Montážní technologie - Povrchová montáž. (Surface Mount Technology) (8)

Transkript

1 Montážní technologie - Povrchová montáž (Surface Mount Technology) (8) Doc. Ing. Ivan Szendiuch, CSc., Fellow IMAPS Vysoké Učení Technické v Brně, FEKT, ÚMEL szend@feec.vutbr.cz

2 1. Úvod Obsah 2. Součástková základna 3. Nanášení pájecí pasty 4. Osazování součástek 5. Pájení součástek 6. Ochranná atmosféra při pájení 7. Aplikace lepidel 8. Čištění 9. Testování

3 Úvod Technologie povrchové montáže vznikla v 80-tých létech XX. století a v současnosti představuje jeden z dominantních směrů v montáži elektronických obvodů a výrazně ovlivňuje výrobu elektronických systémů. Charakteristickou operací je zde pájení přetavením, kde se součástky se speciálními vývody osadí do pájecí pasty nanesené sítotiskem, šablonovým tiskem nebo dávkovačem (dispenzerem) a potom se v jediném kroku přetaví a tím se vytvoří vodivé spoje. Povrchová montáž se neustále vyvíjí, přičemž snahou je jak neustálá miniaturizace součástek i obvodů, tak také optimalizace technologického procesu.

4 Úvod Technologie povrchové montáže (PM, SMT) má oproti klasickému provedení s montáží součástek do děr (THT) řadu výhod: snížení hmotnosti a rozměrů (pájení přetavením umožňuje snížení vzdáleností mezi pájenými spoji až k 0,15 mm, což umožňuje i snižování rozměrů součástek), zkrácení délky vodičů a tím zvýšení rychlosti signálu (vyšší pracovní kmitočet), všeobecně vyšší spolehlivost (v důsledku redukce počtu pájených spojů a křížení vodičů), snížení nákladů v poměru k integraci (úspory materiálů), minimalizace investic na automatizaci (jednotlivé operace jsou unifikovány).

5 Co obnáší správný postup při realizaci obvodu v povrchové montáži Krok 1: Design for Manufacture (DFM) Krok 2: Process Control (SPC) Krok 3: Substrate Performance Krok 4: Solder Paste Deposition Krok 5: Component Assembly Krok 6: Reflow Process Krok 7: Cleaning Process Krok 8: Test and Rework

6 Úvod Existují dva základní směry aplikace povrchové montáže podle materiálu základní nosné podložky: substrát z anorganických, především keramických materiálů (Al ) substráty z organických materiálů, především na bázi laminátů (PCB FR4)

7 Úvod a) b) Dva příklady povrchové montáže : a) doplněná součástkami s drátovými vývody (tzv. kombinovaná) b) smíšená oboustranná montáž s použitím pájení přetavením i pájení vlnou

8 Obsah 1. Úvod 2. Součástková základna 3. Nanášení pájecí pasty 4. Osazování součástek 5. Pájení součástek 6. Ochranná atmosféra při pájení 7. Aplikace lepidel 8. Čištění 9. Testování

9 Úvod součástková základna (SMD) Součástky, resp. elektronické prvky pro konstrukci elektronických obvodů rozdělujeme podle jejich funkce v elektrickém obvodu do tří základních skupin: aktivní součástky, pasivní součástky, konstrukční součástky. Aktivní - holé čipy - SO - Flip chip - TAB Konstrukční - konektory - vypínače - chladiče - atd. - Beam lead - WLP

10 Pasivní součástky SMD ODPORY Definice rozměrů součástky : Keramické vícevrstvé kondenzátory Definice rozměrů součástky : H W T l L H W T l L TANTALOVÉ KONDENZÁTORY Definice rozměrů součástky : L W T h T w H T l

11 Aktivní součástky SOT, SOIC, QFP, BGA, QFN, CSP CC, MCM.

12 Tři typy vývodů aktivních součástek

13 Aktivní součástky pro SMT SOT 23 H SOIC 8 24 W b T l L L b 1 T h T w rozteč (pitch) H QFP L b 1,6 1,4 SOT 89 4,6 4,4 1,8 1,4 spodní strana (podhled) B T l 2,6 2,4 4,25 3,75 W W b 0,44 0,37 0,48 (2 ) 0,35 0,13 M B M ,53 0,40 1,5 3,0 0,8 min. T h T w 1 rozteč (pitch) L

14 SOT 23

15 SOT vs. SOD 23, 123, 223

16 SOD MicroMELF

17 Různá pouzdra, různé vývody a pájecí plošky (pad) BGA QFN SOT-23 SOT-223 SUPER-S.pdf

18 Obsah 1. Úvod 2. Součástková základna 3. Nanášení pájecí pasty 4. Osazování součástek 5. Pájení součástek 6. Ochranná atmosféra při pájení 7. Aplikace lepidel 8. Čištění 9. Testování

19 Nanášení pájecí pasty Existují tři základní způsoby: Sítotisk Šablonový tisk Dispenzer (dávkovač)

20 Nanášení pájecí pasty - sítotisk Souvislosti mezi roztečí vývodů, typem pasty, počtem ok síta a rozměrem částic pasty Typ vývodu Součástky Rozteč [mm] Typ pasty Průchodnost a neprůchodnost typem síta [počet ok na palec] Typický průměr částic pasty [ m] Standardní 2, / Standardní 1, / Standardní >0, / Fine Pitch 0, /+400 to Fine Pitch 0, / Fine Pitch 0,4 3,4-400/ Ultra Fine Pitch 0, / Ultra Fine Pitch <0, /+635 <25

21 Pájecí pasta po nanesení a po přetavení

22 Nanášení pájecí pasty šablonový tisk Šablonový tisk je svou základní podstatou obdobou sítotisku. Rozdíl je v provedení šablony, jejíž motiv určený k tisku je vytvořen v pevném (tuhém) materiálu, kterým často bývá ocelová nebo bronzová planžeta (např. CuSn6). Šablona se přikládá přímo na substrát, takže hodnota odtrhu o je v době pohybu stěrky rovna nule. Vlastní odtrh šablony od substrátu je pak proveden mechanickým pohybem až po ukončení pohybu stěrky a tedy po nanesení pasty do volného prostoru (motivu) v šabloně. Z toho je zřejmé, že tištěné motivy musí být natolik uzavřené plochy aby nebyla narušena tuhost šablony.

23 Nanášení pájecí pasty Výroba šablon je jedním ze stěžejních kroků šablonového tisku, kde se používají především následující metody výroby: - chemicky leptané, - elektrogalvanicky nanášené, - polymerní, - řezané laserem.

24 Nanášení pájecí pasty -hrotem Nanášení tixotropních materiálů na substráty je možné provádět také s pomocí dávkovačů (dispenzerů), které dodají na substrát potřebné množství viskózního materiálu a tento se při dotyku se substrátem důsledkem adheze na něj uchytí. Tato technika může být využívána pro nanášení pájecí pasty, ale především pro nanášení lepidel v případě lepení součástek na substráty, např. před pájením na vlně. V takových případech se jedná o mikrodávkovače, které jsou obecně charakterizovány množstvím nanášeného materiálu menším než 1 g.

25 Nanášení pájecí pasty dávkovače (dispenzery) tlakový adaptor objemové kapkové tlakový vzduch píst zásobník p ájecí pasta spojovací hadič ka šnek pouzdro trysk a ( a ) ( b ) V případě tlakového nanášení s definovanou dobou je pasta protlačována po určitý definovaný čas dávkovací hlavicí s tryskou, jež připomíná injekční stříkačku. Tlak je vyvolán stlačeným vzduchem ( 0,3 MPa), po dobu odpovídající požadovanému množství nanášené pájecí pasty. Pro běžné aplikace to je mezi 50 až 200 ms. Nanášení pájecí pasty s využitím rotační pumpy - zásobník s pájecí pastou je pod konstantním tlakem 0,5 bar, což zabezpečí naplnění hlavice v níž je vedeno vřeteno. V době, kdy se vřeteno začne otáčet naznačeným směrem, dojde přes trysku k přenosu pasty na kontaktní plochu. Parametry takového zařízení jsou rychlost otáčení vřetena, doba otáčení vřetena, plnící tlak a kapacita hlavice.

26 Obsah 1. Úvod 2. Součástková základna 3. Nanášení pájecí pasty 4. Osazování součástek 5. Pájení součástek 6. Ochranná atmosféra při pájení 7. Aplikace lepidel 8. Čištění 9. Testování

27 Osazování součástek Ačkoliv existují různé osazovací systémy, základní princip je u všech zařízení stejný. Součástka je uchopena, vystředěna do polohy určené k připájení a vsazena na určené kontaktní plošky na substrátu. Pro tento způsob osazování se vžil název pick and place (vezmi a umísti). Úspěšnost této operace závisí na přesnosti provedení, resp. na splnění předem stanovených rozměrových tolerancí, jež se týkají: - substrátu s vodivými kontaktními ploškami, - součástek, - osazovacího zařízení.

28 Osazování součástek Rozdělení součástek a základní princip osazování Součástky pro elektronické obvody můžeme rozdělit podle typu vývodů do tří základních skupin jimiž jsou: - součástky s radiálními vývody (THR Through Hole Radial) - součástky s axiálními vývody (THA Through Hole Axial) - součástky pro povrchovou montáž (SMD - Surface Mounted Devices)

29 Osazování součástek Standardní šířky páskových nosičů (w) jsou 8, 12, 16, 24, 32, 44 a 56 mm. Tomu odpovídají i konstrukce osazovacích zařízení.

30 Osazování součástek

31 Osazování součástek Funkcí modulu obsahujícího zásobníky s požadovanými součástkami je zajistit ve správném okamžiku připravenost odpovídající součástky k odebrání hlavou. Konstrukce zásobníků je odvislá od způsobu balení SMD součástek. Existují následující typy zásobníků : - páskové (kotoučové) zásobníky, - vibrační nebo vířivé zásobníky, - tyčové zásobníky, - ploché zásobníky, - zásobníky pro polovodičové čipy. M E L F kontakty zásobníková komora R/C SMD ř adící trubice pružná trubice

32 Osazování součástek Zaměření a polohování součástek Zaměření a vystředění součástek se provádí potom, kdy dojde k uchopení součástky vakuovou pipetou umístěnou na osazovací hlavě. Vystředění součástky uchopené vakuovou pipetou je prováděno jedním z následujících způsobů : - mechanicky, s pomocí upínacích čelistí, - opticky, s použitím optického zaměřovacího systému. l I II b y dx dy x SMD difuzér pipeta značky optika l y I a II a l x I b f CCD kruhová fluorescenční lampa l II

33 1. Úvod Obsah 2. Součástková základna 3. Nanášení pájecí pasty 4. Osazování součástek 5. Pájení součástek 6. Ochranná atmosféra při pájení 7. Aplikace lepidel 8. Čištění 9. Testování

34 Pájení součástek Pájení je nejrozšířenější a nejspolehlivější metodou spojování součástek používanou v elektronice. Je také známa skutečnost, že spolehlivost pájených spojů má významný vliv na jakost finálního výrobku. U ručně prováděných pájených spojů se dosahuje spolehlivosti přibližně , a teprve po zavedením tzv. strojního pájení, u něhož se s postupem času vžil název pájení vlnou, se spolehlivost o několik řádů zlepšila. Dalším přínosem bylo zavedení pájení přetavením. Přesto i dnes je většina poruch vyskytujících se v elektronických zařízeních způsobena vadnými spoji.

35 Pájení - fázové diagramy Fázový diagram slitiny cín-olovo (Sn-Pb) včetně pohledu na struktury s různým obsahem Sn Fázový diagram bezolovnaté pájky ternární sloučeniny SnAgCu a) celkový pohled b) detailní pohled na oblast používanou pro pájení

36 Pájení součástek teplotní profil teplota [ C] čas [s]

37 Pájení součástek ΔT zařízení: délková a podélná teplotní nestabilita ΔT součástek: rozdíl teplot mezi největší a nejmenší součástkou, mezi komponentami s nejvyšší a nejnižší teplotní kapacitou nebo různými barvami

38 Pájení součástek - smáčivost Pro posuzování pájecích vlastností různých povrchů se provádí hodnocení smáčivosti povrchu roztavenou pájkou. Přitom jsou důležité především následující dva faktory: - stupeň smáčivosti (udává jak daleko se pájka po povrchu rozprostře), - rychlost smáčení (je to rychlost roztavení a rozprostření pájky závisející na účinnosti zdroje tepla, typu tavidla a probíhajících chemických reakcích). 0 < < 20 výborné až dokonalé smáčení 20 < < 40 dobré až velmi dobré smáčení 40 < <55 postačující smáčení 55 < < 90 špatné smáčení 90 < nesmáčivost

39 Pájení součástek Výsledky testu SSBA pájky SnAg3,5Cu0,75 s tavidlem ROL0 a)povrchová úprava Sn b)povrchová úprava NiAu c) povrchová úprava OSP

40 Pájení součástek vlnou Pájení vlnou (Flow Soldering nebo také Wave Soldering) se používá řadu let jako osvědčený způsob pájení desek plošných spojů. Jeho předností je vysoký stupeň automatizace umožňující vytvářet v kontinuálním procesu velký počet spojů v relativně konstantních podmínkách mm teplota součástek C úhel 7 tavidlo tlak 0.7 kg/m 2 vzduchový nůž tlak 0.7 kg/m 2 pájka C

41 Pájení vlnou Pro typ pájky Sn60Pb40 (případně Sn63Pb37) byla požadovaná teplota pájky v pájecí vaně minimálně 240 o C, aby byla zaručena teplota na substrátu 215 až 220 o C. Pro nejpoužívanější bezolovnaté pájky SA a SAC, např. Sn96Ag4 musí být teplota pájky v pájecí vaně výrazně vyšší, a to 245 až 260 o C aby byla zaručena v místech tvorby spojů teplota zaručující dobré smáčení (ta musí být o C). Avšak teploty kolem 260 o C již nebezpečně zvyšují riziko poškození nebo zničení součástek. Proto se doporučuje nepřekročit v pájecí vaně teplotu 255 o C, a tato teplota je také dostatečná při vhodné konfiguraci procesu pro vytvoření spolehlivého spoje.

42 Pájení vlnou

43 Pájení přetavením Základní princip využívaný při pájení přetavením (Reflow Soldering) vychází z tiskových metod využívaných pro nanášení tlustovrstvých materiálů. Pájka ve formě pasty je nanesena na pájecí vodivou plochu předem, potom se na ni osadí součástky, a vzápětí se přetaví teplotou poněkud vyšší, než je bod tání pájky. Důležitým faktorem je teplotní profil představující průběh teploty na čase po dobu pájení. Nejvyšší teplotou je teplota přetavení, ovšem důležitý je také náběh teploty z počáteční pokojové teploty, dále předehřev a také závěrečná fáze po přetavení - chlazení. To vše ovlivňuje tvorbu a vznik pájeného spoje, a především pak i jeho spolehlivost a životnost. Základními parametry jsou: - náběh na teplotu předehřevu, - teplota a doba předehřevu, - maximální teplota přetavení, - doba na teplotou liquidu, - průběh chlazení. Důležité je zajištění rovnoměrné a konstantní teploty v příčném řezu pece. Toto je ovlivněno velikostí a barvou součástek, a to vše dále souvisí se způsobem ohřevu resp. přenosem tepla ze zdroje na pájené spoje. Přenos tepla na pájené spoje při pájení přetavením může být proveden následujícími způsoby : - vedením (kondukcí), - prouděním (konvekcí), - nebo zářením (radiací).

44 Pájení přetavením

45 Pájení přetavením Podle způsobu ohřevu se rozlišují následující metody pájení přetavením : pájení infračerveným zářením (krátce nazývané pájení infraohřevem), pájení horkým vzduchem nebo plynem (konvekční ohřev), pájení v kondenzovaných parách (krátce nazývané pájení kondenzační), pájení laserem, pájení vyhřívaným nástrojem (někdy nazývané pájení impulsní), pájení na horké desce nebo pásu.

46 Pájení přetavením teplotní senzory infra zářiče směr pohybu pásu C A C B C A C B C A C B C A C B

47 Pájecí zařízení konvekční ohřev T v prostoru pece a tudíž i na substrátu musí být minimální

48 Pájení přetavením v parách Pro pájení bezolovnatými pájkami se používají kapaliny s teplotou varu 230 o C. Jsou to např. perfluorpolyether nebo perfluoramin. Podle typu pracovní kapaliny lze nastavit bod varu pracovní kapaliny v rozsahu o C. Bod varu pracovní kapaliny tak definuje velmi přesně mezní hodnotu teploty přetavení. Ta je v tomto případě závislá na jediném parametru, což je hlavní předností pájení v parách. ( a ) transport ( b ) sekundární zóna primární zóna sekundární cívky primární cívky DPS 200 T [ C] C přetavení předehřev pájení chlazení ohřev čas [s]

49 Pájení přetavením Nižší přetlak par v součástkách v procesu pájení, jenž souvisí s nižší pracovní teplotou vyvolává jev nazývaný popcorn effect. Vlhkost uvnitř pouzder způsobuje s rostoucí teplotou uvnitř pouzdra tlak par, jenž může vést k delaminaci vrstev a poškození funkčnosti. Za kritické jsou považovány teploty nad 200 o C, přičemž čím je hodnota teploty vyšší, tím je vyšší i riziko poškození.

50 Pájení přetavením - laser Infračervené záření o vlnové délce 10,6 m z CO 2 bylo zprvu použito pro přetavování pájecích past, avšak tehdy bylo chápáno spíše jako alternativní způsob pro speciální použití. Později bylo ověřeno pájení s pomocí Nd YAG laseru (vlnová délka 1,06 m), jež se ukázalo jako způsob vhodný pro pájení vývodů součástek Fine Pitch. Toto záření je na rozdíl od záření CO2 laseru velmi dobře absorbováno pájkou a zajišťuje dobrý tepelný přenos jak na pájku, tak i na pájecí plochy. Vlastní ohřev probíhá impulsem dlouhým přibližně 300 ms a při výkonu 11,4 W.mm-2 je dosaženo na pájeném spoji teploty 293 oc. Prodleva na chladící části impulzu odpovídá eutektické teplotě pájky. To je plně dostačující i pro bezolovnaté pájky. ( a ) ( b ) T 293 C scanovací mechanismus SMD laserový paprsek t [0.1 s/dílek]

51 Pájení ruční Pro ruční pájení součástek platí následující pravidla: maximální teplota pájky nesmí přesáhnout o více než 80 až 100 OC nejvyšší teplotu pevné fáze, což znamená teplotu 260 až 290 OC, je nutné znát vztah mezi teplotou pájky a teplotou hrotu teplota pájky musí být dosažena v co nejkratším čase (potřebná teplota hrotu je mezi 320 a 350 OC pozor na umístění senzoru), teplota mezi hrotem pájedla a pájeným spojem se musí v průběhu pájení pohybovat v pásmu nad bodem tání pájky (pro bezolovnaté pájky přibližně 225 C), ale pod hranicí 260 C, kdy už jsou pájená součástka a substrát vystaveny nebezpečí poškození a v pájeném spoji dochází k nadměrnému nárůstu difúzní vrstvy. čas vlastního pájení (pájka je v tekutém stavu) se pohybuje mezi 2 až 5 s, celkový čas pájení, tedy doba přiložení hrotu, závisí na výkonu pájedla, tepelném odporu pájecího hrotu a teplotních přechodových odporech, avšak neměl by přesáhnout z hlediska omezení přenosu tepla na součástky čas 6 s.

52 Pájení ruční nastavení napájení 230V/24V R topné těleso regulační smyčka termočlánek pájecí hrot a) b) topné těleso teplotní senzor Cu pouzdro výměnný hrot pájecí hrot směr pájení pájecí vodivá plocha ztuhlá pájka oxidová vrstva tavidlo pájka substrát

53 Pájení ruční maximální teplota pájky nesmí přesáhnout o více než 80 až 100 C nejvyšší teplotu pevné fáze, což znamená teplotu 260 až 290 C, teplota mezi hrotem pájedla a pájeným spojem se musí v průběhu pájení pohybovat v pásmu nad bodem tání pájky (pro bezolovnaté pájky přibližně 225 C), ale pod hranicí 260 C, kdy už jsou pájená součástka a substrát vystaveny nebezpečí poškození a v pájeném spoji dochází k nadměrnému nárůstu difúzní vrstvy. čas pájení (pájka je v tekutém stavu) se pohybuje mezi 2-5 s (celkový čas pájení, tedy čas přiložení hrotu, závisí na výkonu pájedla, tepelném odporu pájecího hrotu a teplotních přechodových odporech, avšak neměl by přesáhnout z hlediska omezení přenosu tepla na součástky čas 6 s). C 320 teplota hrotu! 250 procesní okno 225! doba pájení pokojová teplota (součástka)

54 Pájení selektivní Základní technologický postup procesu selektivního pájení je možné shrnout do následujících kroků: velmi přesné selektivní nanesení tavidla globální ( příp. lokální) předehřev selektivní (lokální) ohřev místa, kde vzniká pájený spoj V procesu selektivního pájení dochází ke krátkému ohřevu spoje a tím i součástky, k čemuž se používají různé způsoby přenosu tepla: hrotem (odporový vf ohřev asi 80W), mikroplamenem (energie se dodává hořením plynu), laserem, indukčním ohřevem (energii dodává elektromagnetické pole), mikrovlnou

55 Pájení selektivní

56 Pájení selektivní

57 1. Úvod Obsah 2. Součástková základna 3. Nanášení pájecí pasty 4. Osazování součástek 5. Pájení součástek 6. Ochranná atmosféra při pájení 7. Aplikace lepidel 8. Čištění 9. Testování

58 Ochranná atmosféra při pájení Použití ochranné atmosféry v procesu pájení přináší hned několik výhod, z nichž ty nejvýznamnější jsou: snížení spotřeby pájky (dosažení omezení propalu pájky), ochrana před povrchovou oxidací pájených povrchů i pájky (zajištění lepší smáčivosti, a s tím omezení používání tavidel), snížení povrchového napětí na povrchu pájky (lepší roztékavost a menší konkávnost pájky).

59 Ochranná atmosféra při pájení Problematiku použití ochranné atmosféry při pájení je třeba rozdělit do dvou kvalitativně odlišných pohledů, jimiž jsou: - pájení vlnou v ochranné atmosféře, - pájení přetavením v ochranné atmosféře. Pájení vlnou v ochranné atmosféře umožňuje použití neagresivních, bezoplachových tavidel a tím vyloučení nutnosti čistění desek po pájení. Pájené spoje i jejich okolí jsou vzhlednější a celý proces je z hlediska ekologie a bezpečnosti příznivější. Nevýhodou jsou však vysoké počáteční náklady, složitější a energeticky náročnější zařízení a také spotřeba dusíku. Experimentálně bylo zjištěno, že dobrých výsledků v plné míře je nutné zajistit jen malým obsahem kyslíku 10 ppm. To klade vysoké nároky na konstrukci zařízení, což se projeví v nákladech (jsou téměř dvojnásobné). Byly vyvinuty i systémy s vyšším obsahem kyslíku (pouze lokální ochrana v prostoru pájecí vlny), které mají 50 ppm O 2 (tzv. Nitrogen Hood) a dokonce 500 ppm O 2 (tzv. Nitrogen Blanket).

60 Ochraná atmosféra při pájení vakuové čerpání plasmové leptání inertní atmosféra vstupní komora předehřev vlna výstupní komora Obr. : Pohled na test pájky metodou SBSA (Sessile Ball Shape Analyze) provedený pájkou SAC na keramickém substrátu a) v normální atmosféře b) v dusíkové atmosféře

61 Ochraná atmosféra při pájení přetavením Úprava zařízení pro pájení přetavením v ochranné atmosféře se nezdá být na první pohled tak náročná jako při pájení vlnou. Dosažení určitého zlepšení je pozorovatelné již od hladiny kyslíku 1000 ppm, což je hlavní odlišností při porovnání s pájením vlnou. Již za této podmínky lze pozorovat dobrou smáčivost, a také potlačení změny barvy desek plošných spojů v blízkosti spojů. Další snižování obsahu dusíku pak již nepřináší výraznější zlepšení. Mezi nevýhody použití ochranné atmosféry patří i zde vyšší pořizovací a provozní náklady ve srovnání s běžnými zařízeními pro pájení přetavením v normální atmosféře, i když ne v tak výrazné míře jako u pájení vlnou.

62 Obsah 1. Úvod 2. Součástková základna 3. Nanášení pájecí pasty 4. Osazování součástek 5. Pájení součástek 6. Ochranná atmosféra při pájení 7. Aplikace lepidel 8. Čištění 9. Testování

63 Lepidla - obecně Nereaktivní (v roztoku rozpustné přísady a polymerní kompozice, někdy nazývané emulzní lepidla /PVC/ ) Reaktivní (jednosložková UV, IR, sušení /akryláty, polyimidy, uretany), dvousložková polymery + akryláty, uretany, epoxidy) Přírodní (organická pryskyřice, škroby /dextrin/, přírodní a živočišné) Syntetická (elastomery, termoplasty, emulze, termosety)

64 Aplikace lepidel v elektronice Lepidla pro elektroniku dělíme na : Elektricky vodivá (vodivé spoje) Tepelně vodivá (odvod tepla ze součástek) Nevodivá (lepení součástek při pájení vlnou)

65 Nevodivá lepidla Lepidla jsou založena na bázi směsí materiálu obsažených v kapalné nebo kvazi-kapalné látce, která vše drží pohromadě (pojivo). Komponenty mohou být přírodní nebo syntetické Vytvrzování lepidel probíhá buď na základě odpařování rozpouštědel, nebo na základě chemických reakcí probíhajících mezi dvěma nebo více komponentami. Lepidla jsou určena pro spojení tenkých či podobných (stejných) materiálů, jejíchž váha je minimalizována, a když jsou potlačeny možné vibrace. Nevýhodou lepeného spoje je to, že se nevytvoří spoj okamžitě jako třeba při pájení, protože lepidla potřebují určitou dobu pro vytvrzení (vteřinové lepidlo aktivátor?) vývod kapka lepidla pájecí plocha SMD substrát C B A

66 Nevodivá lepidla Nevodivá lepidla dělíme z obecného pohledu na elastomerické, termoplastické nebo vytvrditelné teplem. Elastometrická lepidla jsou velmi pružné, formovány v rozpouštědlech ze syntetických nebo přírodních polymerů. Vyznačují se vysokou elastičností ale v povrchové montáži nejsou používané pro lepení součástek. Termoplastická lepidla nevyužívají vlivem působení tepla chemické reakce, pouze mění své fyzikální vlastnosti odpařením rozpouštědel (působením tepla měknou, nejsou vhodné k lepení součástek). Lepidla tvrditelná teplem (termosety), se vytvrzují teplem, jež vyvolává chemickou reakci způsobující prostorovou vazbu makromolekul polymeru. Přitom dochází k nevratnému procesu přechodu z plastického stavu do tuhému stavu. Termosety se dodávají jako jednosložkové i dvousložkové.

67 Tepelně vodivá lepidla Thermal adhesive (Tepelně vodivá lepidla) jsou materiály na bázi dvousložkových epoxidových nebo silikonových pryskyřic. Jejich úkolem je zajistit přenos tepla s co nejnižším tepelným odporem Používají se především pro lepení chladičů a komponent sloužících pro vedení tepla z jedné komponenty na druhou Běžnou aplikací je spojení chladiče se základní deskou a videokartou v PC, kde není možný odvod tepla tvory Typické vlastnosti jsou: samozhášivost, nízká permitivita, teplotní rozsah použití (-55 až 200 o C), doba zpracovatelnosti (5 minut), elektrická pevnost (22kV/mm), tepelná vodivost (0,83 W/m. o K)

68 Elektricky vodivá lepidla Elektricky vodivá lepidla (Electrically Conductive Adhesives) jsou možnou ekologickou náhradou olovnatých pájek, kromě ekologických důvodů však jsou i další problémy spojené s pájením, které mohou elektricky vodivá lepidla vyřešit. Je to zejména vysoká teplota potřebná pro tavení slitiny pájek. Teplota potřebná k vytvrzování lepidel je mnohem nižší a existují i elektricky vodivá lepidla, která se vytvrzují při normální teplotě. Dalším významným důvodem k širšímu používání vodivých lepidel je to, že při jejich aplikaci není potřeba tavidel, která nebývají v řadě případů ekologická a mohou negativně působit na elektrické vlastnosti.

69 Elektricky vodivá lepidla Vodivé lepidlo obvykle obsahuje 60 až 80% kovového plnidla, které tvoří nejčastěji drahé kovy (Ag nebo Au). Proto jsou vodivá lepidla poměrně drahá. Pro snížení ceny je snahou užívat také nikl, případně měď, ale silná oxidace způsobuje výrazné zhoršování vodivosti. Poté co je lepidlo naneseno na substrát, ať už nevodivé nebo vodivé, následuje jeho vytvrzení. Vývod součástky Polymerní pojivo Vodivé částice Kontakt na substrátu

70 Elektricky vodivá lepidla - složení Elektricky vodivá lepidla se skládají ze dvou složek: složky vazební (binder) složky vodivé (filler) Vazební složka je izolant a je tvořena pryskyřicí různého typu. Většinou se užívá epoxidových pryskyřic, ale jsou i elektricky vodivá lepidla na bázi polyimidových, akrylátových, silikonových a dalších pryskyřic. Vodivá složka je tvořena elektricky vodivými částicemi rovnoměrně rozptýlenými ve složce vazební. Obsah těchto částic musí být takový, aby se navzájem dotýkaly. Obvykle tvoří objem vodivých částic 60% až 80% celkového objemu lepidla, avšak může se od této hodnoty výrazně lišit v závislosti na použitém materiálu a tvaru částic.

71 Materiály pro vodivá lepidla Materiálem vodivých částic bývá nejčastěji stříbro, používají se však také kuličky měděné pokryté vrstvou stříbra, kuličky niklové, zlaté, palladiové, grafitové či plastové, které jsou pokryté tenkou kovovou (většinou zlatou) vrstvou zajišťující jejich vodivost. Lepidla plněná stříbrnými, zlatými a palladiovými částicemi mají nejlepší elektrické vlastnosti, ale jsou velmi drahá. Lepidla plněná stříbrem mají také výbornou tepelnou vodivost, a proto se využívají i v aplikacích, kde elektrická vodivost je sekundární a primární je tepelná vodivost lepidla. Použití niklových částic jako plniva je levnější alternativou, která se užívá u aplikací s nižšími nároky na vlastnosti vodivého spoje.

72 Elektrický odpor vodivých lepidel Vodivé částice jsou dvojího tvaru: kuličky o průměru 1-20 m (balls) lupínky (šupinky) různých velikostí (flakes) Závislost elektrického odporu elektricky vodivého lepidla na koncentraci vodivých částic v matrici je uvedena na obr. Rezistivita % Koncentrace částic

73 Izotropní a anizotrpní vodivá lepidla Jednou z významných výhod elektricky vodivých lepidel ve srovnání s pájkami je, že lepidla je možno připravit s izotropní elektrickou vodivostí jako mají pájky (elektrická vodivost je stejná ve všech směrech) nebo s anizotropní elektrickou vodivostí (lepidlo vykazuje v jednom směru vysokou elektrickou vodivost a v ostatních směrech se chová jako izolant). a) izotropní b) anizotropní

74 Nanášení elektricky vodivých lepidel Nanášení elektricky vodivých lepidel (Procesy aplikování vodivých lepidel se liší hlavně podle velikosti plochy, na kterou má být lepidlo naneseno. Způsob nanášení lepidla je také ovlivněn typem použitého lepidla a jeho vlastnostmi) Lepidla se nanášení následujícími základními způsoby: sítotiskem šablonovým tiskem hroty dispenzním nanášením

75 Vytvrzování elektricky vodivých lepidel Vytvrzování lepidel (Curing process) Většina jednosložkových lepidel vyžaduje, poté co je lepidlo aplikováno na potřebná místa a jsou na něj umístěny vývody součástek, tepelné vytvrzení. Teprve pak je zajištěno trvalé elektricky vodivé a mechanicky pevné spojení. Existují dva základní způsoby vytvrzování lepidel: vytvrzování při zvýšené teplotě (tepelné vytvrzování) vytvrzování ultrafialovým zářením (UV-light) Někdy se obě metody kombinují. Tepelné vytvrzování se provádí zpravidla v klasických (elektrických) či infračervených (IR) pecích. Lepidla potřebují k dobrému vytvrzení zpravidla teplotu v rozmezí C po dobu minut, podle typu.

76 Vytvrzovací křivka Znázornění průběhu viskozity v procesu vytvrzování a) epoxidové lepidlo (vytvrzení v teplotě) b) akrylátové lepidlo (vytvrzení UV zářením) Čas (min) 120 Znázornění teplotního profilu pro vytvrzování vodivého lepidla

77 Elektricky vodivá lepidla - vlastnosti Vlastnosti některých typů lepidel Elektricky vodivá lepidla mají, ve srovnání s Sn-Pb pájkami, mnoho vlastností horších. Zatímco elektrický odpor spojů a jejich mechanické vlastnosti jsou srovnatelné, lepené spoje mají vyšší šum a nelinearitu voltampérové charakteristiky, jsou na rozdíl od pájených spojů navlhavé, lepidla jsou výrazně dražší než Sn-Pb pájky a v řadě dalších parametrů jsou lepidla horší. Vazební složka (pryskyřice) Typ Objemový Doba Teplota Plnivo částic odpor vytvrzování vytvrzování cm) (min) ( o C) Epoxy Ag lupínky Epoxy Pocínovaná Cu lupínky Epoxy Ni lupínky Polyimid Ag jiný lupínky Silikon Ag kuličky 168 hod 25

78 Nanášení lepidla pro lepení SMD součástek

79 Obsah 1. Úvod 2. Součástková základna 3. Nanášení pájecí pasty 4. Osazování součástek 5. Pájení součástek 6. Ochranná atmosféra při pájení 7. Aplikace lepidel 8. Čištění 9. Testování

80 Čištění Důvodů pro čištění po pájení je celá řada, ale všechny souvisí se splněním požadavků, jejichž společnými jmenovateli je dosažení požadované jakosti. Mezi důvody pro čistění patří např.: splnění požadavku na hodnotu izolačního odporu (především z hlediska dlouhodobého působení vlhkosti), vyloučení komplikace spojené s působením zbytků tavidla v dalším časovém horizontu, omezení problému souvisejícího s nemožností hrotového měření na substrátu, neomezit adhezní vlastnosti pro ochranné vrstvy, zlepšit kosmetický vzhled osazené desky.

81 Čištění - hlavní směry čištění dle typu použitého tavidla Tavidla s nízkým obsahem pevné fáze Tavidla R a RMA Tavidla RA (kalafunová a bezkalafunová) (kalafuna a mírně akti- (aktivovaná kalafuna) vovaná kalafuna) požaduje specifikace tavidla čištění? ANO NE čistit nečistit na bázi rozpouštědel na bázi vodních roztoků polovodní a emulzní rozpouštědla ultrazvukové - alkoholy - voda (deionizovaná) - voda a hydrokarbonová - ostatní mechanické - trichlóretylén - vodní roztoky rozpouštědla energie - CFC - saponáty - mikroemulzní - glykoletery - saponifikátory - terpeny

82 Čištění Pokud je používáno ve výrobním procesu čištění, je třeba dbát na omezení spotřeby čistících látek. Toho lze dosáhnout některým z následujících způsobů a jejich kombinacemi : změnou resp. modernizací čistícího procesu, využíváním informací a rad od dodavatelů čistících látek, účinným řízením procesu (monitorování, vyhodnocování a řízení), školením obsluhy, úpravou zařízení redukující odpařování (uzavření prostoru, stínění apod.), instalací recyklačního zařízení, zavedením ekologických čistících metod (alkalické zmydelnění pryskyřic nebo rozpouštědlové vodní čištění).

83 Čištění Zbytky nečistot na substrátech po osazování a pájení mohou výrazným způsobem ovlivnit spolehlivost. Proto se ukazuje nutné je sledovat resp. kontrolovat. Ukázalo se, že zbytkové nečistoty na osazených substrátech mohou být dvojího původu, a to: A. Chemické. B. Kovové. ad A. Chemické nečistoty mohou pocházet z tavidel použitých v procesu pájení, z výroby desek plošných spojů a také ze samotných součástek (zvláště z procesu pocínování vývodů). Jsou obyčejně iontového původu, a proto zvláště při vyšší relativní vlhkosti může docházet ke všeobecnému snížení izolačních odporů. To je tím více kritické, čím jsou menší vzdálenosti mezi vodiči. ad B. Kovové nečistoty jsou způsobeny v prvé řadě rozpustností zúčastněných kovů v roztavené pájce, která je pro různé kovy rozdílná. Problémy mohou nastat především u tlustých a tenkých vrstev, neboť drahé kovy (především zlato a stříbro) se velmi rychle v pájce rozpouští (difundují). To vyvolá jak degradaci vrstvy, tak i pájeného spoje.

84 Čištění Obr. : Zkrat způsobený zbytky nečistot na substrátu

85 Čištění Modulclean Délka cyklu min Střední teplota max 50 o C (air 110 o C) Střední obsah 56 l/vigon, 29 l voda váha 420 kg Super SWASH a Compaclean

86 Obsah 1. Úvod 2. Součástková základna 3. Nanášení pájecí pasty 4. Osazování součástek 5. Pájení součástek 6. Ochranná atmosféra při pájení 7. Aplikace lepidel 8. Čištění 9. Testování

87 Testování v PM 1. vstupní kontrola Provádí se dle vnitřních předpisů, kontrolují se předem určené kritické parametry, např. u sériové výroby se nekontrolují všechny kusy, ale náhodným výběrem podle zadaného klíče jen několik kusů. Jestliže z náhodně vybraných komponentů určitý počet nevyhoví předpisům, je celá dodávka vrácena dodavateli. 2. optická kontrola Mezioperační kontrola následuje ihned po osazení. Kontroluje se úplnost osazených součástek. 3. optická kontrola Následuje po pájecím procesu. Kontrola má za úkol zjistit kvalitu pájených spojů, zkraty nebo nezapájené součástky a také přítomnost všech součástek. 4. Funkční kontrola Kontrola a nastavení požadovaných parametrů, případné vrácení kusů na rework. 5. Funkční test Nastavení a kontrola všech požadovaných technických parametrů celku, případné opravy nezachycené 4. kontrolou. Závěrečný funkční test sestavy. 6. výstupní kontrola

88 Testování v PM Testovací metody pro elektronické sestavy : Elektrické FT (Funkční testy) konečného produktu - ET (Elektrické testy) dílčích sestav (např. DPS ) - ICT (In Circuit testy ) vnitroobvodové testy obvodů/součástek na DPS Optické - AXI (Automatická X-ray inspekce ) pro pájené spoje a přítomnost součástek (rentgen) - AOI (Automatická optická inspekce) pro pájené spoje a součástky (kamera) - VI (Visuální inspekce ) subjektivní optická kontrola člověkem (lupa, mikroskop, prohlížecí zařízení)

89 Testování v PM Oblast použití různých kvalitativních testů ve výrobě DPS Funkční test Elektrický test In Circuit test AXI AOI Vizuální inspekce Finální montáž (balení ) Kompletace (přidání nepájených položek) Pájení v pájecí lázni Osazení vývodových součástek Pájení v peci Montáž SMD součástek Tisk pájecí pasty Výrobní pozice:

90 Kontrola pájecích míst podle předpisu IPC Směrnice IPC A610-D: Pájecí místa třídy 2 (výtah) Povoleno třída 1, 2: Minimálně 75% pájecí plošky je smáčeno pájkou na sekundární straně. Povoleno třída 1, 2: Kolem pájeného místa jsou v okruhu minimálně 270 pájené plochy smáčeny (spojovací drát apřípojná ploška). Nepovoleno třída 2, 3: Pájecí kužel je vypouklý; spojovací drát není viditelný pod velkým množstvím pájky.

91 Kontrolní otázky 1) Vyjmenujte a popište co obnáší správný postup při realizaci obvodu v povrchové montáži 2) Proveďte rozdělení pasivních součástek pro povrchovou montáž, popište typy a jejich provedení 3) Proveďte rozdělení aktivních součástek pro povrchovou montáž, popište typy a provedení 4) Vysvětlete způsoby nanášení pájecí pasty, uveďte parametry pro sítotisk a šablonový tisk 5) Popište jak se provádí osazování součástek v povrchové montáži 6) Vysvětlete princip pájení přetavením, popište různé způsoby a nakreslete pájecí profily s procesní okna 7) Vysvětlete princip pájení vlnou, nakreslete pájecí teplotní profil a popište jeho jednotlivé fáze 8) Popište princip ručního pájení a nakreslete jeho teplotní profil. Vysvětlete princip selektivního pájení 9) Popište proč se používá ochranná atmosféra při pájení a uveďte příslušné hodnoty ppm 10) Proveďte rozdělení lepidel pro elektroniku dle složení a dle určení, popište způsoby nanášení 11) Vysvětlete pojmy izotropní a anizotropní vodivá lepidla 12) Popište způsoby čištění v elektronice a uveďte důvody 13) Uveďte způsoby testování na substrátech a popište jednotlivé metody 14) Popište jak se vyhodnocuje jakost pájených spojů