Ing. Jiří Starý, Ph.D. Ing. Petr Kahle. Plošné spoje a povrchová montáž

Ing. Jiří Starý, Ph.D. Ing. Petr Kahle Plošné spoje a povrchová montáž 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 1 Obsah 1 ÚVOD...8 2 ZAŘAZENÍ PŘEDMĚTU VE STUDIJNÍM PROGRAMU...8 2.1 ÚVOD DO PŘEDMĚTU...8 2.2 VSTUPNÍ TEST...9 3 DESKY S PLOŠNÝMI SPOJI...10 3.1 ZÁKLADNÍ MATERIÁLY...10 3.1.1 ORGANICKÉ ZÁKLADNÍ MATERIÁLY...11 3.1.2 ANORGANICKÉ ZÁKLADNÍ MATERIÁLY...18 3.1.3 VLASTNOSTI PLÁTOVANÝCH ZÁKLADNÍCH MATERIÁLŮ...19 3.2 TECHNOLOGIE VÝROBY DPS...21 3.2.1 DRUHY PROPOJOVACÍCH STRUKTUR...21 3.2.2 METODY VÝROBY PROPOJOVACÍCH STRUKTUR...22 3.2.3 TECHNOLOGICKÉ HRANICE V PROPOJOVACÍCH STRUKTURÁCH A TRENDY 30 3.2.4 METODY KONTROLY KVALITY...33 3.3 POPIS STANDARDNÍCH OPERACÍ PŘI VÝROBĚ DPS...35 3.3.1 MECHANICKÉ OPERACE...35 3.3.2 FOTOLITOGRAFICKÉ OPERACE...37 3.3.3 CHEMICKÉ A GALVANICKÉ PROCESY...38 3.3.4 POLYMERNÍ OCHRANNÉ A VODIVÉ/STÍNÍCÍ VRSTVY...40 3.3.5 POVRCHOVÁ ÚPRAVA MĚDI...43 4 TECHNOLOGICKÉ POSTUPY V POVRCHOVÉ A ZÁSTRČNÉ MONTÁŽI 48 4.1 MECHANICKÁ MONTÁŽ...49 4.2 MONTÁŽ ELEKTRONICKÝCH PRVKŮ...50 4.2.1 VÝVODOVÁ MONTÁŽ...50 4.2.2 TECHNOLOGICKÉ POSTUPY V POVRCHOVÉ MONTÁŽI...55 4.3 MANIPULACE SE SOUČÁSTKAMI...34 4.3.1 OCHRANA ELEKTROSTATICKY CITLIVÝCH SOUČÁSTEK...34 4.3.2 MANIPULACE SE SOUČÁSTKAMI CITLIVÝMI NA VLHKO (MSDS)...40 5 MATERIÁLY PRO MONTÁŽNÍ TECHNOLOGIE...43 5.1 TAVIDLO...43 5.1.1 DĚLENÍ TAVIDEL...44 5.1.2 POROVNÁVÁNÍ KVALITY TAVIDEL A METODY...46 5.2 PÁJECÍ SLITINY...50 5.2.1 PÁJKA SnPb...50 5.2.2 BEZOLOVNATÉ PÁJKY...52 5.3 PÁJECÍ PASTA...54 5.3.1 SLOŽENÍ A VLASTNOSTI PÁJECÍ PASTY...55 5.3.2 ZPRACOVÁNÍ PÁJECÍ PASTY...58 5.4 LEPIDLA PRO SMT...60 5.4.1 LEPIDLA ELEKTROIZOLAČNÍ TEPELNĚ NEVODIVÁ...61 5.4.2 LEPIDLA ELEKTRICKY VODIVÁ...63 5.5 KONFORMNÍ POVLAK...67 6 APLIKAČNÍ TECHNOLOGIE...68

2 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 6.1 METODA TISKU PŘES ŠABLONU/SÍTO... 68 6.1.1 ZAŘÍZENÍ NA SÍTOTISK/ŠABLONOVÝ TISK... 76 6.1.2 KVALITA TISKU... 77 6.2 METODA PIN TRANSFER... 79 6.3 DISPENZE (DÁVKOVÁNI)... 79 6.3.1 DISPENZERY (DÁVKOVAČE)... 79 6.3.2 KVALITA DISPENZE LEPIDLA/PÁJECÍ PASTY... 81 6.4 SROVNÁNÍ TECHNIKY TISKU A DISPENZE:... 82 7 OSAZOVÁNÍ SMD... 83 7.1 PRINCIP OSAZOVÁNÍ... 83 7.1.1 SEKVENČNÍ PICK-AND-PLACE OSAZOVACÍ AUTOMATY... 84 7.1.2 SEKVENČNÍ NASTŘELOVAČE ČIPŮ ( CHIP SHOOTER )... 86 7.1.3 SIMULTÁNNÍ OSAZOVACÍ AUTOMATY... 88 7.1.4 MODULÁRNÍ SYSTÉMY OSAZOVACÍCH AUTOMATŮ... 89 7.2 ČÁSTI OSAZOVACÍHO AUTOMATU... 90 7.2.1 TRANSPORTNÍ ČÁST... 91 7.2.2 PODAVAČE SOUČÁSTEK... 92 7.2.3 ČÁST OSAZOVACÍ... 94 7.3 KRITÉRIA PRO VÝBĚR OPTIMÁLNÍHO ZAŘÍZENÍ... 98 8 PÁJENÍ DPS... 99 8.1 TEORIE PÁJENÍ... 99 8.1.1 PÁJITELNOST... 100 8.1.2 SPOLEHLIVOST PÁJENÉHO SPOJE... 101 8.1.3 PÁJENÍ MĚDĚNÝCH POVRCHŮ PÁJKOU SnPb... 104 8.1.4 VLIV KONTAMINACÍ NA VLASTNOSTI PÁJENÉHO SPOJE... 106 8.2 STROJNÍ PÁJENÍ VLNOU... 108 8.2.1 PROCES A DÍLČÍ OPERACE... 108 8.2.2 KONSTRUKCE ZAŘÍZENÍ PRO STROJNÍ PÁJENÍ VLNOU... 110 8.2.3 TYPICKÝ TEPLOTNÍ PROFIL... 111 8.2.4 PÁJENÍ V OCHRANNÉ DUSÍKOVÉ ATMOSFÉŘE... 112 8.3 SPECIÁLNÍ TECHNIKY PÁJENÍ... 115 8.4 TECHNIKA RUČNÍHO PÁJENÍ... 116 8.5 PÁJENÍ PŘETAVENÍM PÁJECÍ PASTY (REFLOW PÁJENÍ)... 117 8.5.1 DRUHY PŘENOSU TEPLA... 117 8.5.2 METODY PÁJENÍ PŘETAVENÍM... 119 8.5.3 FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ KVALITU V REFLOW PROCESU... 124 8.5.4 TEPLOTNÍ PROFIL V REFLOW PECI... 124 8.6 ODSÁVÁNÍ ZPLODIN Z PÁJECÍCH PROCESŮ... 129 8.7 VADY PÁJENÉHO SPOJE... 130 8.7.1 KLASIFIKACE VAD PODLE FÁZE VZNIKU... 130 8.7.2 POŽADAVKY NA KVALITU PÁJENÝCH SPOJŮ... 131 9 OPRAVY MONTÁŽNÍCH CELKŮ... 133 9.1 OPRAVY MONTÁŽNÍ A PROPOJOVACÍ STRUKTURY... 134 9.2 OPRAVY MONTÁŽNÍ A PROPOJOVACÍ SESTAVY... 135 9.2.1 VÝVODOVÁ MONTÁŽ... 135 9.2.2 POVRCHOVÁ MONTÁŽ... 136 9.2.3 ZÁSADY PRO DEMONTÁŽ A MONTÁŽ SOUČÁSTEK... 137 9.2.4 DEMONTÁŽ/MONTÁŽ VÝVODOVÝCH SOUČÁSTEK... 137

Plošné spoje a povrchová montáž 3 9.2.5 PŘEHLED METOD PRO DEMONTÁŽ/MONTÁŽ SMD...138 10 NÁVRHOVÝ SYSTÉM PADS...152 10.1 ZÁKLADNÍ PRACOVNÍ PROSTŘEDÍ (SHELL)...152 10.2 SDÍLENÍ A PŘENOS DAT MEZI PROGRAMY...158 10.3 EDITOR ELEKTRICKÝCH SCHÉMAT POWERLOGIC...161 10.4 EDITOR SPOJŮ POWERPCB...167 10.5 BLAZEROUTER...175

4 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Seznam obrázků OBRÁZEK 3.1: DĚLENÍ ZÁKLADNÍCH MATERIÁLŮ... 10 OBRÁZEK 3.2:ODOLNOST MATERIÁLŮ V PÁJECÍ LÁZNI 260 C... 14 OBRÁZEK 3.3: NAVLHAVOST MATERIÁLŮ... 14 OBRÁZEK 3.4: IDEÁLNÍ ZM... 15 OBRÁZEK 3.5: E-SKLO S RŮZNÝM POJIVEM... 15 OBRÁZEK 3.6:PŘÍKLAD TG. POSTUPU VÝROBY DVOUVRSTVÝCH DPS... 24 OBRÁZEK 3.7: DPS PO VYVOLÁNÍ FOTOREZISTU, PO LEPTÁNÍ A STRIPOVÁNÍ FOTOREZISTU... 24 OBRÁZEK 3.8:POSTUP VÝROBY VV DPS [2]/... 26 OBRÁZEK 3.9: KONSTRUKCE STRUKTURY S KOVOVÝM JÁDREM... 27 OBRÁZEK 3.10:STRUKTURA HDI... 28 OBRÁZEK 3.11: TYPICKÝ TVAR OTVORU ZHOTOVENÉHO PLAZMOU A) A LASEREM B)... 28 OBRÁZEK 3.12: MICROVIA A TECHNOLOGICKÉ MOŽNOSTI... 29 OBRÁZEK 3.13:TECHNOLOGICKÉ HRANICE ZHOTOVOVÁNÍ OTVORŮ... 31 OBRÁZEK 3.14: LAMINACE FOTOREZISTU... 37 OBRÁZEK 3.15: PODLEPTÁNÍ MĚDI LEPTACÍ ROZTOKY... 39 OBRÁZEK 3.16: TECHNOLOGICKÉ OMEZENÍ U SÍTOTISKOVÉ NEPÁJIVÉ MASKY... 41 OBRÁZEK 3.17: SERVISNÍ POTISK... 42 OBRÁZEK 3.18: PŘÍKLAD APLIKACE VODIVÉHO INKOUSTU... 42 OBRÁZEK 3.19: TYPICKÝ VZHLED POKOVENÉHO OTVORU S HALEM... 44 OBRÁZEK 3.20: PROCES OPTIPAD... 45 OBRÁZEK 3.21: STRUKTURA OSP... 45 OBRÁZEK 3.22: PŘÍKLAD FIXACE OSP NA POVRCHU CU... 45 OBRÁZEK 4.1:PŘEHLED MONTÁŽNÍCH A PROPOJOVACÍCH SESTAV - TYP 2... 48 OBRÁZEK 4.2:PŘÍKLADY UPEVNĚNÍ SOUČÁSTEK... 49 OBRÁZEK 4.3:TVARY VÝVODŮ.... 50 OBRÁZEK 4.4:FIXACE VÝVODŮ TZV. TECHNOLOOGIÍ CUT AND CLINCH... 50 OBRÁZEK 4.5:ZÁSADY PRO TVAROVÁNÍ... 51 OBRÁZEK 4.6:ZÁSADY PRO TVAROVÁNÍ... 51 OBRÁZEK 4.7:ZNÁZORNĚNÍ AUTOMATIZOVANÉ MONTÁŽE ELEKTRONICKÝCH SOUČÁSTEK... 53 OBRÁZEK 4.8:POŽADAVKY NA OSAZENÍ AXIÁLNÍ SOUČÁSTKY... 54 OBRÁZEK 4.9:POŽADAVKY NA OSAZENÍ RADIÁLNÍ SOUČÁSTKY... 54 OBRÁZEK 4.10:ČISTÁ PM... 55 OBRÁZEK 4.11: KOMBINOVANÁ PM Z JEDNÉ STRANY... 55 OBRÁZEK 4.12:KOMBINOVANÁ POVRCHOVÁ MONTÁŽ Z OBOU STRAN... 56 OBRÁZEK 4.13:MONTÁŽNÍ LINKA PRO POVRCHOVOU MONTÁŽ... 56 OBRÁZEK 4.14:PŘÍKLADY ZNAČENÍ... 36 OBRÁZEK 4.15:PŘÍKLAD PROSTORU EPA... 39 OBRÁZEK 4.16:SCHÉMA ZAPOJENÍ TYPICKÉHO EPA... 40 OBRÁZEK 4.17:INDIKÁTOR VLHKOSTI... 41 OBRÁZEK 4.18: PŘÍKLAD ZNAČENÍ SOUČÁSTKY CITLIVÉ NA VLHKOST... 41 OBRÁZEK 4.19:DEFEKTY QFP I BGA ZPŮSOBENÉ VLHKOSTÍ... 42 OBRÁZEK 5.1:POROVNÁNÍ RŮZNÝCH TYPŮ TAVIDEL... 46 OBRÁZEK 5.2:MĚŘENÍ SIR... 47 OBRÁZEK 5.3: RŮZNÉ STRUKTURY PÁJKY... 51 OBRÁZEK 5.4:ZÁVISLOST VISKOZITY NA TEPLOTĚ... 58 OBRÁZEK 5.5:POŽADOVANÁ VÝŠKA KAPKY... 62 OBRÁZEK 5.6:TEPLOTNÍ PROFIL VYTVRZOVÁNÍ LEPIDLA... 62 OBRÁZEK 5.7:PRINCIP SPOJENÍ... 64 OBRÁZEK 5.8: ZNÁZORNĚNÍ FUNKCE PRONIKAVÝCH ČÁSTIC... 64

Plošné spoje a povrchová montáž 5 OBRÁZEK 5.9:PRINCIP SPOJENÍ POMOCÍ ANIZOTROPNÍHO LEPIDLA...64 OBRÁZEK 5.10:PŘÍKLAD APLIKACE ANIZOTROPNÍHO LEPIDLA...65 OBRÁZEK 6.1:PRINCIP ŠABLONOVÉHO TISKU PÁJECÍ PASTY...69 OBRÁZEK 6.2:PRINCIP ŠABLONOVÉHO TISKU LEPIDLA...70 OBRÁZEK 6.3:TVAR APERTURY U ŠABLONY LEPTANÉ...71 OBRÁZEK 6.4:TVAR APERTURY U ŠABLONY ZHOTOVENÉ LASEREM...71 OBRÁZEK 6.5:TVAR APERTURY U ŠABLONY ZHOTOVENÉ ADITIVNĚ...72 OBRÁZEK 6.6:PRINCIP SÍTOTISKU PÁJECÍ PASTY...72 OBRÁZEK 6.8:TYPY TĚREK...74 OBRÁZEK 6.9:PROFLOW TISKOVÁ HLAVA...77 OBRÁZEK 6.10:KVALITA TISKU U KLASICKÉ METODY (ISHIKAWA DIAGRAM...78 OBRÁZEK 6.11:PRINCIP METODY PIN TRANSFER...79 OBRÁZEK 6.12: DISPENZER TLAK/ČAS (B), DISPENZER SE ŠNEKOVÝM ČERPADLEM (A)...80 OBRÁZEK 6.13:LINEÁRNÍ DISPENZER...81 OBRÁZEK 7.1:EXTERNÍ MECHANICKÉ CENTROVÁNÍ...84 OBRÁZEK 7.2:SCHEMATICKÉ USPOŘÁDÁNÍ 2 HLAVOVÉHO OSAZOVACÍHO AUTOMATU...85 OBRÁZEK 7.3:PRINCIP ROTAČNÍ HLAVY VERTIKÁLNÍ...86 OBRÁZEK 7.4:PRINCIP ROTAČNÍ HLAVY S POHYBLIVÝM DOPRAVNÍKEM...86 OBRÁZEK 7.5:PRINCIP ROTAČNÍ HLAVY S POPISEM FUNKCÍ V JEDNOTLIVÝCH POZICÍCH...87 OBRÁZEK 7.6:PRINCIP ROTAČNÍ HLAVY NA DVOUOSÉM PORTÁLOVÉM SYSTÉMU...87 OBRÁZEK 7.7:PRINCIP ROTAČNÍ HLAVY...88 OBRÁZEK 7.8:PRINCIP SIMULTÁNNÍHO OSAZOVACÍHO AUTOMATU...89 OBRÁZEK 7.9:PRINCIP CENTROVACÍCH PLOŠEK...95 OBRÁZEK 7.10:PRINCIP OPTICKÉHO CENTROVÁNÍ...97 OBRÁZEK 7.11:PRINCIP LASEROVÉHO CENTROVÁNÍ A), B)...98 OBRÁZEK 8.1:RŮZNÉ ÚROVNĚ SMÁČIVOSTI...101 OBRÁZEK 8.2:FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ SPOLEHLIVOST PÁJENÉHO SPOJE...102 OBRÁZEK 8.3:PÁJENÝ SPOJ...103 OBRÁZEK 8.4:PRUŽNÝ VÝVOD A REDUKCE PNUTÍ VE SPOJI...103 OBRÁZEK 8.5:SMYKOVÉ NAMÁHÁNÍ V PÁJENÉM SPOJI OSAZENÉM VE VÝŠCE H...103 OBRÁZEK 8.6:INTERMETALICKÁ VRSTVA...104 OBRÁZEK 8.7:TLOUŠŤKA RŮSTU INTERMETALICKÉ VRSTVY V ZÁVISLOSTI NA ČASE...105 OBRÁZEK 8.8:USPOŘÁDÁNÍ JEDNOTLIVÝCH MODULŮ V PÁJECÍ VLNĚ...108 OBRÁZEK 8.9:STROJNÍ PÁJENÍ DVOJITOU VLNOU...109 OBRÁZEK 8.10:ELEKTROMAGNETICKÉ ČERPADLO...111 OBRÁZEK 8.11:TEPLOTNÍ PROFIL DVOJITÉ VLNY...112 OBRÁZEK 8.12: SROVNÁNÍ DUSÍKOVÉ ATMOSFÉRY SE VZDUCHEM...114 OBRÁZEK 8.13: RUČNÍ PÁJENÍ A) SPRÁVNÁ TECHNIKA B) NESPRÁVNÁ TECHNIKA...116 OBRÁZEK 8.14: SCHEMATICKÉ ZNÁZORNĚNÍ KONVEKČNÍ REFLOW PECE...121 OBRÁZEK 8.15: SCHEMATICKÉ ZNÁZORNĚNÍ TOPNÉ JEDNOTKY KONVEKČNÍ REFLOW PECE...121 OBRÁZEK 8.17: RADIACE + PŘIROZENÁ KONVEKCE...122 OBRÁZEK 8.18: PÁJENÍ V PARÁCH...123 OBRÁZEK 8.19: FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ KVALITU REFLOW PROCESU: ISHIKAWA DIAGRAM...125 OBRÁZEK 8.20: FIXACE TERMOČLÁNKU EPOXIDOVOU PRYSKYŘICÍ...125 OBRÁZEK 8.21: SROVNÁNÍ PŘETAVOVACÍHO PROFILU STANDARDNÍ PÁJECÍ PASTY...126 OBRÁZEK 8.22: MINIMÁLNÍ VÝŠKA PÁJENÉHO SPOJE...133 OBRÁZEK 9.3: POSTUP PŘI OPRAVĚ PÁJECÍCH PLOŠEK A VODIČŮ...135 OBRÁZEK 9.4: A) E) POSTUP PRÁCE S ODSÁVAČKOU...138 OBRÁZEK 9.5: POSTUPY DEMONTÁŽE/MONTÁŽE SOUČÁSTEK...142 OBRÁZEK 10.1:ZÁKLADNÍ OBRAZOVKA, USPOŘÁDÁNÍ, PŘEHLED ČÁSTÍ...153

6 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně OBRÁZEK 10.2:NASTAVENÍ TYPU DAT PRO EXPORT... 154 OBRÁZEK 10.3:MANAŽER KNIHOVEN... 155 OBRÁZEK 10.4:CLARENCE, ROUTING RULES... 156 OBRÁZEK 10.5:CLASS RULES... 157 OBRÁZEK 10.6: DIALOGOVÉ OKNO DISPLAY COLORS... 162 OBRÁZEK 10.7: NÁSTROJOVÁ LIŠTA EDITORU SOUČÁSTEK... 165 OBRÁZEK 10.8: DIALOGOVÉ OKNO BASIC SCRIPTS... 166 OBRÁZEK 10.9: ZÁKLADNÍ OBRAZOVKA... 168 OBRÁZEK 10.10: KONTEXTOVÉ MENU... 169 OBRÁZEK 10.11: ROZLÉVÁNÍ MĚDĚNÝCH PLOCH... 171 OBRÁZEK 10.12: NASTAVENÍ ELEKTRICKÝCH VRSTEV DESKY... 172 OBRÁZEK 10.13: FIXACE POLOHY (GLUE)... 173 OBRÁZEK 10.14: NÁSTROJE PRO TVORBU A EDITACI SPOJŮ... 174 OBRÁZEK 10.15: UŽIVATELSKÉ PROSTŘEDÍ BLAZEROUTER... 176

Plošné spoje a povrchová montáž 7 Seznam tabulek TABULKA 1: VLASTNOSTI NEJPOUŽÍVANĚJŠÍCH ORGANICKÝCH ZÁKLADNÍCH MATERIÁLŮ...14 TABULKA 2: PŘEDPOKLÁDANÉ POŽADAVKY NA ZÁKLADNÍ MATERIÁL PRO VÝROBU DPS...18 TABULKA 3: SROVNÁNÍ ANORGANICKÝCH SUBSTRÁTŮ [ 1 ]...19 TABULKA 4: MICROVIA A TECHNOLOGICKÉ MOŽNOSTI...29 TABULKA 5: SROVNÁNÍ MODERNÍCH DPS A MIKROPROPOJENÍ...30 TABULKA 6: MONTÁŽNÍ A PROPOJOVACÍ STRUKTURY V R. 2002...32 TABULKA 7: PŘEDPOKLÁDANÉ TECHNOLOGICKÉ MOŽNOSTI V R. 2007...32 TABULKA 8: PRODEJ TYPŮ DPS...32 TABULKA 9: SROVNÁNÍ RŮZNÝCH TYPŮ PÚ...46 TABULKA 10: NABÍDKA TUZEMSKÝCH VÝROBCŮ DLE WWW Z 04/2003...47 TABULKA 11: POŽADAVKY NA PŘEDMĚTY CHRÁNICÍ PŘED ESD...37 TABULKA 12: CHARAKTERISTIKY OBALŮ...38 TABULKA 13: ZPRACOVÁNÍ / SKLADOVÁNÍ PBGA PO VYJMUTÍ Z OBALU...41 TABULKA 14:KLASIFIKACE TAVIDEL PRO MĚKKÉ PÁJENÍ DLE ČSN EN ISO 9454-1...44 TABULKA 15: DĚLENÍ TAVIDEL PODLE DIN 85 11...44 TABULKA 16:ČLENĚNÍ TAVIDEL DLE ČSN EN 61190-1-1:2002 (J-STD-004)...45 TABULKA 17: KATEGORIZACE TAVIDEL PŮVODNÍHO ZNAČENÍ DLE NOVÉ NORMY...45 TABULKA 18:TAVIDLA KOVOHUTĚ PŘÍBRAM A.S...45 TABULKA 19:SROVNÁNÍ VÝVOJE TAVIDEL VZHLEDEM K OBSAHU VOC...48 TABULKA 20:TYPICKÉ PARAMETRY TAVIDLA S NÍZKÝM OBSAHEM VOC...49 TABULKA 21:PODMÍNKY PRO JEDNOTLIVÉ TYPY TAVIDEL...49 TABULKA 22: DĚLENÍ PÁJECÍCH PAST...54 TABULKA 23: JMENOVITÁ VELIKOST ČÁSTIC...55 TABULKA 24:ZÁKLADNÍ TYPY PÁJECÍCH SLITIN...56 TABULKA 25: SLITINA SN62PB36AG2...56 TABULKA 26: ANIZOTROPNÍ VODIVÁ LEPIDLA...65 TABULKA 27: POROVNÁNÍ VLASTNOSTÍ...67 TABULKA 28: LEPTANÉ ŠABLONY...71 TABULKA 29: DOPORUČENÉ TLOUŠŤKY LEPTANÝCH ŠABLON A APERTUR...71 TABULKA 30: PARAMETRY PES SÍŤOVINY...73 TABULKA 31: SROVNÁNÍ RYCHLOSTÍ U JEDNOTLIVÝCH METOD OSAZOVÁNÍ (1)...90 TABULKA 32: SROVNÁNÍ TŘÍ NEJDŮLEŽITĚJŠÍCH METOD PÁJENÍ PŘETAVENÍM...119 TABULKA 33: TEPLOTNÍ KRITERIA PRO BEZPEČNOU RUČNÍ MONTÁŽ I DEMONTÁŽ...137 TABULKA 34: BEZKONTAKTNÍ ODPÁJENÍ / BEZKONTAKTNÍ PÁJENÍ...140 TABULKA 35: KONTAKTNÍ ODPÁJENÍ / KONTAKTNÍ PÁJENÍ...141

8 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 Plošné spoje je obecný výraz popisující techniku, při které spojení mezi elektronickými součástkami s vývody umístěnými na nebo v pájecích bodech vytvářejí tenké vodivé pásky - plošné vodiče na elektroizolačním základním materiálu. Deska s plošnými spoji (DPS) je výsledná deska, obsahující plošné vodiče, pájecí body a další prvky vodivého obrazce, určená pro montáž součástek i mechanických dílů, nověji nazývaná montážní a propojovací struktura. Montážní a propojovací struktura je úplně zpracovaná kombinace substrátů, kovových desek, vymezujících jader a propojovacích spojů, používaná k montáži součástek. Montážní a propojovací sestava - na montážní a propojovací struktuře jsou namontovány součástky z jedné, nebo z obou stran. Deska s plošnými spoji je základni složkou montážní technologie všech elektronických celků. Plní funkci nosného prvku součástek, tj. funkci mechanickou, zajištuje odvod ztrátového tepla, funguje jako elektrický a v poslední době i jako optický propojovací člen mezi součástkami a systémy. DPS musí být spolehlivá i cenové dostupná. DPS musí vyhovovat požadavkům elektrickým, mechanickým, tepelným, chemickým, klimatickým a v poslední době i optickým. Funkčnost i spolehlivost DPS je ovlivňována dvěma faktory - materiálem DPS a technologií výrobního postupu.

Plošné spoje a povrchová montáž 9 Pozn.: V zahraniční literatuře se používají termíny: Printed Circuit Board (PCB) - výsledná DPS obsahující jak plošné propojovací vodiče, pájecí, testovací aj. body tak i součástky zhotovené zpravidla technikou sítotisku jako nedílnou částí výrobního procesu DPS. Printed Wiring Board (PWB) - výsledná DPS obsahující plošné propojovací vodiče, pájecí, testovací aj. body. Termín "tištěné spoje" (printed circuit) je do jisté míry konzervativní a úzce souvisí s prvními známými technologickými operacemi při zhotovování desek plošných spojů a to technologií sítotisku. 2.2 VSTUPNÍ TEST Prerekvizitou k úspěšnému zvládnutí tohoto výukového materiálu je komplexní středoškolská znalost matematiky a fyziky na úrovni ukončeného středoškolského vzdělání (především znalost fyziky pevných látek a kapalin), dále znalost elektrochemie. Předpokládá se, že student zná rozdíly mezi izolantem a vodičem, a v neposlední řadě má znalost práce s počítačem typu PC, respektive obsluhou operačního systému z rodiny Microsoft.

10 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 3 DESKY S PLOŠNÝMI SPOJI Cíle kapitoly: Seznámení se s deskami s plošnými spoji (DPS), základními materiály a postupem výroby DPS. 3.1 ZÁKLADNÍ MATERIÁLY Cíle kapitoly: Seznámení se s základními materiály pro výrobu DPS. Základní materiály (substráty, nosné podložky) jsou elektroizolační nosné podložky, tvořené buď dielektrickým materiálem, nebo izolovaným kovovým jádrem. Základní materiály se používají na zhotovení vodivého motivu a slouží k montáži elektronických součástek a mechanických prvků. Základní materiály jsou buď na organické, anorganické, příp. kombinované bázi (organický substrát s kovovým výztužným jádrem). Základní materiály Organické Anorganické Neohebné (tuhé) Ohebné (pružné, flexibilní) Kombinované (neohebné/ohebné) Korundová keramika Výztuž Pojivo Bez výztuže S výztuží Beryliová keramika Skleněná tkanina Reaktoplast Termoplast Kovové jádro Skleněná rohož Křemík Tvrzený papír Vlákna Křemenná Uhlíková Aramidová Obrázek 3.1: Dělení základních materiálů

Plošné spoje a povrchová montáž 11 3.1.1 ORGANICKÉ ZÁKLADNÍ MATERIÁLY Cíle kapitoly: Seznámení se s základními organickými materiály pro výrobu DPS. Organické základní materiály se skládající z organických pryskyřic a výztuže (příp. bez výztuže). Na základní materiál je zpravidla naplátována měděná fólie pro subtraktivní technologie zhotovení vodivých motivů. Základní materiál bez měděné fólie s přísadou speciálních složek umožní aditivní proces zhotovení vodivého motivu. Základní materiály podle tuhosti dělíme na neohebné a ohebné (flexibilní). Neohebné materiály používají jako pojivo termosety tj. vysoce zesítěné polymerní řetězce (zejména epoxidy). Ohebnost se vyskytuje u materiálů, které používají jako pojivo termoplasty, tj. materiály s dlouhými lineárními molekulami bez mezimolekulárních vazeb. Právě nepřítomnost těchto mezimolekulárních vazeb umožňuje velkým lineárním molekulám se po sobě pohybovat. Materiál s tímto typem pojiva tak získává pružnost i odolnost vůči ohybové únavě. 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. Druhy výztuže: skleněné vlákno - skleněná tkanina, skleněná rohož tvrzený papír aramidové vlákno křemenné vlákno uhlíkové vlákno 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 a ztrátového činitele. Dobré tepelné, mechanické i chemické charakteristiky. Některé typy pojiv jsou hydrofilní a absorbují vlhkost, která zhoršuje dielektrické vlastnosti TERMOSETY fenolformaldehydové pryskyřice epoxidové pryskyřice polyesterové pryskyřice polyimidové pryskyřice bismaleinimidové pryskyřice (BT) kyanátestery (CE)

12 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně TERMOPLASTY polyeterimid polytetrafluoretylen (PTFE ) polyimidové pryskyřice polyétersulfon lineární polyester - polyetyléntereftalát (PET) lineární polyester - polyetylénnaftalát (PEN) NEOHEBNÉ ZÁKLADNÍ MATERIÁLY 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. Používá se pro méně náročné aplikace /spotřební elektronika/: zejména jednovrstvé DPS, dvouvrstvé DPS s pokovením otvorů na bázi stříbrných past dobře se vrtá a opracovává nevýhodou je velká navlhavost a malá odolnost vůči elektrickému oblouku, malá pevnost Cu fólie v odtrhu, horší teplotní odolnost, horší mechanické vlastnosti, křehkost u materiálů s větším obsahem pryskyřice Modifikace: FR-2 - nehořlavý (Flame Retardant) EPOXIDOVÉ PRYSKYŘICE Používají se pro 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. Používá se 5 základních druhů, které se liší se jak plnivem tak i modifikací pojiva. TVRZENÝ PAPÍR A EPOXIDOVÁ PRYSKYŘICE značen jako: 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 cenově je mezi FR-2 a FR-4, cena je 65% ceny FR-4 SKLOEPOXIDOVÝ LAMINÁT skleněná tkanina ev. rohož + epoxidová pryskyřice impregnované skelné tkaniny jsou skládány do vrstev a laminovány s Cu fólií. Epoxidová pryskyřice je vytvrzena během laminace působením tepla, tlaku a vlivem katalyzátoru ve složení pryskyřice. laminace probíhá ve vakuu

Plošné spoje a povrchová montáž 13 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 FR 4 nehořlavý FR 5 nehořlavý; má větši teplotní odolnost než FR-4 (Tg = 160 C), lepší mechanickou i chemickou stabilitu 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 GPO kompozity výztuž: skelná rohož - jádro + skelná tkanina - krycí vrstvy, impregnant polyesterová pryskyřice FR-6 skelná rohož - výztuž a polyesterová pryskyřice v samozhášivém provedení 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, udává se Tg =260 C, (zajistí minimální změny TCE v ose z do cca 300 C) nedochází k delaminaci při vyšších teplotách vyšší navlhavost konstantní mechanické vlastnosti v teplotním rozsahu do 150 C nedochází k otřepům vrtaných otvorů nevýhodou je vysoká cena POLYTETRAFLUORETYLEN (PTFE) výztuží je nejčastěji skelná tkanina nebo skelné vlákno vynikající elektrické i dielektrické vlastnosti, malá permitivita 2,3 malá nasákavost odolný vůči vyšším teplotám použití při vysokých frekvencích /do 10 GHz/

14 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 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) ppm K -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 3.2: Odolnost materiálů v pájecí lázni 260 C Obrázek 3.3: Navlhavost materiálů

Plošné spoje a povrchová montáž 15 POROVNÁVÁNÍ RŮZNÝCH MATERIÁLŮ Obrázek 3.4: Ideální ZM Obrázek 3.5: E-sklo s různým pojivem Porovnávání materiálů pomocí 8-mi úhelníku základních vlastností ε - permitivita, Tg teplota skelného přechodu, Vo - samozhášivost, Cu (Nmm -1 )- pevnost v odtrhu Cu fólie, α z = TCE z Dstab - stabilita rozměrů, proces - jednoduchost výroby, cena ve srovnání s FR-4 DPS nejčastěji jako neohebné (rigid), v menším množství jako ohebné DPS (flexible metal glad base material) 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 fólii 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. POLYETYLÉNTEREFTALÁT (PET) Základní materiál je na bázi polyetyléntereftalátové biaxiálně orientované fólie ovrstvené nevytvrzeným polyesterem, na který se nalaminuje měděná fólie. Flexibilní polyesterové substráty se využívají v membránových spínačích, fóliových klávesnicích, tlačítkových displejích aj. Mají malou teplotní odolnost nepřevyšující v trvalém pracovním režimu 115 C. Proces pájení PET fólií se v praxi příliš nerozšířil.

16 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně POLYETYLÉNNAFTALÁT (PEN) Základní materiál je na bázi polyetylénnaftalátové fólie ovrstvené nevytvrzeným polyesterem, na který se nalaminuje měděná fólie. Flexibilní PEN substráty se využívají v membránových spínačích, fóliových klávesnicích, tlačítkových displejích aj. Mají větší teplotní odolnost i ve většině parametrů příznivější charakteristiky než PET fólie. POLYIMID (PI) Základní materiál je tvořen polyimidovou fólií ovrstvenou nevytvrzeným termosetickým adhezivem (polyimid, epoxid, akrylát, příp. polyester). Měděná fólie se nejčastěji laminuje na akrylátový film. Používají se však i polyimidové substráty naplátované přímo na polyimidový film bez lepicí vrstvy. Polyimidové substráty vyhovují široké škále pracovních teplot od kryogenních teplot po teploty pájení do cca 400 C. Nevýhodou polyimidové ohebné fólie je její velká navlhavost. Polyimidové fólie lze s výhodou opracovávat chemickým frézováním (pro TAB aplikace). PLÁTOVANÉ MATERIÁLY (metal-glad base material) Plátovaný materiál vznikne naplátováním zpravidla měděné fólie na základní materiál z jedné nebo obou stran. VODIVÉ FÓLIE MĚDĚNÁ FÓLIE (copper foil) Je určena k vytvořeni vodivého obrazce. Vyrábí se elektrolyticky a je vylučovaná na nerezový pomalu rotující buben. Strana fólie, která je v kontaktu s nerezovým bubnem, je hladká a lesklá, opačná strana je matná a zrnitá: tloušťky fólie: standardní fólie - 18 um ( 0,5 oz), 35 um (1 oz= 28, 3 g/ft 2 ), 70 (2 oz), 105 (3 oz) µm, často i tl.12 a 140 až 350 (10 oz) um Pozn.: někdy se udává gramáž měděné fólie - 1 oz (unce) = 28,3g, ft (stopa) = 30,5 cm ultratenké fólie 5 a 9 µm, často na 70 µm nosičích /Al ev.cu/ pro fine line aplikace čistota: min. 99,85% -> min. rezistivita měděná fólie je upravena ze strany základního materiálu pro zajištění maximální adheze tenkou vrstvou Cr nebo Monelu požadavky na dobrou tažnost -> minimalizace trhlin při teplotních šocích -> zvýšení spolehlivosti zejména u VV DPS požadovaná drsnost povrchu (např. u 5 µm tloušťky to je přibližně 0,1µm) vyšší požadavky na úpravu povrhu pro laserové vrtání (Laser Drilling)) rozdílné kvality Cu fólie Grade 1 až Grade 3 (někdy až Grade 10) Grade 1 standardní aplikace i pro VV DPS neohebné

Plošné spoje a povrchová montáž 17 Grade 2 vyšší adheze k substrátu, vhodnost i pro VV DPS ohebné pracující v nedynamickém režimu, vhodná pro fine line aplikace Grade 3 vhodná pro HDI aplikace, malá úroveň rekrystalizace, velká tažnost - výborná odolnost proti praskání v otvorech i ve vnitřních vrstvách. MĚDĚNÁ FÓLIE / ODPOROVÁ VRSTVA (Copper Foil/Thin Film Resistor Foil) Na měděnou fólii je vakuově napařena odporová vrstva NiCr event. NiCrAlSi tloušťky 0,01 0,1 µm. Odporová vrstva je izotropní a má definovanou odporovou rezistivitu v rozmezí 25 250 ohmů/čtverec v toleranci +/- 5%. Subtraktivním procesem lze zhotovit rezistorové sítě a zvýšit zástavbovou hustotu, snížení počtu via i pájených spojů CAC(copper/aluminium/copper) CAC sendvičová struktura využívá Al vrstvu jako separátor proti znečištění Cu fólie pryskyřičným prachem nebo oxidačním procesem, použití zejména u vícevrstvých aplikací CIC (copper/invar/copper) CIC sendvičová struktura používá vrstvu invaru pro redukci TCE a zvýšení pevnosti i tuhosti. Předností CIC je vynikající rozměrová stabilita s TCE blížícímu se keramickým nosičům čipů. Tloušťky fólií v µm : 12,5/75/12,5 nebo 20/60/20 Použití CIC pro výztužná jádra (země i napájecí vrstvy) u VV DPS, nosiče keramických čipů. CIC struktura se využívá i pro stínění 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, bezhalogenidové typy pryskyřic, vhodnost pro laserové vrtání, komaptibilita s procesem bezolovnatého pájení 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. Základní materiál musí: řešit problémy rozdílných teplotních součinitelů délkové roztažnosti, zejména keramického nosiče čipu a organického základního materiálu, řešit otázky tuhosti DPS (riziko porušení pájeného spoje ohybem při manipulaci s deskou),

18 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně řešit otázky odvodu ztrátového tepla vyhovovat zvýšeným vysokofrekvenčním požadavkům, splňovat požadavky na vyrobitelnost odpovídající hustoty propojení. být kompatibilní se vzrůstajícími ekologickými požadavky ( green circuit board bezhalogenidové ZM, bezolovnatý montážní proces aj) Tabulka 2: Předpokládané požadavky na základní materiál pro výrobu DPS 1998 2005 2010 VLASTNOSTI SUBSTRÁTU Permitivita (1 MHz) - 6,2 4,5 < 3,8 Ztrátový činitel (1 MHz) - 0,02-0,013- < 0,01 0,025 0,015 TCE (pro T menší Tg) ppmk -1 14-15 12-13 10-12 Tg K 120-130 140-160 160-180 Tloušťka substrátu µm 60 100 60-100 40 60 Tloušťka vodiče µm 12, 18 12, 18 12, 18 Průměr via µm 150-250 100-150 80-100 3.1.2 ANORGANICKÉ ZÁKLADNÍ MATERIÁLY Cíle kapitoly: Seznámení se s základními anorganickými materiály pro výrobu mikroelektronické aplikace. 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) Základní typ: KORUNDOVÝ SUBSTRÁT Základem je polykrystalický oxid hlinitý s malým množstvím kovových oxidů pro dosažení požadovaných fyzikálních vlastností. Materiály se v široké míře používají v multičipových modulech. Tlustovrstvou ev. tenkovrstvou technologií se realizují vodivé, odporové i dielektrické motivy. Materiály se používají poměrně ve velké míře. Nevýhodou je jejich křehkost i rozměrové omezení.