2 bezeichnen
wollen, so würden diese zwischen A und B beliebig viele Lichtpunkte und somit eine Lichtstrecke erzeugen. Die Lichtstrecke AB ist also ein Maß für die Ausdehnung der Lichtquelle.
Zur Bestimmung des Kollimationshalbwinkels einer nichtpunktförmigen, d.h. flächenförmigen
Lichtquelle sucht man zunächst jenen Punkt der Lichtquelle, dessen Lot auf die Bildebene
durch die punktförmige Öffnung der Blende geht; in Bild 6.3 ist es L3. Das Lot ist der eine
Schenkel des Halbwinkels; der andere Schenkel wird durch die Strecke bestimmt, die durch
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eben diesen Punkt L3 und einen der beiden äußersten Bildpunkte A oder B geht. Die "Halb"Winkel sind in Bild 6.2 mit ß1 und ß2 bezeichnet.
Der Kollimationswinkel ist also ein Maß für die Ausdehnung der Lichtquelle. Zur besseren
Verdeutlichung kann man sich die Kollimation auch folgendermaßen erklären: Die lineare
Lichtquelle L1 / L2 erzeugt in der Bildebene die Lichtstrecke AB. Ausgehend von der beobachteten Lichtstrecke AB fragen wir uns nun, welche Streuung müßte eine punktförmige
Lichtquelle (in unserem Fall L3 ) aufweisen, um diese Strecke zu produzieren. Die Antwort
hierzu ist einfach und wird durch den Winkel gegeben, der durch die Verbindung L3 / A und
L3 / B gebildet wird.
In Bild 6.2 ist die Öffnung der Lochblende nicht mittig zu L1 und L2 gezeichnet, um zu zeigen,
daß die beiden "Halb"-Winkel nur bei symmetrischer Zuordnung der Lochblende zur flächigen Lichtquelle gleich groß sind. Die Lochblende ist in der praktischen Anwendung eines
Belichtungsgeräts mit kollimierten Licht im allgemeinen der Querschnitt des Linsensystems
senkrecht zum Zentralstrahl. Es kann also auch in der Praxis gut möglich sein, daß beide
Winkel nicht gleich groß sind. Bei flächiger Lichtquelle würde sich ein unsymmetrisches
Winkelfeld ergeben.
6.2.3
Paralleles Licht
Nach den Ausführungen in Punkt 6.2.1 und 6.2.2 wird deutlich, daß es kaum paralleles Licht
im mathematischen Sinn geben kann. Eine punktförmige Lichtquelle strahlt radial in alle
Richtungen, die Lichtstrahlen kreuzen sich dabei nicht. Von einer leuchtenden Fläche breitet
sich Licht in alle Richtungen des Halbraums aus; allerdings kreuzen sich die Lichtstrahlen
(Bild 6.3).
Bild 6.3: Punktförmige Lichtquelle und leuchtende Fläche
Zur Erzielung von quasi parallelem Licht, das bedeutet ein sehr kleiner Kollimationswinkel,
bedarf es enormer Anstrengungen in der Optik. In der Technik werden meistens Kombinationen aus Linsensystemen und Hohlspiegeln benutzt, um annähernd paralleles Licht herzustellen.
Bild 6.4 zeigt z.B. ein Linsensystem (Integrator) aus 3 x 3 Stäben, wie es von der Firma
ORC, USA, verwendet wird. Interessant ist auch der eingezeichnete Beamsplitter, ein halbdurchlässiger Spiegel, der im Idealfall den Lichtstrom zu 50 % durchläßt und zu 50 % reflektiert, um hierdurch mit nur einer Lichtquelle und einem Linsensystem eine gleichzeitige beidseitige Belichtung des Zuschnitts zu ermöglichen.
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Bild 6.4: Linsensystem (Werksbild ORC (USA))
6.2.4
Ausleuchtung
Neben der Parallelität spielt der Begriff der Ausleuchtung eine entscheidende Rolle. Um
möglichst große Zuschnitte belichten zu können, liegen die Belichtungsflächen der Belichtungsgeräte meistens in der Größenordnung 700 x 700 mm². Hierbei ist es eigentlich selbstverständlich, daß an den 4 Eckpunkten dieser Fläche genausoviel Licht pro Zeiteinheit auftrifft wie in der Mitte. Die Begründung ist sehr einfach: Unterscheiden sich die Lichtwerte
sehr stark von einander, so kommt es gebietsweise zu Über- oder Unterbelichtung, je nach
Einstellung der Belichtungszeit. Die Lichtverteilung kann mit handelsüblichen Meßgeräten
bestimmt werden. Die Schwankungsbreite innerhalb der Belichtungsfläche sollte bei guten
Geräten um weniger als ± 10 % variieren.
6.3
Abbildungsfehler
Schlechte Deklination oder schlechte Kollimation ergeben beim Fotoprozeß identische Fehlerbilder. In beiden Fällen wird die Flanke des Fotoresists am Übergang zwischen belichteter
und unbelichteter Fläche mit einem sogenannten "Undercut" belegt. Bild 6.5 zeigt zunächst
in idealisierter Weise den Belichtungsvorgang und das Ergebnis nach dem Entwickeln:
Die Flanken des Resists stehen senkrecht zur Oberfläche des Basismaterials und die geschwärzte Stelle des Films wird exakt auf den Fotoresist übertragen.
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Beim Belichten
Paralleles Licht
Filmvorlage
Fotoresist
Basismaterial
Nach dem Entwickeln
Entwickelter Fotoresist
Basismaterial
Bild 6.5: Ergebnisse beim Belichtungsvorgang mit parallelem Licht
Bei schrägem Lichteinfall, bedingt durch schlechte Deklination oder Kollimation ergeben sich
schräge Flanken und Abbildungsfehler, wie es die Bild 6.6 und Bild 6.7 verdeutlichen.
Die Flanken des Resists stehen nicht mehr senkrecht zur Oberfläche, auf der linken Seite
zeigt der Fotoresist nach dem Entwickeln einen deutlichen Undercut, rechts dagegen einen
Fuß. Weiterhin sieht man, daß die Position der freien Stelle im Basismaterial bezogen auf
die Schwärzung im Film deutlich nach links verschoben ist. Die Deklination bewirkt also eine
Verbreiterung und eine Verschiebung des Abbilds. Die hier schematisch dargestellte Problematik trifft man in dieser Kraßheit zwar i.a. in der Produktion nicht an, verdeutlicht aber
sehr stark, welche Probleme ein großer Deklinationswinkel mit sich bringt.
Dünne Resiste ohne Schutzfolie bilden die Fotovorlage präziser ab als dicke Resiste mit
Schutzfolie, gleichzeitig sind dünne Resiste jedoch anfälliger gegen Staub, Beschädigungen
und qualitativ nicht optimalen Fotovorlagen. Matte Metalloberflächen sind besser geeignet
als glänzende Oberflächen.
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Beim Belichten
Lichtquelle
Filmvorlage
Fotoresist
Basismaterial
Nach dem Entwickeln
Basismaterial
Bild 6.6: Ergebnisse beim Belichtungsvorgang mit schlecht dekliniertem Licht
Beim Belichten
Lichtquelle mit Hohlspiegel
Filmvorlage
Fotoresist
Basismaterial
Nach dem Entwickeln
Basismaterial
Bild 6.7: Ergebnisse beim Belichtungsvorgang mit schlecht kollimiertem Licht
VDE/VDI
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Ein großer Kollimationswinkel bringt ähnliche Ergebnisse:
Hierbei kann sich eine Unterstrahlung auf beiden Seiten der geschwärzten Fläche des Films
zeigen, so daß nach dem Entwickeln auch auf beiden Seiten ein deutlicher Undercut auftritt.
In der Praxis kann der Undercut durchaus 5 bis 10 µm betragen und dadurch die Geometrie
schmaler Leiter wesentlich beeinflussen. Aus den Bildern wird auch ersichtlich, daß die Dikke des Fotoresists den Undercut entscheidend beeinflußt. Je feiner die aufzulösenden
Strukturen sein sollen, um so notwendiger ist es, die Parallelität des Lichts zu verbessern
oder aber die Schichtstärke des Resists zu reduzieren. Hierbei sind Flüssigresiste den
Festresisten überlegen (Bild 6.8)
UV-Licht
Leiterbreite/-abstand
100µm
100µm
100µm
Film
Trockenfilm
Trockenfilm
A
B
Kupfer
Flüssigresist
Bild 6.8: Einfluß der Resistdicke und Lichtqualität auf die Auflösung (Werksbild
Multiline)
Deutlicher werden die Fehler von schlecht dekliniertem und kollimiertem Licht ausgeprägt,
wenn anstelle des hier dargestellten „harten Kontakts", d.h. zwischen Film und Fotoresist ist
der Abstand null, im sogenannten „Off-Contact“-Verfahren gearbeitet wird. Hierbei ist der
Abstand zwischen Film und Fotoresist in der Größenordnung von 0,1 mm.
6.4
Belichtungsgeräte
Bei den Belichtungsgeräten gibt es grundsätzliche Unterschiede zu beachten:
1) Stehende Lichtquelle / bewegte Lichtquelle
2) Streulicht / kollimiertes Licht
3) Manuelle Beladung / automatische Beladung
4) Registrierung von Film zu Produktionszuschnitt über Stifte / Registrierung von
Film zum Produktionszuschnitt über automatisch optische Kamerasysteme.
zu 1) Das System der bewegten Lichtquelle, bei der ein sehr stark rechteckiges, verspiegeltes Lampengehäuse mit den eingebauten Lampen über den Produktionszuschnitt fährt,
ist heute kaum noch in der Anwendung, allenfalls zur Belichtung übergroßer Zuschnitte.
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Feststehende Lichtquellen mit einfachen oder optisch anspruchsvollen Reflektoren sind der
Standard.
zu 2) Die Belichtung mit Streulicht ist am weitesten verbreitet, doch gewinnt kollimiertes
Licht, trotz der aufwendigeren optischen Vorrichtungen zunehmend an Bedeutung, um
Strukturen unter 100 µm sauber aufzulösen. Bild 6.9 zeigt ein doppelseitiges manuelles Belichtungsgerät mit wenig kollimiertem Licht, Bild 6.10 ein Gerät mit hoch kollimiertem Licht.
Bild 6.9: Belichtungsgerät mit wenig kollimiertem Licht (Werksbild DuPont)
Bild 6.10: Belichtungsgerät mit hochkollimiertem Licht (Werksbild ORC (USA))
zu 3) Obwohl im Zuge der Automatisierung die Zahl der Geräte mit automatischer Beladung
sehr stark zunimmt, dürften Geräte mit manueller Beladung sowohl von der Anzahl als auch
in Bezug zum produzierten Durchsatz weit in der Überzahl liegen. Dies liegt einerseits an
den sehr unterschiedlichen Anschaffungskosten und andererseits an der Tatsache, daß der
Durchsatz eines automatischen Belichtungsgeräts schwerlich mehr als den doppelten Wert
der manuellen Belichtung erreicht. Bei etwas aufwendigeren und dadurch auch teureren Belichtungsrahmen/Systemen ist es durchaus möglich, daß die manuelle Beladung bei mindestens vergleichbarer optischer Genauigkeit genauso schnell oder sogar schneller ist als die
automatische Beladung. Weiterhin sind im allgemeinen die Rüstzeiten bei Automaten sehr
viel aufwendiger als bei Belichtungsrahmen; hierdurch ergibt sich auch das Problem der
Losgrößenoptimierung.
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zu 4) Die Registrierung von Film zum Produktionszuschnitt über Stifte ist der übliche und
schnellere Weg, höhere Genauigkeit allerdings zu Lasten der Produktionsgeschwindigkeit
bringt dagegen die Registrierung mit Hilfe von automatischen Kamerasystemen. Weiterhin
sind Belichtungsgeräte mit automatischer Registrierung wesentlich teuerer als jene mit Pinregistrierung.
Beim Vergleich von Belichtungsgeräten untereinander sind für den Praktiker die geschwindigkeitsbestimmenden Schritte von großer Bedeutung, um die effektiven Durchsatzzahlen
überschlagen zu können. Während oftmals nur von z.B. 8 Sekunden Belichtungszeit gesprochen wird, kann der gesamte Belichtungsvorgang durchaus 30 oder 45 Sekunden betragen.
Folgende Schritte sind bei Berechnung der theoretischen Durchsatzkapazität zu beachten:
a) Einrichten des Belichtungsgeräts
Je nach Belichtungsgerät kann man Zeiten zwischen ca. 3 Minuten und ca. 15
Minuten, bei älteren Automaten eventuell auch noch längere Zeiten erwarten.
b) Transport des Zuschnitts in das Belichtungsgerät
Bei manuell zu bedienenden Geräten gibt es kaum große Unterschiede,
Automaten können sich dagegen stark unterscheiden; Zeiten zwischen 10 und 20
Sekunden sind aber Standard.
c) Registrierung des Zuschnitts zum Film
Bei einer Registrierung über Aufnahmestifte erfolgt der Vorgang so gut wie
zeitlos; er ist vom Vorgang des Transports in das Belichtungsgerät nicht zu
trennen. Bei optischer Registrierung über Kameras werden oftmals Zeiten von 10
Sekunden benötigt, bei einem Abglich über 4 anstatt der meistens benutzten 2
Punkte entstehen wesentlich höhere Zeiten.
d) Vakuum ziehen
Zur genauen Bildübertragung wird standardmäßig Vakuum zwischen dem
Zuschnitt und der Fotovorlage gezogen. Je nach Güte der Vakuumpumpen und des
zu erstellenden Vakuums werden i.a. Zeiten zwischen 5 und 10
Sekunden benötigt.
e) Belichtung
Die Länge der Belichtung hängt von vielen Faktoren ab, von der Stärke, aber auch
vom Alter des Brenners, von der Empfindlichkeit des Fotoresists, sowie von
der
Temperatur und der chemischen Einstellung des Entwicklers. Norma- lerweise liegen die Belichtungszeiten zwischen 6 bis 12 Sekunden.
f) Transport des Zuschnitts aus dem Belichtungsgerät.
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Hierbei betragen die Zeiten i.a. zwischen 3 und 5 Sekunden.
Insgesamt haben Automaten Zykluszeiten von ca. 25 bis 50 Sekunden, so daß mit Durchsätzen von ca. 70 bis 150 Zuschnitten pro Stunde gerechnet werden kann. Bei manuellen
Geräten erzielt man, abhängig vom Registriersystem, ähnliche Werte.
6.5
Brenner
Der Brenner im Belichtungsgerät ist von entscheidender Bedeutung für den Belichtungsvorgang. Er muß in genügend großer Menge Licht in dem Frequenzbereich zur Verfügung stellen, in dem der Fotoresist seine höchste Empfindlichkeit hat.
Die eingesetzten Brenner sind Gasentladungslampen, die meistens Xenon unter hohem
Gasdruck enthalten. Der Glaskörper besteht aus reinem Quarzglas, um gegen die hohen
Temperaturen und die thermischen Schwankungen beständig zu sein. Die Elektroden sind
aus Wolfram, sie dienen nicht nur zur Stromzuführung des Gleichstromes, sondern auch zur
Wärmeableitung. Der Abstand der Elektroden, also der von Kathode und Anode, ist relativ
klein, er liegt je nach Lampenleistung zwischen 30 µm und 10 mm. Aus thermischen Gründen wird die Kathode klein und die Anode groß gewählt (Bild 6.11).
Typische Leistungswerte:
Leistung:
5000 W
Gleichspannung:
50 V
Mittlere Stromstärke: 100 A
Zündspannung:
30 000 V
Lichtstrom (Lichtleistung):
265 000 lm
Durchschnittliche
Betriebsdauer:
750 h
Brennposition:Vertikal
Bild 6.11: Brenner: Quecksilber-Xenon-Lampe (Werksbild ORC (USA))
Nach der Zündung brennt die Lampe durch die Bogenentladung. Während der Anlaufphase
wärmt sich das Gas auf und der Druck erhöht sich. Die Spannung steigt an und der Strom
nimmt ab, bis er den Brenner-typischen Strom im heißen Zustand erreicht. Typische Aufwärmzeiten liegen zwischen 5 und 15 Minuten.
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Bild 6.12: Typisches Brennerspektrum eines reinen Xenon - Brenners mit UV Spektrum eines Photoresists (Werksbild ORC, USA)
Bild 6.13: Typisches Brennerspektrum eines Quecksilber - Xenon - Brenners
mit UV - Spektrum eines Photoresists (Werksbild ORC, USA)
Die Fotoresiste haben i.a. ihren größten Empfindlichkeitsbereich zwischen etwa 340 bis 410
nm. Dieser Bereich muß vom Brenner intensiv ausgeleuchtet werden. Bild 6.12 zeigt ein typisches Emmissionsspektrum einer reinen Xenon-Lampe und ein Absorptionsspektrum eines Resists. Deutlich sichtbar ist, daß die Emmissionmaxima im IR-Bereich und Absorpti-
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onsmaxima im UV-Berich liegen. Weil sie nicht übereinstimmen, wären extrem lange Belichtungszeiten erforderlich.
Wird jedoch Quecksilber zu dem Xenon gegeben, so verändert sich das Emmissionsspektrum sehr markant (Bild 6.13), die Maxima werden vom IR-Bereich in den UVBereich verschoben. Darüber hinaus kann das Quecksilber noch mit z.B. Eisen dotiert werden. Die daraus resultierenden Hauptlinien im UV-Bereich von 365 nm, 405 nm und 430 nm
liegen dann genau in dem Bereich, in dem der Fotoresist besonders empfindlich ist.
Außer undotierten und Fe-dotierten Brennern kann man z.B. auch Ga-dotierte Brenner beziehen, deren Maximum ist leicht nach höheren Wellenlängen verschoben. Es liegt etwa bei
410 nm.
Bei unzufriedenen Belichtungsergebnissen sollte man den Resisthersteller nach dem optimalen Brennertyp für seinen speziellen Resist fragen.
Die Lebensdauer der Brenner kann oft einige tausend Stunden betragen. Das An- und Abschalten der Lampe wirkt sich jedoch auf die Lebensdauer aus. So verkürzen hohe An- und
Abschaltraten die Lebensdauer drastisch. Nach längerer Brenndauer scheidet sich Wolfram,
das von den Elektroden verdunstet, am Glaskörper ab. Hierdurch wird die Lichtdurchlässigkeit des Glaskörpers negativ beeinflußt und die Lampentemperatur steigt an. Es ist deshalb
nicht ratsam zu warten, bis der Brenner nicht mehr zündet, sondern ihn bereits frühzeitig zu
tauschen, da mit zunehmendem Alter, für das menschliche Auge unbemerkt, die Leistung
des Brenners nachläßt und dadurch zwingend die Belichtungszeiten länger werden. Ein
Brenner sollte deshalb spätestens dann ausgewechselt werden, wenn die vom Hersteller
vorgegebene mittlere Lebensdauer um etwa 25 % überschritten wurde. Der Lichtfluß wird bis
dahin um etwa 30 - 35 % abgenommen haben, was sich direkt auf die Verlängerung der Belichtungszeit auswirkt. Die Leistung eines Brenners kann leicht mit einem Lichtmengenmeßgerät überprüft oder aber über Graukeilmessungen ermittelt werden. Die Resisthersteller
empfehlen mit Lichtintensitäten von mindestens 10 Milliwatt/cm² zu arbeiten. Die Lichtmengenzähler zeigen die Lichtmenge in mJ/cm² (Millijoule pro Quadratzentimeter) an. Um auf
die Leistung zu kommen, muß die angezeigte Lichtmenge durch die Belichtungszeit dividiert
werden, also:
gemessene Lichtmenge (mJ/cm²)
=
2
Lichtintensität (mW/cm )
Belichtungszeit (s)
Vor dem Einsatz neuer Brenner, sowie jeweils nach dem Einschalten, sollen die Brenner einige Zeit (ca. 15-30 Minuten) brennen, um die optimale Temperatur zu erhalten. Wichtig ist
diese Aufwärmphase, damit sicher gestellt ist, daß alles Quecksilber verdampft ist. Beim
Betrieb werden die Brenner gekühlt. Es ist darauf zu achten, daß die Kühlung ständig arbeitet, da sonst der Brenner überhitzt und explodieren kann. Quecksilberdampf-Lampen
können nur in senkrechter Stellung arbeiten.
Beim Brennerwechsel muß Schutzkleidung getragen werden: Brille, Handschuhe, Plastikschürze. Die Brenner sind grundsätzlich nur mit Handschuhe anzufassen. Auch ist auf die
Polarität zu achten, da sonst die Lampe schnell zerstört wird. Beim Brennerwechsel muß der
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Brenner zum Hohlspiegel häufig neu justiert werden. Optimierte Belichtungszeiten müssen
regelmäßig überprüft werden. Belichtungsgeräte müssen regelmäßig gereinigt, gewartet und
kalibriert werden.
6.6
Registrieren beim Belichten
Unter Registrieren beim Belichten versteht man die optimale Zuordnung der erzeugten Bilder
zueinander. Beim Registrieren der Außenlagen bedeutet dies, die Fotovorlage soweit wie
möglich mit dem Bohrbild des gerade zu belichtenden Nutzens zur Deckung zu bringen.
Beim Registrieren der Innenlagen ist die Aufgabe, Oberseite und Unterseite zur Deckung zu
bringen.
Zur Registrierung stehen mechanische und optische Registriersysteme zur Verfügung.
Idealerweise sollten sie zum Belichten sowohl von Innenlagen als auch von Außenlagen geeignet sein. Da jeder Leiterplattenhersteller „sein“ Registriersystem bevorzugt, haben sich
einheitliche Systeme nicht durchgesetzt.
6.6.1 Mechanische Registriersysteme
Bei der mechanischen Registrierung liegt in dem Belichtungsgerät ein spezielles System
von Stiften (Pins) vor. So wird entweder ein 2-Stift-System oft mit Varianten, das 4-LanglochSystem oder das L-Verstiftungssystem eingesetzt.
Beim Belichten von Innenlagen ist die Registrierung vom Herstellprozeß der mehrlagigen
Schaltung abhängig. So ist die am besten geeignete Art der Registrierung die sogenannte
„Post-etch-punch-Technik“ (Stanzen-nach-dem-Ätzen). Um das unterschiedliche Schrumpfbzw. Dehnverhalten der Innenlage zu kompensieren, werden die Registrierlöcher für das
Verpressen der Innenlagen nicht vor dem Belichten gestanzt, sondern erst nach dem Ätzen
bzw. Schwarzfärben. Bei der Stanze wird ein CCD-Videosystem eingesetzt, um die geätzte
Innenlage nach ebenfalls zwei oder vier geätzten Zielpunkten mittig für das Registrierlochsystem auszurichten. Da die wichtigste Forderung an die Belichtung der Innenlage darin besteht, die Ober- und die Unterseite ohne Versatz zu belichten, kann die Belichtung in einer
Filmtasche (Versatz zwischen 50 µm und 120 µm) oder in einem Glasrahmen (Versatz zwischen 20 µm und 40 µm) erfolgen. Diese Glasrahmen mit integriertem Vakuum beinhalten
das Aufnahmesystem für die Filmvorlagen und Aufnahmestifte für die zu belichtenden Nutzen. Das Vakuum wird durch das geringe Luftvolumen sehr schnell aufgebaut, das Anpressen und das „Reiben“ entfällt, wodurch Unterstrahlung und Verschieben der oberen Filmvorlage vermieden werden. Darüber hinaus kann der Durchsatz erheblich gesteigert werden.
Werden die Innenlagen nach diesem Post-etch-punch-Verfahren hergestellt, müssen sie vor
dem Belichten weder gestanzt noch gebohrt werden, sie werden einfach, wenn vorhanden,
an die Stifte angelegt.
In den meisten Fällen werden zwei, leicht konische Rundstifte benutzt zur Aufnahme der zu
belichtenden Nutzen und vier Langlochpaßstifte zur Aufnahme der Fotovorlage (Bild 6.14).
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Film
Rundstifte
Zuschnitt
Langloch-paßstifte
Bild 6.14:
Pin-Registrierung mit zentrischer Aufnahme des Films über 4
Langlochpaßstifte und zentrische Aufnahme der Platte über 2
Rundstifte
Die Filmregistrierung wird mit einer Filmstanze erreicht. Diese arbeitet mit CCDVideokameras, die die im Film eingebrachten Zielpunkte aufnimmt, den Film zentrisch positioniert und die Lochkonfiguration einstanzt.
Voraussetzung für dieses gesamte Verfahren ist, daß das System des Belichtungsgerätes,
bestehend aus Zuschnitt-Aufnahme-Stiften und Film-Aufnahme-Stiften, und das System der
Filmstanze, bestehend aus Zuschnittsaufnahme und Stanzpositionen, identisch sind.
Bei dem in Bild 6.14 dargestellten System für die Pin-Registrierung (H. Rutenberg, Galvanotechnik, 87 (1996) 3452) sind die Verhältnisse nahezu ideal:
Durch die kreuzförmige Aufnahme der Fotovorlage in 4 Langlöchern über 4 Langlochpaßstifte, die kürzer als diese sind, kann der Film nach dem Einbau alle Dimensionsveränderungen frei durchführen. Wird die Mitte des Zuschnitts ins Zentrum des Aufnahmekreuzes gelegt, so bleibt dieser Zentralpunkt stets ortsfest im Belichtungsgerätes. Alle Dimensionsveränderungen des Filmes können sich maximal auf die Hälfte der Zuschnittslänge auswirken.
Gleiches gilt für die Dimensionsveränderung des Nutzens, wenn die Zuschnittsaufnahme
ebenfalls zentrisch ist.
Das Vier-Langloch-System ist ebenfalls weit verbreitet. Der Zentralpunkt der Fotovorlage
und des Nutzens sind identisch und ortsfest im Belichtungsgerät. Alle Dimensionsveränderungen von Film und Nutzen wirken sich maximal auf die Hälfte der Zuschnittslänge aus.
Dieses System wird vor allem in der Fertigung eingesetzt, die mit einem Standardformat arbeitet. Für das Belichten unterschiedlicher Formate ist das System nicht flexibel genug.
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Für das Belichten von Außenlagen wird ebenfalls das L-Registriersystem eingesetzt (P.
Waldner, Galvanotechnik 85 (1994) 1302). Eine Reihe von quadratischen Stiften wird in LForm im Belichtungsrahmen angeordnet (Bild 6.15).
Bild 6.15: Belichtungsrahmen mit L-Anordnung (Werksbild Multiline)
Die Außenlagen mit gebohrten Registrierlöchern werden durch diese Stifte registriert. Die
Abmessungen der Stifte sind so gewählt, daß die gebohrten Nutzen mit statistischer Sicherheit spannungsfrei auf die Stifte passen, unabhängig von der Zuschnittsgröße. Die Filmvorlage wird mit rechteckigen Langlöchern über die gleichen Stifte deckungsgleich registriert
und im Glasrahmen mittels Vakuum festgehalten.
6.6.2 Optische Registrierung
Bei der optischen Registrierung sind in der Fotovorlage entweder zwei in der Mitte der kurzen Seite oder vier in den jeweiligen Ecken liegende Zielpunkte eingerichtet. Entsprechend
positionierte Bohrungen sind in den Zuschnitten eingebracht. Das Videosystem vergleicht
nun die Filmzielpunkte mit den Bohrungen. Dann wird durch Verdrehen und Verschieben in
beide Richtungen die Fotovorlage auf das Bohrbild eingerichtet. Dies erfolgt für jeden Zuschnitt individuell (Bild 6.16 und 6.17). So ist es möglich, sowohl die während des Belichtens
eintretende Veränderung der Fotovorlage als auch die individuellen Abweichungen der einzelnen Zuschnitt zu berücksichtigen. Dem System kann auch ein minimal zu haltender Restring eingegeben werden. Wird dieser bei den Zielpunkten unterschritten, wird der Zuschnitt
unbelichtet aussortiert.
Optische Registriersysteme sind vor allem in Belichtungsautomaten integriert. Diese belichten meist einseitig, um jede Seite optimal zu justieren.
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Passmarken im Film,
passend zu den Bohrungen
Bohrungen in der Platte
Bild 6.16: Optische Registrierung vor der Ausrichtung: Platte ist gegenüber
Film gedreht und verschoben
Bild 6.17: Optische Registrierung nach der Ausrichtung: Optimales Ergebnis,
da der Film in der kurzen Richtung länger ist als die Platte
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6.6.3
Vergleich der Systeme
In der folgenden Tabelle 6.1 werden die beiden Registriersysteme verglichen.
Tabelle 6.1: Systemvergleich Registriersysteme
Produktivität
Optisches Einrichten
Manuelles Arbeiten
Automatisation
Rüstzeit
Leistung bei 50 Ntz/Los
Nachkorrektur
Belichtung
Reproduzierbarkeit
Beschädigungsgefahr der Filme
Investition
Mechanisches System
hoch
Einmal pro Los
möglich
möglich
2-5 min (Filme über Pins)
15-20 min (Filmtasche)
80 - 100 Ntz/Std
Optisches System
mittel
Jeder Nutzen
möglich
möglich
6 - 10 min
55 - 150 Ntz/Std (150 Ntz ohne
Filmwechsel)
möglich
meist einseitig
sehr gut
nicht möglich
meist zweiseitig
gut (Filme über Pins)
befriedigend (Filmtasche)
hoch
niedrig
sehr gering
sehr hoch
Sehr wesentlich sind beim Vergleich der unterschiedlichen Registriersysteme die Einflüsse
der Einzeltoleranzen auf die Registriergenauigkeit. In Tabelle 6.2 sind sowohl die Einzeleinflüsse als auch die Einflußfaktoren aufgeführt (H. Rutenberg, Galvanotechnik 87(1996)
3452).
Tabelle 6.2: Toleranzbetrachtung Registriersysteme
Toleranzen
Einzeleinflüsse
Mechanisches
System
Faktor Wert
(µm)
Optisches
System
Faktor Wert
(µm)
Maximale Positionsungenauigkeit einzelner Bohrungen
Schwankung der Dimensionsveränderung Bohren - Belichten
Schwankung im Durchmesser der Aufnahmelöcher
Dimensionsunterschied Bohrbild - Fotovorlage
Verzerrung Fotovorlage
Veränderung der Fotovorlage beim Belichten
Registrierungenauigkeit
Einbauungenauigkeit
Spiel der Aufnahmepins
Maximale Abweichung der Bezuglochposition von Nominal
1
1
1/2
1/2
1
1/2
1
1
1/2
1/2
1
1
1/2
1/2
1
1/2
1
1
1/2
1/4
Berechnete Gesamttoleranz
50
10
20
30
10
20
30
20
20
50
79
50
10
-30
10
20
30
--50
70
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Die Position der gebohrten Löcher weisen maximale Ungenauigkeiten von +/- 50 µm auf. Die
Positionsgenauigkeit der meisten Löcher ist zwar besser, da die Restringforderung für alle
Löcher eines Nutzens gilt, ist der Maximalwert der Positionsabweichung aber entscheidend.
Die Nutzen verändern sich durch die verschiedenen Prozesse zwischen Bohren und Belichten. Die Schwankungsbreite dieser Veränderung beträgt ca. +/- 20 ppm, was bei einem Nutzenformat von 500 mm etwa +/- 10 µm entspricht.
Durch die Toleranzen des Bohrens und der Metallisierungsprozesse treten Schwankungen
im Durchmesser der Löcher von +/- 20 µm auf. Dies ist allerdings für die Registrierung nur
dann von Bedeutung, wenn durchkontaktierte Nutzen über Stifte registriert werden.
Durch die Fertigungstoleranzen der als Fotovorlagen benutzten Filme kommt es dazu, daß
zwischen dem mittleren Bohrbild der Nutzen und der eingesetzten Fotovorlage Dimensionsunterschiede in der Größenordnung von 60 ppm auftreten, was bei einem Nutzenformat von
500 mm etwa 30 µm entspricht. Diese Dimensionsunterschiede können deutlich größer sein,
wenn beim Bohren die Toleranzen für Schrumpfungs- bzw. Dehnungskorrektur voll ausgenutzt werden.
Zusätzlich können Filme durch Herstellung und Einbau in das Belichtungsgerät leicht verzerrt sein, wodurch Positionsabweichungen einzelner Lötaugen von ca. 10 µm auftreten.
Während des Belichtens verändern sich die Filme. Hier ist mit Veränderungen in der Größenordnung von 40 ppm entsprechend 20 µm bei 500 mm zu rechnen. Wird beim Belichten
mit Vakuumkontakt und Mylarfolie gearbeitet, sind die Veränderungen noch wesentlich größer.
Die Registriergenauigkeit bei optischer Registrierung läßt sich am entwickelten Bild nachmessen. Der Durchschnitt liegt bei 20 µm, die Standardabweichung bei +/- 6 µm. Die maximal gemessene Ungenauigkeit liegt bei 32 µm. Die Ungenauigkeit des Einrichtens mit der
Filmstanze läßt sich ebenfalls nachmessen. Sie liegt bei 26 - 35 µm.
Bei der Pin-Registrierung muß mit einer zusätzlichen Ungenauigkeit durch den Einbau und
durch die Abweichung zwischen Belichtungssystem und Filmstanzsystem gerechnet werden.
Der Wert liegt geschätzt bei 20 µm.
Für einen reibungslosen Ablauf muß der Durchmesser der Aufnahmepins etwas kleiner sein
als das kleinste vorkommende Aufnahmeloch. Hier wurde eine Differenz von 20 µm angenommen.
Die oben angegebene Positionsungenauigkeit der Bohrlöcher gilt auch für die Bezugslöcher,
d.h. die Löcher, die zum Ausrichten bei der optischen Registrierung oder zur Aufnahme der
Nutzen bei der Pin-Registrierung dienen. Die maximale Positionsungenauigkeit beim Bohren
kommt selten vor, wahrscheinlich nicht öfters als einmal innerhalb der Bezugslochgruppe.
Da zum Ausrichten vier Löcher benutzt werden, zur Nutzenaufnahme im PinRegistriersystem aber nur zwei Löcher, muß von dem maximalen Bohrversatz nur ¼ bzw. ½
angesetzt werden.
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Die Gesamttoleranz ergibt sich dann mathematisch aus der Quadratwurzel der Quadratsummen der Toleranzen der Einzeleinflüsse (siehe Kapitel 10):
F =
2
2
2
x1 + x2 + x3 + ...
Die Berechnung zeigt, daß eine Pinregistrierung eine um etwa 10 µm höhere Toleranz als
ein optisches System bei gleichen Grundbedingungen zeigt. Dieser Toleranzwert wird auch
durch die Praxis bestätigt.
7
Entwickeln
Bei der Entwicklung werden die nach dem Belichten des negativ arbeitenden Fotoresists unpolymerisiert gebliebener Resistflächen rückstandsfrei entfernt, die belichteten polymerisierten Stellen verbleiben. Dabei geht man von folgendem Prinzip aus:
Die Binder eines Fotoresists enthalten typischerweise organische Säuregruppen, die mit
freien OH-Ionen der Entwicklerlösung reagieren und damit wasserlöslich werden (siehe auch
Kapitel 4.1.2.1). Diese Reaktion bringt den Binder in eine wasserlösliche Form, vorausgesetzt, die Anzahl der reagierenden Säuregruppen ist groß genug, um die hydrophoben
Kräfte innerhalb der Polymerkette des Binders zu überwinden. Keine der anderen Komponenten des Resists reagiert mit den OH-Ionen des Entwicklers und sind daher nicht in der
Lage, wasserlöslich zu werden.
Während des Entwickelns wirkt der Binder als oberflächenaktives Agent, das in der Lage ist,
alle anderen organischen Bestandteile des Resists in wäßriger Lösung zu suspendieren.
Wenn dies nicht der Fall wäre, dann würde ein Ausfallen verschiedener Resistkomponenten
auf der Kupferoberfläche des Basismaterials und/oder den Maschinenwänden und Transportsystem die Folge sein. Derartige Reaktionen werden häufig beobachtet, wenn Entwicklerlösungen mit hohen Resistmengen beladen sind. Die Sodakonzentration soll deshalb
durch Ergänzungen, die vom Resistdurchsatz abhängig sind, konstant gehalten werden.
Hierbei hat sich vor allem die Messung der Leitfähigkeit bewährt. Die Steuerung der Zudosierung über die Leitfähigkeit (Leitwert) ermöglicht eine Konstanz der Sodakonzentration von
0,05 Gew.%.
Anmerkung: Das Belichten und Entwickeln sind als zwei sich gegenseitig beeinflussende
Prozesse zu sehen. Zur Erzielung optimaler Ergebnisse müssen daher beide Prozeßschritte
aufeinander abgestimmt werden. Zur Abstimmung der Prozeßschritte ist der Graukeil das
geeignetste Hilfsmittel.
7.1
Entwicklungsverfahren
Folgende Entwicklungsverfahren werden angewendet:
• Sprühentwicklung in einer horizontalen Durchlaufmaschine
• Tanksprühentwicklungsanlagen mit vertikaler Arbeitsweise, keine Transportrollen
• Tauchentwicklungsanlagen
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Die Sprühentwicklung im Durchlaufverfahren hat sich weitestgehend durchgesetzt. Die
Gründe dafür liegen in einer optimalen Prozeßsteuerung, sowie guten Leistungs- und Automatisierungsmöglichkeiten. Da der Transport aber nicht berührungslos erfolgt, kann es bei
feinen Leiter zu Beschädigungen des entwickelten Bildes durch die Transportrollen kommen.
Bei einer weiteren Verringerung der Leiterbreiten wird dieses System an Grenzen stoßen.
Für den Entwicklungsvorgang werden Maschinen aus PVC mit mehreren Sprühkammern
eingesetzt, wobei in den letzten Kammern durch eine intensive Wasserspülung die noch anhaftende Entwicklerlösung abgewaschen wird (Bild 7.1).
Einlauf
Entwicklung
Entwicklung
Kaskadenspülung
mit Frischlösung
C
Not- Aus
PI
PI
PI
Reservetank
Auslauf
Not- Aus
PI
F
Mixer
Trockner
F
Antischaum
Soda
Bild 7.1: Alkalisch-arbeitende Entwicklermaschine (Werkbild Gebr. Schmid)
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Damit der Entwicklerprozeß optimal ausgeführt werden kann, ist bei der Maschinenausrüstung auf folgendes zu achten:
•
•
•
•
•
•
•
•
Überwachungseinrichtungen für Sprühdruck, Temperatur, durchsatzabhängige Zudosierung und Durchlaufgeschwindigkeit. Am besten erfolgt die Parameterüberwachung und
Parametersteuerung mit einer SPS-Anlage, die auch eine Datenaufzeichnung ermöglicht.
Flachstrahldüsen, bei denen Sprühdruck und -verteilung über die ganze Fläche konstant
ist, die nicht zu Verstopfungen neigen und für Reinigungszwecke leicht ausbaubar sind
(Bajonettverschlüße). Quer zur Durchlaufrichtung oszillierende Düsenstöcke.
Dosiersystem mit Messung der Konzentration für das Entwicklermedium und Antischaum.
Kühl- und Heizsystem für das Entwicklermedium.
Säurespülung zur optimalen Entfernung des Alkalifilmes nach der letzten Wasserspüle.
Transportsystem für dünne Materialien (Innenlagen), Führungsgitter, größerer Transportrollendurchmesser.
Trocknungseinrichtung am Auslauf.
Be- und Entladeeinrichtung zur Automatisierung und Verhinderung von „mechanischen
Beschädigungen“ der Platten.
Die Leistung bzw. die Durchlaufgeschwindigkeit der Anlage sollte so ausgelegt sein, daß der
2
Breakpoint (Zeitpunkt der vollständigen Entwicklung) nach ½ bis /3 des gesamten Durchlaufs durch die Entwicklerkammer erreicht wird.
Das einwandfreie Funktionieren der Entwicklermaschine ist stark von der Wartung abhängig.
Die Maschine sollte wöchentlich einer Komplettreinigung unterzogen werden. Transport- und
Abquetschwalzen sollten mindestens bei jedem Schichtwechsel gereinigt werden. Die Düsenstöcke sind ebenfalls in diesem Rhythmus auf Verstopfungen zu überprüfen.
7.2
Entwicklungsmedium
Das Entwicklermedium ist eine Lösung aus Natrium- oder Kaliumkarbonat in Wasser. Die
Konzentration der Lösung liegt bei ca. 1 Gew.% Na2CO3 oder K2CO3 ohne Berücksichtigung
des Kristallwassers. Die Konzentration des Entwicklermediums ist täglich zu analysieren,
dazu geeignet ist das Titrationsverfahren.
Die Entwicklungstemperatur liegt normalerweise bei 25 - 35 °C. Niedrigere Temperaturen
vergrößern das Verarbeitungsfenster, führen aber zu niedrigeren Durchlaufgeschwindigkeiten, d.h. Kapazitätseinbußen. Höhere Temperaturen und höhere Carbonatkonzentrationen
führen zum Angriff der polymerisierten Resistoberflächen und wirken sich praktisch auf die
Auflösung und Flankenstruktur aus. Ungenügend polymerisierte und überentwickelte Resistkomponenten haben das Potential zur Verunreinigung galvanischer Bäder. Hieraus resultieren verschiedene Abscheidungsprobleme wie matte Oberflächen, nicht oder nur teilweise oder schichtförmig aufgebautes Kupfer.
Die Entwicklungszeit ist stark vom Fotoresist, den Prozeßparametern sowie von der Anlage
(Düsenstöcke, Art der Düsen) abhängig und beträgt ca. 40 - 90 Sekunden.
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Um die beim Sprühvorgang entstehende Schaumbildung zu vermeiden, wird dem Medium
ein vom Fotoresisthersteller und vom Hersteller der Entwicklungsmaschine freigegebenes
Antischaummittel zugegeben. Achtung: Falsches Antischaummittel zerstört die Entwicklermaschine!
7.3
Beurteilung der Entwicklungsqualität
Ein wichtiges Beurteilungskriterium für die Entwicklungsqualität ist die Flankengeometrie
(Bild 7.2). Sie hat großen Einfluß auf den Leiterquerschnitt bzw. -abstand.
Idealfall
überentwickelt
(oder unterbelichtet)
unterentwickelt
(oder überbelichtet)
Bild 7.2: Flankenformen des Resists
Die Ober- und Unterseite des Zuschnitts darf nicht unterschiedlich entwickelt sein. Es ist
deshalb darauf zu achten, daß von beiden Seiten Prüfungen durchgeführt werden und eine
Zuordnung erfolgt.
Die entwickelten Zuschnitte sind stichprobenmäßig auf Entwicklungsrückstände zu überprüfen. Solche Rückstände auf der Oberfläche können bei der Weiterverarbeitung zu Haftproblemen führen. Die Ursachen dafür liegen meistens bei zu kurzen Entwicklungszeiten
(Durchlaufgeschwindigkeit), einer schlechten Spülung, verstopften Düsen oder einer falschen Entwicklerkonzentration. Darüber hinaus können sie aber auch aus Problemen beim
Belichten (Unterstrahlung, mangelhaftes Vakuum) herrühren.
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Bild 7.3a: Resiststrukturen bei Feinstleitertechnik (Werksbild DuPont)
Bild 7.3b:
Resiststrukturen bei Feinstleitertechnik (Werksbilder Ciba Geigy)
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In Bild 7.3a und b sind Resiststrukuren abgebildet, die mit einem Rasterelektronenmikroskop
aufgenommen wurden. Deutlich erkennbar sind die steilen Resistflanken.
8
Überprüfen von Belichtungszeiten und Belichtungsgeräten
Der Polymerisationsgrad von Fotoresisten ist entscheidend für die nutzbaren Resisteigenschaften, wie chemische Beständigkeit, Auflösungsvermögen, Wiedergabegenauigkeit, Flankenform, etc.. Die Belichtungsintensitäten sind deshalb neben der Auswahl des
geeignetsten Emissionsspektrums in engen Toleranzen konstant zu halten. Regelmäßige
Überprüfungen sind deshalb wichtig.
Zwei Verfahren haben sich in der Praxis etabliert:
• Grau-/Stufenkeil
als
Hilfsmittel
für
die
regelmäßige
Produktionsüberwachung
• UV-Energiemesser für Messungen der Lichtmengenverteilung, Lichtintensitäten, spezifische Emissionsspektren, periodische Überprüfung der Belichtungsgeräte, Kalibrieren von
neu installierten Brennern.
8.1
Grau-/Stufenkeile
Grau-/Stufenkeile sind Präzisionsmeß-Hilfsmittel, sie werden von einschlägigen FotoresistFachfirmen zur Verfügung gestellt. Vergleichbar zu Fotovorlagen sind auf einem Polyesterträger Streifen unterschiedlicher, genau definierter Dichte-Abstufung aufgebracht - für unterschiedliche Meßbereiche mit unterschiedlicher Abstufung und Dichteausschnitten.
Diese Werkzeuge sollten nur als Original, niemals als Kopie eingesetzt werden. Der Einsatz
erfolgt entweder auf separaten Testcoupons, die entsprechend festgelegter Produktionsparameter verarbeitet werden, oder auf Randstreifen von Produktionsplatten. Belichtet wird auf
bzw. unter der Fotovorlage, Haltezeiten vor dem Entwickeln sind strikt einzuhalten, die Entwicklungsparameter sind identisch zu den Produktionseinstellungen.
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8.1.1
Arbeitsprinzip
Die von der Belichtungsquelle emittierten Lichtmengen werden durch unterschiedlich transparenten Dichtestufen präzise absorbiert. Die durchtretende Restlichtmenge initiiert eine der
Lichtmenge anteilige Polymerisation im Fotoresist. Der Resist haftet je nach Polymerisationsgrad nach dem Entwickeln unterschiedlich auf dem verwendeten Basismaterial, in der
Regel Kupfer (Bild 8.1).
Strahlengang
Grau-/Stufenkeil
Träger/Polyester
Rest - Lichtmenge
Fotoresistschicht
Kupferoberfläche
Basislaminat
Testcoupon nach Entwickeln:
ohne Resist
angegriffenen
vollerhalten
Resistschicht
Kupferoberfläche
Basislaminat
Bild 8.1: Wirkungsweise des Grau-/Stufenkeils
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Erfaßt wird die Haftung des Fotoresists als Funktion der Polymerisation und seiner mechanischen Haftung zum Basismaterial sowie der Einfluß der Haltezeiten etc..
Bewertet werden nach einer willkürlichen Festlegung entweder die erste voll erhaltene Graukeilstufe oder die erste Stufe mit nicht angegriffener, glänzender Oberfläche. Referenzuntersuchungen sind notwendig.
Fotoresiste mit hohem Kontrast bzw. steiler Gradation zeigen erwartungsgemäß eine geringere Anzahl angegriffener Stufen (leichter auszuwerten) im Vergleich zu Re- sisten mit flacher Gradation.
Der lineare Dichte-Absorptionsverlauf des Stufenkeils erlaubt dann Anpassungen der Belichtungszeiten nach Tabellen. Er wird damit zu einem idealen Hilfsmittel, um die Verarbeitungsparameter der Bildübertragung mittels Fotoresists einfach und zuverlässig zu kontrollieren.
Beim Vergleich von Datenblattangaben von Fotoresisten ist genau auf die Hinweise zum
verwendeten Stufenkeil zu achten. Als Standard dient der 21- stufige oder der 41- stufige
Stouffer-Keil. Je nach Fachfirma werden Stufenkeile mit unterschiedlichen Abstufungen eingesetzt (Anhang 10.2). Deshalb ist es wichtig, Messungen mit dem gleichen Stufenkeil
durchzuführen oder die Dichtewerte sind von einem Graukeil auf den anderen umzurechnen.
Die Datenblattangaben sollten nur als Referenzwerte verwendet werden und ersetzen keinesfalls detaillierte eigene Untersuchungen, die dann spezifische betriebliche Einrichtungen,
Prozeßabläufe etc. berücksichtigen.
8.2
UV - Energiemesser
Diese Energiemesser erfassen über einen definierten spektralen Emissionsbereich die
2
Lichtintensität (W/cm ), die Meßbereiche können über zugeschaltete Filter eingeengt werden. Damit ist man in der Lage, das Meßgerät auf die relevanten Spektren der Fotoresiste
zu justieren, die in der Produktion verwendet werden. Dies ist wichtig, wenn z.B. durch Alterung des Brenners sich das Emissionsspektrum verändert und damit weniger als zu Beginn
mit der Empfindlichkeit der zu verarbeitenden Resists übereinstimmt.
Die Geräte sind tragbar, in ihrer Empfindlichkeit über einen großen Meßbereich zu spreizen
und haben eine große Wiederholbarkeit. Zusätze erweitern ihre Anwendbarkeit auf Lauflichtund Durchlaufbelichtungsgeräte. Angezeigt werden absolute Werte (Intensität, Lichtmenge)
und sie eignen sich deshalb auch besonders für grundsätzliche Messungen, wie die Lichtmengenverteilung bei großformatigen Belichtungsrahmen, Kalibrieren neuer Brenner etc.
UV-Energiemesser ergänzen Messungen mit dem Grau-/Stufenkeil, sie ersetzen sie aber
nicht.
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9
Fehleranalyse
Fehlermerkmal
Ursache
Abhilfe
Physikalische Resistdefekte
Verpackungsfehler
Material erst nach Rücksprache mit
dem Hersteller verarbeite
Wickelfehler
Rolle an Lieferanten zurückgeben
Schmutzeinschlüße
Polyolefinfolie oben
Reklamation beim Resistlieferanten
Rolle wurde in falscher Richtung
auf den Laminator gespannt, Rolle
umdrehen
Unvollständige
Entwicklung Auswaschpunkt nicht bei 50 % Entwicklungsparameter
überprü(Auswaschen) Rückstände
der Entwicklerstrecke
fen, ebenso Belichtungsparameter
Unterschiedliche
Entwicklung Entwicklerlösung wirkt unter- • Sprühdrucke auf symmetrische
von Oberseite zu Unterseite
schiedlich stark / lange auf OberEntwicklung einstellen (nicht auf
und Unterseite
symmetrische Drucke)
• Überprüfen auf verstopfte Düsen
und Zuleitungen; evtl. Filter z.T.
verstopft
Defekte Tents
Lochdurchmesser zum Tenten Ndk-Bohrungen nach dem Ätzen
zu groß
einbringen (Toleranz beachten)
Laminierparameter falsch einge- Versuchen, mit niedrigerem Druck
stellt
und niedrigerer Temperatur zu Laminieren.
Achtung: Dies kann sehr negative
Effekte auf die Resisthaftung haben und zu hohem Ausschuß beim
Galvanisieren führen
Belichtungszeit zu hoch
Durch hohe Belichtung verhärten
bzw. verspröden die Resiste im allgemeinen. Niedrigere Belichtungen
wählen.
Achtung: Auch hier kann es bei zu
niedrigen Belichtungswerten zu hohem Ausschuß in der Galvanik
kommen (Auslaugen des Resists
im Galvanikbad).
Bohrgrat
Bohrparameter sowie Ober- und /
oder
Unterlage
überprüfen,
Schleifparameter vor DK-Prozeß
verbessern
Resist für Tenting ungeeignet
Anderen Resisttyp wählen
VDE/VDI
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Fehlermerkmal
Ursache
Abhilfe
Übergalvanisieren
Zu dünne Resiste
Dickeren Resist verwenden
Zu hohe Stromdichten bei ver- • Blendrahmen verwenden
einzelt liegenden Leiter
• Niedrigere Stromdichte und längere Verweilzeit einstellen
• Eventuell die Badparameter
leicht
verändern
(Einebner,
Glanzbildner)
• Design anpassen nach Absprache mit dem Entflechter. Eventuell Blindflächen in das Layout
der Leiterplatte einfügen (rastern)
Galvanische Unterwanderung
Riefen und Kratzer auf der Cu- • Materialhandhabung
überprüOberfläche vor dem Laminieren
fen, um Kratzer zu vermeiden
des Fotoresists
• Anpreßdruck der Bürstwalzen
beim Reinigen vor dem Resistlaminieren erniedrigen
• Bürsten eventuell defekt oder
verschlissen, austauschen
• Überprüfen des Transportsystems der Reinigungsanlage, die
vor dem Resistlaminieren benutzt wird
Cu-Oberfläche vor dem Re- • Cu-Oberfläche sorgfältig reinisistlaminieren verschmutzt oder
gen bzw. entfetten und Vorsorge
stark oxidiert, dadurch Haftungstragen, daß die Cu-Oberfläche
probleme zwischen Fotoresist
nicht erneut wieder oxidiert
und Cu-Oberfläche
• Haltezeit zwischen Vorreinigung
und Laminieren verkürzen
Fotoresist bei zu niedriger Tem- Druck und Temperatur am Lamiperatur und/oder zu niedrigem nator überprüfen und nach AngaDruck auflaminiert
ben des Resistlieferanten neu einstellen
Haftung zwischen Fotoresist und • Wenn eventuell mechanische
Cu-Oberfläche stellenweise nicht Beschädigungen vorliegen, muß
vorhanden
der Transport zwischen dem Entwickeln des Resists bis zum Anklemmen an den Warenträger des
Galvanikautomaten überprüft werden
Eventuell durch Fingerabdrücke vor
dem Resistlaminieren verursacht;
Cu-Oberfläche sorgfältig reinigen
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Fehlermerkmal
Ursache
Rückstände beim Entwickeln
Maschinenbedingungen
prüfen
Abhilfe
über- •
•
Düsenstöcke verstopft
Regelmäßige Wartung der
Maschinen
Wartungsplan erstellen bzw.
kontrollieren
•
•
Reinigen der Düsen
Resist gegen UV-Licht schützen
Falsch oder zu lange zwischen •
Laminieren und Entwickeln gela- •
gert
Kürzere Lagerzeiten einhalten
Mit Resist beschichtete Leiterplatten vor Hitzeeinwirkung
und UV-Strahlung schützen
Spülwassermenge nicht ausrei- Richtige
chend
stellen
Verunreinigtes Transportsystem
Spülwassermenge
ein-
Transportrollen reinigen
Beladungsgrad der Entwicklerlö- •
sung zu hoch
•
•
Richtige Konzentration einstellen
Entwicklerlösung erneuern
Ansatztank überprüfen
Alkalikonzentration zu gering
Mit konzentrierter Entwicklerlösung nachdosieren
•
Sprühdruck auf der Platte zu ge- Abwaschzeit kontrollieren und neu
ring
einstellen
Entwicklertemperatur nicht rich- Thermostat kontrollieren, Defekt
tig
beseitigen und richtige Temperatur
einstellen
Verunreinigte Tanks
Durchlaufgeschwindigkeit
hoch
Tanks regelmäßig säubern
zu Geschwindigkeit reduzieren, Auswaschpunkt berücksichtigen
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Fehlermerkmal
Rückstände beim Strippen
Ursache
Partikelgröße des Fotoresistrestes
Ungleichmäßiger Galvanoaufbau Badverunreinigungen durch organische Substanzen, die meistens aus dem verwendeten
Fotoresist auslaugen
Einschnürungen beim Galvani- Resistrückstände im Leiter
sieren
Haftung von Kupfer zu Kupfer
Abhilfe
Richtiges Strippmedium verwenden
• Ausreichende
Polymerisation
des Resists vornehmen (höhere
Belichtung)
• Resist auf Elektrolyt abstimmen,
ggf. anderen Resisttyp auswählen
• Chemische Beständigkeit der
Resiste überprüfen; Auslaugtest
durchführen
• Bad mit Aktivkohle reinigen
• Überprüfung der Entwicklerbedingungen
• Haltezeit nach Belichten überprüfen
• Kantenschärfe der Fotovorlage
überprüfen
• Fotovorlage auf Fehlstellen bzw.
Kratzer überprüfen
• Entwicklermaschine der Fotovorlage
überprüfen
Entfetten / Desoxidation in der • Konzentration und Funktionalität
Galvanik nicht mehr aktiv
des Entfetters/Anätzers überprüfen, eventuell Neuansatz
• Spülung
überprüfen
Entwicklungsrückstände
• Zu kurz entwickelt, Durchlaufgeschwindigkeit überprüfen
• Schlechte Spülung wegen zu
niedrigen Wasserdrucks verstopfter Düsen, zu hohe Durchlaufgeschwindigkeit
• Konzentration des Entwicklers
überprüfen, eventuell Neuansatz
• Verschleppung des Entwicklers
(Kammer verunreinigt)
• Temperatur des Entwicklers
überprüfen und neu einstellen
Fingerabdrücke
• Handschuhe tragen
• Zuschnitte nur an den Kanten
anfassen
Fotoresist bei falschen Tempe- Laminiertemperatur überprüfen
raturen auflaminiert
(meist zu hoch)
VDE/VDI
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Fehlermerkmal
Ursache
Verbreiterungen beim Ätzen
Schlechter Kontakt der Fotovor- Vakuum zwischen Fotovorlage und
lage zum Resist, dadurch Unter- Resist verbessern
strahlung
Abhilfe
Ungenügender Resistfluß, d.h. • Laminiertemperatur
und/oder
Riefen werden nicht bis zum
Anpreßdruck der LaminierwalGrund durch Resist ausgefüllt
zen zu niedrig
• Dickeren Resist verwenden
• Mylarfolie
berücksichtigen
Riefen und Vertiefungen im Ba- • Bürstprozeß überprüfen; evtl.
sismaterial, zerspanende VorreiWalzendruck erniedrigen
nigung
• Handhabung des Basismaterials
überprüfen (Eingangskontrolle)
Staub und/oder Haarlinien in der Sauberkeit beim Fotoprozeß, evtl.
Fotovorlage
auch bei der Erstellung der Fotovorlage erhöhen
Unterbrechungen beim Ätzen
Sn oder Sn-Pb-Schichtdicke zu • Stromdichte und/oder Verweilgering; wird beim alkalischen
zeit im Sn- bzw. Sn-Pb-Bad erResiststrippen zu weit abgetrahöhen
gen.
• Evtl. versuchen mit höherer
Defekte Fotovorlage.
Durchlaufgeschwindigkeit beim
Mechanische Beschädigungen
Resiststrippen
zu
arbeiten
beim Transport
Ringförmige
Durchätzungen Entwicklerrückstände im Loch
Spülung nach dem Entwickeln ver(Unterbrechungen) im Loch
bessern; bei kleinen Löchern evtl.
mit leicht erhöhtem Druck spülen
Luftblasen im Loch
• Benetzung in den Löchern verbessern und zwar durch Netzmittelzugabe in ein Vorreinigungsbad
der
Galvanolinie.
Achtung: Netzmittel muß mit den
Galvanobädern in kleinen Mengen verträglich sein, da es
zwangsläufig zu Verschleppungen in die Galvanikbäder kommt
• Während des Galvanisierens
regelmäßig mit einem Hammer
an den Warenträger schlagen
oder besser noch eine Vibrationsvorrichtung anbringen, die
durch mechanische Erschütterungen die Luftblasen freisetzt
VDE/VDI
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Fehlermerkmal
Ursache
Ringförmige
Durchätzungen starke Bohrriefen
(Unterbrechungen) im Loch
Abhilfe
• Bohrprozeß
auf
Schnittgeschwindigkeit bzw. Drehzahl und
Vorschub überprüfen
• Bohrer auf Schärfe der Schnittkanten und auf Ausbrüche an
den Schnittkanten kontrollieren
• Spanabfuhr beim Bohrprozeß
überprüfen
• Bei Multilayern (ML) überprüfen,
ob das Harz beim Verpressen
völlig ausgehärtet wurde; ML
evtl. bei geeigneten Temperaturen (Tg beachten) im Ofen
nachtempern
Reproduzierfähigkeit der Foto- Qualität der Fotovorlage nicht Neue Filme, Belichtungsparameter
vorlage mangelhaft
ausreichend
überprüfen
Haftung von feinen Resistlinien
Vorbehandeln, Laminieren und Fertigungsparameter mit Hilfe eiBelichten nicht optimal
nes Finelinetestfilmes überprüfen
und neu einstellen
Falten im Resist
Falscher bzw. unterschiedlicher Laminierparameter überprüfen
Anpreßdurck der Laminierwalzen
Einlauftisch zu hoch
neu
justieren
Resistrollen nicht fest einge- Einspannvorrichtung
spannt
Resistrollen nicht parallel
Resistrollen
neu
überprüfen
Zu heiße Laminierwalzen
Einlauftisch
justieren
Laminiertemperatur überprüfen
Keine konstante Abwickelspan- Einstellung überprüfen
nung
Resistabhebungen an den Plat- Zu hoher Anpreßdruck
Preßdruck überprüfen, ggf. redutenecken
zieren
Schlechte Schneidetechnik
Messer erneuern
Fingerabdrücke
Handschuhe
tragen
Zu hohe Laminiergeschwindig- Laminierparameter überprüfen
keit
Zu geringe Laminiertemperatur
Laminierparameter
überprüfen
VDE/VDI
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Fehlermerkmal
Ursache
Abhilfe
Blasen im Resist
Beschädigte Laminierwalzen
Walzen auf Löcher untersuchen,
ggf. austauschen und neu beschichten
lassen
Verschmutze Laminierwalzen
Mit Wasser oder Alkohol reinigen
Schlechte Resisthaftung
Zu geringer Druck der Laminier- Laminierparameter
überprüfen
walzen
Unzureichende Vorreinigung
Benetzungstest an den gereinigten
Zuschnitten durchführen, Vorreinigung
überprüfen
Zu lange Haltezeit nach der Vor- Liegezeiten
reinigung
Lufteinschlüße
verkürzen
Zu geringer Anpreßdruck
Laminierparameter
überprüfen
Heizung ausgefallen
Laminiertemperatur
überprüfen,
Heizung reparieren bzw. erneuern
Beschädigungen im Basismate- • Transportmittel überprüfen
rial
• Eingangskontrolle am Basismaterial
verstärken
Zu grobe Gewebestruktur des • Glasgewebe ändern
Basismaterials
• Dickeren Resist verwenden
• Laminierparameter
ändern
Zu geringer Druck der Laminier- • Laminierparameter ändern
walzen
• Shorehärte der Walze ändern
Zu hohe Laminiergeschwindig- Laminierparameter ändern
keit
Zu geringe Vorheiztemperatur
Resistdicke
Zu geringe Laminiertemperatur
Resistflitter
Manuelles
Messern
Schneiden
• Laminiergeschwindigkeit reduzieren
• Vorheiztemperatur erhöhen
• Bei sehr dicken Leiterplatten
evtl. vortemperen
Dickeren Resist verwenden, Mylarfolie beachten
Laminierparameter
überprüfen
mit • Messerschärfe überprüfen,
ggf. Messer erneuern
• Schneidetechnik verbessern
• Zuschnitte nach dem Laminieren reinigen
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Fehlermerkmal
Ursache
Abhilfe
Kupferspots
Unzureichende Vorreinigung
Benetzungstest durchführen und
Vorreinigung
überprüfen
Trockenflecke
• Luftmesser im Trockner überprüfen
• Trocknungswalzen überprüfen,
ggf. Belag erneuern
• Spülwasser
überprüfen
Entwickler überladen
• Konzentration der Resistbeladung messen
• Entwickler verdünnen
• Entwickler reinigen
• Transportsystem
überprüfen
Zu hohe Laminiertemperaturen
Laminierparameter überprüfen
Danksagung
Die Autoren danken Herrn Anschütz, Firma Morton, Herrn Habicht, Firma Gebr. Schmid,
Herrn Kunath, Firma DuPont, Herrn Dr. Rutenberg, Firma Ruwel Werke, Werk Schoeller,
und Herrn Waldner, Firma Multiline, für die offenen Diskussionen und für die Überlassung
von Unterlagen.
Die Autoren bedanken sich ebenfalls bei ihren Firmen für die wohlwollende Unterstützung
und für die zur Verfügung gestellte Arbeitszeit zum Erstellen dieser Schulungsblätter.
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10
Anhang
10.1
Fortpflanzung von Fehlern
Physikalische Größen werden durch Messungen ermittelt; am häufigsten sind es die Gewichts-, Zeit-, Volumen- und Längenmessungen und im modernen Alltagsleben als abgeleitete Größe selbstverständlich die Geschwindigkeitsmessungen. Alle diese Messungen sind
fehlerbehaftet. Um Streit und Betrug vorzubeugen setzten die Gesetzgeber deshalb schon
seit Jahrtausenden Standardmaße fest, die von der Obrigkeit geprüft und später sogar mit
einem Eichstempel versehen wurden. Bei allen geeichten Messungen schreibt der Gesetzgeber die maximale Abweichung der Messungen vom Soll-Wert vor. So muß z.B. die Ungenauigkeit an Zapfsäulen unter 0,5 % liegen. Beim Auto wird aber zusätzlich aus Sicherheitsgründen bestimmt, daß der Tachometer nicht „nachgehen“ darf, d.h. niedrigere als die
tatsächlichen Ist-Werte anzeigt. Hier wird aufgrund der Gesetzesvorgabe konstruktiv eine
einseitige Abweichung zu höheren Geschwindigkeitsangaben erzeugt.
Führt man mehrere Messungen an ein und derselben physikalischen Größe durch, so wird
man, wenn die Auflösung der Meßanzeige fein genug ist, jedesmal einen etwas anderen
Wert finden. Ist die Zahl dieser Wiederholungsmessungen aber hoch genug, so erhält man
eine zuverlässige Aussage über den Mittelwert und die Streuung der fehlerbehafteten Messungen. Aus diesen Messungen kann man dann auf den wahrscheinlichen Ist-Wert und auf
die Fehlerbreite schließen, beim Messen erhält man nämlich immer nur fehlerbehaftete Meßergebnisse, nicht aber die Fehler selbst.
Grobe Fehler, die z.B. aus Unachtsamkeit während der Messung entstehen, wollen wir bei
unseren weiteren Betrachtungen unberücksichtigt lassen, da sie nur schwer oder fast gar
nicht mathematisch in den Griff zu bekommen sind. Als Beispiel könnte man die Messung irgendeiner Strecke mit einem Ist-Wert von 1,57 m anführen, die der Messende aus Versehen
mit dem Falsch-Wert von 1,47 angibt. Diese „Konzentrationsfehler“ schließen wir im folgenden aus.
Die anderen auftretenden Fehler lassen sich dann in zwei Gruppen aufteilen:
a) Konstruktiv bedingte Fehler des Meßgeräts oder Fehler die z.B. auf die speziellen
Eigenheiten der messenden Person zurückzuführen sind.
b) Zufällige Schwankungen der Meßergebnisse aufgrund nicht ermittelbarer
Ursachen.
Im ersten Fall zeigen die Fehler i.a. ein regelmäßiges Verhalten, so daß man sie oftmals in
ein mathematisches Gesetz formen kann. Fehler der zweiten Art sind dagegen völlig unregelmäßig und unkontrollierbar. Manchmal sind sogar die Fehlerursachen bekannt, aber man
kann sie nicht erfassen und abstellen. Typisch ist z.B. der Meßfehler am Meßmikroskop, bei
dem Fadenkreuze an die zu messenden Endpunkte einer Meßstrecke angelegt werden
müssen. Hier ist trotz optischer Hilfen die Ablese- und Beurteilungsfähigkeit des menschlichen Auges beim Einstellen des Fadenkreuzes geringer als die Genauigkeit des Meßinstruments und somit ergeben Wiederholungsmessungen ständig andere Werte. Im Prinzip wird
mit den Wiederholungsmessungen in diesem Fall nicht irgendein anonymer Meßfehler be-
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Seite 67
stimmt sondern ganz speziell die Ablese- und Beurteilungsfähigkeit des Auges der messenden Person. Diese Fehler sind nicht kontrollierbar und unterliegen als rein zufällige Fehler
der Fehlerrechnung. Die nicht zufälligen Fehler der ersten Art werden von der Fehlerrechnung dagegen nicht betrachtet.
Bei unregelmäßigen, rein zufälligen Fehlern liegen bei Wiederholungsmessungen die Meßwerte im allgemeinen um einen Zentralwert etwa im Sinne einer Gauß-Verteilung. Hierbei
sollte die Anzahl der positiven Abweichungen vom Zentralwert ungefähr gleich groß sein wie
die Anzahl der negativen Abweichungen. Es kommt aber auch vor, daß eine Seite der Abweichungen deutlich überwiegt. In diesem Fall spricht man von einseitig wirkenden Fehlern.
Diese Einseitigkeit von Fehlern hat meistens eine systematische Ursache. Im Falle der Geschwindigkeitsmessungen in Autos ist sie gewollt, oftmals aber auch ungewollt. Bei einseitigen Fehlern sollte man auf jeden Fall nach der Ursache der Einseitigkeit forschen und versuchen, die Einseitigkeit abzustellen. Einseitige Fehler sind weder unregelmäßig noch zufällig und werden ebenfalls von der Fehlerrechnung nicht erfaßt.
Gibt es mehrere Fehlerquellen bei der Durchführung von Messungen - und dies ist meistens
der Fall - so spricht man am Ende der Messungen von einem Gesamtfehler, der sich aus
den Teilfehlern einer jeden Fehlerursache zusammensetzt. Die hierbei zu beachtenden Gesetzmäßigkeiten werden nachfolgend beschrieben.
Gegenstand der Fehlerrechnungen bzw. Fehlertheorien sind rein zufällige Fehler, die folgende Bedingungen erfüllen:
1. Die Zahl der positiven und negativen Fehler sind annähernd gleich häufig und die Summe
aller Fehler ist annähernd Null.
2. Kleinere Fehler treten häufiger auf als größere Fehler.
3. Der Schwerpunkt der Fehlerhäufigkeit liegt im Nullwert oder in dessen Nähe.
Nehmen wir nun an, in einem Meßlabor streiten sich 3 Personen, wer am genauesten mit
dem Meßmikroskop messen kann. Um dies herauszufinden, einigt man sich auf folgenden
Test: Mit Hilfe des sehr genauen Meßmikroskops soll an einem Schliff die Kupferstärke eines Leiterzugs gemessen werden. Um den Wert möglichst genau zu ermitteln, wird von jeder Person der Leiterzug an derselben Stelle 10 mal gemessen. Jede Person erhält dann
M1, M2 ...M10 Meßergebnisse. Wie groß sind jetzt die Meßfehler ?
Wenn X die wahre, aber unbekannte Schichtdicke ist, dann definiert man die wahren Meßfehler F1, F2 ... F10 durch:
F1 = X - M1
F2 = X - M2
:
F10 = X - M10
Da aber X nicht bekannt ist, denn dann bräuchten wir nicht zu messen, können wir die Fehler F1 bis F10 für jede unserer 3 Personen nicht berechnen, und somit auch nicht feststellen
wer der Beste ist. Mathematisch gesehen ist das Verfahren tatsächlich in einer Sackgasse
gelandet. Um an dieser Stelle aber nicht aufzugeben, ist es üblich geworden, die Absolutbe-
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träge aller Meßergebnisse zu summieren und durch die Anzahl der Messungen zu dividieren. Mathematisch bildet man also das arithmetische Mittel der Beträge der Meßwerte und
hofft, daß dieser Mittelwert dem wahren Wert X möglichst nahe kommt. Sicher ist das aber
nicht!
Es sei ausdrücklich betont, daß dieses Verfahren eine reine Konvention ist, nicht aber durch
eine logische mathematische Begründung erzwungen. Tatsächlich gibt es auch andere
Verfahren, die aber wenig gebräuchlich sind und deshalb an dieser Stelle nicht weiter erörtert werden sollen.
_
Bezeichnen wir den soeben diskutierten Mittelwert mit x, so errechnet er sich durch
|M1|+ |M2|+ .......+ |Mn|
x = --------------------------------n
1
_
=
----n
∑ |Mn|
Hiermit können wir nun die „Durchschnittsfehler“ fn in Analogie zu den wahren Fehlern Fn
definieren.
_
f1 = x - M1
_
f2 = x - M2
:
_
f10 = x - Mn
_
Ein „Durchschnittsfehler“ ist somit die Abweichung zwischen dem Durchschnittswert x und
dem n-ten Meßwert, wohingegen ein wahrer Fehler die Abweichung zwischen dem wahren
Wert und dem n-ten Meßwert ist.
Nach dem hier Festgelegten läßt sich aber immer noch nicht bestimmen, wer von den drei
Personen am besten gemessen hat, denn von jeder Person können wir für jeden Meßwert
seiner 10 Messungen nur die Abweichung zum Durchschnittswert x bestimmen; d.h. wir haben für jede Person 10 Abweichungen f1 bis f 10, nicht aber einen einzigen Wert, den wir mit
den Ergebnissen der anderen beiden vergleichen könnten.
Nun könnte man z.B. die „Durchschnittsfehler“ f1 bis f 10 summieren und durch 10 dividieren,
also nochmals das arithmetische Mittel bilden. Dieses Verfahren gibt aber mit Einschränkung
zwei Probleme:
a) Die Summation der Fehler ergibt i.a. einen Wert der bei Null liegt, da die Abweichungen
sowohl positiver als auch negativer Art sind und gemäß der Bedingung 1. beide Vorzeichen auch noch annähernd gleich häufig auftreten sollen. (Für alle drei Personen würde
sich also idealerweise der Wert „Null“ ergeben, selbst wenn sie unterschiedlich genau
gemessen haben). Dieses Problem könnte aber noch durch eine Summation der Absolut-
VDE/VDI
3711,
Blatt 5.4
Seite 69
Werte umgangen werden.
b) Der Einfluß größerer Fehler wird nicht mit dem nötigen Gewicht vertreten, da bei großen
Meßreihen die Division durch die Anzahl der Meßergebnisse den Fehler stark relativiert.
Es ist deshalb üblich geworden, das Genauigkeitsmaß einer Meßreihe als Wurzel aus dem
arithmetischen Mittel der Fehlerquadrate zu berechnen und als mittleren Fehler zu bezeichnen:
_______________________
m = ± √ (f1² + f2² + f3² + ....+ fn²) : n
oder kürzer geschrieben:
__________
m = ± √ (∑ fn² ) : n
wobei bekanntlich
mittlerer Fehler
∑ fn² = f1² + f2² + f3² + ....+ fn² ist.
Der mittlere Fehler m wird um so genauer, je größer die Anzahl n der Einzelmessungen ist.
Rechnen wir jetzt für jede unserer 3 Personen den mittleren Fehler m ihrer 10 Messungen
aus, so läßt sich vergleichen, wer am besten gemessen hat.
Angemerkt sei, daß auch hier die Berechnung des mittleren Fehlers m mit Hilfe der Fehlerquadrate keine zwingende mathematische Konsequenz ist, sondern aus der Zweckmäßigkeit resultiert. Grundsätzlich könnte man andere Gleichungen wählen; die Gleichung der
Fehlerquadrate hat sich aber aus eben jener Zweckmäßigkeit durchgesetzt und wir wollen
uns dieser „Konvention“ anschließen.
Wie verändert sich nun der mittlere Fehler, wenn ein wahrer, aber unbekannter Wert X um
einen konstanten Faktor a vergrößert wird und die Größe X durch die Messung M mit einem
mittleren Fehler m bestimmt wurde ? Gemäß unserer Festlegung ist
X=M±m
so daß bei Multiplikation mit der Konstanten a folgt:
aX = a (M ± m)
= aM ± am
Der durch Messung bestimmte Wert ist also aM und der mittlere Fehler für aX ist ± am. Dies
ist verständlich, denn wenn für die Messung einer Strecke aX eine Meßlatte M zur Verfügung steht, die a-mal ausgelegt werden muß um aX zu messen, dann geht in jede einzelne
Messung der mittlere Fehler m ein, bei a Messungen also ein Gesamtfehler von m multipliziert mit a.
VDE/VDI
3711,
Blatt 5.4
Seite 70
Hat man zur Lösung eines Problems verschiedene Größen zu messen, so stellt sich sofort
die Frage, welchen Gesamtfehler die von einander unabhängigen Messungen verursachen.
Zu messen sei die Gesamtgröße Y mit den unbekannten einzelnen Größen X und X’:
Y = X + X’.
Zunächst messen wir n-mal die Größe X. Die Meßergebnisse seien M1, M2..Mn . Anstelle des
Unbekannten Werts von X benutzen wir nach dem früher gesagten das arithmetische Mittel
des Betrags der Meßergebnisse, also:
|M1| + |M2| + ....+ |Mn |
----------------------------- =
n
_
x=
1
----- ∑ |Mn|
n
Hiermit können wir den „Durchschnittsfehler“ fn der n-ten Messung berechnen:
_
fn = x - Mn
Anschließend erhält man, wie vorher schon beschrieben, den mittleren Fehler durch Bildung
von
_______________________
m = ± √ (f1² + f2² + f3² + ....+ fn² ) : n
Für die zweite (und jede weitere) unbekannte Größe X’ verfährt man analog.
Damit ergibt sich für die Durchschnittsmeßwerte der gesamte „Durchschnittswert“ zu:
_
_
_
y = x + x’
Fragen wir jetzt nach dem mittleren Fehler der Gesamtmessung mges als Funktion der einzelnen mittleren Fehler m und m’
mges = Fkt. (m, m’),
so gilt zunächst
_
x = Mn + fn
_
x’ = Mn‘ + fn ‘
Nach Einsetzen der Werte in die Gleichung
n = 1, 2, 3 ......
VDE/VDI
3711,
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Seite 71
_
_
_
y = x + x’
folgt für den gesamten Durchschnittsmeßwert:
_
y = Mn + fn + Mn‘ + fn‘
_
y =(Mn + Mn‘) + (fn + fn‘)
n = 1, 2, 3 ......
Diese Gleichung kann man auch derart interpretieren, daß (Mn + Mn‘) als eine einzige Messung der unbekannten Größe (X + X’) angesehen wird, die dann mit dem Fehler (fn + fn‘) behaftet ist.
Der mittlere Fehler ergibt sich dann gemäß Definition zu:
mges = √ ( (f1 + f1’)² + (f2 + f2’)² + ....+ (fn + fn’)² ) : n
nun ist:
d.h.
(fn + fn’)² = fn ² + 2 fnfn‘+ fn’²
mges = √ (f1 ² + f2² +....+ fn ²):n + (f1‘² + f2’² +....+ fn ’²) : n + 2 (f1 f1’+....+ fn fn‘):n
Gemäß Definition gilt aber:
und
m=
___________________
√ (f1 ² + f2² +....+ fn ²) : n
m’ =
____________________
√ (f1‘² + f2’² +....+ fn ’²) : n
d.h. m² = (f1 ² + f2² +....+ fn ² ) : n
d.h. m’² = (f1 ‘² + f2’² +....+ fn ’² ) : n
Der letzte Ausdruck unter der Wurzel wird aber für beliebig große n gegen Null streben,
f1f1’ + f2f2’ + ....+ fnfn’
2 ----------------------------⇒ 0
n
wenn wir es tatsächlich, wie eingangs vorausgesetzt, mit rein zufälligen Fehlern zu tun haben, bei denen die Zahl der positiven und negativen Fehler gleich häufig sind und die Summe der Fehler gegen Null strebt. Man beachte, daß im Gegensatz zu fn² und fn’², die aufgrund des Quadrats immer positiv sind, das Produkt fnfn’ aber negativ wird, wenn einer der
beiden Werte negativ ist. Die Summe aus fn² und fn’² wird also jeweils positiv, die Summe
aus fnfn’ dagegen Null.
VDE/VDI
3711,
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Seite 72
Setzen wir die hier erzielten Ergebnisse in die Gleichung für mges ein, so ergibt sich das
Fehlerfortpflanzungsgesetz zu
_________
mges = ± √ m² + m’²
Sind mehr als zwei Meßgrößen vorhanden, erweitert es sich zu
__________________
mges = ± √ m² + m’² + m’’² + ....
allgemeines Fehlerfortpflanzungsgesetz
d.h. der gesamte Meßfehler ist nicht die Summe der einzelnen Meßfehler sondern die Wurzel aus der Summe des Quadrat der einzelnen Meßfehler.
VDE/VDI
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Seite 73
10.2
Graukeil - Vergleichstabelle
Dichte
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
1,05
1,10
1,15
1,20
1,25
1,30
1,35
1,40
1,45
1,50
1,55
1,60
1,65
1,70
1,75
1,80
1,85
1,90
1,95
2,00
2,15
2,30
2,45
2,60
2,75
2,90
3,05
Stouffer
21
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Stouffer
41
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
DuPont
Riston
Morton
Dynachem
1
Hitachi
Photec
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
9
10
10
11
11
12
12
13
13
14
15
16
17
18
19
20
21
14
15
16
17
18
19
20
21
Kalle
Ozatec
BASF
Nylotron
1
2
2
4
3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
6
4
8
5
10
6
12
7
14
8
16
9
18
10
11
12
13
VDE/VDI
3711,
Blatt 5.5
Fotodruck mit Flüssigresists;
Lötstoppmaske
Seite 1
Allgemeines
Das Fotodruckverfahren wird wegen der erreichbaren guten Passergenauigkeit auch zum
Aufbringen von Lötstoppmasken, zugleich Isolationsmasken, eingesetzt. Als Flüssig-Resists
sind fotostrukturierbare Lötstopplacke vorzugsweise für Leiterbilder mit Fein- und Feinstleitertechnik in der Anwendung. Ein weiterer Vorteil ist das vergleichsweise hohe Auflösungsvermögen. Folgende Applikationsverfahren werden eingesetzt:
• Vorhanggießen
• Siebdrucken (horizontal und vertikal)
• Sprühen (konventionell oder elektrostatisch)
Zur Anwendung kommen verschiedene Lacksysteme, basierend auf
•
•
•
•
Epoxidharzen
Acrylaten
Epoxyacrylaten
oder
Novolak-Epoxyacrylaten.
Beim Belichten vernetzen die mit UV-Licht bestrahlten Partien und verändern dadurch ihr
Löslichkeitsverhalten. Die durch eine geeignete Schablone abgedeckten Bereiche auf der
Leiterplatte können durch Herauslösen entwickelt werden.
Aufgrund ihres chemischen Aufbaues werden diese Lacke in unterschiedlichen Medien entwickelt. Folgende Entwicklermedien kommen zur Anwendung:
− Lactone, z.B. γ-Butyrolacton
CH2
O
CH2
CH2
C
O
γ-Butyrolacton (C4 H6O2)
− Polyalkohole, z.B. Ethyldiglycol, Butyldiglycol
O
C4H9
CH2
CH2
O
CH2
OH
CH2
Butyldiglycol (C8 H18 O3)
− Alkalien, z.B. Natriumcarbonatlösung
Na2 CO3
Natriumcarbonat
Außerdem stehen Lacke zur Verfügung, die sich sowohl in Alkalien als auch in Polyalkoholen gleich gut entwickeln lassen.
Entsprechend derzeitiger Umweltschutzgesetzgebung sind Verfahrenstechniken anzuwenden, die Abfälle vermeiden bzw. Abfälle durch Recycling wiederverwertbar machen. Daher
sollten Lactone bzw. Polyalkohole als Entwickler bevorzugt werden, da diese aus der beladenen Entwicklerlösung zurückgewonnen werden können.
VDE/VDI
3711,
Blatt 5.5
Lötstoppmaske
Seite 2
Schematische Darstellung des Prozeßablaufes
Wareneingangskontrolle
Pkt. 1
Lackvorbereitung
Pkt. 2
Beurteilung der zu beschichtenden Leiterplatte
Pkt. 3
Vorreinigen
Pkt. 4
Vorwärmen
Pkt. 5
Beschichten
Pkt. 6
Ablüften
Pkt. 7
Vortrocknen
Pkt. 8
ja
Beschichten der
2. Leiterplattenseite
nein
Belichten
Pkt. 9
Haltezeit
Pkt. 10
Entwickeln
Pkt. 11
Spülen
Pkt. 11
Trocknen
Pkt. 11
Optische Kontrolle
Pkt. 12
Thermische Härtung
Pkt. 13
UV-Nachvernetzung
Pkt. 14
Lötstoppmaske
VDE/VDI
3711,
Blatt 5.5
Seite 3
Prozeßablauf
1
Wareneingangskontrolle
Im Rahmen der Produkthaftpflicht und auch im Sinne der Qualitätssicherung ist grundsätzlich eine Wareneingangskontrolle durchzuführen. Diese kann sich u. a. auf folgende Prüfungen beschränken oder ist ggf. in Liefervereinbarungen festzulegen:
1.1
Identprüfung
Eine Kontrolle bzw. Sichtkontrolle ist durchzuführen zu folgenden Punkten:
1.1.1
Visuelle Kontrolle
Eine optische Beurteilung der angelieferten Gebinde, deren Beschaffenheit und deren Etikettierung - z.B. der richtigen Typenbezeichnung, der Kennzeichnung gemäß der Gefahrstoffverordnung (GefStoffV), wenn angegeben eine Überprüfung des Haltbarkeitsdatums ist eine einfache und sichere Möglichkeit der ersten Wareneingangskontrolle. Hierzu gehört
auch ein Farbtonvergleich.
1.1.2
Geruchskontrolle
Eine Geruchskontrolle im Vergleich zu einer Vorpartie sollte vorgesehen werden; ein anderer
oder deutlich abweichender Geruch muß Anlaß für weitere Überprüfungen sein.
1.1.3
Viskositätskontrolle
Die Viskositätskontrolle ist entsprechend den Herstellerangaben bzw. der getroffenen Liefervereinbarungen durchzuführen. Dünnflüssige Lacke, z.B.Gießlacke, werden nach DIN 53
211 mit einem DIN-Auslaufbecher, 4 mm - Düse, gemessen. Hochviskose bzw. strukturviskose Lacke, z.B. Siebdrucklacke, werden mit einem Rotations- bzw. Turboviskosimeter nach
DIN 53 214 gemessen.
1.1.4
Probebeschichtung
Eine Probebeschichtung unter Praxisbedingungen kann in Liefervereinbarungen festgelegt
werden. Sie ist im Sinne zur Zeit geübter Rechtssprechung zumutbar und zwecks möglicher
Schadensbegrenzung ratsam.
In Abhängigkeit der Applikationsmethode sollte zwischen Lacklieferant und Leiterplattenhersteller die Durchführung der Probebeschichtungen abgesprochen werden. Die mit einer
neuen Lackcharge beschichteten Leiterplatten werden gesondert gekennzeichnet und nach
festgelegten Prüfkriterien, z.B. Belichtungszeit, Entwickelbarkeit, HAL-Beständigkeit unter
Produktionsbedingungen bewertet.
Lötstoppmaske
VDE/VDI
3711,
Blatt 5.5
Seite 4
2
Lackvorbereitung
Vor der Verarbeitung muß der Lack (bei Mehr-Komponentensystemen alle Komponenten)
sowie die ggf. benötigte Verdünnung auf Raumtemperatur gebracht werden. Zweckmäßig
werden die Gebinde, die am nächsten Tag verarbeitet werden sollen, am Vortag in einen
Raum gebracht, dessen Temperatur der des Verarbeitungsraumes entspricht.
Bei Mehr-Komponentensystemen erfolgt vor der Verarbeitung das Vermischen der einzelnen
Komponenten im vom Hersteller vorgegebenen Mischungsverhältnis. Für das Anmischen
von kleinern Mengen muß beachtet werden, ob das Mischungsverhältnisse in Gew.% oder
Vol. % angegeben ist. Die meisten Hersteller liefern die Lackgebinde so an, daß in der Regel das Volumen des Gebindes der Lackkomponente A so groß bemessen ist, daß die Härterkomponente B und auch noch eine zur Viskositätseinstellung notwendige Verdünnungsmenge aufgenommen und gut und sicher verrührt/gemischt werden können.
Lack- und Härterkomponenten müssen dann sorgfältig gemischt werden, bis eine homogene
Mischung erfolgt ist. Zweckmäßig kommen mechanische Rührgeräte zur Anwendung, wobei
die Rührzeit etwa 10 bis 15 Minuten beträgt. Rührkörper, die Luft einrühren, z.B. Propellerrührer, müssen vermieden werden. Eine ggf. verfahrensbedingte Menge Lösungsmittel muß
ebenfalls unter dem Rührer zugegeben und homogenisiert werden.
Um eine gute Vermischung aller Komponenten zu gewährleisten, empfiehlt es sich, die fertige Mischung in ein leeres Gebinde umzuschütten und nochmals zu rühren. Hierdurch wird
verhindert, daß unvermischtes Material zur Verarbeitung kommt, so daß Qualitätseinbußen
vermieden werden.
Anmerkung:
Die beim Umgang mit Chemikalien allgemein üblichen Maßnahmen sollten sorgfältig beachtet werden, ebenfalls auch die „Verordnung über brennbare Flüssigkeiten“ (VbF) sowie
auch die „Technischen Regeln für brennbare Flüssigkeiten“ (TRbF).
3
Beurteilung der zu beschichtenden Leiterplatte
Vor der Beschichtung mit Lötstopplack sind folgende Punkte anhand der zu beschichtenden
Leiterplatte zu klären :
3.1
Beurteilung des Basismaterials
Ist es aufgrund des verwendeten Basismaterials notwendig, zusätzliche Arbeitsschritte vor
oder nach der Vorreinigung der Leiterplatte durchzuführen (z.B. Temperschritte)?
3.2
Beurteilung des Metallaufbaues
Welches Vorbehandlungsverfahren ist für die vorhandene Metallisierung geeignet?
Lötstoppmaske
VDE/VDI
3711,
Blatt 5.5
Seite 5
3.3
Beurteilung der Leiterhöhe
In Relation zur Leiterhöhe muß die Beschichtung so variiert werden (z.B. Wahl der verwendeten Gewebe, Schablonenaufbau beim Siebdruck oder Beschichtungsmenge beim Vorhanggießen), daß die vom Leiterplattenanwender spezifizierte Lötstoppmaskenabdeckung
(besonders an der Leiterkante) nach vorliegenden statistischen Aufzeichnungen erreicht
werden kann. Die Angaben zur Leiterhöhe können den Angaben der vorgeschalteten Abteilungen entnommen werden (SPC - statistical process control - der Galvanik) oder vor der
Beschichtung gemessen werden. Die Beschichtungsparameter werden in der Regel über
Rückmeldungen der Endkontrolle statistisch erfaßt und können für die Festlegung der Produktionsparameter verwendet werden.
4
Vorreinigen
Die optimalen Vorreinigungsmethoden werden von den Lötstopplackherstellern für die einzelnen Metallauflagen spezifiziert und müssen eingehalten werden.
Voraussetzung für eine einwandfreie Haftung der Lötstoppmaske, aber auch zum Erreichen
der maximalen elektrischen Eigenschaften ist ein einwandfrei sauberes und trockenes Substrat und eine oxidfreie Metallauflage. Für die gängigsten Metallauflagen eignen sich in der
Regel folgende Vorbehandlungsmethoden :
4.1
Kupferleiter
Bei Kupferleitern ist es wichtig, daß die Leiter oxidfrei sind, eine leichte Oberflächenrauhigkeit zur Verbesserung der Haftfestigkeit aufweisen und möglichst an den Leiterkanten durch
den Vorbehandlungsschritt leicht gerundet werden, um eine bessere Kantenabdeckung
durch die Lötstoppmaske zu ermöglichen. Folgende Verfahren sind in der Praxis üblich:
4.1.1
Bürsten
Durch das Bürsten der Leiterplatten wird eine oxidfreie Oberfläche mit einer, je nach eingesetztem Bürstentyp, definierten Oberflächenrauhigkeit erzielt. Die Leiterkanten werden im
Winkel von 90° zur Laufrichtung leicht abgerundet.
4.1.2
Bimsbürsten/Bimsstrahlen
Beim Bimsbürsten/Bimsstrahlen wird die Oberflächenrauhigkeit von der verwendeten
Bimsmehltype bestimmt. Die Oberflächenrauhigkeit ist gut reproduzierbar. Eine ausreichende Spülung, möglichst mit einer Hochdruckspüle, ist nach dem Bimsbürstprozeß vorzusehen, damit Bimsmehlrückstände auch aus kleinen "via holes" entfernt werden. Eine leichte
Rundung der Leiterkanten wird mit beiden Verfahren erzielt. Je kleiner die Löcher sind, desto höher ist die Gefahr der Verstopfung mit Bimsmehl. Dann muß eine chem. Vorbehandlung vorgesehen werden.
4.1.3
Chemische Vorbehandlung
Bei einer chemischen Vorbehandlung mit sogenannten Deoxidizern wird das Kupferoxid und
Verschmutzungen (Fettrückstände, Fingerabdrücke, u.a.) entfernt und dabei die Kupfer-
Lötstoppmaske
VDE/VDI
3711,
Blatt 5.5
Seite 6
oberfläche nicht zusätzlich aufgerauht. Neuere chemische Vorbehandlungen führen zu einer
leichten Aufrauhung der Oberfläche, die auch ein geringes Abrunden der Leiterkanten bewirkt. Bei reinen Ätzprozessen (z.B. mit Natriumpersulfat) ist die Rückätzrate zu berücksichtigen, damit das Kupfer in der Durchkontaktierung (Hülse) nicht zu stark abgetragen wird.
Der nachfolgende Spülprozeß ist besonders intensiv und sorgfältig durchzuführen, damit
Rückstände aus der chemischen Vorbehandlung nicht zu Haftungsstörungen der Lötstoppmaske führen.
4.2
Zinn/Blei-Leiter
Bei Zinn/Blei-Leitern und der Verwendung von Lötstopplacken, die in Polyalkoholen entwikkelt werden, ist es empfehlenswert, die Leiterplatten vor der Beschichtung in dem Entwicklermedium Polylakohol, z.B. BDG (Butyldiglycol), zu reinigen.
Anmerkung:
Bei unzureichender Vorreinigung der Oberfläche kann es durch Verunreinigungen zu Entnetzungen in der Lackschicht kommen. Hierbei entstehen durch die Oberflächenspannung
des Lackes sogenannte „ fish-eyes“ um die Verunreinigungen.
Es ist auch darauf zu achten, daß die Leiterplatten vor der Beschichtung mit Lötstopplack
vollständig trocken sind. Restfeuchte aus der Vorreinigung der Leiterplatten kann sich z.B.
während des HAL-Prozesses unter dem Lötstopplack explosionsartig ausdehnen und zu
Lackabplatzungen führen.
Grundsätzlich ist es von entscheidender Bedeutung, daß die Beschichtung unmittelbar nach
der Vorreinigung erfolgt, damit durch eine Zwischenlagerung nicht wieder eine Oxidation
oder Verschmutzung erfolgen kann.
5
Vorwärmen
Um eine bessere Entschäumung der Lötstopplacke zwischen den Leitern zu ermöglichen,
wird bei der Applikation im Vorhanggießverfahren ein Vorwärmen der Leiterplatte für einige
Lötstopplacke empfohlen.
Anmerkung:
Es sollte beachtet werden, daß ein Vorwärmen der Leiterplatte auch den applizierten Lack
erwärmt und die Viskosität des Lötstopplackes reduziert wird. Hierdurch kann es zu einem
stärkeren Ablaufen von den Leiterkanten kommen. Eine Veränderung am Prozeßschritt
"Vorwärmen" sollte nur bei gleichzeitiger genauer Kontrolle der Lackschichtdicke an der
Leiterkante vorgenommen werden.
Lötstoppmaske
VDE/VDI
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Blatt 5.5
Seite 7
6
Beschichten
Welche Auftragsart das wirtschaftlich oder technologisch bessere Verfahren ist, läßt sich
nicht generell beantworten. Diese Antwort kann nur sehr individuell gegeben werden, da
Stückzahlen, Formate und andere fertigungsspezifische, individuell verschiedene Faktoren
eine Rolle spielen.
Für die einzelnen Auftragsverfahren
− Vorhanggießen
− Siebdrucken (horizontal oder vertikal)
− Sprühen (konventionell oder elektrostatisch)
stehen von den meisten Herstellern speziell für diese Verfahren eingestellte Lötstopplacke
zur Verfügung.
Die gängigsten Beschichtungsverfahren werden nachstehend beschrieben:
6.1
Vorhanggießen
Beim Vorhanggießen (curtain coating) wird die Leiterplatte auf eine Geschwindigkeit von bis
zu 90m/min beschleunigt, durch den Lackvorhang transportiert und wieder auf die allgemein
übliche Transportgeschwindigkeit von 1,5-2,0 m/min abgebremst. Der Lackvorhang ist bezüglich Dicke und Fließgeschwindigkeit definiert.
Da Lackvorhang und Leiterplattentransportgeschwindigkeit annähernd gleich sind, legt sich
der Lötstopplack als gleichmäßige Schicht flächig auf die Leiterplatte.
Der Lötstopplack wird permanent aus einem Vorratsbehälter in den Gießkopf gepumpt und
fließt über eine Auffangrinne wieder in den Vorratsbehälter zurück. Um Lufteinschlüsse in
dem Lötstopplack zu verhindern, sollte der Lack über eine Lackablaufrinne in das Vorratsgefäß zurückfließen und nicht frei in den Vorratsbehälter fallen.
Bild 1: Seitenansicht Gießmaschine
Bild 2: Aufsicht Gießmaschine
Um gleichbleibende Prozeßparameter zu halten, wird die Viskosität des Lötstopplackes während des Umpumpens permanent durch ein Viskositätsmeßsystem überprüft und durch ein
automatisches Dosiersystem in den vorgegebenen Viskositätstoleranzen gehalten.
Durch ein Heiz-/Kühlsystem im Lackumlauf wird die Temperatur des Lötstopplackes konstant gehalten.
Die Lackmenge, die je nach Schichtdickenanforderung aufgebracht werden muß, wird
zweckmäßig über die Pumpenleistung/-drehzahl eingestellt. Frequenzgesteuerte Pumpen
Lötstoppmaske
VDE/VDI
3711,
Blatt 5.5
Seite 8
erlauben eine relativ genaue Voreinstellung. Die Feineinstellung erfolgt über eine Wägung
der aufgebrachten Naßlackmenge auf eine Probeleiterplatte.
Um die Beschichtungsmenge genau einzustellen, werden Basismaterialabschnitte einer definierten Fläche (z.B.200 x 300 mm) vorbereitet. Ein Abschnitt wird auf einer Waage mit einer Genauigkeit von mindestens + 0,1 g gewogen und dann beschichtet. Unmittelbar nach
der Beschichtung wird die Platte zurückgewogen und die Lötstopplackmenge errechnet. Die
Beschichtungsmenge wird bei Verwendung des o.a. Formates in g/6 dm² oder nach entsprechender Umrechnung in g/m² angegeben. (in diesem Beispiel: g/6 dm² x 16,6666 =
g/m²). Es ist unbedingt darauf zu achten, daß die Rückwägung unmittelbar nach der Beschichtung erfolgt, da sonst durch Verdunsten der Lösungsmittel das Meßergebnis verfälscht wird.
Wenn nach der Vortrocknung direkt die zweite Leiterplattenseite beschichtet werden soll, ist
unbedingt darauf zu achten, daß die Leiterplatte vor der Beschichtung der zweiten Seite um
180° gedreht wird. Durch diese Drehung wird verhindert, daß die Wandungen der Löcher
und Durchkontaktierungen beim Beschichten der zweiten Seite doppelt mit Lötstopplack beschichtet werden. Bei einer doppelten Beschichtung der Wandungen muß die Entwicklungszeit verlängert werden. Durch eine verlängerte Entwicklungszeit wird die Auflösung der Lötstoppmaske unnötig verschlechtert.
Folgende Vorteile ergeben sich beim Vorhanggießverfahren:
− die Anlagen können so ausgelegt werden, daß unmittelbar nach dem Vortrocknen die
zweite Leiterplattenseite beschichtet werden kann
− die Produktivität ist mit 2-4 Beschichtungen/min (mehr oder weniger unabhängig vom
Format) sehr hoch
− der gesamte Prozeß ist sehr sicher
− dieses Verfahren kann in hohem Maße automatisiert werden.
6.2
Siebdruck
Der Siebdruck ist ein Kontaktdruckverfahren, bei dem der Lötstopplack mit einer Rakel durch
ein Siebgewebe (mit oder ohne Schablone) auf die Leiterplatte übertragen wird.
Die Rakel sollte üblicherweise eine Shore-A-Härte von 65-70 und einen Winkelschliff aufweisen. Wenn dickere Lackschichten erreicht werden sollen, ist es ratsam, die Kanten leicht abzurunden. Der Rakelwinkel beträgt in der Regel 75-80°.
Empfohlene Siebgewebe sind häufig Polyestergewebe 43-55 T (Fäden/cm) oder Edelstahlgewebe mit ca. 135 mesh.
Die übrigen Siebdruckparameter sind abhängig von der Leiterplattenoberfläche. Generell
sollte der Rakeldruck so gering wie möglich gehalten werden, um Verquetschungen an den
Leiterkanten zu vermeiden.
Zur guten Abdeckung, auch von quer zur Rakelrichtung liegenden Leitern, empfiehlt sich
ggf. ein zweimaliger „Naß-in-naß“-Druck.
In das Sieb kann eine Schablone als Bohrlochabdeckung kopiert werden. Der Durchmesser
der Abdeckung muß nur etwas größer als der Bohrlochdurchmesser sein. Ein hoher Scha-
Lötstoppmaske
VDE/VDI
3711,
Blatt 5.5
Seite 9
blonenaufbau ist nicht nötig, da die Schablone nur zur Füllung der Siebmaschen dient. Hierdurch wird vermieden, daß sich in den Durchkontaktierungen Lackpfropfen bilden, die eine
ausreichende Durchströmung der Bohrungen beim Entwicklungsprozeß verhindern, wodurch
die Entwicklungszeit unnötig verlängert wird. Durch gezielte Maßnahmen, wie z.B. das Versetzten der Leiterplatten nach jedem Druck in der x-y Achse, kann das Füllen von Löchern
ebenfalls wirksam vermeiden.
Die Anwendung von sogenannten Leersieben (d.h. ohne Schablone) ist ebenfalls möglich.
Um die Freientwicklung der Bohrungen sicherzustellen, ist ggf. die Entwicklungszeit und,
damit verbunden, die Belichtungszeit entsprechend zu verlängern. Hierbei ist jedoch zu beachten, daß sich der Auflösungsgrad etwas verringern kann.
Die Entscheidung, ob ohne Schablone gearbeitet werden kann oder eine Schablone notwendig ist, ist stark von dem verwendeten Lötstopplack abhängig, da das Lösungsverhalten
im Entwickler unterschiedlich sein kann. Auch die Verarbeitungsweise (einseitig oder doppelseitig) sowie die Vortrocknungsmethode (Konvektionstrocknung, IR-Trocknung oder eine
Kombination) beeinflussen das Entwicklungsverhalten und somit die Entscheidung, ob mit
oder ohne Schablone gearbeitet werden kann.
6.2.1
Siebdruck einseitig
Beim einseitigen Siebdruck wird der Lötstopplack im Siebdruck appliziert, vorgetrocknet, belichtet, entwickelt und ausgehärtet. Danach wird die 2. Seite bedruckt und analog der 1.
Seite prozessiert.
6.2.2
Siebdruck doppelseitig (horizontal oder vertikal)
Eine doppelseitige Applikation im horizontalen Siebdruck ist nur mit besonderen Siebdruckeinrichtungen möglich. Da der Siebdruck ein Kontaktdruckverfahren ist, wird die Leiterplattenunterseite beim Druckvorgang einer Druckbelastung ausgesetzt. Diese kann zu einer Beschädigung der zuerst aufgebrachten Lackschicht führen, wenn diese nur vorgetrocknet ist.
Wenn die erste Leiterplattenseite vor der Beschichtung der zweiten Seite belichtet und entwickelt wird, kommt es zu einem verstärkten Unterspülen und dadurch zu einer schlechteren
Auflösung auf der ersten Seite. (Zweimaliges Einwirken des Entwicklers auf die erste Seite).
Aus diesen Gründen ist eine doppelseitige Beschichtung im Siebdruck nur möglich, wenn die
Leiterplatte beim Druck der 2. Seite auf Adapterstiften in den Durchkontaktierungen fixiert
oder spezielle horizontale Siebdruckmaschinen eingesetzt werden, mit denen ein gleichzeitiges Beschichten beider Leiterplattenseiten möglich ist. Im wesentlichen basieren die vertikalen Siebdruckanlagen auf folgenden Grundprinzipien:
- Nutzen werden vertikal befestigt
- die Siebe sind im gleichen Abstand zu dem vertikalen Nutzen befestigt
- beide Rakel sind jederzeit exakt in der gleichen Position auf der jeweils gegenüberliegenden Seite des Nutzens
- der Rakelwinkel ist für beide Rakel gleich
- die Rakel benötigen den gleichen dynamischen Druck auf beiden Seiten des Nutzens
- die Flutrakel benötigen die gleiche Kraft für ein gleichmäßiges Fluten der Siebmaschinen,
woraus sich die folgenden prinzipiellen Vorteile ergeben:
Lötstoppmaske
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- geringer Platzbedarf der Gesamtanlage
- Beschichtung von beiden Leiterplattenseiten gleichzeitig; dadurch Druck auf zwei gleich
saubere bzw. oxidfreie Oberflächen
- gemeinsame Vortrocknung der beiden Leiterplattenseiten; dadurch geringerer Energiebedarf und keine Gefahr der Übertrocknung, wie sie z.B.bei der zuerst beschichteten Leiterplattenseite im Vorhanggießverfahren auftreten kann
- vertikale Stellung der Leiterplatten bei der Vortrocknung; dadurch weitestgehende Verhinderung der Gefahr von Lackbeschädigungen durch eventuell tropfendes Kondensat, wie
sie beim horizontalen Transport der Leiterplatten auftritt
- die Durchkontaktierungen der im vertikalen Siebdruck beschichteten Leiterplatten bleiben
weitestgehend lackfrei, wodurch sich kürzere Entwicklungszeiten ergeben. Diese kürzeren
Entwicklungszeiten ermöglichen wiederum kürzere Belichtungszeiten und eine Reduzierung der Unterspülung.
Skizze doppelseitiger Siebdruck
Grundsätzliche Vorteile des Siebdruckverfahrens gegenüber dem Vorhanggießverfahren
sind:
− bei der Schablonentechnik können die Bereiche ausgespart werden, auf die keine Lötstoppmaske appliziert werden soll (freie Bereiche zwischen den Einzelnutzen, Galvanorand)
− aufgrund des höheren Festkörpers ist ein deutlich geringeres Naßlackgewicht notwendig
− die rheologischen Eigenschaften (Strukturviskosität) verhindern ein Ablaufen von der
Leiterkante, so daß bessere Kantenabdeckung erzielt wird.
6.3
Sprühen (konventionell oder elektrostatisch)
Beim Sprühen wird der Lötstopplack mit Druckluft fein zerstäubt und von dieser Luft zur
Leiterplatte transportiert (konventionelles Sprühen) oder zusätzlich elektrisch aufgeladen
(elektrostatisches Sprühen) und über die statische Aufladung und einem geringen Luftdruck
zur geerdeten Leiterplatte transportiert.
Lötstoppmaske
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Beide Sprühverfahren haben sich großtechnisch bislang nicht durchsetzen können, da diese
Verfahren einen sehr hohen Lackverlust aufweisen. Dieser Verlust ergibt sich daraus, daß,
um den Leiterplattenrand sicher zu beschichten, über die Leiterplattenfläche hinaus beschichtet werden muß. Dieser sogenannte "Overspray" kann zwischen 20 und 30 % der versprühten Lackmenge betragen.
6.4
Durchführung von Doppelbeschichtungen
Grundsätzlich gibt es drei mögliche Verfahren, wie eine Doppelbeschichtung ausgeführt
werden kann, wenn dies aufgrund von speziellen Kundenanforderungen (Kantenabdeckung,
Durchschlagsfestigkeit etc.) erforderlich sein sollte:
1.
Die zweite Lackschicht wird direkt nach der Vortrocknung der ersten Lackschicht aufgebracht.
Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der hierbei erreichten höchstmöglichen Produktivität, da alle weiteren Prozeßschritte, angefangen bei der Belichtung, gemeinsam –
und daher nur einmal – durchgeführt werden müssen. Der Nachteil bzw. die Schwierigkeit bei diesem Verfahren liegt hauptsächlich darin, daß die Leiterplatten insgesamt viermal die Vortrocknung durchlaufen, wodurch das Prozeßfenster dieses Verarbeitungsschrittes sehr klein wird, und es somit leicht zu Übertrocknungen und infolgedessen zu einer unvollständigen Freientwicklung kommen kann, die, wenn sie
nicht rechtzeitig (vor der Endhärtung) festgestellt wird, zu irreversiblen Fehlverzinnungen der Leiterplatten führen kann.
2.
Die zweite Lackschicht wird nach der Belichtung und Entwicklung der ersten Lackschicht aufgebracht.
Auch hier liegt der Hauptvorteil in der immer noch für Doppelbeschichtungen relativ
hohen Produktivität, da die besonders zeitintensive Endhärtung der Lackschichten
gemeinsam durchgeführt wird.
Das Risiko der Übertrocknung ist hierbei nicht höher als bei einer Einfachbeschichtung; hier kann jedoch eine unzureichende Vortrocknung der ersten Lackschicht zu
Problemen führen. Lösemitteleinschlüsse bzw. ein zu hoher Restlösemittelgehalt der
ersten Lackschicht können nach der durch die Belichtung ausgelösten Vernetzungsreaktion nur noch sehr schwer aus der Lackschicht entweichen. Dies kann dazu führen, daß diese Lösemittel bei der Heißverzinnung explosionsartig verdampfen und so
zu Lackablösungen führen. Um dies zu vermeiden, sollten folgende Punkte berücksichtigt werden:
2.1
Das Naßlackgewicht der ersten Lackschicht sollte möglichst niedrig gewählt werden,
um eine einwandfreie Durchtrocknung sicher zu gewährleisten; ggf. kann dies durch
ein entsprechend höheres Naßlackgewicht der zweiten Lackschicht kompensiert
werden, wodurch die Endschichtdicke unverändert bleibt.
Lötstoppmaske
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2.2
Die Vortrocknungsparameter der ersten Lackschicht sollten aus demselben Grund
möglichst an der oberen Grenze des Verarbeitungsfensters gewählt werden, wobei
besonders auf eine ausreichende Abluft (Lösungsmittelabführung) geachtet werden
muß.
2.3
Sollten aus irgendeinem Grund diese Punkte nicht berücksichtigt werden können, so
ist es u. U. möglich, durch eine zweistufige Endhärtung ein einwandfreies Ergebnis
trotz Lösemitteleinschlüssen zu erzielen. Hierbei ist die Temperatur im 1. Schnitt
niedriger als die eigentliche Endhärtetemperatur, so daß Lösemittelreste entweichen
können.
3.
Die zweite Lackschicht wird nach der Endhärtung der ersten Schicht appliziert.
Diese relativ unproduktive Vorgehensweise stellt allgemein den insgesamt sichersten
Prozeß dar. Trotzdem kann es auch hier, wenn auch aus anderen Gründen, zu Lackabplatzungen beim Heißverzinnen kommen.
Ursache hierfür ist nicht der Einschluß von Lösemitteln in der Lackschicht, sondern
vielmehr Verunreinigungen auf der Oberfläche der ersten Lackschicht, die sozusagen
eine Trennschicht zwischen den beiden Lackfilmen darstellt. Hierfür kommen prinzipiell zwei mögliche Ursachen in Frage:
3.1
Verunreinigungen aufgrund des Handlings der Leiterplatte zwischen den beiden Beschichtungsvorgängen.
Es muß daher darauf geachtet werden, daß die zunächst einmalig beschichteten
Platten mit der gleichen Sorgfalt behandelt werden, wie vorgereinigte, unbeschichtete
Leiterplatten. Fingerabdrücke u. ä. müssen unbedingt vermieden werden; ggf. empfiehlt es sich auch, eine zusätzliche Zwischenreinigung vor der Applikation der zweiten Lackschicht vorzunehmen.
3.2
Niedermolekulare Lackbestandteile (Kondensat) schlägt sich während der thermischen Endhärtung der ersten Lackschicht auf dieser nieder.
Durch ein zu niedriges Abluftvolumen während der Endhärtung der ersten Schicht
kann es zu einem Niederschlag dieses "Kondensates" auf den Leiterplatten kommen,
wodurch keine einwandfreie Lack-auf-Lack-Haftung erreicht werden kann.
Um einwandfreie Beschichtungsergebnisse sicherzustellen, sollten Vorversuche durchgeführt werden.
7
Ablüften
Während des Ablüftens sollen evtl. Lufteinschlüsse zwischen den Leitern entweichen. Außerdem werden bei diesem Prozeßschritt schon erste prozentuale Anteile Lösungsmittel aus
dem Lötstopplack entfernt. Das Ablüften findet bei Temperaturen bis maximal 50°C statt (Eine gute Abluftführung ist unbedingt notwendig. Außerdem sollte die Zuluft auch in der ersten
Lötstoppmaske
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Zeitphase des Ablüftens sehr gezielt über die Leiterplatten geführt werden können, um eine
optimale Kantenabdeckung zu erzielen.)
Die Luftmengen und die Temperatur in der Ablüftzone sollten regelbar sein. Es sollte eine
Ablüftzeit gemäß den Angaben des Lacklieferanten vorgesehen werden.
Anmerkung
Bei hohem Cu-Aufbau (70 µm Basiskupfer) kommt es in der Nähe der Leiter zu hohen Lackschichtdicken. Bei nicht ausreichender Abluftzeit oder zu steilem Temperaturprofil der Vortrocknung kann diese Lackschichtdicke zu Lösemitteleinschlüssen führen, welche die sogenannten „Nadelstiche“ erzeugen.
8
Vortrocknen
Die Vortrocknung dient dazu, die in dem Lötstopplack nach dem Ablüften noch enthaltenen
Lösungsmittel zu entfernen und die Schicht soweit zu trocknen, daß die Beschichtung der
zweiten Seite bzw. die Belichtung ohne Ankleben oder Abdrücke möglich ist.
Der Vortrocknungsprozeß arbeitet in einem Zeit-/Temperaturfenster, das je nach eingesetztem Lacksystem unterschiedlich ist. Die untere Grenze wird durch die mechanische Festigkeit der Lötstoppmaske festgelegt. Der obere Bereich der Vortrocknung, sowohl bzgl. der
Temperatur wie auch der Zeit, muß so gewählt werden, daß noch keine Startpolymerisation
der Lötstoppmaske stattfindet und somit die Entwicklung der nicht belichteten Stellen einwandfrei möglich ist. Bei der Festlegung der oberen Grenze ist darauf zu achten, daß ggf.
die Leiterplatten doppelseitig verarbeitet werden, d.h. nach der ersten Vortrocknung die
zweite Leiterplattenseite direkt anschließend beschichtet und vorgetrocknet wird. Die zuerst
beschichtete Seite wird also zweimal der Vortrocknung ausgesetzt.
Grundsätzlich kann die Vortrocknung als reine Konvektionstrocknung ausgelegt werden, ggf.
mit Integration des Ablüftens, oder als Kombination von Konvektion und IR-Strahlung.
Diese Kombination bietet in der Regel einen deutlichen Vorteil hinsichtlich des Platzbedarfes. (Man arbeitet mit kürzeren Trockenzeiten und höheren Temperaturen.)
Die reine Konvektionstrocknung benötigt mehr Platz und weist längere Durchlaufzeiten auf.
Dafür ist es möglich, mit niedrigeren Temperaturen zu arbeiten, wodurch sich folgende Vorteile bieten:
− Der Lötstopplack wird effektiver getrocknet
− Hierdurch wird die Gefahr reduziert, daß in den unteren Schichten noch größere Lösungsmittelanteile verbleiben, wodurch die Auflösung der Lötstoppmaske verschlechtert
wird. Dies ist besonders bei höheren Lackauftragsmengen von Bedeutung
− Die Problematik der Abdrücke durch das Transportsystem bei doppelseitiger Verarbeitung wird vor allem bei sehr dünnem Laminat reduziert; da die Temperaturbelastung
deutlich geringer gehalten werden kann, ist eine höhere mechanische Stabilität des Basismaterials bei der Vortrocknung gegeben.
Lötstoppmaske
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Neben einem ausreichenden Lufthaushalt (Menge Zu-/Abluft) zur wirksamen Abführung der
Lösungsmittel während der Vortrocknung ist es wichtig, eine ausreichende Kühlung im Auslauf der Vortrocknung vorzusehen.
Die Leiterplattentemperatur sollte nach der Kühlung nicht wesentlich über der Raumtemperatur liegen, um mechanische Beschädigungen beim Transport und Abstapeln zu verhindern. Nach der Vortrocknung kann bei einer doppelseitigen Verarbeitung die Beschichtung
der zweiten Seite erfolgen.
Für eine doppelseitige Beschichtung nach der Vortrocknung sollte das gesamte Transportsystem v-förmig ausgelegt oder der Leiterplattentransport so konstruiert sein, daß die Leiterplattenrückseite nicht flächig aufliegt, wodurch evtl. Beschädigungen der Beschichtung
wirksam vermieden werden.
Anmerkung:
Bei der Vortrocknung von modernen fotostrukturierbaren Lötstopplacken mit einer kurzen
Belichtungszeit kann es zu einer Kondensatbildung kommen. Diese Kondensatbildung kann
verstärkt bei einer Kombination Warmluft/IR-Vortrocknung auftreten.
Damit dieses Kondensat nicht in den Vortrocknungsofen zurückgeführt wird, ist eine ausreichende thermische Trennung von warmer und kalter Luft und ggf. der Einbau einer Kondensatfalle vorzunehmen.
Anmerkung:
Es ist darauf zu achten, daß die vom Lackhersteller angegebenen maximalen Standzeiten
zwischen den Prozeßschritten (Vortrocknen - Belichten - Entwickeln) nicht überschritten
werden, da sonst eine vollständige Freientwicklung unter Umständen nicht mehr gegeben
ist.
Anmerkung:
Bei der Planung von Trocknungsanlagen sollten die Lack- und Trocknerhersteller hinzugezogen werden, damit alle relevanten Vorschriften bezüglich Ex-Schutz bzw. Unfallverhütungsvorschriften beachtet werden.
9
Belichten
Bei der Belichtung werden die Flächen der beschichteten Leiterplatten mit UV-Licht bestrahlt, die auf der fertigen Leiterplatte eine Lötstoppmasken-Abdeckung aufweisen sollen.
Die beim Entwickeln freizuentwickelnden Flächen werden bei der Belichtung mit einer geeigneten Fotovorlage abgedeckt.
Zur Belichtung werden Belichtungsgeräte mit mind. 5 KW-Leistung verwendet. Eine höhere
Leistung verkürzt die Belichtungszeit und ermöglicht eine höhere Auflösung. Die Belichtungsgeräte sollten eine ausreichende Kühlung haben, so daß die Leiterplatten bei der Be-
Lötstoppmaske
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lichtung eine Temperatur von ca. 25°C nicht überschreiten, um ein Ankleben oder Markieren
der Fotovorlage zu vermeiden.
Die Geräte müssen mit einem Betriebsstundenzähler ausgerüstet sein, da die Nutzungsdauer der UV-Brenner nur etwa 1000 bis 1500 h beträgt und die Brenner dann ausgetauscht
werden müssen. Mit zunehmendem Alter der Lampe verschiebt sich der Wellenlängenbereich. Die in die Belichtungsgeräte eingebauten Integratoren sorgen dafür, daß weiterhin die
entsprechende Energie im richtigen Wellenlängenbereich zur Verfügung steht. Durch die
Wellenlängenverschiebung werden jedoch die Belichtungszeiten verlängert und die Wärmebelastung der Fotovorlage erhöht sich (Ankleben am Lack, Dimensionsstabilität nimmt ab).
Eine erhöhte Wärmestrahlung bei der Belichtung kann auch durch einen falschen oder defekten Brenner erzeugt werden und möglicherweise folgendes Problem erzeugen:
Durch die höhere Wärmeenergie wird die durch das UV-Licht angeregte Fotoreaktion bei
den auf langwelliges Licht reagierenden Fotoiniatoren fortgeführt. Diese Reaktion reicht aus,
um eine genügende Stoufferstufe darzustellen. Die Vernetzungsreaktion/Fotopolymerisation
der Lackoberfläche, die besonders durch kurzwelliges Licht erreicht wird, ist jedoch nicht
ausreichend für eine einwandfreie Beständigkeit der belichteten Flächen im Entwicklungsprozeß, so daß der Lackfilm bei der Entwicklung angequollen wird. Dies kann dazu führen,
daß es in Bereichen dünner Lackschichten (auf schmalen Leitern, an den Leiterkanten) zu
Lackablösungen kommt.
Es empfiehlt sich aus diesem Grund, sporadisch - jedoch besonders nach einem Brennerwechsel - die Härte des Lackfilmes nach der Entwicklung zu überprüfen. Die einfachste Methode ist der „Daumennageltest“; die Lackschicht sollte direkt nach der Entwicklung keine
Kratzer zeigen oder abgeschoben werden können.
Der Belichtungsrahmen muß ein Vakuum zwischen Leiterplatte und Rahmen ermöglichen.
Damit Lufteinschlüße zwischen Dia und Leiterplatte vermieden werden, ist die ggf. noch verbleibende Luft auszustreichen.
Anmerkung:
Die Prozeßschritte Belichten und Entwickeln sind stark voneinander abhängig. Daher sollten
beide Prozeßschritte immer im Zusammenhang gesehen werden, da sie aufeinander abgestimmt werden müssen. So führt z.B. unzureichend vorgetrockneter Lötstopplack das Vakuum beim Belichten zu Filmanhaftungen und somit zu Glanzstellen auf der Lötstopplackoberfläche.
9.1
UV-Brenner
Zur Belichtung benötigen die Lötstoppmasken eine UV-Bestrahlung mit einer bestimmten
Wellenlänge bzw. in einem bestimmten Wellenlängenbereich. Dieser Wellenlängenbereich
ist bei verschiedenen Lötstoppmasken ggf. sehr unterschiedlich. Es muß für eine optimale
Belichtung und somit auch Auflösung darauf geachtet werden, daß der Brenner in dem vom
Lötstopplackhersteller angegebenen Bereich emittiert. Das Emissionsmaximum der Brenner
wird von den Herstellern durch eine entsprechende Dotierung erreicht. Gebräuchlich sind ei-
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sendotierte Brenner mit einem Emissionsmaximum bei 365 nm und galliumdotierte Brenner
mit einem Emissionsmaximum bei 410 nm. Bei Wechsel des eingesetzten Lötstopplackes
muß darauf geachtet werden, daß nicht nur der Brenner, sondern auch der Integrator, der
die Strahlungsenergie mißt und bei nachlassender Belichtungsenergie die Belichtungszeit
verlängert, ggf. ausgewechselt werden muß.
Die Reflektoren des Strahlers müssen so konstruiert sein, daß der gesamte Belichtungsrahmen mit der gleichen Lichtenergie (±10%) ausgeleuchtet wird.
Bei wassergekühlten Brennern (empfohlen, um eine niedrige Temperatur beim Belichten zu
erzielen) ist, um eine Energiereduzierung zu vermeiden, beim Brennerwechsel auch die Glasummantelung auf Verfärbung zu kontrollieren.
9.2
Fotovorlage
Als Fotovorlage können Diazo-/ oder Silberhalogenidfilme verwendet werden.
Die Vor- und Nachteile der Fotovorlagen sind gegeneinander abzuwägen:
− Bei einer optischen Registrierung sind Diazofilme besser geeignet, da man durch die UVundurchlässigen Stellen sehen und somit das Layout besser mit der Vorlage in Übereinstimmung bringen kann
− Die Auflösung der Lötstoppmaske ist u.a. auch vom Abstand der Fotovorlage zur Lötstoppmaske bei der Belichtung abhängig (Unterstrahlung). Diazofilme sind zwar elastischer als Silberhalogenfilme und schmiegen sich der Leiterstruktur besser an; dafür sind
sie dicker als Silberhalogenidfilme, wodurch dieser Vorteil aufgewogen wird
− Silberhalogenidfilme heizen besonders bei sehr großen, abgedeckten Stellen die Lötstoppmaske bei der Belichtung stärker auf und können das Kleben an der Lötstoppmaske
verstärken (nur bei schlecht gekühlten Brennern von Bedeutung)
− Die Fotovorlagen absorbieren bei der Belichtung einen Teil der UV-Energie. Diazofilme
absorbieren ca. 50% der UV-Energie, Silberhalogenidfilme ca. 25%.
Der Einsatz von sogenannten Schutzfolien, die auf die Filmschicht laminiert werden und eine
Filmbeschädigung reduzieren, ist sehr sorgfältig zu prüfen. Diese Schutzfolien absorbieren
zusätzlich UV-Energie und vergrößern den Abstand zur Lötstoppmaske. Dadurch wird das
Auflösevermögen der Lötstoppmaske durch Unterstrahlung reduziert sowie die Belichtungszeit verlängert.
Bei der Belichtung ist darauf zu achten, daß die Filmvorlage kleiner oder maximal gleich
groß wie der Leiterplattennutzen geschnitten wird, damit zwischen Filmvorlage und Lötstoppmaske ein Vakuum aufgebaut werden kann bzw. durch eine durch das Vakuum am
Rand hochgedrückte Filmvorlage keine Mißregistrierung im Randbereich entsteht. Die Filmvorlage wird immer mit der beschichteten Seite auf die Lötstoppmaske aufgelegt.
9.3
Belichtungsenergie
Die für den Lötstopplack notwendige Belichtungsenergie wird von den Lackherstellern angegeben. Es wird die benötigte Wellenlänge des UV-Brenners (in nm) und die Belichtungse-
Lötstoppmaske
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nergie in mJ/cm² oder die nach der Entwicklung resultierende Graustufe oder beide Werte
angegeben. Bei der Messung der Belichtungsenergie mit einem Meßgerät ist darauf zu
achten, daß das verwendete Meßgerät mit dem Gerät des Lötstopplackherstellers abgeglichen wird, da die Geräte unterschiedlicher Hersteller sehr unterschiedliche Werte, je nach
verwendeter Meßsonde, anzeigen. Grundsätzlich ist darauf zu achten, daß das Meßgerät für
den entsprechenden Wellenlängenbereich geeignet ist.
Bei der Bestimmung der Graustufe wird ein in mehreren Stufen (in der Regel 21 Stufen) immer lichtundurchlässig werdender Filmstreifen auf die Löstoppmaske gelegt und mit unterschiedlichen Belichtungsenergien bestrahlt. Nach dem Entwicklungsprozeß wird die Stufe
beurteilt, die gerade noch abgewaschen/entwickelt wurde. Es wird die Belichtungszeit gewählt, bei der die Graustufe erreicht wird, die der Lötstopplackhersteller angibt. In der Praxis
hat sich bei Applikationsverfahren, bei denen Löcher und Durchkontaktierungen mit Lötstopplack beschichtet werden, eine Kombination beider Methoden bewährt. Mit dem Belichtungsgerät wird die generelle Belichtungszeit für Leiterplatten mit Durchkontaktierungen bis
zu 4 mm eingestellt. Für Leiterplatten, die aufgrund von sehr großen Löchern oder Langlöchern eine verlängerte Entwicklungszeit benötigen, ist zuerst die Entwicklungszeit zu bestimmen, die zur Freientwicklung dieser Löcher notwendig ist. Dann wird durch Belichtungstests mit dem Stufenkeil festgelegt, welche Belichtungszeit anzuwenden ist.
Die Belichtungsenergie muß immer in den angegebenen Grenzen des Lackherstellers gehalten werden, da eine Unterbelichtung zu einer stärkeren Unterspülung, eine Überbelichtung zu einer Unterstrahlung der Fotovorlage führt. Beide Effekte verschlechtern die Auflösung. Außerdem steigt bei einer Überbelichtung die Gefahr der Durchbelichtung auf der
zweiten Leiterplattenseite.
Bei dünnem Basismaterial (< 1 mm) ist in einem Belichtungs- und Entwicklungstest zu klären, ob es nicht zu Durchbelichtungen bei den vorgegebenen Belichtungsparametern
kommt. Besonders gefährdet sind doppelseitige SMD (surface mounted devices)-Layouts,
bei denen die Pads auf beiden Seiten nicht deckungsgleich sind. Im Falle von Durchbelichtungen müssen diese Leiterplatten einseitig verarbeitet werden oder lichtundurchlässiges
Basismaterial zur Anwendung kommen.
Eine optimale Belichtung, verbunden mit einer optimalen Entwicklung, ist immer dann gegeben, wenn die Stegbreite auf der Fotovorlage mit der Stegbreite auf der Leiterplatte übereinstimmt.
10
Haltezeit
Nach der Belichtung wird, je nach Lacksystem, eine Haltezeit empfohlen. Dieser Prozeßschritt dient dazu, die während der Belichtung angeregte fotochemische Reaktion zu optimieren und sollte unbedingt durchgeführt bzw. eingehalten werden. Zur Reduzierung der
Belichtungszeit wird für einige Lacksysteme empfohlen, nach der Belichtung die Leiterplatten
kurzzeitig zu erwärmen (thermo-bump). Um das recht enge Prozeßfenster für die
sen
"thermo-bump" einzuhalten, sollte dieser Schritt on-line automatisiert werden.
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11
Entwickeln
Anmerkung:
Die Prozeßschritte Belichten und Entwickeln sind stark voneinander abhängig. Daher sollten
beide Prozeßschritte immer im Zusammenhang gesehen werden, da sie aufeinander abgestimmt werden müssen.
11.1
Entwicklermedien
Entspechend der Löslichkeit der in den jeweiligen Lacken zum Einsatz kommenden Harze,
sind die Entwicklermedien unterschiedlich und somit variieren auch die Entwicklungsprozesse etwas.
11.1.1 Polyalkoholentwicklung
Bei der Entwicklung in Polyalkoholen handelt es sich um einen physikalischen Löseprozeß.
Der bei der Vortrocknung angetrocknete und bei der Belichtung nicht belichtete Lack wird
wieder in Lösung gebracht. Für die Lösegeschwindigkeit sind das Entwicklermedium, die
Entwicklertemperatur und die Entwicklerbeladung verantwortlich. Entwicklungsprozesse in
Polyalkoholen sollten relativ kalt gefahren werden (ca. 25°C), da der Entwicklungsprozeß
auch bei niedrigen Temperaturen recht zügig abläuft, und höhere Temperaturen das Ergebnis an den Flanken (Unterspülen) negativ beeinflussen. Da die zur Entwicklung eingesetzten
Polyalkohole ein mehr öliges Fließverhalten aufweisen, erhitzt sich die Entwicklerlösung
durch das Umpumpen relativ schnell. Um die Entwicklungstemperatur niedrig zu halten, ist
für eine ausreichende Kühlung zu sorgen. Damit die Einwirkung des Entwicklers auf den
Lötstopplack beendet wird, muß unmittelbar nach der Entwicklerzone eine Wasserzone folgen.
11.1.2 Wäßrig-alkalische Entwicklung
Der Begriff wäßrig-alkalische Entwicklung ist zwar eingeführt, aber eigentlich falsch gewählt.
Nach der allgemeinen Formel :
Säure + Lauge => Salz + Wasser
wird bei der Entwicklung die Carboxylgruppe im Harz des Lackes mit Soda zu einem wasserlöslichen Salz umgesetzt. Dieses Salz wird dann mit Wasser gelöst und abgespült. Dieser
Entwicklungsprozeß benötigt eine gewisse Reaktionstemperatur. Somit sollte der Entwicklungsprozeß in der Regel bei Temperaturen von > 30°C gefahren werden. Grundsätzlich
laufen wäßrig-alkalische Entwicklungsprozesse etwas schneller ab als in Polyalkohol. Ein
Stoppen des Prozesses durch eine Wasserspülung ist ebenfalls notwendig.
11.2
Entwicklungsprozeß
Beim Entwickeln sind einige grundsätzliche Überlegungen vom Entwicklungsmedium unabhängig.
Lötstoppmaske
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11.2.1 Randabdeckung
Beim Prozeßschritt Entwicklung soll die Lötstoppmaske von den Flächen der Leiterplatte
entfernt werden, die bei der Belichtung durch die Fotovorlage abgedeckt waren. Hier stellt
sich zuerst die Frage, wie die Randbereiche der Leiterplatte bzw. des Leiterplattennutzens
behandelt werden. Es bietet sich in der Regel an, den Rand völlig zu belichten, da sonst der
Entwickler schneller mit abgelöstem Lack beladen würde, und ein freientwickelter Rand bei
Nachfolgeprozessen mitbehandelt werden muß (Hot-Air-Leveling, chem. Ni/Au oder andere
Prozesse). Wenn die Frage, ob der Rand mit Lötstoppmaske bedeckt sein soll oder nicht,
von der jeweiligen Philosophie in der Fertigung abhängig sein kann, muß auf jeden Fall darauf geachtet werden, daß Belichten oder Nichtbelichten des Randes eindeutig durchgeführt
wird. Ein großes Problem verursacht ein nicht lichtdicht abgedeckter Rand. Beim Entwickeln
bildet sich ein nicht vollständig abentwickelbarer „Schmier“ der sich auf das Transportsystem
des Entwicklers setzt und auf freientwickelte Stellen wieder abgestempelt wird . Es entstehen Stellen, die für Nachfolgeprozesse nicht benetzbar sind.
11.2.2 Entwicklung aus Durchkontaktierungen
Wenn bei der Applikationsmethode Lötstopplack in die Löcher und Durchkontaktierungen
gebracht wurde (dies gilt besonders für die Applikation im Vorhanggießverfahren) ist die
Entwicklung aus den Löchern besondere Beachtung zu schenken. Bei der Entwicklung von
derart prozessierten Leiterplatten ist es wichtig, mit einem relativ hohem Sprühdruck (ca. 4
bar) und Fachstrahldüsen zu arbeiten. Die Düsen müssen in einem Winkel von ca. 60° zur
Leiterplattenoberfläche geneigt sein, damit der Entwickler möglichst lange und mit einem
möglichst hohen Druck auf den Lack in der Durchkontaktierung einwirken kann. Die Entwicklungszeit richtet sich bei solchen Leiterplatten nach der Zeit, die benötigt wird, um den
Lack aus den Löchern zu entfernen. Bei diesen Entwicklungsbedingungen wird automatisch
ein höheres Unterspülen erzielt, weil diese Bereiche eigentlich zu lange entwickelt und somit
zu stark angegriffen wurden.
Wenn bei der Applikationsmethode so gut wie kein Lack in Löcher eingebracht wurde (dies
gilt vor allem für die Applikationsmethode Siebdrucken), kann die Entwicklungszeit deutlich
reduziert werden. Auch der Sprühdruck kann auf ca. 2 bar reduziert werden. Durch diese
Maßnahmen ist das Unterspülen geringer, und es wird möglich, wesentlich feinere Stege
darzustellen.
Diese Überlegungen gelten für Löcher ca. > 0,4 mm. Bei kleinen Löchern gelten andere Bedingungen. Hier werden bei jeder Applikationsmethode die Löcher mehr oder weniger vollständig gefüllt. Um eine Entwicklung zu erreichen, muß möglichst häufig Entwickler an die
zu entwickelnde Stelle gebracht werden. Dies ist bei verstopften Löchern nicht ohne weiteres
möglich. Der Lösungsansatz kann hier nur heißen: im ersten Drittel des Entwicklungsprozesses mit hohem Druck und senkrecht stehenden Düsen die Durchkontaktierung für die
Entwicklerlösung durchlässig sprühen. Im weiteren Entwicklungsprozeß mit wenig Druck die
Durchkontaktierungen gründlich durchströmen, um das beschriebene Entwicklerangebot an
den Lack in den Löchern heranzuführen.
Für die Freientwicklung aus kleinen Löchern hat sich die Zwangsdurchflutung mit Schwalldüsen bestens bewährt.
Lötstoppmaske
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Seite 20
1. 90° Sprühwinkel
2. Öffnen der Löcher
3. Schwalldüsen
Skizze Entwickeln
Skizze Entwickeln
11.2.2 Filtration der Entwicklerlösung
Die Entwicklerlösung wird vor allem in der ersten Entwicklerzone sehr stark mit herausgelösten Lackbestandteilen beladen. Um die Verquetschung dieser Lackreste auf schon freientwickelte Stellen zu verhindern, sollte der Entwickler immer über ein geeignetes Filtersytem
geführt werden. Ebenfalls ist es empfehlenswert, den Entwickler in der ersten Entwicklerkammer über eine Zentrifuge zu führen. Dadurch werden Feststoffanteile zu einem hohen
Maß abgesondert und der Reinigungsaufwand des Entwicklers stark minimiert.
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Seite 21
11.2.3 Austausch der Entwicklerlösung
Für eine stabile Prozeßführung ist es angebracht, die Entwicklerlösung permanent (über einen Leiterplatteneinlaufsensor gesteuert) zu erneuern (bleed and feed). Der Sättigungsgrad
der Entwickler wird i.d.R. in Prozent angegeben. Die durchschnittlich entwickelte Fläche
kann statistisch überschlagen und die benötigte Menge Entwicklerlösung errechnet werden.
Eine Prozeßkontrolle der Beladung sollte parallel auf jeden Fall durchgeführt werden. Vielfach ist eine sehr schnelle und aussagekräftige Überprüfung durch das Bestimmen des spezifischen Gewichtes der Entwicklerlösung möglich.
Anmerkung:
Das spezifische Gewicht ist sehr stark von der Temperatur abhängig.
Bei der Berechnung der benötigten Menge Entwickler sollte ferner bedacht werden, ob in
dem Entwickler auch fehlbeschichtete Leiterplatten abgewaschen werden sollen. Da hierbei
eine große Menge Lack dem Entwickler zugeführt wird, muß dies bei der Berechnung berücksichtigt werden. Grundsätzlich sollte man das Abwaschen nicht im Entwickler durchführen, da das Transportsystem durch solche Aktionen sehr stark verschmutzt wird. Ggf. kann
der „Abwasch“ gesammelt und vor dem nächsten Reinigungszyklus durchgeführt werden.
11.2.4 Übergangszone Entwickler - Wasserspüle
Die Übergangszone zwischen Entwicklerzone und Wasserspüle ist ein sehr kritischer Bereich bei dem gesamten Prozeß Entwicklung. Der offensichtlichste Punkt ist, daß kein Entwicklermedium in die Wasserzone verschleppt werden darf. Hierzu werden Abquetschwalzen und Luftmesser eingesetzt. Die installierten Luftmesser dürfen das Entwicklermedium
nicht in die Wasserzone sprühen, auch die aus den Durchkontaktierungen herausgeblasene
Entwicklerlösung darf nicht in den Rücklauf der Wasserspüle geführt werden.
Die Abquetschwalzen dürfen auf keinen Fall trocken laufen. Zwischen den freientwickelten
Lackflanken befinden sich angelöste Lackreste. Durch die Abquetschwalzen werden diese
Reste mit dem überzähligen Entwicklermedium herausgepreßt. Wenn sich diese Reste auf
den Abquetschwalzen festsetzen können, werden sie zu einem späteren Zeitpunkt willkürlich
auf einer anderen Stelle der Leiterplatte abgestempelt und führen zu einer Fehlstelle.
Um hier Fehler zu vermeiden, sollten die Abquetschwalzen an der Entwicklerseite ständig
mit Entwicklermedium benetzt werden.
Noch kritischer sind die Abquetschwalzen am Einlauf der Wasserspülung. Diese Walzen
sollten so mit Wasser besprüht werden, daß sich auf den in die Wasserzone einlaufenden
Leiterplatten ein See bildet. Mit diesem Wasser werden gelöste Lackbestandteile abgespült.
Nach der Spülung der Leiterplatten mit Wasser werden die Leiterplatten in einem Trockner
durch Warmluft so getrocknet, daß sie ohne Wasserrückstände die Entwicklermaschine
verlassen.
11.2.5 Wartung des Entwicklers
Der Wartungsaufwand für den Entwickler ist stark von der Belastung abhängig. Empfehlenswert ist eine wöchentliche Komplettreinigung. Mindestens zum Schichtwechsel sollten
die Transportwalzen gereinigt werden, die oben beschriebenen Abquetschwalzen ggf. noch
Lötstoppmaske
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Seite 22
häufiger. Ebenfalls sollten die Düsenstöcke mind. zum Schichtwechsel auf verstopfte Düsen
überprüft werden.
12
Optische Kontrolle
Nach der Entwicklung sollte eine optische Kontrolle auf Freientwicklung, Freientwicklung aus
den Durchkontaktierungen, Registriergenauigkeit und Fehlstellen durchgeführt werden.
Nach dem Prozeßschritt Entwickeln können Leiterplatten, die eine oder mehrere der o.g.
Fehlerbilder zeigen, abgewaschen werden. Nach der Endhärtung ist der Lackfilm so stabil,
daß ein Strippen nicht mehr möglich ist.
13
Thermische Härtung (Endhärtung)
Bei der Endhärtung wird die chemische Vernetzung der Lackkomponenten vollzogen. Dieser
Prozeß ist für die mechanischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften der Lötstoppmaske verantwortlich. Daher ist die Einhaltung der vom Hersteller angegebenen Parameter
zwingend notwendig.
Ob die Endhärtung in einem Kammerofen oder einem Durchlaufofen durchgeführt wird, ist
nicht qualitätsrelevant.
Es ist jedoch wichtig, daß :
− die vom Lötstopplackhersteller angegebene Temperatur im gesamten Ofenraum gleichmäßig erreicht wird
− in der Anfangsphase der thermischen Härtung eine optimale Führung der Um- und Abluft
erfolgt, so daß es nicht zu einer Kondensatbildung kommen kann
− die eigentliche Einbrennzeit erst mit dem Zeitpunkt beginnt, ab dem die Leiterplatten die
spezifizierte Temperatur erreicht haben (Objekthaltezeit), wobei zu beachten ist, daß die
Leiterplattendicke die Aufheizzeit erheblich beeinflußt.
Für ein problemloses Handling sollten die Leiterplatten bei Durchlauföfen am Ende des Einbrennprozesses auf Temperaturen leicht oberhalb der Raumtemperatur abgekühlt werden.
Bei Standöfen ist es empfehlenswert, den Ofen während des gesamten Einbrennens zu verriegeln. Im Rahmen der Qualitätssicherung wird daduch sichergestellt, daß der Ofen nicht
zwischendurch geöffnet werden kann, wodurch die vorgegebene Einbrenntemperatur unkontrolliert abgesenkt würde.
Anmerkung :
Die unter Punkt 8 gemachte Anmerkung zum Thema Kondensat gilt für die Endhärtung
analog.
Lötstoppmaske
VDE/VDI
3711,
Blatt 5.5
Seite 23
14
UV Nachvernetzung
Von einigen Lötstopplackherstellern wird eine zusätzliche UV-Nachvernetzung nach der
thermischen Endhärtung empfohlen, um bestimmte Eigenschaften der Lötstoppmaske zu
erhöhen (z.B. verbesserte ionische Kontamination). Diese Nachvernetzung kann bei Durchlauf-Endhärteöfen direkt hinter dem Ofen online integriert werden. Eine regelmäßige Überwachung der Strahlerleistung und die Protokollierung des Strahleralters über einen Betriebsstundenzähler ist zur Qualitätssicherung unbedingt notwendig.
Bei einer Schliffuntersuchung kann bei vielen Lötstoppmasken nach der UV-Nachvernetzung eine schwarze Trennlinie in der Maske erkannt werden. Dies ist eine einfache
Überprüfungsmöglichkeit, ob die UV-Nachvernetzung durchgeführt wurde, erlaubt jedoch
keine Aussage über die eingesetzte Strahlungsenergie.
Schlußbemerkung:
Die Bereiche Arbeits- und Umweltschutz sind einem sehr schnellen Wechsel unterworfen.
Aktuelle und detaillierte Angaben zu Arbeitssicherheit, Umweltschutz, Abfallwirtschaft, Lagerung, Handhabung, TA-Luft sowie weitere Kennzeichen sind den entsprechenden Sicherheitsdatenblättern der Lacklieferanten zu entnehmen.
Die detaillierten Angaben zu den einzelnen Prozeßschritten und die umfassenden Hinweise
auf mögliche Fehlerquellen sowie auch deren Vermeidung lassen erkennen und machen
deutlich, daß eine sorgfältige Einhaltung aller Prozeßparameter unbedingt notwendig ist.
Diese Richtlinie sollte daher nicht nur zur Schulung für Berufseinsteiger, sondern auch für
Nachschulungen und zur Fehlererkennung und Fehlervermeidung genutzt werden.
VDE/VDI
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Allgemeines
Neben einer zunehmenden Miniaturisierung der Leiterplatte werden auch bezüglich der
unterschiedlichen Verbindungstechnologien erhöhte Anforderungen an die Leiterplatte
gestellt.
Gute Lötbarkeit ist ein wichtiger Faktor bei der Weiterverarbeitung von Leiterplatten. Eine
Korrosion des Kupfers muß verhindert werden. Um dies zu erreichen, können nachfolgende
Verfahren angewandt werden.
Gegenwärtig überwiegt der Anteil von Leiterplatten, die mit bedrahteten Bauelementen und
SMT bestückt werden, bei denen das Löten als Montagetechnik Anwendung findet. Für die
Lötverfahren haben sich Zinn/Blei-Überzüge im HAL-Verfahren aufgebracht bewährt. Der
Marktanteil hierbei beträgt weit über 50 %.
Auch in Zukunft wird die Heißverzinnung eine wichtige Rolle spielen, da die HAL-Oberfläche
eine herausragende Position bezüglich des Lotdurchstiegs während des Wellenlötprozesses
einnimmt. Durch den verstärkten Einsatz von Verbindungstechnologien wie Drahtbonden
oder Leitkleben von Pitchgrössen kleiner 0,5 mm sind neue, funktionelle Endschichten für
Leiterplatten zwingend notwendig geworden. Dem Leiterplattenhersteller stehen eine
Vielzahl von Beschichtungsverfahren wie HAL, Walzenverzinnung, Chemisch Zinn,
Chemisch Nickel/Gold, Organische Beschichtung, Chemisch Palladium und Chemisch Silber
zur Verfügung.
Die Oberflächen, Galvanisch Nickel/Gold sowie Galvanisch Silber und die LotdepotTechniken werden bei den vorgestellten Alternativverfahren nicht berücksichtigt.
Für die Kostendarstellung in den einzelnen Verfahrensbeschreibungen werden folgende
Annahmen getroffen:
- Durchsatz: 250 m2 Zuschnitt pro Tag
- Aktive Oberfläche: 15 % (30 dm2 freies Kupfer pro 1 m2 Zuschnitt)
- Schichtdicken:
Chemisch Nickel/Gold
5
µm Ni 0,1 µm Au
Chemisch Palladium
0,2 µm Pd (Löten)
0,6 µm Pd (TS-Bonden)
Chemisch Silber
0,15 µm - 0,3 µm Ag
Chemisch Zinn
0,8 µm Zinn
Organische Beschichtung
0,15 µm - 0,5 µm.
Es werden lediglich die relativ einfach erfassbaren Werte für Chemikalienverbrauch sowie
die anteiligen Neuansatzkosten der einzelnen Behandlungsbäder berücksichtigt.
Nicht berücksichtigt werden z. B. die Kosten für Entsorgung, Energie, Anlagenabschreibung,
Anlagenbedienung, Wartung und Instandhaltung, da diese Aufwendungen stark
betriebsspezifisch sind.
VDE/VDI
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Pkt.
Verfahrensbeschreibungen
1
Chemisch Nickel Sudgold
1.1
Chemisch Palladium
1.2
Chemisch Silber
1.3
Chemisch Zinn
1.4
Hot Air Levelling
1.5
1.6
Walzenverzinnung
1.7
Aufschmelzen mittels flüssiger Medien
1.8
Aufschmelzen mittels Infrarotstrahlung
1.9
Konservieren durch Lackieren
1.10
Arbeitssicherheit und Umweltschutz
2
Zusammenfassung
3
VDE/VDI
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1
Verfahrensbeschreibungen
Im folgenden werden die verschiedenen Beschichtungsverfahren vorgestellt.
1.1
Chemisch Nickel/Sudgold
Das Chemisch Nickel/Sudgold-Verfahren hat für hochwertige Leiterplatten weltweite
Marktakeptanz
gefunden.
Moderne
Bestückungstechnologien,
wie
direkte
Chipverbindungstechnik (Chip On Board, COB) oder die Oberflächenbestückung von
Bauteilen (Surface Mounting Technology, SMT) stellen höhere Anforderungen an die
Oberflächengüte für immer feiner Rastermaße (Fine Pitch).
Chemisch Nickel/Sudgold hat sich für Löt- und Drucktastenanwendungen und für die
Bondtechnik mit Aluminiumdraht als ideale Oberfläche erwiesen.
Üblicherweise wird nach der Lötstopplack-Applikation eine 4-5 µm dicke chemisch
abgeschiedene Nickelschicht und etwa 0,04-01 µm Sudgold aufgebracht. Die Chemisch
Nickel/Sudgold-Oberfläche zeichnet sich aus durch:
•
•
•
•
•
•
•
•
erhöhte Bestückungssicherheit durch eine vollkommen ebene Oberfläche
erhöhte Zuverlässigkeit durch konstante Schichtdicken
erhöhte Korrosionsfestigkeit und Lagerbeständigkeit, da sämtliche Kupferoberflächen samt Flanken beschichtet sind
erhöhte Produktionssicherheit auch für High Tech Produkte; feinste Strukturen,
dünne Bohrungen und Sacklöcher werden zuverlässig bedeckt
hohe Zuverlässigkeit auch bei Mehrfachlötungen
kostengünstiges Verfahren für Bondtechnik mit Alu-Draht.
Hauptanwendungsgebiete
Computerindustrie.
sind
Telekommunikationsindustrie,
Automobilelektronik
und
Verfahrensablauf
Das Chemisch Nickel/Sudgoldverfahren wird in Vertikaltechnik in Korbanlagen eingesetzt.
Nach Reinigungs- und Anätzprozeßstufen folgt eine Aktivierung, dann das chemische
Nickelbad mit Temperaturen von 80 - 90 °C und einer Expositionszeit von 12 - 20 Minuten,
danach das Sudgoldbad, Temperatur: 60 - 90 °C, 8 - 12 Minuten. Entsprechende Spülbäder
und Trocknung der Teile folgen nach.
Das Verfahren ist abwassertechnisch unproblematisch.
VDE/VDI
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Prozeßfolge
Reinigen
Kaskadenspülen
Anätzen
Kaskadenspülen
Dekapieren
Aktivieren
Kaskadenspülen
Chemisch Nickel
Kaskadenspülen
Sudgold
Temperatur
[°C]
40 - 60
Zeit
[Min]
2-4
Wannenmaterial
Anlagentechnik
PP, PVC
Heizung, Umwälzung
20 - 30
1-3
20 - 25
20 - 30
0,5 - 5
0,5 - 7
80 - 90
12 - 20 PPu, V4A
Heizung, Umwälzung, Filtration,
Autodosierung
60 - 90
8 - 12
Heizung, Umwälzung, Filtration
evtl. Ionenaustauscher
Umwälzung
PP, PVC
PP, PVC
PPu
Umwälzung
Sparspülen
Kaskadenspülen
(DI-Wasser)
Trocknen
Das Wannenmaterial der Spülbäder sollte aus PVC oder PP sein.
Löten
Chemisch Nickel/Sudgold-Oberflächen eignen sich für das Wellenlötverfahren in Sauerstoffoder Stickstoffatmosphäre und für Umschmelzverfahren mit Lötpasten, sowie für deren
Kombination und entsprechende Mehrfachlötungen.
Bonden
1. Ultrasonic Bonding
In Verbindung mit Chemisch Nickel/Sudgold-Oberflächen wird zumeist mit Aluminiumdraht
gebondet. Auch nach Alterung bleiben die guten Bondeigenschaften erhalten.
2. Thermosonic Bonding
Neuerdings können mit einem speziellen Sudgoldbad Goldschichten von 0,3 µm bis 0,5 µm
auf Nickel abgeschieden werden. Diese Schichten sind geeignet für das Thermosonic BondVerfahren mit Gold-Draht.
VDE/VDI
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Voraussetzungen für gute Bondergebnisse sind:
•
gleichmäßig strukturierte Oberfläche mit einer auf das Bondigverfahren individuell abgestimmten Mikrorauhigkeit
•
eine angepaßte Systemhärte der chem. Nickelschicht von etwa HV
•
dem Bondverfahren angepaßte Goldschichtdicke
•
eine saubere Oberfläche (frei von organischen Rückständen, Fingerprints,
Oxiden).
Die Bondergebnisse hängen in hohem Maße ab vom Gerätetyp des Bonders, von den
Bondparametern, von Dicke und Material des Drahtes und von der Bondprüfung selbst.
Alle Parameter sollten bei Qualifikationen festgelegt werden. Zur Qualitätssicherung sind
Eingangsprüfungen oder besser eine laufende Bondkontrolle empfehlenswert. Siehe VdL
Spezifizierung der Bondbarkeit, VdL Schrift 1, Ausgabe
August ‘96.
Drucktastaturanwendungen
Anstelle von Karbonoberflächen, die im Siebdruckverfahren aufgebracht werden, kommen
heute vermehrt Chemisch Nickel/Sudgold-Oberflächen zur Verwendung. Untersuchungen
und Praxisergebnisse haben im Langzeitverhalten sehr gute Ergebnisse gezeigt.
Basismaterial
Das Chemisch Nickel/Sudgold-Verfahren wird erfolgreich angewandt auf:
FR4
Teflon
Starr Flex
Polymid
Cyanat-Ester
Keramik.
Nicht aufgeführte Materialien sind im Einzelfall auf Kompatibilität zu testen.
Lötstopplack
Die Lötstopplack-Applikation ist vor oder nach der Vergoldung möglich. Für die selektive
Vergoldung steht eine Vielzahl von unterschiedlichen Lacksystemen zur Verfügung. Bisher
haben sich Lacksysteme mit einem hohen Epoxydharzanteil bewährt. Auf die Wahl des
Lötstopplackes sollte ein besonderes Augenmerk gerichtet werden.
VDE/VDI
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Wichtige Kriterien sind:
• gute chemische und physikalische Resistenz gegenüber den eingesetzten Bädern
• gute Haftfestigkeit auf dem Substrat
• kein Auslösen von Füllstoffen oder Pigmenten aus dem Lacksystem.
Viele moderne Lacksysteme erfüllen diese Forderungen.
Kosten
Die Kosten des Verfahrens liegen bei 20,- bis 35,- DM pro m2 Zuschnitt bei 30 dm2 aktiver
Kupferoberfläche. Dies beinhaltet die Prozeßkosten incl. Ausschleppungsverlusten und
Edelmetall-/Metallkosten ohne Investitions- und Personalkosten.
1.2
Chemisch Palladium
Prozeß
Ein Verfahren zur direkten, chemischen Abscheidung von Palladium auf Leiterplatten, wobei
die Abscheidung von Palladium unterschiedlicher Schichtdicke von 0,1 µm bis 1,0 µm und
mehr durch die Nutzung spezieller Reduktionsmittel möglich wird.
Die Prozeßfolge des Verfahrens als Alternative zum Hot Air Levelling (HAL) umfaßt vier
aktive Prozeßschritte. Nach der üblichen Reinigung der Leiterplatten und Mikroätzung der
freien Kupferflächen erfolgt zunächst die Aktivierung des Kupfers. Die Aktivierung erzeugt
durch Ladungsaustausch mit dem Kupfer eine sehr dünne, gleichmäßige Palladiumschicht
von ca. 20 Nanometer Palladium. Das anschließende, chemisch arbeitende Palladiumbad
verstärkt die dünne Aktivierungsschicht bis zur gewünschten Schichtdicke ohne eine weitere
Zwischenschicht.
Die gesamte Prozeßfolge mit den Arbeitsparametern Zeit und Temperatur stellt sich wie folgt
dar:
Saurer Reiniger
Kaskaden-Spüle
Ätzreiniger
Kaskaden-Spüle
Vortauchen
Aktivator
3 - 5 Min.
2 x 1 Min.
2 - 3 Min.
2 x 1 Min.
1 - 3 Min.
3 - 5 Min.
Kaskaden-Spüle
Chemisch Palladium
2 x 1 Min.
3 - 12 Min.
(je nach Schichtdicke)
2 x 1 Min.
1 Min.
ca. 10 Min.
Kaskaden-Spüle
Warmspüle
Trocknen
35 - 45 °C
RT
25 - 35 °C
RT
RT
25 - 35 °C
(vorzugsweise 30 °C)
RT
50 - 70 °C
RT
50 - 70 °C
60 - 70 °C
VDE/VDI
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Das Verfahren verfügt über folgende Vorteile:
•
•
•
•
niedrige Arbeitstemperaturen
einfache Analytik
hohe Kompatibilität auch mit wäßrig entwickelbaren Lötstopplacken
Einsatz in Horizontalanlagen vorgesehen.
Für die Überwachung der beiden Bäder kann ein Palladium-Controller eingesetzt werden.
Damit werden der pH-Wert und die Palladiumkonzentration gemessen und geregelt.
Die Abscheidungsgeschwindigkeit bleibt über das gesamte Badalter konstant, ohne daß
Badparameter verändert werden müssen.
Die autokatalytische Abscheidung von Palladium wird hauptsächlich von der Temperatur und
dem pH-Wert bestimmt. Der Einfluß der Palladium-Konzentration ist von untergeordneter
Bedeutung.
Wie bei vielen autokatalytisch arbeitenden Bädern muß turnusmäßig gestrippt werden. Der
Behälter des Palladium-Bades ist bei einer Palladium-Wildabscheidung zu strippen.
Anlagentechnik
Das Verfahren wird in Korbtechnik angewendet. Die Behälter zur Palladiumabscheidung
werden aus Polypropylen-natur gefertigt. Eine Warenbewegung ist erforderlich.
Bis auf die Spülkaskaden nach dem Sauren Reiniger und dem Aktivator sind für alle
Spüleinrichtungen Lufteinblasungen vorzusehen. Während beim Aktivator keine
Lufteinblasung erfolgen darf, ist für das Palladium-Bad eine Lufteinblasung unterhalb der
Heizkörper zu installieren. Die Konfiguration der Palladiumbehälter ist ähnlich der Chemisch
Nickelbehälter.
Die Behälter für den Aktivator und das Palladium-Bad brauchen eine Umlauffiltration.
Nach dem Palladium-Bad kann eine Standspüle zur Rückgewinnung ausgeschleppten
Palladiums installiert werden. Das Wasser der Standspüle muß täglich gewechselt werden.
Für die Schlußkaskade der Warmspüle und für alle Aktivbäder ist vollentsalztes Wasser zu
verwenden.
Das Verfahren ist abwassertechnisch unproblematisch.
An jedem Aktivbad wird über eine Randabsaugung die Abluft zu eine Abluftwäscher geleitet
und vor dem Ausblasen gereinigt.
VDE/VDI
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Anwendung und Kosten
Im praktischen Test hat sich gezeigt, daß eine Schicht von 0,2 µm Pd ausreichend ist, um
Mehrfachlötungen zu bestehen. Ebenfalls unter Produktionsbedingungen wurde
nachgewiesen, daß eine Lötbadkontamination durch Palladium keinen relevanten Einfluß auf
die Lötqualität hat.
Bezug nehmend auf die vielfältigen Anwendungsgebiete des Verfahrens, sind in der
nachstehenden Übersicht, neben den erforderlichen Schichtdicken, die reinen Prozeßkosten
(Ansatz- und Ergänzungskosten) dargestellt.
- Hauptanwendungsfall ist die Löttechnik
* Reflow-Löten
* Wellen-Löten
- Weitere Anwendungsfälle sind
* Golddraht-Bonden
* Aluminiumdraht-Bonden
* Kontakt für Tastaturen
* Einpreßtechnik
* Klebetechnik
1.3
Prozeßkosten in DM
pro 1 m2 Zuschnitt
0,2 µm Pd
0,2 µm Pd
17,00 - 20,00
17,00 - 20,00
0,4 - 0,6 µm Pd/Au flash
38,00 - 55,00
0,2 - 0,5 µm Pd
20,00 - 46,00
0,1 - 0,4 µm Pd
12,00 - 38,00
0,2 - 0,3 µm Pd
20,00 - 30,00
0,2 - 0,5 µm Pd
20,00 - 46,00
Chemisch Silber
Das Verfahren ist seit Herbst ‘95 auf dem Markt. Im allgemeinen wird nach entsprechender
Vorbehandlung der Kupferoberfläche eine Silberschicht in einer Stärke von 0,15 - 0,3 µm
sowie eine ultradünne, silberorganische Deckschicht aufgebracht.
Prozeßfolge (Horizontal-Durchlaufanlage):
Die angegebenen Kontaktzeiten stellen Durchschnittswerte dar und können abhängig von
der eingesetzten Anlagentechnik variieren.
VDE/VDI
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Prozeßfolge
Vorreiniger
Kaskadenspüle (Stadtwasser)
Vortauchbad
Beschichtungsbad
Kaskadenspüle (DI-Wasser)
Trockner
Temperatur
[°C]
35 - 40
Zeit [min]
Anlagentechnik
45 - 50
45 -50
0,5
0,5
0,5 - 1
3-4
60 -70
0,5
0,5 - 1
Sprühmodul (PP, PVC)
Sprühmodul
Schwallmodul (PP, PVC)
Schwallmodul (PP, PVC)
Filterpumpe 10 µm
Sprühmodul
Prozeßfolge (Tauchanlage)
Für den Tauchprozeß ergibt sich folgendes Schema. Das Wannenmaterial sollte aus PP
oder PVC gefertigt sein, die Gestelle gummiert oder anderweitig beschichtet. Bei einer
Silberabscheidung auf den Gestellen empfiehlt es sich, das Silber vor dem nächsten
Durchlauf zu entfernen. Für eine optimale Silberabscheidung wird zudem eine
Warenbewegung empfohlen.
Prozeßfolge
Zeit [min]
Anlagentechnik
Vorreiniger
Temperatur
[°C]
25 - 35
1-2
Spüle (Stadtwasser)
Vortauchbad
RT
35 - 45
0,5
1
Beschichtungsbad
45 - 50
3-4
60 - 70
0,5
0,5
0,5 - 1
Umwälzung
Heizung teflonisiert
Tauch- oder Spritzspüle
Umwälzung, Badabdeckung
teflonisiert
Umwälzung, Badabdeckung
Filterpumppe 1 - 5 µm
Heizung teflonisiert
Tauch- oder Spritzspüle
Tauchspüle
Spüle (Stadtwasser)
Spüle (DI-Wasser)
Trockner
Heizung
Anwendungsgebiete
Die mit diesem Verfahren erzeugte Silberbeschichtung ist für alle Verbindungstechniken wie
Löttechnik, Drahtbonden, Klebetechnik und Einpreßtechnik geeignet. Als optimal,
insbesondere hinsichtlich Drahtbonden, hat sich eine Silberschichtdicke von 0,2 - 0,3 µm
herausgestellt.
VDE/VDI
3711,
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Kompatibilität
Chemisch Silber ist kompatibel
Lötstopplacken und -masken.l
zu
allen
üblichen
Basismaterialien
sowie
auch
Umwelt-Aspekte
Das Verfahren ist aufgrund niedriger Prozeßtemperaturen sparsam im Energieverbrauch,
setzt keine gesundheitsschädlichen Dämpfe frei und ist abwassertechnisch unproblematisch.
Für die Badansätze der Vortauchlösung und des Beschichtungsbades, welche
Komplexbilder enthalten, kann mit einer Standzeit von 3 - 4 Monaten gerechnet werden,
wodurch das zu entsorgende bzw. zu behandelnde Volumen klein gehalten werden kann.
Nach bisher vorliegenden Informationen ist die Silberoberfläche kompatibel zu „bleifreien
Loten“, was besonders hinsichtlich des Leiterplatten-Recyclings von Vorteil ist.
Prozeßkosten
Die Prozeßkosten sind stark von dem gewählten Verfahrens- und Anlagentyp
(Horizontal/Vertikal; Ausschleppung/Prozeßgeschwindigkeit) abhängig. Je nach den
spezifischen Prozeßparametern, die Ausschleppung und auch Silberschichtstärke
beeinflussen, werden die Prozeßkosten zu DM 10 - 20/m2 abgeschätzt.
Analytik
Der Prozeß erfordert letztlich nur ein Minimum an analytischem Aufwand (je nach Durchsatz
täglich bis wöchentlich), wie Bestimmung von Kupfer (Titration), Silber (Ionenselektive
Elektrode oder ASS) und pH-Wert/Trübungspunkt beim Beschichtungsbad.
Zu überwachen ist außerdem die erzielte Silber-Schichtdicke mittels Röntgenfloureszenz
oder Beta-Rückstreuverfahren.
1.4
Chemisch Zinn
Eigenschaften
Zinnschichten, abgeschieden aus modernen Chemisch-Zinn-Elektrolyten, sind bereits seit
einigen Jahren im Einsatz und gewinnen durch ihre positiven Eigenschaften mehr und mehr
Akzeptanz.
Diese Oberflächen unterscheiden sich von herkömmlichen „Sudzinnnschichten“ durch ihre
extreme Feinkörnigkeit, Porenfreiheit und Unempfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit und
Luftsauerstoff. Dies ist möglich geworden durch den gezielten Einbau von lötfreudigen
Fremdmolekülen, die einen signifikanten Einfluß auf Gefügewachstum und
Diffusionsgeschwindigkeit haben. Dadurch werden lange Lagerzeiten und Mehrfachlötungen
möglich.
VDE/VDI
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Seite 11
Bedingt durch den absolut planen Metallaufbau ist Chemisch-Zinn ideal für Bestückung und
Lotpastenapplikation besonders bei Schaltungen mit kritischen Strukturen. Die Zinnschicht
ermöglicht eine Lagerzeit von einem Jahr mit anschließendem zweimaligen Reflow plus
Wellenlöten.
Verwölbung und Verwindung, die immer wieder zu Problemen bei der automatischen
Bestückung führen, gehören der Vergangenheit an, da durch das Verfahren kein
Thermostreß auf die Leiterplatte aufgebracht wird. Zinnbrücken, eine Metallisierung der
Lötstoppmaske oder Probleme mit Hot Air Levelling-Flußrückständen können prizipiell nicht
auftreten.
Prozeßschritt
Reinigen/Entfetten
Mikroätzen
Vortauchen
Verzinnen
Warmspülen
Spülen
Tocknen
Temperatur [°C]
25 - 40
25 - 30
20 - 30
60 - 70
40 - 50
RT
Zeit [min]
1-3
1-2
0,5 - 1
5 - 10
0,5 - 1
Anlagentechnik (horizontal oder vertikal)
Behälter aus PP oder anderen temperaturbeständigen (70 °C) Kunststoffen. Das Bad darf
nicht mit Metallteilen in Berührung kommen. Heizelemente aus Teflon, PVDF oder Quarz.
Badbewegung oder Absaugung sind erforderlich. Kontinuierliche Filterung mit
5 - 10 µm Filterkerzen. Dichtungs- und Walzenmaterial: Viton.
Überwachung und Wartung
Ergänzung nach naßchemischer Zinn-Analyse.
Umwelt und Arbeitssicherheit
Das Verfahren kommt ohne Blei aus. Weder heiße Luft noch hohe Temperaturen oder
verbrannte Flußmittelrückstände beeinträchtigen Mensch und Umwelt.
Verträglichkeit
Alle üblichen Lötstoppsysteme, Carbonlacke und Kennzeichnungsfarben sind in ChemischZinn beständig. Im Einzelfall ist eine Überprüfung durch Auslaugtests empfehlenswert.
Kosten
In Abhängigkeit vom Layout, der Verschleppung und der Anlagentechnik liegen die Kosten
zwischen 10 und 16 DM/m2 pro Zuschnitt.
VDE/VDI
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Seite 12
1.5
Das Heißverzinnungsverfahren
Prozeßfolge
• Aufstapler
• Vorreinigung, leichtes Anätzen zur Deoxydation
• Fluxen
• Heißverzinnen
• Abkühlen
• Nachreinigung mit Nylonbürsten
• Abstapeln
Hot-Air-Levelling (HAL):
Zweck
Prozeßschritt
Vorreinigen
Entfernen von
Schmutz oder
Anlaufschichten
Übersicht über die Prozeßschritte
Fluxen
Entfernen von
Oxid, Schutz vor
erneuter Oxidbildung, Verbesserung der
Benetzbarkeit
des Kupfers
Kunststoff- oder
Stahlwanne
Heißverzinnen
Beschichten der
Metallflächen mit
eutektischer
Zinn/ BleiLegierung
Abblasen
Entfernen der
überschüssigen
Zinn/ BleiLegierung
Halb- oder
vollautomatische,
vertikal bzw.
horizontal
arbeitende
beheizbare
Anlagen, Behälter aus Stahlblech
Zinn/BleiLegierung,
vorzugsweise
63/67 (A3, U5)
Kompressor,
Durchlaufbeheizbarer Luftsprühmakessel, Luftmesser schinen, ggf.
mit Bürste
Einrichtung
Bürst- oder
Sprühmaschine,
Tauchbad
Behandlung
s-medium
wäßrige,
neutrale bis
saure Lösung
mit Zusätzen
(A1, U1)
Polyalkohole mit
sauren Zusätzen
(A1, U2)
Temperatur
[°C]
Raumtemperatur
20 bis 50
210 bis 250
230
Behandlung
s-zeit
20 bis 40 s
bis 15 s
5 bis 15 s
1 bis 3 s
erhizte ölfreie Luft
Nachreinigen
Rückstandsloses Entfernen
der Flußmittel
Wasser, ggf.
mit Zusätzen
oder
organischen
Lösungsmitteln
(A2, U4)
für Wasser 20
bis 60; für organische
Lösungsmitel
vorzugsweise
Raumtemperatur
1 bis 3 min
VDE/VDI
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Seite 13
Reinigung vor dem HAL-Prozeß
Das Heißluftverzinnungsverfahren ergibt eine homogene Zinn/Blei-Schicht. Diese Schicht ist
auch über längere Zeit lagerfähig und gut lötbar. Mit Heißluft werden die Löcher freigeblasen
und die Flächen geebnet.
Bei dieser Technologie ist die Vorreinigung ein ganz besonders wichtiger Punkt. Es ist
absolut notwendig, eine gut benetzbare Kupferschicht zu erhalten. Man unterscheidet
zwischen vertikal und horizontal arbeitenden Heißverzinnungsverfahren. Beim
Vertikalverfahren wird die Leiterplatte in einen Lotbehälter getaucht. Beim
Horizontalverfahren durchläuft die Leiterplatte ein Schwallbad. Bei den vertikalen als auch
horizontalen HAL-Anlagen wird in den meisten Fällen für die Vorreinigung das DurchlaufSprüh-Verfahren und Verwendung entsprechender Deoxidationmittel angewendet. Um eine
optimale Durchlaufgeschwindigkeit zu erzielen, muß bei den horizontalen HAL-Anlagen die
Vorreinigung entsprechend ausgelegt sein, d. h. je länger die Vorreinigung ist, um so
schneller kann die Transportgeschwindigkeit gefahren werden.
Die nachfolgende Fluxstation ist ebenfalls von ganz gravierender Bedeutung. Der
Flußmittelaustrag aus dieser Station sollte so gering wie möglich gehalten werden, da bei
hohem Austrag die Anlagen schnell verschmutzen. Sehr wichtig ist die Wahl des Flußmittels.
Das Flußmittel hat ebenfalls einen erheblichen Einfluß auf die Wartung der Anlage. Der
Trend geht heute Richtung wasserlösliche und abwaschbare Flußmittel.
Ein weiterer und ebenfalls sehr wichtiger Faktor ist das Lot. Es sollte reines eutektisches Lot
verwendet werden (63/37). Um gleichbleibende Verzinnungsergebnisse zu gewährleisten,
sollte in gewissen Zeitabständen eine Lotanalyse durchgeführt werden. Hierbei spielt das im
Lot enthaltene Kupfer eine wesentliche Rolle. Ein Kupfergehalt von mehr als 0,3 % im Lot
führt zur Bildung einer grieseligen Oberfläche.
Alle Prozesse (außer dem vertikalen Heißverzinnen) werden in horizontalem Durchlauf
absolviert.
Verfahrensablauf vertikaler HAL-Anlagen
Das Prinzip des vertikalen Hot-Air-Levelling-Verfahrens besteht darin, daß eine gefluxte
Leiterplatte vertikal in ein heißes Lotbad eingetaucht und nach kurzer Verweilzeit schnell
wieder herausgezogen wird. Bei diesem Herausziehen wird durch heiße Druckluft das
überschüssige Lot abgeblasen. Dabei werden die Bohrungen frei und es verbleibt eine
Lotoberfläche mit unterschiedlicher Schichtdickenverteilung.
Das Verzinnen muß unmittelbar nach dem Fluxen durchgeführt werden. Beim
Vertikalverfahren soll nach den Tauchen und Abblasen die Platte bis zum Erstarren der
Schmelze in die Horizontale gebracht werden, um eine bessere Schichtdickenverteilung zu
erreichen.
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Verfahrensablauf horizontaler HAL-Anlagen
Bei horizontalen HAL-Anlagen unterscheidet man zwischen unterschiedlichen Verfahren, der
Wellenverzinnung und der Walzenverzinnung.
Bei der Wellenverzinnung wird mit einer kontinuierlichen Geschwindigkeit über die gesamte
Anlagenlänge gearbeitet, die Durchlaufgeschwindigkeit liegt hier, je nach Anlagentyp bzw.
Hersteller, bei 1,5 - 4,5 m/min. Hierbei werden die Leiterplatten durch eine Lötwelle
transportiert und anschließend über Luftmesser abgeblasen.
Beim Prinzip der horizontalen Walzenverzinnung werden die Leiterplatten nach dem Fluxen
beschleunigt, mit einer Geschwindigkeit von 5 - 30 m/min. durch bis zu 3 Walzenpaare
regelrecht durchgeschossen und anschließend ausgeblasen. Die Kontaktzeiten mit dem Lot
sind ca. 1 - 2 sec.
Verfahrensablaufbedingt ist die Kontaktzeit mit dem Lot bei der Wellenverzinnung wesentlich
länger als bei der Walzenverzinnung.
Anwendungsgebiet
Das Verfahren HAL ist zum Stand der Technik geworden, > 50 % der Leiterplatten werden
heute immer noch heißverzinnt. Die Anwendungsgebiete reiche über die gesamte Palette
der Leiterplattenproduktion von Multilayern bis zu Flex-Schaltungen.
Umwelt
Alle neuen Systeme werden nur noch gekapselt verkauft bzw. sind zur nachträglichen
Kapselung ausgelegt.
Es werden alle Richtlinien der TA Luft sowie alle MAK-Werte eingehalten. Verbrauchte
Fluxer sind einer Sonderentsorgung zuzuführen, da sie sonst Probleme mit der Umwelt
bereiten können.
Kosten
Die Prozeßkosten liegen beim Vertikalverfahren zwischen 2,- - 3,- DM/m2 und beim
Horizontalverfahren zwischen 3,- - 4,- DM/m2.
Erwähnenswert ist, daß allein der Fluxer beim Vertikalverfahren 60 % der Kosten ausmacht.
Beim Horizontalverfahren ist es das Abdecköl und der Fluxer, die sich mit knapp 50 % auf
den m2 - Preis auswirken.
Analytik
• Vorreinigung
In
der
Regel
werden
die
Bäder
entsprechend
den
m2
erneuert.
VDE/VDI
3711,
Blatt 6
Seite 15
Da dies kein großer Kostenfaktor ist (Persulfatlösung mit Schwefelsäure) wird diese
Lösung nicht lange analysiert sondern entweder nachgeschärft oder erneuert.
• Heißverzinnung
Lotanalyse, wird vom Lotlieferanten kostenlos durchgeführt. Es muß nur eine Lotprobe
eingeschickt werden.
• Nachreinigung
Keine Analyse
1.6
Organische Kupferschutzschichten sind Komplexverbindungen, welche sich selektiv auf den
freiliegenden Metallbereichen einer Leiterplatte, d. h. auf SMT-Pads sowie in
durchkontaktierten Bohrungen ausbilden.
Bei den sich auf dem Markt befindlichen Produkten unterscheidet man zwei Typen:
1. Organische Kupferschutzschichte, welche nur eine monomolekulare Deckschicht auf dem
Kupfer ausbilden können. Diese Schichten, auch als Anlaufschutz bezeichnet, werden
bereits seit Mitte der 70er zum Erhalt der Lötfähigkeit von Leiterplatten für die Einfachlötung
eingesetzt.
2. Die neueren Produkte auf dem Markt ermöglichen die Abscheidung von dickeren
Schichten (in der Regel zwischen 0,15 und 0,5 µm). Durch diese dickeren Schichten wird
das Kupfer viel effektiver geschützt, so daß Mischbestückung bei Leiterplatten mit diesen
Oberflächen jetzt möglich ist.
Beschichtung
Die Beschichtung kann sowohl in Horizontalanlagen als auch in Korbanlagen mit
vergleichbarer Qualität erfolgen. Bei den Prozeßlösungen handelt es sich um wäßrige
Lösungen, welche bei niedrigen Temperaturen (40 - 50 °C) arbeiten. Die höchste
Temperatur während der Beschichtung ist die Trocknertemperatur mit ca. 70 bis 80 °C.
Hierdurch sind thermische Schädigungen des Leiterplattenmaterials auszuschließen.
Verfahrensablauf
Saurer Reiniger
Spülen
Mikroätzen
Spülen
Beschichten
Temperaturen [°C]
20 - 40
Verweilzeiten [Min.]
2-4
25 - 30
0,5 - 1
40 - 50
0,5
2
gewünscheter
Schichtstärke)
(je
nach
VDE/VDI
3711,
Blatt 6
Seite 16
Alternativ hierzu gibt es Verfahren, welche anstatt der zweistufigen Vorbehandlung (saurer
Reiniger und Mikroätze) eine einstufige Vorbehandlung (Ätzreiniger) verwenden.
Die Vorteile bei der einstufigen Vorbehandlung sind Platz- sowie Kosteneinsparung;
vorteilhaft bei der zweistufigen Vorbehandlung ist eine höhere Prozeßsicherheit.
Eigenschaften
Die organischen Kupferschutzschichten (0,15 - 0,5 µm) sind für Leiterplatten geeignet,
welche Mehrfach-Lötprozesse durchlaufen.
Hierbei ist als häufigste Kombination die Abfolge
(1) Reflowlötung
(2) Kleberaushärtung
(3) Wellenlötung
anzutreffen.
Aber auch Leiterplatten, welche nur mit SMT-Bauteilen bestückt werden, können mit der
Oberfläche „organische Kupferschutzschicht“ versehen sein.
Hierbei werden die Platten zweimal reflowgelötet.
Ebenfalls erfolgreich gelötet werden konnten die Leiterplatten, welche zweimal einen
partiellen Wellenlötprozeß durchlaufen mußten, wobei eine solche Kombination bis zum
jetzigen Zeitpunkt noch nicht sehr verbreitet ist.
Auch hat es eine Reihe von Untersuchungen gegeben, die organischen
Kupferschutzschichten für die Einpreßtechnik einzusetzen. Diese Untersuchungen, die mit
unterschiedlichen Steckertypen durchgeführt wurden, führten zum Ergebnis, daß die
organischen Kupferschutzschichten im Falle der geprüften Steckerkonfigurationen für die
Einpreßtechnik geeignet sind.
Anforderungen an das Löten von Leiterplatten für die Mischbestückung
I.
Oberflächentemperaturen
Organische Moleküle, wie sie im Falle der organischen Kupferschutzschichten vorliegen,
reagieren bei erhöhten Temperaturen mit Luftsauerstoff, d. h. sie werden oxidiert und
können dann die Lötfähigkeit des darunter liegenden Kupfers nicht mehr gewährleisten.
Man hat nur zwei Möglichkeiten, trotzdem organische Kupferschutzschichten erfolgreich
für die Mischbestückung einzusetzen.
(a) Mit dem Einsatz von Schutzgaslötanlagen sowohl für den Reflow- als auch für den
Wellenlötprozeß werden bessere Ergebnisse erzielt als mit konventionellen Anlagen.
(b) Optimierung der Temperaturprofile in Lötanlagen ohne Schutzgas führt zur
Minimierung des oxidativen Abbaues.Hierdurch erreicht man, daß die Lötfähigkeit der zu
lötenden Bereiche auch nach thermischer Vorbelastung bleibt.
II.
Flußmittel
Damit die Lötverbindung sich ausbilden kann, muß die organische Kupferschutzschicht
aufgelöst werden.Diese Aufgabe wird durch die Aktivatoren in der Lotpaste
(Reflowlöten) bzw. im Flußmittel (Wellenlöten) erfüllt.
VDE/VDI
3711,
Blatt 6
Seite 17
Hier gilt es, besonders bei den heute für den Wellenlötprozeß üblichen
No-Clean-Flußmitteln (ca. 2 % Feststoffgehalt) ein geeignetes herauszufinden, welches
ein gutes Lötergebnis ermöglicht.
Dies ist besonders dann wichtig, wenn die den Flußmittelklassen FS-W 33 bzw. 34
zugehörenden Flußmittel im Sprühverfahren aufgebracht werden. Die Praxis hat gezeigt,
daß die Lötergebnisse deutlich besser werden, wenn man feststoffreichere Flußmittel
aus der Klasse FS-W 32 mittels Schaumfluxmodul aufträgt.
Kosten
Die Kosten pro m2 Zuschnitt für Chemieverbrauch und anteilige Ansatzkosten liegen
zwischen 1,- und 4,- DM.
(Hierbei wird eine Tagesproduktion von 250m2 Zuschnitt zugrundegelegt. Die Kosten
ergeben sich im wesentlichen durch Ausschleppung, so daß nahezu keine
Kostenunterschiede für unterschiedliche Schichtstärken beobachtet werden.)
Nicht enthalten sind Kosten für Spülwasser, Energie, Anlagenabschreibung,
Anlagenbedienkosten, sowie Kosten für Wartung und Instandsetzung.
Umwelt
Die Verfahren sind abwassertechnisch unproblematisch.
1.7
Walzenverzinnung
Eigenschaften
Das Verfahren ist nur für Leiterplatten ohne Durchmetallisierung geeignet. Das Aufwalzen
der geschmolzenen Zinn/Blei-Legierung ergibt eine homogene lötbare Oberfläche. Die
Schicht ist bedingt durch den Walz- und Quetschprozeß unterschiedlich dick, teilweise < 1
µm. Derartig behandelte Leiterplatten sind nur innerhalb kurzer Lagerzeit lötbar.
Die Walzenverzinnung ist eine Zinn-Bleischicht mit der Reinheit 63 % Zinn und 37 % Blei.
Diese Zinn-Bleischicht wird mittels einer Walze, in die Oberfläche der Leiterplatte übertragen.
Der Vorteil dieser Oberfläche ist eine Zinn-Bleischicht, die dem Lötzinn in den heute üblichen
Lötanlagen entspricht sowie das automatisierbare horizontale Durchlaufverfahren. Eine
Mehrfachlötung von walzenverzinnten Oberflächen ist möglich.
Folgende Nachteile gilt es aber bei walzenverzinnten Oberflächen zu beachten:
Eine Walzenverzinnung ist nur bei einseitigen Schaltungen möglich. Durch die hohen
Abrißkanten, die beim Walzenverzinnen entstehen, ist diese Oberfläche nur bedingt SMTfähig. Außerdem ist der Einsatz bei Direkt-Steckern vorher mit dem Layout-Ersteller
abzustimmen, da sonst die Abrißkante im Steckbereich liegen kann.
Zweckmäßigerweise werden die Löcher nach dem Prozeß eingebracht; wird vor dem Prozeß
gelocht, entsteht der Nachteil, daß diese Löcher beim Walzverzinnen teilweise mit Zinn/Blei
verstopft werden können.
VDE/VDI
3711,
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Seite 18
Arbeitshinweise
Der Walzprozeß muß unmittelbar nach dem Fluxen erfolgen. Die Durchlaufgeschwindigkeit
für Walzverzinnung liegt zwischen 10 und 20 m/min.
Prozeßfolge
Prozeßschritt
Mikroätzen
Spülen
Trocknen
Fluxen
Verzinnen
Spülen
Trocknen
Prozeßschritt
Vorreinigen
Temperatur [°C]
25 - 30
RT
60
RT
230 -240
60/ RT
60
Zeit [min/ sec.]
1-2
10 - 20 sec.
10 - 20 sec.
2 sec.
2 sec.
1 min
10 - 20 sec.
Fluxen
Verzinnen
Abblasen
Spülen
Entfernen von Oxid,
Schutz vor erneuter
Oxidbildung,
Verbesserung der
Benetzbarkeit des
Kupfers
Schwall bzw.
Walzenfluxeinrichtung
Beschichten
der
Metallflächen
mit eutektischer
Zinn/ BleiLegierung
Walzenbeschichtungsanlage
Entfernen der
überschüssigen
Zinn/BleiLegierung
Rückstandsloses
Entfernen der
Flußmittel
Kompressor,
beheizbarer
Luftkessel,
Luftmesser
erhizte ölfreie
Luft
Durchlaufsprühmaschinen, ggf. mit
Bürste
Zweck
Entfernen von
Schmutz oder
Anlaufschichten
Einrichtung
Bürst- oder
Sprühmaschine,
Tauchbad
Behandlung
s-medium
wäßrige, neutrale Polyalkohole mit
bis saure Lösung sauren Zusätzen
mit Zusätzen
(A1, U2)
(A1, U1)
Zinn/BleiLegierung,
vorzugsweise
63/67 (A3, U5)
Wasser, ggf. mit
Zusätzen oder
organischen
Lösungsmitteln (A2,
U4)
Anlagentechnik horizontal
Für Mikroätzen, Behälter und Sprühdosen
Bleizinnbehälter aus Stahl (Edelstahl).
aus
säurebeständigem
Kunststoff.
Überwachung und Wartung
Ergänzung des Anäters (Mikroätzen) nach Durchsatz oder naßchemischer Analyse.
Ergänzung des Zinn/Blei nach Verbrauch. Flußmittel spindeln.
Kosten
In Abhängigkeit vom Layout (zu verzinnende Fläche) und von der zu verzinnenden CuSchichtdicke (Durchlaufgeschwindigkeit muß der Cu-Schichtdicke angepaßt werden) liegen
die Kosten zwischen 2,- und 5,- DM.
VDE/VDI
3711,
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Seite 19
1.8 Aufschmelzen mittels flüssiger Medien
Prozeßschritt
Vorreinigen
Fluxen
Aufschmelzen
Reinigen
Zweck
Entfernen von
Schmutz oder
Anlaufschichten
Entfernen von Oxid,
Schutz vor erneuter
Oxidbildung,
Verbesserung der
Benetzbarkeit des
Kupfers
Rückstandsloses
Entfernen der
Flußmittel
Einrichtung
Durchlaufsprühmaschine,
Tauchbad
wäßrige, neutrale
bis saure Lösung
mit Zusätzen (A1,
U1)
Schwall- bzw.
Walzenfluxeinrichtung
alkoholische, saure
Lösungen mit
Polyalkoholen und
Zusätzen (A1, U2)
Homogenisieren der
galvanisch abgeschiedenen Zinn/Blei-Überzüge zur Verbesserung
der Lötbarkeit,
Entfernen von SN/PbÜberhängen an
Leiterkanten
Schwallbad aus nichtrostendem Stahl,
Tauchbad
mehrwertige Alkohole,
Polyalkohole, hochtemperaturfeste Öle
(U3, U5)
Temperatur [°C]
Raumtemperatur
Raumtemperatur
210 bis 240, ggf. nach
Vorwärmen der
Leiterplatten
Behandlungszeit
20 bis 40 s
bis 10 s
5 bis 30 s
Behandlungsmedium
Durchlaufsprühmaschinen, ggf.
mit Bürste
Wasser, ggf. mit
Zusätzen oder
organischen
Lösungsmitteln
(A2, U4)
für Wasser 20 bis
60; für organische
Lösungsmitel
vorzugsweise
Raumtemperatur
1 bis 3 min
Das Aufschmelzen der galvanischen Zinn/Blei-Abscheidung ergibt eine homogene Schicht,
die auch nach längerer Lagerzeit gut lötbar ist. Die entstehende Oberfläche wird ballig, so
daß sich die Schichtdicke an Kanten und Lochrändern verringert. Beim Aufschmelzen
entsteht eine Querschnittsverringerung des Loches.
Die Vorbehandlung sollte unmittelbar nach dem Ätzen durchgeführt werden. Bei längerer
Lagerung zwischen Ätzen und Aufschmelzen muß die Vorbehandlung wiederholt werden.
Das Aufschmelzen selbst soll bei möglichst niedriger Temperatur vorgenommen werden;
dadurch wird die Temperaturbelastung der Leiterplatte gering gehalten.
Tritt beim Aufschmelzen Entnetzung* auf, ist die Ursache nicht nur beim Aufschmelzprozeß,
sondern auch in den vorangegangenen Arbeitsgängen zu suchen.
VDE/VDI
3711,
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Seite 20
1.9
Aufschmelzen mittels Infrarotstrahlung (IR)
Prozeßschritt
Vorreinigen
Fluxen
Aufschmelzen
Reinigen
Zweck
Entfernen von
Schmutz oder
Anlaufschichten
Entfernen von Oxid,
Schutz vor erneuter
Oxidbildung,
Verbesserung der
Benetzbarkeit des
Kupfers
Rückstandsloses
Entfernen der
Flußmittel
Einrichtung
Durchlaufsprühmaschine, Tauchbad
Schwall- bzw.
Walzenfluxeinrichtung,
Tauchbad
alkoholische, saure
Lösungen mit
Polyalkoholen und
Zusätzen (A1, U2)
Homogenisieren
der galvanisch
abgeschiedenen
Zinn/Blei-Überzüge
zur Verbeserung
der Lötbarkeit, Entfernen von SN/PbÜberhängen an
Leiterkanten
Durchlaufmaschine
mit Vorwärm- und
Aufschmelzzone
IR-Strahler
(U5)
Behandlungs- wäßrige, neutrale bis
medium
saure Lösung mit
Zusätzen (A1, U1)
Temperatur
[°C]
Raumtemperatur
Behandlungs- 20 bis 40 s
zeit
Raumtemperatur
siehe
Arbeitshinweise
bis 10 s
5 bis 15 s
Durchlaufsprühmaschinen, ggf. mit
Bürste
Wasser, ggf. mit
Zusätzen oder
organischen
Lösungsmitteln (A2,
U4)
für Wasser 20 bis 60;
für organische
Lösungsmitel
vorzugsweise
Raumtemperatur
1 bis 3 min
Das Aufschmelzen mittel IR-Strahlung führt zum gleichen Ergebnis bezüglich der Qualität
und Geometrie der Oberfläche wie das Aufschmelzen mit flüssigen Medien.
Das Aufschmelzen mittels IR-Strahlen an Mehranlagenleiterplatten* ist im Gegensatz zum
Aufschmelzen in flüssigen Medien wesentlich kritischer und kann u. U. nicht durchgeführt
werden, da zu hohe Wärmebelastung zu Delamination führen kann. Um Delamination an
Mehrlagenleiterplatten zu vermeiden wird empfohlen, vor dem Aufschmelzen zu tempern.
Arbeitshinweise
Beim Aufschmelzen mittels IR-Strahlung ist zu beachten, daß die Strahlereinstellung und
Behandlungszeit dem jeweiligen Plattentyp (Materialart, Größe, Dicke, Farbe, Abdeckung,
Gestaltung des Leiterbildes usw.) angepaßt wird, um eine Überhitzung zu vermeiden.
Die Bearbeitungsparameter sind für die jeweilige Leiterplatte durch Versuche zu ermitteln.
VDE/VDI
3711,
Blatt 6
Seite 21
1.10
Konservieren und Lackieren (Schutzlackieren)
Ungeschütztes Kupfer oxidiert in der Atmosphäre und wird dadurch schlechter lötbar. Die
Kupferoberfläche muß deshalb zur Erhaltung der Lötbarkeit konserviert werden. Dieses
Konservieren durch Lack erfolgt je nach Art der Leiterplatte mit unterschiedlichen
Lacksystemen
und
entsprechend
unterschiedlichen
Lackierverfahren.
(Kennzeichnungsdrucke und Lötstoppmasken müssen vorher aufgebracht werden.)
Prozeßschritt
Lackart
Lackierverfahren
Zweck
Einrichtung
Vorbehand Lackieren
eln
Wasserverdränger
Wasserverdrängungslac
k
Tauchverfahren
Entfernen
von
Schmutz
oder
Anlaufschichten
Bürst- oder
Sprühmaschine
Behandwäßrige,
lungsmedien neutrale
bis saure
Lösung mit
Zusätzen
(A1, U1)
Temperatur Raumtemp
.
Behand20 - 40 s
lungszeit
Trockenzeit 5 - 20 min
Schichtdicke
Konservieren
Lötlack
Tauchver- Walzlackier
fahren
verfahren
Konservieren und Löthilfe
Walzlackier
maschine
(Roller
Coater)
(A4)
Lackgieß Spritzververfahren fahren
LackSpritzgießpistole,
maschine elektrost
atische
Sprühanlage
(A4)
Tauchbecken aus
nichtrostendem Stahl oder
verzinktem Stahlblech mit
Wasserstandsanzeige und
Ablauf
(A4)
Tauchbecken
aus Stahlblech,
Polyäthylen oder
Polpropylen
Netzmittel
gelöst in
unpolaren
Kohlenwasser
stoffen
Kunstharzlack in
unpolaren
Kohlenwasse
rstoffen mit
Netzmitteln
Raumtemparatur
Kolophonium oder lötaktivere Harze, gelöst in
Alkoholen
1 - 3 min
1 - 3 min im Tauchverfahren, sonst
Durchlaufverfahren, maschinenabhängig
5 - 10 min
2 - 10 µm
2 - 5 µm
Mit Wasserverdränger bzw. Wasserverdrängungslack* kann in einem Arbeitsgang
entwässert und konserviert werden. Bei längerer Lagerzeit der Leiterplatte ist die kombinierte
Konservierung mit Wasserverdränger und anschließender Tauchlackierung mit Lötlack
angebracht.
VDE/VDI
3711,
Blatt 6
Seite 22
Durchmetallisierte Leiterplatten werden z. B. im Tauchverfahren, einseitige Leiterplatten im
Walzlackier- oder Sprühverfahren konserviert.
Mit Schutzlack behandelte Leiterplatten trocknen bei Raumtemperatur je nach Schichtdicke
des Lackfilms in ca. 5 bis 20 min. Um die Trockenzeiten abzukürzen, können
Trockenstrecken, z. B. Umlufttrocknungsanlagen oder IR-Strahler vorgesehen werden.
Bei Anwendung von Lacksystemen, die brennbare bzw. entflammbare Lösungsmittel
enthalten, sind, die Sicherheitsvorschriften (Ex-Schutz) zu beachten.
Die Viskosität wird nach DIN 53211 mit einem DIN-Auslaufbecher überwacht, wobei je nach
Viskositätsbereich eine 2- oder 4-mm-Düse verwendet wird.
2
Arbeitssicherheit und Umweltschutz
(Hinweise zu A und U)
2.1 Arbeitssicherheit (A)
A1
Das Personal hat unbedingt die für den Umgang mit ätzenden Stoffen geltenden
Vorschriften zu beachten, insbesondere das Tragen von Schutzkleidung und den
Gebrauch der Sicherheitseinrichtungen.
A2 Umgang mit Lösungsmitteln und lösungsmittelhaltigen Produkten
Folgende Vorschriften und Gesetzestexte sind unbedingt zu beachten:
- Verordnung für brennbare Flüssigkeiten (VbF)
- Technische Regeln für brennbare Flüssigkeiten (TRbF)
- Gefahrstoffverordnung (GefStoffV)
- Verordnung über Anlagen in explosionsgefährdeten Räumen
- Eplosionsschutz und Richtlinien (EX-RL) der BG Chemie
- Merkblatt BG Chemie M 017: Umgang mit Lösemitteln
- Merkblatt BG Chemie M 050: Umgang mit gesundheitsgefährlichen Stoffen (für
die Beschäftigten)
- Merkblatt der BG Chemie M 053: Allgemeine Arbeitsschutzmaßnahmen für gefährliche Arbeitsstoffe.
Weiterhin ist zu beachten :
Für gute Be- und Entlüftung sorgen; nicht rauchen, Zündfunken vermeiden; Kontakt mit
der Haut vermeiden; Schutzhandschuhe und Schutzbrille tragen; Hautschutzcreme
verwenden; Behälter nach Gebrauch verschließen, leere Gebinde aus dem Arbeitsraum
entfernen; keine Nahrungs- und Genußmittel am Arbeitsplatz aufbewahren; am
Arbeitsplatz nicht essen und trinken; gebrauchte Putzlappen nur in hierfür vorgesehenen
Behältern aufbewahren; Angaben des Herstellers lt. DIN-Sicherheitsdatenblatt beachten;
beim Umfüllen von brennbaren Flüssigkeiten beide Gefäße erden und elektrisch leitend
VDE/VDI
3711,
Blatt 6
Seite 23
miteinander verbinden. In Notfällen Arzt aufsuchen, möglichst Sicherheitsdatenblatt
mitnehmen.
A3
Bei der Wahl des Flußmittels ist auf einen hohen Flammpunkt zu achten, da es beim
Eintauchen in das heiße Zinn/Blei zur Entflammung kommen kann.
A4
Bei Lackieranlagen ist den Vorschriften entsprechend der Ex-Schutz einzuhalten und
eine entsprechende Absaugung vorzusehen.
2.2
Umeltschutz (U)
U1
Werden bei der Vorbehandlung Chemikalien eingesetzt, so sind diese Chemikalien
und deren Spülwasser den Abwasservorschriften entsprechend zu behandeln.
Eingesetzte Tenside müssen biologisch abbaubar sein.
U2
Flußmittel können sowohl auf wäßriger als auch auf alkoholischer Basis aufgebaut
sein. Flußmittelreste sind den Abwasservorschriften entsprechend zu entsorgen.
U3
Auf vorschriftsmäßige Entsorgung der Aufschmelzmedien ist zu achten.
U4
Werden wäßrige Reiniger mit Zusätzen verwendet, ist auf biologische Abbaubarkeit
zu achten. Bei organischen Lösungsmitteln ist auf die Flüchtigkeit zu achten und ggf.
durch Absaugung und Filterung die Emissionsgrenzen der TA-Luft einzuhalten.
U5
Beim Einbringen der gefluxten Leiterplatte in den Aufschmelz- oder
Heißverzinnungsprozeß kommt es zum Verdampfen der Lösungsmittel, teilweise
auch zu Verbrennungsreaktionen. Die hieraus resultierenden Abgase sind
entsprechend den Vorschriften der TA-Luft zu behandeln.
VDE/VDI
3711,
Blatt 6
Seite 24
3
Zusammenfassung
In der Matrix auf der nachfolgenden Seite wird die Einigung der jeweiligen Oberfläche
dargestellt. Die Bewertung umfaßt sowohl die wichtigsten Eigenschaften, als auch das
Anwendungsprofil der funktionellen Endschichten.
In der hier vorliegenden Broschüre sollte über den momentanen Stand der verfügbaren
Leiterplattenoberflächen berichtet werden.
Die Betrachtungen haben naturgemäß keinen abschließenden Charakter, da laufend noch
auf dem Gebiet der Leiterplattenoberfläche weiter gearbeitet wird, so daß in Zukunft
durchaus neue oder weiter verbesserte Oberflächen hinzu kommen können.
HAL
0
+
+
-
++
-
-
0
-
-
Walzenverzinnung
-
0
0
-
E
-
-
-
-
-
Chem. Zinn
+
+
+
+
+
-
-
+
+
0
Chem. Ni / Au
+
+
+
+
+
+
+
0
+
+
Org. Beschichtung
+
0
+
+
+
-
-
+
0
-
Chem. Palladium
+
+
+
+
+
0
+
+
+
+
Chem. Silber
+
Fineline
Finepitch
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Ebenheit
Lotdurchstieg
Ultrasonic
Bonden
Thermosonic
Bonden
Einpreß
technik
Klebetechnik
Kontakttechnik
Druckkontakt
+ gut
0 mittel
- schlecht/nicht geeignet
E entfällt
Mehrfach- Lagerlöten
fähigkeit
VDE/VDI
3711,
Blatt 7
Seite 1
Allgemeines
Leiterplatten stellen unverzichtbare Bestandteile aller elektronischen Baugruppen
Erstaunlicherweise werden zu ihrer Herstellung überwiegend chemische Prozesse
Verfahren eingesetzt. Die wichtigsten chemischen Behandlungsschritte in
Leiterplattenherstellung sind die Durchkontaktierung, die galvanischen Prozesse und
Ätzen.
dar.
und
der
das
Um den heutigen Forderungen nach geringstmöglicher Belastung der Umwelt durch die
Fertigung entsprechen zu können, werden in allen Fertigungsbereichen mögliche
Recyclingtechniken vorgestellt, auch wenn sie zum Teil noch Modellcharakter besitzen.
Mehrfach stellte sich heraus, daß für Prozeßschritte in der Leiterplattentechnik zwar
theoretische Vorstellungen für das Recycling vorliegen, aber die praktische Umsetzung in
die Routineproduktion noch nicht erfolgt.
Wo keine Recyclingtechniken einsetzbar sind, muß man entsprechend sorgfältig für die
Entgiftung und Entsorgung der verbrauchten Chemikalien Sorge tragen. Durch eine auf die
Inhaltsstoffe abgestimmte Zusatzverrohrung ist es möglich, die Abwässer ihren
Inhaltsstoffen entsprechend getrennt abzuleiten und spezifisch zu behandeln.
Neben der Reduzierung von Abfall durch separates Sammeln und, wo möglich, Verwertung,
und der optimierten Behandlung von Abwasser können auch Maßnahmen zur Reduzierung
der Luftbelastung durchgeführt werden.
1
Basismaterial
Das Basismaterial für Leiterplatten besteht aus einem Kunstharzsystem, welches durch
Papier, Glasfasergewebe bzw. –Vlies oder z. B. Kevlar mechanisch verstärkt wird. Das
weitverbreitete FR 4-Basismaterial besteht aus verschiedenen Lagen aus feinem
Glasgewebe und Epoxidharz. Um eine Flammhemmung zu erreichen verwendet man als
Ausgangsstoff für das Epoxidharz Tetrabromobisphenol A, welches zu einem im Brandfall
schnell selbstverlöschenden Basismaterial führt. Von Nachteil ist allerdings die durch einen
Brand verursachte Bromwasserstoffbildung, die unter anderem auch zu erheblichen
Korrosionsschäden als sekundärem Effekt führen kann. Für FR 4-Basismaterial wurde ein
spezielles Verwertungsverfahren entwickelt, das Kupfer und Nichtmetalle trennt, so daß sie
getrennt wiederverwertet werden können. Aus Rezyklat hergestelltes Basismaterial hat sich
bis jetzt noch nicht durchsetzen können.
1.1 Die chemische Durchkontaktierung
Bei Leiterplatten wird die elektronische Schaltung in ein Leiterbild umgesetzt, das sich meist
auf zwei und bei Mehrlagenschaltungen (Multilayern) sogar auf vielen Ebenen befindet. Um
diese Leiterbildebenen miteinander zu verbinden, werden an den vorgesehenen
Kontaktstellen Löcher gebohrt, deren Metallisierung die Verbindung herstellt. Außerdem
können Bauelemente hier eingelötet werden. Das Basismaterial von Leiterplatten besteht in
der Regel aus mit Glasfasermatten verstärktem Epoxidharz, welches, da es nichtleitend ist,
in den Durchkontaktierungslöchern mit einer stromlos erzeugten Kupferschicht versehen
VDE/VDI
3711,
Blatt 7
Seite 2
wird. Nach Vorreinigen, Beizen und Katalysieren wird das Kupfer chemisch-reduktiv
abgeschieden. Als Reduktionsmittel dient dabei Formaldehyd, während durch
Komplexbildner wie EDTA, Tartrat oder Quadrol die Kupferionen bei den
Arbeitsbedingungen in Lösung gehalten werden. Bei der Entsorgung der verbrauchten
chemisch Kupfer-Lösungen wird empfohlen, durch Überaktivierung das vorhandene Kupfer
auszufällen.
Im Fall von EDTA als Komplexbildner ist es dann möglich, den größten Teil des Materials
durch Ausfällen als freie Säure zurückzugewinnen und sogar im Prozeß wieder einzusetzen.
Am effektivsten arbeitet dieses Verwertungsverfahren bei der Additivtechnik, wo besonders
große Mengen an verbrauchter chemisch Kupferlösung anfallen.
Das Formaldehyd kann in den verbrauchten Lösungen durch Oxidation mit
Wasserstoffperoxid oder durch anodische, elektrolytische Oxidation zerstört werden. Im
Labor- und Pilotmaßstab gibt es auch ein Verfahrenzur Zerstörung der Komplexbildner durch
eine spezielle elektrolytische Oxidationszelle mit hohen Stromdichten. Tartrat als
Komplexbildner im chemisch Kupferprozeß läßt sich biologisch abbauen. Mit dem Ziel, durch
Vermeidung von Formaldehyd und Komplexbildnern die Umwelt zu entlasten, ohne dabei an
der Qualität der Produkte Abstriche machen zu müssen, wurden verschiedene sogenannte
Direct Plating Verfahren entwickelt. Es wird eine sehr dünne, leitfähige Schicht auf den
Nichtleitern erzeugt, deren Leitfähigkeit ausreicht, galvanisch mit Kupfer zu verstärken. Man
unterscheidet die Direct Plating Verfahren nach der Methode, die leitfähige Grundschicht zu
erzeugen:
- kolloides Palladium, gegebenenfalls sulfidiert
- Kohle- bzw. Graphitsuspension
- leitfähige organische Polymere
Teilweise sind auch die Conditioner auf komplexbildnerfreie Varianten umgestellt worden.
1.2
Der Desmear-Prozeß
Um die Innenwand der Bohrlöcher für die Durchkontaktierung optimal vorzubereiten und bei
allen Mehrlagenschaltungen, rauht man mittels Oxidation durch alkalische
Kaliumpermanganatlösung das Epoxidharz auf. Im ersten Prozeßschritt wird mit Hilfe eines
organische Lösemittel enthaltenen Quellers die Struktur des Harzes gelockert, so daß das
Permanganat oxidativ angreifen kann. Durch optimierte Abtropfzeiten und Verwendung von
Lösung aus der Sparspüle zum Ersatz der Verdampfungsverluste kann man einen großen
Teil der Organik ins Prozeßbad zurückführen. Der Permanganatverbrauch wird durch die
direkte anodische Reoxidation des Manganats im Arbeitsbehälter mehr als halbiert.
1.3
Das Beizen
Wann immer in der Leiterplattentechnik besonders reine und aktive Kupferoberflächen
benötigt werden, setzt man einen Beizschritt ein.
VDE/VDI
3711,
Blatt 7
Seite 3
Mit einer schwefelsauren Natriumpersulfatlösung trägt man beim Beizen z. B. 1mm Kupfer
ab. Obwohl die chemische Entgiftung durch Sulfidfällung zu sehr geringen
Schwermetallrestkonzentrationen führt, ist das Recycling zur Abfallvermeidung hier
besonders aussichtsreich.
Mit einer Trommelelektrolysezelle, beispielsweise, kann in wenigen Stunden der größte Teil
des Kupfers abgeschieden werden. Die verbliebene Lösung wird dann chemisch zur
Gewährleistung der Einleitungsgrenzwerte nachbehandelt. Bei Einsatz von Kalkmilch in der
Konzentratbehandlung fällt man einen großen Teil des im Abwasser enthaltenen Sulfats als
Gips aus, was allerdings die Menge an Abfall erhöht.
Mit einer durch eine Membran unterteilten „Gaslift“-Zelle erreicht man eine vollständige
Kreislaufschließung. Kathodisch scheidet man das in der verbrauchten Beizlösung
enthaltene Kupfer bei hoher Stromdichte in Form eines feinen Pulvers ab, das mit dem
Flüssigkeitsstrom aus der Zelle ausgetragen und außerhalb abgetrennt wird. Die
verbleibende, entkupferte Lösung oxidiert man anodisch wieder zu Peroxodisulfat auf, das
wieder in die Fertigung zurückführbar ist. Die in den Beizen enthaltene Menge Kupfer stellt
die Hauptquelle in der Fertigung dar.
1.4
Spültechnik
Der am häufigsten in der Leiterplattenherstellung verwendete Stoff ist das Wasser. Es dient
zum Ansetzen der Prozeßlösungen, zum Abtrennen der verschiedenen Verfahrensschritte
und zum Erzeugen einer geeigneten Oberflächenbeschaffenheit.
Sparspülen waschen im Anschluß an eine chemische Behandlungsstufe den Hauptteil der
Inhaltsstoffe von der Oberfläche. In Sparspülstufen kann man die Wirkstoffe so
aufkonzentrieren, daß Recyclingtechniken einsetzbar werden oder die Sparspüllösungen
direkt in die Prozeßstufen zurückgeführt werden können. Am zuverlässigsten, vom
Standpunkt der Verfahrenssicherheit, erwies sich die Steuerung des Wasserzulaufs zu den
Sparspülen mittels Leitfähigkeitssonden, so daß Schwankungen des Wirkstoffeintrags
automatisch ausgeglichen werden. Steht keine Aufarbeitungstechnik zur Verfügung, können
Sparspülen wegen ihres geringen Volumens auch mit Hilfe der wirkungsvolleren
Chargentechnik entsorgt werden.
Durch Nachspülen mit sehr reinem Kreislaufwasser erhält man die für Folgeprozesse
optimale Oberflächenreinheit. In einer Kreislaufwasseranlage werden durch Kationen-und
Anionenaustauscherharze die ionischen Inhaltsstoffe des Spülwassers durch chemische
Oberflächenreaktion festgehalten und das gereinigte Wasser wieder in die Fertigung
zurückgeleitet. Wenn die gesamte Oberfläche der Ionenaustauscherharze derart belegt und
damit das Austauschvermögen erschöpft ist, kann man durch Behandlung der
Kationenaustauscher mit Säure und der Anionenaustauscher mit Lauge deren Wirksamkeit
durch die Umkehr der chemischen Reaktionen wieder vollständig regenerieren. Die
Häufigkeit des Regenerierens wird nur durch den Gehalt des Wassers an Inhaltsstoffen,
nicht aber durch die Menge des durch die Austauscher fließenden Wassers bestimmt. Man
kann also durch Ionenaustauscher die Inhaltsstoffe des Wassers aufkonzentrieren. Die
Regenerate können entweder einer elektrolytischen Aufarbeitung oder der chemischen
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Behandlung und Entsorgung zugeführt werden. Wenn aufgrund von Wasserinhaltsstoffen,
die nicht an Ionenaustauscherharzen gebunden werden und sich deshalb im Kreislaufwasser
anreichern würden, die Verwendung von Kreislaufwasser ausgeschlossen ist, kann man
durch Bildung von Spülkaskaden, bei denen eine Spülstufe immer den Zufluß für die
nächstfolgende Spülstufe darstellt, ebenfalls bis zu 90% des Spülwassers einsparen. Dazu
werden häufig bis zu 4-stufige Spülkaskaden benutzt. Im Anhang 40 der
Rahmenverwaltungsvorschrift, der die Einleitungsbedingungen regelt, wird von einer 3
stufigen Spülung ausgegangen.
1.5 Fotodruck
Zur Erzeugung des Leiterbildes und der Lötstopmaske werden meist Fotodruckverfahren
eingesetzt. Lichtempfindliche Trockenresists werden auf die Leiterplatten auflaminiert, oder
ein lichtempfindlicher Lack aufgebracht und durch Belichten mit UV-Licht an den
abzudeckenden Stellen unlöslich gemacht. Die nichtbelichteten Stellen werden mit
Sodalösung herausgelöst. Nach der Galvanisierung entfernt man den Trockenresist
vollständig mit Hilfe von Lauge. Viele Leiterplattenhersteller nutzen einen Zusatz an
Ethanolamin, um den Resist besser von den Leiterflanken zu entfernen. Die Fotoresist
enthaltenden Konzentrate und Sparspülwässer werden bevorzugt getrennt gesammelt. Bei
der Fotoresistbehandlung säuert man teilweise unter Zugabe von Eisensalzen an. Je nach
Arbeitsverfahren fällt ein Resistkuchen an, der manuell entfernt wird oder der Schlamm wird
abgepreßt. Bei Anwesenheit von Ethanolamin kann man nur mit Sulfid bzw. Organosulfid die
Kupferkonzentration unter den Einleitegrenzwert senken. Es ist wegen möglicher
Rücklösung besonders darauf zu achten, daß komplexbildnerhaltige Lösungen, auch nach
Abtrennung des Sulfidschlamms, nicht in den komplexbildnerfreien Anlagenbereich
gelangen. Mit Fotoresist beladene Entwicklerlösungen können gegebenenfalls auch mit Hilfe
der Ultrafiltration bearbeitet werden.
1.6
Ätzen
Nachdem durch Fotoprozeß und Galvanoprozeß das Leiterbild strukturiert wurde, muß das
überschüssige Kupfer des Basismaterials nun entfernt werden. Im Normalfall benutzt man in
der Leiterplattentechnik galvanisch aufgebrachtes Zinn oder Zinnblei als Schutz für das
Leiterbild beim Ätzen. Als Ätzmedium dient eine ammoniakalische Kupfersalzlösung. Bei
dem Replenisher-Verfahren regelt ein Dichtesensor den Zufluß an Frischätze und den
Abfluß an verbrauchter Ätze. Die Ätzlösungen werden in großen Tanks gesammelt und z. B.
wöchentlich mit Tankwagen gewechselt. Ein Recyclingverfahren für die ammoniakalische
Ätze, welches es gestattet, durch den Übergang auf Sulfat als Basis der Ätzlösung diese
durch elektrolytische Abscheidung des Kupfers zu regenerieren, wird bei einigen
Leiterplattenherstellern in der Routinefertigung eingesetzt. Auf diese Weise gewinnt man z.
B. täglich mehrere hundert kg Kupfer zurück, so daß dies Verfahren auch wirtschaftlich
vertretbar ist.
Beim Ätzen von Innenlagen, wo der Fotoresist als Ätzschutz dient, verwendet man häufig
eine salzsaure Kupferchloridlösung als Ätzmedium. Bei dem konventionellen Verfahren wird
das Ätzmedium durch Zusatz von Wasserstoffperoxid mittels einer Redox-Steuerung immer
aktiv gehalten. Das verbrauchte Ätzmedium sammelt sich in einem Vorratstank und wird
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extern aufgearbeitet. Bei einem Aufarbeitungsverfahren gewinnt man die Salzsäure für den
Wiedereinsatz beim Ätzen zurück, während als zweites Produkt Kupfersulfat entsteht.
Bei elektrolytischen Recyclingverfahren muß durch den Aufbau oder den Ablauf des
Verfahrens sichergestellt werden, daß anodisch kein Chlor entsteht. Bei einem in der
Fertigung erprobten Verfahren versucht man durch äußerst intensiven Austausch der
Lösung an der Anode das elektrochemische Potential so klein zu halten, daß möglichst kein
Chlor entsteht.
1.7 Heißluftverzinnen
Nach dem Ätzen wird der Ätzschutz entfernt und zum Verhindern von Kurzschlüssen ein
Abdecklack aufgebracht, der nur die Bohrungen und die Anschlußflächen freiläßt. Die
Leiterplatten werden nun durch Beizen gereinigt und mit Flußmittel überzogen. Das
Flußmittel aktiviert und schützt die Leiterplatten beim Heißluftverzinnen, wenn die Platten
kurz in ein Bad aus flüssigem Lot getaucht und Lotreste beim Herausziehen mit Hilfe von
Preßluft aus den Aufnahmelöchern und von der Oberfläche geblasen werden. Die Abluft
reinigt man optimal mit einem elektrostatischen Filter und nachgeschaltetem A-Kohlefilter, so
daß keine Geruchsbelästigung auftreten kann.
1.8 Abwasserbehandlung
In der Leiterplattenfertigung werden die Abwasserströme möglichst nach ihren Inhaltsstoffen
entsprechend getrennt gehalten, damit Aufarbeitungstechniken oder spezielle
Entsorgungstechniken einsetzbar werden. Bei Fuba Gedruckte Schaltungen wurden z. B. zu
diesem Zweck bei laufender Produktion zusätzliche Abwasserrohre mit einer Länge von
mehr als 11000 m gelegt.
Eine Kreislaufanlage dient zum Klarspülen, wenn die Produkte durch Sparspülen schon
vorgereinigt sind, da Kreislaufwasser eine große Reinheit besitzt. Durch den Aufbau der
Kationen- und Anionenaustauscher als Zweistraßenanlage ist eine ständige Verfügbarkeit
gesichert, auch wenn ein Ionenaustauscher gerade automatisch regeneriert wird.
Eingeschleppte Tenside können in einem speziellen Tensidfänger adsorbiert werden. Eine
Regeneration dieser Harze ist nur mit besonderem Aufwand möglich, so daß sie nach
Beladung meist in geeigneten Anlagen verbrannt werden.
Normal belastete bzw. nicht kreislaufwasserfähige Abwässer werden in der kontinuierlichen
Durchlaufanlage behandelt. Nur wenn in diesen Abwasserströmen komplexbildende
Substanzen ausgeschlossen werden können, ist auch ohne die Sulfidfällung, sondern durch
Hydroxidfällung, die Einhaltung der Schadstoffgrenzwerte möglich. Die Konzentrate von
Alkaliresist, Oxidationsmittellösungen, fluorid- und cyanidhaltigen Lösungen werden in
Sonderbehandlungen entgiftet. Den mengenmäßig größten Anteil bilden die
Chargenbehandlungen komplexarmer und komplexhaltiger Konzentrate. Nach dem
Abpressen des schwermetallhaltigen Schlamms wird das Filtrat der komplexbildnerhaltigen
Lösungen in einer Nachbehandlung mit Organosulfid auch von den letzten
Schwermetallresten befreit. Zusätzlich wird das Formaldehyd der chemisch Kupferlösungen
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mit Wasserstoffperoxid zerstört. Der schwermetallhaltige Schlamm kann in einer
Erzaufbereitung verwertet werden, so daß eine Deponierung zur Zeit nicht erforderlich ist.
Bei den Bürstprozessen spart man Wasser durch den Aufbau eines separaten Kreislaufs, in
dem das Wasser durch Zentrifugen oder Anschwemmfiltration mechanisch von Partikeln des
Bürstzusatzmittels, meist Bims- oder Quarzmehl, und dem Kupferabrieb befreit. Dadurch
kann das Wasser über lange Zeit wiederverwendet werden.
Wo immer sinnvoll, absorbieren Gaswäscher die Inhaltsstoffe aus der Abluft. Um die
maximalen Arbeitsplatzkonzentrationen flüchtiger Stoffe einhalten zu können, werden die
Fertigungseinrichtungen möglichst dicht gebaut und an die Absaugung angeschlossen. Zum
Beispiel beim sauren und ammoniakalischen Ätzen entfernen die Gaswäscher
Salzsäuredämpfe bzw. Ammoniak aus der Abluft. Regelmäßig werden die
Gaswäscherlösungen gewechselt und einer Konzentratbehandlung in der Abwasseranlage
zugeführt. Nach der Plasmabehandlung zur Reinigung der Bohrlöcher ist die Absorption
eventuell noch vorhandener Radikale in einem Gaswäscher notwendig.
Es gibt europa- und weltweit aufgrund der Umweltgesetzgebung einen großen Bereich an
Kriterien für die Einleitung von Schadstoffen in Gewässer, in die Luft oder für die
Deponierung. Es scheint allerdings, daß langfristig im Allgemeinen die im Anhang 40 der
allgemeinen Rahmenverwaltungsvorschrift zusammengestellten Grenzwerte Akzeptanz
finden, auch wenn Genehmigungen mit höheren Grenzwerten z. T. noch lange Laufzeiten
haben.
Begriffsbestimmungen für die Leiterplattenfertigung
Adapterstift
Für die elektrische Prüfungen von Leiterplatten verwendete Kontaktstifte
Antipad
Gegenüberliegendes Lötauge
Absorption
Aufnahme eines Stoffes durch Diffusion in einem anderen durch die Phasengrenzfläche hindurch
abziehbare Lötstoppmaske
vom Leiterplattenhersteller oder -bestücker auf diejenigen Stellen der Leiterplatte
aufgebrachte Abdeckmaske, an denen ein Benetzen während des Lötprozesses
verhindert werden soll. Sie wird in der Regel siebdrucktechnisch aufgebracht und
unmittelbar nach dem Löten durch Abziehen entfernt
Atom-Absorptions-Spektroskopie (AAS)
analytisches Verfahren zur Elementanalyse
Ätzen
chemischer Materialabtrag, meist partielle strukturierte chemische Auflösung eines
Materials. Das Material ist an den Stellen, an denen es verbleiben (nicht geätzt
werden) soll, durch ein gegenüber dem Ätzmittel resistentes Material (Resist) abgedeckt bzw. maskiert. Beispiele sind das Kupferätzen im Subtraktivprozeß der
Leiterplattenherstellung, bei dem das verbleibende Kupfer (Leiterzüge) durch einen
organischen Lack oder eine andere Metallschicht (Metallresist SnPb, Ni, Au u.ä.)
geschützt und das freiliegende Kupfer durch ein oxidatives Ätzmittel herausgelöst
wird. Ähnliche Verfahren werden in der Halbleitertechnik verwendet. Weitere
Ätzverfahren sind das Formteilätzen zur Herstellung planarer Metallteile durch Ätzen
von Metallfolien, das Ätzen eckiger Löcher in kompakte Materialien (chemical
milling), die Strukturierung von Polymerfolien mittels Lösungs- oder reduktiven
Ätzmitteln (Hydrazin bei Polyimid) oder Plasmaätzen zur Strukturierung von
Polymerfolien im O2-Plasma unter Verwendung von Kupfermasken. Verfahren zum
Anbeizen von Oberflächen zwecks Reinigung, bei denen ein größerer Materialabtrag
erfolgt, werden oft auch mit dem Begriff Ätzen verbunden (Rückätzen der Glasfasern
bei der Multilayerherstellung, Plasmaätzen zur Bohrlochreinigung oder das Anätzen
von Schliffen der Metallographie zur Materialprüfung).
Ätzmedium
Ätzmittel: Medium zur Materialauflösung beim Ätzprozeß. Beim Ätzen von Metallen
besteht das Ätzmittel in der Regel aus einem starken Oxidationsmittel zur Auflösung
des Metalls als Ion. Z. B.:
Eisen-III-Chlorid
2 Fe3+ + Cu → 2 Fe2+ + Cu2+
Kupferchlorid
Cu2+ + Cu → 2 Cu2+
1
(Oxidation zu Cu2+ durch Luftsauerstoff oder Wasserstoffperoxid). Zur Erreichung
der Selektivität bei Verwendung von Metallresisten, wie Zinn oder Zinn-Blei, wird
mittels Ammoniak der pH-Wert erhöht, so daß im mittleren alkalischen Bereich (710) die Metallresistschicht nicht gelöst wird. Auch selektiv wirkende Ätzmittel
(geringere Auflösungspotentiale), wie Persulfate können in der Metallresisttechnik
verwendet werden.
Ätzfaktor
Verhältnis der Ätztiefe zur seitlichen Unterätzung unter die Abdeckungsmaske
a
Zinn-Abdeckung
F = d/a
d
Kupfer
Basismaterial
Der Ätzfaktor hat bei reinem Tauchätzen den Wert 1 und erhöht sich durch spezielle
Strömungsmaßnahmen, z.B. beim Sprühätzen, auf 2 bis 4 (Mikrostrukturätzen).
Beim Mikrostrukturätzen tritt beim Sprühätzen durch unterschiedliche laminare
Strömung in den engen Kanälen der Fotoresiststrukturen eine Bildverfälschung ein,
die zu berücksichtigen ist. Durch den Einsatz von Flankenschutzmitteln, die
unlösliche, mechanisch abtrennbare Oberflächenschichten bilden, kann die Flanke
vor dem Ätzangriff geschützt und der Ätzfaktor auf bis 10 erhöht werden. Da
Flankenschutzmittel die unterschiedliche kinetische Energie des Ätzmittels
ausnutzen, sind sie bei ungleichmäßig strukturierten Oberflächen nur bedingt
einsetzbar. Die Bildverfälschung beim Mikrosturkturätzen wird verstärkt.
Ätzresist
Resist oder Reserve zur Abdeckung vor dem Ätzen. Schicht auf den nicht zu
ätzenden, abzudeckenden Materialteilen, um den lokalen Ätzangriff zu vermeiden.
Je nach dem Prozeß sind Ätzresiste entweder organische (Fotoresiste,
Trockenfilmresiste, Siebdruckresiste) oder metallische (Zinn, Zinn/Blei, Nickel, Gold)
Schichten. Die organischen Resiste müssen gegenüber den verwendeten Ätzchemikalien resistent oder zeitweise resistent sein und sich nach ihrer Verwendung
leicht entfernen (strippen) lassen. Metallresiste haben ein gegenüber dem zu
schützenden Material (z.B. Kupfer) unterschiedliches Auflösungspotential, wodurch
sie beim Ätzprozeß (in speziell eingestellten Ätzmitteln, wie z.B. leicht alkalischen
ammoniumhaltigen Ätzmitteln) nicht angegriffen werden. Sie müssen sich jedoch
ebenfalls durch geeignete Stripper, die wie-derum das Unterlagenmaterial nicht
angreifen, wieder entfernen lassen oder, falls sie verbleiben (Zinn-Blei als Löthilfe),
dürfen sie sich nicht mit Deckschichten bedecken bzw. die Deckschichten müssen
ebenfalls in einem nachfolgenden Prozeß (Aufhellen) entfernt werden. Der Ätzresist
kann eine geringe Dicke besitzen, wenn er chemisch und mechanisch genügend
Widerstand bietet, muß aber ohne Pinholes (Nadellöcher) sein. Besonders in der
fotolithografischen Strukturierung des Resistes ergeben sich bei dünnen Resisten
sehr gute Strukturwiedergaben, da die Auswirkungen von Streulicht geringer sind.
Aufhellen
Reinigen der durch das Ätzen oxidierten Oberfläche galvanischer Zinn-BleiSchichten auf Leiterplatten, die aufgeschmolzen oder ohne weitere Zwischenbehandlung vom Leiterplattenhersteller ausgeliefert werden.
2
Auflösung / Auflösungsvermögen
Allg. Angabe, welche Abstände zwischen zwei Strukturen (z.B. Pads) realisiert werden sollen - Auflösung - bzw. vom z.B. Lötstopplack dargestellt werden können
- Auflösungsvermögen Ausdehnungskoeffizient, thermischer
Materialkenngröße (1*10-6/K), Angabe, um wieviel sich ein Material bei der Erwärmung um 1 K ausdehnt. Die Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten
zwischen Kupfer und Basismaterial kann Ursache für Hülsenrisse in Durchkontaktierungen sein, die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von SMT-Bauelementen
und Leiterplatten müssen aufeinander abgestimmt sein, da sonst durch Temperaturwechsel Scherspannungen entstehen, die Lötstellen oder Bauelemente
schädigen können.
Basismaterial
BM: Isolierstoff, der als Träger des Leiterbildes bzw. der Leitstruktur der Schaltung
dient. Er kann starr oder flexibel sein. Basismaterialien der Leiterplattentechnik
bestehen in der Regel aus Polymerschichten, die nicht (flexible BM) oder mit (starre
oder semiflexible BM) Füllmaterial (Glasgewebe, Glasvliese, Textil- oder sonstigen
Fasermaterialien, Papiere) versteift werden. Die Dickschicht-Hybridtechnik verwendet Keramiken, die Dünnschicht Gläser als Basismaterialien. Bei den beiden
letztgenannten Techniken wird das Basismaterial oft auch als Substrat bezeichnet,
wobei als Substrat auch die fertige Schaltung oder das Halbzeug im Fertigungsprozeß bezeichnet wird.
Beizen
Behandlung meist metallischer Oberflächen durch Tauchen oder Sprühen mit überwiegend wäßrigen Lösungen, die sauer, alkalisch oder neutral reagieren können, zur
Reinigung und Vorbereitung der Oberflächen für nachfolgende Prozesse durch
geringfügigen Materialabtrag
Bestückungsdruck
Leiterplatten werden oft mit einem Kennzeichnungsaufdruck versehen, um beim
Bestücken oder beim Service die Lage der Bauelemente eindeutig zu bestimmen.
Der Bestückungsdruck wird mittels Siebdruck auf den Lötstopplack aufgebracht. Es
handelt sich um thermische oder UV-härtbare Farben.
Beta-Rückstreuverfahren, ß-Rückstreuverfahren
Schichtdickenmessung mit ß-Strahlen nach DIN 50983. Je nach der Ordnungszahl
(Periodensystem der Elemente) reflektieren die Stoffe Elektronen (ß-Strahlen) unterschiedlich. Befinden sich zwei Schichten unterschiedlicher Ordnungszahl
(mindestens 4 Ordnungszahlen Unterschied) übereinander und ist die unterste quasi
unendlich dick (alle ß-Strahlen rückgestreut), läßt sich die Schichtdicke der Auflage
bestimmen. Auch Metall-Legierungszusammensetzungen lassen sich bestimmen,
wenn die Schicht dick genug ist, damit alle Strahlen reflektiert werden.
Bohrauflage
Bohrdecklagen: zur Abdeckung des Leiterplattenstapels zur Verringerung des
Bohrgrates, Verbesserung der Wärmeabführung, der Bohrerführung und -zentrierung
beim mechanischen Bohren von Leiterplatten. Als Bohrdecklagen werden verwen3
det: Aluminiumdünnbleche = 0,3 mm, Phenolharz- oder Preßspan-platten bzw.
spezielles Sandwichmaterial.
Bohrbild
Bohrbild der Leiterplatte, da die Bohrungen zum Kontaktieren dienen und den
Prüfling über die Prüfstifte mit dem Rasterfeld des Prüfautomaten verbinden. SMDAdapter benutzen zusätzlich SMD-Pads zum Prüfen. Da die meisten Leiterplatten
mittlerweile nicht mehr im Raster 2,5 oder 2,54 mm gebohrt sind oder sehr kleine
Raster besitzen, werden Adapter aus speziell berechneten zwei bis drei Lagen mit
entsprechendem Lochversatz hergestellt, so daß eine schräge Führung der Prüfnadeln möglich ist.
Bohrparameter
Anwendungsdaten, wie Drehzahl, Vorschub pro Durchmesser
Bohrprogramm
automatischer Bohrerwechsel: in CNC-Bohrmaschinen werden die für jede
Bohrgröße erforderlichen Bohrer entsprechend Bohrprogramm automatisch in den
Bohrkopf eingespannt und wieder im Magazin abgelegt. Bei Bohrerverschleiß oder
Bohrerbruch kann entsprechend Programm oder nach erfolgter Messung (auch
automatisch durch z.B. Laser in der Maschine) durch die Maschine selbsttätig ein
Bohrerwechsel vorgenommen werden.
Bohrunterlage
Holzbrett in gleicher Größe wie Leiterplatte, um die durchbohrende Bohrerspitze
aufzunehmen
Bohrversatz
Verlauf des Bohrers von oben nach unten = erste bis letzte Platte
Bonden
Verbindungstechnik der Mikroelektronik, meist Mikroschweißtechnik. Beim Drahtbonden werden die Verbindungen zwischen Halbleiterchips und den Schaltungs
trägern durch Drähte hergestellt, die durch Schweißverbindungen mit den Kontaktinseln auf dem Chip bzw. auf dem Pad des Verdrahtungsträgers oder dem Anschlußkamm verbunden werden. Die Schweißverbindung entsteht durch Temperatur und
Druck (Thermokompressionsbonden) oder durch Reibung (Ultraschallbonden). Im
weiteren Sinne werden auch andere Mikrokontaktierverfahren, wie Mikrolötverfahren, Mikroklebeverbindungen, die Chipflächenkontaktierung (Diebonding) mit dem
Begriff Bonden belegt. Beim Klebebonden wird die Verbindung durch leitfähige
Kleber hergestellt. In der Leiterplattentechnik gewinnen Bondverfahren bei der
Verarbeitung unverkappter Chips bei z.B. der Chip-on-board- (COB-) Technik an
Bedeutung. Anodisches Bonden ist eine Flächenverschweißung planer Flächen mittels Strom.
chemische Abscheidung
Abscheidung z.B. eines Metalles aus einer Lösung dieses Metalles ohne Einwirkung
eines von außen zugeführten elektrischen Stromes (außenstromlos) durch Reduktionsmittel, katalytische Unterstützung und Potentialunterschiede zwischen der zu
4
beschichtenden Oberfläche und der gelösten Metallverbindung, z.B. chemische
Kupferabscheidung zur Herstellung von Durchkontaktierungen oder die Herstellung
der Kupferschicht bei Additivverfahren. Komplexbildner und Stabilisatoren
(Abwassergifte) müssen im chemischen Kupferelektrolyt eingesetzt werden, um den
unkontrollierten Zerfall an Gefäßwänden und Gestellen zu vermeiden. Zusätzlich ist
eine ständige Regenerierung, Erneuerung und Wartung notwendig, um den autokatalytischen Zerfall zu verhindern. Zur Vermeidung der bei der chemischen Kupferabscheidung auftretenden hohen Abwasserbelastung werden heute zunehmend Direktmetallisierungsverfahren zur Metallisierung der Bohrungen eingesetzt, die ohne die
chemische Kupferabscheidung auskommen.
CNC
Computerized Numerical Control, comp-utergestützte numerische Steuerung für
Werk-zeugmaschinen, z.B. Bohr- und Fräsautomaten
Deoxidizer
Desoxidation: chemische Reinigung von Kupferoberflächen. Es werden störende
Oberflächenfilme wie oxidische oder sulfidische Anlaufschichten, aber auch
Handschweiß oder -fett, Haftvermittlerreste von Resisten, Kalkrückstände (getrocknete Spülwasserreste) u. ä. entfernt. Die Kupferoberfläche selbst wird nur
geringfügig angegriffen. Beim Beizen erfolgt in der Regel ein zusätzlicher
Kupferabtrag. Nachfolgende Prozesse, wie Aktivierungen werden durch die
Desoxidation gefördert bzw. erst möglich.
Dimensionsstabilität
Stabilität der Abmessungen eines Materials bei Temperatur oder Feuchtigkeitseinfluß. In der Leiterplattentechnik ist z.B. eine gute Dimensionsstabilität der Filmvorlagen bei der Belichtung von fotostrukturierbaren Lötstopplacken erforderlich um den
Lötstopplacken an den gewünschten Stellen zu belichten, d.h. das Film und Leiterbild auch während der Belichtung (Erwärmung) deckungsgleich sind
DK-Fehler
Durchmetallisieren: auch Durchkontaktieren. Herstellung der elektrisch leitenden
Verbindung der beiden Seiten einer Leiterplatte durch Metallisierung der
Bohrlochwandung. Der Prozeß ist einer der wichtigsten und zugleich schwierigsten
Prozesse der Leiterplattenherstellung. Die Bohrlochwandungen, die aus
Epoxidharz/Glasgewebe und den Enden der Kupferfolien (bei Multilayer auch im
Inneren) bestehen, müssen gleichmäßig mit Kupfer beschichtet werden. Es stehen
mehrere Verfahren zur Verfügung: 1. Aktivieren in kolloidalen oder ionogenen
Palladiumlösungen (Herstellung einer katalytisch wirkenden Oberfläche) mit
nachfolgender chemischer (außenstromloser) Verkupferung bis zur geforderten
Endkupferschichtdicke, 2. wie 1. jedoch mit geringerer (wenige µm) Verkupferung
und (nach Strukturierung mittels Resist) nachfolgender galvanischer (mittels Strom)
Kupferabscheidung bis zur Endkupferschichtdicke, 3. Herstellung einer dünnen,
ausreichend leitfähigen Oberfläche (wenige nm dicke Palladium-, Palladiumsulfid-,
Nickel-, Graphitschicht oder Schicht aus leitfähigem Polymer) und anschließende
galvanische Kupferabscheidung (Direktmetallisierungsverfahren). Voraussetzung für
das Gelingen der Durchmetallisierung ist eine gute Bohrlochreinigung, insbesondere
Desmearing bei Multilayern.
5
DNC
Direct (Distributed) Numerical Control
Doppelseitige Leiterplatte
Je Leiterplattenseite eine Kupferschicht
Druckbild
Aufgedrucktes Bohrbild
Durchkontaktierung im BF Durchmetallisierung
Durchmetallisieren: auch Durchkontaktieren. Herstellung der elektrisch leitenden
Verbindung der beiden Seiten einer Leiterplatte durch Metallisierung der Bohrlochwandung. Der Prozeß ist einer der wichtigsten und zugleich schwierigsten
Prozesse der Leiterplattenherstellung. Die Bohrlochwandungen, die aus Epoxidharz/Glasgewebe und den Enden der Kupferfolien (bei Multilayer auch im Inneren)
bestehen, müssen gleichmäßig mit Kupfer beschichtet werden. Es stehen mehrere
Verfahren zur Verfügung: 1. Aktivieren in kolloidalen oder ionogenen Palladiumlösungen (Herstellung einer katalytisch wirkenden Oberfläche) mit nachfolgender
chemischer (außenstromloser) Verkupferung bis zur geforderten Endkupferschichtdicke, 2. wie 1. jedoch mit geringerer (wenige µm) Verkupferung und (nach
Strukturierung mittels Resist) nachfolgender galvanischer (mittels Strom) Kupferabscheidung bis zur Endkupferschichtdicke, 3. Herstellung einer dünnen, ausreichend leitfähigen Oberfläche (wenige nm dicke Palladium-, Palladiumsulfid-,
Nickel-, Graphitschicht oder Schicht aus leitfähigem Polymer) und anschließende
galvanische Kupferabscheidung (Direktmetallisierungsverfahren). Voraussetzung für
das Gelingen der Durchmetallisierung ist eine gute Bohrlochreinigung, insbesondere
Desmearing bei Multilayern.
Einpreßtechnik
Insertmounttechnologie; die Einpreßtechnik ist das Verfahren zur Herstellung von
lötfreien Einpreßverbindungen. Ein Einpreßstift (Einpreßpfosten) mit einem geeigneten Einpreßbereich (Einpreßzone) wird in ein metallisiertes Durchkontaktierungsloch einer zwei- oder mehrlagigen Leiterplatte eingepreßt.
Emission
Abgabe von Licht, Wärme, Strahlen oder ähnlichen Umwelteinwirkungen
Emissionsmaximum
Die von einer Lichtquelle ausgesandte Strahlung erstreckt sich über einen bestimmten Wellenlängenbereich mit unterschiedlicher Intensität. Der Teil des Wellenlängenbereiches mit der maximalen Intensität wird als Emissionsmaximum bezeichnet.
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Emulsion
Dispersion feiner Teilchen einer Flüssigkeit in einer anderen, die in der ersten
unlöslich ist (Fette in Wasser)
Eutektikum
Zusammensetzung und Schmelztemperatur eines Gemisches aus zwei oder mehreren im flüssigen Zustand mischbaren, im festen Zustand nicht mischbaren Stoffen.
Im Eutektikum sind beide Stoffe mit konstanter Zusammensetzung mischbar und
haben einen konstanten (meist minimalen Schmelzpunkt (eutektische Temperatur).
Das Eutektikum ist dem Zustandsdiagramm (Schmelzdiagramm) zu entnehmen. Der
eutektische Punkt von Zinn-Blei-Legierungen liegt bei 61,9 % Zinn; 38,1 % Blei und
183 °C.
Feinleitertechnik
Auflösungen < 150 µm
Feinstleitertechnik
Auflösungen < 100 µm
Festkörper / Festkörpergehalt
Der Festkörper ist der Anteil an nicht flüchtigen Bestandteilen in einem Lack. Die
Bestimmung des Festkörpergehaltes eines Lackes erfolgt nach DIN 53 216, Teil 1
(1 Stunde, 125°C, Einwaage 1g)
Fileserver
Ablage der gesamten Bohrdaten im PC der Maschine und Brücke zu anderen
Rechnern
Fluxmittel, Flußmittel
flüssige oder gelöste Substanzen, die in der Lage sind, die Oberfläche vor Lötprozessen zu aktivieren. Fluxe bilden während des Lötvorganges eine inerte
reoxidationshemmende Atmosphäre. Erreicht wird die für die Benetzung notwendige
Erniedrigung der Oberflächenspannung zwischen Lot und Metalloberfläche. Fluxe
sind in der DIN 8511 spezifiziert.
Fotodruckverfahren
Fotolithografie: Bildübertragung im Kontaktverfahren über eine Fotomaske auf einen
lichtempfindlichen (UV-empfindlichen) Lackfilm, der sich bei Belichtung chemisch so
verändert, daß er entweder im nachfolgenden Entwicklungsprozeß löslich oder unlöslich ist. Damit sind “Grautöne”, wie beim Silberfilm nicht möglich und auch nicht
erwünscht, da für die nachfolgenden Prozesse , wie Ätzen des unter dem lichtempfindlichen Material liegenden Materials (Kupfer) oder galvanisches Auftragen von
Metallen auf diese Oberfläche saubere lackfreie Flächen benötigt werden. Die
Fotolithografie in der Leiterplattentechnik erfolgt in UV-Belichtern (PC-Printern).
Durch Unterlichtung, Streuung, Reflexion oder Beugung kann es zu Bildverfälschungen kommen.
Fotowerkzeug
Leiterbild- oder Maskenfilm (Glasmaster, Artwork)
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Fotoresist
flüssiger oder fester Film, der sich nach dem Belichten mit vorzugsweise UV-Licht
entwickeln läßt. Positivresiste werden durch Belichtung soweit entnetzt bzw.
chemisch verändert (Änderung des Säurecharakters), daß die belichteten Stellen
durch spezielle Entwickler (chlorierte Kohlenwasserstoffe, verdünnte Natronlauge
oder Sodalösung, warmes Wasser u. ä.) herausgelöst werden. Bei Negativresisten
ist der Vorgang umgekehrt, die belichteten Stellen werden stärker vernetzt. Je nach
Dicke und chemischem Verhalten unterscheidet man Galvano- oder Ätzresiste.
Fotoresist-Laminieren
Festresist: Fotoresist bestehend aus Trägerfolie, Fotolackschichtfolie und Schutzfolie. Die thermoplastische Lackfolie wird mittels Laminator auf die Leiterplatte
gepreßt. Vor dem Laminieren mit dem Heißrollenlaminator wird die Trägerfolie abgezogen. Die Schutzfolie wird nach der Belichtung entfernt.
Trägerfolie
Heißrolle
Schutzf
Fotores
Kupfer
Leiterplatte
Fotoresist laminieren
FR4-Material
FR: fiering resisting (schwer entflammbar, flammgeschützt) Bezeichnung von
Basismaterial nach Nema LI-1 Standard, z.B.FR 2 (Phenol/Hartpapier), FR3
(Epoxid/Hartpapier), FR 4 (Epoxid/Glasgewebe)). Der Flammschutz bei Epoxid-arzen
wird z.B. durch den Zusatz von Brom bzw. Bromverbindungen zum Epoxidharz
erreicht.
Galvanorand
Galvanikrand: technologisch bedingter Rand um die zu galvanisierende Leiterplatte
zur Verbesserung des Handling und der Stromverteilung auf der Platte.
Galvanisieren
Das kathodische Abscheiden von Metallen aus Elektrolyten auf metallisch leitfähige
Unterlagen. Die Metallabscheidung erfolgt in Elektrolytbehältern bei großflächigen
Teilen z.B. Leiterplatten als Gestell-, bei Kleinteilen als Trommelware und wird mit
Gleichstrom (niedere Spannung, Restwelligkeit unter 5 %) durchgeführt. Die bei der
Galvanisierung zur Anwendung kommenden Elektrolyte enthalten neben Metall-,
Leit- und Puffersalzen noch organische Zusatzsysteme, um z.B. feinkristalline matte
oder glänzende Oberflächen, hohe Streufähigkeit in Vertiefungen und gute Duktilität
der Schichten zu erreichen.
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Galvanorand
Technologisch bedingter Rand um die Leiterplatte. Zur Verbesserung der Stromverteilung auf der Leiterplatte während der galvanischen Verstärkung notwendig.
Galvanoresist
Resist oder Reserve zur Abdeckung vor galvanischem Metallauftrag in mindestens
der Dicke der abzuscheidenden Galvanikschicht
Gaswäscher
Gasförmige Emissionen können durch Gaswäscher minimiert werden. Dazu werden
die Gase intensiv mit einer Waschflüssigkeit in Kontakt gebracht, so daß durch
chemische Reaktion die Schadstoffe gebunden werden, in denen Gas und Flüssigkeit im Gegenstrom fließen und durch die große Kontaktfläche die Flüssigkeit die
gasförmigen Schadstoffe absorbiert. Gaswäscher nach dem Venturi-Prinzip sind
ebenfalls bekannt.
Gefahrstoffverordnung (GefStoffV)
Die Gefahrstoffverordnung ist ein gesetzliches Regelwerk, das unter anderem Umgang und Einstufung von Gefahrstoffen regelt.
Gewebe
Als Gewebe für Drucksiebe in der Leiterplattenfertigung werden Polyestergewebe,
metallisierte Polyestergewebe und VA-Stahlgewebe eingesetzt.
Glas/Epoxid-Laminat Laminat
Produkt, das durch Verpressen mindestens zweier Lagen eines Materials (z.B.
glasfaserverstärkte Prepregs) entsteht (Basismaterial). Kupferkaschiertes Basismaterial wird durch Laminieren von Epoxidharz/Glasfasermatten-Prepregs mit Kupferfolie hergestellt. Die Bezeichnung Laminat wird als Synonym für Basismaterial
verwendet.
Graukeil
Staufer-Belichtungskeil, Belichtungskeil. Film zur Durchführung von Belichtungstests
von Fotoresisten und fotosensitiven Lacken (enthält Fenster mit unterschiedlicher
definierter Schwärzung)
HAL-Beständigkeit
Lötfehler: Alle Abweichungen der Lötstellenmerkmale vom akzeptablen Zustand.
Lötfehler, die die Schaltungsfunktion beeinträchtigen: Lotbrücken, Risse,
Nichtbenetzung, Ausbläser oder Ausgasungen, Lötfehler, die verminderte
Zuverlässigkeit ergeben: zu magere oder zu fette Lötstellen, keine glatte glänzende
Oberfläche.
Löt- und Entlötbeständigkeit: Haltbarkeit einer Metallisierung, insbesondere der
Lochmetallisierung, so daß eine 5-malige Ein- und Auslötung eines Drahtes mit
Lötkolben (maximal 260 °C, Wärmezuführung über den Draht und nicht über das
Pad) möglich ist.
Heißluftverzinnung
HAL, HASL, Verfahren zur Konservierung von Leiterplatten.
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Bei der Heißluftverzinnung wird die vom Metallresist befreite Leiterplatte (Kupferoberfläche) gereinigt, mit Fluxmittel versehen und im Tauchlötverfahren verzinnt.
Beim Ziehen aus dem Tauchlötbad wird mit Hilfe eines Luftmessers (scharfer
Heißluftstrahl) überflüssiges Lot von der Oberfläche und aus den Bestückungslöchern geblasen.
hochviskos
Viskosität: Zähigkeit; innere Reibung in Gasen und Flüssigkeiten. Angegeben wird
meist die dynamische Viskosität η, Maßangabe in Pascalsekunde (Pas = SI-Einheit),
centiPoise (cP) oder die Kinematische Viskosität v in m2/s (SI-Einheit) bzw. Stokes
St. Fließverhalten eines Stoffes; niederviskose Stoffe sind flüssiger als hochviskose.
Die Viskosität ist temperaturabhängig (wichtiges Maß bei Klebern, Lacken und öligen
Flüssigkeiten.
ionische Kontamination
Kontamination: Verunreinigung, Verschmutzung
Ionische Verunreinigung: Verunreinigung, die aus dissoziierbaren Substanzen oder
ionogenen Stoffen besteht
IR-Trocknung
IR Trockner: - Infrarottrockner
Integrator
Meßgerät, das die Energieintensität [ mJ/cm2 ] bei der Belichtung ermittelt, und die
Belichtungszeit bei abnehmender Intensität des Brenners nachregelt.
Kalibrierstation
automatische 0-Stellung beim Tiefenbohren
Kapillarfilm
Schablonenfilm zur Herstellung von Siebdruckschablonen, der durch Kapillarwirkung
des nassen Films auf dem Gewebe haftet
Kapillarwirkung, Kapillareffekt
Eindringen von Flüssigkeiten in schmale Zwischenräume oder Spalten durch die
Kraft der Oberflächenspannung. Die Kapillarwirkung in einer Röhre wird nach
Young mit h = 2 T / r d g (h = Höhe, r = Radius, g = Erdbeschleunigung, T =
Oberflächenspannung in dyn/cm, d = Dichte) berechnet.
Kaskadenspülung
Bei der Kaskadenspülung in Galvanikanlagen wird das Spülwasser dadurch
mehrfach verwendet, daß das zu spülende Werkstück und das Spülwasser im
Gegenlauf durch mehrere Behälter (Kaskaden) geführt wird. Das Spülwasser bewegt
sich entweder im freien Fall oder mit Hilfe von Pumpen von Kaskade zu Kaskade
und wird stets am Boden des jeweiligen Behälters ein- und über einen Überlauf
ausgeführt. Durch die Mehrfachnutzung des Spülwassers wird wesentlich Wasser
gespart, wobei der Spüleffekt intensiver als bei einfacher Fließspülung ist. Das
Kaskadenspülen wird seit 1950 in der Galvanotechnik eingesetzt.
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Katalysieren
Herstellung der Katalyseschicht auf der unkaschierten Basismaterialoberfläche
(Additiv-Verfahren) oder im Bohrloch für die folgende Metallisierung bzw. Durchkontaktierung. Bohrlochwandungen oder Leiterplattenoberflächen werden mit
Metallpartikeln (meist Pd) belegt, die selbst leitfähig sind (Direktmetallisierungsverfahren) oder katalytisch auf nachfolgende chemische Abscheidungen wirken.
Klebe-Technologie
Fixieren der SMD-Baulemente vor dem Wellenlöten, jedoch auch Herstellung der
elektrischen Verbindungen durch leitfähige Kleber. Der Auftrag der Kleber erfolgt
durch Dosierautomaten oder Dispensoren, z.B. CNC-gesteuert oder im Sieb-oder
Schablonendruck.
Komplex
Verbindung mit Metall- oder Metallionenkern(Zentralatom), um den neutrale
Moleküle (Liganden) koordinativ oder komplex angeordnet sind. Dadurch wird das
Zentralatom chemisch wirksam abgeschirmt und kann an bestimmten chemischen
Reaktionen nicht oder erst nach Zerstörung des Komplexes teilnehmen. Als Liganden werden meist Chelate verwendet, die krebsscherenartig das Zentralatom
umschließen. Komplexe werden zur analytischen Trennung von Schwermetallen
oder zur Veränderung der Abscheidungspotentiale in der Galvanik verwendet.
Komplexbildner sind abwassertechnisch problematisch, da sie Schadstoffe durch
Komplexbildung in Lösung halten und dadurch der Entgiftung entziehen.
Kondensat
Flüchtige, gasförmige Stoffe können je nach Temperatur und Druck beim Abkühlen
in den flüssigen Zustand übergehen z.B. auf kalten Flächen kondensieren. Sie werden dann als Kondensat bezeichnet.
Konvektionstrocknung
Warmlufttrocknung, im Gegensatz zur Strahlungstrocknung (IR-Trocknung)
Korrosion
Zersetzung eines Materials unter atmosphärischen Bedingungen, bei Metallen meist
eine Oxidation unter Bildung von Oxiden, Hydroxiden, Sulfiden, Carbonaten u. ä.,
beispielsweise die Eisenoxidation (Rosten) oder Grünspanbildung bei Kupfer,
Bildung von schwarzen Silbersulfidschichten
Kupferspots:
kleine Kupferrückstände (Punkte, Flecken)
Laminat
Produkt, das durch Verpressen mindestens zweier Lagen eines Materials (z.B.
glasfaserverstärkte Prepregs) entsteht (Basismaterial). Kupferkaschiertes Basismaterial wird durch Laminieren von Epoxidharz/Glasfasermatten-Prepregs mit Kupferfolie hergestellt. Die Bezeichnung Laminat wird als Synonym für Basismaterial
verwendet.
Layout
Design, Leiterbild, Leiterbildentwurf
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Leiterzug
Patternplating: Nach der Durchmetallisierung erfolgt der galvanische Leiterzugaufbau strukturiert z.B. durch galvanische Abscheidung in eine Fotoresistmaske,
übliches Verfahren der Leiterplattentechnik im Subtraktiv-Metallresistverfahren.
Leitfähigkeit
spezifische elektrische Leitfähigkeit, ist der reziproke Wert des spezifischen
Widerstands-gemessen in Siemens (Bezug auf einen Würfel mit der Kantenlänge 1
cm) g=G.l/w.h (W=Breite, h=Höhe, l=Länge des Leiters, G= gemessene Leitfähigkeit).
Lösungsverhalten
Auflösen: Vorgang des in Lösung Gehens, z.B. Auflösung von Salzen in Wasser
unter Dissoziation in Ionen
lötaugenfreie (landless) Leiterbilder
Landless Design: Konstruktion ohne Lötaugen mit dem Ziel der Erhöhung der möglichen Verdrahtungsdichte
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Landless Design
Lötstopplack, Lötstoppmaske (LM)
auf die Leiterplatte aufgetragene, meist polymere Maske (strukturierte Lackschicht),
die nur die Lötflächen(Lötaugen, Pads) bzw. Bauelementanschlüsse frei läßt.
Dadurch werden diese beim nachfolgenden Belotungsprozeß nicht mit belotet.
Ergebnis ist die Einsparung von Lot, aber besonders die Vermeidung von
Kurzschlüssen bei feinstrukturierten Leiterplatten. In der SMD-Technik dient der
Lötstopplack oft auch zur Isolation der leitenden Bauelementoberflächen gegenüber
den Leiterzügen. Die Lötstoppmaske sollte nur auf Kupfer- oder sehr dünn
beschichtete Leiterzugoberflächen aufgetragen werden, da beim Aufschmelzen z.B.
der galvanisch aufgebrachten Zinn- oder Bleizinn-Schicht ein Kräuseln bis zur
Zerstörung der Lackschicht auftreten kann (Orangenhauteffekt). Lötstoppmasken
bestehen meist aus Epoxidharzen, die im Siebdruckverfahren strukturiert
aufgebracht oder durch nachfolgende fotolithografische Strukturierung ganzflächig
aufgebrachter Schichten von fotosensitiven Lacken hergestellt werden (Siebdruck,
Gießen, Sprühen, Tauchen, Walzlackieren oder ähnlich)
Lötstoppmaske
Lötstopplack, Lötstoppmaske (LM): auf die Leiterplatte aufgetragene, meist polymere
Maske (strukturierte Lackschicht), die nur die Lötflächen (Lötaugen, Pads) bzw.
Bauelementanschlüsse frei läßt. Dadurch werden diese beim nachfolgenden
Belotungsprozeß nicht mit belotet. Ergebnis ist die Einsparung von Lot, aber
besonders die Vermeidung von Kurzschlüssen bei feinstrukturierten Leiterplatten. In
der SMD-Technik dient der Lötstopplack oft auch zur Isolation der leitenden
Bauelementoberflächen gegenüber den Leiterzügen. Die Lötstoppmaske sollte nur
auf Kupfer- oder sehr dünn beschichtete Leiterzugoberflächen aufgetragen werden,
da beim Aufschmelzen z.B. der galvanisch aufgebrachten Zinn- oder BleizinnSchicht ein Kräuseln bis zur Zerstörung der Lackschicht auftreten kann (Orangenhauteffekt). Lötstoppmasken bestehen meist aus Epoxidharzen, die im Siebdruckverfahren strukturiert aufgebracht oder durch nachfolgende fotolithografische
Strukturierung ganzflächig aufgebrachter Schichten von fotosensitiven Lacken
hergestellt werden (Siebdruck, Gießen, Sprühen, Tauchen, Walzlackieren oder
ähnlich).
Metallisierung
Auftragen von Metallschichten durch chemische oder galvanische Prozesse
Microbohren
Micro-Vias: Durchsteiger mit Durchmesser = 100 µm
Mischungsverhältnis
Verhältnis von mindestens zwei Komponenten eines Mehrkomponentensystemes.
Das Mischungsverhältnis wird i.d.R. wie folgt angegeben: X Teile Komponente A und
Y Teile Komponente B. Es ist zu beachten, ob das Mischungsverhältnis in Volumen-/
oder Gewichtsteilen angegeben ist.
Mißregistrierung
Misregistration: Versatz durch fehlerhafte Registrierung bzw. Justage
Multilayer
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Leiterplatte mit Leiterbahnen auch im Innern des Basismaterials. Multilayer werden
durch sandwichartiges Verpressen verschiedener ein- oder zweilagiger strukturierter
dünner Leiterplatten (Innenlagen, Kerne) mit harzgetränkten vorgefertigten Glasgewebematten (Prepregs) und Kupferfolien als Deckfolie hergestellt und in üblichem
Durchkontaktier- und Strukturierverfahren der Leiterplattentechnik fertiggestellt.
Wesentlich ist, daß die durch Bohren freigelegten Innenlagenanschlüsse bei der
Durchkontaktierung metallisch leitend miteinander und mit den Außenlagen verbunden werden.
Naßlackgewicht
Masse des nicht getrockneten Lackes auf einer Leiterplatte. Das Naßlackgewicht
wird in der Regel in g Lack / m2 Leiterplatte angegeben.
Natriumperoxodisulfat im BF NaPS
NaPS: Natriumpersulfat; eingesetzt anstelle von Ammoniumpersulfat in Beiz-,
Reinigungs- und Ätzlösungen für Kupferoberflächen. NaPS ist besser regenerierfähig, da das komplexbildende Ammoniumion die Aufbereitung (z.B. Elektrolyse)
stört.
nm
Längeneinheit. 1 nm = 10-9m. Die Einheit nm wird häufig bei der Angabe von Wellenlängen elektromagnetischer Strahlungen verwendet. Der sichtbare Bereich ( sichtbares Licht ) liegt etwa in einem Wellenlängenbereich von 400 bis 800nm.
Nutzen
Nutzen: kleine Leiterplatten werden zu mehreren Stück im Verbund hergestellt, um
sie handbar zu machen (z.B. erforderliche Mindestlänge in Horizontalanlagen 100130 mm) und um eine erhöhte Produktivität zu erreichen. Die Trennung erfolgt erst
beim Konturfräsen oder nach der Bestückung. In diesem Falle werden die
Leiterplatten als Brechleiterplatten ausgeführt (beim Konturenfräsen werden Stege
zum Halten der Einzelleiterplatten im Nutzen stehen gelassen, oder die Kontur wird
nicht vollständig durchgefräst - Nutenfräsen). Wenn nicht bereits bei der Herstellung
des Fotoplots rechentechnisch der Nutzen erstellt wurde, kann in Step-and-RepeatGeräten der Nutzenfilm hergestellt werden.
Off-Contact-Belichten
Kontaktloses Belichten, d.h. Film oder Glasmaster liegt auf der zu belichtenden
Platte nicht auf.
O-Position
Anfangsposition vor dem Bohrbeginn
Oxidationslinie
Prozeßfolge, in der die Kupferoberfläche von Multilayer-Innenlagen durch Oxidation
strukturiert wird, um beim Multilayer-Pressen eine optimale Haftung zwischen den
Lagen zu erzielen.
Pad
Anschlußplätze, Anschlußflächen; Bauteillandeflächen in der SMT-Technik,
Lötaugen oder Lötflächen, Stellen auf der Leiterplatte, an denen Bauelemente
ankontaktiert werden (amerik. Lands).
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Panel-Plating
Tenting-Verfahren: Subtraktivtechnik, wobei die durchkontaktierte Leiterplattenfläche
sofort, meist ohne Gestellwechsel, galvanisch ganzflächig auf die
Nennkupferschichtdicke verstärkt (Panelplating) und strukturiert geätzt wird. Der
Resist muß die Bohrung beidseitig abdecken (von engl. tent = Zelt). Bezeichnung
auch tent and etch. Vorteile sind weniger Arbeitsschritte, höhere Verfahrenszuverlässigkeit, einfachere Ätzmittel und kein Metallresist. Nachteile sind höhere Belastung des Ätzmittels mit Kupfer, größere Strukturweiten wegen höherer Unterätzung und Probleme beim vollständigen Lochabdecken vor dem Ätzangriff (Auflage
Festresist auf dem Restring, Kantenabdeckung bei Flüssigresist).
Passergenauigkeit
Optische Justage: Justage von Teilen zueinander mittels optischer Einrichtungen,
eingesetzt, wenn die mechanische Justage durch Stifte und Bohrungen nicht möglich
ist oder die Genauigkeit nicht mehr ausreicht. Optische Justage kann manuell/visuell
auf Markierungen (Justagemarken) mit Unterstützung durch optische Mittel (Lupen,
Mikroskop) oder durch automatische Bildverarbeitungssysteme erfolgen. Die
optische Justage oder optische Registrierung erfolgt zur Orientierung der einzelnen
technologischen Ebenen gegeneinander (Bohrloch-struktur, Leitbahnstruktur,
Leitbahn-strukturen in Multilayern, Lötstoppmaske, Bestückungsdruck). Spezielle
Passersysteme und Korrekturmechanisen wurden zur Verbesserung der Lagetoleranz entwickelt, insbesondere Systeme zur Erkennung von Lagenversatz in
Multilayern und rechentechnische Lagekorrektur zur optimalen Einbringung der
Bohrungen (Röntgenverfahren).
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Pattern Plating
Nach der Durchmetallisierung erfolgt der galvanische Leiterzugaufbau, strukturiert
z.B. durch galvanische Abscheidung in eine Fotoresistmaske, übliches Verfahren der
Leiterplattentechnik im Subtraktiv-Metallresistverfahren.
pH-Wert
negativer dekadischer Logarithmus der Wasserstoffionenkonzentration; Maß für
Säure- und Basenkonzentration einer Lösung. Neutrales Wasser hat einen pH-Wert
von 7, der pH-Wert von Säuren ist kleiner 7, der von Basen größer 7. Gemessen
wird der pH-Wert mit Indikatorpapier oder elektrochemisch durch die Potentialänderung einer Glaselektrode.
Pitch
Sprung, Raster für Pads, Abstand der Bauelementeanschlüsse
Positionsdruck
Druck zur Kennzeichnung der Position der Bauelemente auf einer Leiterplatte zur
Unterstützung von Montage und Service
Rakel
plastischer in einer Halterung befestigter Materialstreifen aus Gummi, PUR o. ä. zum
Ziehen der Farbe über die Druckschablone beim Siebdruck. Wesentlich für das Ergebnis der Siebdruckes sind Härte (in Shore gemessen), Rakel-anschliff (beim
Maschinendruck meist 60°), der Rakelandruck und die Rakelanstellung (Schräglage).
Rakeldruck
Thixotropie: Eigenschaft eines Stoffs, unter Belastung (Druck, Scherkraft) seine
Viskosität zu erniedrigen. Siebdruckfarben (Farben für den Kennzeichnungs, bzw.
Bestückungsdruck) bzw. sonstige Materialien (Lötstopplack, Lotpasten, SMDKleber), die mit Siebdruck verarbeitet werden, müssen thixotrop sein, weil die zu
druckende Farbe durch das Siebgewebe fließen muß, aber dann das Druckbild bis
zum Aushärten oder Bestücken nicht verlaufen darf. Entsprechend der Thixotropie
ist der Rakelandruck einzustellen.
Reflow-Löten
Aufschmelzlöten; die Kontaktierung von SMD-Bauelementen erfolgt durch das Aufschmelzen z.B. mittels Infrarot von Lotdepots, die sich auf den Lötpads der
Leiterplatte unter den Bauelementanschlüssen befinden (Herstellung der Lotdepots
durch Heißluftlöten oder aus Lotpaste mittels Schablonendruck u.a.). Die gesamte
Leiterplatte wird auf Löttemperatur gebracht.
RF-Verfahren
Röntgenfluoreszenzverfahren zur Schichtdickenbestimmung (auch Legierungszusammensetzung) für Materialien mit einer Ordnungszahl über 20 sinnvoll. Das
Verfahren arbeitet zerstörungsfrei und kann im laufenden Produktionsprozeß zur
Kontrolle eingesetzt werden.
Registrierung
Optische Justage: Justage von Teilen zueinander mittels optischer Einrichtungen,
eingesetzt, wenn die mechanische Justage durch Stifte und Bohrungen nicht möglich
ist oder die Genauigkeit nicht mehr ausreicht. Optische Justage kann manuell/visuell
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auf Markierungen (Justagemarken) mit Unterstützung durch optische Mittel (Lupen,
Mikroskop) oder durch automatische Bildverarbeitungssysteme erfolgen. Die
optische Justage oder optische Registrierung erfolgt zur Orientierung der einzelnen
technologischen Ebenen gegeneinander (Bohrlochstruktur, Leitbahnstruktur,
Leitbahnstrukturen in Multilayern, Lötstoppmaske, Bestückungsdruck). Spezielle
Passersysteme und Korrekturmechanisen wurden zur Verbesserung der
Lagetoleranz entwickelt, insbesondere Systeme zur Erkennung von Lagenversatz in
Multilayern und rechentechnische Lagekorrektur zur optimalen Einbringung der
Bohrungen (Röntgenverfahren).
Registriergenauigkeit
Bei der Belichtung: Übereinstimmung von Filmvorlage und Leiterbild
Replenisher
Auffrischungslösung, Ergänzungslösung: Bezeichnung für ammoniakalisches
kupferfreies Ätzmittel bzw. Regenerierungslösung oder die erste Spülkammer der
Sprühätze, deren Inhalt der Ätze zur Regenerierung wieder zugeführt wird.
rheologische Eigenschaften
Rheologie: Fließkunde, Erfassung der Fließ- und Reibungseigenschaften von
Flüssigkeiten (Flüssigfotolacke) oder Pasten (Siebdruckfarben), bei denen der
Koeffizient der inneren Reibung (Viskosität) von den bestehenden Bedingungen
(Druck, Temperatur) abhängig ist, z.B. bei flüssigen Fotolacken zum Gießen oder
Tauchziehen. Demgegenüber beschreibt die Thixotropie die Eigenschaften bei
veränderten Bedingungen (Druckänderung beim Siebdruck).
Rückätzrate
Desmearing/Rückätzen: Entfernung von Harzverschmierungen im Bohrloch. Durch
die thermische Belastung beim Bohren vor allem in Multilayern werden Harzverschmierungen, vermischt mit Glasstaub, in den Bohrungen besonders an den Kupferanbindungen der Zwischenebenen erzeugt, die die anschließende Durchkontaktierung verhindern. Zum Desmearing stehen folgende Verfahren zur Verfügung:
Oxidation mit Schwefelsäure, Chromsäure, Permanganat oder Sauerstoffplasma
Schablonenaufbau
Auf ein Siebdruckgewebe wird eine Schablone aufgebracht. Je höher der Schablonenaufbau (Dicke der Schablone) ist, desto dicker ist die gedruckte Lackschicht.
Schwesterwerkzeug
Im Magazin oder Schachtel nebeneinander stehendes Werkzeug
Signierlack
Siebdrucklack zum Kennzeichendruck/Positionsdruck auf Leiterplattenoberflächen
zur Unterstützung der Bestückung oder des Servicemonteurs
SMT
Surface Mounting Technology; Oberflächenmontage von (miniaturisierten) Bauelementen auf Leiterplatten, SMD-Bestückung
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Startpolymerisation
Eine Polymerisation ist eine chemische Reaktion bei der Monomere zu Polymeren
reagieren. Die diese Polymerisation auslösende Reaktion wird als Startpolymerisation bezeichnet.
Strippen
Entfernen von Resisten oder Reserven nach der Verwendung (Fotoresist,
Siebdruckfarbe, Metrallresist strippen)
Strukturviskosität
Eine strukturviskose - thixotrope - Flüssigkeit ändert ihre Viskosität unter Einwirkung
von Scherkräften. Wenn Scherkräfte auftreten, sinkt die Viskosität, nach Beendigung
der Scherung steigt die Viskosität wieder an.
Substrat
Substrat: Basismaterial (Begriff wird besonders in der Hybridtechnik bzw. MCMTechnik verwendet)
Technische Regeln für brennbare Flüssigkeiten ( TRbF )
Gesetzliches Regelwerk, daß Betriebsvorschriften und spezielle Vorschriften für Lageranlagen für brennbare Flüssigkeiten beinhaltet
Temperschritte
Tempern: Wärmebehandlung zur Spannungserniedrigung im Basismaterial oder
Multilayer bzw. zur vollständigen Aushärtung des Harzes. Die Temperatur muß über
der Glasumwandlungstemperatur des Harzsystems liegen. Bei Polyimidleiterplatten
wird das Tempern zum Trocknen des Materials durchgeführt. Hier muß die
Temperatur wenig über der Verdampfungstemperatur des Wassers liegen.
Tenting-Technik
Tenting-Verfahren: Subtraktivtechnik, wobei die durchkontaktierte Leiterplattenfläche
sofort, meist ohne Gestellwechsel, galvanisch ganzflächig auf die Nennkupferschichtdicke verstärkt (Panelplating) und strukturiert geätzt wird. Der Resist muß die
Bohrung beidseitig abdecken (von engl. tent = Zelt). Bezeichnung auch tent and
etch. Vorteile sind weniger Arbeitsschritte, höhere Verfahrenszuverlässigkeit, einfachere Ätzmittel und kein Metallresist. Nachteile sind höhere Belastung des
Ätzmittels mit Kupfer, größere Strukturweiten wegen höherer Unterätzung und
Probleme beim vollständigen Lochabdecken vor dem Ätzangriff (Auflage Festresist
auf dem Restring, Kantenabdeckung bei Flüssigresist).
Tents
mit Fotoresist „überspannte“ (überdeckte) Löcher (Bohrungen)
Tenten
Überspannen von Löchern durch Festresist, aber auch Lötstopplack überspannt
kleinere Umsteiger
Treatment
Nachbehandlung der matten (Rück-) Seite der Kupferfolie, um eine ausreichende
Haftung auf dem Basismaterial zu gewährleisten. Bekannt sind Messingtreatments,
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galvanische Aufrauhung und Knospenbildung oder oxidative Behandlung des
Kupfers.
Unterspülen
Seitliche Unterwanderung beim Entwicklungsprozeß, i.d.R. bedingt durch eine unzureichende Durchbelichtung der Resistschicht beim Belichten
Unterstrahlung
Bei der Belichtung eines fotostrukturierbaren Lötstopplackes wird eine Filmvorlage
auf den Lötstopplack aufgelegt. Dieser Film enthält lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Bereiche. Wenn der Film nicht vollständig aufliegt, d.h. ein Abstand
zwischen Filmvorlage und Lötstopplack vorhanden ist, kann Licht unter die lichtundurchlässigen Bereiche des Filmes gelangen.
UV-Licht
ultraviolettes Licht; Licht im Kurzwellenbereich bei 100-400 nm. In der Leiterplattentechnik zur Belichtung von Fotoresisten verwendet, deren größte Empfindlichkeit im
Bereich 240 - 360 nm liegen. Beim Belichten mit UV-Licht entstehen durch
physikalisch-optische Einflüsse Bildverfälschungen.
Verordnung über brennbare Flüssigkeiten (VbF)
Die Verordnung über brennbare Flüssigkeiten ist ein gesetzliches Regelwerk, das im
wesentlichen die Lagerung brennbarer Flüssigkeiten regelt.
via holes
Durchsteiger: Umsteiger, Durchkontaktierungen, elektrische Verbindungen zwischen
zwei Leiterebenen, die meist nicht zum Bestücken der Bauelemente genutzt werden
Viskosität
Zähigkeit; innere Reibung in Gasen und Flüssigkeiten. Angegeben wird meist die
dynamische Viskosität η, Maßangabe in Pascalsekunde (Pas = SI-Einheit),
centiPoise (cP) oder die Kinematische Viskosität v in m2/s (SI-Einheit) bzw. Stokes
St. Fließverhalten eines Stoffes; niederviskose Stoffe sind flüssiger als hochviskose.
Die Viskosität ist temperaturabhängig (wichtiges Maß bei Klebern, Lacken und öligen
Flüssigkeiten).
Vollhartmetall-Spezialbohrer
Bohrer aus dem Sinterwerkstoff Hartmetall. Voll = nur Hartmetall
Vorpartie
Eine Produktionsmenge die in einem Ansatz gefertigt wird bezeichnet man als Partie. Eine zeitlich vorher produzierte Mengeneinheit des gleichen Produktes nennt
man Vorpartie.
Wärmeverschleiß
Durch die Berührung des Bohrers mit dem Werkstück entsteht durch die hohe
Drehzahl Wärme. Diese Wärme bewirkt den Verschleiß.
Wasserstoffperoxid
Chemische Formel H2O2, vielfach eingesetzte Chemikalie mit Oxidationswirkung, die
z.B. das Beizen oder Ätzen von Metallen verbessert. Es ist von Vorteil, daß als
20
Produkte nur Wasser und gegebenenfalls Sauerstoff entstehen. Wegen der leichten
Zersetzbarkeit, die zu Explosionen führen kann, ist bei der Arbeit mit Wasserstoffperoxid Vorsicht geboten. Gegenüber stärkeren Oxidationsmitteln, wie z.B. Permanganat, kann Wasserstoffperoxid auch als Reduktionsmittel wirken.
Wellenlängenbereich
Die von einer Lichtquelle ausgesandte Strahlung erstreckt sich über einen bestimmten Wellenlängenbereich mit unterschiedlicher Intensität, d.h. es wird in der Regel
nicht Licht einer Wellenlänge ausgesandt sondern Licht verschiedener Wellenlängen.
Wellenlötanlagen
Schwallötanlagen, Durchlaufanlagen zum automatischen Löten von Leiterplattenbaugruppen (5), bestehend aus dem Transportsystem (Kettensystem mit Lötrahmen
oder Fingertransport für Leiterplatten), Fluxstation mit Schaum- oder Sprühfluxer,
einer Vorheizzone, der Lötzone mit Einfach- oder Doppelwelle, evtl.
Schutzgaseinrichtung und Abkühlzone, evtl. Reinigungszone. Moderne Anlagen sind
weitgehend regelbar, teilweise programmgesteuert. Die Lotwelle wird von einer
Pumpen-Düsenkombination erzeugt. Bei der Lochmontage werden nur die durchgesteckten Anschlüsse in das Lot getaucht, bei der SMT werden die aufgeklebten Bauelemente vollständig eingetaucht.
Winkelschliff
Rechtwinkeliger Schliff des Rakelgummis beim Siebdruck
Z-Achse
Sacklochbohren: Herstellen von nicht durchführenden (Sack-) Löchern. Beim mechanischen Tiefenbohren mit einem Tiefen-Meßsystem wird der z-Achsenantrieb der
Bohrmaschine mit einer Genauigkeit um 25 µm reguliert. Werden Sacklöcher
eingesetzt, erhöhen sich die Bohrkosten im Vergleich (0,9 mm Loch im Dreierstapel
gebohrt = 100 %) auf das 2,5-fache. Sacklöcher können aber auch durch andere
physikalisch/chemische Prozesse, wie Plasmaätzen, Laserbohren oder chemisches
Ätzen des Dielektrikums realisiert werden
Zuschnitt
Das Basismaterial wird ca. 5 % größer mit einer Säge zugeschnitten.
21

Schulungsblätter | PDF

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