Широке застосування растрових фотоплоттерів в поліграфії привело до появи безлічі конструкцій, покликаних вирішувати ті чи інші завдання. Мета даної статті - проаналізувати різні конструкції фотоплоттерів з точки зору виробництва друкованих плат за високими проектним нормам.
Операція виготовлення фотошаблонів є ключовою в процесі виробництва друкованих плат, оскільки всі погрішності фотошаблонів переносяться на топологію плати. Виготовлення фотооригіналів для подальшого тиражування робочих фотошаблонів залишилося в минулому. І сьогодні завдяки високій продуктивності обладнання існує можливість виготовляти робочі фотошаблони. В даний момент на ринку присутня безліч фотоплоттерів, які позиціонують для виробництва друкованих плат, що мають різні конструктивні рішення.
Що пропонується?
У сучасному виробництві друкованих плат вже давно не використовуються векторні фотоплотери (як і фотонабірні машини) з урахуванням їх низької продуктивності і високої вартості. Тому для сучасного виробництва залишається актуальним тільки растровий метод засвічення. У цьому методі малюнок формується елементарним плямою сфокусованого джерела світла. Розмір плями є однією з найважливіших характеристик растрових фотоплоттерів, яка називається дозволом фотоплоттера. Для формування топології фотошаблона необхідно виконати горизонтальну і вертикальну розгортку променя. Точність механізмів, що забезпечують ці розгортки, в значній мірі позначається на якості кінцевого результату.
Розглянемо існуючі компонування фотоплоттерів, використовуваних у виробництві друкованих плат.
Планшетні фотоплотери
У разі планшетній компонування, побудованої на основі принципу роботи векторних фотоплоттерів, засвітка поля фотошаблона здійснюється
за рахунок послідовного переміщення головки з лазером або матриці розщепленого променя лазера. Зазвичай сканування робочого поля здійснюється так, як показано на рис. 1. Сканирующие руху не є рівномірними. Прискорення і гальмування руху головки в кінцевих точках, а також зміна напрямку руху призводить до додаткових похибок позиціювання. Крім того, похибки позиціонування можуть бути викликані вибіркою зазорів в передачі переміщення, оскільки, як правило, використовується кулько-гвинтові передача. Для забезпечення точності позиціювання, і, як наслідок, точності фотошаблонів в цьому типі плотерів дуже важливу роль грає система приводу каретки або робочого столу, а також вимірювальна система, що надає можливість коригування їх положення. Все це робить планшетні фотоплотери дорогим обладнанням, до того ж не відрізняється високою продуктивністю. До речі, в деяких планшетних фотоплоттера засвічення проводиться через скло, що несприятливо впливає на її якість. Однак даний вид фотоплоттерів дозволяє домогтися гарних результатів при обробці фотошаблонів на жорстких носіях, наприклад на склі.
Мал. 1. Схема планшетного фотоплоттера: 1 - траєкторія руху каретки; 2 і 3 - люфт при зміні напрямку руху
протяжні фотоплотери
Принцип роботи цього фотоплоттера можна порівняти з принципом роботи офісного принтера (рис. 2). Фотоплівка рівномірно рухається по роликах конвеєра фотоплоттера, і за допомогою обертових призм з дзеркалами проводиться послідовне відхилення засвечивающего променя, що забезпечує вертикальну розгортку. Так як джерело світла є єдиним і нерухомим, а промінь світла, вироблений джерелом, змінює свій напрямок, на фотоплівці виникає ефект паралакса. Даний недолік може бути програмно компенсований при одночасному забезпеченні рівномірності топології малюнка. У протяжних фотоплоттера є додаткові похибки форми: трапеціевід-ність форми, а також зрушення одного рядка щодо іншої. Такі похибки викликані прослизанням роликів по плівці і нерівномірністю руху плівки по конвеєру. Крім того, при переміщенні фотоплівка відчуває деформації (розтягування / стиснення), що теж впливає на точність фотошаблонів. Все це обмежує застосування даного типу фотоплоттерів для виробництва фотошаблонів, проте можливе виготовлення фотошаблонів для нескладних друкованих плат.
Мал. 2. Протяжний фотоплоттера: 1 - ролики, протягують носій інформації; 2 - носій зображення - фотошаблон; 3 - скануючий модульований промінь лазера
барабанний фотоплоттера
Дана компоновка фотоплоттерів є найбільш простий в реалізації: фотоплівка закріплюється на барабані за допомогою вакууму, що подається в пази барабана. Потім барабан розкручується до певної частоти, яка дуже точно підтримується за допомогою системи управління зі зворотним зв'язком. Після цього каретка з одним або декількома джерелами світла починає переміщатися по осі υ. Відповідно до програми проводиться засвітка точок растра на фотошаблонах. За один оборот барабана засвічується одна або кілька рядків (в залежності від кількості джерел світла на каретці). Діаметр і довжина барабана визначає формат фотошаблона, а частота обертання - продуктивність. Слід зазначити, що засвітка проводиться за один прохід каретки, а її низька швидкість переміщення дозволяє використовувати стандартну передачу «гвинт-гайка» з трапецієподібної різьбленням. Як видно на рис. 3, на початку руху (до початку робочого ходу) виробляється вибірка зазорів в передачі, і в подальшому ці зазори не впливають на точність позиціонування. Все це спрощує конструкцію фотоплоттера, роблячи його недорогим і точним рішенням для виготовлення фотошаблонів. Як правило, в зазначеному типі фотоплоттерів як джерела випромінювання використовуються лазери, так як вони дозволяють легко сфокусувати промінь і можуть змінювати напрямок з високою швидкістю.
Мал. 3. Барабанний фотоплоттера: 1 - обертовий барабан; 2 - фотоплівка, закріплена на барабані; 3 - привід головки випромінювача; 4 і 5 - зчеплення гайки з гвинтом, при русі в одну сторону люфт обраний
«Внутрішній» барабан
Технологія «внутрішнього» барабана широко використовується в друкарських фотоплоттера, в силу більшої простоти автоматизації процесу, що передбачає завантаження фотоплівки з рулону. Суть цього компонування полягає в заміні барабана на обертову оптичну призму з дзеркалом всередині барабана. Розгортка по осі X здійснюється за рахунок обертання призми з дзеркалом. Переміщення всього механізму (системи приводу призми) забезпечує розгортку по осі υ. Заміна масивного барабана на легку оптичну призму дозволяє досягати більшої частоти обертання і, отже, продуктивності [3]. Але менша інерційність системи всупереч очікуванням не дає підвищення точності підтримки частоти обертання. Однак таку конструкцію складно назвати простою: високоточна призма обертається на герметичному повітряному підшипнику (тобто додатково необхідно забезпечити фокусування променя на внутрішній поверхні барабана), для підтримки синхронності потрібна передача руху, здатна створювати великі швидкості переміщення. Це змушує виробників застосовувати шари-ко-кручені пару або навіть дорогі лінійні приводи зі стежить системою. Наявність складної оптики і розміщення рухомих елементів усередині барабана може зажадати додаткових витрат на обслуговування і налаштування.
Мал. 4. «Внутрішній» барабан. 1 - випромінювач; 2 - оптична призма з дзеркалом; 3 - модульований промінь, засвічує фотоплівку (5); 4 - привід обертання призми; 5 - фотоплівка
Дозвіл
Дозвіл фотоплоттера є найбільш важливою характеристикою, що визначає якість фотошаблона. Як правило, дозвіл обумовлюється типом лазера і можливостями оптичної системи. Для визначення дозволу використовується величина, яка дорівнює відношенню кількості точок на 1 дюйм (позначається dpi), що прийшла з поліграфії. У таблиці наведено переклад найбільш поширених величин дозволів в розмір точки [1].
Зазвичай ширина мінімально відтворюється лінії містить чотири елементарних точки.
Для зниження ефекту «хвилястого краю» тонких провідників засвітка фотоплівки проводиться з кроком, меншим, ніж розмір точки (рис. 5). Однак це призводить до зниження продуктивності, а тому повинен бути точно система позиціонування каретки (з точністю позиціонування, меншою розміру точки).
Таблиця. Розмір точки в залежності від дозволу
Мал. 5. Зниження ефекту «хвилястого краю»
Мал. 6. Гіпотетичний випадок відтворення провідника фотоплоттера з високою роздільною здатністю і низькою точністю позиціонування
Слід зазначити, що різні компонування фотоплоттерів диктують свої вимоги до системи засвічення фотоплівки. Наприклад, в планшетних фотоплоттера для отримання нормальної продуктивності використовується матриця розщепленого променя лазера, якість і характеристики якої визначають дозвіл системи. Такі матриці є складними і дорогими оптичними системами. У барабанних фотоплоттера засвічення може виконуватися декількома променями лазера одночасно (для підвищення продуктивності), тоді як в фотоплоттера з внутрішнім барабаном промінь може бути тільки один.
Багато хто забуває, що для отримання кінцевого результату - якісного фотошаблона високого дозволу - фотоплоттера буває недостатньо. На якість фотошаблонів сильно впливає точність системи позиціонування каретки (або столу, в залежності від схеми переміщення плівки). Щоб не вийшло таких провідників, як показано на рис. 6, точність позиціонування повинна бути порівнянна з дозволом фотоплоттера. Наприклад, неможливо виготовити провідники шириною 10 мкм (здатність 16 000 dpi) з точністю позиціонування ± 10 мкм.
В першу чергу точність позиціонування визначається якістю виготовлення ходових деталей фотоплоттерів (наприклад, гвинти в передачі «гвинт-гайка» або ша-ріко-гвинтовий парі). Але і компоновка фотоплоттера накладає свій відбиток - так, в планшетних фотоплоттера потрібна велика швидкість переміщення, яка змушує виробників використовувати ШВП або дорогі лінійні приводи. А скануючий характер руху призводить до додаткового впливу зазорів в передачі руху на точність позиціонування. На рис. 1 приведена перебільшена схема вибірки зазорів в разі руху в різні боки. Ситуація ускладнюється тим, що рух є нерівномірним, і, отже, необхідна більш складна система управління, а це несприятливо позначається на вартості обладнання.
Протяжні фотоплотери в силу конструктивних особливостей вносять додаткові похибки форми, такі як тра-пеціевідность або зрушення. Це відбувається через прослизання роликів по фотоплівці. Використання спеціальних матеріалів роликів дозволяє знизити подібний ефект, але сумарна точність залишається недостатньою для виробництва фотошаблонів прецизійних друкованих плат.
У барабанних фото плоттерах на точність позиціонування впливає тільки точність виготовлення елементів передачі і можливість регулювання елементів приводу. Це пов'язано з тим, що рух відбувається рівномірно і має один напрямок. Такий характер руху дозволяє значно спростити систему управління і конструкцію фотоплоттера.
Оскільки похибки виготовлення деталей вносять в кінцевий результат систематичні похибки, їх можна мінімізувати за допомогою загальновідомих математичних алгоритмів і програмного забезпечення. Наприклад, в барабанних фотоплоттера фірми Slec для цієї мети використовуються математична модель «гумовий лист» [4], для внесення предискаженій в програми виготовлення фотошаблонів. При цьому користувач може легко змінити параметри моделі (зміщення в вузлових точках) на основі вимірів тестового фотошаблона, що дозволяє забезпечувати високу точність засвічення і компенсувати природний знос рухомих частин протягом усього періоду експлуатації. Застосування обертового барабана дозволило розмістити на каретці кілька розщеплених променів лазера з довжиною хвилі 632,8 нм (наприклад, 8 променів для моделі 5088А, рис. 7), а низька швидкість переміщення каретки - використовувати передачу «гвинт-гайка», просту в обслуговуванні і надійну в роботі. При цьому продуктивність залишилася на необхідному рівні, скажімо, фотоплоттера 5088А дозволяє засвітити фотошаблон з високою роздільною здатністю (8000 dpi) всього за 20 хвилин. Всі ці достоїнства зробили фотоплотери фірми Slec домінуючими на азіатському ринку обладнання і дуже популярними вУкаіни.
Що нас оточує
Зміна параметрів навколишнього середовища (вологості і температури) в значній мірі впливає на розмірну стабільність фотошаблонів. Для забезпечення суміщення елементів топології багатошарових друкованих плат необхідно проводити операції засвічення, хімічної обробки фотошаблонів (прояв, фіксаж) і експонування заготовок друкованих плат в однакових умовах, тобто при однакових значеннях температури і вологості. Саме тому не рекомендується розміщувати фотоплоттера і проявочний процесор в одному приміщенні. Слід враховувати, що вологість в упаковці фотоплівки і в приміщенні може бути різною, тому перед експонуванням фотоплівка повинна вилежатися в приміщенні протягом 30 хвилин для однієї плівки або 6 годин, якщо фотоплівки укладені стопкою. Особливу увагу слід приділяти зберіганню готових фотошаблонів, для цього зазвичай використовуються термо- і влагостабі-лу шафи. Багато хто вважає, що хімічна обробка фотоплівки веде до змін форми, в той час як технологія прямого випалювання емульсійного шару лазером позбавлена цього. Однак енергія, яка використовується при випалюванні, у багато разів більше, ніж при засветке, що веде до нагрівання і локальним спотворень фотоплівки, а усадка фотошаблона після хімічної обробки рівномірна по всьому полю і при необхідності може бути скомпенсирована (з використанням математичних моделей, згаданих раніше) .
Мал. 7. фотоплоттера Slec 5088A
Не слід забувати, що наявність частинок в повітрі призводить до додаткових дефектів на фотошаблонах. Зазвичай серебросодер-жащие фотоплівки електростатично не притягають частки (на відміну від плівок, використовуваних при випалюванні), і для видалення пилу з них можуть бути застосовані спеціальні адгезивні ролики або конвеєрні установки. Проблему запиленості в приміщенні неможливо вирішити за допомогою локальної фільтрації, так як при пропущенні через фільтри створюється додаткова циркуляція повітря, що піднімає важчі частинки з поверхонь. Для видалення мікрочастинок в чистих кімнатах очищене повітря подається потоком зверху вниз, а всі фільтри винесені за межі приміщення.
висновок
На закінчення хочеться відзначити, що планшетні, барабанні (в тому числі з внутрішнім барабаном) фотоплотери дозволяють виконувати фотошаблони за високими проектним нормам. Однак спосіб приводу джерела світла визначає складність конструкції і системи управління, призначеної для досягнення необхідних параметрів точності. Тому при рівних технічних можливостях фотоплотери з різними компонуваннями можуть значно відрізнятися за вартістю. У статті показано, що на барабанних фотоплоттера виготовляються фотошаблони з високою точністю і високою роздільною здатністю. А використання недорогих і більш надійних компонентів знижує витрати на обслуговування і налаштування. Отже, вартість володіння [5] цим типом фотоплоттерів (капітальна вартість і вартість обслуговування) значно менше, ніж у інших конструкцій. А це означає, що з їх допомогою можна випускати високоточні друковані плати з меншою собівартістю.
література
Завантажити статтю в форматі pdf