Chemické frézování (Photo Chemical Milling, PCM) přesné leptání kovových materiálů

Datum: 28.06.2017

Kategorie: Výroba desek plošných spojů

Technologie chemického frézování je určena pro výrobu tenkých kovových materiálů metodou leptání. Tato metoda má mnoho výhod, především v možnosti vytvoření velmi přesných součástek s libovolným množstvím objektů s jejich libovolným tvarem za velmi přijatelnou cenu, často nevyrobitelnou jiným způsobem.

Postup výroby motivu

Na předupraveném kovovém materiálu je potřeba před leptáním vytvořit ochrannou vrstvu, která chrání materiál před leptáním.
To se vytváří v principu dvěma způsoby:

Klasickou konvenční fotolitografií: motiv se vytváří doposud nejrozšířenějším způsobem, tedy expozicí pomocí UV záření přes film, navedený z obou stran a vytvrzením fotorezistu v průhledné části filmu. Po expozici následuje vyvolání, kontrola a leptání ve vhodné leptací lázni. Po leptání se odstraní fotoresist.Vzhledem k tomu, že se vše dělá mechanicky, vznikají odchylky při výrobě filmu, jeho roztažností, sesazením, osvitem i vyvoláním. Touto metodou pak lze vytvořit objekty s přesností cca ± 25 um.
Laser Evolved Etching Process (LEEP): je to poměrně nový proces, určený pro výrobu vysoce přesných mikro komponentů a ve srovnání s konvenční metodou umožňuje vytvořit jemnější detaily s vysokou přesností a v mimořádně přesných tolerancích v řádu mikronů. Nasvícení fotorezistu probíhá, na rozdíl od konvenční metody, plně digitálním způsobem. Laserový paprsek stroje exponuje metodou Laser Direct Imaging (LDI) obrazec do světlocitlivého rezistu na povrchu materiálu. Další zpracování už probíhá opět klasickým způsobem, tedy vyvolání fotorezistu a leptání, vlivem naprosto přesného vytvoření motivu lze docílit v reálu až čtyřnásobného zlepšení v přesnosti na ploše až 800 mm x 600 mm. Hrany a otvory jsou ostřejší a čistší a jsou pozicovány naprosto přesně jak proti sobě při oboustranném leptání, tak i v rámci celé plochy motivu. I s ohledem na další výrobní tolerance lze dosáhnout odchylek cca ± 10 um.

Výhody chemického frézování proti jiným technologiím

Výhody proti lisování:

zcela odpadá nutnost výroby drahého lisovacího nástoje, náklady jsou pouze na zhotovení filmových předloh,
lze obrábět i křehké materiály, které při lisování praskají,
lisováním nelze vytvořit některé druhy objektů, zvláště velmi složitých tvarů,
lisování je méně přesné,
lisování zanechává na výlisku stopy kovu z razníku, což může být problém u magneticky citlivých materiálů,
je možné vyrábět jakékoli série, od 1 ks po stovky tisíc kusů,
je velmi levné změnit tvar vyráběného výrobku a jde tak pružně reagovat na modifikace výrobku.

Výhody proti řezání laserem:

materiál při leptání neprochází tepelným šokem a zůstává zcela rovný i v oblastech velké hustoty objektů,
leptání nenechává otřepy způsobené paprskem při řezání,
lze vytvářet jakékoli složité objekty za stejnou cenu, není tedy rozdíl u počtu vytvářených objektů. Lze vytvořit i různé druhy otvorů a lze zaleptávat do různé hloubky,
PCM (Photo Chemical Milling) je vhodnější pro sériovou výrobu, kde se dá docílit vyšší efektivnosti výroby a tedy nižší ceny.

Použití výrobků v praxi

Tyto výrobky najdou použití při výrobě polovodičů a elektroniky, v automobilovém průmyslu, ve strojírenství, zdravotnictví, letectví, kosmonautice, vojenské technice a dalších oblastech průmyslu. Příklady výrobků: SMT šablony, elektrické kontakty, podložky, chladiče, stínící masky, RF / EMI stínění, těsnění, filtry, inkrementální snímače, kryty a skříně výrobků včetně leptání poloviční tloušťky materiálu v místě budoucího ohybu pro lepší ohnutí, štítky, pružiny, propojky, šperky atd.

Nerezový kolimátorový plech síly 250um Náramek z nerezové oceli, oblast šperkařství

SMT šablony

Historie:

Obecně panuje nedůvěra v kvalitu leptaných planžet. Příčina je historická, kdy se v počátku používaly bronzové plechy legované fosforem pro zvýšení pružnosti. Ty byly dostupné v malé škále tlouštěk, která byla navíc ve velké toleranci, plechy často nebyly ani rovné a leptání se nevěnovala potřebná preciznost při výrobě. Později se začala používat niklová mosaz, zvaná Alpaka a situace se zlepšila, stále však šlo o materiál poměrně měkký (tvrdost do cca 200 HV), který nedržel rozměrový tvar a a byl dostupný v omezené škále tlouštěk. Někdy se tak stávalo, že otvory změnily vlivem průtahu materiálu pozici vůči plošnému spoji. Tyto nekvality však byly především materiálové, technologie leptání – fotolitografie je v principu velmi přesná metoda, která se používá i pro výrobu samotných plošných spojů a integrovaných obvodů.

Současnost:

Moderní planžety jsou vyráběny především z austenitické nerezové oceli jakostní normy 1.4301 s tvrdostí 410 HV (nebo 1.4310, která je ještě tvrdší), případně se používají niklové plechy s tvrdostí až 670 HV. Plechy jsou vyráběny v toleranci tlouštěk ± 3 um s velmi nízkou chybovostí a velkou škálou tlouštěk, která umožní přesné nastavení tiskových parametrů.

Mezi technické parametry, ovlivňující kvalitu patří především hranová ostrost vytvořených objektů. Pokud tato není dodržena, dostává se pasta mimo pájecí plošky, což způsobuje po pájení zkraty. Dalším, neméně důležitým parametrem je tvrdost materiálu, která musí být alespoň 400 HV, jinak nelze zajistit opakovatelnou přesnost tisku. Aby nedocházelo k prosakování pasty pod planžetu a pozdějším možným zkratům nebo kuličkám pájky, musí planžeta dokonale sedět na pájecí plošce a nesmí docházet k průhybu vlivem pružného podložení. A konečně, posledním důležitým faktorem je přesnost vytvořených objektů, které jsou u laserem řezaných cca ± 10 um, u leptaných cca ± 25 um. Velikost kuliček pájky v pájecí pastě bývá však v obou případech větší, takže tyto parametry jsou vyhovující. Kapilární síly při přetavení pasty způsobí, že se eliminují i poziční nepřesnosti usazení planžety (pokud nejsou příliš velké) na plošný spoj a roztavená pájka se rozlije pouze na cílené plošce.

Mezi výhody výroby leptáním patří i nedestruktivní metoda výroby, plech se nemůže nikde deformovat a zůstává zcela rovný. Další výhoda je ekonomická: objekty se vytváří leptáním v celé ploše plechu naráz a není tak podstatný počet leptaných objektů. V základní ceně planžety je tedy neomezený počet objektů.

Principem leptání jsou vnitřní úhly otvoru zaoblené, což je vhodnější pro čištění planžety po tisku pasty.

Povrch stěny vyleptaných otvorů se dá pak ještě dále zlepšit chemickou úpravou polishing, kdy dojde k chemickému vyleštění stěn otvorů v planžetě.

Cenový rozdíl mezi laserem řezanou a leptanou planžetou je především v množství výrobních kroků. Laserové zařízení je velmi drahé, nicméně práci na něm lze automatizovat - na rozdíl od fotolitografie a leptání. Rozdíl ceny práce se doposud u nás projevuje nižší cenou, nikoli pak kvalitou.

Jiří Riedel, www.semach.cz

Doporučení: Konkrétním SMT planžetám bude věnováno následující dubnové měsíční téma.