Способ получения скрытого изображения на пленочном фоторезисте и устройство для его осуществления

Способ получения скрытого изображения на пленочном фоторезисте и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к производству печатных схем.

Известен способ получения скрытого изображения на пленочном фоторезисте, включающий нанесение фоторезиста на заготовку печатной платы с электропроводными переходами путем ламинирования, селективное экспонирование фоторезиста в вакуумной раме, например, через фотошаблон, с величиной контактных площадок у переходных отверстий, равной диаметру отверстий [Тис С.А., Коробкова О.И. Изготовление двусторонних печатных плат без контактных площадок у переходных отверстий с целью повышения плотности монтажа. - Научно-технические достижения: межотраслевой научно-технический сборник / ВИМИ, 1990, вып.3, с.21-23].

Недостатком данного способа является отсутствие возможности получения одинакового и регулируемого по величине зазора между краем отверстия и краем формируемого без фотошаблона скрытого изображения.

Недостатком устройства экспонирования, например, одного из лучших, Expomat AEX-II-H-6 [www.printprocess.com], содержащего систему совмещения заготовки печатной платы с фотошаблоном, вакуумную раму, источник воздушного охлаждения вакуумной рамы, источник экспонирующего излучения, реле времени экспонирования, является отсутствие в устройстве элементов для получения одинакового и регулируемого по величине зазора между краем отверстия и краем формируемого без фотошаблона скрытого изображения.

Известен способ получения скрытого изображения на пленочном фоторезисте по патенту №2004083 Н05К 3/00, G03F 7/20, включающий нанесение фоторезиста на заготовку печатной платы с электропроводными переходами путем ламинирования, селективное экспонирование фоторезиста в вакуумной раме с одновременным контролем процесса по изменению плотности тока, протекающего через границу раздела фоторезист-проводник при нагреве. При этом экспонирование выполняют на устройстве по патенту №2004083 Н05К 3/00, G03F 7/20, содержащем вакуумную раму, источник экспонирующего излучения, шторки между ними с источниками инфракрасного излучения, реле времени экспонирования, реле паузы.

Недостатками данного способа являются отсутствие возможности при экспонировании использовать воздушный объем под фоторезистом как фотошаблон с регулируемой геометрией, это, например, отверстия на заготовке печатной платы, углубления сформированного скрытого изображения на фоторезисте после проявления и повторного ламинирования, за счет содержания в воздухе кислорода, являющегося ингибитором фотополимеризации фоторезиста, а также отсутствие информации об одновременном протекании процессов фотополимеризации и фотоингибирования фоторезиста.

Недостатком устройства является отсутствие в нем элементов, обеспечивающих возможность получения и использования информации об одновременном протекании процессов фотополимеризации и фотоингибирования фоторезиста.

Цель изобретения - расширение возможностей существующих технологий за счет использования ингибитора фотополимеризации - кислорода воздуха - в местах нахождения воздуха под фоторезистом.

По способу получения скрытого изображения рисунка на пленочном фоторезисте, включающему нанесение фоторезиста на заготовку печатной платы с электропроводными переходами путем ламинирования, селективное экспонирование фоторезиста в вакуумной раме с контролем процесса по изменению плотности тока, протекающего через границу раздела фоторезист-проводник при нагреве, согласно изобретению селективное экспонирование фоторезиста выполняют через фотошаблон без контактных площадок или без фотошаблона после повторною ламинирования ранее полученного скрытого изображения и его проявления, причем перед экспонированием фоторезиста при нагреве фоторезиста инфракрасным излучением отслеживают по величине, более единицы, соотношение плотностей токов, одновременно протекающих через два одинаковых диэлектрических зазора между проводниками, электрически замкнутыми фоторезистом без воздуха и с воздухом под ним, экспонируют фоторезист сначала ультрафиолетовой составляющей в спектре инфракрасного излучения при его нагреве до окончания процесса фотоингибирования толщины фоторезиста кислородом воздуха, где окончание фотоингибирования контролируют по уменьшению величины плотности тока, протекающего через диэлектрический зазор между двумя проводниками, электрически замкнутыми фоторезистом с воздухом под ним, причем величиной уменьшения плотности тока регулируют величину зазора между краем воздушного объема под фоторезистом и краем формируемого скрытого изображения при продолжении экспонирования фоторезиста ультрафиолетовым излучением.

Устройство получения скрытого изображения рисунка на пленочном фоторезисте, содержащее вакуумную раму, источник экспонирующего излучения, шторки между ними с источниками инфракрасного излучения на них, реле времени экспонирования, реле паузы, согласно изобретению снабжено источником воздушного охлаждения вакуумной рамы, связанным с источниками инфракрасного излучения с ультрафиолетовой составляющей в спектре на шторках, реле времени воздействия на фоторезист инфракрасного излучения с ультрафиолетовой составляющей в спектре, связанное с реле паузы.

Введение перечисленных элементов обеспечивает реализацию способа. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемые технические решения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Изучение общедоступных в России сведений и их анализ позволяют сделать вывод, что предлагаемые технические решения являются новыми, так как не известны из существующего уровня техники.

На фиг.1 схематично представлена информация для понимания сути способа.

На фиг.2 схематично представлена информация об одновременном протекании процессов фотополимеризации и фотоингибирования фоторезиста кислородом воздуха.

На фиг.3 схематично представлена информация об особенностях фотошаблона без контактных площадок и целесообразности экспонирования фоторезиста без фотошаблона.

На фиг.4 схематично изображено заявляемое устройство.

Пример осуществления способа.

Для упрощения понимания сути способа рассмотрим информацию на фиг.1 (а, b, с, d, e).

На фиг.1a схематично изображен фрагмент фольгированного медью диэлектрика для печатных плат, с двумя одинаковыми диэлектрическими зазорами А и В, представляющий собой две заготовки фольгированного медью диэлектрика толщиной 0,5 мм марки ФТС2-18-0.5, ТУ 2296-003-40230483-02, размерами 30×220 мм, на одной из сторон которых получены травлением по два параллельных проводника шириной 300 микрон, проходящих пять раз от одного конца заготовки к другому и имеющих длину один метр, зазор между проводниками 150 мкм. При этом на одной из заготовок диэлектрик подтравлен известным способом на глубину 15-30 микрон. Зазоры А и В электрически замыкают фоторезистом толщиной Н одновременным ламинированием двух заготовок. В результате под фоторезистом в зазоре А воздух отсутствует, в зазоре В - остается. Затем проводник одной заготовки электрически замыкают с проводником другой заготовки и через точку замыкания зазоры А и В электрически замыкают через источник питания, микроамперметр ключом К.

Для отслеживания изменения от температуры плотности токов, протекающих через фоторезист в зазорах А и В между медью и лавсановой пленкой, введена медьконстантановая термопара.

На фиг.1b представлено воздействие на фоторезист экспонирующего его излучения. При этом в зазоре А протекает процесс фотополимеризации. Вектор f процесса направлен от внешней поверхности фотокомпозиции к нижней. В зазоре В протекает процесс фотоингибирования. Вектор m процесса направлен от нижней поверхности фотокомпозиции к внешней. Существующие системы экспонирования оснащены мощными источниками ультрафиолетового излучения, поэтому процесс фотоингибирования - торможения процесса фотополимеризации, реально на него не влияет. Подтверждением этому является известный "Тентинг"-процесс в производстве печатных плат, где негативным изображением рисунка из фоторезиста защищают отверстия перед травлением меди пробельных мест. Временное понижение мощности экспонирующего излучения до величины, обеспечивающей возможность протекания процесса фотоингибирования всей толщины Н фоторезиста, фиг.1b, а также контроль над окончанием этого процесса, при продолжении экспонирования фоторезиста первоначальной мощностью ультрафиолетового излучения приводит к результату, представленному на фиг.1с. Между краями зазора В и краями фоторезиста после проявления появляется зазор В+Δ, как следствие протекания процесса фотоингибирования как по вертикали, так и по горизонтали толщины фоторезиста. Ламинирование зазора В+Δ, фиг.1с, и экспонирование фоторезиста при сформулированных выше условиях приводит к результату, представленному на фиг.1d. Между краями двух фоторезистов после проявления верхнего появляется зазор В+2Δ. При этом зазор 0,5Δ между краями фоторезистов равен зазору между краями зазора В, фиг.1d, и фоторезистом на нем. Отсутствие контроля над окончанием процесса фотоингибирования толщины фоторезиста приводит к результату, представленному на фиг.1е. После проявления фоторезиста над зазором В+Δу нависает край фоторезиста толщиной Δх.

Для определения количественных величин процессов, схематично представленных на фиг.1, служит информация об одновременном протекании процессов фотополимеризации и фотоингибирования фоторезиста кислородом воздуха, представленная на фиг.2, из которой следует информация на фиг.3 об особенностях фотошаблона без контактных площадок и целесообразности экспонирования фоторезиста без фотошаблона.

Устройство, представленное на фиг.4, содержит элементы, обеспечивающие получение информации об одновременном протекании процессов фотополимеризации и фотоингибирования фоторезиста.

Устройство состоит из вакуумной рамы 1, источника ультрафиолетового излучения 2, шторок 3, источников 4 инфракрасного излучения с ультрафиолетовой составляющей в спектре на шторках 3, реле времени 5 воздействия на фоторезист ультрафиолетового излучения от источника 2, источника охлаждения вакуумной рамы 6, реле времени 7 - воздействия на фоторезист инфракрасного излучения с ультрафиолетовой составляющей в спектре от источников 4, реле паузы 8.

Устройство работает следующим образом.

Режим 1 - получение информации об отличиях фоторезиста без воздуха и с воздухом под ним на заготовке платы, фиг.1а, при неоднократном ее нагреве от 18-25°С (Н У) до заданной температуры. Для этого в вакуумной раме 1 заготовка платы, фиг.1а, обращена к источникам 4 (лампы КГТ220-1000) на шторках 3 обратной стороной, что исключает влияние на фоторезист ультрафиолетовой составляющей в спектре инфракрасного излучения. Время нагрева заготовки с фоторезистом до заданной температуры контролирует реле времени 7. При отключении реле 7 включается источник 6 воздушного охлаждения заготовки платы в вакуумной раме 1. Длительность охлаждения контролирует реле паузы 8, на котором задается число включений нагрева. Режим 2 - получение информации об одновременном протекании процессов фотополимеризации и фотоингибирования фоторезиста на заготовке платы, фиг.1а, при ее нагреве инфракрасным излучением до заданной температуры, постоянстве этой температуры и одновременном экспонировании фоторезиста ультрафиолетовой составляющей в спектре инфракрасного излучения. Для этого вакуумная рама 1 поворачивается на 180°. На фоторезист заготовки платы, фиг.1а, одновременно воздействуют инфракрасное излучение и его ультрафиолетовая составляющая в спектре. Заготовка платы нагревается до заданной температуры. После чего последовательным включением источника воздушного охлаждения 6, время работы которого контролирует реле паузы 8, и источников нагрева 4 на шторках 3, время работы которых контролирует реле 7, обеспечивается постоянство температуры на заготовке. Время постоянства температуры задается числом включений нагрева на реле паузы 8. После отработки числа заданных включений на реле 8 шторки 3 открываются. Время воздействия на фоторезист ультрафиолетового излучения от источника 2 (лампы ДРЛФ-400) контролирует реле времени 5, после чего шторки закрываются.

Пример реализации заявляемого способа и устройства.

Реализацию способа и устройства рассмотрим на трех сухих пленочных фоторезистах разной толщины и назначения.

Первый фоторезист - импортный ORDYL ALPHA-330 толщиной 30 мкм - предназначен для изготовления электропроводного рисунка печатных плат с минимальными шириной линий 40 мкм и зазором между ними 50 мкм.

Второй фоторезист - отечественный СПФ-ВЩ 2-50 толщиной 50 мкм - предназначен для изготовления электропроводного рисунка печатных плат с минимальными шириной линии и зазором между ними 125 мкм.

Третий фоторезист - импортный Dynamask КМ-3 толщиной 75 мкм - предназначен для изготовления электропроводного рисунка печатных плат с минимальной шириной линий и зазором между ними 75-100 мкм, кроме того, служит маской при поверхностном монтаже электронных элементов на поверхность готовой печатной платы, т.е. выдерживает температуру 230-250°С, а также обладает химической стойкостью к существующим растворам химико-гальванической металлизации при производстве печатных плат.

Каждый из перечисленных фоторезистов может быть описан тремя параметрами - фиг.2. Первый параметр - терморезистор в зазоре А, фиг.1а, в вакуумной раме 1, фиг.4, при разряжении 0,3-0,4 кгс/см², у которого при неоднократном нагреве заготовки платы от нормальных условий - 18-25°С до 70°С плотность тока за 65 секунд изменяется от нуля до А₀. При этом нагрев осуществляется от источников инфракрасного излучения 4 на шторках 3, фиг.4, через обратную сторону заготовки платы для исключения влияния на фоторезист ультрафиолетовой составляющей в спектре инфракрасного излучения, охлаждение от источника 6, фиг.4.

Второй параметр - терморезистор в зазоре В, фиг.1а, у которого при тех же условиях плотность тока изменяется от 0 до В₀. Соотношение величин А₀/В₀ при 70°С для перечисленных фоторезистов составляет 3,7-4,1, при снижении температуры заготовки платы до 18-25°С величина соотношения будет более единицы. Равенство соотношения единице означает, что фоторезист при ламинировании выдавил воздух из углубления в диэлектрике зазора В, фиг.1а. Зазоры А и В находятся в одинаковых условиях, величины плотностей токов в зазорах регистрируются микроамперметром Ф-195 переключением ключа К, фиг.1а, при напряжении 1 вольт от источника питания Б5-47. Температура регистрируется прибором М95 от медьконстантановой термопары между лавсановой пленкой фоторезиста и медью заготовки фольгированного диэлектрика, фиг.1а.

Третий параметр - соответствие после экспонирования и проявления геометрии сформированного скрытого изображения на фоторезисте фотошаблону. При этом третий параметр состоит из двух частей, фиг.2, - возрастание и падение во времени величин плотностей токов, одновременно протекающих через зазоры А и В, фиг.1а, при воздействии на фоторезист экспонирующего излучения. Первую часть - возрастание плотностей токов, протекающих через зазоры А и В, для зазора А, фиг.1b, отражает терморезистор в зазоре А, имеющий характеристику 0-А₀, для зазора В, фиг.1b, отражает терморезистор в зазоре В, имеющий характеристику 0-В₀, соответственно, которые при одновременном нагреве от 18-25°С до 70°С и экспонировании ультрафиолетовой составляющей в спектре инфракрасного излучения от источников 4 на шторках 3, фиг.4, необратимо изменяются и в точках А₁ ^ик+уф и B₁ ^ик-уф при времени τ₀, равном 65 секунд, для фоторезистов толщиной 30 и 50 мкм перестают существовать. Для фоторезиста толщиной 75 мкм необратимое изменение терморезисторов при 70°С заканчивается в точке А₂ ^ик+уф при времени τ_А2, равном 150 секунд, и в точке В₂ ^ик+уф при времени τ_в2, равном 86 сек. Окончание необратимого изменения терморезисторов в зазорах А и В, фиг.1b - это свидетельство того, что процесс фотополимеризации и фотоингибирования фоторезиста прошел по всей его толщине Н, фиг.1b. Основанием для такого вывода является результат второй части воздействия на фоторезист экспонирующего излучения, когда в зазорах А и В, фиг.1а, плотности токов падают и при времени τ_n, фиг.2, сформированное через фотошаблон рядом с зазором А, фиг.1b, скрытое изображение после проявления соответствует фотошаблону, а рядом с зазором В, фиг.1с, появляется зазор 0,5Δ. Данный результат может быть получен как при продолжении воздействия на фоторезист ультрафиолетовой составляющей в спектре инфракрасного излучения от источников 4 на шторках 3, фиг.4, при 70°С, так и от источника 2, фиг.4, после открытия шторок 3. Отличие заключается в величине времени воздействия на фоторезист экспонирующего излучения. Минимальная разница этого времени для рассматриваемых фоторезистов составляет 35 раз и соответствует фоторезисту толщиной 35 мкм. Исходя из этой разницы открытие шторок 3, фиг.4, перед окончанием процесса фотоингибирования толщины фоторезиста, т.е. перед точкой В₁ ^ик+уф для фоторезистов толщиной 30 и 50 мкм, для фоторезиста толщиной 75 мкм перед точкой В₂ ^ик+уф, приводит к результату, представленному на фиг.1е. После проявления фоторезиста над зазором В+Δу нависает край фоторезиста толщиной Δх. Если шторки открывать после окончания процесса фотоингибирования толщины фоторезиста, т.е. после точек В₁ ^ик+уф В₂ ^ик+уф, когда на фоторезист продолжает воздействовать ультрафиолетовая составляющая в спектре инфракрасного излучения от источников 4 на шторках 3, фиг.4, происходит контролируемое увеличение зазора 0,5Δ, фиг.1с, которое достигает трех и более толщин рассматриваемых фоторезистов. При открытии шторок 3, фиг 4, в точках В₁ ^ик+уф, В₂ ^ик+уф величина зазора 0,5Δ, фиг.1с, минимальная и составляет 5-10% толщины рассматриваемых фоторезистов. При этом время τ₀-τ_n воздействия на фоторезист экспонирующего излучения от источника 2, фиг.4, для фоторезистов толщиной 30 мкм и 50 мкм составляет 2 секунды и 45 секунд соответственно. Для фоторезиста толщиной 75 мкм время τ_В2-τ_n составляет 2 секунды. При этом за время τ_В2-τ_n в точке А₂ ^ик+уф, заканчивается процесс фотополимеризации толщины Н фоторезиста, фиг.1b, и в точке А₃ при величине времени τ_n, сформированное через фотошаблон скрытое изображение рядом с зазором А, фиг.1b, после проявления соответствует фотошаблону. Разное время окончания процессов фотоингибирования и фотополимеризации толщины фоторезиста Н, фиг.1b, - это отличительная фоторезиста особенность, в соответствии с которой рисунок из фоторезиста после термодубления и дополнительного экспонирования, согласно рекомендациям по его использованию приобретает стойкость как к температуре 230-250°С, так и к растворам химико-гальванической металлизации в производстве печатных плат.

Исходя из сказанного выше становятся понятны особенности фотошаблона без контактных площадок и целесообразность экспонирования фоторезиста без фотошаблона. У аналога данного технического решения будущий проводник на фотошаблоне черного цвета и заканчивается контактной площадкой, равной диаметру отверстия. Для данного технического решения контактная площадка величиной, равной диаметру отверстия, не нужна. Особенность фотошаблона без контактных площадок заключается в том, что будущий проводник на фотошаблоне должен иметь контакт лишь с площадью отверстия. На фиг.3а представлен фрагмент заготовки печатной платы, покрытой фоторезистом, пунктирной линией показан край отверстия. На фоторезисте лежит фотошаблон, на котором черным цветом - три варианта возможного контакта будущих проводников печатной платы с площадью отверстия. После экспонирования фоторезиста согласно рассмотренным выше режимам и его проявления появляется результат, представленный на фиг.3b, где пробельные места получены благодаря фотошаблону на фиг.3а, а пробельное место над отверстием благодаря фотоингибированию толщины фоторезиста. При этом зазор между краем отверстия и краем фоторезиста составляет 0,5Δ, повторное ламинирование фоторезистом фрагмента печатной платы, фиг.3b, экспонирование фоторезиста согласно рассмотренным выше режимам и проявление приводит к результату, представленному на фиг.1d. Между краями нижнего и верхнего фоторезистов также появляется зазор 0,5Δ. При этом первый раз фотошаблоном был ингибитор фотополимеризации фоторезиста из объема воздуха отверстия, второй раз - из объема воздуха под ранее полученным рисунком из фоторезиста. Наиболее эффективно удвоение толщины фоторезиста для фоторезиста КН-3120, в соответствии с информацией о его возможностях, полученной из Южной Кореи. Так данный фоторезист при толщине 20 мкм позволяет получать электропроводный рисунок с шириной линии и зазором между линиями 20 мкм, который уже сейчас востребован для элементной базы типа BGA. В серийном производстве печатных плат как отечественном, так и зарубежном используется зарубежный фоторезист толщиной 38 мкм, который воспроизводит ширину линий и зазор между ними 50 мкм. Необходимость использования такого фоторезиста диктуется толщиной гальванического покрытия, которое осаждается на его пробельные места и составляет более 30 мкм, т.е. удвоение толщины фоторезиста КН-3120 позволяет как наращивать по его пробельным местам гальваническое покрытие толщиной более 30 мкм, так и в 2,5 раза уменьшить ширину линий и зазор между ними. Целесообразность экспонирования фоторезиста сразу без фотошаблона поясняет фрагмент четырехслойной печатной платы со сквозным отверстием на фиг.3с, когда двухсторонняя печатная плата при необходимости становится четырехслойной. Так, диэлектрик, фиг.3с, с фольгой меди Cu₁ на поверхности после выполнения с ним операций в соответствии с ОСТ 107.460.092.004.01-86 комбинированным позитивным методом становится двухсторонней печатной платой, у которой Cu₂ на фиг.3с - толщина электропроводного слоя в отверстии, a Cu₁+Cu₂ - толщина электропроводного рисунка на поверхности платы. Наносят на поверхность готовой платы ламинированием фоторезист толщиной 75 мкм, экспонируют его без фотошаблона в соответствии с вышеприведенным для него режимом, после проявления между краем металлизации отверстия и краем фоторезиста появляется зазор 0,5Δ. После выполнения операций в соответствии с ОСТ 107.460.092.004.01-86 комбинированным позитивным методом двусторонняя плата становится четырехслойной с толщиной электропроводного рисунка Cu₃, фиг.3.

При использовании данных технических решений любой воздушный объем под фоторезистом становится фотошаблоном с управляемой геометрией при экспонировании фоторезиста за счет содержания в воздухе кислорода, являющегося ингибитором фотополимеризации.

1. Способ получения скрытого изображения на пленочном фоторезисте, включающий нанесение фоторезиста на заготовку печатной платы с электропроводными переходами путем ламинирования, селективное экспонирование фоторезиста в вакуумной раме с контролем процесса по изменению плотности тока, протекающего через границу раздела фоторезист-проводник при нагреве, отличающийся тем, что селективное экспонирование фоторезиста выполняют через фотошаблон без контактных площадок или без фотошаблона после повторного ламинирования, ранее полученного скрытого изображения и его проявления, при этом перед экспонированием фоторезиста при нагреве фоторезиста инфракрасным излучением отслеживают по величине, более единицы, соотношение плотностей токов, одновременно протекающих через два одинаковых диэлектрических зазора между проводниками, электрически замкнутыми фоторезистом без воздуха и с воздухом под ним, экспонируют фоторезист при его нагреве ультрафиолетовой составляющей в спектре инфракрасного излучения до окончания процесса фотоингибирования толщины фоторезиста кислородом воздуха, где окончание фотоингибирования контролируют по уменьшению величины плотности тока, протекающего через диэлектрический зазор между двумя проводниками, электрически замкнутыми фоторезистом с воздухом под ним, причем величиной уменьшения плотности тока регулируют величину зазора между краем воздушного объема под фоторезистом и краем формируемого скрытого изображения при продолжении экспонирования фоторезиста ультрафиолетовым излучением.

2. Устройство получения скрытого изображения на пленочном фоторезисте, содержащее вакуумную раму, источник экспонирующего излучения, шторки между ними с источниками инфракрасного излучения на них, реле времени экспонирования, реле паузы, отличающееся тем, что оно снабжено источником воздушного охлаждения вакуумной рамы, связанным с источниками инфракрасного излучения с ультрафиолетовой составляющей в спектре на шторках, реле времени воздействия на фоторезист инфракрасного излучения с ультрафиолетовой составляющей в спектре, связанное с реле паузы.