Plošné spoje a povrchová montáž

Ing. Jiří Starý, Ph.D. Plošné spoje a povrchová montáž Laboratorní cvičení Vysoké učení technické v Brně 2011

Tento učební text byl vypracován v rámci projektu Evropského sociálního fondu č. CZ.1.07/2.2.00/07.0391 s názvem Inovace a modernizace bakalářského studijního oboru Mikroelektronika a technologie a magisterského studijního oboru Mikroelektronika (METMEL). Projekty Evropského sociálního fondu jsou financovány Evropskou unií a státním rozpočtem České republiky.

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 1 Obsah (Styl Nadpis seznamu) 1 ÚVOD...4 2 ZAŘAZENÍ PŘEDMĚTU VE STUDIJNÍM PROGRAMU...4 2.1 ÚVOD DO PŘEDMĚTU...4 2.2 VSTUPNÍ TEST...4 3 LABORATORNÍ ÚLOHA Č. 1...5 3.1 ZÁKLADNÍ MATERIÁL...6 3.2 TECHNOLOGIE VÝROBY DPS...11 4 LABORATORNÍ ÚLOHA Č. 2...15 4.1 CHEMIE V MONTÁŽNÍM PROCESU...16 4.1.1 TAVIDLO...16 4.1.2 PÁJKA...17 4.1.3 PÁJECÍ PASTA...18 4.1.4 LEPIDLA PRO SMT...20 4.2 APLIKAČNÍ TECHNOLOGIE...22 4.2.1 METODA TISKU PŘES ŠABLONU/SÍTO...22 5 LABORATORNÍ ÚLOHA Č. 3...24 5.1 PRINCIP ČINNOSTI POLOAUTOMATICKÉHO PRACOVIŠTĚ...25 5.2 TECHNOLOGICKÉ POSTUPY V POVRCHOVÉ MONTÁŽI...28 6 LABORATORNÍ ÚLOHA Č. 4...29 6.1 PÁJENÍ PŘETAVENÍM PÁJECÍ PASTY (REFLOW PÁJENÍ)...30 7 LABORATORNÍ ÚLOHA Č. 5...33 7.1 POPIS A DOPORUČENÝ POSTUP PRO JEDNOTLIVÉ ÚKOLY:...34 8 LABORATORNÍ ÚLOHA Č. 6...42 8.1 FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ KVALITU PRODUKCE...43 8.2 OCHRANA ELEKTROSTATICKY CITLIVÝCH SOUČÁSTEK...47 8.3 MANIPULACE SE SOUČÁSTKAMI CITLIVÝMI NA VLHKO (MSDS)...52 9 DODATKY...55 9.1 SEZNAM PŘÍLOH...55

2 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Seznam obrázků OBRÁZEK 3.1.1: ODOLNOST MATERIÁLŮ V PÁJECÍ... 8 OBRÁZEK 3.1.2: NAVLHAVOST MATERIÁLŮ... 8 OBRÁZEK 3.2.1: JEDNOVRSTVÁ DPS... 12 OBRÁZEK 3.2.2: PŘÍKLAD TECHNOLOGICKÉHO POSTUPU VÝROBY DVOUVRSTVÝCH DPS.. 12 OBRÁZEK 3.2.3: VÍCEVRSTVÁ DPS... 13 OBRÁZEK 3.2.4: STRUKTURA HDI... 13 OBRÁZEK 4.1.1: FÁZOVÝ DIAGRAM SNPB... 17 OBRÁZEK 4.1.2: POŽADOVANÁ VÝŠKA KAPKY... 20 OBRÁZEK 4.1.3: TEPLOTNÍ PROFIL VYTVRZOVÁNÍ LEPIDLA... 21 OBRÁZEK 4.2.1: PRINCIP ŠABLONOVÉHO TISKU... 22 OBRÁZEK 4.2.2: PRINCIP SÍTOTISKU PÁJECÍ PASTY... 23 OBRÁZEK 5.1.1: DISPENZER... 26 OBRÁZEK 5.1.2: ZÁSOBNÍK S PÁJECÍ PASTOU... 26 OBRÁZEK 5.1.3: PŘETAVOVACÍ PEC DIMA... 27 OBRÁZEK 5.2.1: ČISTÁ PM... 28 OBRÁZEK 5.2.2: KOMBINOVANÁ PM Z JEDNÉ STRANY... 28 OBRÁZEK 5.2.3: KOMBINOVANÁ POVRCHOVÁ MONTÁŽ Z OBOU STRAN... 28 OBRÁZEK 6.1.1: FIXACE TERMOČLÁNKU... 32 OBRÁZEK 6.1.2: PŘETAVOVACÍ PROFIL STANDARDNÍ... 32 OBRÁZEK 6.1.3: DOPORUČENÝ TEPLOTNÍ PROFIL... 32 OBRÁZEK 7.1.1: PÁJECÍ PERO SP 2A... 34 OBRÁZEK 7.1.2: NÁSTAVEC DO PÁJ. PERA 1121-0303... 34 OBRÁZEK 7.1.3: TERMOKLEŠTĚ TT-65... 34 OBRÁZEK 7.1.4: NÁSTAVCE DO TERMOKLEŠTÍ... 34 OBRÁZEK 7.1.5: DEMONTÁŽ... 34 OBRÁZEK 7.1.6: DEMONTÁŽ... 34 OBRÁZEK 7.1.7: MINIVLNA - HROT TYPU 1121-0490... 35 OBRÁZEK 7.1.8: NÁSTAVEC 1121-0392... 37 OBRÁZEK 7.1.9: DEMONTÁŽ... 37 OBRÁZEK 7.1.10: MONTÁŽ... 37 OBRÁZEK 8.2.1: PŘÍKLADY ZNAČENÍ... 48 OBRÁZEK 8.2.2: PŘÍKLAD PROSTORU EPA... 51 OBRÁZEK 8.2.3: SCHÉMA ZAPOJENÍ TYPICKÉHO EPA... 52 OBRÁZEK 8.3.1: INDIKÁTOR VLHKOSTI... 52 OBRÁZEK 8.3.2: PŘÍKLAD ZNAČENÍ SOUČÁSTKY CITLIVÉ NA VLHKOST... 53 OBRÁZEK 8.3.3: DEFEKTY QFP I BGA ZPŮSOBENÉ VLHKOSTÍ... 54

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 3 Seznam tabulek TABULKA 1: VLASTNOSTI NEJPOUŽÍVANĚJŠÍCH ORGANICKÝCH ZÁKLADNÍCH MATERIÁLŮ.8 TABULKA 2: SROVNÁNÍ MODERNÍCH DPS A MIKROPROPOJENÍ...14 TABULKA 3: KLASIFIKACE TAVIDEL PRO MĚKKÉ PÁJENÍ DLE ČSN EN ISO 9454-1...17 TABULKA 4: DĚLENÍ PÁJECÍCH PAST...18 TABULKA 5: ZÁKLADNÍ TYPY PÁJECÍCH SLITIN...19 TABULKA 6: POŽADAVKY NA PŘEDMĚTY CHRÁNICÍ PŘED ESD...49 TABULKA 7: CHARAKTERISTIKY OBALŮ...50 TABULKA 8: ZPRACOVÁNÍ / SKLADOVÁNÍ PBGA PO VYJMUTÍ Z OBALU...53

4 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 1 Úvod Tento elektronický text je určen pro distanční formu (DiV) bakalářského studijního programu EEKR. Je určen pro laboratorní cvičení z předmětu Plošné spoje a povrchová montáž a v širším kontextu doplňuje elektronický text k přednáškám z tohoto předmětu. Zde uvedené informace jsou aktuální k přelomu roku 2003/2004 2 Zařazení předmětu ve studijním programu Předmět Plošné spoje a povrchová montáž je zařazen jako volitelný oborový předmět do 3. ročníku bakalářského studia na Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií. Předmět patří do tříletého studijního oboru Mikroelektronika a technologie (MET) v bakalářském studijním programu Elektrotechnika, elektronika, komunikační a řídící technika. Odbornou výuku v oboru zajišťují především Ústav mikroelektroniky a Ústav elektrotechnologie. Cílem studijního oboru MET je vychovat bakaláře jako vysokoškolsky vzdělaného provozního odborníka se znalostmi návrhu a technologie integrovaných obvodů, elektronických systémů a přístrojů pro využití v nejrůznějších oblastech elektrotechniky. 2.1 ÚVOD DO PŘEDMĚTU Cílem tohoto předmětu je seznámit studenty s celkovou problematikou výroby plošných spojů a povrchové montáže. Student bude mít možnost poznat problematiku v celé její šíři od manuální výroby a osazení jednoho kusu DPS až po výrobu velkosériovou. 2.2 VSTUPNÍ TEST Prerekvizitou k úspěšnému zvládnutí tohoto výukového materiálu je komplexní středoškolská znalost fyziky na úrovni ukončeného středoškolského vzdělání (především znalost fyziky pevných látek a kapalin), dále znalost elektrochemie a v neposlední řadě znalost práce s počítačem typu PC, respektive obsluha operačního systému z rodiny Microsoft.

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 5 3 LABORATORNÍ ÚLOHA č. 1 PLÁTOVANÉ MATERIÁLY, FOTOREZISTY A NEPÁJIVÉ MASKY, POSTUPY VÝROBY 1V a 2V DPS CÍL LABORATORNÍ ÚLOHY: SEZNÁMIT SE: - SE ZÁKLADNÍMI MATERIÁLY PRO VÝROBU DPS A JEJICH VLASTNOSTMI - S TECHNOLOGICKÝM PROCESEM VÝROBY 1V, 2V, VV DPS VČETNĚ MICROVIA TEORETICKÁ PŘÍPRAVA: ZOPAKUJTE SI NÁSLEDUJÍCÍ KAPITOLY: - ZÁKLADNÍ MATERIÁLY PRO VÝROBU DPS - FOTOREZISTY, NEPÁJIVÉ MASKY, APLIKAČNÍ TECHNIKY, VLASTNOSTI A ZPRACOVÁNÍ - TECHNOLOGICKÝ PROCES VÝROBY 1V, 2V, VV DPS, MICROVIA HLAVNÍ BODY PRAKTICKÉ ČÁSTI: - ROZPOZNÁVÁNÍ DODANÝCH VZORKŮ A STUDIUM MATERIÁLOVÝCH CHARAKTERISTIK ZÁKLADNÍCH MATERIÁLŮ PRO VÝROBU DPS - ROZBOR A DISKUSE TECHNOLOGICKÉHO PROCESU VÝROBY 1V, 2V, VV DPS VČETNĚ MICROVIA ÚKOLY PRAKTICKÉ ČÁSTI: 1/ Seznamte se s plátovanými materiály od firmy ALIACHEM(dříve UMA) Semtín a ISOLA Z přiložených technických listů vyberte základní typy FR-2, FR-3, FR-4 a diskutujte jejich parametry. Z dodaných vzorků se je naučte rozlišovat O: Uveďte hlavní rozdíly mezi CEM1 a FR4 2/ Seznamte se s funkcí fotorezistu a rozdíly mezi negativním a pozitivním fotorezistem. Soustřeďte se na technologii zpracování tuhého a tekutého fotorezistu. Prohlédněte si dodané vzorky. O: Zamyslete se nad aplikací fotorezistu u technologií MID (viz. příloha) 3/ Diskutujte rozdíly mezi fotocitlivou nepájivou maskou a nepájivou maskou nanášenou přes síto s motivem. Prohlédněte si dodané vzorky. O: Jaké jsou přínosy permanentní a snímatelné nepájivé masky po strojním pájení vlnou? 4/ Zopakujte si pomocí nástěnky a přiložené literatury technologické postupy výroby 1V a 2V DPS. Diskutujte výhody a nevýhody technologie tenting (fotorezist plní funkci leptací ho rezistu) O: Přínos technologie tenting

6 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 3.1 ZÁKLADNÍ MATERIÁL TEORETICKÝ ROZBOR Základní materiály (substráty, nosné podložky) jsou elektroizolační nosné podložky, tvořené buď dielektrickým materiálem, nebo izolovaným kovovým jádrem. Základní materiály se používají jako nosič vodivého motivu a slouží k montáži elektronických součástek a mechanických prvků. Základní materiály jsou na organické, anorganické, příp. kombinované bázi ( např. organický substrát s kovovým výztužným jádrem). ORGANICKÉ ZÁKLADNÍ MATERIÁLY Organické základní materiály se skládají z organických pryskyřic a výztuže (příp. bez výztuže). Na základní materiál je zpravidla naplátována měděná fólie pro subtraktivní technologie zhotovení vodivých motivů tj. odebrání (odleptání) části měděné fólie. Základní materiál bez měděné fólie s přísadou speciálních složek umožní aditivní proces tj.přidání vodivého motivu. Základní materiály podle tuhosti dělíme na neohebné a ohebné (flexibilní). VÝZTUŽ Určuje mechanické vlastnosti DPS (pevnost v tlaku, tahu, ohybu), rozměrovou stálost v daném teplotním rozsahu, výrazně ovlivňuje elektrické, chemické i teplotní charakteristiky. Výztuž tvoří kostru laminátu a ovlivňuje vyrobitelnost a výslednou spolehlivost DPS. POJIVO zrovnoměrňuje působení vnějších vlivů na výztuž, chrání ji před mechanickým poškozením a účinky chemikálií. Pojivo je na polymerní bázi. Používají se termosety (reaktoplastové pryskyřice) pro neohebné a termoplasty pro ohebné montážní a propojovací struktury. Pojivo musí mít výborné dielektrické vlastnosti s malou hodnotou relativní permitivity (míry polarizace dielektrika) a ztrátového činitele. Dobré tepelné, mechanické i chemické charakteristiky. Některé typy pojiv jsou hydrofilní a absorbují vlhkost, která zhoršuje dielektrické vlastnosti PROCES LAMINACE Pojivem impregnovaná skleněná tkanina, rohož, papír aj. je skládána do vrstev a vrstvy jsou laminovány společně s Cu fólií. Pryskyřice je vytvrzena během laminace působením tepla, tlaku a vlivem katalyzátoru ve složení pryskyřice, laminace probíhá ve vakuu NEOHEBNÉ ZÁKLADNÍ MATERIÁLY Základní materiály se dělí do kategorií dle použitého typu pryskyřice. Mezi nejpoužívanější patří materiály na bázi fenolformaldehydové a epoxidové pryskyřice s různou výztuží. Vlastnosti viz Tabulka 1., porovnání viz Obrázek 3.1.1.a Obrázek 3.1.1. FENOLFORMALDEHYDOVÉ PRYSKYŘICE Jako výztuž se nejčastěji používá celulózový papír. Mezi plnivem - celulózovým papírem a impregnantem - fenolformaldehydovou pryskyřicí dojde při vytvrzení k dílčí chemické reakci a k zesítění a fixaci plniva. Obsah pryskyřice bývá obvykle 35-58 %. Čím větší je obsah pryskyřice, tím tvrdší je materiál (typy X->XX->XXX, XXXPC), P-razitelnost, C-zastudena Použití: pro méně náročné aplikace /spotřební elektronika/: zejména jednovrstvé DPS, dvouvrstvé DPS s pokovením otvorů na bázi stříbrných past Vlastnosti: dobře se vrtá a opracovává

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 7 nevýhodou je velká navlhavost a malá odolnost vůči elektrickému oblouku, malá pevnost Cu fólie v odtrhu, horší mechanické vlastnosti, křehkost u materiálů s větším obsahem pryskyřice Nejznamější modifikace: XPC, FR-1 (samozhášivé), XXXPC, FR-2 (samozhášivé provedení (Flame Retardant)) [1] EPOXIDOVÉ PRYSKYŘICE - lepší elektrické, mechanické, chemické a teplotní charakteristiky. Přidávají se aditiva, která modifikují vlastnosti epoxidové pryskyřice - zvyšují teplotu skelného přechodu (Tg), snižují teplotní součinitel délkové roztažnosti (TCE) a tím zvyšují aplikovatelnost těchto materiálů. Základní druhy se liší jak plnivem, tak i modifikací pojiva. TVRZENÝ PAPÍR A EPOXIDOVÁ PRYSKYŘICE tvrzený papír + epoxidová pryskyřice, materiál je známý s označením: FR-3 nahrazuje materiál FR-2 v náročnějších aplikacích oproti FR-2 má lepší mechanické, elektrické i tepelné vlastnosti, vyšší pevnost v odtrhu měděné fólie, menší navlhavost SKLOEPOXIDOVÝ LAMINÁT skleněná tkanina ev. rohož + epoxidová pryskyřice, modifikace FR 4, FR - 5 (větší teplotní odolnost (Tg = 160 C) než FR-4, lepší mechanická i chemická stabilita výhody: výborné mechanické, dobré elektrické vlastnosti, vyšší teplotní odolnost, malá nasákavost, rozsáhlé použití, zvláště tam, kde nevyhovuje FR-2 a FR-3 /zejména měřicí a regulační technika/ nevýhody: horší mechanické opracování, cena je dvakrát vyšší než u FR-2 KOMPOZITNÍ MATERIÁLY obsahují nejméně dva materiály výztuže, pojivem je epoxidová pryskyřice CEM-1 výztuž: jádro - papír, krycí vrstva - skelná tkanina vlastnosti mezi FR-3 a FR-4, cena: 85% ceny FR-4 POLYESTEROVÁ PRYSKYŘICE skleněná rohož - jádro + skleněná tkanina - krycí vrstvy, impregnant polyesterová pryskyřice typ GPO skleněná rohož - výztuž a polyesterová pryskyřice v samozhášivém provedení FR-6 výhody konstantní dielektrické vlastnosti, zejména v oblasti vysokých frekvencí. POLYIMIDOVÁ PRYSKYŘICE výztuží je nejčastěji skleněná tkanina, aramidové vlákno nebo aramidová tkanina tepelná odolnost nad 200 C (Tg =260 C), minimální změny TCE v ose z do cca 300 C nedochází k delaminaci při vyšších teplotách konstantní mechanické vlastnosti v teplotním rozsahu do 150 C nedochází k otřepům vrtaných otvorů nevýhodou je vyšší navlhavost a vysoká cena POLYTETRAFLUORETYLEN (PTFE) výztuží je nejčastěji skelná tkanina nebo skelné vlákno vynikající elektrické i dielektrické vlastnosti, malá permitivita 2,3 malá nasákavost

8 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně odolný vůči vyšším teplotám použití při vysokých frekvencích /do 10 GHz/ BISMALEINIMIDOVÁ PRYSKYŘICE (BT) výztuží je nejčastěji skelná tkanina nebo skelné vlákno vynikající elektrické i dielektrické vlastnosti, malá permitivita vhodný pro VV DPS odolný vůči vyšším teplotám nad 200 C použití při vyšších frekvencích KYANÁTESTEROVÁ PRYSKYŘICE (CE) výztuží bývá jak E-sklo, tak i aramidová vlákna vynikající elektrické i dielektrické vlastnosti, malá permitivita aramidová výztuž je vhodná pro zhotovování otvorů plazmou i laserem u vícevrstvých DPS CE + aramid se často používá jako náhrada PTFE odolný vůči vyšším teplotám nad 200 C použiti při vyšších frekvencích Tabulka 1: Vlastnosti nejpoužívanějších organických základních materiálů MATERIÁL FR-2 FR-3 CEM-1 FR-4 Vlastnosti Povrchový izolační odpor ohm 1.10 10 3.10 11 3.10 11 4.10 12 Vnitřní izolační odpor ohm.cm 2.10 12 4.10 12 2.10 13 8.10 14 Permitivita (1 MHz) - 4,7 4,9 4,7 4,7 Ztrátový činitel (1 MHz) - 0,047 0,041 0,031 0,019 Teplota skel. přechodu Tg C 105 110 130 130 TCE xy/z (pro T menší Tg) ppmk -1 18/300 18/300 13/230 13/60 Cenový faktor (FR4=1) 0,5 0,65 0,85 1 [s] 140 120 100 80 60 40 20 0 FR 2 FR 3 CEM 1 FR 4 [mg] 35 30 25 20 15 10 5 0 0,70% 0,60% 0,20% 0,10% FR 2 FR 3 CEM 1 FR 4 Obrázek 3.1.1: Odolnost materiálů v pájecí Obrázek 3.1.2: Navlhavost materiálů lázni 260 C

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 9 OHEBNÉ ZÁKLADNÍ MATERIÁLY Používají se většinou bez výztuže. Nejrozšířenější jsou materiály na bázi polyesterů a polyimidů. V malé míře se používají kompozitní substráty na bázi epoxidů, aramidového papíru i fluoropolymerů. Ohebný polyimidový základní materiál plátovaný měděnou fólií se využívá pro TAB aplikace, vícevrstvé flexibilní DPS, pro HDI (High Density Interconnection) aplikace i pro BGA substráty. PET (polyetyléntereftalátové) flexibilní plošné spoje se vyznačují výrazně nižšími teplotami zpracování. Flexibilní materiály se řadí do kategorie základních materiálů pro 3-D propojovací struktury. ANORGANICKÉ ZÁKLADNÍ MATERIÁLY Anorganické základní materiály, častěji anorganické substráty, jsou elektroizolační keramické materiály (nejčastěji korundová a beryliová keramika). Tyto substráty mají ve srovnání s organickými mnohé přednosti: velmi dobrou tepelnou vodivost dobrou chemickou odolnost mechanickou integritu (hermetičnost) malou hodnotu TCE Mezi nevýhody patří: vyšší hmotnost vyšší cena křehkost rozměrová limitace toxicita některých typů (BeO keramiky) PLÁTOVANÉ ZÁKLADNÍ MATERIÁLY (metal-glad base material) Plátovaný materiál vznikne nalaminováním měděné fólie na základní materiál na organické bázi z jedné nebo obou stran. TLOUŠŤKY A TOLERANCE ZÁKLADNÍCH PLÁTOVANÝCH MATERIÁLŮ jsou pro třídu II následující: 0,8 +/-0,1 mm 1,2 +/-0,13 mm 1,5 +/- 0,13 mm 1,6 +/- 0,13 mm 2,4 +/- 0,18 mm Jiné tloušťky plátovaných materiálů vyrábí často firmy na zakázku. PERSPEKTIVNÍ TYPY A TRENDY Plátovaný materiál typu FR-4 - výsadní postavení, ve větší míře se budou používat nové typy multifunkčních epoxidů s vyšší Tg, vhodnost pro laserové vrtání. Materiál musí být kompatibilní se vzrůstajícími ekologickými požadavky - green circuit board - tj bezhalogenidové základní materiály vhodné pro bezolovnatý montážní proces aj.) Součástková základna s pouzdry typu BGA, CSP i čipy velikosti 0201 rozšíří používání nových materiálů s vyšší teplotou skelného přechodu (Tg) a větší rozměrovou stálostí i materiálů vhodných pro zvýšené nároky z oblasti mikropropojovacích technologií i vyšších pracovních frekvencí.

10 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně VLASTNOSTI PLÁTOVANÝCH ZÁKLADNÍCH MATERIÁLŮ ELEKTRICKÉ Vnitřní a povrchová rezistivita charakterizuje elektrickou vodivost základního materiálu, měří se před a po klimatických zkouškách) Relativní permitivita - charakterizuje míru polarizace základního materiálu Ztrátový činitel - charakterizuje míru dielektrických ztrát v základním materiálu Průrazné napětí - charakterizuje míru schopnosti základního materiálu zachovávat svůj elektroizolační stav TEPELNÉ Tepelná roztažnost TCE - charakterizuje teplotní změny rozměrů plošného spoje Teplota skelného přechodu Tg - charakterizuje teplotu, při které dochází k výrazným změnám TCE, plošný spoj přechází z elastického do plastického stavu. Pokud se materiál nevyznačuje zamrzlým pnutím je to vratný jev i s hodnotami TCE Odolnost při pájení - charakterizuje vhodnost k hromadnému pájení vlnou a odolnost proti delaminování Tepelná vodivost Hořlavost MECHANICKÉ Mez pevnosti v ohybu - charakterizuje mechanickou pevnost desek a jejich obrobitelnost Pevnost v loupání měděné fólie - odolnost v loupání se měří jako síla na jednotku šířky, která se vyžaduje k odloupnutí vodiče od povrchu základního materiálu Rovinnost, prohnutí, zkroucení Rozměrová stabilita materiálu v osách x, y, z je ovlivňována: výběrem komponent a konstrukcí teplotními změnami (lineární závislost TCE do teploty skelného přechodu Tg) technologickými operacemi, zejména chemickými vlivy mechanickým namáháním změnami vlhkosti CHEMICKÉ Navlhavost

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 11 3.2 TECHNOLOGIE VÝROBY DPS DRUHY PROPOJOVACÍCH STRUKTUR Propojovací struktura je tvořena vodivým motivem na nosném substrátu. Propojovací struktura zahrnuje vodiče, plošky, signálové a součástkové otvory, chladiče (heatsinks) i pasivní prvky, které byly zhotoveny během výroby montážní a propojovací struktury (jako nedílná část procesu). Propojovací struktury se liší počty vrstev, hustotou propojení, způsoby propojení, typy dielektrika, typy vymezujících jader, ohebností/neohebností aj. DĚLENÍ PODLE POČTU PROPOJOVACÍCH VRSTEV: JEDNOVRSTVÁ PROPOJOVACÍ STRUKTURA (single-layer board) Vodivý obrazec je vytvořen na jedné straně základního materiálu, je zhotovený subtraktivním (procesem leptání) příp. aditivním postupem (chemickou mědí, nebo vodivým motivem zhotoveným tlustovrstvou technologií tiskem polymerních vodivých past a následným vytvrzením nebo vypálením). DVOUVRSTVÁ MONTÁŽNÍ A PROPOJOVACÍ STRUKTURA (two-layer printed board) Vodivé obrazce jsou vytvořeny na obou stranách základního materiálu subtraktivním příp. aditivním postupem. Vrstvy jsou nejčastěji propojeny pokovenými otvory. VÍCEVRSTVÁ MONTÁŽNÍ A PROPOJOVACÍ STRUKTURA (multilayer printed board) KLASICKÁ HUSTOTA PROPOJENÍ: Vícevrstvé DPS (multilayer) - výsledná deska sestavená z určitého počtu stavebních desek a lepicích listů, s třemi a více vodivými obrazci, podle potřeby vzájemně propojenými Plošné drátové spoje (multiwire) VYSOKÁ HUSTOTA PROPOJENÍ: Vícevrstvé DPS s vysokou hustotou propojení (high density interconnection - HDI) Vícevrstvé DPS se zaintegrovanými dielektrickými vrstvami Multičipové moduly (multichip modules) Elektricko - optické DPS Multifunkční DPS - elektricko - optické DPS se zaintegrovanou tenkovrstvou technologií METODY VÝROBY PROPOJOVACÍCH STRUKTUR subtraktivní technologie Na měděné fólii je vytvořen motiv zpravidla krytý leptuodolnou vrstvou. Leptá se měděná fólie různé tloušťky. aditivní technologie Vodivé cesty i pokovení otvorů je vytvořeno jen chemickou mědí bez procesu leptání, nebo sítotiskem.

12 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně VÝROBA JEDNOVRSTVÝCH DPS Technologický postup (různé modifikace) závisí na sériovosti výroby, na vybavenosti technologickými zařízeními, na výrobních zvyklostech i na používaných materiálech. Kritériem je zejména cena, požadavkem vyhovující kvalita. Do výrobního procesu vstupuje jednostranně plátovaný materiál a data z návrhového systému - podklady pro vrtání otvorů zpravidla ve formátu Excellon a filmové předlohy (vodivý motiv, nepájivá maska, servisní potisk) se zpracovanou emulzí na diazo nebo halidostříbrné bázi na polyesterovém (Mylar) nosiči. Obrázek 3.2.1: Jednovrstvá DPS VÝROBA DVOUVRSTVÝCH DPS SUBTRAKTIVNÍ TECHNOLOGIE Subtraktivní technologií je možno vyrábět jednovrstvé až vícevrstvé DPS. Existuje mnoho modifikací lišících se způsobem zesílení vodivých motivů i druhem leptuodolného rezistu (organický příp. anorganický). Příklad výroby dvouvrstvé DPS viz Obrázek 3.2.2 Vysvětlivky některých pojmů: chemická měď- vrstva mědi vyloučená z lázně obsahující měďnaté ionty na elektroizolační jádro bez působení elektrického proudu fotorezist fotocitlivý materiál, který působením UV záření definované vlnové délky změní své vlastnosti f. negativní - zpolymeruje f. pozitivní polymerní vazby se naruší galvanická měď - vrstva mědi vyloučená z lázně obsahující měďnaté ionty na vodivý základ působením elektrického proudu stripování cínu odleptání cínu nepájivá maska - izolační vrstva zpravidla zelené barvy HAL Hot Air Levelling metoda žárového nanesení pájky definované tloušťky na měděný podklad Obrázek 3.2.2: Příklad technologického postupu výroby dvouvrstvých DPS [2] Hlavní typy subtraktivních postupů: pokovení motivu (pattern-plating) Materiál plátovaný Cu fólií, vodivé cesty a otvory jsou galvanicky zesíleny mědí, poté pokoveny Sn ev. Sn/Pb rezistem. Po odstranění (odstripování) fotorezistu je odhalená měď leptána. Jako leptuodolná vrstva slouží Sn, Sn/Pb, Au aj. - nejrozšířenější technologie. pokovení celého přířezu (panel plating, tenting)

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 13 Plátovaný materiál včetně otvorů je chemicky a galvanicky pokoven mědí. Galvanické zesílení mědí se provede na celém povrchu. Po nanesení/expozici/vyvolání fotorezistu zůstanou otvory a vodivé cesty maskovány (kryty) fotorezistem, který slouží jako leptuodolná vrstva (leptací rezist). VÝROBA VÍCEVRSTVÝCH DPS (MULTILAYER) Obrázek 3.2.3: Vícevrstvá DPS Realizace větší hustoty plošných spojů, kterou nelze uskutečnit na dvouvrstvých DPS. VV DPS se skládají střídavě z vrstev vodivých obrazců (signálových, napájecích, zemnicích i stínicích) tzv. stavebních DPS a izolačních vrstev - tzv. prepregů, přičemž vodivých vrstev je více než dvě. U VV DPS jsou vyšší nároky na komplexně zvládnutou technologii, včetně požadavku vybavenosti technologickými zařízeními Prepreg slouží ke spojení dvou nebo více stavebních desek ve výslednou vícevrstvou desku. Je to neúplně vytvrzený základní materiál tl. 0,05-0,18 mm, jehož vytvrzení je dokončeno při procesu laminace, kdy získá požadované vlastnosti. Tvoří izolační vrstvu. Ke zhotovení vnitřních vrstev - stavebních DPS se používá oboustranně plátovaný sklolaminát tloušťky 0,20 až 0,70 mm zpracovaný podobně jako 2V DPS kromě nepájivé masky a HALu. Skládáním stavebních desek a prepregů s přesným sesouhlasením technologických otvorů/značek, přiložením vnějších plátovaných materiálů a následnou laminací dostaneme oboustranně plátovanou vícevrstvou strukturu, kterou zpracujeme podobně jako oboustranně plátovaný základní materiál Pozn.: Výsledná tloušťka vícevrstvé DPS je od 1 do 6 mm. U většiny VV struktur je však od 1,5 do 2,0 mm VÍCEVRSTVÉ PROPOJOVACÍ STRUKTURY S VYSOKOU HUSTOTOU PROPOJENÍ - HDI ( HIGH DENSITY INTERCONNECTION) Trend vede k aplikacím HDMLB (High Density Multilayer Boards) a HDI (High Density Interconnection), aplikace u videokamer, pagerů, noteboků, PCMCIA karet aj. Kromě součástkových otvorů se používají i mikropropojení, viz plazmy ( 2%) Obrázek 3.2.4. Mikropropojení (microvia) jsou definovány jako pokovené cesty s průměrem menším než 150 µm. Mikropropoje snižují velikost, hmotnost i počty vrstev na DPS. Mikropropoje se dělí na: slepé, vnitřní (skryté) průchozí Tyto otvory se řadí do kategorie signálových (propojovacích) otvorů V HDI se zhotovují zejména slepé mikrootvory pomocí: laseru ( 90%) fotocesty - tzv. fotostrukturalizace ( 5%) vrtání (3%) plazmy ( 2%) Obrázek 3.2.4: Struktura HDI Používají se různé dielektrické materiály tuhé i flexibilní. Volba dielektrika předurčuje technologii výroby i vlastnosti montážních a propojovacích struktur s vysokou hustotou propojení. Pro výrobu

14 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně mikropropojů se preferují UV YAG lasery pro jejich vysokou flexibilitu i kapacitní možnosti (až 10.000 otvorů /min). ELEKTRICKO-OPTICKÉ PROPOJOVACÍ STRUKTURY Nutnost zvýšit rychlost přenosu signálu vedla k vývoji a výzkumu v oblasti hybridních elektricko-optických propojovacích struktur. Tzv. druhá generace používá podobný princip jako multiwire, ale místo diskrétního měděného vodiče je skleněné vlákno. Propojování jednotlivých optických struktur se provádí pomocí optických konektorů. Jedná se o relativně nové typy, v praxi nejsou příliš rozšířeny. V tzv. třetí generaci je vývoj orientován do zapouzdřených elektrických a optických propojovacích řešení. Použití zejména v zadních propojovacích kabelech (backplane). Hranice udávané pro přechod z elektrických na opticko/elektrické propojovací struktury je 3 5 Gbit/s. Současné elektricko/optické struktury pracují s přenosovou rychlostí 40 Gbit/s. Předpokládaná přenosová rychlost mezi elektricko/optickou propojovací strukturou a zadním panelem je 1 Tbit/s. Jde o relativně nové typy, které jsou předmětem intenzivního výzkumu, v praxi nejsou zatím příliš rozšířeny. Výrazné rozšíření aplikací se očekává v nejbližších letech. TECHNOLOGICKÉ HRANICE V PROPOJOVACÍCH STRUKTURÁCH A TRENDY Se zvyšováním počtu součástkových vstupů/výstupů, pracovních frekvencí, vyšších zástavbových hustot i s ohledem na konstrukci pouzder typů BGA, CSP aj. vzrůstají nároky na DPS a výrazně se rozšiřují vícevrstvé aplikace. Produkce 2V DPS stagnuje, klesá produkce 1V DPS a vzrůstá produkce vícevrstvých i flexibilních propojovacích struktur. Podíl VV DPS z celkové produkce DPS je cca 30%, přičemž je 1/3 s mikropropoji. Srovnání moderních DPS a mikropropojení je uvedeno v Tabulka 2. Tabulka 2: Srovnání moderních DPS a mikropropojení Vybranné Moderní Mikropropojení charakteristiky DPS Min. průměr otvoru 200 µm 50 150 µm Min.rozměr plošky 400 µm 100-150 µm Min. rozměr plošného vodiče 100 µm 70-75 µm Tloušťka Cu fólie 18-105 µm 5-15 µm cena na jednotkovou plochu 1 x 2-3 x hustota propojení 1 x 5-10 x cena na hustotu propojení 1x 0,3-0,8 x Shrnutí kapitoly: Seznámili jste se s základními materiály pro výrobu DPS, s technologickým procesem výroby 1v, 2v, vv dps, microvia. Dále jste získali přehled o různých typech fotorezistů, nepájivých maskách a s nimi souvisejících aplikačních technikách.

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 15 4 LABORATORNÍ ÚLOHA č. 2 CÍL LABORATORNÍ ÚLOHY: SEZNÁMIT SE: - S CHEMIÍ PRO MONTÁŽNÍ TECHNOLOGIE - S TECHNIKOU SÍTOTISKU/ŠABLONOVÉHO TISKU TEORETICKÁ PŘÍPRAVA: ZOPAKUJTE SI NÁSLEDUJÍCÍ KAPITOLY: - PÁJKA, TRUBIČKOVÁ PÁJKA, TAVIDLO, PÁJECÍ PASTA, LEPIDLO, ZÁKLADNÍ POJMY - SÍTOTISK/ŠABLONOVÝ TISK, SÍTO, ŠABLONA HLAVNÍ BODY PRAKTICKÉ ČÁSTI: ÚKOLY PRAKTICKÉ ČÁSTI: 1/ PÁJKY: Prostudujte sortiment výrobků firmy KOVOHUTĚ PŘÍBRAM. Soustřeďte se na trubičkové pájky (typ slitiny/typ tavidla aj), a na tyčové pájky pro strojní pájení a diskutujte jejich parametry. Značnou pozornost věnujte bezolovnatým slitinám. Z dodaných vzorků se je naučte rozlišovat. O: Ke vzorku trubičkové pájky od fy LITTON KESTER Sn62Pb36Ag2/typ tav.245/obsah tav.50/0,031 najděte z přiložené dokumentace přibližný tuzemský ekvivalent. Které 4 faktory budete považovat za klíčové? 2/ PÁJECÍ PASTY: Seznamte se s pájecí pastou RHEOMET R 256 fy LITTON KESTER, technickými listy včetně doporučeného teplotního profilu, normou DIN 32513 se značením past a metodikou zkoušek. Zásady pro bezpečnou manipulaci a skladování pájecí pasty jsou uvedeny v v bezpečnostních listech MSDS (Material Safety Data Sheet), poznačte si hlavní body MSDS O: Dekódujte pájecí pastu: Sn62Pb36Ag2/F-SW-32/90-3 3/ TAVIDLA: Diskutujte rozdíly mezi dodanými vzorky tavidel: COBAR 390 RX, LITTON KESTER 950E a 977, MULTICORE X32-10i a to jak z pohledu složení kategorizujte je dle ČSN EN z dodaných technických listů. porovnejte je i dle způsobu nanášení event. i čištění. Seznamte se i s přiloženými zahraničními normami DIN 8511 a J-STD-004 O: Čím se liší tavidla LITTON KESTER 950E a 977? 4/ LEPIDLA: U PŘILOŽENÉHO VZORKU HERAEUS PD 86002SA se seznamte s technologtií nanášení a vytvrzování dle technické specifikace. Zásady pro bezpečnou manipulaci a skladování lepidla jsou uvedeny v v bezpečnostních listech MSDS (Material Safety Data Sheet), poznačte si hlavní body MSDS 5/ SÍTOTISK/ŠABLONOVÝ TISK: Seznamte se s technikou sítotisku a šablonového tisku. Soustřeďte se na techniku zhotovování šablon a sít.

16 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně TEORETICKÝ ÚVOD 4.1 CHEMIE V MONTÁŽNÍM PROCESU 4.1.1 TAVIDLO Tavidlo urychluje smáčecí proces a tak napomáhá k vytvoření spolehlivého pájeného spoje. Má následující funkce: 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 zapřičiní 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 / 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. DĚLENÍ TAVIDEL V tuzemsku se používá několik dělení tavidel. V Tabulka 3. je zpracována klasifikace tavidel pro měkké pájení dle ČSN EN ISO 9454-1 TREND V TAVIDLECH nárůst používání tavidel s nízkým obsahem VOC i bez obsahu VOC. V současné době se preferují bezoplachová tavidla na bázi přírodní i syntetické pryskyřice s malým obsahem sušiny (2-3%), která nevyžadují čištění. Ředidlem je většinou izopropanol. Tavidla na bázi izopropanolu mají hustotu zpravidla 0.800-0.812 g/cm 3 na bázi destilované vody 1.001 g/cm 3. BEZOPLACHOVÁ TAVIDLA (NO CLEAN) ŘEDITELNÁ VODOU NULOVÉ VOC = EKOLOGICKÉ I EKONOMICKÉ DŮVODY (NENÍ TŘEBA ČISTIT)

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 17 Tabulka 3: Klasifikace tavidel pro měkké pájení dle ČSN EN ISO 9454-1 TYP TAVIDLA ZÁKL.SLOŽKA AKTIVÁTOR FORMA TAVIDLA 1. pryskyřicové 1. kalafuna (přír.prysk.) 2. bez kalafuny syntetická pryskyřice 1. bez aktivátoru 2. aktivováno halogenidy aktivováno bez halogenidů A tekuté B tuhé C pasta 2. organické 1. rozpustné ve vodě 2. nerozpustné ve vodě 1. bez aktivátoru 2. aktivováno halogenidy A tekuté B tuhé 3. anorganické 1. soli 2. kyseliny 3. zásady 3. aktivováno bez halogenidů 1. NH4Cl 2. bez NH4Cl 1. kys. fosforečná 2. jiné kyseliny 1. aminy nebo amoniak C pasta A tekuté B tuhé C pasta 4.1.2 PÁJKA PÁJKA SnPb V elektrotechnice se používá nejčastěji pájka skládající se z podílu 60-63 hmotnostních % cínu Sn a 40-37 hmotnostních % olova Pb díky svým specifickým vlastnostem Obrázek 4.1.1. teplota tavení slitiny 183-189 C vyhovuje z hlediska návrhu (používané součástky a substráty), technologického procesu i běžných pracovních teplot elektronických zařízení cín vykazuje velmi dobré smáčecí charakteristiky, oxidy cínu lze odstranit relativně málo aktivovanými tavidly pájecí slitina nevytváří křehké intermetalické fáze příznivá cena FÁZOVÝ DIAGRAM SnPb pájka s různým podílem složek se dodává ve formě trubiček, drátů, kuliček, tyčí, fólií. Trubičkové pájky se používají pro ruční pájení. Zpravidla mají několik jader, která jsou vyplněna tavidlem. Pro vlastní pájecí proces je rozhodující: typ slitiny, typ tavidla, množství tavidla v trubičkové pájce, průměr trubičkové pájky, způsob čištění tavidlových zbytků po pájení. Kuličky pájky se používají do pájecích past i pro samostatné aplikace (reballing u BGA oprav aj). Rozhodujícím parametrem kromě typu slitiny, rozptylu hodnot požadovaného průměru kuliček je i množství oxidů. Obrázek 4.1.1: Fázový diagram SnPb

18 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Pro strojní pájení se užívá měkká pájka v tyčích zejména Sn63Pb37 (eutektická) ev. Sn60Pb40, používají se i pájky s příměsí fosforu (P), india (In). Předností vakuově přetavovaných pájek je zejména nižší viskozita, zlepšení smáčecí schopnosti, jasnější spoje. Fólie pájky (často plněné tavidlem) definovaných tloušťěk se používají pro speciální aplikace. V mnohých případech se na jejich přednosti i aplikace zapomíná. BEZOLOVNATÉ PÁJKY Snaha o náhradu pájecí slitiny Sn63Pb37 je nejen z důvodu toxicity, ale i pevnosti pájeného spoje. Bezolovnaté pájky mají větší podíl cínu ve slitině a potřebují vyšší teplotu pájení, mají větší tendenci k oxidaci i teoreticky lepší smáčecí charakteristiky. Odpovídající smáčecí charakteristiky se ale uplatní pouze v dusíkové atmosféře. Evropská komise dokonce předložila návrh na ukončení používání olova v elektrotechnickém průmyslu do konce roku 2004. Bezolovnaté slitiny musí vyhovovat těmto požadavkům: kompatibilita s používanými zařízeními i postupy (vlnové pájení, HAL, vhodnost pro ruční pájeni ve formě trubičkového drátu i použitelnost pro pájecí pastu zejména no-clean aplikace). ekvivalentní a lepší materiálové charakteristiky než stávající slitiny teplota tavení >185 C minimální rozsah plastického stavu, optimálně 4-15 C Bezolovnaté pájky (lead free (LF) solder) mají výrazně odlišné zpracovatelské charakteristiky ve srovnání se slitinami obsahujícími olovo. Při implementaci bezolovnatých pájek do výrobního procesu se řeší zpravidla tyto 3 oblasti: volba typu slitiny a odpovídajícího procesu eliminace halogenovaných retardantů ze základních organických substrátů, teplotní odolnost ZM volba součástek, používaných plastů, povrchových úprav i chemie, jejich slučitelnost i vhodnost pro vyšší teploty Doporučují se dvousložkové (binární) nebo třísložkové (ternární) slitiny binární Sn3,5Ag, Sn0,7Cu ternární Sn/3,0-4,0 Ag/0,5-1,5 Cu, Sn/3,0-3,5 Ag/1,0-4,8 Bi 4.1.3 PÁJECÍ PASTA SLOŽENÍ PÁJECÍ PASTY Pájecí pasta je homogenní směs pastovité konzistence. Skládá se z práškovité pájky (65-96% hmotnostních), gelového tavidla (tavidlový nosič, aktivátor, rozpouštědlo) a reologických modifikátorů. 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 pájecí pasty se volí následující viskozity s rozdílným množstvím kovu viz. Tabulka 4 Tabulka 4: Dělení pájecích past TECHNIKA NANÁŠENÍ VISKOZITA PODÍL KOVU dávkovač 200-450 Pa.s 82-86 hm.% kovu sítotisk 400-700 Pa.s 86-89 hm.% kovu šablonový tisk 600-1.000 Pa.s 90-92 hm.% kovu

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 19 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.. TYP PÁJECÍ SLITINY 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: teploty liquidu a solidu, elektrická a tepelná vodivost, mechanická pevnost, teplotní koeficient délkové roztažnosti (TCE), povrchové napětí slitiny (hraje klíčovou roli při smáčivosti a tudíž i pájitelnosti), kompatibilita s povrchovými úpravami, aj. Základní typy pájecích slitin jsou uvedeny v Tabulka 5. 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 v pájecí pastě Oxidy kovů musí být zastoupeny v minimální míře. Nevhodným skladováním i stárnutím pasty se zvyšuje jejich obsah. Oxidy kovů mají výrazně vyšší teploty tavení Tabulka 5: Základní typy pájecích slitin TYP SLITINY TEPLOTA SOLIDU [ C] TEPLOTA LIQUIDU [ C] POZN. 58Bi42Sn 138 138 E 43Sn43Pb14Bi 144 163 62Sn36Pb2Ag 179 179 E 63Sn37Pb 183 183 E 60Sn40Pb 183 193 90Pb10Sn 268 302 E - eutektická slitina TAVIDLO urychluje smáčecí proces a tak napomáhá k vytvoření spolehlivého pájeného spoje (viz tavidla). 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 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. Požadované reologické vlastnosti pasty se upravují reologickými modifikátory. SKLADOVÁNÍ pájecí pasta by se měla skladovat v chladničce při teplotách 2-6 C. Maximální doba skladování neotevřených zásobníků je 6-12 měsíců.

20 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 4.1.4 LEPIDLA PRO SMT v aplikacích povrchové montáže se používají 2 základní typy lepidel: LEPIDLA ELEKTROIZOLAČNÍ lepidla elektroizolační tepelně nevodivá /aplikace v kombinované montáži k přilepeni SMD součástek, po vytvrzení se pájí vlnou /typ III// lepidla elektroizolační tepelně vodivá /aplikace v čisté i kombinované montáži k přilepení SMD součástek, po vytvrzení je možné pájení vlnou. Používají se omezeně, zejména v případech, kdy je nutné odvádět ze součástky ztrátové teplo/ LEPIDLA ELEKTRICKY VODIVÁ aplikace v čisté povrchové montáži. Lepidlo musí zajistit nejen spolehlivé elektrické propojení mezi pájecími ploškami DPS a terminály součástky, ale i mechanickou fixaci součástky k DPS. Lepidlo se používá pro speciální aplikace, kde nelze použít technologii pájení. lepidla izotropní lepidla anizotropní LEPIDLA ELEKTROIZOLAČNÍ TEPELNĚ NEVODIVÁ je to nejrozšířenější kategorie. Lepidla jsou 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 snadné opravy ZPRACOVÁNÍ NANÁŠENÍ Lepidlo se nanáší na požadovaná místa na DPS (viz. Obrázek 4.1.2.) sítotiskem, šablonovým tiskem, dispenzerem, nebo kapkovou metodou (pin transfer). Obrázek 4.1.2: Požadovaná výška kapky

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 21 VYTVRZOVÁNÍ se provádí teplem (1-5 min. při 120-150 C), typický profil vytvrzování lepidla typu PD 944 je viz Obrázek 4.1.3. UV zářením + teplem UV zářením (intenzita UV zářeni cca 100 mwcm -2 po dobu 10-45 sekund Obrázek 4.1.3: Teplotní profil vytvrzování lepidla LEPIDLA ELEKTRICKY VODIVÁ Vodivé lepidlo se skládá z polymerní a kovové složky. Polymerní složka má charakter termosetu nebo termoplastu. Nejčastěji se používají epoxidy, polyuretany nebo polyimidy. Vlastnosti polymeru předurčují mechanické vlastnosti lepidla, přilnavost a opravitelnost lepeného spoje. Nejčastěji se používají polymery jednosložkové. Vodivá kovová složka zajišťuje elektrickou i tepelnou vodivost. Elektrická vodivost je značně ovlivněna charakterem, vlastnostmi a množstvím oxidů, které se vytvoří na povrchu částic vlivem působení vnějších vlivů. Používají se nejčastěji drahé kovy, které zaručují dobrou elektrickou vodivost a stabilitu elektrických vlastností. Preferuje se zlato (Au), stříbro (Ag), event. pokovený plast. Nikl a měď jsou nestabilní, proto se používají v omezené míře. Typy vodivých lepidel Z hlediska kontaktu mezi vodivými částicemi je možno vodivá lepidla rozdělit na izotropní a anizotropní. izotropní vodivé polymery (elektrická vodivost ve všech osách) anizotropní vodivé polymery (elektrická vodivost pouze v "Z" ose)

22 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 4.2 APLIKAČNÍ TECHNOLOGIE 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 in line nebo off line začleněná do automatických výrobních linek. Platí zásada: dobře natisknuto = z poloviny zapájeno 4.2.1 METODA TISKU PŘES ŠABLONU/SÍTO Pájecí pasta, lepidlo i další materiály jsou protlačovány těrkou přes kovovou (plastovou) šablonu nebo síto na DPS. METODA ŠABLONOVÉHO TISKU. Obrázek 4.2.1: Princip šablonového tisku Pro šablonový tisk se používají stejná technologická zařízení jako pro sítotisk. V rámu je upnuta kovová fólie s motivem pro požadovaný tisk materiálu. Tloušťka natisknuté pasty (lepidla ) v mokrém stavu koresponduje s tloušťkou šablony. Těrka s nastaveným úhlem sklonu je definovanou silou přitlačena k šabloně a pohybuje se po ní konstantní rychlostí, přičemž se před těrkou odrolovává pájecí pasta /lepidlo/ event jiný materiál. Část kinetické energie pohybující se šablony se předává pájecí pastě, která následně generuje hydraulický tlak a dochází k protlačení pájecí pasty aperturami v šabloně, viz Obrázek 4.2.1 ŠABLONY : 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.

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 23 TĚRKY: se používají jak z nerezové oceli, tak i z polyuretanu (PUR) v tvrdostech 70-90 Shore. Preferují se těrky kovové, zejména z důvodu možnosti tisku menších rastrů i malé deformaci. Sklon těrky je 45-60 0. Při pohybu tiskové hlavy se musí pájecí pasta před těrkou dobře "odrolovávat". METODA SÍTOTISKU Pájecí pasta, lepidlo i další materiály jsou protlačovány těrkou prázdnými oky v situ s motivem, viz Obrázek 4.2.2. Obrázek 4.2.2: Princip sítotisku pájecí pasty KVALITA TISKU je dána vzájemnou interakcí zejména následujících faktorů, které vstupuji do sítotiskového procesu typem použitého zařízení materiály technologií tisku vlivy prostředí kvalifikací personálu Cílem je kvalitní nátisk materiálu jak z hlediska soutisku, tloušťky i rovnoměrnosti tloušťky potisknuté plochy. K získání požadovaných informací o výsledné kvalitě se používá post-print 2D nebo 3D inspekce. Získaná data jsou vyhodnocena a je provedena zpětná korekce procesu pro další tisk. Při překročení zadaných parametrů je třeba natisknutý materiál odstranit a tisk zopakovat. Kvalita tisku není dána jen technikou tisku a typem zařízení, ale i typem pájecí pasty, zejména jejími reologickými vlastnostmi Shrnutí kapitoly: Seznámili jste se s chemií pro montážní technologie, poznali jste základní pojmy jako jsou pájka, trubičková pájka, tavidlo, pájecí pasta, lepidlo. Seznámili jste se s principem sítotisku, šablonového tisku.

24 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 5 LABORATORNÍ ÚLOHA č. 3 OSAZOVÁNÍ SMD NA POLOAUTOMATICKÉM PRACOVIŠTI DIMA SMMT 2000 CÍL LABORATORNÍ ÚLOHY: SEZNÁMIT SE: - SE STRUKTUROU PROGRAMOVÁNÍ OSAZOVACÍHO SMD POLOAUTOMATU A ZHOTOVENÍM OSAZOVACÍHO PROGRAMU - S TECHNOLOGICKÝM PROCESEM TZV. ČISTÉ POVRCHOVÉ MONTÁŽE TEORETICKÁ PŘÍPRAVA: ZOPAKUJTE SI NÁSLEDUJÍCÍ KAPITOLY: - KOMBINOVANÁ A ČISTÁ POVRCHOVÁ MONTÁŽ SOUČÁSTEK, ÚVOD A ZÁKLADNÍ POJMY - TAVIDLA, PÁJECÍ PASTY, LEPIDLA A APLIKAČNÍ TECHNIKY - METODY OSAZOVÁNÍ A PÁJENÍ PŘETAVENÍM ÚKOLY PRAKTICKÉ ČÁSTI: 1/ Seznamte se s osazovacím zařízením SMMT 2000 a jeho programováním 2/ Zhotovte osazovací program na zkušební DPS /rozpiska součástek a osazovací předpis jsou uvedeny v příloze 1 event. použijte Vámi navrženou a vyrobenou DPS/ 3/ Diskutujte technologické postupy montáže SMD a prakticky odzkoušejte čistou povrchovou montáž. Na přiložených typech DPS rozhodněte o který typ povrchové montáže se jedná a zvažte náročnost výměny SMD 4/ Kvalitu pájení kontrolujte pomocí stereolupy ad 1/ viz manuál fy DIMA ad 2/ zkrácený postup programování je uveden v teoretickém rozboru ad 3/ zopakujte si technologické postupy montáže SMD a prakticky odzkoušejte čistou povrchovou montáž (pomocí dávkovače naneste pájecí pastu, osaďte SMD a zapájejte přetavením v reflow tunelu)

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 25 TEORETICKÝ ÚVOD 5.1 PRINCIP ČINNOSTI POLOAUTOMATICKÉHO PRACOVIŠTĚ Na základě Vámi zhotoveného programu se bude v naprogramované sekvenci pohybovat podložka pod ruku s laserovým ukazovátkem a bude na desce plošného spoje ukazovat na osazovanou pozici. Místo pro odebrání SMD součástky bude indikováno blikající LED diodou bud na karuselu (pro volně sypané součástky) nebo na panelu s LED diodami (LED bar) (pro napáskované součástky). Součástku uchopíme pomocí vakuové pipety na manipulátoru a nad osazovanou pozicí odpovídajícím způsobem natočíme součástku a lehce součástku položíme buď do pájecí pasty (bude pájeno přetavením pájecí pasty) nebo do lepidla (bude pájeno na pájecí vlně). Sešlápnutím nožního spínače postoupíme na další krok osazovacího programu. Dále je uveden zkrácený návod k programování a poloautomatickému osazování součástek pro povrchovou montáž (PM, SMD) na pracovišti SMMT-2000 PROGRAMOVÁNÍ: EXTERNÍ JEDNOTKY: karusel je připojen na port č. 2 LED panel je připojen na port č.1 INICIALIZACE: Před zahájením programování nové DPS nebo před osazováním DPS je nutno provést inicializaci osazovacího pracoviště (INITIALIZATION) a potvrdit ji (Return) EDITACE/VYTVOŘENÍ NOVÉ DPS Main menu-edit menu-create a new PCB (vytvoření nové desky) a po zadání názvu DPS se objeví položky Feeder edit (editace podavačů tj. rozmístění jednotlivých typů součástek do podavačů), Zero points (nastavení referenčních. bodů) a PCB edit (vlastní osazovací program) FEEDER EDIT (Editace podavačů) Po volbě odpovídající externí jednotky (UNIT) zadejte do odpovídají pozice (LOCATION) hodnotu součástky (např. UNIT LED BAR-LOCATION 1 - zadejte 10n) OSAZOVACÍ PŘEDPIS HODNOTA TYP POUZDRA PODAVAČ/ZÁSOBNÍK C1, C2 10n 1206 1L01 C3, C4 10p 0805 1L02 R3, R4, R5 2k2 1210 1L04 R1, R2 0R 0805 1L05 C5 47p 0805 1L13 C6,C7 1n5 1206 2C01 IC 1 NE 5512 SOIC 8 2C02 C8, C9 100p 1206 2C09 D1 OF 732 minimelf 2C07 Tr1 BC 846 SOT 23 2C08

26 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Pozn.: 1L01 - páskované součástky, port 1, pozice 1, atd. 2C01 - volně sypané součástky v karuselu, zásobník 1, atd. ZERO POINTS(nastavení referenčních bodů) Pomocí laserového ukazovátka se přesuňte na místo odkud zahájíte vlastní programování (může to být naváděcí značka FIDUCIAL POINT nebo příp. i roh DPS) a polohu potvrďte nožním pedálem. Pro programování vícenásobného motivu zvolte pro následující DPS (PCB number) adekvátní naváděcí bod apod. PCB EDIT (zhotovení osazovacího programu) STEP(krok osazovacího programu)-part(zadejte označení součástky dle osazovacího výkresu, např. C1) - COMPONENT (zadejte odpovídající hodnotu této součástky)-po potvrzení Enter se automaticky objeví umístění součástky v podavači (např.1l01 - tj. napáskovaná součástka umístěná na LED panelu (připojeného do portu č.1) v pozici 01) -dále pomocí joysticku se s laserovým paprskem přesuňte na osazovanou pozici(dle osazovacího plánu) a sešlápněte pedál, na obrazovce se objeví souřadnice místa kam budete součástku v případě osazování osazovat-dir(direction)udává orientaci v případě polarizovaných součástek U (Up), D(Down), L(Left), R(Right). Dále pokračujte v programování krokem č.2 atd. Jako poslední krok v programu se přemístěte laserovým paprskem mimo osazovanou DPS (je to vhodné pro snazší výměnu DPS před osazováním nové DPS) OSAZOVÁNÍ ASSEMBLE THE PCB (vlastní osazování naprogramované DPS) MAIN MENU-ASSEMBLE MENU-ASSEMBLE the PCB Pozn. Odzkoušejte celý program nasucho bez nanesené pájecí pasty či lepidla. Po natisknutí pájecí pasty nebo po nadávkování lepidla dle instrukcí vyučujícího proveďte osazení odpovídajících typů součástek a přetavení/vytvrzení v reflow (přetavovacím) tunelu Obrázek 5.1.1: Dispenzer Obrázek 5.1.2:Zásobník s pájecí pastou

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 27 Obrázek 5.1.3: Přetavovací pec DIMA POSTUP: 1) Seznamte se s procesem dávkování pájecí pasty na zkušební DPS pomocí zařízení DIMA viz.obrázek 5.1.1.. a Obrázek 5.1.1. Dávkujte pájecí pastu na pájecí plošky. Nastavte 3 rozdílné doby dávkování pájecí pasty Pozn.: Udržujte konstantní parametry p (tlak vzduchu p= 4 bary, vnitřní průměr jehly (s doporučenou barvou)) 2) Osaďte součástky 1206, 0805 a SOIC odpovídající hodnoty na pozice dle osazovacího výkresu pomocí poloautomatického osazovacího zařízení SMMT 2000. Pozn.: Po osazení součástkami 0805 i 1206 vyzkoušejte lepivost pájecí pasty lehkým poklepáním DPS o pracovní stůl 3) Pájejte přetavením pájecí pasty na zařízení DIMA SMRO 0180 Obrázek 5.1.3. Nastavte následující režim pájení: Top IR panel bottom heater top IR panel belt speed preheat reflow reflow 260 C 260 C 380 C 10 Přetavování pájecí pasty sledujte v proskleném průzoru. Diskutujte otázku centrování součástek a uveďte faktory, které ovlivňují úroveň vycentrování Přetavení pájecí pasty s Sn62Pb36Ag2 slitinou probíhá dle teplotní závislosti Obrázek 6.1.2. 4) Proveďte optickou kontrolu na zařízení MANTIS se zvětšením 4x a 10x. Kvalitu osazení i zapájení porovnejte s přiloženým manuálem