印制电路工艺创新探讨


作者:中国舰船研究院武汉数字工程研究所 熊祥玉


摘要 本文提出了简化印制电路制造技术,提高制造精度,减少环境污染,降低制造成本,缩短制造周期的新的印制电路制造技术。文中不仅大胆地提出了在印制电路制造技术中彻底甩掉照相机,同时还提出了彻底甩掉银盐基照相制版软片(照相底片)以及真空曝光机的设想。
关键词 印制电路 工艺
无照相底版制版技术
一、 引言
在当前的印制电路制造技术中,无论是采用干膜光致抗蚀剂(简称干膜)或液态光致抗蚀剂(科称湿膜)工艺,都离不开照相底片;现行的传统的印制电路照相制版及光成象工艺对印制电路板(简称PCB)的质量有何影响,如何克服现行工艺中的诸多弊端是本文讲座的主题。
二、 传统的PCB制造工艺弊端
从八十年代始,PCB制造技术中实现了以光绘机或激光光绘机替代传统的绘(贴)图/照相工艺,这一革命性变革简化了繁琐的PCB黑白原稿制作技术,提高了PCB制作质量,缩短了制造周期,因而深受PCB业界的广泛欢迎。但是,在计算机/光绘机对照相制版软片进行光扫描之后,仍然需要银盐基的照相制版软片(SO或CR制版软片);从照相制版软片到光成象(精密曝光机曝光)这一工艺过程中仍然存在着对PCB制造精度时的破坏性因素,它们是:
(一) 银盐基照相制版软片
1、 以硝化纤维、醋酸纤维为片基的照相制版软片其尺寸稳定性非常差,即使是采用涤纶片基的SO软片,如果不对环境温度和湿度加以控制,也不可能获得高质量的照相底版;
2、 由计算机/激光光绘机光扫描后的照相制版软片的暗室处理(显影、定影、冲洗等)工艺除有损人体健康之外,同时工艺十分繁琐,若操作失当,照相底片会产生灰雾、变黄或粘上指纹等;
3、 银盐基照相制版软片的乳剂层的主要成分是溴化银、氯化银、碘化银(见图一),它们在光的作用下还原出银核中心。如果在PCB制造技术中不使用银盐基照相制版软片,则可节省大量的贵金属——银。
图一 照相底片的结构示意图
4、 银盐基照相底片抗划痕、抗折皱能力低;
5、 显影、定影有冲洗时大量耗费水资源,同时还会造成环境的污染;
……
(二) 精密曝光机与光成象
抽真空以使照相底片与预涂覆了感光抗蚀材料的PCB基材(覆铜箔层)紧密贴附是精密曝光机最重要的技术要求之一,它的目的是为了获得高质量的抗蚀图形。但是,仔细分析这种曝光工艺,仍然可以发现它存在着不可抗拒的产生质量缺陷的因素,因为该工艺从曝光光源(紫外光谱灯管)到PCB感光抗蚀材料层的照射路径中心须要通过两层我们并不希望有的“隔离层”,其一为抽真空夹具中的聚酯薄膜和玻璃板;其二为照相底片的涤纶片基,如果是以干膜作为感光抗蚀材料,曝光时还多了一层“隔离层”——干膜的聚酯覆盖膜。应该说这样一种工作形态并非完全理想的,而理想的工作状态是以曝光光源与感光抗蚀材料直接接触。(如果曝光光源含有比较多的非准直光,或者说不是平行光,也就是光线不是垂直入射到感光抗蚀材料表面上,那么光线就会从照相底版黑色区域下面产生侧射,结果使图象失真)。在PCB曝光工艺过程中产生的光的折射、衍射问题无疑是影响PCB成象质量的一个顽固的颇为令为挠头的问题。如果在PCB制造技术中执意坚守照相底版/真空抽气曝光工艺,其影响曝光成象质量的弊端则是无可克服的。在制造分辨率(或称精细导线线径)为0.075(0.050mm的PCB的工艺过程中,我们是否可以彻底摒弃照相底版和精密曝光机而创新出完全有别于传统PCB制造技术的新的PCB制造技术呢?回答将是肯定的。
三、 PCB新工艺讨论
1、 图二为PCB工艺流程图(以图形电镀/蚀刻法工艺为例。流程图A为传统工艺,流程图B为新工艺)。
从A、B两工艺流程图的比较中我们可明显发现:
(1) 新工艺中(流程图B)已经取消了照相底版制作工艺;
(2) 在传统制作工艺中(流程图A)的光敏干膜图象转移是需要精密曝光机(抽真空使照相底版与干膜贴紧),而B工艺中已经取消了精密曝光机(图示中称自由曝光),图象是直接喷绘在已预涂覆湿膜(丝网印刷工艺)或已贴干膜的覆铜箔板上。
CAD 布线贴图 黑白图 照相底版
双面覆铜箔板 下料 数控钻孔 孔金属化 全板预镀铜 光敏干膜图象转移 图形电镀铜 图形电镀铅锡合金 去膜 蚀刻 插头电镀 外形加工 热熔 检验 印制阻焊层 印制标记符号 成品
CAD/CAM 喷绘图形
双面覆铜箔板 下料 数控钻孔 孔金属化 全板预镀铜 网印或贴膜 自由曝光 以下同A流程
流程图A(传统工艺) 流程图B(新工艺)
图二 PCB工艺流程图
2、 PCB新工艺讨论
(1) 电子工程CAD
目前,PCB业界已广泛使用CAD/激光光绘系统即在计算机上利用商品化的电子CAD/CAM软件来辅助设计、辅助生产PCB。由原始的手工贴图到计算机绘图,又由计算机自动布线到带有智能性的模拟仿真自动布线。从传统的PCB的CAD设计流程图(见图三)的“生产数据的生成”中我们可以看到“光绘图”一项,所谓“光绘图”是光绘机向高精度和高速度发展,采用激光绘图系统作业,以色列Orbotech公司的光绘系统是其代表,过去需十多个小时绘成的照相底片,现在只要十分钟左右即可完成,而且精度可高达0.003mm。在新的电子工程CAD中,光绘机或者激光光绘机已被喷绘系统所取代。
(2) 喷绘系统
喷绘系统是指电子工程CAD驱动一个喷绘装置(该装置上有一个非常精密的压电喷头)向已预涂了感光抗蚀材料的覆铜箔板上喷绘我们所需要的印制图形(一种特殊的涂料),它的分辨率可高达1000(2000DPI或以上,所喷绘的图形质量精度,图形边缘陡直、挺括。
修改原理图 原理图的建立(schematic) 进行模拟仿真 连线网络表生成 自动布局 自动布线 生产数据的生成 笔绘图 外形切割 光绘图 钻孔 光板测试 自动贴装
逻辑元件库(建立元件及元件特性描述) 产生文档文件 手动辅助布局 手动辅助布线
图三 印制板CAD设计流程图
(3) 计算机直接制版技术论证
本文所论及的电子工程CAD/喷绘系统实际上是计算机直接制版技术或者称之为PCB直接制版技术,这一技术尽管在过去的某些PCB之献中偶有提及,在国内真正投入实用的却少见报道。也许该系统过高的售价(每套系统售价人民币200万元左右)影响了它的推广应用。目前,对这套系统至少有如下几点是值得PCB业界加以讨论的:
A、 实用性
该系统的工艺适用性和优良的作业性能无疑是PCB业界所欢迎的,其电子化(自动化)的操作十分简单,并且可以有效地克服现行PCB工艺中的诸多固疾。我们在这里所要讨论的“实用性”实际上是要强调通过讨论来宣传计算机直接制版技术及其优越性,让PCB业界有更多的人认识它、了解它。
B、 经济性
以计算机直接制版技术生产PCB,其制造成本显然较传统PCB生产工艺低廉,问题是初期设备投资过于昂贵。但是,依笔者愚见,这一高价位的设备大幅度的降价将是必然的,这一点我们可以从计算机及其相关的信息技术产品近几年来价格一降再降的大趋势中就能够明白,例如八十年代后期,我所购买了一套CAD/激光光绘系统总共花费了30多万美元,而如今若再去购买一套类似的系统,特别是性能相当不错的国产激光光绘系统(绘图幅面650×508mm,分辨率2540DPI,整幅扫描时间14′00″,定位精度0.0008(0.001inch,最小线宽线距0.002inch)其价位仅人民币10(20万元;再例如1993年购买一台386型号的计算机,市场售价需人民币2万元以上,如今购买一台586型以上的计算机,其价位仅人民币6000元甚至更低;从计算机直接制版技术的硬件(喷绘)设备来分析,该设备与信息产品中的喷墨打印机在核心技术上有多少差别?目前喷墨打印机的价位仅人民币2000元左右,所以,PCB计算机直接制版设备的大幅度降价的趋势是无可逆转的,问题只是时间的早晚而已。高科技的产品如果其价位永远是高高在上少有人问津,其引发出的“痛苦”恐怕主要还在高科技产品的设计者和制造者。市场的规律昭示了类似于PCB计算机直接制版技术的高科技产品一定会从高价位向其自身的价值回归。
(4) 喷绘系统工作状况
A、 在丝网印刷业界,已有瑞士Luschev等多个国家和多家公司的为丝网网版制版的计算机直接制版系统投入实际使用,从喷绘系统的精密压电喷头中所喷出的有的是热腊,有的是特制的涂料(油墨)。就PCB制造技术而言,我们只是要求喷绘出的涂料能有效地覆盖上要求遮蔽的感光抗蚀材料上即可,故,从生产成本计,我们并不希望PCB计算机直接制版系统选择昂贵的喷绘涂料。
B、 因为涂料直接覆盖在感光抗蚀材料上,所以,其曝光时无须使用抽真空夹具,只要选择适宜的曝光光源即可,PCB工作者也不用担心这种曝光过程可能会产生侧射、衍射等弊端。
四、 结束语
PCB无照相底版制版技术仅仅是当前印制电路制造技术创新的一个组成部分。目前,这项创新又发生了新的变化即在PCB的CAD/CAM部分将喷绘系统也淘汰掉,计算机将直接驱动一种特殊的集束光(激光)直接对已预涂覆了特种感光抗蚀材料的覆铜箔板进行扫描(以下简称CAD/激光扫描)。回想几十年前我们的刚刚迈入PCB制造业时,手工设计→绘(贴)图(黑白原稿)→照相……落后的工艺周而复始在我们的脑海里刻下了深深的印记;如今的PCB业界不仅彻底淘汰了传统的照相制版工艺而且又从计算机/激光光绘技术迈进到CAD/喷绘技术进而又向CAD/激光扫描制造技术进军,PCB业界的变化(特别是近几年)是多么巨大!这一切都应归功于PCB人的强烈的创新意识与创新欲望!即将到来的二十一世纪是知识经济时代,而创新是知识经济的灵魂!在知识经济时代,PCB业界更需要创新,那是因为在知识经济时代由于知识的对抗更加剧了市场的竞争,各行各业的技术进步、技术创新的速度会更加加快,在这样的竞争态势下,PCB业界如果不能顺应历史的潮流,放松了自身的创新意识和创新速度,PCB制造技术就不可能与飞速发展的时代同步,那就极有可能被飞驶的时代列车抛出车外。不断追求极积进取的PCB人在前进的征途中心中要时时刻刻牢记——不断创新!
参考文献
[1] 沈锡宽、唐济才《印制电路技术》,科学出版社,1987年,北京。
[2] 李乙翘等《印制电路工艺技术》,中国电子学会印制电路专业委员会等,1998年3月,北京。
[3] 宋倩编译《计算机直接制版技术的最新进展》,《丝网印刷》1998年2期,北京。
[4] 熊祥玉《丝网印刷与印制电路板制造技术》,《丝网印刷》1999年4期,北京。

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