Цифровое и экологичное производство плат с помощью постоянного осаждения лазером

(октябрьский номер журнала Британского института печатных плат)

'

Рис. 1 Постоянное осаждение с помощью лазера

Краткое описаниеzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

В технологии LIFT (лазерно-индуцированный перенос) материал ровно осаждается на прозрачном плёночном носителе, проходя под лазером. Лазер выдаёт энергетический всплеск по материалу. Это приводит к постоянному капанию материала на низлежащую подложку. Капли материала могут затем спекаться или отверждаться на месте, в той же установке. Большое преимущество в том, что эта технология применима для припоя и полимеров, а также — для металлов и керамики. Различные материалы могут быть напечатаны одновременно. Новая технология открывает путь к успешному использованию и производству инновационных материалов и применений. Системы LIFT могут работать со многими материалами, имеющимися на рынке, оставляя свободу инновациям инженерам-материаловедам и химикам: они смогут создать продукты со значительно лучшими свойствами, чем доступные сегодня с технологиями 3D-печати, благодаря малым ограничениям по печатаемым материалам. Вязкость может превышать 300 тыс. сПз и могут вводиться наполнители размером до 40 мкм. Текущее сообщение связано с одним из применений этой технологии: инновационным успехом в производстве печатных плат скоростной печатью.

Введениеzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

Аддитивное производство существует уже 3 десятилетия. Оно охватывает всего лишь 2% всего производства и используется, в основном, для прототипов инструментария.

Причина этого кроется в материалах. На сегодня технологии аддитивного производства не могут печатать сертифицированные материалы производственного назначения. Особенно это касается электронного производства. Материалы слишком вязкие для существующих 3D принтеров.

В электронике подходящие материалы должны печататься с очень большим разрешением и чёткостью. Для экономичности печать должна происходить с высокой скоростью. И окончательно, так как электронные компоненты всегда состоят из многих материалов, органических и проводящих, решение должно охватывать различные материалы.

Технология LIFT разработана ещё в 1968 году, позволяя на сегодня работать с вязкостью материалов выше 300 тыс. сПз. Технология успешно испытана на силиконе, керамике, проводящих эпоксидах и металлах. Достигаемое на сегодня разрешение до 30 мкм. На одном принтере можно работать в диапазоне от 30 до 500 мкм. Различные материалы могут быть отпечатаны одновременно, включая полимеры, металлы и керамику. Всё это происходит с большой скоростью, достигая 3 л/час или 2 тыс. капель/сек.

В производственной цепи создания электроники имеются области осаждения, печати, травления одного материала по-другому. Это относится к печатным платам (ПП), поверхностному монтажу (SMT) и полупроводникам.

Среди применений:

• печать проводников и заполнение отверстий;
• защитная маска, используя стойкие к припою чернила;
• осаждение припойной пасты;
• камфорное покрытие.

Технологияzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

В технологии LIFT вязкий материал осаждается с нижней стороны прозрачной фольги. Материал проскальзывает между двумя цилиндрическими валами для получения однородного слоя. Затем материал проходит под лазером, подвергаясь нано ударам и создавая тонкий слой паровых пузырей, приводя к одной капле материала, осаждаемого на подложку в заданном месте и с нужным разрешением.

Технология — бесконтактная, без использования масок, шаблонов или забиваемых форсунок. Все последующие процессы встроены: УФ- и тепловое отверждение происходят в лодной установке, сохраняя время и место. Возможно также лазерное спекание и удаление облоя.

По сравнению с существующими технологиями: сеткографической или струйной печати LIFT имеет преимущества. Традиционные цифровые технологии определяются размером форсунки, ограниченной вязкостью, скорость и разрешением. Нетрадиционные технологии скованы размером сетки, ограничивая толщину слоя и разрешения. Технология LIFT даёт полную свободу.

Она обладает всей цифровой гибкостью струйных принтеров, способна к печати множества материалов на разнообразных слоях. По производительности сопоставима с сеткографическими принтерами. Но разрешение выше чем у сеткографии и струйной печати. Не требуется чистка форсунок, нет сеткотрафаретов для поддержания, снижена стоимость расходов на технологию.

Применениеzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

Проводники могут печататься различными металлическими пастами: серебряной, медной, угольной, как показано на рисунке 2.

Рис. 2 Однослойная печатная плата с медной металлизацией и защитной маской.

Могут наноситься различные типы покрытия: защитная маска, водонепроницаемое. Возможна печать адгезивов всех типов: припойная паста, проводящий и двухкомпонентный эпоксид.

Рис. 3 Рисунок сложного проводящего слоя платы.

Есть применение и в производстве SMT. Первейший кандидат — припойная паста. Размеры шариков паяльной пасты снижаются до 100 мкм в диаметре для паяльной пасты типа 6. Большие и малые компоненты могут быть отпечатаны на одном принтере, даже при печати на других компонентах при штабелировании чипов. Для сравнения некоторые струйные принтеры достигают скорости 100 тыс. шариков припоя/час., а в технологии LIFT — 7 млн. шариков припоя/час.

Возможен заглублённый монтаж. Испытаны различные адгезивные пасты с большой однородностью печати. Достигаемая производительность более 10 тыс. капель/сек., а разрешение до 50 мкм, включая необычные формы с углами и скруглениями. Производительность более 300 мм/сек, а точность — менее 5 мкм. Разные адгезивы могут печататься вместе.

Технология LIFT обладает решением для производства внутренних слоёв многослойных плат. В новом процессе идёт цифровая печать слоя, существенно ускоряя процесс для слоёв МПП и HDI. В процессе производства металлизация и осаждение диэлектрика происходит аддитивным путём. Могут печататься многие слои, печать заполненных отверстий осуществляется наращиванием. Внешние слои при завершении обрабатываются традиционным способом. Если желательно, то защитная маска, покрытие площадок и маркировка материалам технической градации также осуществляется в том процессе LIFT.

Рис. 4 Реализация 3-мерной структуры

Многослойный процессzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

В новом, гибридном процессе наслаивание внутренних слоёв происходит по одному за раз. Слои диэлектрика скрепляются вместе через межсоединения отверстий с последующей проводящей схемой сверху. Возможный размер структур конструктива приведён в таблице 1.

Табл.1 Элементы конструктива для гибридного процесса ПП, используя C.L.A.D

Медные проводники могут осаждаться шириной 50 мкм. Лазерная система может быть использована для удаления облоя меди и подрезки до 30 мкм. Отверстия менее 60 мкм могут быть заполнены медью.

Затраты времени на печать слоя платы показаны на рисунке 5. Печать металлических проводников, диэлектрического слоя и межсоединения по отверстиям занимает около 15 минут. Сверление не требуется, т. к. соединение по отверстию печатается сразу, вместе с диэлектрическим слоем. Большое количество отверстий не увеличивает время на изготовление. Нет добавочных затрат к сложности при аддитивном производстве.

Рис. 5 Затраты времени на печать слоёв платы размером 250×250 мм

Гибридная печать многослойной платы плотных межсоединений (МПП HDI) по технологии LIFT начинается с плоского медного листа, используемого сегодня в промышленности, это или плоский медный лист или лист, покрытый металлом. Например, меднёная тонкая плёнка или другим металлом любой толщины.

Диэлектрический и металлический слои осаждаются поверх медного листа с очень высоким разрешением один за другим. Технология LIFT допускает любое количество материала, поэтому, оба: диэлектрик и медь могут печататься одновременно, в любой последовательности. Также, можно добавить окончательную обработку во время печати, когда нужно подрезать избыток материала или сварить металлические проводники, где необходимо. Здесь используется тот же лазер. Может добавляться УФ-лампа для полимеризации диэлектрика, а также — тепловой источник для сушки.

Если медный проводник должен быть меньше предела осаждения, то он подрезается до менее 30 мкм, н оставляя частиц на диэлектрике.

Изготовление следующего слоя идентично, только вместо медных проводников соединяющие отверстия печатаются одновременно с диэлектриком. Микроотверстия надстраиваются как наслаиваются слои, поэтому сверление отсутствует. Такой процесс повторяется в зависимости от количества необходимых слоёв:

• осаждение меди и диэлектрика;
• последующая доработка;
• межсоединение отверстий и осаждение диэлектрика;
• промывка, повтор.

После наслаивания финального слоя используется дополнительная медная фольга как верхний слой. Далее пакет помещается в термопресс для усадки и скрепления. Два внешних медных слоя далее могут быть удалены, получается «сэндвич» из двух тонких медных плёнок с несколькими слоями HDI между ними.

Два внешних слоя печатаются далее по стандартному фотолитографическому процессу. Плата может быть возвращена к оборудованию LIFT для осаждения защитной маски.

Преимущества LIFTzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

• Технология позволяет осаждать многие материалы проводящие, диэлектрики и защитную маску.
• Это аддитивный процесс: нет фотопечати, проявления или травления. Чистый, встраиваемый процесс, с малым отходом материалов.
• Высокая скорость производства: 15 минут на создание слоя ПП (размером 250×250 мм).
• Пригодность к сложным конструктивам: разрешение от 30 до 500 мкм.
• Обеспечивается прецизионность: гибкое соотношение толщины к диаметру отверстий, строго вертикальные стенки, отсутствие подтрава.
• Высокая повторяемость: однородность толщины слоя.
• Бесконтактность: нет забива форсунок и необходимости очистки от маски.
• Цифровой процесс: полностью соответствует запросу клиента и свободный конструктив.
• Гибкая лазерная технология: отсутствие требований к специальным чернилам.

Предлагаемая технология может быть выгодна для мелкосерийного и многоассортиментного производства. Нет избыточных расходов таких, как в технологии сеткографической печати. Поскольку нет расходов, связанных со сложностью конструктивов, создаваемых за неделю, то это можно делать за час. Так как внешние слои не затрагиваются, заказчик обычно не вмешивается в производственный процесс. Это ускоряет производство, снижая стоимость.

*************************

Компания «БалтМедиа Партнёр» поставляет необходимые материалы для сборочно-монтажных и производств печатных плат, оказывает информационную поддержку, освоение и сопровождение технологического цикла.

Более подробно см. инфо на сайте — раздел «Новости»: 11.02.2021 (https://bmptek.ru/news/) — или по запросу.

По возможному сотрудничеству просьба использовать следующий контакт:

Санкт-Петербург, Таллиннское шоссе, 206

Электронная почта: office@bmptek.ru

https://bmptek.ru

Тел. +7 (921) 895−1422, (812) 994−9502

https://facebook.com/valerydic2021/

Управляющий проекта — Алексей Леонов