"Ставим" процесс на пленочном фоторезисте ( глава І, теория)



Другие статьи цикла
II. Оборудование
III. Процесс
IV. Калибровка



Эта статья открывает давно обещанный цикл статей об изготовлении печатных плат с помощью сухого пленочного фоторезиста. В отличие от предыдущих моих публикаций на эту тему, я постараюсь описать процесс максимально подробно, не полагаясь на наличие какого-либо опыта работы с фоторезистом. Иначе говоря, я постараюсь описать процесс настолько подробно, что бы любой желающий его освоить, мог сделать это с минимальными затратами усилий (но не денег :) ). Должен заранее предупредить, что описанный процесс не самый простой и не самый доступный (с финансовой точки зрения) из возможных, поскольку это не «учебно-тренировочный», а реально применяющийся мной процесс. Главная цель, которая ставилась при отработке этого процесса — максимальная повторяемость результата.

Итак эта часть посвящена теории. Я бы охотно опустил эту часть, но, увы, условия у всех разные, насколько бы подробно не был описан процесс, его придется адаптировать. Делать это без понимания происходящего практически не реально.

Если рассмотреть процесс изготовления платы (точнее, проводников на ней) в самом общем виде, то все сводится к трем этапам — нанесение рисунка проводников каким-либо веществом устойчивым к травящему раствору, собственно травления и снятие защитного вещества. Процесс нанесения рисунка имеет одну особенность — заранее подготовленную разводку (хоть на листочке бумаги, хоть в CAD-е) надо каким-либо образом перенести на фольгу в виде защитного покрытия. Это можно сделать вручную (кто-то еще помнить тушь «Кальмаар»?), непосредственно перенося тонер на фольгу (ЛУТ) или воспользоваться каким-либо видом фоторезиста. Суть всех фоторезистов сводится к одному — на фоторезист экспонируется фотошаблон с рисунком платы в результате чего фоторезист приобретает различные свойства на засвеченных и не засвеченных участках. Собственно, вариантов изменения два: а) в слое фоторезиста под действием света разрушаются химические связи и б) в слое фоторезиста под действием света устанавливаются химические связи, иначе говоря, на участках, куда попал свет фоторезист полимеризуется. Эта разница в реакции на свет обуславливает то, какой фотошаблон нужно использовать. В варианте а) используется позитивный фотошаблон, на котором дорожки напечатаны черным (они защищают фоторезист на этих участках предотвращая разрушение связей). В варианте б) используется негативный фотошаблон, на котором черными являются те участки, которые впоследствии будут вытравлены, а прозрачные участки превратятся в дорожки и полигоны готовой платы. По этой разнице в фотошаблонах фоторезисты типа а) называют позитивными, а фоторезисты типа б) — негативными. Сухой пленочный фоторезист, о котором речь пойдет далее, относится к негативным
фоторезистам. После экспозиции фоторезист обрабатывается раствором проявителя, который, собственно, завершает начатое и удаляет фоторезист (либо исходный, либо измененный), после чего плату можно травить. Несмотря на различную химию процессов в разных типах фоторезистов, все те из них, которые используются в любительской практике, растворяются в щелочных (но разных!) растворах.

Важное уточнение: в силу особенностей процессов происходящих в фоторезистов во время экспозиции, он обладает избирательностью к длине волны падающего излучения. Иначе говоря, изменение свойств под действием света возможно только в том случае, когда в падающем потоке света имеется свет с определенной длиной волны. С практической точки зрения этот факт нужно учитывать, поскольку источник света применяемый в процессе экспозиции, должен иметь максимум спекта излучаения как можно более близкий к этой длине волны. К счастю избирательность фоторезиста не настолько остро выражена, что бы сделать точное совпадение спектра лампы и пика чувствительности фоторезиста обязательным. На практике достаточно, что бы максимум спектра излучания лампы и максимум чувствительности фоторезиста были расположены поблизости. Невыполнение этого условия ведет к росту времени экспозиции вплоть до невозможности получения рисунка за разумное время. Замечу, что все используемые в любительской практике фоторезисты имеют пик чувствительности в УФ области, хотя и в разных ее частях, в зависимости от типа и марки фоторезиста.

Разные фоторезисты продаются в разной виде и в разной степени готовности к употреблению. Позитивные фоторезисты чаще всего продаются в жидком виде или уже нанесенными на стеклотекстолит (в англоязычной литературе их, обычно, называют presensitized board). Негативные фоторезисты чаще всего встречаются в виде сухих пленок (отсюда, собственно, и название). В любительских условиях пленка удобнее жидкого фоторезиста, но платы с уже нанесенным фоторезистом еще удобнее. Впрочем, у позитивных фоторезистов есть свои особенности, которые сводят на нет преимущества стеклотекстолита с нанесенным фоторезистом. В частности, довольно агрессивная химия (каустическая сода) применяющаяся при проявке и сдвинутый в сторону более коротких длин волн пик чувствительности, из-за которого применение наиболее доступных источников УФ (люминисцентных ламп) становится крайне неудобным.

Сухой пленочный фоторезист поставляется в виде свернутой в рулон пленки (как не сложно догадаться) шириной около 30см (и длиной насколько денег хватит :) ). Пленка имеет три слоя — транспортную основу (полиэтилен, мягкая, относительно толстая, слегка мутноватая на просвет, легко растягивающаяся пленка), собственно фоторезист и защитную пленку (лавсан, тонкая, твердая, идеально прозрачная пленка). Транспортная основа нужна только для транспортировки пленки и перед нанесением фоторезиста на заготовку снимается. Защитная пленка остается на фоторезисте в процессе экспозици и снимается только перед проявкой.

Поскольку фоторезист у нас отдельно, а стеклотекстолит отдельно, прежде чем заготовку можно будет экспонировать, фоторезист необходимо нанести на плату. Существует несколько различных способов нанесения фоторезиста применяемых в любительских условиях. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки, но большинство из них достаточно далеко отходят от режима нанесения фоторезиста предусмотренного производителями фоторезиста — накатывание горячими валами под давлением. В итоге не всегда удается добиться надежной адгезии фоторезиста к меди, что приводит подтравливанию дорожек. Применение способа нанесения максимально приближенного к промышленному дает значительно более качественный результат. Второй проблемой, которая непосредственно связана с этой, является подготовка стеклотекстолита к нанесению фоторезиста. Традиционно применяемая в любительской практике зачистка мелкой наждачной бумагой приводит к неплотному прилеганию фоторезиста и, как следствие, к подтравливанию или перетравливанию дорожек. К счастью эта проблема достаточно просто решается отказом от использования наждачной бумаги и переходом к использованию мягких абразивов в
составе моющих средств.

Рассмотрим более детально процесс экспозиции, то есть формирование изображения на фоторезисте. Существует два различных способа формирования изображения, проэкционный и контактный. Проэкционный способ, как не сложно догадаться, использует проектор, то есть оптическую систему, проектирует изображение на фотошаблоне на фоторезист. При проэкционном способе фотошаблон может отличаться (и зачастую отличается) от требуемого размера изображения. Для контактного способа применяются фотошаблоны в точности соответствующего размера, а сам фотошаблон непосредственно накладывается (контактирует, отсюда, собственно, и название метода) с фоторезистом. На приведенном ниже рисунке изображен в разрезе «бутерброд» из фотошаблона, фоторезиста и заготовки платы.



Показанная ситуация является идеальной с точки зрения засветки фоторезиста, УФ излучение представляет собой поток паралленьных лучей и падает строго перпендикулярно поверхности фотошаблона. На практике картина выглядит несколько иначе:



Как не сложно заметить, имеет место засветка под рисунок фотошаблона обусловленная множеством факторов — дифракцией, неплотностью прилегания фотошаблона, вполне заметной толщиной самого фоторезиста и защитной пленки на нем, наконец, непараллельностью лучей в самом потоке УФ. Все эти факторы необходимо учитывать и по возможности компенсировать или устранять. Неплотность прилегания фотошаблона устраняется усилением прижима или применением вакуумного прижима. Рисунок на фотошаблоне располагается на той его стороне, которая ложится на фоторезист, для чего фотошаблон делается в зеркальном отображении по сравнению с рисунком платы. Для устранения или ослабления влияния остальных факторов (кроме дифракции, она, увы, может быть устранена, в данном случае, только если толщина фоторезиста и защитной пленки будет равна нулю), необходимо получить поток излучения с максимально возможной параллельностью лучей. На практике в любительских условиях этого можно достичь двумя способами — применением специальных конструкций отражателей + фильтрацией расходящихся лучей (весьма подробно об подобных конструкциях рассказано в статье, линк на которую расположен тут) или просто отнесением ламп на максимально возможное расстояние. Второй способ проще в реализации, но приводит к существенной потере мощности излучения. Впрочем, даже при расстояниях в 1 метр (чего вполне достаточно) и применении нескольких ламп, время экспозиции остается вполне приемлемым (в пределах нескольких минут).

Вторая, не менее существенная проблема заключается в том, что фотошаблон у нас далеко не идеальный. Это приводит к тому, что при длительной экспозиции фоторезист начинает засвечиваться и там где не должен. Для решения этой проблемы используется так называемое дубление фоторезиста после проявки. В любительских условиях это делается повторной экспозицией заготовки после проявки (уже без фотошаблона) в течении времени в несколько раз превышающего длительность первой экспозиции.

Следующий, не менее важный этап в нанесении рисунка это проявка. Как я уже писал выше, проявка делается в щелочных растворах. Для сухого пленочного фоторезиста в промышленности применяется слабый раствор кальцинированной соды. В любительских условиях вместо него также применяется раствор силикатного клея (жидкого стекла). Считается, что раствор силикатного клея более толерантен к передержкам в процессе проявки. В процессе проявки незасвеченный фоторезист растворятся и открывает те участки платы, которые будут вытравлены. Основная проблема на этом этапе — неполная проявка или неполное вымывание незасвеченного фоторезиста. Проблема усугубляется тем, что остатки фоторезиста практически прозрачны и обнаружить их визуально крайне сложно. Абсолютно надежного метода решения этой проблемы нет, но ее можно свести практически в ноль тщательным подбором режимов проявки.

Надеюсь это краткое теоретическое вступление позволит получить общее представление о процессе и проблемах с которыми приходится сталкиваться во время его использования. В следующей статье этого цикла речь пойдет о необходимых материалах и оборудовании.
  • +8
  • 09 марта 2012, 05:17
  • evsi

Комментарии (50)

RSS свернуть / развернуть
Для сухого пленочного фоторезиста в промышленности применяется слабый раствор кальцинированной соды.
Кальцинированной (Na2CO3)? Она ж весьма доступна и дешева, зачем ее заменять?
Неплотность прилегания фотошаблона устраняется усилением прижима или применением вакуумного прижима.
А что ты думаешь насчет наклеивания увлажненного шаблона? По идее должно обеспечивать довольно плотное прилегание. Кто-то вообще говорил что это основная польза от Transparent'а)
0
  • avatar
  • Vga
  • 09 марта 2012, 06:58
Раствор силикатного клея заметно более толерантен к передержкам при проявке.
0
У меня сейчас с прилеганием проблем нет, единственное что, со стеклами и грузами возиться довольно неудобно, поэтому я собираюсь соорудить простой вакуумный прижим. Помимо удобства он позволит избавиться от стекла, которое здорово поглощает ультрафиолет.
0
А чем не нравится вариант со смачиванием? Не требуются ни грузы, ни стекло, ни оборудование вроде вакуумного прижима, качество прижима оно должо дать практически идеальное, ну и стекла, поглощающего УФ тоже нет.
0
Смачивать думаю было бы хорошо, но у меня например принтер струйный, со своей задачей справляется (фотошаблон качественный) а смачивать его нельзя, и так как текстолит кривой я его пакетом с водой прижимаю, прижим идеальный хоть и геморно
0
но у меня например принтер струйный, со своей задачей справляется (фотошаблон качественный) а смачивать его нельзя
Ну у пигментных струйников вроде чернила воды не боятся.
0
Не, краска на водной основе вроде, размазывается короче моментально от воды, только пакеты со стрункой и выручают
0
Я после просыхания шаблона покрываю акриловым лаком из балончика, иначе через пару месяцев шаблон расплывается.
0
Самим смачиванием и не нравится. Плюс мелкие фотошаблоны так ложатся плохо (качественная пленка довольно жесткая).
0
А чем плохо смачивание?
0
Непредсказуемостью. В процессе экспозиции фотошаблон в любой момент может отклеиться и все накроется медным тазом. Кроме того, жидкость добавляет свой, пусть и небольшой, зазор.
0
>ну и стекла, поглощающего УФ тоже нет.

Оргстекло же. Как раз пропускает УФ.
0
Угу. У него один недостаток: сложно найти кусок нужного размера и толщины без царапин.
0
сложно найти кусок нужного размера и толщины без царапин.
К тому же, при использовании он достаточно скоро этими царапинами покроется.
0
Точно.
0
А если тем же лавсаном оклеить?
0
можно подумать, лавсан не царапается…

Я, честно говоря, не понимаю в чем проблема со стеклом. Оно доступно и отлично справляется со своей задачей. Да, оно гасит какую-то часть ультрафиолета, но это на моей памяти никогда не было проблемой, особенно сейчас (выдержки 25 и 14 сек, в зависимости от фоторезиста, говорят сами за себя). «Не тратьте силы, возьмите молоток побольше». Если вам кажется, что стекло много задерживает, поставьте вторую, третюю и так далее лампу, пока их не станет достаточно. Заодно при работе с маской и позитивным фоторезистом жизнь сильно упростится :)
0
Нет никаких проблем, просто интересно было. Опять же 25 секунд это фоторезист, для маски вроде больше время.

Вопрос снят.
0
Для маски тоже лучше мощность добавлять. Я синюю не мог побороть со старой «люстрой» даже за три часа, а тут за два она запеклась как миленькая. А вчера зеленую попробовал, так после 45мин из «окон» в плате не смог маску отодрать, тоже запеклась. Она сейчас, по идее, минут за 20 должна пропекаться. Сегодня буду подбирать экспозицию.
0
Из википедии о лавсане:
листовой материал, прозрачный для солнечных лучей (для УФ лучей практически непрозрачен) и устойчивый к воздействиям окружающей среды
Будет то же стекло.

Как вариант может быть защитную пленку для крышек или экранов ноутбуков/планшетов попробовать, только вот хз из чего эти пленки производятся и какова у них пропускаемость УФ.
0
угу. 20-30мкм. угу.
0
дело ведь не в свойствах, а в толщине…
0
видел bsvi свои шаблоны на подсолнечное масло клеит :)
говорит как транспарент
0
Кто-то из опробовавших транспарент говорил, что больше всего он похож на уайт-спирит.
0
Я тоже его пробовал. Больше всего он похож на WD-40, как по мне.
0
ну да некая маслянистая жидкость, а чем можно тонет затемнять на лазернике?
0
Toner density. Только не на всякий тонер она действует.
0
понятно
0
Я долгое время сам распечатывал рисунок на фотошаблоне, на лазерном принтере. Потом стал уносить файлы в типографию (формат .ps). Там мне сделали фотовыов на плёнку, с идеальным качеством всего за 150 р за формат А4. Если у когото рядом есть такая типография — очень советую, качество, по сравнению с домашней печатью, не сопастовимо.
0
Фотошаблон из типографии — очень интересно, можно поподробней? Ссылку, как быстро и т.п.
0
Этот процесс в типографии называется «фотовывод», используется для изготовления фотоформ для офсетной печати. Главное преимущество перед струйной и лазерной печатью — 100% непрозрачность фотошаблона. В Ульяновске делал в частной типографии. Обычно малый объём не делают те типографии, где нет своей машины для фотовывода и они сами это делают на стороне.
0
Увы, они весьма неохотно берутся за такие заказы. Я сделал несколько заходов в поисках конторы, которая бы взалась за такой заказ, но пока, увы, безуспешно. Слишком маленькие объемы :(
0
Спасибо evsi, отличная статья! Ждём её практической части.
Тем временем на Радиокоте уже вплотную осваивают металлизацию отверстий в домашних условиях, причём довольно успешно, глядишь и уже скоро 4-х слойные платы с металлизацией и прочим, люди будут делать в домашних условиях. ;)
0
Можно линк на обсуждение металлизации?
0
Текст следующих двух частей готов (оборудование/материалы и собственно процесс), осталось причесать картинки и собрать статью. Последняя часть (калибровка) еще в работе.
0
Обсуждение и результаты — тут.
0
Спасибо, как я и предполагал, в конечном итоге остановились на гипосульфите меди. Чудесно, буду копать в этом направлении активнее :)
0
осталась самая малость — найти этот самый гипосульфит меди в разумных количествах… ;)
0
Нужен гипосульфит кальция, а уж гипосульфит меди мы потом и сами сделаем :)
0
ну да, кальция я и имел в виду. пока поиски не дали результата… %)
0
русхим что говорит?
0
Что у него такого нет, по крайней мере, я не нашел.
0
«Профиль-Местоположение» что говорит? ;)
0
Предпоследний абзац:
“Основная проблема на этом этапе — неполная проявка или неполное вымывание не засвеченного фоторезиста….”
А в чем проблема? Поместить заготовку в хлорное железо на 20-30 секунд, вынуть и по цвету меди элементарно определяются недопроявленные участки. Если таковые имеются, опять кладем в ванночку с проявителем. Именно так я и делаю.
0
Да, это замечательно работает пока дорожки не слишком мелкие. На мелком рисунке такая контрольная проявка может давать подтравы и почти гарантированно приводит к неравномерности травления, что, в свою очередь, тоже создает проблемы во время травления.
0
На мой взгляд, эти тестовые травления, пожалуй, самый простой и эффективный вариант определить наличие как неполной проявки так и всевозможных огрехов (царапины на прижимном стекле, пылинки).
Но в любом случае, Ваше замечание абсолютно верное. Была у меня такая проблема или я чего-то недопонял. Проявитель- комнатной температуры, вода (для промывки) немного холоднее, хлорное железо – подогретое примерно до 40 градусов. И после двух циклов теплое-холодное-горячее-холодное по краям дорожек образовывался еле заметный бардак. Сейчас делаю все растворы одной температуры. Хлорное железо для тестовых травлений беру не свежее, а уже подуставшее и никаких артефактов не наблюдается. Дорожки делаю 20-25mil. самые тонкие 15mil. Какая ширина получается на самом деле? самого заинтересовало — на днях посмотрю в микроскоп.
0
1mil = 1/1000" = 0.0254mm
15mil = 0.381mm
20mil = 0.508mm

Вобщем, не надо путать милы с милиметрами :)
0
Не надо путать хрен с пальцем, там абсолютно точно указано — «Дорожки делаю 20-25mil. самые тонкие 15mil.И что я там напутал.
0
Дорожки шириной в 0.5мм получаются очень легко. Да и 0.38мм тоже никаких проблем не вызывает. В том числе и с проявкой. Даже с 0.2мм особых проблем нет, проблемы начинаются при попытке двинуться дальше в сторону более мелких норм. Описываемый процесс применяется мной для получения дорожек 0.15мм, то есть чуть-чуть меньше 6mil.
0
Да, тестовые травления работают хорошо, но они годятся только для калибровки. Когда калибровка сделана, тестовые травления становятся не нужны.
0
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.