リソグラフィの問題がPCB製造の妨げになることを防止する方法

プロジェクターという技術には、本当にイライラさせられることがあります。たとえば、「昔ながらのプロジェクターを使って映画鑑賞会を開こうとバターたっぷりの美味しいポップコーンまで用意したのに、いざ投写してみると映像が歪んでいない個所が1つもない」、「同僚や上司に対して影響力のあるプレゼンテーションをしようとしたところ、映し出された画面では画像とグラフがすべて押し潰されていた」、「授業をしようとしたら、白黒の画像しか投写されなかった」といった具合です。投写された画像が話にならないものならば、すべてをスライドに収まるように何時間もかけたのは無駄だとしか思えません。プロジェクターとディスプレイの位置合わせがうまくできれば、こうした大きなストレスを伴う問題の多くが解消されるでしょう。

PCBの製造でも、プロジェクターと同じような光学的位置合わせが行われます。これはリソグラフィの一部であり、PCBの製造が進む中でパターン層が規定されます。プレゼンテーションのスライドが歪んでしまう事態は避けなければなりません。同様に、PCBの設計ではコンポーネントの配置のずれを阻止しなければなりません。リソグラフィに関して適切に計画を立て、影響を及ぼしたり、問題を引き起こしたりする可能性のある要因について把握する方法を見ていきましょう。

リソグラフィはPCBの製造にどう影響を及ぼすのか

PCBの製造で使用されるエッチングや電気めっきのプロセスには、それほど種類がありません。基板が保護用のパターン層でコーティングされていないと、全体が区別なしにエッチング、めっき、またはコーティングされてしまいます。保護用のパターン層に使用されるのは、多くの場合に金属のステンシル、ポリアミドのシート、またはレジストですが、最も適切な素材が製造プロセスで決定されます。たとえば、金属のステンシルは数枚の基板を製造しただけで損傷して使用できなくなるため、エッチングでは使用しないほうがよいでしょう。

レジストは特定の光（通常は紫外線）の波長に反応します（業界では「感光性」と呼ばれます）。フォトリソグラフィでは特定の領域が感光され、そこで使用しているレジストが硬化します。処理の次の段階に備え、残りの部分は不純物を除外するために洗い流されます。プロジェクターの画面のように困った影響が出ないよう、どの領域がパターン化されるかを制御するためのマスク（光用のステンシルなど）は光源やPCBと位置合わせをする必要があります。これを怠ると、リソグラフィの問題が現れることになります。

角周辺の弱い光源は製造中に問題を引き起こす

リソグラフィにまつわる問題の原因

プロジェクターでは正しく位置合わせできないことがありますが、それは制御できないことが存在するからです。リソグラフィにまつわる問題の潜在的な原因を把握すれば、それをもとに計画を立てることができます。ここでは、下記を念頭に置いてください。

影: 製造業者が清潔な環境を維持していれば、この問題が発生することはないでしょう。ただし、プロジェクターの前に置かれた椅子が邪魔をして画像の一部が投写されなくなるように、マスクに付着した粒子によって影が作られると、その部分のレジストが光によって硬化されません。想定どおりに硬化しなかった箇所は、次の処理段階でエッチングされることになります。

光量と感光: レジストが感光される光の量は、積分のように計算されます。これは、総感光時間に対する光の輝度ですが、タイミングがずれたり、光が弱すぎたりすると、レジストが完全に硬化できるだけの十分な光の量が得られなくなります。また、光源が均一でないこともあります。この場合はレジスト全体で硬化が一様でなくなり、結果にばらつきが出てしまいます。エッチングやめっきの工程が迅速に行われ、製造業者が硬いレジストを確保していれば問題はないかもしれませんが、そうでない場合は次の段階でレジストがはがれ落ち、基板の状態が完全ではなくなってしまう恐れがあります。

アスペクト比: 一般的な問題は、光、マスク、またはPCBのわずかな角変形です。これはプロジェクターが不適切な角度で置かれているために、スライドの上部と下部の幅が異なってしまうのに似ています。PCBでは、レジストのマスクに正しくないアスペクト比（開口部の幅に対するステンシルの厚さ）が適用されたためにこの問題が発生します。基板でこれが起きると、完成した基板の半田接合の品質が低下する可能性が高くなり、これが多くの場合に開回路となります。基板が適切に硬化しないと、内層と外層で収縮、膨張、反りが異なる割合で発生する場合もあり、アスペクト比の問題を引き起こします。これはフォトリソグラフィにのみあてはまるものではなく、後で基板に反りが発生することもあります。多くの場合、こうした収縮や膨張はPCBの全体的なサイズに影響を受けたCTEの不一致が原因ですが、基板が大きいと問題が発生する傾向が高くなります。

整列: 整列ミス（位置合わせミス）は、パターンが本来の場所からミリメーター単位、またはそれ未満でずれた場合に横方向または縦方向で発生します。要素のサイズが縮小すると、半田パッドやビアがずれてしまいやすくなるため、整列ミスのわずかなずれが大きな影響を及ぼします。許容差が小さい場合は、製造業者が基板の仕様に一致するだけの微細加工能力があるのか、位置合わせを行えるのかを確認するようにしてください。

許容差: 許容差は非常に重要ですので、もう少し注意事項をお伝えしておいたほうがよいでしょう。機能サイズの許容差はプロセスによって異なります。一部のエッチング液は、保護する必要のあるリジョンに対してオーバーエッチングになる傾向があるため、それを踏まえてマスクのレイヤーを設計する必要があります。ステンシルによる塗料やシルクスクリーンのレイヤーの刷り出しのほうが、許容差ははるかに大きくなります。

エッチングは、PCBの自社製造でもマスクが必要となる一般的なプロセス

プレゼンテーションを失敗に導く原因がたくさんあるように、PCBの製造に影響を及ぼし得る要因はほかにもあります。たとえば、機能のサイズや位置も許容差に影響しますが、互いに近接する小さなパッドではミスをカバーできるだけのバッファがありません。一部のエッチングには方向性があり、X方向またはY方向でより大きな許容差や厚いレジストのレイヤーが必要になります。ここで重要なのは、製造業者と密接に連携し、PCBの製造プロセスの制約と要件について理解しておくことです。製造能力を踏まえて設計を計画しておけば、後で大きく失望することはないでしょう。

通常、リソグラフィで使用されるマスクは、PCB設計の ガーバーファイルから生成されます。ここでは、基板の各レイヤーに対して十分なファイルを確保し、製造業者のシステムと容易に統合できるソフトウェアを使用することが望ましいでしょう。互いに絡み合う問題に変革がもたらされます！これまでにさまざまな製品に使用されてきたアルティウムのCircuitStudioは、ソフトウェア設計の要求を満たす確立されたPCB設計ソフトウェアです。アルティウムの専門家にお問い合わせのうえ、ぜひご利用を開始してください。