I problemi nella litografia non devono fare ombra sui vostri circuiti stampati

Projector turned on in a room with people

I proiettori sono un animale difficile da domare. Magari hai organizzato una serata cinema, ti sei già armato di popcorn e birra gelata, ma stai usando un vecchio proiettore e per quanto cambi la posizione e regoli i piedini l’immagine risulta sempre distorta; oppure devi tenere una presentazione importante di fronte ai tuoi capi, ma ti accorgi che il proiettore schiaccia diagrammi e grafici rendendoli illeggibili; ancora, immagina di voler tenere una lezione e non riuscire a cominciare perché il proiettore trasmette solo in bianco e nero. Tutte quelle ore spese per ottimizzare la presentazione e far stare le informazioni in una slide, e poi il risultato è imbarazzante. Riuscire a controllare l’allineamento tra proiettore e schermo potrebbe risolvere molte situazioni critiche.

Nella produzione di PCB (Printed Circuit Boards, schede per circuito stampato) si presentano problemi di allineamento ottico molto simili. Parliamo del processo litografico con cui si depositano gli strati, disegnati secondo lo schema circuitale, che comporranno il PCB.
Non vorreste sudare freddo durante una presentazione di slide distorte o illeggibili, a maggior ragione dovete evitare disallineamenti dei componenti nello schema di un circuito stampato. Impariamo dunque a pianificare correttamente il processo litografico e a comprendere e controllare i fattori che potrebbero influenzarlo causando difetti.

Come incide la litografia nella produzione di PCB?

I processi di galvanoplastica e di etching (incisione con agenti chimici) utilizzati nella produzione di circuiti stampati non sono particolarmente direzionali. Senza un rivestimento protettivo sulla base che riproduca lo schema voluto, l’intera superficie verrebbe incisa, placcata, oppure ricoperta indistintamente. Il disegno protettivo può essere uno stencil metallico, un foglio di poliammide oppure un resist. Il tipo di materiale che viene utilizzato è determinato caso per caso dal processo produttivo: non si ricorre ad uno stencil metallico per un’incisione chimica, per esempio, perché lo stencil ne sarebbe danneggiato e diventerebbe inservibile dopo pochi utilizzi.

I resist sono sensibili alla luce (o come si dice in gergo, fotosensibili) a lunghezze d’onda specifiche, di solito situate nell’ultravioletto. Si adopera un processo fotolitografico per esporre alla luce aree definite, in modo che il resist in queste aree subisca un indurimento. Il resto viene lavato via, lasciando così le superfici sottostanti libere per la fase successiva del processo. La maschera (che di fatto è uno stencil per la luce), usata per delimitare le zone che verranno a comporre lo schema del circuito, deve essere allineata con la sorgente di luce e con il PCB per non causare effetti indesiderati come quelli che avvengono tra schermo e proiettore. In questo caso riscontreremmo dei difetti nella litografia.

Illuminated computer chip.

Una sorgente di luce non uniforme, debole negli angoli, determinerà problemi in produzione. 

Cause comuni di difetti litografici

Nel caso del proiettore potrebbe essere impossibile ottenere un buon allineamento—ci sono aspetti che esulano dal controllo dell’utente. È invece possibile tenere conto di tutte le cause potenziali di difetti nella litografia, per prevenire sorprese. Eccone alcune:

Ombre: Se il vostro fornitore mantiene l’ambiente privo di contaminazioni, come si spera, non dovrete mai preoccuparvi di questa problematica. Tuttavia a volte riscontrerete che alcune particelle depositatesi sulla maschera proiettano un’ombra laddove la luce avrebbe dovuto indurire il resist, un po’ come quando una seggiola posta davanti al proiettore taglia una fettina in basso nell’immagine. Di conseguenza alcune aree non si fisseranno come previsto e verranno invece incise nel corso delle fasi successive.

Problemi di dosaggio ed esposizione: Il “dosaggio” della luce a cui è esposto il resist viene calcolato come un integrale—definito dall’intensità luminosa moltiplicata per il tempo di esposizione totale. In caso di errori nella misura del tempo, o se la luce risulta troppo debole, il resist potrebbe non ricevere una dose sufficiente per un indurimento completo. A volte la sorgente luminosa non è uniforme, causando un consolidamento irregolare della superficie del resist. Gli effetti in questo caso sono imprevedibili. Potrebbe anche non presentare problemi se la fase di placcatura o di etching è molto rapida e se il fornitore usa un resist molto tenace. Al contrario il resist potrebbe iniziare a sfaldarsi durante la fase successiva, esponendo una parte della base dove non avrebbe dovuto.

Rapporto prospettico: Problema rappresentato da un leggero disallineamento angolare della luce, della maschera o del PCB. Corrisponde al caso del proiettore posizionato ad un angolo errato, con la conseguenza che le vostre slide hanno i lati superiore ed inferiore di lunghezze differenti. Nel caso del PCB avremo una maschera per il resist che verrà applicata con un rapporto prospettico sbagliato (la larghezza dell’apertura rispetto allo spessore dello stencil). A lavoro ultimato si avranno maggiori rischi di saldature difettose, causa frequente di circuiti aperti. Se la base non è stata indurita in maniera corretta si potrebbero anche presentare contrazioni, dilatazioni e deformazioni a gradi diversi tra strati interni ed esterni, cosa che può a sua volta determinare problemi nelle proporzioni. Ciò non avviene solo in fotolitografia e potrebbe causare deformazioni della base in un tempo successivo. Questo genere di dilatazioni è spesso dovuto a differenze nei coefficienti di dilatazione termica, che a loro volta diventano determinanti nel caso di basi PCB di larghe dimensioni.

Allineamento: I disallineamenti possono semplicemente essere dovuti a traslazioni orizzontali o verticali, causando la deposizione degli schemi ad una distanza anche di millimetri dal punto previsto. Quanto più diminuiscono le dimensioni dei componenti, tanto più gravi sono le conseguenze di disallineamenti anche minimi: basta poco per mancare completamente un punto di saldatura od una via. Al diminuire delle tolleranze dovete accertarvi che il vostro fornitore possa produrre ed allineare dettagli abbastanza minuti da rientrare nelle specifiche del vostro progetto.

Tolleranza: Le tolleranze sono un aspetto talmente cruciale da meritare una nota a parte. La tolleranza sulle dimensioni dei dettagli dipende dal processo che utilizzate. Alcuni mordenzanti per incisione tendono ad incidere aggressivamente oltre i bordi della regione che volete proteggere, per questo è necessario progettare una maschera sovradimensionata, che ne tenga conto. Gli stencil per pittura o per serigrafia ti perdonano molto di più.

PCB etching in ferric chloride

L’etching è un processo che richiede una maschera, anche per produzioni di PCB hobbistiche.

Proprio come in una presentazione di slide l’imprevisto è sempre dietro l’angolo, così altri fattori entreranno in gioco nel vostro processo produttivo di PCB. La dimensione e posizione dei dettagli a loro volta influenzeranno la tolleranza; minuscoli punti di saldatura molto ravvicinati tra loro non lasciano molto margine di errore. Alcune incisioni sono direzionali e richiederanno uno strato di resist più spesso od una maggiore tolleranza nella direzione x od y. Il segreto in questo caso risiede nel coordinarsi accuratamente con il fornitore ed assicurarsi di aver chiarito i  limiti e le specifiche dei processi che verranno impiegati per produrre i vostri PCB. Progettare fin dall’inizio gli schemi in funzione dei limiti del processo produttivo è la strategia vincente per evitare un sacco di problemi futuri.

Le maschere utilizzate in litografia di solito vengono generate a partire dai file gerber del progetto del PCB. Occorre un software che vi permetta di gestire un numero sufficiente di file per ciascun layer della vostra base e che si integri in maniera trasparente con i sistemi del vostro fornitore. Gli artefatti di conversione sono una fonte ulteriore di caos da evitare! CircuitStudio® di Altium è un software di PCB design riconosciuto ed apprezzato, che è stato utilizzato per una grande varietà di produzioni e può rispondere ad ogni vostra esigenza di software design. Cominciate a provarlo subito, rivolgendovi ad un esperto Altium.


 

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