Mikroelektronické praktikum (BMEP)

Transkript

1 FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Mikroelektronické praktikum (BMEP) Garant předmětu: Doc. Ing. Josef Šandera Ph.D. Autoři textu: Doc. Ing. Josef Šandera Ph.D. Ing. Jiří Starý Ph.D.

2 2 FEKT VUT v Brně Obsah 1 ÚVOD ZAŘAZENÍ PŘEDMĚTU VE STUDIJNÍM PROGRAMU ÚVOD DO PŘEDMĚTU MIKROELEKTROELEKTRONICKÉ TECHNOLOGIE A TECHNOLOGIE POVRCHOVÉ MONTÁŽE (SMT), (ŠANDERA, STARÝ) CHARAKTERISTIKA MIKROELEKTRONICKÉ A ELEKTRONICKÉ MONTÁŽE MIKROELEKTRONICKÉ A ELEKTRONICKÉ MONTÁŽNÍ TECHNOLOGIE Elektrické spojení Používané materiály TECHNOLOGIE TENKÉ A TLUSTÉ VRSTVY Technologie tenké vrstvy (princip a vlastnosti) Technologie tlusté vrstvy (princip a vlastnosti) Příklady moderních mikroelektronických a elektronických konstrukcí Charakteristika principy a pouzdra součástek pro povrchovou montáž Principy a konstrukce pasívních součástek v SMD provedení Ćipová pouzdra a do nich nejčastěji umístěné součástky Válcová a obdélníková pouzdra SMD pouzdra pro integrované obvody s vývody typu L, nebo J, Pouzdra pro indukčnosti Provedení ostatních pouzder pro povrchovou montáž Základy značení hodnot Pouzdra s vývody se spodní strany Pouzdra QFN (Quard Flat No-Lead) TECHNOLOGIE VÝROBY PLOŠNÝCH SPOJŮ, MATERIÁLY A POVRCHOVÁ ÚPRAVA Subtraktivní technologie výroby Aditivní technologie výroby plošných spojů Výroba a konstrukce vícevrstvých desek plošných spojů Povrchová úprava vodivých cest Přehled používaných materiálů pro plošné spoje TECHNOLOGIE MONTÁŽE A PÁJENÍ DESEK PLOŠNÝCH SPOJŮ Používané technologie montáže Technologie pájení vlnou Technologie pájení přetavením Ostatní technologie pájení Technika ručního pájení Chemie v montážním procesu (Starý) Způsoby nanášení pájecích past a lepidel při technologickém procesu Osazování SMD (Starý) OPRAVY MONTÁŽNÍCH CELKŮ (STARÝ) Opravy DPS osazených povrchovou montáží Přehled metod pro montáž a demontáž součástek SMD Opravy DPS osazených klasickou vývodovou montáží NÁVRH DESEK PLOŠNÝCH SPOJŮ (ŠANDERA)... 50

3 Mikroelektronické praktikum Metodika návrhu plošného spoje Struktura návrhového systému CAD Výroba filmové matrice Návrhový systém EAGLE Postup návrhu desky pomocí návrhového systému EAGLE Tvar a provedení desky plošného spoje Vzdálenost mezi součástkami a jejich vzájemné umístění Kresba plošného spoje Kresba nepájivé masky Návrh kresby pro BGA ZÁSADY NÁVRHU PROTOTYPŮ NÁVRH PRO SNADNOU A LEVNOU VÝROBU (DFM) Výběr součástek Výroba a provedení desky plošného spoje Způsob montáže a provedení osazené desky plošného spoje Způsob návrhu desky plošného spoje PRAKTICKÉ NÁVODY PRO LABORATORNÍ CVIČENÍ (ŠANDERA, STARÝ) REALIZACE TENKÝCH VRSTEV VAKUOVÝM NAPAŘOVÁNÍM Zadání a pokyny k měření: Poznámky ke cvičení: Teorie DEMONTÁŽ A MONTÁŽ SMD SOUČÁSTEK KONTAKTNÍ METODOU Zadání Demontáž a montáž součástek pomocí speciálních nástavců Montáž a demontáž součástek pomocí termokleští Montáž čipových pouzder, pouzder SO a FLAT PACK pomocí minivlny Montáž čipových součástek pomocí klasického hrotu, nebo minivlny REALIZACE BLIKAČE NA PLOŠNÉM SPOJI Zadání Pokyny k realizaci a poznámky k měření Teorie REALIZACE BLIKAČE NA KERAMICKÉ PODLOŽCE (TECHNOLOGIE TLUSTÉ VRSTVY) Zadání PŘEKULIČKOVÁNÍ (REBALLING) POMOCÍ PŘÍPRAVKU REBALL Zadání Poznámky k práci a pracovní postup NÁVRH DPS V NÁVRHOVÉM SYSTÉMU EAGLE Návrh DPS pro klasickou technologii Návrh DPS pro SMT technologii Návrh DPS ve smíšené montáži Teorie SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY... 85

4 4 FEKT VUT v Brně 1 Úvod Vážení studenti, dostává se Vám do rukou inovované skriptum, které je určeno jako učební text k bakalářskému předmětu Mikroelektronické praktikum. V prvé části skript je uveden povšechný teoretický úvod k problematice, která je předmětem praktického technologického cvičení. Skripta, které se vám dostávají do rukou mají za úkol seznámit s vybavením a technologiemi, které budou podrobněji vyučovány ve speciálních předmětech ve vyšších ročnících. Ve skriptu jsou v maximální míře uváděny přístroje a technologie, kterými disponuje Fakulta Elektrotechniky a Komunikačních Technologiích ve svých laboratořích. Problematika je posuzována spíše z praktického hlediska. Na závěr je uvedena praktická část, která slouží jako návod pro cvičení pro předmět Mikroelektronické praktikum Skriptum je rozděleno do tří částí, které se věnují následující technologické problematice: a) Elektronické a mikroelektronické montážní technologie b) Problematika návrhu plošných spojů c) Na konci skript jsou uvedena praktická cvičení. Závěrem Vám přejeme, aby se tento učební text pro Vás stal účinným pomocníkem pro studium a pro praxi v daném oboru. V Brně dne Doc. Ing. Josef Šandera Ph.D. garant předmětu Ing.Jiří Starý PhD. - spoluautor 2 Zařazení předmětu ve studijním programu Předmět je zařazen do bakalářského studijního programu oboru Mikroelektronika a technologie. Absolvování předmětu má za úkol především povšechně seznámit studenty, a) s náplní předmětů, které budou absolvovat ve vyšších ročnících, b) s vybavením laboratoří a vyučujícími, kteří budou vyučovat specializované předměty ve vyšších ročnících, c) odzkouší si některé vybrané postupy. Veškeré seznamování i praktická cvičení neprobíhá do hloubky, jedná se pouze o povšechnou informaci.

5 Mikroelektronické praktikum Úvod do předmětu Předmět Mikroelektronické praktikum je určen pro studenty nižších ročníků, kteří nemají žádné znalosti z oboru mikroelektronika. Smyslem předmětu je přehledově seznámit studenty s montážními a mikroelektronickými technologiemi. Z toho důvodu je výuka převážně koncipována jako ukázky technologií, které se používají z této oblasti, na seznámení s problematikou správného návrhu plošných spojů a na opravy elektroniky. Výuka je vedena v laboratořích, které budou studenti navštěvovat ve specializovaných předmětech ve vyšších ročnících a Kromě ukázek jsou v předmětu zařazeny praktická cvičení z oblasti pájení a návrhu desek plošných spojů. 3 Mikroelektroelektronické technologie a technologie povrchové montáže (SMT), (Šandera, Starý) Cíle kapitoly: Tato kapitola seznamuje s moderními trendy mikroelektronické montáže. Dále obsahuje přehledový popis montážních technologií, zařízení a spotřebních materiálů, které se používají pro elektronické a mikroelektronické technologie. 3.1 Charakteristika mikroelektronické a elektronické montáže Elektronická montáž (povrchová a smíšená) a mikroelektronická montáž, jsou technologické postupy, které můžeme najít v elektronických výrobcích spotřební, lékařské, automatizační, vojenské a speciální techniky. V současné době používaní mikroelektronických a elektronických postupů není nijak zvlášť vyhraněno většinou se používají obě technologie současně. Elektronická a mikroelektronická výroba až na vyjímky respektuje předpisy, které zakazují používáni toxických materiálů. Mezi nejvýznamější v Evropě patří předpisy RoHS (Restricts of Hazardeous Substances). Charakteristika mikroelektronické montáže (Obr. 3-1) Montáž samostatných polovodičových čipů umístěných na organickém, nebo anorganickém substrátu. Čipy mohou být umístěny na sebe tzv. 3D montáž. Pro montáže se používá spojení bondováním, Flip-Chip, flexibilními materiály nebo jiné. Zařízení se dá velice obtížně opravovat. Mikroelektronická montáž bývá většinou dražší a začíná se vyplácet při výrobě velkých sérií. Pro spojování se používá pájení, ultrazvuk, termokomprese a další speciální techniky.

6 6 FEKT VUT v Brně Charakteristika elektronické montáže (Obr. 3-2) Elektronické prvky jsou realizované v samostatných pouzdrech buď s klasickými vývody (Through Hole Technology-THT montáž), nebo s vývody, které jsou montovány na povrch (Surface Mount Technology-SMT montáž). Velice často se používá kombinace obojího, tzv. smíšená montáž. Součástky se elektricky spojují pájením, používají se většinou netoxické bezolovnaté pájky (Lead Free-LF) v některých případech se používají slitiny s olovem. Jako pájecí technologie se používá většinou pájení přetavením, pájení vlnou se pro svoji energetickou náročnost stále více omezuje. Obr. 3-1 Mikroelektronická montáž

7 Mikroelektronické praktikum 7 Obr. 3-2 Elektronická montáž 3.2 Mikroelektronické a elektronické montážní technologie Mezi mikroelektronické a elektronické montážní technologie můžeme zařadit technologie pro realizaci elektrického spojení, a technologie, které definují konstrukci, s tím souvisí optické, tepelné a další vlastnosti systému Elektrické spojení Připojení měkkou pájkou - používá se pájení nízkoteplotními, nebo vysokoteplotními pájkami. Elektrický kontakt a mechanické spojení se uskutečňuje pomocí intermetalických slitin, které se vytvoří mezi pájkou a pájeným povrchem při zahřátí pájky nad teplotu tání.v současné době je až na vyjímky zakázáno používat binární slitinu Sn/Pb z důvodů přítomnosti toxického olova, používají se bezolovnaté pájky (LF). Teploty tání nejčastěji používaných bezolovnatých pájek se pohybují nad teplotou 220 o C. Technologie bondování - pro připojení nezapouzdřených polovodičových čipů se používá technologie bondování. Základní technologie jsou uvedeny na Obr Při spojování ultrazvukem se kovové materiály spojí v důsledku vibrací, zvýšené teploty a tlaku, u termokomprese se materiál vodiče roztaví a zatlačí na podložku. Obr. 3-3 Technologie připojení čipu Elektricky vodivá lepidla - V některých případech se používají elektricky vodivá lepidla, nebo vodivé vrstvy. Tato můžeme najít v případě připojení LCD displejů a dalších aplikací, které

8 8 FEKT VUT v Brně pracují s malým elektrickým výkonem. V praxi je můžeme najít v případě kontaktování LED displejů a součástek, které pracují s nízkým výkonem. Vodivá lepidla se dělí na izotropní (elektrický kontakt je uskutečňován všemi směry) a anizotropní (elektrický kontakt se uskutečňuje definovaným směrem). Principy funkce lepidel jsou uvedeny na Obr Obr. 3-4 Elektricky vodivá lepidla Používané materiály Pro elektronické a mikroelektronické aplikace se začínají kromě standartních materiálů používat zcela nové materiály, které výrazně ovlivňují vlastnosti a chování elektronických a mikroelektronických konstrukcí. Z důvodů masového používání těchto konstrukcí je kladen značný důraz na toxicitu a šetrnost vůči životnímu prostředí. Vlastnosti mikrolektronických konstrukcí výrazně určují materiály podložek. Keramické materiály patří do skupiny tzv. anorganických materiálů. Keramické materiály se pro konstrukci používají pro své specifické mechanické a elektrické vlastnosti. Jedná se o velice malou navlhavost, s tím souvisí vysoký elektrický odpor, vysoká tepelná odolnost, relativně vysoká tepelná vodivost a další. Většina keramických materiálů používaných na podložky má také velice dobré dielektrické vlastnosti. Nejčastěji se používá: a) Korundová keramika. Korundová keramika patří mezi nejstarší materiály používané v elektrotechnice. Dříve se používala pro konstrukci hybridních integrovaných obvodu (HIO). Jedná se čistý Al203. Dodává se ve formě desek, nebo definovaných tvarů ve vypáleném stavu. b) Keramika LTCC Keramika LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic). Jedná se o keramický materiál s nízkou teplotou výpalu. Nízkých teplot výpalu se dosahuje použitím nízkotavitelné skelné fáze, která spojí keramické částice, jak ukazuje Obr Materiál je složen z částic keramiky, skla a vhodného pojiva. Po vypálení se skelná fáze roztaví a vznikne homogenní křehká struktura. Použitý keramický komposit výrazně ovlivňuje elektrické i mechanické vlastnosti. Většina keramických materiálů po výpalu výrazně zmenší svůj objem. Teplota výpalu se pohybuje kolem 800 o C.

9 Mikroelektronické praktikum 9 Obr. 3-5 Struktura keramiky LTCC c) AIN (Aluminium Nitrid) - Mezi keramické materiály je možno zařadit také materiál AIN (Aluminium Nitrid). V elektronice se začínal používat od devadesátých let pro vojenské aplikace, dnes se využívá i v komerční sféře. Jedná se o speciálně nitridovaný Al203.[12]. Materiál se připravuje sintrováním práškové směsi, objevují se pokusy přípravy substrátů ze speciálních směsí za vyšších teplot a tlaků. Je možno jej nanášet epitaxně, nebo naprašováním. AIN se vyznačuje vysokou tepelnou vodivostí, která je srovnatelná s kovy. Typický případ použití je konstrukce podložky vysoce výkonových LED diod. Organické materiály Pro elektronické, nebo mikroelektronické aplikace se nejčastěji používají kompozitní materiály složené ze skelných laminátů a epoxidové pryskyřice, kopolymerní plastické hmoty, které mají vysokou tepelnou odolnost, dále potom materiály na bázi silikonů. 3.3 Technologie tenké a tlusté vrstvy Technologie tenké vrstvy (princip a vlastnosti) Vakuové napařování - V případě ohřevu materiálu v evakuovaném prostoru na vysokou teplotu dojde ke zvýšení kinetické energii částic v povrchové vrstvě a dojde k uvolňování atomů, nebo molekul. Tyto vytvářejí nad vzorkem mrak, dojde ke vzniku rovnovážného tlaku nasycených par. Jestliže je v takovém prostoru podložka s nižší teplotou, potom dojde ke kondenzaci materiálu na vzorku. Je-li v odpařovaném prostoru dostatečně nízký tlak (obvykle menší jako 10-3 Pa) pro vzdálenost vzorku 0,5m, potom se částice dostanou na vzorek. Konstrukčně je nutno zajistit, aby volná dráha částic plynu byla aspoň stejná, anebo větší než je vzdálenost mezi výparníkem a podložkou, aby napařované částice dopadaly na podložku s dostatečnou rychlostí a energií. Na Obr. 3-6 je uvedeno laboratorní zařízení pro vakuové napařování. V tomto případě je ohřev vzorku realizován ohřevem vzorku průchodem elektrického proudu. Vakuovým napařováním nelze zhotovit vrstvy z vysokotavitelných kovů z vícesložkových anorganických materiálů a organických polymerů, které se kvůli vysoké teplotě velmi těžko odpařují a zachovávají obtížně své složení. Napařování je velice rychlý proces, doba trvání je zlomky sekund a desítky minut. Výhodou je, že pro proces je potřeba malé množství vzorku.

10 10 FEKT VUT v Brně Obr. 3-6 Zařízení pro vakuové napařování [6] Katodové naprašování - V uzavřeném prostoru se vybudí doutnavý výboj mezi dvěma elektrodami při anodovém napětí několik kv. Vznikající kladné ionty bombardují katodu, což způsobuje rozprašování materiálu katody do pracovního prostoru. Během naprašování je katoda zdroj elektronů což udržuje doutnavý výboj a je zároveň zdrojem odpařovaného materiálu. Na Obr. 3-7 je schéma laboratorního zařízení a mechanismus naprašování. U některých systémů se uměle prodlužuje dráha elektronů elektrickým, nebo magnetickým polem (např. magnetronové naprašování). Naprašování je dlouhodobý proces, jeho nevýhodou je nutnost použití velkého vzorku (terč katody, případně vrstva na katodě). Při naprašování se používá jako zdroj kladných iontů inertní argon. Obr. 3-7 Katodové naprašování [6] Technologie tlusté vrstvy (princip a vlastnosti) U technologie tlusté vrstvy (TLV) je tloušťka řádově větší než u tenké vrstvy. Ve srovnání s tenkými vrstvami, kde specifické vlastnosti závisí zejména na malé tloušťce (řádově 10 2 nm), u tlustých vrstev jejich funkční vlastnosti podstatně ovlivňuje jejich složení a méně jejich tloušťka (větší než 10 3 nm). TLV je založena na použití zvláštních past, které se nanášejí

11 Mikroelektronické praktikum 11 sítotiskem na základní nejčastěji keramickou podložku v požadovaných obrazcích a následně se zpracovávají vypálením. Pasty pro realizace motivu sítotiskem Pasta pro sítotisk se skládá z následujících základních složek: a) Pro vodivé, odporové, nebo dielektrické pasty jsou použity jemné částice kovů, kysličníků a feroelektrických materiálů. Mají velikost menší jak mikrometr. b) Skelná fáze, která má chemické složení podle typu vrstvy c) Organická složka, která obsahuje pojivo, kterým bývá pryskyřice vosky, nebo jiné termoplastické látky, které určují reologické chování pasty a vhodné rozpouštědlo. Pájecí pasty jsou charakteristické svojí viskozitou. Nejčastěji vykazují tixotropní chování. Znamená to, že při zvyšování tlaku (při tisku) snižují viskozitu, pokud se tlak vrátí na původní hodnotu, tak viskozita znovu roste na původmí hodnotu. Mezi Elektrické vlastnosti pasty patří měrný elektrický odpor, teplotní součinitel odporu, dielektrická konstanta, elektrická pevnost a další. Technologie sítotisku pájecí pasty se na podložku nanášejí nejčastěji sítotiskem. Sítotisk je založen na principu protlačování pasty přes síťku v místech motivu, který se realizuje nejčastěji fotocestou. Princip sítotisku je uveden na Obr Obr. 3-8 Princip a provedení sítotisku [6] Na Obr. 3-9 je uvedena typická konstrukce vypalovcí pece pro tlusté vrstvy a teplotní profil.

12 12 FEKT VUT v Brně Obr. 3-9 Schématický řez tunelovou pecí pro výpal tlustých vrstev a průběh teploty [6] Příklady moderních mikroelektronických a elektronických konstrukcí Současné trendy propojování a pouzdření v elektrotechnice a mikroelektronice jsou ovlivněny následujícími požadavky. a) Snaha o co největší integraci zařízení, s tím souvisí narůstající počet propojení a vývodů, stále více konstrukcí je realizováno prostorově (v ose z ). To vede ke stále vyššímu ztrátovému výkonu na jednotku objemu, přináší to problémy s montáží a chlazením. b) Konstrukce musí být dostatečně levná při použití technologií a postupů, které pokud možno nevyžadují speciální technologie a zařízení. c) Vysoká spolehlivost zařízení, kterou výrazně ovlivňuje hlavně hladina termomechanického namáhání a tepelné degradace použitých materiálů. d) Současně musí být splněn požadavek na ekologii. Musíme si uvědomit, že při současné hromadné výrobě elektroniky by použití i malého množství toxického materiálu mohlo výrazně ovlivnit životní prostředí. Konstrukce na úrovni polovodičových čipů - Modulová spojení na úrovni polovodičových čipů jsou uvedeny na Obr V tomto případě nezapouzdřené, nebo zapouzdřené křemíkové čipy, případně multičipové moduly kontaktované na keramickém, případně křemíkovém substrátu jsou vhodným způsobem vrstveny na základní podložku samostatného modulu tak, jak ukazuje obrázek. Nejčastěji se používá technologie FLIP-CHIP, která nahrazuje klasické bondování, avšak nejsou výjimkou i jiné typy spojení tj. páskové spoje, mikrodrátky aj.

13 Mikroelektronické praktikum 13 Obr Multičipová spojení [1] Multičipový nosič, na kterém jsou polovodičové čipy umístěny, může být vyroben z keramiky, nebo materiálů, které se používají pro desky plošných spojů, nebo tenkých vrstev nanesených na rozličných substrátech (i kovových), kterými může být křemík, hliník, měď, Al2O3, diamant, nebo kompozitní materiály např. polyamid - sklo. Při konstrukci multičipových modulů je třeba vzhledem k vysoké integraci řešit hlavně problémy s efektivním odvodem tepla a spolehlivosti, která souvisí s kvalitním zapouzdřením. V současné době se využívají technologie s různými typy substrátů MCM-L, MCM-T, MCM-D, případně jejich modifikace. Na Obr je znázorněna perspektivní konstrukce 3D struktury na úrovni LSI (Large Scale Integration) na křemíkovém čipu. Většina řešení je založena na tom, že samostatné různé křemíkové čipy jsou vzájemně vertikálně propojeny pomocí kovových spojení realizovaných příčně ve struktuře. Kovové propojení se nejčastěji realizuje iontovým leptáním, nanášením dielektrické vrstvy a následným galvanickým pokovením mědí. Spojení samostatných čipů se realizuje pomocí mikro-výčnělků (Micro-Bumps). Jednotlivé čipy jsou propojeny lepidlem. Toto řešení se využívá všude tam, kde jsou vyžadovány malé rozměry. Obr Řešení 3D LSI polovodičové struktury [3] Kromě klasického bondování se využívají k připojování polovodičových čipů technologie založené na používání výčnělků (Bumps), nebo kulových vývodů. Tato technologie je v současné době velice používaná pro svoji vysokou rychlost osazování. Při řešení je věnována značná pozornost realizaci kovové vrstvy mezi vývodem a polovodičovým čipem. Používají se kombinace naprašování, napařování a galvanického nanášení kovových vrstev. Provedení a materiál vrstev má výrazný vliv na spolehlivost tohoto spojení. Vsazené (Embeded) technologie - Jedná se o vícevrstvou strukturu, kde součástky, pasívní, nebo aktivní jsou zabudované do objemu desky. Může se jednat o klasická SMD pouzdra pasivních součástek, polovodičové čipy, nebo se elektronická součástka vytváří přímo ve struktuře desky.

14 14 FEKT VUT v Brně V tomto případě se využívají pro realizaci pasivních struktur rezistorů i kapacitou tlustovrstvé i tenkovrstvé technologie. Vsazené technologie přináší celou řadu výhod, mezi nejpodstatnější patří menší parazitní indukčnosti a kapacity přívodů, zvláště blokovací kondenzátory lze umístit blíž vývodům, systém vodivého propojení se zjednodušuje, snižuje se počet prokovených vývodů a v neposlední řadě se zvyšuje montážní hustota. Obr Příklad vsazené struktury na organickém materiálu Světoví výrobci jsou v současné době velice opatrní, začínají se objevovat první pokusy integrovat do organických struktur, odpory, kondenzátory, nebo se pasivní prvky realizují přímo ve struktuře jednotlivých laminovaných desek. Na Obr je uveden příklad vsazené (Embeded) struktury na organickém materiálu [1]. Obr Příklad vsazené struktury na keramickém materiál U keramických struktur se tato technologie používá téměř výhradně pro nízkoteplotní keramiku ( LTCC), kde je teplotní zatížení nižší než pro klasické keramické materiály. Příklad takové konstrukce na keramice je podle [1] uveden na Obr Plošné spoje na kovové podložce V současné době se hlavně v automobilovém průmyslu používá tenký plošný spoj na organické fólii, který je nalepen na kovovou podložku, případně přímo na hliníkový chladič elektronického zařízení. Tato konstrukce se vyznačuje velkou

15 Mikroelektronické praktikum 15 spolehlivostí, kompaktností a dobrým odvodem tepla ze systému. Konstrukce je uvedena na Obr Obr Příklad plošného spoje na kovovém chladiči Charakteristika principy a pouzdra součástek pro povrchovou montáž Součástky SMD (Surface Mount Device) se vyrábí buď bez kovových páskových vývodů, (čipové rezistory, kondenzátory, diody, keramické nosiče čipu), anebo s páskovými vývody (transistory, integrované obvody aj.). Používají se pro elektronickou i mikroelektronickou montáž. Polovodičové SMD součástky jsou daleko dostupnější a při jejich montáži není třeba používat speciální technologie připojování používané pro polovodičové čipy. Součástky mají obecně menší rozměry (30 až 60% rozměrů klasických součástek). Přívody se bez jakýchkoliv úprav pájí na plošný spoj ze strany spojů (SMT technologie). Při montáži odpadá operace tvarování a ohýbání přívodů. Konstrukce a způsob osazování součástek SMD je zvlášť vhodný pro osazování automaty. V současné době se již většina elektronických zařízení osazuje pouze SMT technologií. Na rozdíl od pájení klasických vývodových součástek, dochází u SMD součástek k přímému kontaktu buď s roztavenou pájkou (při pájení vlnou), nebo jsou přímo vystaveny teplotě, která zaručí přetavení pájecí pasty. Proto musí být všechny součástky pro povrchovou montáž včetně konektorů konstrukčně navrženy tak, aby na svém povrchu byly schopny bez poškození odolávat teplotě C po dobu minimálně 10 sec. Pro pájení vlnou musí být vhodně zapouzdřeny tak, aby se zamezilo vniknutí roztavené pájky do systému. Pouzdra se vyrábí buď plastová, nebo keramická od velikosti 0,25 mm až desítek mm. V současné době se uvádí stejná teplotní odolnost i pro součástky s povrchovou úpravou pro bezolovnaté pájení, při použití nejpoužívanější pájky SAC je teplotní profil na hranici teplotní odolnosti. Pro některé součástky, které jsou na zvýšenou teplotu choulostivé (např. kondenzátory s plastovým dielektrikem, elektrolyty) mají modifikovanou teplotní odolnost. Na Obr jsou uvedeny typy a tvary přívodů, které se používají u SMD součástek.

16 16 FEKT VUT v Brně Obr Základní tvary vývodů součástek SMD [1] U vývodů typu metalizovaná ploška jsou vývody realizovány přímo na keramickém nosiči součástky. Jsou použity u většiny tzv. čipových pouzder používaných pro rezistory a keramické kondenzátory, nebo speciálních pouzder pro integrované obvody. Jelikož se jedná o nepružné pájené spojení, je třeba věnovat pozornost termomechanickému namáhání, které vzniká v důsledku různé tepelné délkové roztažnosti pouzdra a základního materiálu podložky (plošného spoje). Vývody jsou pokryty vrstvou pájky, případně cínu přes Ni bariéru, která zabraňuje rozpouštění stříbrné vrstvy na kontaktu v pájce při pájení. Další tři typy vývodů (zahnutý páskový vývod, přívody typu L a přívod J patří mezi přívody realizované slitinou Ni/ocel (42%Ni), nebo Cu/Ni (2%Ni). V tomto případě s jedná o pružné spojení s podobnými vlastnostmi, jako mají vývodové součástky (Through Hole Components). Vývody typu kulový a plochý přívod se používají pro integrované obvody, patří mezi nepružná připojení se všemi problémy, které toto propojení přináší. Balení součástek pro povrchovou montáž jelikož součástky SMD jsou určeny pro osazování automaty, je této skutečnosti rovněž přizpůsobeno jejich balení. Drobné součástky se balí do páskových zásobníků, které mohou být papírové, nebo plastové s vylisovanou miskou, ve které je volně umístěna součástka (tzv. Blister páska). Aby součástky nevypadly, jsou přikryty shora plastovou páskou, která se před osazováním odstraní. Kotouč s páskou se součástkami se umístí do podavače automatu. Zásobníky mají standardizovanou šířku 8,12, 16, 24, 32, 44, 56mm. Na kraji jsou opatřeny perforací, která zajišťuje přesný posuv v podavači. Obr Balení součástek SMD [1]

17 Mikroelektronické praktikum 17 V současné době se preferuje balení součástek do páskových podavačů, které snižuje možnosti omylu při vkládání do osazovacího automatu. Na obrázku Obr je znázorněn tvar a provedení zásobníků pro součástky SMD Principy a konstrukce pasívních součástek v SMD provedení Tlustovrstvé rezistory na Obr je uvedena konstrukce nejčastěji používaného čipového tlustovrstvového rezistoru. Jedná se o typ technologie, ve které je odporová vrstva realizována sítotiskem. Obr Konstrukce čipového resistoru (tlustá vrstva) Tenkovrstvé rezistory Rezistory realizované na tenké vrstvě (Obr. 3-18) realizované napařováním, nebo naprašováním mají lepší elektrické vlastnosti hlavně elektrickou stabilitu, ale jsou výrazně dražší. Obr Konstrukce čipového rezistoru (tenká vrstva) Keramické kondenzátory - kondenzátory jsou tvořeny keramickým dielektrikem a vyrábí se jako jednovrstvé, nebo vícevrstvé, nejčastěji v čipových pouzdrech. Konstrukce a provedení kontaktu je uvedeno na Obr Obr Konstrukce keramického kondenzátoru a provedení vývodu

18 18 FEKT VUT v Brně V případě jednovrstvových kondenzátorů je tělísko tvořeno jednou vrstvou dielektrika s oboustrannými přívody, vícevrstvé kondenzátory se skládají z několika vrstev dielektrika s kovovými elektrodami zapojených paralelně. Kovová pájecí ploška, která zároveň realizuje propojení elektrod je tvořena vrstvou stříbra, případně vrstvou AgPd, na které je vrstva niklu 2 až 4 µm a následuje vrstva pájky, případně cínu tak, jak ukazuje Obr Mezivrstva niklu zabraňuje nežádoucímu rozpouštění stříbra v pájce při pájení. Obr Vlastnosti dielektrik keramických kondenzátorů [1] Kapacitu kondenzátorů lze podstatně ovlivňovat bez potřeby zvětšování rozměrů elektrod změnou relativní permitivity použitého dielektrika. Ta závisí na převládajícím mechanismu polarizace v dielektriku. Mechanismy polarizace, které způsobují vysokou permitivitu bohužel způsobují, že permitivita materiálu (a tím i kapacita kondenzátoru) vykazuje značnou závislost hlavně na teplotě, přiloženém napětí a frekvenci. Proto se materiály dielektrik používané pro keramické kondenzátory dělí do skupin podle toho, zda je žádoucí vysoká stabilita kapacity, nebo vysoká kapacita bez požadavků na stabilitu. Vlastnosti dielektrik jsou uvedeny na Obr Typ I. - Používá se pro kondenzátory, u kterých vyžadujeme vysokou stabilitu kapacity (oscilační obvody ). Jedná se o keramický materiál s označením NPO, nebo COG, případně materiály s označením N150, N220, N470 a další. Jejich relativní permitivita se pohybuje v rozmezí 30 až 150 a používá se pro konstrukci kondenzátorů s malou a střední kapacitou. Vyznačují se vysokou stabilitou kapacity v závislosti na teplotě, napětí a frekvenci. Vyrábí se do kapacity 4,7 nf pro provozní napětí do 150 V, případně do 10 nf s provozním napětím do 50 V. Typ II. - Jedná se o materiál pod označením X7R. Jeho relativní permitivita se pohybuje v rozmezí 500 až Umožňuje konstrukci kondenzátorů kapacit 470 pf až 1 µf. Kondenzátory s tímto typem dielektrika mají vyšší kapacitu na jednotku objemu, avšak za cenu vyšší nestability. Používají se např. jako vazební, vyhlazovací a všude tam, kde není na závadu toleranční pásmo kapacity kolem 5%. Typ III. Kondenzátory které používají materiál Z5U mají vysokou toleranci kapacity (-50 až +100%). Používají se v případech, kdy vyžadujeme vysokou kapacitu, většinou jako blokovací. Relativní permitivita je vyšší jako 4000 a kondenzátory dosahují kapacity 1,5 µ F a výše. Vzhledem k velkým výrobním tolerancím a značné závislosti kapacity na teplotě se kondenzátory typu III vyrábějí pouze v tolerančních řadách E6 a E12. Vícevrstvé fóliové kondenzátory se skládají z navinutých vrstev dielektrika, polyetyléntereftalát, polyetylénsulfid aj, na které je napařena hliníková vrstva, tvořící elektrody. Kondenzátory jsou schopny samočinné regenerace. Pokovená fólie je navíjena bezindukčně,

19 Mikroelektronické praktikum 19 nebo více vrstvách skládána. Celý systém je zalisován do plastového pouzdra. Tento typ je schopen se samočinně při průrazu regenerovat. Polyesterové kondenzátory MKT- dielektrikem je polyetyléntereftalát. Relativní permitivita se pohybuje kolem 3, ztrátový úhel tgδ je menší jako Používají se většinou jako integrační. Elektrolytické kondenzátory - elektrolytické kondenzátory se vyrábějí jako hliníkové, tantalové, nebo niob - oxidové. Na Obr je uvedena konstrukce, která se obecně u elektrolytických kondenzátorů používá. Toto řešení umožňuje dosáhnout velké kapacity na jednotku objemu. Princip spočívá v extrémním zvýšení plochy elektrod jejím chemickým zdrsněním a následným vytvořením oxidové vrstvy na povrchu, která vytváří dielektrikum. Oxidová vrstva má polovodivé vlastnosti. Kondenzátor je nutno správně polarizovat, jinak vzkazuje v obvodu zkrat, což může způsobit explozi součástky. Obr Princip elektrolytického kondenzátoru [1] Ćipová pouzdra a do nich nejčastěji umístěné součástky Diskrétní součástky rezistory, kondenzátory (Obr. 3-22), diody, transistory a další) se pouzdří do hranatých pouzder (čipové součástky). Tato pouzdra jsou svým tvarem výhodná pro osazování automaty. Čipová pouzdra se označují číselným kódem, který označuje velikost součástky podle Tab Z tabulky je zřejmé, že číslo pouzdra označuje velikost půdorysu pouzdra v setinách palce. Tab. 3-1 Značení a rozměry čipových pouzder Velikost (délka x šířka) palce palce mm ,02 x 0,01 0,5 x 0,25 mm ,04 x 0,02 1,0 x 0,5 mm ,05 x 0,04 1,2 x 1,0 mm ,06" x 0,03" 1,5 x 0,8 mm ,08" x 0,05" 2,0 x 1,2 mm ,10" x 0,05" 2,5 x 1,2 mm ,12" x 0,06" 3,2 x 1,6 mm ,12" x 0,10" 3,2 x 2,5 mm ,18" x 0,12" 4,5 x 3,2 mm ,22" x 0,25" 5,6 x 6,4 mm Obr Vzhled čipových pouzder

20 20 FEKT VUT v Brně Elektrolytické kondenzátory - Do čipových pouzder avšak jiného značení se umísťují také tantalové a nioboxidové elektrolytické kondenzátory. Na Obr je uvedeno provedení součástky. Velikost pouzdra závisí na velikosti kapacity a provozním napětí. Obr Provedení tantalového kondenzátoru Do čipových pouzder se také umísťují také LED diody, polovodičové diody a další Válcová a obdélníková pouzdra Některé součástky se umísťují do válcových, nebo obdélníkových pouzder. Válcová pouzdra mohou být s axiálními vývody (umístěnými v ose), nebo radiálními vývody (vývody jsou umístěny ze strany). Vývody umístěné v ose (axiální) jedná se o pouzdra pro rezistory, klasické, nebo zenerovy diody a další. Provedení součástek s axiálními vývody je uvedeno na Obr. 3-25a. Obr. 3-25a Provedení SMD válcových pouzder s axiálními vývody (rezistory) Obr. 3-25b Provedení SMD válcových pouzder s radiálními vývody (hliníkové kondenzátory) Vývody umístěné ze strany (radiální) jedná se o válcová pouzdra, nebo obdélníková pouzdra, která můžeme nalézt u elektrolytických hliníkových kondenzátorů, indukčností, krystalů a další. Provedení pouzder je uvedeno na Obr. 3-25b. Obdélníková pouzdra s vývody typu zahnutý páskový vývod Jedná se o plastová pouzdra, do kterých se pouzdří tantalové, kondenzátory, krystaly a další (Obr. 3-26).

21 Mikroelektronické praktikum 21 Obr Provedení SMD obdélníkových pouzder se zahnutými páskovými vývody SMD pouzdra pro integrované obvody s vývody typu L, nebo J, Materiál pouzdra má obecně značný vliv na cenu součástky. Většinou se pouzdří do plastické hmoty, nebo se používají keramická pouzdra, která se používají pouze omezeně, protože jsou relativně drahá a vyskytují se problémy s tepelnou roztažností). Jedná se o pouzdra s vývody typu L, nebo J. Rozteč mezi vývody je nejčastěji 1,27milimetru (50 mils), u některých pouzder je menší. Vývody mohou být ze dvou stran (Obr. 3-28), nebo po všech stranách. Pouzdra SOIC (Small Outline Integrated Circuit) - Někdy se označují také jako SO. Jejich provedení je uvedeno na Obr V Evropě se začínaly používat od roku Jedná se většinou o plastová pouzdra s vývody L", nebo J" s vývody umístěnými po obou delších stranách pouzdra. Počet vývodů bývá 8 až 56 s roztečí nejčastěji 1,27 mm a menší. U pouzder SOXX se jedná většinou o elektrické ekvivalenty součástek v pouzdrech DIL. Obr Pouzdro typu SOIC a orientační klíč. [1] Pouzdro zaujímá asi 1/3 plochy klasického pouzdra DIL, max. ztrátový výkon je asi 75% pouzdra DIL. V těchto pouzdrech se vyrábí většina IO, která jsou dostupná v provedení DIL a mají stejně zapojené přívody. Označení orientace je stejné jako u klasických pouzder DIL,tj. výřezem, kruhovým výliskem, čarou, případně skosením jedné z hran (někdy bývá velice nevýrazné). Vyrábí se celá řada variant. Základní typy jsou,

22 22 FEKT VUT v Brně SO, (SOIC).....základní řada, šířka 4mm SOL, (SOICL)...provedení large šířka 7,6mm SOM, SOICM)... provedení medium šířka 5,6mm SOW... šířka 8,4mm SOX... šířka 10 mm SOY... šířka 11,1mm VSO... počet vývodů 40 (VSO-40), 56(VSO56) s roztečí 0,762mm SOJ... provedení s vývody J" SOLJ... provedení large s vývody J" SSOP...japonské pouzdro, rozteč vývodů 0,65mm, tloušťka 2,4, nebo 1,75 mm TSOP... malá montážní výška, vývody vedené z kratší strany pouzdra SON keramické pouzdro, vývody jsou metalizované plošky, rozteč 0,5,nebo 0,65 mm. Tvary nejčastěji používaných pouzder jsou uvedeny na Obr Obr Pouzdra s vývody ve dvou řadách [1] Pouzdro PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) - Jedná se o plastová pouzdra s přívody tvaru J" nejčastěji s roztečí 1,27 mm. Jsou levná, dají se umísťovat do patic a proto jsou velice rozšířená. Vysoká pružnost přívodů umožňuje pájení i poměrně velkých pouzder na klasické materiály DPS bez nebezpečí jejich utržení v důsledku různé délkové roztažnosti. Dobře se osazují automaty, nejčastěji do pájecí pasty. Vzhled pouzdra je na Obr Obr Pouzdro PLCC [13]

23 Mikroelektronické praktikum 23 Pouzdra Flat-Pack - Nákres pouzder je uveden podle [1] na Obr Pouzdra jsou levná a mají malou montážní výšku. Rozteč přívodů se neustále zmenšuje, v současné době se již vyrábí IO s roztečí menší jak 0,635mm (až 0,3mm ), tzv. provedení FQFP (Fine Pitch Quad Flat - Pack). Pouzdra FLAT-PACK se vyskytují velice často. Jejich montáž a demontáž při opravách bývá hlavním problémem a vyžaduje bezpodmínečně použití speciálních nástrojů a značnou dávku zkušeností. S úspěchem se používají horkovzdušné metody. Obr Čtvercová, nebo obdélníková pouzdra ( FLAT-PACK) Pouzdra pro diody a transistory - používají se plastová pouzdra u výkonnějších typů jsou opatřeny chladící plochou. a) Pouzdra SOT - Nejstarší a nejpoužívanější typ plastového pouzdra s vývody tvaru "L" je pouzdro SOT 23. Začaly se do něho pouzdřit transistory již od 60-tých let, převážně pro potřeby hybridních obvodů. Základní tvar a umístění vývodů je uvedeno na Obr Obr Pouzdro SOT 23, možná zapojení přívodů pro transistory [1]

24 24 FEKT VUT v Brně Pro usnadnění návrhu desky plošného spoje se v případě transistorů u pouzder SOT často používá označení s písmenem R na konci. Jedná se o zcela identické součástky s odlišně vyvedenými elektrodami. Postupem času se začínaly používat modifikace tohoto pouzdra, které se liší počtem vývodů a velikostí. Označení transistorů na pouzdrech typu SOT bývá zakódováno. V Tab. 3-2 je uvedeno zakódované značení některých transistorů v pouzdrech SOT 23. Tab. 3-2 Zakódované značení transistorů SOT typ označení vodivost typ označení vodivost BC 807 5A, 5B, 5C PNP BC848 1J,1K,1L NPN BC 808 5E, 5F, 5G PNP BC849 2B,2C NPN BC 817 6A,6B,6C NPN BC850 2F,2G NPN BC 818 6E,6F,6G NPN BC856 3A,3B PNP BC846 1A,1B NPN BC857 3E,3F,3G PNP BC847 1E,1F,1G NPN BC858 3J,3K,3L PNP Pouzdro SOT25 -plastové pouzdro podobné SOT23 s pěti přívody se používá většinou pro realizaci samostatných logických hradel. Šestivývodové pouzdro SOT23-6 se například používá pro pouzdření jednočipových mikrokontrolérů PIC. Další nejčastěji používaná pouzdra pro diody a transistory podle [1] jsou uvedena na Obr Obr Pouzdra SOT pro transistory Pouzdra pro indukčnosti Vyrábí se navinutím vodiče na jádro, které je většinou z feromagnetického materiálu. Používají se magneticky měkké materiály s vysokou permeabilitou (ferrity). Jádro může v některých případech zcela obklopovat vinutí. Vyrábí se buď otevřené provedení, nebo může být cívka zalisována do vhodné plastické hmoty. Svým provedením a velikostí pouzder jsou obdobné tantalovým kondenzátorům, případně se vyrábí provedení ve velikosti pouzder 0805 a větších. Malé induktory se mohou vyrábět jako samonosné bez jádra s tvarem

25 Mikroelektronické praktikum 25 přizpůsobeným povrchové montáži. Vinutí cívky je možno rovněž vytvořit závity plošného vodiče na keramických podložkách postupně skládaných nad sebe tak, aby realizovaly cívku. Keramika může být izolant, případně může mít zvýšenou permeabilitu, která zvyšuje indukčnost cívky. Keramické podložky mohou mít ferromagnetické vlastnosti pro zvětšení indukčnosti cívky. Výsledkem jsou tzv. vrstvové induktory (MLF), které se vyznačují vysokou kompaktností a spolehlivostí. Vyrábí se v čipových pouzdrech velikosti 0805, 1206 a dalších. Provedení pouzder indukčností schematicky ukazuje Obr Obr Provedení pouzder indukčností [14] Provedení ostatních pouzder pro povrchovou montáž Součástky mají téměř vždy hranolovitý tvar s přívody pro bezvývodové pájení. Je tendence je umísťovat do pouzder velikostí čipových součástek. Jejich konstrukce je přizpůsobená zvýšenému tepelnému namáhání při pájení. Kromě dříve uvedených součástek se v provedení SMD již vyrábí relé, krystaly, keramické filtry, termistory, celý sortiment optoelektronických součástek, pojistky včetně pouzder a další. Některé příklady pouzder pro součástky SMD jsou uvedeny na Obr Obr Ostatní součástky v pouzdrech SMD [1]

26 26 FEKT VUT v Brně Obr Konektory SMD [1] Konektory - Jsou uzpůsobeny pro montáž plochých kabelů, případně ohebných plošných spojů a pro automatické osazování. Z toho důvodu je vyloučeno fixování konektoru na desku plošného spoje pomocí šroubů. Používá se systém západek, polohovacích kolíků, případně se konektory lepí. Provedení konektorů SMD je uvedeno na Obr Elektromechanické součástky a jejich provedení Všechny konektory, patice, propojky, přepínače musí být vyrobeny z plastické hmoty, která musí splňovat stejné podmínky teplotního namáhání jako pouzdra SMD součástek (260 o C po dobu 10s.). Jejich konstrukce a způsob upevnění na desku musí být takový, aby je bylo možno osazovat automaty Základy značení hodnot V současné době se ustálil systém značení SMD součástek, který je založen na třímístném případně čtyřmístném číselném kódu, který se kombinuje s písmeny podle toleranční řady. U klasického značení první dvě (tři) číslice udávají platnou číselnou hodnotu, poslední číslice je násobitelem (udává počet nul za číselnou hodnotou). Značení rezistorů - Desetinná čárka se značí u rezistorů symbolem R, nulová hodnota (vodivá propojka) se značí 00, nebo 000. Protože na malých pouzdrech je místo pro pouze dva znaky, používají někteří výrobci pro označení hodnoty v řadě písmeno a za ním následuje násobitel (číslice). Příklady značení rezistorů. Základní jednotkou je jeden ohm příklady značení 4,7 Ω... S0, nebo 4R7, nebo 4R70 47 Ω... S1, nebo 470, nebo 47R0 470 Ω... S2, nebo 471, nebo 470R 4700 Ω... S3, nebo 472, nebo Ω... S4, nebo 473, nebo Ω ( E148) Značení kondenzátorů - u keramických kondenzátorů hodnota na keramických čipových kondenzátorech většinou nebývá udávána, pokud jsou označeny, je značení podobné jako u rezistorů. Prvé dvojčíslí udává číselnou hodnotu, následující číslice je násobitelem. Odchylka

27 Mikroelektronické praktikum 27 je u číslice 8 (násobitel 0,01) a 9 (násobitel 0,1). Výsledná hodnota kapacity je v pf. Desetinná tečka se značí malým písmenem r, nebo se někdy používají písmena p, n, nebo µ. Příklad značení : 0,47pF nebo 0r47,nebo p47 4,7 pf nebo 4r7,nebo 4p7 47 pf pf ,7 nf (4700 pf) nebo 4n7 47 nf (47000 pf) nf ( pf) ,7 µf ( pf)...,...475, nebo 4µ7 Značení indukčností - Na pouzdrech, pokud to konstrukce dovoluje je uvedena hodnota induktoru a tolerance. Značí se pomocí číslic a písmen obdobně jako rezistory. Základní jednotkou pro značení je µh. Tolerance 10% a větší je značena písmenem M, tolerance 10% (někdy 5%) písmenem K a 5% písmenem J. Značení různých výrobců se však může odlišovat. Příklad značení : 1R5M ,5µH± 20% 0,015M ,015µH± 20% 151K..150 µh± 10% 1R5K...1,5µH±10% 1R5J.... 1,5 µh± Značení SMD rezistorů podle EIA-96 - Toto značení se v poslední době začíná používat zvláště u malých rezistorových pouzder. Označení obsahuje maximálně tři znaky. U tohoto značení má každá hodnota v toleranční řadě E96 (1%), E své pořadové číslo, násobitel je kódován velkým písmenem. Jednoprocentní resistory mají písmenový znak na konci, dvouprocentní a více mají písmenový znak na začátku. Značení je uvedeno v Tab. 3-3 a Tab Tab. 3-3 Značení jednoprocentních rezistorů podle normy EIA96 EIA 96- Odpory 1%. 2 a3 znak na součástce kód hodn. kód hodn. kód hodn. kód hodn. kód hodn. kód hodn znak násobitel znak násobitel F B 10 E A 1 D 1000 X nebo S 0.1 C 100 Y nebo R 0.01 Příklady : 22A = 165 ohm = 165R/1% 68C = ohm = 49k9/1% 43E = ohm = 2M47/1% 39X = 24,9 ohm = 24R9/1%

28 28 FEKT VUT v Brně Tab. 3-4 Značení dvou až desetiprocentních rezistorů podle normy EIA96 EIA96 - Odpory 2 až 10% - 2. a 3. znak na součástce 2% 5% 10% kód hodn. kód hodn. kód hodn. kód hodn. kód hodn znak násobitel znak násobitel F B 10 E A 1 D 1000 X nebo S 0.1 C 100 Y nebo R 0.01 Příklady : A55 = 330 ohm /10% C31 = ohm=18kohm /5% D18 = ohm = 510kohm/2% X60 = 82 ohm/ Pouzdra s vývody se spodní strany V současné době se na součástkovém trhu objevuje celá řada speciálních pouzder většinou s vývody ve tvaru pájecích plošek, nebo kuliček, které jsou vyvedeny nejčastěji na spodní části pouzdra. Těchto pouzder se vyskytuje obrovské množství provedení a tvarů. Pouzdra BGA (Ball Grid Array) konstrukčně vychází z pouzder PGA (Pin Grid Array), která mají drátové vývody umístěny pod pouzdrem. Pouzdro BGA má vývody realizovány kuličkami ( SBC - Solder Ball Connector ), případně válečky pájky ( SCC - Solder Column Connector). Na Obr je uveden princip konstrukce pouzdra BGA, včetně možného tvaru a provedení kuličkových přívodů. Přívody tvaru válečků jsou pružnější, používají se pro keramická pouzdra. Obr Pouzdro BGA Pouzdra BGA vykazují vynikající elektrické vlastnosti. Nevýhodou pouzder BGA jsou problémy s kontrolou pájených kuliček, které se nachází pod součástkou. Technologické

29 Mikroelektronické praktikum 29 podmínky při pájení musí zaručovat kvalitní zapájení. Jakékoliv dodatečné opravy pájeného spoje nejsou možné rovněž kontrola zapájení je velice obtížná. Pro kontrolu se používají nejčastěji diagnostické metody používající roentgenovo záření. BGA pouzder se vyrábí celá řada, dělí se hlavně, a) podle použité základní podložky (plastová BGA, keramická BGA), b) podle způsobu připojení polovodičového čipu, případně (plastová, P-BGA, T-BGA), c) podle velikosti čipu a podložky (klasická BGA, CSP) Každý typ je charakterizován svými specifickými elektrickými a mechanickými vlastnostmi, velikosti a cenou. Dále budou uvedeny základní typy. Na Obr jsou uvedena kontaktní pole pro nejčastěji používaná pouzdra BGA a CSP. Nejčastěji se kontaktní pole realizují ve čtyřech provedeních. Ve všech čtyřech případech se nejčastěji používá rozteč 1,5 mm,1,27 mm, 1,0 mm, 0,8 mm, 0,75mm, 0,5mm. Vývody pouzder jsou umístěny buď po celé ploše spodní části pouzdra, případně pouze po obvodové části pouzdra. Kontakty jsou přednostně realizovány po obvodu pouzdra, neboť při pájení je velice obtížné dosáhnout rovnoměrného teplotního profilu, pokud jsou umístěny ve střední části jsou využity pouze pro odvod tepla z čipu.. a) b) c) d) Obr Kontaktní pole BGA pouzder [1] Pouzdra P-BGA (Plastic,Ball Grid Array) - Provedení je uvedeno na obrázku Polovodičový čip je přilepen tepelně vodivým epoxydovým lepidlem na pozlacenou plošku na základním substrátu, kterým je nejčastěji skelný laminát FR4. Používá se laminát nejčastěji tloušťky 0,25 mm s měděnou vrstvou tloušťky 18 µm.

30 30 FEKT VUT v Brně Vývody z čipu jsou realizovány drátovými vývody bondováním na plošky v horní vrstvě a pomocí prokovených otvorů v základním substrátu jsou vyvedeny na spodní vrstvu, ve které jsou propojeny na pole kontaktních plošek, na kterých se realizuje propojení pomocí kuliček pájky. Obr Nákres pouzdra P-BGA [7] Použití stejného materiálu pro základní podložku jako je materiál desky plošného spoje vylučuje vznik pnutí a zvyšuje spolehlivost propojení. Použití stejného materiálu pro základní podložku jako je materiál desky plošného spoje vylučuje vznik mechanického pnutí a zvyšuje spolehlivost propojení. Pouzdra C-BGA (Ceramic Ball Grid Array) - V tomto případě je základním materiálem, na kterém se realizuje pole kuličkových vývodů keramika. Keramická podložka umožňuje realizaci vícevrstvých spékaných struktur nanášených sítotiskem obdobně jako při výrobě HIO. Vývody pro nakontaktování čipu (bondování ) a pro realizaci přívodů na spodní straně jsou elekrolyticky měděny, niklovány a nakonec pozlaceny. Pájka tvořící kontakt může mít tvar kuliček, nebo válečků pájených eutektickou pájkou, viz.obr Obr Princip a konstrukce pouzdra C-BGA a tvary přívodů [7] V případě keramické podložky se vyskytují problémy s pnutím, které vzniká po zapájení v důsledku rozdílných tepelných roztažností keramiky a základního materiálu plošného spoje. Pnutí, které po zapájení vyniká je možno zmenšit, výše uvedenou válečkovou" strukturou přívodů s vyšší pružností v kombinaci s použitím pájky s nízkým bodem tání. Pnutí ovlivňuje rovněž kovové víčko. Pouzdro T-BGA (Tape Ball Grid Array) - Vlastní polovodičový čip je připevněn technologií flip - chip na pružnou polyimidovou podložku. Polyimidová podložka má tloušťku 0.05mm a je oboustranně pokovena mědí. Jedna strana obstarává uzemění na, druhé straně je realizováno propojení. Stínění je velice účinné díky malé tloušťce mezi vrstvami. Vodivé

31 Mikroelektronické praktikum 31 propojení mezi vrstvami je realizováno prokovenými otvory. Flexibilní podložka je vyztužena kovovou vrstvou která je přilepena pružným lepidlem. Pouzdra T- BGA se osazují nejčastěji do pájecí pasty, která se nanáší šablonovým tiskem. Pouzdra T-BGA mají malou výšku (1,3mm případně 1,9mm s krycím víčkem ), provedení je uvedeno na Obr Obr Řez pouzdrem T-BGA [7] Pouzdro CSP - Patří mezi nejmodernější typy pouzder. Mají výhody Flip-Chip technologie, mnohem snáze se však osazují. Je možno jej najít v mobilních telefonech. Obr Řez pouzdrem µ-bga [7] Na Obr je uvedena konstrukce pouzdra firmy TESSERA pod obchodním názvem µ - BGA. Pouzdro obsahuje pružný polyimidový plošný spoj, ke kterému je pružným lepidlem přilepen polovodičový čip. Spojení mezi čipem a podložkou je realizováno pomocí zlatých pásků, které jsou připojeny termokompresí. µ - BGA pouzdro je typickým případem nejmenšího pouzdra, které je komerčně použitelné z důvodů přijatelné ceny. Za hlavní výhody těchto pouzder je možno považovat, - pouzdro může být teoreticky stejně velké jako polovodičový čip - čip v pouzdře se dá testovat a zahořovat - díky krátkým přívodům má pouzdro vynikající elektrické vlastnosti - v případě umístění chladiče na horní stranu se dosahuje velice účinného chlazení Na obrázku 3-41 jsou uvedeny konstrukce pouzder BGA a CSP od různých výrobců.

32 32 FEKT VUT v Brně Obr Současné konstrukce pouzder BGA [8] Pouzdra QFN (Quard Flat No-Lead) Pouzdra GFN - Dalším typem jsou pouzdra vyvinutá firmou Texas Instruments pod názvem QFN (Obr. 3-43) a jejich modifikace. Jedná se o plastové pouzdro vzhledově podobné μ-bga s ploškami umístěnými na spodní straně. Vývody jsou opatřeny plochými kontakty s povrchovou úpravou Ni, Sn, nebo NiPdAu a jsou určeny pro bezolovnaté pájení do pájecí pasty. Střední část pájecích plošek je určena pro chlazení. Pouzdra QFN se vyrábí se 14, 16, 20,24 vývody po všech stranách, nebo ve dvou řadách. Obr Konstrukce pouzdra QFN [9], [10]

33 Mikroelektronické praktikum Technologie výroby plošných spojů, materiály a povrchová úprava Při výrobě plošných spojů převažuji zvláště chemické procesy, jedná se o náročné a drahé technologie s přísnými požadavky na ekologii. V současné době neustále rostou požadavky na hustotu propojení, zmenšují se izolační mezery, průměry otvorů, zvyšuje se počet vrstev vodivého motivu.téměř vždy se vodivý motiv realizuje fotocestou, tedy osvitem fotomasky přes matrici. Pro výrobu ohebných a neohebných plošných spojů se používají podobné technologické postupy. V současné době se hlavně používají dále uvedené technologické metody Subtraktivní technologie výroby V tomto případě je jako základní materiál jednostranně, nebo oboustranně mědí plátovaný izolační materiál. Spoje se realizují odleptáním přebytečné mědi. Tato technologieje relativně levná. Mezi hlavní typy subraktivních metod patří metody, - metoda pattern plating - Vodivé cesty a otvory jsou na základním mědí plátovaném materiálu zesílené mědí, potom jsou pokoveny cínovým resistem, který po odstranění fotoresistu (stripování) tvoří ochranou vrstvu při leptání. Na Obr podle [1] je uveden technologický postup výroby touto metodou Obr Přiklad výroby dvouvrstvých desek plošných spojů metodou Pattern Plating Jak ukazuje obrázek, je třeba před galvanickým nanášením mědi otvor nejprve učinit vodivým. To se děje nanášením chemické vrstvy mědi po předchozí aktivaci povrchu.

34 34 FEKT VUT v Brně - metoda Panel Plating - v tomto případě se základní plátovaný materiál včetně vyvrtaných otvorů chemicky a galvanicky pokoví mědí, potom se po nanesení resistu chemicky leptá pouze obnažená měď v tomto případě není použita jako ochranná vrstva při leptání cínová vrstva, ale fotoresist. Postup výroby je podle [1] uveden na Obr Obr Přiklad výroby dvouvrstvých desek plošných spojů metodou Panel-Plating Aditivní technologie výroby plošných spojů V tomto případě se používá základní materiál bez měděné vrstvy. Vodivé cesty se realizují nanášením kovové vrstvy. Tato metoda přináší celou řadu výhod, mezi které patří nižší výrobní náklady, celý proces je ekologičtější, neboť odpadá proces leptání. Celý systém má nižší mechanické pnutí, které vzniká u subtraktivních technologií již ve stadiu výroby základního plátovaného materiálu. Rozšíření této technologie brání určitá omezení a technologické problémy. Žádná aditivní technologie není zatím schopna elektricky nahradit galvanicky nanášenou měď Výroba a konstrukce vícevrstvých desek plošných spojů Výroba vícevrstvých desek plošných spojů je odvozena od technologie výroby dvoustranných desek. Obecně je možno vícevrstvé spoje vyrábět buď postupným vrstvením izolačních laminátů a kovových vrstev na základní jádro, kterým bývá nejčastěji dvouvrstvá deska, nebo laminací dílčích tenkých dvoustranných desek. Celý technologický proces je velice náročný na přesnost sesazení vrstev. Motivy na jednotlivých vrstvách jsou spolu propojeny pomocí prokovených otvorů. Prokovené otvory mohou být, - průchozí přes celou tloušťku desky, - vnitřní slepé. V tom případě propojují pouze určitý počet vrstev, - slepé otvory. Otvor zasahuje z venkovní vrstvy částečně do vnitřních vrstev. Možné provedení prokovených otvorů je uvedeno na Obr

35 Mikroelektronické praktikum 35 Obr Prokovené otvory vícevrstvých desek plošných spojů [1] Povrchová úprava vodivých cest Desky plošných spojů je třeba povrchově upravit. Vhodná povrchová úprava zajišťuje chemickou stálost povrchu a s tím související dobrou pájitelnost. Tato vlastnost je zvlášť důležitá u desek s prokovenými otvory, kde se požaduje, aby po zapájení pájka navzlínala do prokoveného otvoru. Mezi nejčastěji používané technologie pro povrchovou úpravu patří. - Technologie HAL (Hot Air Levelling) v tomto případě se na povrch měděné vrstvy nanáší žárově vrstva pájky, nebo cínu. Deska se vertikálně ponoří do roztavené pájky a její přebytečné množství se odstraní horkým vzduchem. Tato metoda se používala pro nanášení eutektické pájky cín-olovo, dneska se používá výhradně bezolovnatá technologie nanášením cínu. Tloušťka pokovení bývá 10 až 50µm. - Při aplikaci technologie HAL je třeba dbát na to, aby se aplikoval až po vytvoření nepájivé masky. Pokud by byla vrstva pájky realizována pod nepojivou maskou hrozí vznik tzv. pomerančového efektu, který se projeví zdrsněním vrstvy s nepájivou maskou. Tato technologie se nejvíc používá, v některých případech může být na závadu horší rovinnost povrchu spojů. - Technologie OSP (Organic Solder Preservative) na očistěný povrch mědí se nanáší organické inhibitory oxidace zpravidla po tisku nepájivé masky. Tato metoda se používá převážně v Asii, zaručuje dokonale rovinný povrch, má nižší dobu skladovatelnosti, povrch se může poškodit zvýšenou teplotou - Chemicky nanášené vrstvy kovů jako jsou Ag, Ni, Au, Sn a další, případně kombinace několika vrstev. Při chemickém (bezproudovém) pokovení se vytvoří pouze tenká vrstva kovu (jednotky µm), jednotlivé plochy nemusí být spolu elektricky propojeny. Takto nanášené vrstvy bývají často porézní a mechanicky a elektricky nedosahují kvality galvanicky nanášených vrstev - Galvanicky nanášené vrstvy kovů (Ag, Ni, Au, Sn a další). Při galvanickém pokovování se kov vylučuje z roztoku solí na katodě při průchodu elektrického proudu. Vrstvy jsou homogenní, tloušťka vrstvy je dána dobou pokovení a velikostí proudu. V případě galvanického pokovení musí být všechny pokovované vrstvy galvanicky propojené. Tato metoda se používá na realizaci přímých konektorů, přepínačů na plošném spoji, kontaktovacích plošek aj. Použité kovy mohou vytvářet s pájkou křehké intermetalické slitiny, které snižují spolehlivost spojů. Z hlediska dosažení kvalitních povrchů se často aplikuje mezivrstva (např. před zlacením se povrch ještě nikluje.

36 36 FEKT VUT v Brně Pokud srovnáme pájitelnost jednotlivých technologií v závislosti na čase, nejlepší pájitelnost má HAL a galvanicky nanášené povrchy, u OSP a chemicky nanášený vrstev pájitelnost s časem výrazně klesá. Volba správného povrchu hraje velkou roli při bezolovnatém pájení. Vrstvy Ni, Au, a dalších kovů mohou při pájení vytvářet intermetalické slitiny, které mohou výrazně ovlivňovat spolehlivost pájeného spoje. Při používání bezolovnatých pájek s cínem se doporučuje používat cínový HAL Přehled používaných materiálů pro plošné spoje Materiály, které se používají jako nosná podložka je možno rozdělit na materiály organické a anorganické. Nejčastěji se používají organické materiály, které možno charakterizovat příznivými mechanickými vlastnostmi, snadným zpracováním a relativně nízkou cenou. Vždy se jedná vhodnou výztuž, (papír, skleněná vlákna, grafitová vlákna a další) která je vakuově impregnována organickým materiálem, kterým můžou být reaktoplasty (termosety), nebo termoplasty. Anorganické materiály se používají pro speciální konstrukce a jsou neohebné. Mezi nejčastěji používané patří korundová a beryliová keramika a keramika s nízkou teplotou zpracování (LTCC). Materiály na základě fenolických pryskyřic - Lamináty na základě fenolických pryskyřic jsou charakteristické dobrými elektrickými vlastnostmi (vyjma odolnosti vůči elektrickému oblouku) a nízkou cenou. Z toho důvodu se používají ve výrobcích levné spotřební elektroniky. Základní materiál (nejčastěji vrstvený papír) umístěný mezi měděné fólie se impregnuje ve vakuu fenol-formaldehydovou pryskyřicí. Tlakem a zvýšenou teplotou dojde k zesítění molekul a vzniká základní deska. Obsah pryskyřice se pohybuje v rozmezí 35 až 58 %. Při větším obsahu pryskyřice je materiál tvrdší a křehčí, což komplikuje vrtání, ražení otvorů a mechanické opracování desky. Proto se přidávají materiály, které snižují křehkost. Vyrábí se materiály s různou tvrdostí s označením podle doporučení NEMA (americké sdružení výrobců - National Electrical Manufactures Association). Tvrdost se rozlišuje symbolem X, P značí menší křehkost, kdy je možno razit otvory, PC označuje razitelnost za studena. Jedná se o materiály: XX Tvrzený papír, 35% pryskyřice, vysoká křehkost. XXP Stejný jako XX razitelný při zvýšené teplotě ( 93 až 121 o C ). XXX Tvrzený papír, 58 % pryskyřice podobné mechanické vlastnosti jako předchozí, vhodný pro radiové frekvence, dobrá rozměrová stabilita. XXXP Materiál razitelný za zvýšené teploty, použití do 10 MHz. XXXPC Vyšší izolační odpor, menší navlhavost, je razitelný za studena (21 až 49 0 C ). FR-2 Nehořlavá úprava typu XXXPC (Flame Resist), použití v spotřební elektronice Materiály s epoxidovou pryskyřicí - Epoxidovou pryskyřicí rozpuštěnou v rozpouštědle se impregnuje většinou skelná tkanina, případně papír, která se vysuší a nařeže na požadovanou velikost. Tím vzniknou tzv. prepregy. Tyto se vloží mezi měděné fólie. Potom následuje vytvrzování pryskyřice pod tlakem za přítomnosti katalyzátoru v lisech. Vytvrzená pryskyřice je stabilní, odolává kyselinám a zásadám, avšak při zvýšené teplotě měkne.

37 Mikroelektronické praktikum 37 FR - 3 Jedná se o laminát tvořený epoxidovou pryskyřicí a vrstveným papírem. Tento typ obsahuje látky, které zpomalují hoření. Má dobré elektrické vlastnosti, dá se snadno opracovávat. Vyznačuje se rozměrovou stálostí, malou nasákavostí a dobrou mechanickou pevností a je levnější jako FR4 (65% ceny FR4). Ostatní typy používají jako plnivo materiály na základě skelných vláken. G10 - Nejčastěji používaný materiál. Vyznačuje se dobrými elektrickými i mechanickými vlastnostmi. Použitá skelná tkanina a postup impregnace způsobuje značnou anizotropii vlastností ve směru os x, y a z. Je použitelný do frekvencí až 40 MHz. FR-4 - Nehořlavá varianta typu G10, která vznikne záměnou epoxidových funkčních skupin chlórem a brómem. G11 - Jedná se o nejkvalitnější a také nejdražší materiál. Základem je skelná tkanina a modifikovaný epoxid. Hůře se opracovává, ale, má vynikající tepelnou odolnost (po 1 hodině při teplotě 150 o C si zachovává 50% ní pevnost v ohybu ). FR Nehořlavá varianta G11. Ostatní materiály pro konstrukci plošných spojů - Materiály na základě polyimidů se používají polyamidovou pryskyřici se skleněnými vlákny. Tyto materiály mají vysokou teplotní odolnost díky vysoké teplotě skelného přechodu, která může dosahovat až 290 o C. Při realizaci prokovených otvorů jsou problémy s aktivací povrchu a přilnavostí měděné fólie k podložce. Polyamid má rovněž vysokou navlhavost a je drahý. Polyimid se používá pouze ve speciálních aplikacích. Materiály na základě polytetrafluoretylenu mají typové označení GX,GT. Jedná se o komposice se skleněnými vlákny. Vyznačují se vynikajícími elektrickými vlastnostmi, je možno je použít při vysokých frekvencích. Materiály jsou velice drahé a velice obtížně se z nich vyrábí vícevrstvé desky. Materiály s polyesterovými pryskyřicemi jsou relativně levné, jejich použití přináší problémy s kroucením a ohýbáním desky, obtížně se prokovují. Nejpoužívanější materiál je FR-6 což je skelná tkanina s výztuží a polyesterová pryskyřice. 3.5 Technologie montáže a pájení desek plošných spojů V současné době je stále nejrozšířenější montáž aktivních i pasivních součástek na desku plošného spoje. Nejčastěji se používá povrchová montáž, případně smíšená montáž. Plošný spoj bývá nejčastěji dvoustranný, případně vícevrstvý. Při návrhu desky plošného spoje je třeba znát budoucí používané technologie osazování a pájení, které mohou podstatně ovlivňovat topologii návrhu desky. Správná topologie návrhu (velikost a tvar pájecích plošek, šířka vodičů apod.) může mít podstatný vliv na množství a charakter defektů po osazení a zapájení desky.

38 38 FEKT VUT v Brně Používané technologie montáže Obr Používané techniky pro montáž [1] Na Obr jsou uvedeny nejčastěji používané způsoby montáže desek plošných spojů. Můžeme je dělit na, a) klasická montáž - v tomto případě jsou vývodové součástky připájeny ze strany spojů vlnou na jednostranný, dvoustranný, vyjímečně vícevrstvý plošný spoj, b) smíšená montáž pouze s jedné strany klasické i SMD součástky jsou připájeny pouze s jedné strany (strana součástek) na dvoustranný, výjimečně vícevrstvý plošný spoj. SMD součástky se pájí přetavením, klasické vlnou. c) smíšená montáž oboustranná - klasické i SMD součástky jsou připájeny s obou stran na dvoustranný, nebo vícevrstvý plošný spoj. SMD součástky jsou přilepeny, vlnou se současně zapájí SMD i klasické součástky.

39 Mikroelektronické praktikum 39 d) smíšená montáž oboustranná SMD - klasické i SMD součástky jsou připájeny s obou stran na dvoustranný, nebo vícevrstvý plošný spoj. SMD součástky ze strany klasických jsou pájeny přetavením, ze strany spojů jsou přilepeny, vlnou se současně zapájí SMD i klasické součástky. e) SMT montáž jednostranná - SMD součástky jsou připájeny na dvoustranný, vícevrstvý, výjimečně jednostranný plošný spoj. Deska se může pájet vlnou, případně přetavením f) SMT montáž oboustranná - SMD součástky jsou připájeny s obou stran na dvoustranný, nebo vícevrstvý plošný spoj. Deska se pájí vlnou, přetavením, výjimečně oboustranně přetavením Technologie pájení vlnou Jedná se o technologický postup používaný od roku 1950 pro pájení klasických součástek. Tato technologie se v současné době používá i pro pájení desek plošných spojů osazených SMD součástkami při smíšené i výhradně SMT montáži. Na rozdíl od pájení klasických součástek jsou součástky SMD umístěny na straně plošných spojů, která je umístěna směrem dolů k pájecí vlně. Proto je třeba součástky předem přilepit. Konstrukční uspořádání pájecí vlny je uvedeno na obrázku a neliší se v podstatě od pájecí linky pro klasické součástky. Obr Schéma pájení vlnou [1] Desky s plošnými spoji s nalepenými součástkami jsou umístěny na pohyblivý dopravník ve kterém se pohybují definovanou rychlostí jednotlivými pracovními zónami (Obr. 3-48). V první fázi se nanáší tavidlo, potom se deska předehřívá. Vlastní pájení se děje vlnou roztavené pájky. Někdy se umísťují dvě pájecí vlny za sebou (turbulentní a laminární) aby se zapájely všechny součástky. Strojní pájení vlnou může být vysoce efektivní při smíšené SMD montáži, kdy SMD součástky jsou umístěny se strany spojů, jsou přilepeny lepidlem a klasické vývodové součástky jsou umístěny z druhé strany. V tomto případě se jedním pájecím průchodem zapájí klasické i SMD součástky.

40 40 FEKT VUT v Brně Technologie pájení přetavením Technologický postup pájení přetavením je použitelný pouze pro SMT montáž. SMD součástky se osazují do pájecí pasty, celý systém včetně součástek se zahřívá nad teplotu tavení pájecí slitiny použité v pájecí pastě. Obr Schéma pájení přetavením [1] Schéma pájení přetavením je uvedeno na Obr Deska plošných spojů umístěná na dopravníku prochází teplotními zónami pro předehřev a pájení a chlazení. Pro ohřev desky se používají infračervené záření, konvekce horkým vzduchem případně inertním plynem nebo metoda kondenzačního pájení. V souvislosti s nárůstem BGA montážních technologií se v současné době preferuje ohřev konvekcí, nebo kondenzačně. V současné době se začíná stále častěji používat pájení v ochranné atmosféře. Používá se dusík, případně argon. Pájení v dusíkové atmosféře příznivě ovlivňuje smáčení pájky a výrazně snižuje množství oxidů a snižuje spotřebu pájky. Nabývá stále většího významu při používání bezolovnatých pájek Ostatní technologie pájení S rozvojem nových montážních technologií nabývají stále většího významu technologie pájení v parách a technologie pájení laserem. a) technologie pájení v parách se používala již dříve, v současné době nabývá stále většího významu s použitím ekologicky nezávadných pájecích kapalin. Pájení v parách využívá principu skupenského výparného tepla kapaliny. Pájená deska plošných spojů se ponoří do prostředí nasycených par inertní kapaliny určité teploty, která se blíží teplotě tavení pájky. Jakmile páry zkondenzují uvolní se teplo, které způsobí přetavení pájky. Na rozdíl od ostatních používaných pájecích technologií k ohřevu dochází bez vlivu geometrie prvku stejnoměrně a teplota nepřekročí nikdy teplotu varu kapaliny. b) technologie pájení laserem - pájením laserem je stále spíš ojedinělé, ostatní pájecí postupy spíše doplňuje. Pájení se děje vychylovaným laserovým paprskem, který postupně přetavuje pájecí místa. Používá se na pájení součástek, které jsou extrémně citlivé na teplo.

41 Mikroelektronické praktikum Technika ručního pájení (Starý) Ruční pájení se používá v případě výroby funkčních vzorků, nebo prototypů, nebo při opravách. Nikdy nedosahuje kvality, kterou dosáhneme strojním pájením. Může se pájet kontaktně horkým nástrojem, nebo do pájecí pasty přetavením. a) Při pájení kontaktně horkým nástrojem se používají hroty různých tvarů a velikostí, používá se mikropájka, nebo mikrokleště. Velice často se používá speciální pájecí hroty pro aplikaci minivlny. Výhoda této metody je menší tepelné namáhání součástky. Při demontáži je nutno dokonalý přenos tepla na vývody, jinak se vývod neprohřeje a pájka nepřetaví a hrozí utržení plošky při snímání součástky. Při ručním pájení se používá trubičková pájka s tavidlem průměru od 0,5mm do 2mm. b) Při pájení přetavením se nejčastěji ručním dávkovačem nanese na desku pájecí pasta, do které se osadí vakuovou pinzetou součástka. Pájecí pasta se přetaví horkovzdušným ručním nástrojem. c) Pro nanášení pájecí pasty se také někdy používají minišablony, kterými se nanese pájecí pasta na požadovaný motiv na plošném spoji. Po osazení se pájecí pasta přetaví horkým vzduchem. Další zásady při ručním pájení Je velice důležitý efektivní přenos tepla při optimálních pracovních teplotách. Cílem je dosažení co nejspolehlivějšího spoje volbou vhodného času a teploty. Pro eutektickou pájku Sn63/Pb s teplotou tání 183 C se doporučuje teplota hrotu asi o 80 C vyšší. Dále je nezbytné zvolit vhodný typ tavidla a pájecí slitiny v trubičkové pájce, zajistit dobrou pájitelnost spojovaných částí při respektování správné techniky ručního pájení. Během pájení je nutno zajistit prohřátí pájeného spoje a přidávání pájky přímo na pájené místo viz Obr Obr Správný a nesprávný způsob pájení V žádném případě nelze doporučit postup přetavení pájecí pasty hrotem pájedla. Tímto postupem není zaručeno dokonalé a rovnoměrné přetavení pájecí pasty v celém objemu Chemie v montážním procesu (Starý) Tavidlo urychluje smáčecí proces a tak napomáhá k vytvoření spolehlivého pájeného spoje. Má následující funkce,

42 42 FEKT VUT v Brně odstraňuje nečistoty a reakční produkty ze spojovaných povrchů a umožní tak pájce, aby se dobře roztekla - tj. fyzikální funkce, zlepšuje přenos tepla - tj. fyzikální funkce, odstraňuje oxidy ze spojovaných povrchů a brání jejich reoxidaci (tj. chemická funkce). Jedná se převážně o kapalnou, plynnou nebo pevnou látku, která při ohřátí zrychluje nebo podporuje smáčení pájených materiálů pájkou. Tavidla pomáhají za působení tepla odstranit z povrchu pájeného materiálu oxidy, nečistoty a chrání jej i proti oxidaci během procesu pájení. Reakce tavidla s oxidy zapříčiní zvýšení povrchového napětí a tím zlepšení smáčivosti. Přísady, pomocí kterých dosahujeme dobrých pájecích výsledků se nazývají aktivátory. Nejstarší typ tavidla je kalafuna - tj. přírodní pryskyřice, která se skládá zejména z organických kyselin. Tavidlo volíme zejména s ohledem na, pájitelnost součástek a DPS, způsob nanášení, vlastnosti pájecího zařízení i technologii pájení, snadnou odstranitelnost zbytků po pájení, pokud budeme čistit, nekorozivní zbytky se stabilním a vysokým SIR i ve vlhkosti po klimatických zkouškách (nebudeme-li čistit), minimální zbytky po pájení pro splnění náročných vzhledových kritérií, testování, zde hraje roli znečištění testovacích jehel. Základním požadavkem při výběru tavidla je zajistit spolehlivý pájecí proces s reprodukovatelnou kvalitou pájených spojů a s minimálním zbytkovým obsahem nečistot po pájení, které mohou způsobit v klimaticky náročnějších prostředích zhoršeni izolačních vlastností DPS příp. i korozi vývodů součástek a přerušení vodivých obrazců na DPS. V současné době nárůstá používání tavidel s nízkým obsahem těkavých složek (VOC) i bez obsahu VOC. V současné době se preferují bezoplachová tavidla na bázi přírodní i syntetické pryskyřice (Resin, Rozin). Pájecí pasta - je homogenní směs pastovité konzistence. Skládá se z práškovité pájky (65-96% hmotnostních), gelového tavidla (tavidlový nosič, aktivátor, rozpouštědlo) a reologických modifikátorů, viz. Obr Z hlediska chování se pájecí pasta řadí do kategorie viskózně-elastických kapalin a její chování je charakterizováno reologickými vlastnostmi (ty jsou podmíněny složením pasty). Pro různé aplikační techniky se volí rozdílné viskozity pájecí pasty. Největší viskozitu a tedy i největší podíl kovu má pájecí pasta určená pro šablonový tisk. Obr Složení pájecí pasty

43 Mikroelektronické praktikum 43 Prášková pájka - je charakterizována velikostí částic, jejich tvarem i typem pájecí slitiny. Prášková pájka se ve velké míře podílí na kvalitě tisku, roztékání i na smáčecích charakteristikách a předurčuje teplotu tavení. Kuličky pájecí slitiny jsou na Obr Nejčastěji se používá typ s velikostí kuliček od 25 do 45 µm. Pájecí slitiny se používají pro rozdílné zástavbové hustoty montážních a propojovacích sestav, často oboustranně pájených s různými typy pouzder. Jsou proto rozdílné i požadavky. Nejdůležitější jsou následující parametry, Obr Kuličky pájecí slitiny a) teploty liquidu a solidu, b) elektrická a tepelná vodivost, c) mechanická pevnost,a délková roztažnost (teplotní koeficient délkové roztažnosti - TCE), d) povrchové napětí slitiny (hraje klíčovou roli při smáčivosti a tudíž i pájitelnosti), e) kompatibilita s povrchovými úpravami, aj. Hmotnostní podíl kovu v pájecí pastě výraznou měrou ovlivňuje viskozitu pájecí pasty i teplotní změny viskozity (se vzrůstem kovového podílu se zmenšuje vliv teploty na viskozitu). Oxidy kovů musí být zastoupeny v minimální míře. Nevhodným skladováním i stárnutím pasty se zvyšuje jejich obsah. Oxidy kovů mají výrazně vyšší teploty tavení. Tavidlo - urychluje smáčecí proces a tak napomáhá k vytvoření spolehlivého pájeného spoje. Rozpouštědlo se podílí ve značné míře na zasychavosti pasty, preferují se rozpouštědla s nižšími tenzemi par (pomalejším odpařováním). Gelové tavidlo obsahuje zpravidla 60-70% pryskyřic a aktivátorů i 40-30% rozpouštědla. Tavidlo se ve velké míře podílí na chování pasty během tisku i po natisknutí, na smáčecích charakteristikách a na výsledné kvalitě pájeného spoje. Nová generace tavidel v pájecích pastách musí mít široké technologické okno při zpracování. Během pájení musí vykazovat konstantní a velmi dobré smáčecí charakteristiky s minimální závislostí na teplotě a času před vlastním přetavením. Reologické modifikátory Upravují reologické chování pájecí pasty. Reologické vlastnosti popisují změny v chování pájecí pasty, zejména změny v tečení a deformaci vlivem působících faktorů: tlaku při tisku, rychlosti pohybu stěrky, teploty aj. Pájecí pasta by se měla skladovat v chladničce při teplotách 2-6 C. Maximální doba skladování neotevřených zásobníků je 6-12 měsíců. Elektroizolační lepidla Používají se v případě pájení vlnou, když je třeba SMD součástky přilepit. Jedná se zpravidla o lepidla jednosložková, bezrozpouštědlová na bázi epoxidů nebo akrylátů, tixotropní, elektricky nevodivá s dielektrickou stabilitou, nekorozivní, chemicky stabilní, s dobrou lepivostí (adheze i koheze) i dobrou teplotní stabilitou (stálá viskozita při změnách teploty), netoxická. Lepidlo musí splňovat tyto aplikační požadavky, správná viskozita jak pro způsob nanášeni, tak i pro dostatečnou fixaci součástky před vytvrzením, výrazná barva pro optickou kontrolu, dlouhá skladovatelnost, odolnost vůči teplotám používaným při pájeni,

44 44 FEKT VUT v Brně snadné opravy Způsoby nanášení pájecích past a lepidel při technologickém procesu (Starý) Šablonový tisk, sítotisk a dispenze patří mezi nejrozšířenější metody pro nanášení pájecích past a lepidel. Zařízení se používají od nejjednodušších ručních ev. poloautomatických až po automatická začleněná do výrobních linek. Sítotisk se v tomto případě používá velice zřídka. Pro šablonový tisk se používají stejná technologická zařízení jako pro sítotisk. V rámu je upnuta kovová fólie s motivem pro požadovaný tisk materiálu. Těrka s nastaveným úhlem sklonu, konstantním přítlakem k šabloně se pohybuje konstantní rychlostí. Před těrkou se odrolovává pájecí pasta, nebo lepidlo případně jiný materiál. Část kinetické energie pohybující se těrky se předává pájecí pastě, která následně generuje hydraulický tlak a dochází k protlačení pájecí pasty aperturami v šabloně podle Obr. 3-53, přičemž pájecí pasta se stává tekutější a po natisknutí se viskozita natisknuté pasty vrací na původní hodnotu. Tloušťka natisknuté pasty (lepidla) v mokrém stavu koresponduje s tloušťkou šablony. Obr Princip šablonového tisku Pro spolehlivý proces tisku je nezbytná kvalitní šablona, kterou ovlivňuje 5 hlavních faktorů, druh a tloušťka materiálu, druh předlohy, velikost apertury, technologie výroby. Pro šablony zhotovované laserem nebo leptáním se používají fólie a plechy v tloušťkách 0,075-0,5 mm z nerez oceli, bronzi, niklové mosazi, ebeny i z plastu. Těrky se používají jak z nerezové oceli, tak i z polyuretanu (PUR). Preferují se těrky kovové, zejména z důvodu možnosti tisku menších rastrů i malé deformace. Sklon těrky je Dispenze (dávkování) - Pro dispenzi lepidla, pájecí pasty i pouzdřících materiálů se používají dávkovače (dispenzery). Ze zásobníku se dávkovací médium dostává do dávkovací jehly a poté na požadované místo na DPS. Dávkovače pracují na různých principech s rozdílnou

45 Mikroelektronické praktikum 45 reprodukovatelností dávkovacího procesu. Je vhodné eliminovat klimatické vlivy teplota, vlhkost), materiálové vlivy nerovnosti DPS ) i lidský faktor (dispenzery jsou ruční až plně automatické začleněné do výrobních linek). Základní principy dávkování jsou, a) dispenzery tlak/čas, b) dispenzery se šnekovým čerpadlem, c) lineární dispenzery viz.(obr. 3-54), d) Jet Printing metoda tryskového nanášení. Obr Lineární dispenzer Osazování SMD (Starý) Osazování SMD spočívá v odebrání součástky (Pick) za zásobníku, její vystředění a osazení (place) do lepidla, pájecí pasty nebo tavidla na DPS. U metody automatického osazení je tato operace provedena strojově. Pro poloautomatickou i automatickou metodu se zhotovuje osazovací program buď v samoučícím režimu, nebo se data generují přímo z návrhového systému. U ruční, nebo poloautomatické metody se odebírání součástky i její osazení provádí ručně. U osazovacího poloautomatu je odebíraná pozice indikovaná světelně nebo nastavením odebírací pozice, místo pro osazení SMD prvku na DPS je indikováno světelným paprskem. Pozornost je věnovaná osazovacím automatům, které jsou nabízeny v širokém sortimentu a jsou schopny na rozdíl od ručních zařízení osazovat větší výrobní série DPS výrazně levněji. Automaty jsou nenahraditelné také z hlediska přesnosti, zejména při osazování pouzder s malou roztečí (Fine Pitch) a malých pasivních součástek ( 0402, 0201 ) i z hlediska vyšší spolehlivosti. Osazovací automaty lze rozdělit podle principu odebírání a osazování podle Obr na tři základní skupiny, a) sekvenční systémy - osazovací hlavy postupně odeberou součástky a postupně osadí, b) simultánní systémy - osazovací hlavy současně odeberou součástky a současně osadí, c) simultánně/sekvenční kombinace předcházejících principů. Obr Principy osazování

46 46 FEKT VUT v Brně Existují tři základní systémy, které používají osazovací stroje. Jedná se o, a) kartézský systém, b) revolverový systém, c) plně paralelní systém. Každý osazovací stroj má své přednosti a nevýhody v závislosti na aplikaci. Kartézský systém (Obr. 3-56) nabízí větší pružnost a přesnost, ale nemůže dosáhnout takové rychlosti, jako zbylé dva způsoby. S přechodem na součástky s pouzdry QFP a BGA (Areaaray) se stává přesnost stále důležitější. X a Y souřadnice kartézského systému se určují s přesností 50um, tedy nejpřesněji ze všech tří systémů. Obr Kartézský princip osazovacího stroje Revolverový systém dosahuje relativně vyšších rychlostí díky mnoha stejným rotujícím hlavám viz. Obr Součástky jsou umísťovány, jakmile hlava dosáhne určitého bodu nad místem usazení. Pohyblivé zásobníky doručují součástky k hlavám, které odebírají a umísťují součástky na desku. DPS se pohybují pod hlavami a zastavují se ve správných pozicích, aby na ně mohly hlavy umístit součástky. Obr Revolverový systém

47 Mikroelektronické praktikum 47 Plně paralelní systém - Využívá série malých individuálních umísťovacích sekcí. Každá z nich má vlastní polohovací systém s připojenou kamerou a osazovací hlavou. Hlava má přístup k omezenému počtu pásků se součástkami a osazuje dané části několika desek současně. Revolverový a paralelní systém jsou příklady vysokorychlostních systémů. Rychlost osazování bývá u nejpřesnějších kartézských systémů souč./hod., u revolverových a u plně paralelních systémů souč./hod. 3.6 Opravy montážních celků (Starý) Dodatečná práce (Rework) - zahrnuje operace v montážním procesu, a to jak před procesem pájení (Pre-Soldering), tak i po procesu pájení (Post-Soldering). Množství dodatečné práce je nepřímo úměrné úrovni a zvládnutí technologického procesu. Úkolem dodatečné práce je odstranění kvalitativních nedostatků vzniklých v daném procesu. Oprava (Repair) - V tomto případě se jedná o výměnu nefunkční nebo poškozené součástky, oprava DPS. Opravy probíhají po procesu pájení, funkčního testování i vlastní servisní činnosti. Opravy dělíme do dvou oblastí: a) Opravy neosazených DPS. Jedná se většinou o opravy vodičů a pájecích plošek, pokovených otvorů a ochranných povlaků na DPS, b) Opravy osazených DPS. Demontáž a montáž součástek (výměna nefunkčních/mimotolerančních součástek) Opravy DPS osazených povrchovou montáží Fyzika přenosu tepla v technologii povrchové montáže je vcelku stejná jako u zástrčné technologie. Hlavní rozdíly jsou následující: 1) Vývody SMT součástek jsou menší. Dochází tím ke značné redukci plochy pájeného spoje často na 50%. 2) Výrazně menší je též objem pájky v pájeném spoji (2-10x). 3) Vývody a pájecí plošky SMT součástek jsou propojeny s vnitřními signálovými i zemnícími vrstvami a přenos tepla může být velmi rozdílný. 4) Pro zajištění bezpečných oprav musí být vývody zahřány současně. Jak v klasické, tak i v povrchové montáži závisí integrita i spolehlivost pájeného spoje na mechanické vazbě součástky se substrátem. Pokud se vytvoří špatný pájený spoj s nedostatečnou pevností v tahu i ve střihu, obvykle to vede k poruše během relativně krátké doby. Správná aplikace tepla však vytvoří strukturně silný pájený spoj s minimální intermetalickou vrstvou odpovídající kvalitnímu pájecímu procesu. Pájení se tedy musí provádět při takových časech a teplotách, které zajistí vysokou pevnost pájeného spoje. Zásady pro montáž i demontáž DPS - Na typické montážní desce je obvykle součástka určená k odpájení obklopena jinými součástkami. Pro bezpečnou demontáž vadné, nesprávně osazené/zapájené i mimo toleranční součástky je nutno respektovat následující zásady, a) součástku nepoškodit teplotně nebo mechanicky (včetně vývodů),

48 48 FEKT VUT v Brně b) teplotně ani mechanicky nepoškodit montážní plošky, korespondující plošky i plošné vodiče nebo základní materiál včetně nepájivé masky, c) vyhnout se nadměrnému ohřevu okolních součástek nebo pájených spojů nad 150 C, nebezpečí, d) respektovat zásady antistatické bezpečnosti (ESD i MSD) Přehled metod pro montáž a demontáž součástek SMD Demontáž SMD Používají se základní metody: a) Kontaktní metoda vyhřátým nástrojem. V tomto případě se teplo se na součástku přenáší ze speciálního vyhřívaného nástavce. Po roztavení pájky je součástka zvednuta a přidržena buď povrchovým napětím, nebo upevněním v čelistích či pomocí vakuové přísavky. Metoda je vhodná pro všechny typy pouzder. Minimálně jsou tepelně ovlivněny okolní součástky. Metoda je rychlá zejména pro čipové součástky. Je nutné zaškolení obsluhy pro demontáž větších pouzder. Hlavní zásady pro demontáž. Je nutno zajistit efektivní přenos tepla při co nejnižších pracovních teplotách pracovními nástroji s velkou tepelnou kapacitou a minimalizací doby teplotní expozice DPS i součástky. Při demontáži je nutno minimalizovat i působící sílu na DPS i na součástku. b) Bezkontaktní metoda horkým vzduchem/plynem. V tomto případě se vzduch přivádí ze speciální trysky/trysek na pouzdro součástky, nebo pouze na vývody. Po roztavení pájky se součástka demontuje. Metoda je vhodná pro všechny typy pouzder. Teplota v okolí nesmí překročit 150 C, aby nedošlo k rekrystalizaci pájeného spoje nebo poškození okolních součástek. c) metoda infračerveným zářením. Infračervené záření se fokusuje na odstraňovanou součástku. Po roztavení pájky se součástka demontuje.metoda je vhodná pro všechny typy pouzder. Použitím krátkých vlnových délek dochází k rozdílné absorbci tepla na různobarevném povrchu. Montáž SMD Používají se základní metody: a) Kontaktní metoda vyhřátým nástrojem. V tomto případě se teplo se přenáší na součástku z vyhřívaného pájecího hrotu.metoda je vhodná pro všechny typy pouzder, kromě BGA. Rychlý a spolehlivý proces montáže. Pro vícevývodová pouzdra typu PLCC, QFP aj. se používá tzv. minivlna, která simuluje dynamické vlastnosti pájecí vlny. Používá se trubičková pájka a pastovité tavidlo.hlavní zásady pro montáž. Efektivní přenos tepla při optimálních pracovních teplotách s vhodnými pracovními nástroji a minimalizací doby teplotní expozice DPS i součástky. Při montáži je nutno minimalizovat i působící sílu na DPS event. součástku. b) Bezkontaktní metoda horkým vzduchem/plynem. V tomto případě se vzduch přiváděným ze speciální trysky/trysek na pouzdro součástky, nebo jen na vývody. Používá se nejčastěji pájecí pasta selektivně nanesená na pájecí místa. c) Metoda infračerveným zářením. Infračervené záření se fokusuje na pájená místa s nanesenou pájecí pastou.

49 Mikroelektronické praktikum 49 d) Laserem. V tomto případě se infračervené laserové záření se přivádí na pájený spoj s nanesenou pájecí pastou nebo robotizovaně externě přidávanou trubičkovou pájkou. Pohyb laserového paprsku je nutno naprogramovat.metoda je vhodná zejména pro lokální pájení tepelně citlivých součástek i substrátů. Na pájený spoj se dostává přesně definované množství energie. Metoda poměrně drahá a používá se jen pro speciální aplikace. Všechny popisované metody jsou vhodné doplnit předehřevem ze spodní strany DPS. Používá se jak horkovzdušný předehřev, tak i infrapředehřev. Předehřev spodní strany DPS použít v případě. Nezbytný je předehřev pro demontáž a montáž pouzder BGA Opravy DPS osazených klasickou vývodovou montáží Obr Odpájení vývodové součástky Na opravy vadných spojů a odstranění zkratů se využívají klasické pájecí nástroje a technika pájení musí respektovat základní požadavek na zajištění bezpečných a účinných oprav, tj. efektivní přenos tepla při co nejnižších teplotách s pracovními nástroji s vysokou teplotní kapacitou. Při použití tavidla je vhodné opravované místo lokálně očistit. Na odstranění přebytku pájky z pájecích plošek, zkratů se používá pájedlo s odpovídající velikostí hrotu (minivlna), pájecí knot (měděné lanko napuštěné tavidlem) nebo odsávačka s odpovídajícím dutým hrotem (kónický nebo plochý). Při práci s odsávačkou je nutné při demontáži vývodových součástek používat hroty s přiměřeným vnějším průměrem, který koresponduje s velikostí pájecí plošky a s vnitřním průměrem korespondujícím s průměrem vývodu podle Obr Při odsávání je třeba s hrotem pohybovat podle obrázku.

50 50 FEKT VUT v Brně 4 Návrh desek plošných spojů (Šandera) Cíle kapitoly: Tato kapitola uvádí povšechný popis návrhu plošných spojů pro klasickou, povrchovou montáž, přehled používaných návrhových systémů s důrazem na návrhový systém EAGLE. Jsou zde uvedeny zásady návrhu kresby plošného spoje s ohledem na technologii pájení vlnou a přetavením, návrh nepájivé masky. Na závěr jsou uvedeny zásady pro efektivní návrh desky plošného spoje. Do pojmu návrh plošného spoje a příprava podkladů je možno zahrnout, a) zadání a odzkoušení návrhu, b) volba materiálu, v souladu s požadovanými elektrickými a mechanickým vlastnostmi kompletu, b) určení velikosti desky plošného spoje, c) volba použité montážní technologie, d) volba počtu propojovacích vrstev, e) vytvoření kresby jednotlivých vrstev a vzájemného propojení vrstev. Všechny uvedené zásady spolu souvisí a je třeba je posuzovat komplexně. Při návrhu je třeba zvážit cenu plošného spoje, kterou nejvíce ovlivňuje počet použitých propojovacích vrstev a případně použitý materiál. Příznivé ceny je možno dosáhnout při použití jednostranných desek bez prokovených otvorů. I když výrobní technologie jsou poměrně dokonalé, deska plošného spoje stále patří k nejvíce poruchové části elektronického zařízení, proto je třeba jí věnovat náležitou pozornost. Je třeba si rovněž uvědomit, že se téměř nikdy nepodaří zrealizovat úspěšný návrh na první pokus, vždy následují další etapy úprav. Kolik jich bude, to závisí na pečlivosti konstruktéra. Cena těchto úprav, která je ovlivněna výrobou nové dokumentace několikanásobně převyšuje cenu sériově vyráběné desky. Velice často se opomíjí simulace a praktické odzkoušení návrhu. Je vhodné si funkci navrženého zapojení odzkoušet s originálními součástkami na universální desce, případně si odsimulovat chování systému na počítači některým ze simulačních programů (SPICE, BOARD SIM apod.). Pro simulaci je třeba vytvořit na počítači schéma zapojení, které je ve většině případů použitelné i pro počítačový návrh DPS. Konstruktér by měl rovněž znát rozměr a konstrukci desky, rozměry pouzder použitých součástek a jejich typ. Teprve po těchto krocích je možno přistoupit k návrhu plošného spoje. Jakékoli dodatečné změny jsou obtížně realizovatelné a přináší problémy Metodika návrhu plošného spoje Při výrobě plošného spoje se nejčastěji používají pro realizaci kresby propojení, ochranné vrstvy, potisku a dalších vrstev fotolitografické metody, proto je třeba vždy vytvořit filmovou předlohu. Otvory se vždy vrtají strojově souřadnicovou vrtačkou, z toho vyplývá potřeba dat pro vrtání. Časově nejnáročnější operací zvláště při ručním návrhu je vytváření propojovacích vrstev. Dříve se návrh realizoval ručně, dnes je to pomocí počítače (CAD systémy). Před návrhem propojení je třeba stanovit velikost desky, umístit součástky na desku v souladu se zásadami uvedenými dříve a propojit je v předem definovaném počtu

51 Mikroelektronické praktikum 51 vrstev tak, aby se spoje nekřížily. Při nejčastěji používaném způsobu kreslení pomocí počítače používáme levné kreslící programy, které nahradí pracné ruční kreslení na papíře, např. program PCGERBER, který umožní kreslit, případně zobrazit kresbu přímo v datovém souboru GERBER. Dále je k disposici celá řada návrhových programů CAD. Nejčastěji používají při rozmísťování součástek následující metody. - Metoda schématu, jedná se o metodu která je uvedena na Obr V tomto případě vycházíme při rozmísťování ze schématu, po zásadním rozmístění součástky vhodně posouváme tak, abychom vhodně vyplnili prostor. - Metoda konektorů, v tom případě nejprve umístíme vstupní a výstupní konektory a snažíme se vyplnit prostor mezi nimi. - Metoda centrální součástky, součástky jsou postupně kladeny kolem většinou nejsložitějšího IO. Při počátku návrhu si většinou stanovíme velikost desky včetně upevňovacích otvorů (Obr. 4-1b), pokud to není nezbytně nutné požadavky na konstrukci zařízení, je výhodné si přesné rozměry stanovit až na konec. Při rozmísťování součástek je třeba respektovat elektrické i mechanické zásady návrhu, většinou je nejlépe vycházet z rozmístění podle schématu (Obr. 4-1c), v dalším kroku se snažíme posuvem součástek optimálně využít prostor (Obr. 4-1d). Obr. 4-1 Metodika rozmístění a propojení součástek [1] Struktura návrhového systému CAD Návrhových systémů je k disposici celá řada. Jedná se o speciální systémy pro plošné spoje, nebo je návrhový systém součástí komplexního grafického systému.. Mezi nejznámější návrhové systémy pro plošné spoje patří programy PADS, EAGLE, ORCAD,

52 52 FEKT VUT v Brně REDCAD, INTEGRA, MENTOR GRAPHIC, z našich potom FORMICA, LSD2000, FLY a další. Návrhový počítačový systém se většinou skládá z následujících funkčních bloků, které jsou tvořeny samostatnými programy, nebo jsou součástí jediného programu. Jedná se o, - editor pro kreslení schémat, - editor pro kreslení spojů, - autorouter, - knihovny pouzder, symbolů a součástek, - programy pro tvorbu technologických výstupů, - programy pro tisk, - další pomocné programy. Editor kreslení schématu (Schematic Editor) - Tato část systému slouží pro vytvoření schématu navrženého zapojení. Schéma je možno sestavovat z pevně nadefinovaných prvků vybíraných z knihovny, nebo je vytvářet individuálně. Umožňuje vytvářet sběrnicovou strukturu zapojení, označit popisem jednotlivé součástky a části zapojení. Editory mohou pracovat v několika pracovních vrstvách, které jsou od sebe barevně odlišeny. Kreslí se pomocí myši. Program umožňuje vybírání prvků z knihovny, jejich rotaci a přemísťování po pracovní ploše, kreslení definovaných šířek čar a velikostí ploch, definici rastru (palcová i metrická míra), vkládání alfanumerických symbolů, mazání, rotaci, zrcadlení, změnu měřítka, zobrazování, definovaných pracovních vrstev apod. Součástí editoru schémat je i automatická kontrola chyb elektrického propojení (zkraty výstupu proti zemi a napájení, zkraty napájení, propojení výstupu navzájem, neošetřené vstupy a výstupy apod.). Je většinou uzpůsoben tak, aby vylučoval při popisu možnost chyb a neurčitostí ( nelze označit dvě součásti stejně ). Schéma zapojení je možno použít buď samostatně, nebo jej použít pro návrh DPS. Dá se z něj většinou vytvořit rozpiska součástek. Editor kreslení spojů (Layout editor) - Umožňuje po umístění pouzder součástek vybíraných z knihovny do pracovního rozměru desky (pokud nepoužijeme autorouter), ručně vytvářet kresbu desky plošného spoje vodiči definované šířky. Ruční tvorbě vodičů předchází tvorba tzv. "gumových " vodičů, které definují přímočaré propojení pouzder. Ruční návrh předpokládá mít připraven ruční nákres kresby plošného spoje (nemusí být ve skutečném měřítku) podle předchozí kapitoly. Součástí editoru bývá stejně jako u kreslení schémat kontrola správnosti geometrie návrhu, což jsou kontroly izolačních vzdáleností mezi spoji, použitých rozměrů pájecích ploch, vrtání, šířky spojů, lze provést kontrolu umístění v rastru, úhlů, spojů, zkratů a celou řadu dalších funkcí. Autorouter - Jedná se o program, který automaticky navrhne plošný spoj tak, aby se vodiče nekřížily za dodržení předem definovaných podmínek návrhu (definované vzdálenosti mezi spoji, velikost a tvar plošek apod.). Pracuje většinou ve více etapách tzv. průchodech. V prvních průchodech pokládá spoje a v dalších průchodech optimalizuje propojení ( kromě jiného redukuje počet průchodů mezi vrstvami, odstraňuje zlomy atd.). Téměř vždy je možno jeho činnost přerušit a ručně zasáhnout do návrhu. Předem ručně nadefinované spoje autorouter nemění ( např. zemnění, choulostivé spoje z hlediska rušení, vazeb apod.). Autorouterů se vyskytuje velké množství. Výsledná kvalita návrhu nezávisí pouze na jeho dokonalosti, je také do značné míry ovlivněna úrovní přípravy podkladů (rozmístění a volba součástek a další) Výsledkem práce autorouteru je návrh spojů na úrovni

53 Mikroelektronické praktikum 53 několikadenní práce zkušeného vývojáře. Při návrhu velmi složitých desek s velmi jemným rastrem trvá návrh i několik hodin a výsledkem je kvalita propojení, kterou lze těžko ručně dosáhnout. Konečný výsledek je v každém případě ovlivněn tvořivou činností člověka. Jako příklad si uveďme autorourer SPECTRA americké firmy Cooper Chyan Technology, což je samostatný program pracující bezrastrově ( Gridless ), nebo NEUROROUTE, který patří do skupiny samoučících se programů. Knihovny pouzder, symbolů a součástek - Knihovna je samostatná část programu, ve které jsou uchovány používané tvary pouzder, symbolů a součástek, případně další často používané části. Pouzdro - jedná se o schématický nákres skutečného provedení pouzdra součástky včetně pájecích plošek umístěných ve správné rozteči. Symbol - jedná se o schématickou značku (odpor, kondenzátor, transistor, hradlo NAND apod), v podobě v jaké ji chceme mít na schématu. Součástka - prvek v knihovně, ve kterém je jednoznačně, zadefinováno přiřazení přívodu pouzdra k danému symbolu. Součástka může obsahovat více stejných symbolů. Např. součástka SN 7400 tj. čtveřice, dvouvstupových, hradel NAND má, připojeny, vstupy, a výstupy jednotlivých hradel na definované přívody pouzdra DIL 14. Knihovny standardních prvků jsou většinou součástí každého návrhového systému. Při jeho používání je třeba počítat s tím, že téměř vždy je nezbytně nutné je doplnit o vlastní používaná pouzdra, symboly a součástky. Ve většině případů způsob kreslení prvků dodávaných v knihovně návrhového systému odpovídá normám a zvyklostem země, ve které program vznikl. Konstrukční podklady pro výrobu desky - V případě, že máme k disposici soubor desky plošného spoje vytvořený návrhovým systémem, je možno zobrazením patřičné vrstvy a následně pomocí převodních programů vytvořit soubory nutné k výrobě DPS. Mezi podklady pro výrobu DPS patří, - kresby nepájivé masky, - soubory soubory kresby spojů DPS (jednotlivé vrstvy), - soubory kresby popisu, - soubory pro vrtání, - soubory pro ostřih (pokud se nepoužívá technologie ražení). Pro výrobu DPS, nebo šablony je třeba zhotovit transparentní předlohu (matrici, klišé) pro exposici použitých fotoresistů. Matrice se zpravidla zhotovují vykreslováním na fotoploteru, tj zařízení, které na fotografický film vykresluje světelnou stopou motiv kresby. Pro fotoplotery je nejpoužívanější datový formát GERBER. Jeho základní strukrura bude popsána dále. Pro kresbu spojů a popis se matrice vykresluje positivním způsobem, tzn., že vodivé čáry a plochy jsou černé. Matrice pro nepájivou masku je kreslena zpravidla negativním způsobem tj. že místa, kde nepájivá maska nebude jsou černá. Při použití programu je možno zadat velikost přesahu ploch bez nepájivé masky přes pájecí plochy. Pro zhotovení souborů pro vrtání a ostřih DPS ( pokud se používá numericky řízených strojů ) bývají součástí návrhového systému programy určené pro specifická zařízení, které vygenerují patřičný soubor. Soubory mohou být samostatně pro pokovené a montážní otvory.

54 54 FEKT VUT v Brně Výroba filmové matrice Matrice slouží k osvětlení fotocitlivých vrstev při výrobě desky plošného spoje. Musí být zhotovena tak, aby filmová vrstva ležela na fotocitlivé vrstvě na plošném spoji tak, jak ukazuje následující Obr V dnešní době se se realizuje výhradně na fotoploteru, jako náhražky se mohou používat laserové tiskárny. Při návrhu jemných spojů a velkých desek je třeba uvažovat s délkovou roztažností s teplotou. Každá vrstva kresby plošného a vrstva nepájivé masky má svoji předlohu. Případný text umístěný na desku vyloučí zrcadlové otočení následně zhotovené filmové matrice při osvitu. Je zřejmé, že celkový počet navržených předloh a filmových matric musí odpovídat počtu vrstev zhotovených na plošném spoji fotocestou při osvitu.. Obr. 4-2 Správné umístění filmové matrice při osvitu Příklad: Pokud si uvedeme jako příklad výrobu oboustranného plošného spoje s nepájivou maskou a potiskem po obou stranách je třeba navrhnout a zhotovit, a ) dvě matrice pro výrobu kresby spojů b ) dvě matrice pro výrobu nepájivé masky c ) dvě matrice pro výrobu potisku Celkově se tedy jedná o celkem 6 filmových matric. Materiály použité jako základní materiál filmu musí mít minimální délkovou roztažnost při změnách teploty a vlhkosti, jinak hrozí zvláště při realizaci velkých desek vznik nesymetrie otvorů a plošek. Dále je třeba posuzovat, - křehnutí materiálu při dlouhodobém skladování, - pružnost a odolnost vůči prasknutí, - transparentnost, - hořlavost (hledisko bezpečnosti při skladování), - náchylnost na vznik elektrostatického náboje (ulpívání prachu), - stabilita rozměrů. Pokud předlohu vyrábíme jinak než fotografickou cestou je třeba navíc ještě uvažovat, - odolnost vůči zvýšené teplotě, - schopnost ulpívání barvy na povrchu, Tyto vlastnosti jsou zvlášť důležité při náhražkovém tisku pomocí laserových tiskáren. Nejčastěji používané materiál s malou změnou rozměrů s teplotou a vlhkostí jsou polyestery.

55 Mikroelektronické praktikum Návrhový systém EAGLE Na Obr. 4-3 je uveden postup návrhu plošného spoje a jako příklad je uveden návrhový systém EAGLE německé firmy CADSOFT. Jedná se o program, který se vyznačuje dobrým poměrem cena výkon, patří mezi jednodušší a tudíž levnější programy. V Německu je považován za výukový standard. Obr. 4-3 Postup návrhu desky plošného spoje s struktura návrhového systému EAGLE [1] Postup návrhu desky pomocí návrhového systému EAGLE Na následujících Obr. 4-4a,b,c je uveden postup návrhu desky plošného spoje v návrhovém CAD programu EAGLE. Gumové vodiče na obrázku b) se samy vytvoří, pokud pro kreslení schématu použijeme knihovní prvky typu Device, pokud použijeme pouze knihovní prvky typu symbol musíme pružné spojení sami realizovat podle schématu. Znalost mechanických a topologických faktorů a zásad, které mají vliv na snadnou vyrobitelnost elektronické desky, které ovlivňují její spolehlivost a případnou opravitelnost jsou velice důležité pro úspěšný návrh. Úspěšný návrh je závislý na použité technologii osazování, pájení, typu a provedení součástek a konečný výsledek závisí také na samotném výrobci neosazené desky. Celková kvalita a charakter návrhu ve značné míře závisí na individualitě a zkušenostech návrháře. Proto nelze jednoznačně definovat správný návrh, je možno uvést obecné zásady, které je třeba dodržet, aby byl návrh správný. Například provedení a rozměry plošek se podle jednotlivých výrobců součástek značně liší. Uvedená pravidla je třeba chápat jako orientační návod pro správný návrh.

56 56 FEKT VUT v Brně a) Schéma zapojení b) Před rozmístěním součástek c) Po rozmístění součástek d) Po routování vodičů (ručně, nebo automaticky), dvě vrstvy Obr. 4-4 Pracovní obrazovky při návrhu dvouvrstvé desky Znalost mechanických a topologických faktorů a zásad, které mají vliv na snadnou vyrobitelnost elektronické desky, které ovlivňují její spolehlivost a případnou opravitelnost jsou velice důležité pro úspěšný návrh Tvar a provedení desky plošného spoje Konstrukční návrh a provedení desky plošného spoje je velice důležitým faktorem, který ovlivňuje problémy, které mohou nastat při technologických operacích, jako je pájení, nanášení pájecí pasty, testování apod. Tloušťka a velikost desky - Je třeba dodržet správný poměr velikosti a tloušťky desky. Pokud má deska plošného spoje s ohledem na svoji velikost malou tloušťku, dochází k rezonanci desek vlivem otřesů při provozu, zvláště v případě pokud jsou na desce umístěny těžké součástky. V případě příliš tenkých desek se vyskytnou problémy při pájení vlnou. Je třeba počítat s tím, že se ohřevem značně sníží pevnost materiálu, příliš tenké desky se mohou vlivem

57 Mikroelektronické praktikum 57 zvýšené teploty při pájení prohnout. Tento problém je ještě výraznější při realizaci multipanelů. Možná řešení multipanelů jsou uvedena na Obr Při návrhu malých desek nepoužívat pokud to není nutné, tenký laminát, při ručních opravách dochází v důsledku špatného odvodu tepla k lokálnímu přehřátí materiálu a k delaminaci měděné fólie. V případě, že velikost DPS je malá (do velikosti přibližně 100 x 100 mm), se umísťuje několik stejných motivů na jednu větší desku a vytváří se multipanel. (Všechny technologické operace, případně i oživování se provádí pokud jsou plošné spoje v multipanelu. Je třeba zajistit, aby po ukončení všech technologických operací bylo možno jednotlivé hotové DPS snadno rozdělit. K tomu účelu se používá drážkování, nebo frézování. Tloušťka měděné fólie - Pro běžné provedení plošných spojů používáme nejčastěji Cu fólie tloušťky 1 oz/ft 2 (přibližně 35 µm). Cu fólii tloušťky 0,5 oz/ft 2 (přibližně 17 µm) používáme pro konstrukci velice jemných spojů, protože se silnější měděná fólie podleptává. Fólie 1,5 oz/ft 2 ( přibližně70 µm) používáme v případě konstrukcí, které vyžadují velkou proudovou zatížitelnost vodičů, nebo odolnost vůči otřesům (automobilový průmysl). Obr. 4-5 Možná provedení multipanelů [1] Vzdálenost mezi součástkami a jejich vzájemné umístění Všechny součástky umístěné na desce plošného spoje musí mít mezi sebou dostatečné vzdálenosti, aby je bylo možno bez problémů vyměnit, případně testovat. Je třeba věnovat pozornost celkovému vyzářenému teplu, aby nedocházelo k přehřívání desky. Tato okolnost je důležitá především u povrchové montáže, u které vzhledem k malé velikosti součástek hrozí nebezpečí překročení ztrátového výkonu. Při pájení vlnou se nesmí součástky umísťovat příliš blízko sebe, minimální doporučovaná vzdálenost okrajů pájecích plošek je pro diskrétní součástky (čipové, MELF, SOT ) 1 až 2 mm. Součástky umísťujeme ve směrech vzájemně kolmých, výjimku tvoří vysokofrekvenční konstrukce, kdy je možno součástku umístit tak, aby byly přívody co nejkratší. Je vhodné důsledně dodržovat shodnou orientaci polarizovaných součástek (elektrolytické kondenzátory, diody, IO ). V případě, že se nám to u všech součástek nepodaří, je vhodné stejnou orientaci zcela zrušit, abychom při ručním osazování a opravách předešli chybám.

58 58 FEKT VUT v Brně Při návrhu je třeba si uvědomit, zda izolace na součástce má charakter povrchové ochrany, nebo elektrické izolace. V prvém případě se součástky nesmí vzájemně dotýkat (např. lakované rezistory se nesmí dotýkat, součástky v plastových obalech ano). Zcela specifická je situace u povrchové montáže. Zvláště důležitá je správná vzdálenost a orientace součástek při pájení vlnou, určitou roli hraje rovněž při pájení přetavením. Při návrhu desky, na které se vyskytují SMD součástky je ideální, pokud je známa technologie pájení. Tomu je třeba optimalizovat návrh včetně rozmístění součástek. SMD součástky se umísťují vždy tak, aby se vzájemně nedotýkaly. V případě pájení vlnou jsou SMD součástky přilepeny lepidlem, které odolává krátkodobě teplotě roztavené pájky. Deska se pohybuje pomocí dopravníku a je smáčena vlnou roztavené pájky. Vzdálenost součástek, jejich orientace při pájení vlnou ovlivňuje vzájemnou vzdálenost pájecích plošek (tzv. footprint ) a má podstatný vliv na tvorbu pájecích můstků při pájení. Pro pájení vlnou je třeba dodržovat při umísťování součástek následující pravidla, - vzájemné vzdálenosti okrajů pájecích plošek součástek se doporučují aspoň 2 mm, vzdálenosti je třeba vyzkoušet, záleží na tvaru použité pájecí vlny, - je třeba se vyvarovat vzájemného zastínění součástek, velikost stínového efektu závisí na typu pájecí vlny. Velikost stínového efektu závisí na typu pájecí vlny, systémy s turbulentní vlnou dovolují menší vzdálenosti mezi součástkami, - pouzdra PLCC pro svoji velkou výšku a nevhodný tvar vývodů se pájet vlnou nedoporučuje, - desku je třeba navrhnout tak, aby byl aspoň na třech stranách dodržen okraj aspoń 5mm bez součástek, aby byly možno desku umístit do pájecího rámečku, a případně umístit hradící lištu Kresba plošného spoje Při návrhu kresby plošného spoje je třeba dodržovat určité obecné zásady a doporučení. Charakter návrhu ovlivňuje mimo dalších okolností také použitá technologie pájení, proti je vhodné ji předem znát. Doporučené tvary a umístění vodičů mezi ploškami a ohledem na minimalizaci defektů při výrobě desky plošného spoje a s ohledem na minimální výskyt můstků pro strojní pájení jsou uvedeny na Obr Zásady návrhu vodičů a pájecích plošek lze shrnout do několika základních bodů, - vodiče spojovat pod úhlem menším jako 90 o. Ostré úhly způsobují "nedoleptání" spoje, - vodiče by měly být vedeny tak, aby vzdálenost mezi nimi byla co největší, - v případě průchodu několika vodičů mezi ploškami je třeba z dodržovat stejné vzdálenosti, - v případě spojování plošek je třeba je propojit úzkým vodičem,

59 Mikroelektronické praktikum 59 Aby se zabránilo jevům způsobeným odvodem tepla a snížilo mechanické namáhání, měly by se velké vodivé plochy rozčlenit mřížkovým šrafováním. V případě pájení vývodových součástek na velké plochy (např. elektrolytické kondenzátory u zdrojů), je vhodné oddělit pájecí plochy tepelnou bariérou. Při volbě šířky je třeba počítat s podleptáním vodiče, pro tloušťku měděné fólie 35 µm je podleptání přibližně 10 až 20 µm. Kontaktní ploška kolem otvoru by měla být co největší. Obecně platí, že neprokovené otvory vyžadují větší pájecí plošky. Pokud se předpokládá zaplnění průchozího otvoru pájkou, není třeba u vícevrstvých desek dělat pájecí plošku. Obr. 4-6 Doporučená kresba vodičů a pájecích plošek [1] Pájecí plochy pro SMT montáž pájecí plošky musí být propojeny tenkým vodičem, nejlépe vedeným ve směru podélné osy a to i v případě realizace testovacího, nebo pájecího bodu pro vodič. Zúžení vodiče omezuje nežádoucí odvod tepla z plošek a v případě, že na nich není nepájivá maska dochází při pájení přetavením k nežádoucímu roztékání pájky, které může způsobit posuv součástek. Příklady správného propojení jsou uvedeny na Obr Obr. 4-7 Správné propojení plošek pro SMT [1] Pájecí plošky pro SMD součástky v případě pájení přetavením Plošky pro pájení přetavením se navrhují menší a jsou umístěny více pod přívody součástek. Jejich návrhu je třeba věnovat náležitou pozornost, zvláště při návrhu pro čipové součástky. Součástky nejsou

60 60 FEKT VUT v Brně přilepeny a síly povrchového napětí, které vznikají v okamžiku přetavení pájecí pasty mohou součástkou pohybovat. Dále jsou uvedeny příčiny pohybu součástek a některé nežádoucí jevy. Tombstoning efekt - velikost a umístění pájecích plošek vzhledem k přívodům zvláště u čipových součástek podstatně ovlivňuje pravděpodobnost tzv. Tombstoning jevu. jev náhrobní kámen (někdy také Manhattan, Stonehenge, Drawbridge). Součástka se může na jedné straně nazvednout (Obr. 4-8 ), případně zcela postavit na hranu. Tento jev ovlivňuje kromě tvaru a rozmístění pájecích plošek především pájecí profil, kvalita pájecí pasty a pájitelnost přívodů a plošek. Obr. 4-8 Tombstoning efekt Pájecí plošky pro SMD součástky v případě pájení vlnou - Pro pájení vlnou, kdy je součástka přilepena a proto se nemůže samovolně pohybovat, se defekty v důsledku chybného návrhu mohou projevit pouze jako nezapájené spoje, případně nežádoucí můstky mezi ploškami, Dále jsou uvedeny zásady pro návrh při pájení vlnou. Pájecí plochy se navrhují s větším přesahem ( délkou) vůči přívodům součástek. Jsou-li příliš krátké, nemusí z důvodu stínového efektu vůbec dojít k připájení přívodu tak, jak ukazuje Obr. 4-9a pro pouzdro SOT 23. V tomto případě roztavená pájka nedosáhne na pájecí plochu a proto nemůže vlivem povrchového napětí dojít k rozlití pájky. Aby se zmenšilo množství lepidla při pájení čipových součástek, umísťuje se pod součástku slepá plocha, která zmenšuje mezeru pod součástkou (Obr. 4-9b). Obr. 4-9 Doporučená kresba pro součástky SMD v případě pájení vlnou [1]

61 Mikroelektronické praktikum Kresba nepájivé masky Pro strojní pájení navrhujeme vždy nepájivou masku, která omezuje množství zkratů. Možná provedení nepájivé masky pro klasické desky plošných spojů je uvedeno na Obr V případě pájecích plošek pro integrované obvody v SMD provedení je nezbytně nutné individuální přístupové okno, pokud je mezi ploškami veden vodič. Toto platí pro provedení klasických desek i desek pro SMT. Obr Návrh nepájivé masky [1] Průchody mezi vrstvami plošného spoje (Vias) je možno zakrýt nepájivou maskou, případně se nechávají nezakryté, aby se při pájení vlnou zaplnily pájkou kvůli zvýšení spolehlivosti prokovu. V tom případě není třeba vytvářet kolem otvoru pájecí plošku. Není vhodné je umísťovat pod pouzdro součástky, při pájení vlnou tavidlo navzlíná pod pouzdro a obtížně se odstraňuje. V případě, že je nutné je umístit pod součástku je třeba je zakrýt nepájivou maskou.

62 62 FEKT VUT v Brně Návrh kresby pro BGA Návrh plošných spojů které používají pouzdra BGA téměř vždy vyžaduje vícevrvstvý plošný spoj, se dvěma vrstvami většinou nevystačíme. Problémy se vyskytují při vyvedení vnitřních kontaktů, které je nutno realizovat ve více vrstvách. V současné době zvláště při návrhu desek plošných spojů pro pouzdra CSP se návrhář dostává již do oblasti velice jemných motivů (mikrovia). Realizace takového plošného spoje je velice drahá. Velice často již nestačí povrchová úprava HAL je a je třeba použít jinou technologii. Tvar pájecích plošek na desce plošného spoje se navrhuje nejčastěji jako kruhový, někteří výrobci doporučují i jiné tvary (Obr. 4-12). Přesah nepájivé masky přes kovovou plošku zvyšuje mechanickou pevnost plošky na základním materiálu. Při návrhu se doporučuje pravidlo, že průměr plošky by měl být 60 až 80% průměru kuličky, avšak některé prameny [22] doporučují s důvodů minimalizace mechanického pnutí stejný průměr kuličky i pájecí plošky. Obr Geometrie vedení vodičů a normalizovaná propojka [1] Obr Tvary pájecích plošek pro BGA [1]

63 Mikroelektronické praktikum 63 Propojení pájecích plošek - Na Obr. 4-11a je uvedena geometrie při návrhu propojení vodičů mezi kruhovými ploškami. U menších pouzder a pouzder s menší roztečí nastává problém s vyvedením vnitřních plošek. Při realizaci je nutno použít minimální šířku vodičů a průměr prokoveného otvoru. Téměř vždy je nutno použít vícevrstvý plošný spoj. Na Obr. 4-11b je uveden tvar propojek (tzv. "Dog Bone"), které se realizují ve vrstvách kontaktního pole pro rozteče 1,0 a 1,27 mm. Tato propojka realizuje propojení do vnitřních vrstev plošného spoje. 4.2 Zásady návrhu prototypů Funkční vzorek, nebo prototyp má za úkol ověřit elektrickou funkčnost zapojení a v co největší míře by měla být dodržena stejná topologie kresby jako v případě finální desky. V případě povrchové montáže je vzhledem k používaným pouzdrům téměř vždy nutno použít plošný spoj. K jeho výrobě se používají z cenových důvodů různé náhradní technologie, velice často se u jednodušších návrhů nepoužívají prokovené otvory a nepájivá maska. Téměř vždy se používá výhradně ruční pájení součástek. Tomu je třeba přizpůsobit návrh. Dále budou uvedeny odlišnosti v návrhu, které usnadní ruční pájení, avšak nemají výrazný vliv na funkci. a) Pro propojení použijeme co největší šířku vodiče - zvláště v blízkosti pájecích plošek. Je třeba si uvědomit, že pokud přejedeme vyhřátým hrotem pájky přes tenké vodiče, které nejsou navíc kryty nepájivou maskou, mohou se snadno utrhnout. b) Pájecí plošky je třeba dělat co největší - vzhledem k vrtanému otvoru.toto platí zvláště u jednostranných desek plošných spojů neboť chybí prokovení, které zvyšuje pevnost plošky. c) Plošky pro SMD součástky mají být co největší. - u pouzder, kde jsou pájecí plošky pro ruční pájení přístupny pouze z boku (SOJ, LCCC, SON a další) mají mít co největší délku tak, aby ploška výrazně přesahovala zvenku. Přiložení vyhřátého hrotu je často jedinou možnosti jak prohřát kontakt přívodu. Při ručním pájení čipových součástek je vhodné dělat plošky s větším přesahem, zvláště pro malé součástky. Usnadňuje to správné pájení, které je podmíněno dodáním potřebného malého množství pájky tak, aby se vytvořil charakteristický meniskus. V případě výměny součástek mají větší plošky také větší pevnost. V případě plošek pro pouzdra QFN je lépe navrhnout přesah plošek přes přívod větší, aspoň 1,5 mm, což usnadňuje ruční výměnu pouzder (pájení minivlnou), šířka není kritická. Plošky pro pouzdra FLAT-PACK je třeba navrhovat s větším přesahem, aspoň 1 mm ze stejných důvodů jako v předchozím, totéž platí o plochách pro přívody FINE-PITCH. Pokud použijeme pouzdra BGA zvláště s větším počtem vývodů, je třeba si uvědomit že se v žádném případě neobejdeme bez vícevrstvého plošného spoje. Aby se nám podařilo připojit vnitřní plošky je třeba je vyvést přes vnitřní vrstvy. Počet vrstev závisí na rozteči mezi vývody. V tomto případě není možná amatérská náhrada prokovení a je třeba téměř vždy použít vícevrstvý plošný spoj.

64 64 FEKT VUT v Brně 4.3 Návrh pro snadnou a levnou výrobu (DFM) Pod termínem DFM (Design for Manufacturing) je možno si představit soubor pravidel a doporučení, které povedou k tomu aby výroba daného zařízení v našem případě elektronické desky, byla co nejlevnější za předpokladu, že bude splňovat zadané parametry na kvalitu a spolehlivost. Abychom toho dosáhli, je třeba stanovit soubor opatření a zásad, které bude třeba dodržet. Je třeba, aby tyto zásady a doporučení byly známy již ve stadiu vývoje a návrhu desky plošného spoje. V této kapitole budou uvedeny a rozebrány zásady a doporučení, které se týkají práce konstruktéra Výběr součástek V současné době jsou elektronické součástky stále levnější, integrují se stále do větších celků. Až na některé výjimky, mezi které patří speciální typy ve speciálních pouzdrech není jejich cena většinou rozhodující. Při výběru součástek je třeba dodržovat následující zásady, - zapojení navrhnout tak, abychom použili co nejméně typů a hodnot součástek. Toto ovlivňuje, Dále je třeba, a) jednodušší manipulaci ve skladu, b) jednodušší administrativa, c) větší množstevní slevy při nákupu, d) snažší přestavení automatů. - nepoužívat předimenzované součástky, které mohou výrazně ovlivnit cenu, velikost a provedení elektronického zařízení, - používat co nejvíce součástek v provedení SMD, což má vliv na cenu při sériové výrobě. V tomto případě existují určité výjimky (například tantalové kondenzátory), které je třeba ekonomicky vyhodnotit, - zvolit co nejméně dodavatelů součástek, je to příznivé z hlediska množstevních slev a administrativy Výroba a provedení desky plošného spoje U moderních elektronických zařízení bývá deska plošného spoje jedna z nejdražších částí celého zařízení. Často se používají vícevrstvé desky plošných spojů v provedení mikrovia se speciální povrchovou úpravou. Při návrhu nového elektronického zařízení je možno uvážlivým návrhem a volbou materiálu plošného spoje výrazně ušetřit. Při volbě a návrhu plošného spoje se doporučuje dodržovat následující pravidla, - používat co nejmenší počet vrstev plošného spoje, výrazně dražší jsou vícevrstvé plošné spoje (Multilayer), v některých případech se však tomuto řešené nevyhneme (návrh

65 Mikroelektronické praktikum 65 miniaturní SMT montáže, konstrukce s BGA pouzdry). Počet vrstev má výrazný vliv na spolehlivost, - používat co nejmenší sortiment velikostí otvorů, - používat vhodný základní materiál, jeho volba ovlivňuje, a) cenu desky, b) mechanické vlastnosti desky, c) elektrické vlastnosti desky, - zvolit nejjednodušší tvar desky, což má zásadní vliv na náklady při realizaci a dělení multipanelu, - návrh vodičů, pájecích plošek a propojení volit tak aby deska plošného spoje byla snadno realizovatelná Způsob montáže a provedení osazené desky plošného spoje a) Při návrhu desky plošných spojů je vhodné volit únosné rozměry. Velké rozměry mohou způsobit řadu problémů při montáži desky plošného spoje. - Velké DPS se mohou při pájení vlnou prohýbat, případně je nelze vůbec strojově zapájet, záleží na váze součástek umístěných na desce. - Malé motivy DPS je vhodné integrovat do multipanelu, při menších sériích rostou náklady ne výrobu šablon. b) Volba jednodeskové koncepce, nebo systém modulů propojených konektory. Volba koncepce podléhá módním trendům v elektronice, obojí řešení má své výhody a nevýhody, toto je třeba velmi pečlivě zvážit a vyhodnotit. - Modulový systém zvyšuje množství konektorů, tím roste cena zařízení, snižuje se spolehlivost - Modulový systém se snadněji oživuje a opravuje, servisní zásady jsou většinou snažší a levnější (výměna modulů) c) Vzdálenosti mezi součástkami mohou výrazně ovlivnit, - optickou i elektrickou testovatelnost desky, defekty při pájení (viz.kapitola 9, zásady pro pájení vlnou a přetavením). d) Zvolit vhodné technologické značky, které ovlivňují a případně usnadňují, - osazování automatem, - slučitelnost s technologickými zařízeními Způsob návrhu desky plošného spoje Při návrhu desky plošného spoje se v dnešní době téměř výhradně používají CAD návrhové systémy. Existuje jich celá řada, jejich cena se pohybuje od jednotek po stovky tisíc korun. Při návrhu plošného spoje je třeba zvážit, zda si budeme návrh realizovat sami, nebo zda ho zadáme specializované firmě. Obě řešení přináší své výhody a nevýhody, které jsou:

66 66 FEKT VUT v Brně a) Externí realizace bývá často rychlejší bez typických problémů, mezi které patří problémy s tvorbou knihoven, generování podkladů pro výrobu a osazování DPS. b) Externí návrh přináší problémy s případnými změnami během prototypové výroby. c) Pokud desku se deska navrhují přímo vývojáři, podstatně snadněji se realizují případné změny ve výkresové dokumentaci, vývojář může lépe při návrhu uplatnit znalosti elektronických obvodů. Jakmile jsou definitivně stanoveny zásady pro návrh, výrobu a osazení desky plošného spoje je třeba tyto návrhy konzultovat a nechat odsouhlasit všemi, kteří se podílí na návrhu a výrobě desky. Systém DFM nemusí být využitelný pouze pro výrobu desek plošných spojů, ale platí pro všechny výrobní procesy daného výrobku.

67 Mikroelektronické praktikum 67 5 Praktické návody pro laboratorní cvičení (ŠANDERA, STARÝ) Cíle kapitoly: V následující části jsou uvedeny praktické realizační úlohy, které mají za úkol atraktivní formou seznámit studenty s technologiemi, které se používají v laboratořích, nebo v průmyslu. 5.1 Realizace tenkých vrstev vakuovým napařováním Zadání a pokyny k měření: 1) Seznamte se s vakuovou napařovačkou a systémem měření tloušťky napařené vrstvy. 2) Podle pokynů vedoucího cvičení realizujte tenkou vrstvu mědi na skleněném substrátu, materiál napařujte s W, nebo Mb lodičky. 3) Realizujte tloušťky 100, nebo 200 nm. Při realizaci vrstev použijte kovovou šablonu, kterou postupně přikládejte na vzorek (Obr. 5-1). K měření tloušťky použijte krystalový měřič tloušťky, pro Cu - program FL2 4) Pozorujte vzhled a adhesi realizovaných vrstev 5) Změřte orientačně rezistivitu realizovaných vrstev 6) Proces podrobně popište v závěrečné zprávě Celková tloušťka 300 nm 100 nm 200 nm Celková tloušťka 400 nm 200 nm Obr. 5-1 Rozmístění napařených vrstev

68 68 FEKT VUT v Brně Poznámky ke cvičení: a) Napařování je třeba provádět ve třech fázích. Nejprve napaříme vrstvu 100 nm, potom rovnoběžně s ní 200 nm (šablonu otočíme o 180 o ). Potom šablonu otočíme o 90 o a napaříme vrstvu 200 nm. Tímto postupem zrealizujeme tloušťky 100, 200, 300 a 400nm.( Obr. 5-1). b) Měd má hodnotu elektrické vodivosti 5, S/cm, tj.5, mho/cm. c) Po napaření požadované struktury je třeba ji okamžitě uložit do dryboxu. Vrstvy budou později použity pro další cvičení. d) Měřič tloušťky je ocejchován v A. (10 A o = 1nm) Teorie Závislost elektrické vodivosti na tloušťce napařené vrstvy popisuje Sondheimerova rovnice [1]. Pokles elektricke vodivosti v oblasti malých tloušťek ovlivňuje mechanizmus popsaný v [2]. Obr. 5-2 Závislost elektrické vodivosti mědi na tloušťce napařené vrstvy (Sondheimerova rovnice) [1] Použitá literatura ke cvičení: [1] C. Reale. Thickness Dependence of the Electrical Conductivity in Vacuum Deposited Copper Films, dostupné dne [2] Milichovský M. Vlastnosti kovových vstev realizovaných vakuovým napařováním, Bakalářská práce VUT, FEKT Brno, Brno 20

69 Mikroelektronické praktikum Demontáž a montáž SMD součástek kontaktní metodou Zadání 1) Vyzkoušejte si demontáž a montáž pravoúhlých čipů 1206, 0805 kontaktní metodou. 2) Vyzkoušejte si demontáž a montáž pouzdra SOIC kontaktní metodou Demontáž a montáž součástek pomocí speciálních nástavců V tomto případě se používá vlivu povrchového napětí roztavené pájky, která umožní součástku v nástavci zvednout a vyjmout z desky plošného spoje, Postup při demontáži Upevněte vhodný nástavec do pájecího pera, zkontrolujte nastavenou teplotu a dále postupujte analogicky podle Obr Pro spolehlivou a rychlou demontáž je nezbytné zajistit dobrý přenos tepla mezi čipovou, nebo vícevývodovou součástkou typu SOIC a nástavci. Nejčastěji používaným postupem je propojení vývodů SOIC na DPS pomocí pájky a nanesení čerstvé pájky na předem očištěné nástavce. V žádném případě se při tomto způsobu demontáže součástek nesmí používat síla. Pájecí plošky na DPS lze relativně snadno poškodit a oprava je pracná a někdy i prakticky nemožná (u vícevrstvých DPS). Poznámka: V případě čipových součástek je možno použít nástavec podle Obr. 5-3 i pro montáž čipových součástek. Nástavec naplníme pájkou, čipovou součástku do něho uchopíme a součástku položíme na plošky DPS. Čipová součástka vlivem povrchového napětí zůstane na ploškách. Je třeba použít velké množství tavidla. Obr. 5-3 Demontáž pomocí nástavců

70 70 FEKT VUT v Brně Montáž a demontáž součástek pomocí termokleští Termokleště umožňují uchopit součástku pomocí dvou vyhřívaných výměnných nástavců. Nástavce mají různé tvary a velikosti podle účelu použití. Na Obr. 5-5 jsou zobrazeny termokleště s nástavci pro čipové součástky. Obr. 5-5 Termokleště s nástavci pro čipové součástky Postup při montáži a) Očistěte pájecí plošky (vhodné velikosti!) od pájky i zbytků tavidla. Na odsátí pájky použijte odsávačku, nebo odsávací knot. Zbytky tavidla odstraňte pomocí bezvlákné utěrky a izopropylalkoholu. b) Přiložte trubičkovou pájku průměru 0,5 mm s tavidlem na pájecí plošku na DPS. c) Vyhřátým hrotem korespondující délku trubičkové pájky přetavte. Minimalizujte dobu ohřevu. Pájku naneste na obě plošky. Pozn.: Pájku lze nanášet na obě plošky i pomocí minivlny e) Součástku uchopte nástavci termokleští, přiložte k nanesené pájce, pájku přetavte a zajistěte kvalitní zapájení obou vývodů součástky. Pokud není dosažena vyhovující kvalita, spoj opravte pájedlem. Přidejte trubičkovou pájku, event. pouze no clean tavidlo. a) Případné zbytky tavidla očistěte pomocí bezvlákné utěrky a izopropylalkoholu. Postup při demontáži (Obr.5-4) Obr.5-4 Použití termokleští a) Součástku uchopíme do termokleští a položíme na připravené pájecí plošky na DPS (podle bodu a, b při montáži.

71 Mikroelektronické praktikum Montáž čipových pouzder, pouzder SO a FLAT PACK pomocí minivlny Minivlna je speciální hrot s půlkulatým otvorem. Dělají se různé velikosti. Minivlnu můžeme: a) Zaplnit pájkou potom ji je možno použít jako zásobník pájky při pájení. b) Zbavit pájky potom je možno použít pro odsávání pájky pomocí povrchového napětí. Obr. 5-6 Provedení minivlny Postup: 1) Součástku položíme vakuovou pinzetou na očistěné pájecí plošky. 2) Pouzdro fixujeme pájkou ve dvou bodech (protilehlé strany). 3) Na vývody naneseme tavidlo (nejlépe pastovité). 4) Otvor minivlny vyplníme pájkou. 5) Pomalým pohybem minivlny napříč vývody zapájíme. Pohyb musí být dostatečně pomalý aby se vývody prohřály a odebraly z naplněné minivlny požadované,množství pájky. 6) Kontrolujte kvalitu zapájení a porovnejte s požadavky normy. 7) Případné zbytky tavidla očistěte pomocí bezvlákné utěrky a izopropylalkoholu. Provedení minivlny a postup pájení je uveden na Obr. 5-6 a Obr Obr. 5-7 Pájení SO pomocí minivlny

72 72 FEKT VUT v Brně Montáž čipových součástek pomocí klasického hrotu, nebo minivlny Pracovní postup 1) očistěte pájecí plošky (vhodné velikosti!) od pájky i zbytků tavidla. Na odsátí pájky použijte odsávačku, nebo odsávací knot. Zbytky tavidla odstraňte pomocí bezvlákné utěrky a izopropylalkoholu. 2) Na očistěné pájecí plochy naneseme dávkovačem pastovité tavidlo (Obr. 5-8.a). 3) Pinzetou položíme součástku na pájecí plochy. Součástka vlivem viskozity tavidla drží na desce (Obr. 5-8.b). 4) Otvor minivlny vyplníme pájkou. 5) Postupně minivlnou zapájíme oba vývody součástky. Pří pájení je třeba pinzetou součástku podržet (Obr. 5-8.c). Pájky musí být tolik, aby navzlínala na vývod součástky do výšky min. 25 % výšky vývodu a aby byl vidět obrys horní hrany. Pájka by neměla být ve větší míře na horní straně součástky a v žádném případě nesmí sahat na horní izolační oblast součástky. 6) Kontrolujte kvalitu zapájení a porovnejte s požadavky normy. 7) Případné zbytky tavidla očistěte pomocí bezvlákné utěrky a izopropylalkoholu. Obr. 5-8 Pájení čipové součástky pomocí hrotu, nebo minivlny

73 Mikroelektronické praktikum Realizace blikače na plošném spoji Zadání 1) Realizujte zapojení elektronického blikače pomocí programovatelné děličky na desce plošného spoje 2) Zapojení oživte 3) Vypracujte krátkou závěrečnou zprávu o průběhu realizace zapojení a oživení v rozsahu přibližně jedné strany (stručná funkce děličky, zásady pro pájení) Pokyny k realizaci a poznámky k měření 1) Seznamte se s funkcí programovatelné děličky ) Pro realizaci zapojení použijte universální plošný spoj, který osadíte součástkami podle Obr Tím realizujete zapojení podle obrázku Obr Hodnoty součástek jsou voleny tak aby frekvence na výstupu byla přibližně 1Hz. Rezistory R7, R8, R11 hodnoty 0R realizují přímé propojení na napájecí napětí. 3) Pro metodiku pájení respektujte pokyny vedoucího cvičení. 4) Po připojení baterie musí LED dioda blikat s frekvencí přibližně 1Hz Obr. 5-9 Pokládací výkres pro realizaci blikače

74 74 FEKT VUT v Brně Obr Schéma zapojení blikače na DPS Obr Osazený plošný spoj blikače

75 Mikroelektronické praktikum Teorie Popis programovatelné děličky IO 4541 Na vývodech 1,2,3 jsou vyvedeny invertory, umožňující sestavit oscilátor RC. Následuje binární dělič, který dělí kmitočet signálu oscilátoru v poměru 1: 256, 1024,8192 nebo Dělící poměr se mění podle nastavení úrovně na vstupech 12 (A0) a 13(A1) podle tabulky na Obr Přivedeme-li na vývod 10(MODE) log.1 chová se dělič běžným způsobem, při log. 0 se dělič po prvním výstupním impulsu zablokuje. Obvod lze kdykoliv uvést do počátečního stavu přivedením log.1 na vývod (MR-master reset). Je-li vývod 5 (AR-auto reset) připojen na log 0 obvod se vynuluje vždy,zmenší-li se napájecí pod určitou velikost (2,5V) Obvod 9(PH) mění fázi výstupního signálu. Obr Vnitřní zapojení a funkce obvodu V doporučeném zapojení oscilátoru na Obr můžeme frekvenci spočítat ze vzorce (1). Podle katalogu tento vzorec platí pokud je RS =2 Rt a RSC2<< Rt Ct. Rezistor RS zmenšuje závislost kmitočtu na napájecím napětí a teplotě. Kondenzátor C2 zabraňuje divokým oscilacím a ve většině případů jej lze vypustit. ff oooooo = 1 2,3.RR tt.cc tt [Hz, Ώ, F ] (1) Obr Časový spínač s 4541 Použitá literatura: AR1/95 str.16

76 76 FEKT VUT v Brně 5.4 Realizace blikače na keramické podložce (Technologie tlusté vrstvy) Zadání 1) Realizujte zapojení elektronického blikače pomocí programovatelné děličky na keramické podložce (korund Al2 O3. 2) Zapojení oživte 3) Vypracujte krátkou závěrečnou zprávu o průběhu realizace zapojení a oživení v rozsahu přibližně jedné strany (stručný technologický postup montáže). Popište vzhled a vlastnosti keramické podložky s propojením. Pokyny k realizaci a oživení: 1) Seznamte se s funkcí programovatelné děličky ) Prohlédněte si provedení a mechanické vlastnosti (vrypem) vodivého propojení na keramické podložce a provedení rezistorů na tlusté vrstvě (rezistory R1B a R2B na pokládacím výkresu). 2) Zapojení realizujte na keramické podložce (Obr. 5-14) na které je realizováno vodivé propojení pomocí vodivé tlustovrstvé pasty. a) Pomocí kovové šablony, nebo dávkovačem (dispenserem) naneste pájecí pastu na kovové plošky. b) Podle osazovacího výkresu osaďte čipové součástky a napájecí vývody. Pro osazení použijte manipulátor, nebo pinzetu. Posice označené křížky na osazovacím výkresu se neosazují. c) Osazenou keramickou desku položte na vyhřívanou desku (Hot Plate) zahřátou na teplotu tání pájky (pro LF pájku 230 o C) v pájecí pastě a součástky zapájejte. Pozorujte přetavení pájecí pasty a případný posuv součástek. 3) Pro metodiku osazení respektujte pokyny vedoucího cvičení. 4) Do posic +9V a GND připájejte klips pro 9V baterii. 5) Po připojení baterie musí LED dioda blikat s frekvencí přibližně 1Hz. Obr Pokládací výkres blikač na keramické podložce

77 Mikroelektronické praktikum 77 Obr Schéma zapojení blikače na keramické podložce

78 78 FEKT VUT v Brně 5.5 Překuličkování (Reballing) pomocí přípravku REBALL01 Technologická operace, při které se na pouzdrech, které mají vývody ve tvaru kuličkových vývodů (BGA) obnoví vývody. Tato operace je nezbytně nutná, pokud chceme znovu připájet již použité pouzdro BGA. Princip překuličkování: Plošky na pouzdře zbavíme zbytků vývodů. Pomocí šablony zhotovené z kovového nepájitelného materiálu (hliník, nerez), umístíme nové kuličkové vývody v rastru vývodů na pouzdro a vývody přetavíme. Velikost pouzder je limitována vyrobitelnosti šablony. Při přetavení vývodů je třeba v každém případě použít i spodní předehřev. Pozn: Není možno použít pájecí pastu nanesenou šablonovým tiskem, tak jak je známo při pájen ísmd součástek, neboť objem pasty je příliš malý a neumožní po přetavení vytvořit kuličkový vývod!. Před překuličkováním je třeba všechna plastová pouzdra zbavit vlhkosti ohřevem v peci při zvýšené teplotě jinak hrozí, že vlhkost, která se uvolní při přetavení způsobí defekty na vytvořených vývodech. Teploty a doby ohřevu jsou uvedeny v normě a pohybují se cca 120 o C po dobu 1 hodiny Zadání a) Pomocí přípravku REBALL01 opravte pouzdro PBGA Poznámky k práci a pracovní postup Z cenových důvodů použijte plošný spoj s motivem pouzdra PBGA 225 1) Obr původní (poškozené) vývody pouzdra BGA odstraníme (odsajeme). Doporučené zařízení MBT250 s odsávačkou. 2) Očistěné pouzdro vysušíme. Doporučení 120 o C po dobu 1 hodiny. Provádíme těsně před překuličkováním. Obr Stranu vývodů natřeme pastovitým bezoplachovým tavidlem (doporučený typ KESTER TSF 6516, TSF 6592) a pouzdro umístíme do přípravku. Pouzdro zajistíme proti vypadnutí.

79 Mikroelektronické praktikum 79 Obr Do přípravku nasypeme kuličkové vývody, jeho pohybem zajistíme vyplnění všech otvorů v šabloně, případně umístíme termočlánky pro měření teploty (horní a dolní). Obr Přípravek umístíme do držáku spodního předehřevu, umístíme teplotní trysku pro horní ohřev a kuličkové vývody přetavíme. Doporučený typ pro spodní předehřev je zařízení 863DU a horní předehřev horkovzdušné pero SUNKKO 850D. Přetavovací teplotní profil je třeba pro každý typ pouzdra odzkoušet. Obr Po přetavení pouzdro vyjmeme z držáku. Na obrázku je opravené pouzdro PBGA225/1,5. V případně potřeby je možno zbytky tavidla odstranit izopropylakoholem.

80 80 FEKT VUT v Brně 5.6 Návrh DPS v návrhovém systému EAGLE Návrh desky plošného spoje ( DPS ) pomocí návrhového systému EAGLE 4.0x Cíl cvičení : Smyslem cvičení je orientačně se seznámit s návrhovým systémem EAGLE a navrhnout jednoduchou desku plošného spoje. Součástí cvičení není generace knihovních prvků ani generace podkladů pro výrobu desky plošného spoje Návrh DPS pro klasickou technologii 1. V návrhovém systému CAD EAGLE nakreslete schéma zapojení daného obvodu 2. Navrhněte jednostranný plošný spoj pro klasickou technologii 3. Navrhněte jednostranný plošný spoj klasickou technologii 4. Používejte standardní knihovnu prvků 5. Při návrhu uplatněte elektrické i mechanické zásady návrhu Partlist EAGLE Version 4.0 Copyright (c) CadSoft Part Value Device Package Library Sheet C1 2M/15 CPOL-EUTT5D11 TT5D11 rcl 1 C2 2M/15 CPOL-EUTT5D11 TT5D11 rcl 1 C3 50M/6 CPOL-EUTT5D11 TT5D11 rcl 1 K1 MA04-1 MA04-1 con-lstb 1 K2 MA04-1 MA04-1 con-lstb 1 R1 10k R-EU_0204/7 0204/7 rcl 1 R2 2k3 R-EU_0204/7 0204/7 rcl 1 R3 2k2 R-EU_0204/7 0204/7 rcl 1 R4 47 R-EU_0204/7 0204/7 rcl 1 R5 1k R-EU_0204/7 0204/7 rcl 1 T1 BC547 BC547 TO92 transistor-npn Návrh DPS pro SMT technologii 1. V návrhovém systému CAD EAGLE nakreslete schéma zapojení daného obvodu 2. Navrhněte jednostranný plošný spoj pro SMT technologii 3. Používejte standardní knihovnu prvků a doporučené knihovmí prvky (viz. partlist) 4. Při návrhu uplatněte elektrické i mechanické zásady návrhu Partlist EAGLE Version 4.0 Copyright (c) CadSoft Part Value Device Package Library Sheet 1 + UC SMD5 SMD5 wirepad 1 2 IN SMD5 SMD5 wirepad 1 3 GND SMD5 SMD5 wirepad UC SMD5 SMD5 wirepad 1 5 OUT SMD5 SMD5 wirepad 1 6 GND SMD5 SMD5 wirepad 1 C1 2M/15 CPOL-EUCT3528 CT3528 rcl 1 C2 2M/15 CPOL-EUCT3528 CT3528 rcl 1 C3 50M/6 CPOL-EUCT3528 CT3528 rcl 1 R1 10k R-EU_M1206 M1206 rcl 1 R2 3k3 R-EU_M1206 M1206 rcl 1 R3 2k2 R-EU_M1206 M1206 rcl 1 R4 47 R-EU_M1206 M1206 rcl 1 R5 1k R-EU_M1206 M1206 rcl 1 T1 BC847 BC847 SOT23 transistor-npn 1

81 Mikroelektronické praktikum Návrh DPS ve smíšené montáži 1. V návrhovém systému CAD EAGLE nakreslete schéma zapojení daného obvodu 2. Navrhněte dvoustranný plošný spoj pro smíšenou technologii 3. Používejte standardní knihovnu prvků 4. Při návrhu uplatněte elektrické i mechanické zásady návrhu

82 82 FEKT VUT v Brně Teorie Návrhový systém EAGLE 4.0x - stručný návod k práci a) kreslení schématu 1) Příkazem EDIT kliknutím na nápis SCHEMATIC zadáme název souboru ve kterém bude schéma, které hodláme malovat. Je vhodné zvolit zkratku svého příjmení. XXXX. SCH 2) Příkazem GRID zvolíme rastr, ve kterém budeme malovat. Je možno volit inch, mils, mm (1.inch = 1000mils = 2,54cm). Při kreslení DPS většinou volíme mils. Konkrétně zvolíme 50 mils. Vybrané volby a příkazy. nápis FINEST nejjemnější rastr, LAST návrat k minulému rastru příkaz WINDOW - zvětšování, nebo zmenšování obrázku - levým tlačítkem myši 3) Příkazem LAYER zapneme pracovní vrstvu PINS 4) Příkazem USE vybereme knihovnu, ze které budeme vybírat knihovní prvky, knihovny mají příponu LBR. Vybereme standardní knihovnu LBR. Příkazem ADD vybereme příslušný knihovní prvek a levým tlačítkem myši jej umístíme na pracovní plochu. Pravým tlačítkem myši můžeme rotovat součástkou. Součástky umístíme na pracovní plochu, začínáme označením 1,2,... atd. Příkazem WIRE se kreslí vodiče, je nutno zobrazit příkazem LAYER také vrstvu PINS. Do vzniklých kroužků je nutno ukončit, nebo započít kreslení vodiče. Pozor na navolený rast, součástky musí být položeny v navoleném rastru, jinak nedojde ke spojení. Vybrané volby a příkazy Příkaz DELETE - mazání objektu. Příkazem INFO získáme informace o součástce mj. také typ pouzdra, které je součástce přiřazeno a knihovnu, kde se nachází. Příkaz NAME možnost označení součástky (př. R1 ), kontrola nedovolí dvě součástky stejného označení, VALUE, - hodnota součástky (př. 4k7). Příkaz SMASH umožňuje případný posuv nápisů patřících k součástce chycením za křížky je možno posunout příkazem MOVE. Příkazem CHANGE dovoluje změnu vybraných parametrů. Příkaz JUNCTION provádí vodivé spojení - tečku ve schématu. Příkaz DISPLAY zobrazí vybrané vrstvy. Příkaz WRITE nahraje soubor pod zadaným názvem XXXX.SCH. Pokud se spleteme, je možno příkaz vzít zpět příkazem UNDO, krokování dopředu provádí příkaz REDO. Schéma namalujeme tak, aby byly dodrženy zásady, kreslení, účelně byla využita pracovní plocha, jména součástek a jejich hodnoty byly čitelné. Nakonec použijeme příkaz ERC, objeví se výpis chyb, které opravíme.

83 Mikroelektronické praktikum 83 b) postup při návrhu desky 1. V případě, že máme k disposici soubor schématu XXXX.SCH Příkazem BOARD přejdeme de režimu návrhu desky. Po jeho vyvolání se zobrazí definovaná pouzdra k jednotlivým součástkám propojená gumovými vodiči. Definujeme velikost desky ve vrstvě DIMENSION umístíme montážní otvory ( příkaz CIRCLE ). Potom přesuneme pouzdra do prostoru DPS. Přitom používáme obdobné příkazy jako při kreslení schématu. 2. Návrh desky bez použití schématu Vyvoláme příkaz BOARD, zvolíme rozměry desky a určíme montážní otvory. Kreslíme ve vrstvě DIMENSION, otevřeme příslušnou knihovnu ( příkaz USE ) a umístíme pouzdra součástek na pracovní plochu, příkazem SIGNAL propojíme pouzdra podle schématu gumovými vodiči. Výsledkem práce bude v obou případech (1. a 2.) soubor s definovaným rozměrem desky, montážními otvory. Součástky budou rozmístěny tak, aby byly splněny všechny konstrukční požadavky po stránce elektrické i mechanické. Příkazem RATSNEST optimalizujeme vzdušné propojení. c) realizace propojení vodičù na desce Realizaci propojení vodičù je možno provádět ručně, nebo použijeme autorouter. V případě, že vyžadujeme konkrétní vedení spojù je možno tyto realizovat ručně a potom spustit autorouter, který bude předem natažené spoje respektovat. Autorouter aktivujeme příkazem AUTO.

84 84 FEKT VUT v Brně Návrhový system EAGLE 4.0x příkazy, pracovní lišta