Technologie 7 Plošné spoje a technologie povrchové montáže 7.1 Úvod Úkolem desek s plošnými spoji (DPS) je realizovat vodivé propojení mezi mechanicky uchycenými na izolační podložce. Technologie plošných spojů umožnila nahrazení ručního propojování součástek drátovými spoji elektricky vodivými cestami vytvořenými na podložce z izolačního materiálu. Tyto cesty mohou být úzké až 0,1 mm. Izolační podložky, které jsou vyráběny od tloušťky cca 0,05 mm pro speciální použití až do několika mm, slouží zároveň jako nosné desky pro upevnění těžších součástek (jako jsou transformátory, tlumivky, relé,.), kromě toho je na DPS často umístěn informační popis obsahující označení součástek, případně další údaje, jako např. typické hodnoty parametrů v měřicích bodech apod. Tloušťka měděné fólie nabývá hodnot od 5 µm pro mikromodulové obvody do více než 100 µm pro obvody s větší proudovou zatížitelností. Protože jsou zároveň zmenšovány rozměry elektronických součástek, umožňuje dosažený vývoj technologie výroby plošných spojů vyrábět zařízení o menších rozměrech než kdykoliv dříve. Pro porovnání, tloušťka lidského vlasu je přibližně 0,075 mm. Způsob vzájemného propojování elektronických součástek je úzce svázán se stupněm rozvoje používaných technologií. V prvních elektronických zařízeních byly vývody součástek uzpůsobené pro propojování pomocí šroubků, pod které byl uchycen propojovací vodič. Tento způsob vyžadoval robustnost a velkou mechanickou odolnost součástek. Zdokonalením této technologie propojování bylo používání pájecích oček stažených šroubky. To vedlo k pájení drátů a umožnilo zmenšit rozměry součástek. Ve třicátých letech minulého století byly prováděny první pokusy propojování součástek na pevné podložce. Byly vyvíjeny první vodivé laky, pomocí kterých bylo možné vytvářet na izolační podložce vodivé spoje. Začátkem čtyřicátých let byly realizovány první pokusy odleptávání spojů. Tato technologie však byla drahá a proto neuspěla. Vývoj nových materiálů a výrobních postupů koncem čtyřicátých let technologii odleptávání oživil. V průběhu padesátých let se v oblasti propojování elektronických součástek technologie odleptávání spojů dostala na první místo. Nové výrobní technologie umožnily další miniaturizaci a integraci součástek. Jsou vyráběny první hybridní obvody, u kterých klasické drátové vývody jak na součástce tak na desce s plošnými spoji zabraňuje další miniaturizaci rozměrů. Koncem šedesátých let přichází firma Philips s prvními bez drátových vývodů. Jejich vývody jsou tvořeny bočními stěnami součástek, které jsou na desku pájeny ze strany spojů. Vzniká tak technologie povrchové montáže označovaná SMT z anglického názvu Surfice Mount Technology. V současné době jsou vyráběny různé druhy podkladových materiálů, které se liší hlavně pro použití na vysokých kmitočtech. Pro velmi vysoké kmitočty řádu GHz jsou používány velmi kvalitní teflonové lamináty (duroid) modifikované příměsemi, které dále zvyšují jejich jakost. Z hlediska provedení můžeme plošné spoje rozdělit do dvou skupin: - pevné plošné spoje; - ohebné plošné spoje. Podle množství vodivých vrstev můžeme plošné spoje dále dělit na: - jednostranné; - oboustranné; - vícevrstvé. Oboustranné a vícevrstvé plošné spoje mohou mít osazeny součástky po obou stranách. Propojení vrstev je zpravidla uskutečňováno pomocí prokovených děr, případně speciálních nýtů. Plošné spoje jsou používány pro: - klasickou montáž elektronických součástek - povrchovou montáž jednostrannou; - povrchovou montáž oboustrannou; - smíšenou klasickou i povrchovou montáž. - 7-1 -
Plošné spoje a SMT 7.2 Požadavky na materiály pro plošné spoje Materiály určené pro plošné spoje musí vyhovovat požadavkům na jejich elektrické a mechanické vlastnosti. Důležitými elektrickými vlastnostmi jsou: - elektrická rezistivita; - elektrická pevnost; - relativní permitivita ε r; - ztrátový činitel tg δ. V závislosti na konkrétní aplikaci je možné sledovat i další parametry (např. odlišné požadavky budou na desky s plošnými spoji používané pro nf a vf obvody). Mechanické vlastnosti - Tepelná odolnost deska plošného spoje je v průběhu pájení součástek po dobu několika sekund vystavena teplotám vyšším než 200 C, např. 250 C až 280 C. Desky jsou rovněž ohřívány při provozu což má vliv na stárnutí materiálu. - Průhyb desky; - Ztráta pevnosti laminátu; - Teplotní roztažnost materiálu v podélném směru; Poznámka: Při pájení součástek dochází k ohřevu desky i součástek. To se projevuje zejména při pájení součástek SMD. Při ohřevu a následném chladnutí není u SMD součástek není pnutí, které vzniká v důsledku různé tepelné roztažnosti desky a součástek redukováno pružností vývodů jako je tomu při pájení klasických součástek. Při nevhodně zvoleném materiálu může být vzniklé pnutí tak velké, že dojde k prasknutí součástky, případně k odtržení spoje od povrchu desky. Relativní změna rozměru materiálu je dána vztahem: l = TCE. υ, kde l0 l je změna rozměru při změně teploty; l 0 je rozměr materiálu při počáteční teplotě υ 0 ; TCE je koeficient teplotní roztažnosti - je udáván v ppm/ C (ppm = 10-6 l 1 ) TCE =. l0 υ (TCE Temperature Coefficient of Expansion) důležitý je koeficient teplotní roztažnosti pro podélné osy, tam, kde jsou používány prokovené otvory, je nutné počítat i s roztažností příčnou; υ je konečné a počáteční teploty. Následující tabulka uvádí délkové roztažnosti používaných materiálů ve směru os x a y. Pouzdra a podložky TCE xy [ppm/ C] Plastová pouzdra 20 až 23 Keramická pouzdra 5,4 až 6,7 Laminát FR-4 12 až 24 Laminát FR-4 vícevrstvý 14 až 24 FR-4 s kovovým jádrem (INVAR plátovaný mědí) 8,6 až 14 Keramické vícevrstvé desky 6,0 až 8,3 Laminát Epoxy Kevlar 6,0 až 7,0 Aby nevznikalo mechanické pnutí, měl by mít materiál použitý k výrobě desky přibližně stejnou teplotní roztažnost jako pájené součástky. Z tohoto hlediska je vhodné použití materiálu FR-4, na který mohou být bezpečně osazovány miniaturní pasivní čipové i MELF součástky s keramickým nosičem až do velikosti 10 mm, dále integrované obvody v plastových pouzdrech typu SO, PLCC, FLAT-PACK apod. - 7-2 -
7.2.1 Nejčastěji používané materiály Technologie Výchozí deska pro plošné spoje je obvykle tvořena metalickou vodivou fólií, zpravidla měděnou, přitmelenou k podložce. Obr.č.7.2.1 Příklad ohebného plošného spoje Obr.č.7.2.2 Příklad kombinace ohebného a pevného plošného spoje Materiály pro ohebné plošné spoje Základním materiálem jsou většinou polyimidové nebo levnější polyesterové fólie s vodivou, většinou měděnou kresbou. Spoje na několika fóliích je možné slepovat a vytvářet tak vícevrstvé spoje. Pro lepení jsou používána akrylátová nebo epoxidová lepidla, která jsou z hlediska navlhavosti podstatně lepší, ale jsou méně pružná a proto je jejich použití méně časté. Materiály pro pevné plošné spoje Pro pevné plošné spoje jsou používány vyztužené laminátové desky. Výztuž je tvořena materiály, jako je papír, sklo nebo polotovary obsahujícími bavlněnou, nylonovou nebo skleněnou tkaninu. laminát desky je vyráběn z termosetu nebo termoplastického polymeru. Deska je vyráběna při vyšší teplotě a pod tlakem. Lamináty na bázi fenolických pryskyřic Tyto materiály mají dobré elektrické vlastnosti, nejsou odolné proti elektrickému oblouku, jsou levné. Jsou používány ve výrobcích levné spotřební elektroniky. Základním materiálem je nejčastěji vrstvený papír impregnovaný ve vakuu fenol-formaldehydovou pryskyřicí. Působením tlaku za zvýšené teploty dojde k zesítění molekul a vzniká základní deska. Deska je umístěna mezi měděné fólie. Se zvětšováním obsahu pryskyřice je zvyšována tvrdost a křehkost materiálu, materiál se obtížněji vrtá. Označení materiálu podle obsahu pryskyřice podle doporučení NEMA (americké sdružení výrobců National Electrical Manufacturers Association): X 35 % pryskyřice; XX 45 % pryskyřice; XXX 58 % pryskyřice; XXXPC materiál razitelný za studena; FR 2 je to materiál XXXPC odolný proti požáru flame resistive Lamináty s epoxidovou pryskyřicí Tyto materiály jsou používány nejčastěji. Základem je většinou skleněná tkanina (případně papír) impregnovaná epoxidovou pryskyřicí rozpuštěnou v rozpouštědle. Impregnovaná tkanina je vysušena a nařezána na požadovanou velikost. Tím jsou vyrobeny prepregy. Následuje vložení prepregů mezi měděné fólie, vytvrzování pryskyřice pod tlakem za přítomnosti katalyzátorů. Vytvrzená pryskyřice je stabilní, odolná proti kyselinám a zásadám. Při zvýšené teplotě měkne. Materiály této skupiny: - 7-3 -
Plošné spoje a SMT FR 3 laminát tvořený papírem impregnovaným epoxidovou pryskyřicí. Obsahuje látky, které zpomalují hoření, má dobré elektrické vlastnosti, lze jej snadno opracovat, vyznačuje se rozměrovou stálostí a dobrou mechanickou pevností. Dále uvedené materiály používají skelnou tkaninu: G10 dobré elektrické a mechanické vlastnosti; FR-4 nehořlavá varianta materiálu G10. Jsou v něm zaměněny epoxidové funkční skupiny chlórem a brómem; často používaný materiál; G11 nejkvalitnější a nejdražší materiál, hůře se opracovává, má vynikající tepelnou odolnost FR-5 nehořlavá modifikace materiálu G11. Lamináty na bázi polyimidu Základem je skleněná tkanina impregnovaná polyimidovou pryskyřicí. Snášejí vysokou teplotu (až 290 C), což je více než teplota tavení pájky. Jsou u nich problémy s přilnavostí měděné fólie, jsou dražší než epoxidové lamináty. Lamináty na bázi polytetrafluoretylenu (PRFE) označení GX, GT Základem je skleněná tkanina. Mají vynikající elektrické vlastnosti (rel. permitivita ε r 2,3), je možné je používat na velmi vysokých kmitočtech (až 10 GHz). Kromě uvedených materiálů jsou používány pro některé speciální aplikace další lamináty. Materiály s redukovaným TCE U výše uvedených materiálů se pohybuje koeficient teplotní roztažnosti v rozsahu od 10 ppm/ C do 15 ppm/ C. Pro montáž větších keramických pouzder jsou tyto lamináty nevyhovující a je nutné používat materiály, jejichž TCE se blíží teplotnímu koeficientu roztažnosti keramiky. Toho je možné docílit přidáním vhodného plniva; nebo vrstvením s materiálem, který celkový TCE sníží, většinou je používáno kovové jádro. V tom případě je pod součástku umístěn chladič, který má za úkol zvýšit tepelnou vodivost směrem ke kovovému jádru, které plní funkci chladiče. Na kovové jádro, které je tvořeno vrstveným kovovým materiálem s vhodným TCE, je nalepen skelný laminát s oboustranným plošným spojem. 7.3 Vícevrstvé plošné spoje Měď Laminát Obr.č.7.3.1 Jádro mnohavrstvého plošného spoje Montážní otvory Fotorezist Obr.č.7.3.2 Nanesení fotorezistu a vyvrtání montážních otvorů Při výrobě mnohovrstvého plošného spoje jsou nejprve vyrobeny vnitřní vrstvy. jádro obsahuje tenkou desku z izolantu pokrytou z obou stran měděnou fólií. Tato deska je též nazývána laminát. Jádra mohou dosahovat tloušťky od 0,1 mm do 1,5 mm (od 0,004 do 0,062 ). Volba vhodné tloušťky závisí na požadavcích na konečném uspořádání desky s plošnými spoji. Nejčastěji používaným materiálem je sklolaminát, ale jsou používány i jiné materiály jako: polyimid; teflon; kevlar (aramid); a další. Materiál jádra je čištěn od všech nečistot i mastnoty. Následuje nanesení fotorezistu. Nanesení stejnoměrné vrstvy fotorezistu je dosahováno pomocí odstředivek. Fotorezist se při tom od středu desky rovnoměrně odstředivou silou rozlije po její celé ploše. Následuje vyražení, případně vyvrtání montážních otvorů, které zajišťují přesné sestavení všech vrstev plošného spoje. - 7-4 -
Technologie Film Film otvory Montážní kolíky Obr.č.7.3.3 Masky pro vytvoření kresby plošného spoje Holá měď Po odleptání Holá měď Obr.č.7.3.5 Po odleptání nepotřebné mědi Prepreg Po vyvolání Zbylý rezist Obr.č.7.3.4 Po vyvolání Měď Prepreg Měď Prepreg Měď Měď Jádro Jádro Obr.č.7.3.6 Sestavení vrstev plošného spoje K takto upravenému jádru jsou pomocí montážních otvorů z každé strany přiloženy filmy s obrazy dvou vrstev plošných spojů. Samozřejmě, že jsou pro obě strany filmové masky rozdílné. Montážní otvory slouží k přesnému přiložení filmů. Jádro je vystaveno intenzivnímu osvětlení. Při vyvolání je odstraněn neosvětlený rezist a následně odleptána měděná fólie. Následuje odstranění osvětlené vrstvy fotorezistu, načež na jádře zůstane žádaný obraz měděné fólie, jak je to znázorněno na obr.č.7.3.4. Po vytvoření požadované kresby vrstev plošného spoje následuje chemický proces, kterým je zvýšena přilnavost mědi k delší vrstvě mnohovrstvého plošného spoje. Při tom je barva mědi změněna na černou. Po této úpravě je jádro zahříváno k odstranění nadměrné vlhkosti. Nyní již může dojít ke složení jednotlivých vrstev. Při skládání musí být zachováno jejich správné pořadí a dodržena požadovaná přesnost. Jádra jsou vložena mezi impregnované laminátové fólie označené prepreg (obr.č.7.3.5). Vnější fólie jsou měděné. Po složení všech vrstev se provede jejich slisování. Požadované přesnosti naskládání jednotlivých vrstev je dosaženo pomocí montážních otvorů a montážních kolíků obr.č.7.3.5. Při slisování jsou jednotlivé vrstvy vzájemně slepeny. Prepregy v tomto případě slouží jednak jako izolátory a také jako lepicí vrstvy. Lisování je uskutečňováno za pečlivé kontroly teploty a trvá několik hodin. Po vyhotovení mnohavrstvého plošného spoje nejsou jednotlivé vrstvy elektricky propojeny. K tomu účelu je nutné vyvrtat otvory. To je prováděno pomocí počítačově řízených souřadnicových vrtaček. Otřepy zbylé po vrtání jsou odstraněny speciálním procesem plasmového odleptání. Vyvrtané otvory jsou chemickou cestou prokoveny. Tím je dosaženo propojení jednotlivých vrstev. Prokovení je převážně uskutečňováno nanesením vrstvy mědi chemickou cestou. Vyhotovená deska ještě nemá vyhotoveny spoje na vnějších vrstvách. To je provedeno již dříve popsaným způsobem: je nanesen fotorezist, přes masku je osvícen, po vyvolání jsou odstraněny části měděných fólií v místech, kde nejsou vedeny spoje. Tloušťka měděné fólie je obvykle volena ve vztahu k jemnosti kresby plošného spoje. Standardně je používána fólie o tloušťce 35 µm, ale jsou používány i menší tloušťky 5 µm a 17 µm, nebo větší 70 µm a 135 µm. 7.4 Typy montáží Montáž součástek na plošné spoje je možné rozdělit do tří skupin: - klasická montáž; - povrchová montáž (SMD); - smíšená montáž. Při klasické montáži jsou na DPS osazovány součástky opatřené klasickými (drátovými) vývody. Součástky jsou na desku pájeny zpravidla z jedné strany. Při SMD montáži mohou být součástky na dvou a vícevrstvé desky osazovány z obou stran. Smíšená montáž zahrnuje osazení jak klasickými tak SMD. SMD součástky při tom bývají umisťovány na jednu stranu DPS, klasické na druhou. Umísťovat součástky obou typů na jednu stranu není vhodné. - 7-5 -
Plošné spoje a SMT 7.5 konstrukční třídy DPS jsou vyráběny v sedmi konstrukčních třídách. Vyšší třídy obsahují větší hustotu spojů, jejich výroba je obtížnější. Čím vyšší je konstrukční třída, tím jsou vyšší výrobní náklady. Konstrukční provedení plošného spoje je proto třeba zvážit nejen z hlediska požadovaných funkčních a dalších parametrů, ale i z hlediska ceny. DPS v V. a vyšších konstrukčních třídách jsou vyráběny po dohodě s výrobcem. 2"(5) 2"(5) Třída I Základní síť třídy I má rozteče mezi spoji 2 (2 x 2,54 mm), případně 5 mm. Stejná je i vzdálenost středů dvou sousedních pájecích bodů. Při uvedené rozteči není povoleno vedení plošného vodiče mezi dvěma pájecími body. 2" (5,08) 2"(5,08) 1,41" (3,54) spoj mezi pájecími body Třída II Základní síť má rozteč 1 (2,54 mm, případně 2,5 mm). Minimální vzdálenost středů dvou sousedních pájecích bodů je 3,54 mm (1,41 ). Při minimální rozteči není povoleno vedení plošného spoje mezi dvěma pájecími body. Třída III Základní síť má rozteč 1 (2,54 mm, případně 2,5 mm). Minimální vzdálenost středů dvou sousedních pájecích bodů odpovídá rozteči sítě. Při minimální rozteči není povoleno vedení plošného spoje mezi sousedními pájecími body. Třída IV Základní síť má rozteč 1 (2,54 mm, případně 2,5 mm). Minimální vzdálenost středů dvou sousedních pájecích bodů odpovídá rozteči sítě. Při minimální rozteči není povoleno vést jeden spoj mezi sousedními pájecími body. spoje mezi pájecími body spoje mezi pájecími body Třída V Základní síť má rozteč 1 (2,54 mm, případně 2,5 mm). Minimální vzdálenost středů dvou sousedních pájecích bodů odpovídá rozteči sítě. Při minimální rozteči není povoleno vést dva spoje mezi sousedními pájecími body. Třída VI Základní síť má rozteč 1 (2,54 mm, případně 2,5 mm). Minimální vzdálenost středů dvou sousedních pájecích bodů odpovídá rozteči sítě. Při minimální rozteči není povoleno vést tři spoje mezi sousedními pájecími body Pro povrchovou montáž 0,5"(1,27) 0,5"(1,27) Kresba a umístění vodičů je zpravidla realizována v rastru 0,5 (1,27 mm), pro jednodušší aplikace v rastru 1 jako u klasických DPS. Vzhledem k malým rozměrům součástek je tendence zmenšovat šířku spojů pod 0,15 mm (0,15 mm 6 mils, 1 mil = 25,4.10-6 mm). Kreslení předloh plošných spojů musí odpovídat platným standardům a předpisům daného výrobce plošných spojů. Neodborně provedený návrh plošného spoje může mít za následek zvýšení zmetkovitosti při pájení vlnou, často mohou vzniknout i problémy s funkčností osazených desek. - 7-6 -
7.6 Vliv tloušťky měděné fólie a šířky spoje Technologie Obr.č.7.6.1 znázorňuje závislosti odporu vodiče vytvořeného z měděné fólie o tloušťkách 17 µm, 35 µm a 70 µm.. Z grafu je zřejmé, že se odpor spoje mění nejen v závislosti na tloušťce fólie a šířce spoje, ale jeho velikost vzrůstá také se zvětšováním teploty. Velikost odporu a rozměrů spojů má vliv i na jejich proudovou zatížitelnost, jak je vidět pro tloušťku fólie 35 µm z obr.č.7.6.2 a pro tloušťku fólie 70 µm z obr.č.7.6.3. Obr.č.7.6.1 Vliv tloušťky fólie a šířky spoje na velikost jeho odporu Obr.č.7.6.2 Proudová zatížitelnost spojů o tloušťce 35 µm Obr.č.7.6.3 Proudová zatížitelnost spojů o tloušťce 70µm 7.7 Technika povrchové montáže 7.7.1 Součástky pro povrchovou montáž Technologie povrchové montáže SMT umožnila zmenšit rozměry pouzder součástek včetně vývodů oproti pouzdru typu DIL (dual in line) asi na třetinu až polovinu. Součástky SMD (Surface Mount Devices) jsou buďto bezvývodové (např. čipové rezistory, kondenzátory, cívky) nebo s vývody ( tranzistory, integrované obvody). Tyto součástky jsou pájeny na plošný spoj ze strany spojů, jejich vývody nejsou zasouvány do otvorů. Umístěním na straně spojů dochází při pájení k přímému kontaktu součástek s pájecí vlnou. Proto musejí být schopny odolat po dobu minimálně 10 sekund teplotám kolem 260 C, při pájení nesmí roztavená pájka vniknout dovnitř pouzdra součástky. - 7-7 -
Plošné spoje a SMT Vývody SMD součástek mohou být provedeny několika způsoby: a) Metalizované plošky Obrázek vlevo znázorňuje čipový rezistor opatřený po stranách metalizovanými pájecími ploškami. Jiný typ pouzdra opatřeného rovněž pájecími ploškami je provedení MELF válcové provedení. Pod obrázkem rezistoru v provedení MELF jsou naznačeny výrobcem předepsané pájecí plošky. Potřebné rozměry pájecích plošek předepisují výrobci součástek ve firemní dokumentaci. Vývody tvořené metalizovanými ploškami jsou používány pro konstrukci SMD rezistorů, kondenzátorů a cívek a integrovaných obvodů umístěných v pouzdrech LCCC. Kovová plocha, která tvoří přívod, je realizována přímo na tělese pouzdra a proto je spojení s deskou plošného spoje uskutečňováno nepružně. V důsledku toho vzniká v pájeném spoji pnutí. Proto je nutné zejména u rozměrných součástek používat pro základní desku plošného spoje speciální materiály, které mají podobný koeficient tepelné roztažnosti jako materiál pouzdra. b) Páskové vývody Páskové vývody jsou podle obrázku jsou zpravidla požívány pro součástky hranolovitého tvaru, jako jsou např. elektrolytické kondenzátory. Vývod je tvořen kovovým páskem zahnutým pod pouzdro součástky. c) Páskové vývody tvaru L (označení pouzder QFP, LQFP, TQFP) Výhodou vývodů tvaru L je snadná kontrolovatelnost a možnost snadnějšího testování pájených spojů. Nevýhodou jsou větší rozměry způsobené vyhnutím vývodů vně součástky, což navíc způsobuje obtížnější osazování osazovacími automaty, protože je při manipulaci mnohem snadnější vývody deformovat. d) Páskové vývody tvaru J (pouzdra mají označení SOJ, QFJ) Vývody tvaru J jsou používané u plastových nosičů čipu. Jejich konce jsou ve tvaru písmene J zahnuty pod pouzdro integrovaného obvodu. Mají menší pájecí plošky, které nepřesahují přes obrys pouzdra. Obvody v pouzdrech s těmito vývody je snadné umísťovat do objímek. Nevýhodou je větší výška, která znesnadňuje kontrolu a testování pájených spojů při těsném umístění pouzder vedle sebe. e) Kuličkovém vývody v šachovnicovém poli (Ball Grid Array packages BGA, označení pouzder též FBGA) Tvary s vysokým počtem vývodů využívají celý obvod pouzdra pro vývody (jako např. čtyřhranná plochá pouzdra QFP). Při počtu vývodů na 208 by bylo nutné zmenšit rozteče na 0,4 mm, což by vedlo k potížím při jejich realizovatelnosti, pájení atd. Pouzdra s vývody BGA byla vyvinuta pro integrované obvody s velkým počtem vývodů. To umožnilo minimalizovat rozměry a zlepšit problémy s teplotním koeficientem. Pouzdro BGA umožňuje na stejné ploše umístit dvojnásobný počet vývodů než pouzdro QFP (Quad Flat Pack). Pro porovnání. Čtverhranné ploché pouzdro s 208 vývody o velikosti 25 x 25 mm vyžaduje uspořádání vývodů s roztečí 0,3 mm. Pouzdro BGA využívá pro umístění vývodů celou spodní plochu pouzdra a proto je možné na stejnou plochu umístit 276 vývodů s roztečí 1,5 mm. Průměr pájecích kuliček pro rozteč 1,27 mm je asi 0,75 mm, výška 0,6 mm. Kuličky jsou vyrobeny z pájkové slitiny. I u této technologie dochází ke zmenšování rozměrů. Je již používána technologie µbga s pouzdry majícími téměř velikost čipu označovanými CSP (Chip Size Package) s kuličkami o průměru 0,3 až 0,5 mm a s roztečí 0,5 mm. - 7-8 -
Technologie Nejrozšířenější jsou BGA v plastikových pouzdrech (PBGA). Provedení v keramickém pouzdru (CBGA) nejsou citlivá na vlhkost, mají vynikající rovinnost a lepší chlazení. Umístění pájecích bodů pod pouzdro omezuje vizuální kontrolu provedení spojů bez speciálních přístrojů, jako jsou speciální mikroskopy nebo trojrozměrné roentgeny. Různí výrobci používají velké množství rozličných typů pouzder. Snaha sjednotit rozměry pouzder vedla k vytvoření dohody mezi standardizačními ústavy JEDEC USA a EIAJ Japonsko. Následující tabulka znázorňuje pro informaci různé typy pouzder integrovaných obvodů PDIP (DIL) Plastic Dual-In-line Package CERDIP CERamic Dual-In-line Package SDIP Shrink Dual-In-line Package PLCC Plastic Leaded Chip Carrier LCC Leadless Chip Carrier SO - Small Outline Gull Wing SOIC - Small Outline Integrated Circuit SOJ Small Outline J-lead SSOP Shrink Small Outline Package TSSOP Thin Shrink Small Outline Package MSOP Miniature Small Outline Package Gull Wing FLAT PACK TSOP Thin Small Outline Package TQFP Thin Quad Flat Pack LQFP Low Profile Quad Flat Pack CERQUAD Ceramic Quad Flat Pack - 7-9 -
Plošné spoje a SMT CLCC Ceramic Leaded Chip Carrier QFP Quad Flat Pack PQFP Plastic Quad Flat Pack CQFP Ceramic Quad Flat Pack MQFP Metric Quad Flat Package BQFP Bumper Quad Flat Pack FC Flip Chip BGA Plastic Ball Grid Array fbga CSP flex Ball Grid Array Chip Scale Package µbga CSP Micro Ball Grid Array Chip Scale Package LBGA Laminate Ball Grid Array CBGA CSP Ceramic Ball Grid Array S-BGA CSP Spreader - Metal Ball Grid Array ebga Liquid encapsulated Ball Grid Array 7.7.2 Montáž součástek SMD na plošný spoj Desky s plošnými spoji mohou obsahovat nejen SMD, ale i klasické součástky. Tomu musí být podřízen způsob montáže součástek na desky s plošnými spoji i způsob pájení. Jsou možné následující způsoby montáže: a) montáž pouze SMD součástek. Ta může být: - jednostranná, kdy na desku s plošnými spoji jsou součástky osazovány pouze na jednu stranu; - oboustranná, kdy součástky jsou osazeny z obou stran plošného spoje. b) kombinovaná montáž SMD i klasických součástek. Součástky pro klasickou montáž jsou umisťovány na jednu stranu desky s plošnými spoji (na stranu součástek), SMD součástky jsou osazovány na stranu spojů. Při osazování jsou nejprve osazeny součástky pro klasickou montáž, následuje osazení dále popsaným popisem SMD součástek a pájení vlnou. - 7-10 -
Technologie c) kombinovaná montáž SMD i klasických součástek, kdy jsou SMD součástky osazeny jak na straně klasických součástek tak na straně spojů. 7.7.2.1 Úprava plošného spoje před osazením součástek Prvním předpokladem pro kvalitní osazení je výborná pájitelnost DPS. Toho se zpravidla dosahuje nanesením tavidla. Tavidlo je zpravidla kapalná látka, která při ohřátí zrychluje nebo podporuje smáčení pájených materiálů pájkou. Tavidlo za působení tepla odstraní z povrchu pájeného materiálu oxidy i jiné nečistoty a chrání jej během procesu pájení proti oxidaci. Reakce tavidla s oxidy zapřičiní zvýšení povrchového napětí a tím zlepšení smáčivosti. Přísady, pomocí kterých je dosahováno kvalitní pájení jsou nazývány aktivátory. Hlavním požadavkem na tavidlo je zajistit spolehlivý proces pájení s reprodukovatelnou kvalitou pájených spojů a s minimálním obsahem zbytkovým obsahem nečistot po pájení. Jsou preferována bezoplachová tavidla, která nevyžadují čištění (tzv. no clean typy). 7.7.2.2 Montáž pouze SMD součástek pájecí pasta DPS nanesení pájecí pasty přes šablonu (sitotisk) osazení SMD pájení přetavením čištění druhá strana? ne vizuální kontrola testy ano součástky Obr.č.7.7.1 Postup osazování SMD maska Při tomto způsobu montáže součástek na plošný spoj je používána tzv. metoda přetavení pájecí pasty. Tato technologie má některé přednosti oproti technologii vlnového pájení. Pájecí pasta plní dvě funkce: zpočátku slouží jako dočasné lepidlo, které fixuje součástku k desce (musí mít dobrou lepivost); po přetavení slouží k zajištění pevného elektrického spojení součástek s DPS. Nanášení pájecí pasty je prováděno zpravidla sítotiskem nebo šablonovým tiskem. Při tom je naneseno definované množství pasty (pájky a tavidla) na plošný spoj, což zabezpečuje reprodukovatelnou kvalitu spoje. Důležitým faktorem je volba správné pasty a teplotního profilu. Součástky jsou osazovány osazovacími automaty (případně poloautomaty). Po přetavení je spoj lesklý a hladký. Případné zbytky pájecí pasty jsou odstraněny v etapě čištění. Je-li deska osazena SMD z obou stran, celý proces se uskutečňuje dvakrát. Nejprve pro jednu, potom pro druhou stranu. Vizuální kontrola má za úkol zjistit viditelné závady, jako např. můstky cínu mezi spoji, špatně připájené součástky atd. Konečné testy vyhodnocují správnost funkcí osazené desky. Po jejich bezchybném ukončení je možné vyhotovenou desku montovat do zařízení. 7.7.2.3 Kombinovaná montáž, SMD součástky na stranu spojů, klasické součástky na stranu součástek Při kombinaci klasických a SMD součástek na jednu desku s plošnými spoji jsou klasické součástky uchyceny k plošnému spoji svými vývody zasunutými do otvorů v plošném spoji. SMD součástky jsou před pájením přitmeleny na vyznačená místa k druhé straně DPS. - 7-11 -
Plošné spoje a SMT klasické součástky osazení klasickými vývodovými otočení DPS nanesení lepidla osazení SMD výtvrzení lepidla pájení vlnou čištění vizuální kontrola testy DPS maska součástky SMD Obr.č.7.7.2 Postup osazování desky klasickými a jednostranně SMD B C C + B < H SMD součástka Lepidlo l Pájecí plošky Obr.č.7.7.3 Lepení SMD součástek H Jako první krok je provedeno osazení klasickými, jejichž vývody jsou zasunuty do prokovených otvorů v plošném spoji. Aby součástky z plošného spoje nevypadávaly, jsou k plošnému spoji uchycovány převážně zahnutím konců určených vývodů k desce s plošnými spoji. Součástky SMD jsou osazovány na stranu spojů. Před osazením je na stanovená místa přes masku naneseno lepidlo, kterým jsou SMD součástky k desce přilepeny. Lepidlo má tyto základní vlastnosti: jednosložkový bezrospouštědlový systém; je tixotropní (nedochází k jeho roztékání); je elektricky nevodivé a dielektricky stabilní (pro některé aplikace jsou používána elektricky vodivá lepidla, která jsou v tom případě využívána nejen k přilepení součástek, ale i k vodivému propojení mezi ploškami a vývody součástky); je chemicky stabilní; je nekorozivní; má dobrou lepivost; má dobrou teplotní stabilitu (stálá viskozita při změnách teploty. je výrazně barevné kvůli vizuální kontrole; má dlouhou skladovatelnost; je odolné vůči teplotám používaným při pájení. Princip lepení SMD součástek je znázorněn na obr.č.7.7.3. Po přilepení součástek a vytvrzení lepidla je prováděno pájení vlnou. Vlna roztavené pájka současně pájí SMD součástky i vývody klasických součástek k plošnému spoji. SMD součástky jsou umístěny na straně pájení. Po vyčištění zapájené desky je prováděna vizuální kontrola, pomocí které jsou zjišťovány viditelné závady, jako např. můstky cínu mezi spoji, špatně připájené součástky atd. Konečné testy vyhodnocují správnost funkcí osazené desky. Po jejich bezchybném ukončení je možné vyhotovenou desku montovat do zařízení. 7.7.2.4 Kombinovaná montáž, SMD součástky po obou stranách desky s plošnými spoji, klasické součástky na stranu součástek Při této metodě jsou SMD součástky osazovány po obou stranách desky s plošnými spoji, klasické součástky jsou osazovány pouze na strnu součástek. Tato metoda je z hlediska počtu montážních operací nejsložitější. Používají se při ní oba způsoby pájení: pájení přetavením, kdy je přetavována pájecí pasta, i pájení vlnou, při kterém jsou pájeny současně SMD i klasické součástky. Postup je zřejmý z obr.č.7.7.4. - 7-12 -
Technologie pájecí pasta DPS nanesení pájecí pasty přes šablonu (sitotisk) osazení SMD pájení přetavením osazení klasickými otočení DPS nanesení lepidla součástky klasické součástky maska součástky SMD osazení SMD výtvrzení lepidla pájení vlnou čištění vizuální kontrola testy Nejprve je na stranu součástek tam, kde budou osazeny SMD součástky, nanesena pájecí pasta. Následuje osazení strany součástek SMD a jejich pájení přetavením. Při tom musejí být zakryty otvory určené pro montáž klasických součástek. Nyní jsou na stranu součástek osazeny součástky s klasickými vývody a další postup je shodný s postupem, kdy jsou SMD součástky osazovány pouze na stranu spojů. Poznámka: Někdy je nutné osadit desku těžšími a rozměrnějšími, které je vhodné osazovat až po osazení ostatními. Potom je technologie před pájením vlnou doplněna o další krok,kterým je osazení těmito. Obr.č.7.7.4 Postup osazování desky klasickými a oboustranně SMD - 7-13 -