imks-czesc I -stud [tryb zgodności]dsod.p.lodz.pl/materials/IMKS_A01.pdfantykorozyjne środki kontaktowe (oleje, smary, powłoki zdzieralne), inhibitory –środki absorbujące wilgoć,

1

INŻYNIERIA MATERIAŁOWA I

KONSTRUKCJA SPRZĘTU

Materiały, konstrukcja sprzętu i jego niezawodność

MateriałyMateriały

Materiały konstrukcyjne

Materiały przewodzące

Materiały rezystywne

Materiały dielektryczne

Materiały magnetyczne

Tworzywa sztuczne

Materiały półprzewodnikowe

Materiały na powłoki ochronne

Materiały stosowane w elektronice


Materiały konstrukcyjne - muszą charakteryzować się odpowiednimi właściwościami mechanicznymi;

Materiały na konstrukcje nośne urządzenia; elementy konstrukcyjne aparatury technologicznej i pomiarowej; obudowy elementów;

stal (stop żelaza Fe i węgla C ≤ 2%) – ze względu na skład chemiczny: stale węglowe i stale stopowe;– ze względu na przeznaczenie – stale konstrukcyjne, narzędziowe oraz specjalne (odporne na korozję, żaroodporne, żarowytrzymałe itp.);

miedź (miedź próżniowa) – szczególnie w lampach elektronowych (anody; elastyczne złącza próżnioszczelne);

nikiel i jego stopy – materiał konstrukcyjny na wnętrza lamp elektronowych;



Materiały przewodzące - muszą charakteryzować się bardzo dobrą przewodnością elektryczną;

Materiały niezbędne do wykonania połączeń pomiędzy poszczególnymi elementami układu jak również różnymi blokami urządzenia;

srebro – najwyższa przewodność elektryczna, łatwo pokrywa się siarczkami i tlenkami;

miedź, stopy miedzi – dobra przewodność, niższa cena, niezłe własności mechaniczne;

aluminium – dobra przewodność elektryczna, mała gęstość;

złoto – cienkowarstwowe pokrycia kontaktów, ochronne ścieżek połączeniowych;


Cu Ag Al Au

gęstość [kg/m3] 8920 10490 2700 19300

przewodność elektryczna [S/m] 59,6⋅106 63⋅106 37,7⋅106 45,2⋅106

przewodność cieplna [W/mK] 398 429 210 317


Materiały rezystywne – wykorzystywane do produkcji elementów grzejnych; rezystorów przemysłowych, laboratoryjnych, hybrydowych; elementów układów pomiarowych itd.

Powinny one odznaczać się:

odpowiednio duża rezystancja właściwa;

mały współczynnik temperaturowym rezystancji;

stałość rezystancji w czasie;

odpowiednio duża odporność na utlenianie i działanie czynników chemicznych;

dostatecznie wysoka temperatura topnienia;



Materiały rezystywne

materiały rezystywne metalowe - (RZADKO czyste metale) – wzrost TWR wraz ze wzrostem temperatury;

stale niskostopowe (Cr+Al+niewielkie ilości Cu) ∼ 0,75 Ωmm2/m

stopy miedzi (Cu <53-60%> + Ni <45-40%>) ∼ 0,5 Ωmm2/m

stopy niklowo-chromowe (nichromy)

bezniklowe stopy żelaza i chromu

materiały rezystywne niemetalowe – zmniejszanie się rezystywności wraz ze wzrostem temperatury;


POWSZECHNIE STOSOWANEW CIENKOWARSTWOWYCH UKŁADACH HYBRYDOWYCH

2


Materiały dielektryczne – wykorzystywane jako tzw. dielektryki izolacyjne oraz dielektryki kondensatorowe.

Dielektryki powinny charakteryzować się:

Właściwości elektryczne (duża wytrzymałość dielektryczna; niska rezystywność skrośna i powierzchniowa; niska przenikalność elektryczna względna i współczynnik strat dielektrycznych);

Właściwości mechaniczne (duża wytrzymałość na zginanie, rozciąganie, ściskanie; odporność na uderzenia);

Właściwości chemiczne (odporność na utlenianie, odporność na działanie kwasów i zasad);

Właściwości technologiczne (podatność na procesy obróbkowe);



Materiały dielektryczne – wykorzystywane są w trzech postaciach:

dielektryki gazowe

GAZY SZLACHETNE GAZY SZLACHETNE – argon, neon (lampy wyładowcze, świetlówki); hel (bardzo rzadko stosowany)

GAZY NIESZLACHETNEGAZY NIESZLACHETNE – azot (jako gaz obojętny chemicznie w procesach technologicznych; jako izolator w transformatorach) dwutlenek węgla;

dielektryki ciekłe – oleje pochodzenia mineralnego; fluorowe związki organiczne (np. FLUORINERT); wosk;

dielektryki stałe

ORGANICZNEORGANICZNE – głównie pochodne przetworzonej celulozy (np. papier)

NIEORGANICZNENIEORGANICZNE – materiały ceramiczne; szkło; mika



Materiały półprzewodnikowe – najczęściej wykorzystywane są:

PIERWIASTKI – krzem (Si); german (Ge);

ZWIĄZKI PÓŁPRZEWODNIKOWE – arsenek galu (GaAs); fosforek indu (InP); azotek galu (GaN); węglik krzemu (SiC); krzemogerman (SiGe);

POLIMERY i inne związki organiczne


Si Ge GaAs SiC

gęstość [kg/m3] 2330 5320 5320 3210

przerwa energetyczna [eV] 1,12 0,66 1,43 2,2-3,2

ruchliwość elektronów [cm2/Vs] 1350 3900 8500 500-1000

ruchliwość dziur [cm2/Vs] 450 1900 330 40-120


Materiały na powłoki ochronne Powłoki ochronne mają za zadanie chronić powierzchnię przedmiotu.

Wymagane jest aby:

powłoka dobrze przylegała do podłoża;

nie łuszczyła się;

była szczelna.

Grubość powłok ochronnych: 0,21 ÷ 25 µm;

Materiały na powłoki ochronne to: nikiel, chrom, miedź, srebro, cyna, cynk, ołów, kadm, aluminium i złoto;

Metody nanoszenia powłok ochronnych:

elektrochemiczne,

chemiczne,

nanoszenie próżniowe.

TechnologieTechnologie

Materiały i technologie cienko- i grubowarstwowe Kryterium podziału na cienkie warstwy i grube warstwy

grubość warstwy 1µm (NIE JEST TO PODZIAŁ ŚCISŁY);

technologia osadzania warstwy

Technologie cienkowarstwowe to takie techniki produkcyjne, które wykorzystują zaawansowaną aparaturę produkcyjną i laboratoryjną, pracującą w warunkach podwyższonej czystości, za której pomocą której, można produkować i przekształcać materiał z dokładnością do kilku warstw atomowych.

Podstawowe procesy cienkowarstwowe to:

osadzanie;

utlenianie;

trawienie.


Materiały i technologie cienko- i grubowarstwowe Technologie grubowarstwowe należą do standardowych technik

osadzania warstw o grubości powyżej kilku mikrometrów (standardowo przedział 2 – 35µm).

Wykorzystanie technologii grubowarstwowych na ogół nie wymaga szczególnych warunków ani procedur i dlatego jest często spotykane w przemyśle (KOSZT MATERIAŁÓW, APARATURY TECHNOLOGICZNEJ, POMIESZCZEŃ).

Warstwy wytworzone w tej technologii posiadają na ogół mniejszą czystość i gorsze uporządkowanie niż powstałe za pomocą technik cienkowarstwowych.

3


Materiały i technologie grubowarstwowe W technologii grubowarstwowej stosuje się pasty będące kompozycją:

fazy funkcjonalnej – proszki metali i tlenków metali decydujących o właściwościach elektrycznych warstw;

fazy wiążącej – odpowiada ona za trwałe połączenie fazy funkcjonalnej z podłożem ;

składnika organicznego – determinująwłaściwości umożliwiające drukowanie

Rodzaje past:

Pasty przewodzące;

Pasty rezystywne;

Pasty dielektryczne .

Metoda sitodruku

podłoże

nadruk

sitopasta

rakla

poziomowanie

suszenie


Materiały i technologie grubowarstwowe W technologii grubowarstwowej stosuje się pasty będące kompozycją:

fazy funkcjonalnej – proszki metali i tlenków metali decydujących o właściwościach elektrycznych warstw;

fazy wiążącej – odpowiada ona za trwałe połączenie fazy funkcjonalnej z podłożem (szkliwo borokrzemowe + tlenki modyfikujące)

składnika organicznego – żywice +rozpuszczalniki (właściwości umożliwiające drukowanie)

Rodzaje past:

Pasty przewodzące – palladowo-srebrowe, platynowo-srebrowe, złote, platynowo-złote i miedziane;

Pasty rezystywne – tlenek rutenu oraz rutenian bizmutu;

Pasty dielektryczne

Proces realizacji

IDENTYFIKACJA POTRZEB WYMAGANIA PRZYGOTOWANIE

PRODUKCJI PRODUKCJA

ZESPÓŁ SPRZĘŻEŃ ZWROTNYCH

LIKWIDACJA UŻYTKOWANIE DYSTRYBUCJA PRODUKT

ODZYSK

ZŁOM

Kisiel R., Bajera A., „Podstawy Konstruowania Urządzeń Elektronicznych”, wPw, Warszawa: 1999

Właściwości urządzeń elektronicznych

Właściwości urządzenia decydujące o jego użyteczności można podzielić na dwie grupy:

Funkcjonalne – zastosowanie wyrobu

Eksploatacyjne – zdolność zachowania przez urządzenie jego cech

funkcjonalnych w trakcie użytkowania

Urządzenie pracuje w środowisku! Czynniki środowiskowe Urządzenie pracuje w środowisku! Czynniki środowiskowe

oddziałują na urządzenie, podzespoły i elementy elektroniczneoddziałują na urządzenie, podzespoły i elementy elektroniczne

Działanie czynników środowiskowych Działanie czynników środowiskowych

NIE MOŻE zostać całkowicie wyeliminowane!!!NIE MOŻE zostać całkowicie wyeliminowane!!!

Narażenia środowiskowe

Rodzaje narażeń środowiskowych:

klimatyczne – naturalne czynniki środowiska związane z określonym makroklimatem (temperatura, wilgotność, ciśnienie),

korozyjne atmosferyczne – najczęściej wynikające z przemysłowego zanieczyszczenia środowiska w postaci gazowej, ciekłej (mgła), stałej (pył),

radiacyjne – promieniowanie podczerwone, ultrafioletowe, jonizujące, itp.,

biotyczne – obecność i rozwój organizmów żywych: mikrobiotycznych(bakterie, grzyby, pleśnie,...), makrobiotyczne (zwierzęta, owady, rośliny wyższe),

mechaniczne – siły statyczne i dynamiczne (udary, wstrząsy, wibracje),

antropogenne – wynikające z obecności i/ lub działalności człowieka.

Niezawodność jest parametrem wyrobu (np. elementu bądź całego urządzenia) określającym jakie jest prawdopodobieństwo, że wyrób będzie pracował bezawaryjnie w określonym środowisku i przez określoną ilość czasu.

Niezawodność wyraża się wzorem:

gdzie: N – liczba użytkowanych wyrobów; n(t) – liczba wyrobów, które uległy uszkodzeniu do chwili t

Niezawodność

Niezawodność a intensywność uszkodzeń

PRZY ODPOWIEDNIO DUŻYM PRZY ODPOWIEDNIO DUŻYM NN

4

Ze względu na ilość oraz różnorodność przyczyn awarii, proces pojawiania się uszkodzeń w urządzeniach najczęściej rozkłada się równomiernie w czasie. W rezultacie niezawodność można zapisać wzorem:

gdzie: λ - intensywność uszkodzeń [1/h]; a t – czas [h]

Intensywność uszkodzeń w większości przypadków nie zależy od czasu użytkowania, czyli przyjmujemy że λ(t) = const.

Ponadto, jeśli λλλλt ≤ 0,1 to:

Niezawodność a intensywność uszkodzeń

Niezawodność

Intensywność uszkodzeń może być wykorzystana do obliczenia bezawaryjnej pracy urządzenia czyli do wyznaczenia średniego czasu do pierwszego uszkodzenia MTTF (ang. mean time to failure) :

czyli przy założeniu, że λt ≤ 0,1 to:

Średni czas do pierwszego uszkodzenia

Niezawodność

Intensywność uszkodzeń w funkcji czasu

Intensywność uszkodzeń

Kisiel R., Bajera A., „Podstawy Konstruowania Urządzeń Elektronicznych”, wPw, Warszawa: 1999

Niezawodność

Czas życia wyrobu

czas [s]

żyw

otno

ść [

-]

czas [s]

żyw

otno

ść [

-]

Dla WDla WAA = 0,3 = 0,3 eVeV (defekty (defekty objętościowe Si i tlenku) objętościowe Si i tlenku)

Dla WDla WAA = 1,1 = 1,1 eVeV (migracja (migracja zanieczyszczeń na powierzchni Si) zanieczyszczeń na powierzchni Si)

22

Temperatura wpływa na niezawodność a tym samym na intensywność uszkodzeń elementów elektronicznych

Intensywność uszkodzeń λλλλ w zależności od temperatury jest opisana zgodnie ze wzorem Arrheniusa:

gdzie: WA – energia aktywacji procesu degradacji; k – stała Boltzmanna; T – temperatura bezwzględna; λ0 – intensywność uszkodzeń przy WA = 0 eV

Przykłady wzrostu parametru λλλλ wraz ze wzrostem temperatury o 100K:

400

300≈ 4 ∙ 104

400

300≈ 2 ∙ 101

Niezawodność

Intensywność uszkodzeń a temperatura

Struktura szeregowa – warunkiem działania struktury szeregowej składającej się z k- elementów jest poprawne działanie każdego z tych elementów. Niezawodność struktury szeregowej wyraża się wzorem:

gdzie: r1(t), r2(t)…rk(t) – niezawodność poszczególnych elementów; λ1(t), λ2(t)… λk(t) – intensywność uszkodzeń poszczególnych elementów

Niezawodność struktur podstawowych

r3(t)r1(t) r2(t)

DLA TRZECH ELEMENTÓWDLA TRZECH ELEMENTÓW

Niezawodność

Struktura równoległa – warunkiem działania struktury równoległej składającej się z k- elementów jest poprawne działanie co najmniej jednego z tych elementów. Niezawodność struktury równoległej wyraża się wzorem:

gdzie: r1(t), r2(t)…rk(t) – niezawodność poszczególnych elementów; λ1(t), λ2(t)… λk(t) – intensywność uszkodzeń poszczególnych elementów

DLA TRZECH ELEMENTÓW

r1(t) r2(t) r3(t)

Jeśli Je śli rr11(t) = r(t) = r 22(t) = … = (t) = … = rr kk(t) = (t) = rr(t)(t)

Niezawodność struktur podstawowych

Niezawodność

5

Oblicz niezawodność 4-bitowego licznik impulsów składającego się z 4 przerzutników w formie układów scalonych o intensywności uszkodzeń 0,210-6 1/h i 20 połączeń lutowanych o intensywności uszkodzeń 0,0110-6 1/h dla 1 roku pracy ciągłej.

Przykład 1

Niezawodność

Oblicz niezawodność systemu zasilania składającego się z zasilacza sieciowego, przystosowanego do bezawaryjnej pracy w czasie 105 h, podłączonego równolegle z zasilaczem akumulatorowym o czasie bezawaryjnej pracy 106 h. Podaj wyniki dla 50h pracy ciągłej.

Przykład 2

Rozwiązania zwiększające niezawodność urządzeń

elektronicznych: upraszczanie układów (rozbudowa zwiększanie liczby elementów dla

wyraźnej poprawy parametrów urządzenia),

stosowanie elementów typowych o działaniu i niezawodności wielokrotnie sprawdzonej,

zapewnienie stabilnej pracy urządzeń w szerokim zakresie zmian parametrów elementów składowych,

unikanie układów wymagających bardzo stabilnych napięć zasilających,

stosowanie układów kontroli pracy i wyszukiwania uszkodzeń,

stosowanie jak największej liczby elementów produkowanych w dużych seriach i o sprawdzonej technologii,

minimalizacja liczby elementów regulacyjnych,

unikanie układów uniwersalnych, spełniających wiele funkcji.

Niezawodność

Właściwa ochrona podczas magazynowania i transportu ma

istotny wpływ na niezawodność elementów elektronicznych:

opakowania łagodzące skutki przeciążeń (gąbki, styropiany,...),

zapewnienie właściwej temperatury i wilgotności w otoczeniu sprzętu (np. kontrolowana atmosfera w magazynach),

opakowania utrudniające kontakt z agresywnym środowiskiem,

antykorozyjne środki kontaktowe (oleje, smary, powłoki zdzieralne),

inhibitory – środki absorbujące wilgoć,

mikroklimat w otoczeniu powierzchni sprzętu (hermetyczne opakowania z atmosferą ochronną).

Niezawodność



Obwody drukowaneObwody drukowane

Co to jest obwód drukowany?Co to jest obwód drukowany? obwód drukowany obwód drukowany –– jest to płytka wykonana z izolacyjnego jest to płytka wykonana z izolacyjnego

materiału wraz ze zrealizowanymi na jej powierzchni połączeniami materiału wraz ze zrealizowanymi na jej powierzchni połączeniami (ścieżkami) elektrycznymi przeznaczona do montażu podzespołów (ścieżkami) elektrycznymi przeznaczona do montażu podzespołów elektronicznych;elektronicznych;

Podstawowe zadania płytek drukowanychPodstawowe zadania płytek drukowanych mechaniczne mocowanie elementów elektronicznych mechaniczne mocowanie elementów elektronicznych

i elektromechanicznych w określonym miejscu urządzenia,i elektromechanicznych w określonym miejscu urządzenia,

zapewnienie skutecznych połączeń elektrycznych pomiędzy zapewnienie skutecznych połączeń elektrycznych pomiędzy wszystkimi elementamiwszystkimi elementami

Obwody drukowane

Podstawowe pojęciaPodstawowe pojęcia ścieżki, mozaika przewodząca ścieżki, mozaika przewodząca – połączenia elektryczne elementów

elektronicznych w postaci ścieżek prowadzonych po powierzchni bądź wewnątrz izolatorów

pole lutownicze pole lutownicze – fragment powierzchni izolatora pokryty folią miedzianą umożliwiającą przymocowanie i odpowiednie połączenie elementów elektronicznych

punkt lutowniczy punkt lutowniczy – to pole/pola lutownicze wraz z wykonanym w nim otworem metalizowanym

Kisiel R., „Podstawy Technologii dla Elektroników”, btc, Warszawa: 2005

Obwody drukowane

6

PCB – ang: Printed Circuit Board (płytka drukowana)

SMT – ang: Sourface Mount Technology (montaż powierzchniowy)

SMD – ang: Sourface Mount Device (element elektroniczny przystosowany do

montażu powierzchniowego)

THT – ang: Through Hole Technology (montaż przewlekany)

THD – ang. Through Hole Device (elementy elektroniczne przystosowane do

montażu przewlekanego)

Obwody drukowane


Ważniejsze oznaczenia i skrótyWażniejsze oznaczenia i skróty

Obwody drukowane

ZALETY: małe koszty wytwarzania (czas i koszt wytworzenia niezależny od rodzaju

obwodu, liczby połączeń, kształtu),

zwiększenie powtarzalności właściwości elektrycznych (identyczność wszystkich kolejnych wyrobów),

obniżenie kosztów montażu (automatyzacja układania i lutowania),

zmniejszenie ciężaru urządzeń (eliminacja elementów konstrukcyjnych),

wzrost niezawodności (lepsza jakość i powtarzalność montażu),

skrócenie czasu kontroli i pomiarów obwodów,

uproszczenie metod zabezpieczania urządzeń przed zagrożeniami środowiskowymi

WADY: trudności przy wprowadzaniu zmian konstrukcyjnych,

zwiększona wrażliwość na wibracje i udary,

utrudnione odprowadzanie ciepła.

Obwody drukowane

RODZAJE OBWODÓW DRUKOWANYCH:wg materiału podłoża: Sztywne

LAMINAT

CERAMIKA

SPECJALNE

Elastyczne

Sztywno - elastyczne

wg konstrukcji:

Jednostronne

Dwustronne

Wielowarstwowe

wg sposobu montażu: Do montażu przewlekanego

Do montażu powierzchniowego

LUTOWANIE NA FALI

LUTOWANIE ROZPŁYWOWE

Do montażu mieszanego

wg technologii:

Wykonane metodą substraktywną

Wykonane metodą addytywną

Wykonane metodą póładdytywną

Laminaty sztywne

WYTWARZANIE PODŁOŻY:

TMateriał osnowowy

Żywica

PrepregPrepreg

P T

Cu

Cu

2 2 –– 10 warstw10 warstw

Laminaty sztywne

GRUBOŚĆ PŁYTEK IZOLACYJNYCH:

płytki jednowarstwowe: 0,5 ÷ 6mm,

płytki wielowarstwowe: 0,05 ÷ 0,75mm / na warstwę,

GRUBOŚĆ FOLII MIEDZIANEJ:

5µm; 9µm; 17,5µm; 35µm; 70µm; 105µm

Typ żywicyTyp żywicy Typ nośnikaTyp nośnika Forma materiałuForma materiału OznaczenieOznaczenie

fenolowafenolowa

papierpapier arkuszarkusz FRFR--2; X; XP; XX; ...2; X; XP; XX; ...

bawełnabawełna tkaninatkanina C; CE; L; LEC; CE; L; LE

szkłoszkłowłókninawłóknina GG--22

tkaninatkanina GG--33

nylonnylon włókninawłóknina NN--11

aminowaaminowa szkłoszkło tkaninatkanina ESES--1; ES1; ES--3; G3; G--5; G5; G--99

epoksydowaepoksydowapapierpapier arkuszarkusz FRFR--33

szkłoszkło tkaninatkanina GG--10; G10; G--11; FR11; FR--4; FR4; FR--55

alkidowaalkidowa szkłoszkło matamata GPOGPO--1; GPO1; GPO--22

silikonowasilikonowa szkłoszkło tkaninatkanina

Laminaty sztywne

POPULARNE TYPY LAMINATÓW SZTYWNYCH:

7

Laminaty sztywne

WŁAŚCIWOŚCI POPULARNYCH TYPÓW LAMINATÓW SZTYWNYCH:

ParametrParametr JednostkaJednostka FRFR--22 FRFR--44 GPOGPO--11

masa właściwa masa właściwa g/cmg/cm33 1,31,3 1,851,85 1,51,5--1,91,9

TCE: x, yTCE: x, yzz

ppm/Kppm/K11111212

11111515

15152121

przewodność cieplnaprzewodność cieplna W/mKW/mK 0,240,24 0,350,35 --

stała dielektr. (1MHz)stała dielektr. (1MHz) -- 4,54,5 4,94,9 4,44,4

wytrz. napięciowawytrz. napięciowa kV/mmkV/mm 6060--7070 3535--6565 4040

wytrz.wytrz.--rozciąganie: x,yrozciąganie: x,yzz

MPaMPa88886666

280280235235

70708383

max temp. pracymax temp. pracy OOCC 105105 150150 105105

higroskopijnośćhigroskopijność %% 0,80,8 0,350,35 1,01,0

ZALETY LAMINATU FR-4:

cena adekwatna do własności elektrycznych i mechanicznych,

łatwa produkcja w skali masowej,

WADY LAMINATU FR-4:

trudności przy wierceniu otworów,

mała stabilność wymiarowa,

niska temperatura zeszklenia żywicy (120 – 160OC),

niedopasowanie TCE laminatu i elementów,

konieczność utylizacji pyłu szklanego i kurzu żywicznego.

Laminaty sztywne

ParametrParametr JednostkaJednostka AlAl22OO33

95%95%--99,6%99,6%

AlNAlN BeOBeO

masa właściwa masa właściwa g/cmg/cm33 3,7 3,7 --3,93,9 3,33,3 2,92,9

TCE: 20TCE: 20--60060000CC2020--1000100000C C

ppm/Kppm/K7,67,68,28,2

4,64,68,18,19,49,4

przewodność cieplnaprzewodność cieplna W/mKW/mK 2525--3737 170170--215215 273273

stała dielektr. (1MHz)stała dielektr. (1MHz) -- 9 9 –– 9,89,8 1010 6,66,6

wytrz. napięciowawytrz. napięciowa kVkV/mm/mm 8 8 --1010 1515 1414

wytrzymałość na zginaniewytrzymałość na zginanie kPakPa 32 32 -- 4949 -- 1919

max temp. pracymax temp. pracy OOCC 17001700 700700 12001200

higroskopijnośćhigroskopijność %% 00 00 00

Podłoża ceramiczne

WŁAŚCIWOŚCI POPULARNYCH PODŁOŻY CERAMICZNYCH:

Podłoża elastyczne

OBSZAR ZASTOSOWAŃ:

połączenia elastyczne między płytkami drukowanymi sztywnymi różnych podzespołów lub bloków urządzeń elektronicznych,

części elastyczne w płytkach sztywno-giętkich,

elastyczne połączenia dynamiczne,

podłoża do montażu przestrzennego (3D),

elastyczne obwody drukowane (np. aplikacje tekstroniczne).

Wymagania:Wymagania: stabilność wymiarowa, odporność termiczna, odporność na zrywanie, parametry elektryczne, elastyczność w temperaturach ekstremalnych, higroskopijność, odporność chemiczna, palność,


ParametrParametr PoliimidPoliimid PoliesterPoliester AramidAramid EpoksydEpoksyd

Rozciąganie (Rozciąganie (MPaMPa) ) 175175--210210 154154--196196 7777 245245--260260

Max wydłużenie (%)Max wydłużenie (%) 6060--8080 6060--165165 77--1010 33--55

Max temperatura (Max temperatura (OOC)C) --200/+300200/+300 --60/+10560/+105 55/+20055/+200 --55/+15055/+150

Temp. zeszklenia (Temp. zeszklenia (OOC)C) 220220--260260 9090--110110 9090--165165 120120--150150

TCE (ppm/TCE (ppm/OOC)C) 2020 2277 2222 1010--1212

Przenikalność elektr.Przenikalność elektr. 3,43,4 3,03,0 2,12,1 44,5,5--5,35,3

Wytrz. napięciowa (kV/mm)Wytrz. napięciowa (kV/mm) 144144 136136 2020 9,69,6

Higroskopijność (%)Higroskopijność (%) 2,92,9 0,30,3 88--99 0,050,05--33

Przykładowe podłoża elastyczne i ich właściwości:Przykładowe podłoża elastyczne i ich właściwości:


Kapton®cena :-(

Mylar®cena :-)

Nomex®cena :-)

8

Metody wytwarzania folii miedzianych:Metody wytwarzania folii miedzianych:

obróbka plastyczna (walcowanie) obróbka plastyczna (walcowanie) –– Cu 99,9%Cu 99,9%ELASTYCZNE OBWODY DRUKOWANEELASTYCZNE OBWODY DRUKOWANE

+ elastyczność (wytrzymałość na zginanie);- wytrzymałość na rozciąganie; lutowność; ograniczona

szerokość folii;

elektrolitycznie elektrolitycznie –– Cu 99,5%Cu 99,5%SZTYWNE OBWODY DRUKOWANESZTYWNE OBWODY DRUKOWANE

- plastyczność

naparowywanie w wysokiej próżninaparowywanie w wysokiej próżni

Mozaika przewodząca

Sposoby wytwarzania mozaiki przewodzącejSposoby wytwarzania mozaiki przewodzącej metoda metoda subtraktywnasubtraktywna

metoda metoda póładdytywnapóładdytywna

metoda addytywnametoda addytywna


Metoda Metoda subtraktywnasubtraktywna:: Materiał wyjściowy – laminat foliowany miedzią; W celu otrzymania mozaiki przewodzącej usuwa się zbędne obszary

miedzi; Rodzaje:

Trawienie zbędnych obszarów miedzi, Mikrofrezowanie, Obróbka laserowa (laser micromashining).

Metoda Metoda subtraktywnasubtraktywna –– trawienie:trawienie:


LAMINAT

FOLIA Cu

MOZAIKAPRZEWODZĄCA

(1)(1)

(2)(2)

(3)(3)

(4)(4)

Powszechnie stosowana metoda maskowania – fotochemiograficzna;

Maski – fotopolimerystałe, emulsje ciekłe;

Naświetlenie obszarów w celu uodpornienia ich na czynniki trawiące;

Metoda Metoda subtraktywnasubtraktywna -- ograniczenia:ograniczenia:

ścieżki nie węższe niż 0,2 mm,

podtrawianie ścieżek

1 – maska; 2 – ścieżka drukowana; 3 – podłoże

a – podtrawienie; b – szerokość ścieżki; d – grubość folii


Metody addytywne:Metody addytywne:

addytywna z maskowaniem,

wiercenie otworów w laminacie,

maskowanie płytki w miejscach braku mozaiki,

metalizacja chemiczna Cu do wymaganej grubości,

zmywanie maski,

addytywna bez maskowania (fotoaddytywna),

wiercenie otworów w laminacie,

oświetlenie laminatu w miejscach występowania mozaiki przewodzącej

(przez kliszę negatywową),

metalizacja chemiczna Cu,


Technologia DCB (Technologia DCB (DirectDirect CopperCopper BondingBonding):):

Powszechnie stosowana ceramika Al2O3 (96%),

Lepsze parametry cieplne AlN

Ograniczenie wymiarów podłoży ze względu na deformacje podczas wygrzewania

Metody wytwarzania PCB

J. Schulz-Hader, A. Dehmel, A. Roth "High reliability solutions based on DCB substrates", www.curamik.com

9

Organizacja powierzchni PCB

STREFA ISTREFA I – montażu elementów

elektronicznych

gdzie Fi – powierzchnia zajmowana przez i-ty element

STREFA II STREFA II – złącza

STREFA III STREFA III – dostępu zewnętrznego

STREFA IV STREFA IV – mocowania

Kisiel R., „Podstawy Technologii dla Elektroników”,btc, Warszawa: 2005

Technologie montażu

powierzchniowypowierzchniowy

mieszany IImieszany IImieszany Imieszany I

przewlekanyprzewlekany

Projektowanie obwodów drukowanych

Siatka modułowa tzw. rasterSiatka modułowa tzw. raster

Mil – jednostka miary używana w projektowaniu obwodów drukowanych

1 mil = 1/1000 cala1 mil = 1/1000 cala

UKŁAD JEDNOSTEK METRYCZNY CALOWY MILSOWY

Podstawowy 2,5 mm 0,1” = 2,54 mm 100

Pośredni 1,25 mm 0,05”= 1,27 mm 50

wtórny 0,625 mm 0,025”= 0,635 mm 25

Podstawowe reguły projektowania obwodów drukowanych:

pola lutownicze elementów przewlekanych muszą być umieszczone w węzłach siatki modułowej,

środki geometryczne podzespołów SMD umieszcza się w węzłach siatki,

ścieżki powinny być prowadzone po liniach siatki modułowej.


Kisiel R., „Podstawy Technologii dla Elektroników”,btc, Warszawa: 2005

Pola lutownicze:

NIEMETALIZOWANE:NIEMETALIZOWANE: METALIZOWANEMETALIZOWANE::D/d=2,5÷3 D/d=1,5÷2


dla dla ddwyprwypr = = 0,50,5--0,85mm: 0,85mm: d = d = ddwyprMAXwyprMAX + 0,10 + 0,10 ±±0,05mm,0,05mm,dla dla ddwyprwypr = 0,85= 0,85--1,10 mm: d = 1,10 mm: d = ddwyprMAXwyprMAX + 0,15 + 0,15 ±±0,1mm,0,1mm,dla dla ddwyprwypr = 1,1= 1,1--2,00 mm: d = 2,00 mm: d = ddwyprMAXwyprMAX + 0,20 + 0,20 ±±0,1mm,0,1mm,

Otwory punktów metalizowanych powinny być Otwory punktów metalizowanych powinny być powiększone dodatkowo o 0,15powiększone dodatkowo o 0,15--0,30 mm0,30 mm

Ścieżki drukowane:

dopuszczalna obciążalność prądowa,


S; l; R=constRl=R/l

T przewoduTmax I[A]

J[A/mm 2]

Pl=I2Rl

JA

S = 1mm2

:35µmx28,5mm

ob.= 28,6mm

: r = 1,13mm

ob.= 4,27mm

10

Ścieżki drukowane:

dopuszczalna obciążalność prądowa,

dopuszczalny spadek napięcia na długości ścieżki,

technologia wykonania płytki, np. dokładność procesu trawienia,

znormalizowane szerokości ścieżek,

pojawiające się elementy pasożytniczych (indukcyjności, pojemności)

rodzaj materiału podłoża izolacyjnego,

warunki środowiskowe (temperatura, wilgotność, ciśnienie),

sposób montażu elementów,

odległość między ścieżkami.


Odległości pomiędzy ścieżkami:

różnice napięć na sąsiednich ścieżkach,

wartości szczytowe napięć,

rezystancja powierzchniowa materiału podłoża,

warunki środowiskowe (wilgotność, zanieczyszczenie atmosfery,

temperatura, ciśnienie),

rodzaj powłoki izolacyjnej,

wzajemne oddziaływanie elektromagnetyczne,

sposób montażu elementów,

możliwości wykonawcze producenta .


Zalecenia szczegółowe:

Rozkład ścieżek na płytkach powinien być zrównoważony cieplnie,

Długość ścieżek powinna być jak najkrótsza (ścieżki nie powinny zakręcać

pod kątem 900),

Należy stosować możliwie najszersze ścieżki,

Minimalna odległość ścieżek od krawędzi płytki

0,4 mm – dla płytek jednostronnych,

0,5 mm – dla płytek dwustronnych,

Połączenia pól lutowniczych powinny

być doprowadzane centralnie i nie przekra-

czać 1/3 szerokości pola;

Pole lutownicze nie może być częścią ścieżki;

Odległość między korpusami elementów nie może być mniejsza od 0,5 mm.


Rozkład elementów:

minimalizacja prawdopodobieństwa powstawania błędów lutowniczych,

skuteczne odprowadzanie mocy rozpraszanej przez urządzenie,

optymalizacja układania elementów,

możliwość testowania i montażu mechanicznego gotowego pakietu,

należy uwzględnić mocowanie elementów ciężkich.




Elementy

Miniaturyzacja

Historia rozwoju technik montażu

1970 1980 1990 2000 2010

PR

EZ

ST

RZ

EŃ

ZA

JMO

WA

NA

PR

ZE

Z S

YS

TE

M MONTAŻ PRZEWLEKANY

MONTAŻ POWIERZCHNIOWY

MONTAŻ Z UDZIAŁEM OBUDÓW MATRYCOWYCH

System on ChipSystem in Package


11

Miniaturyzacja

REZYSTANCJA:REZYSTANCJA:

POJEMNOŚĆ:POJEMNOŚĆ:

Element k-razy mniejszy

a’

b

c

ab’

c’

OBJĘTOŚĆ:OBJĘTOŚĆ:

GĘSTOŚĆGĘSTOŚĆ

WYDZIELANEJ MOCY:WYDZIELANEJ MOCY:

Obudowa elementu elektronicznego

Podstawowe zadnia stawiane przed obudowami elementów elektronicznych: Doprowadzenie zasilania do układu elektronicznego,

Przesyłanie sygnałów wejściowych i wyjściowych,

Odprowadzenie ciepła z układu,

Zabezpieczenie układu przed niekorzystnym oddziaływaniem środowiska.

Technologia „packagingu”:

Połączenie struktury półprzewodnikowej z podłożem obudowy lub podłożem mikroukładu,

Wykonanie połączeń pomiędzy metalicznymi kontaktami struktury półprzewodnikowej oraz kontaktami podłoża mikroukładu

Hermetyzacja.

MONTAŻ

MONTAŻ

HERMETYZACJA


Montaż Połączenie pomiędzy metalicznymi kontaktami struktury półprzewodnikowej a wyprowadzeniami obudowy może być zrealizowane w technologii: montaż drutowy,

technologia flip-chip,

technologia TAB (TAPE AUTOMATED BONDING) ,

lutowanie lutem miękkim,

klejenie przy zastosowaniu klejów przewodzących.


Główne kryteria wyboru typu obudowy:

Rodzaj elementu,

Technologia montażu PCB (elementy SMD lub „przewlekane”),

Moc rozpraszana w elemencie,

Warunki środowiskowe,

Dostępność obudowy i koszt elementu.

Podzespoły do montażu przewlekanego

Podzespoły do montażu przewlekanego charakteryzują się tym że ich

wyprowadzenia są przewlekane przez otwory w płytce drukowanej a następnie

są do niej lutowane. Może podzielić je:

wg ilości wyprowadzeń: dwuwyprowadzeniowe,

wielowyprowadzeniowe,

wg rozmieszczenia wyprowadzeń: osiowe,

radialne.A = L + 2c + 2R + A = L + 2c + 2R + ddww = n * 50mil= n * 50mil

c = 1 c = 1 –– 4 mm4 mmRRminmin = 1 mm= 1 mm

R

Lc

A

www.fonar.com.pl

Podzespoły osiowe: Najczęściej mają kształt walca.

Wyprowadzenia umieszczone są w ich osi.

Przystosowane do lutowania ręcznego oraz lutowania na fali.

Stosunkowo długie wyprowadzenia dają pewną dowolność w rozmieszczeniu ich punktów lutowniczych.

Wyprowadzenia wykonane są z drutów (najczęściej miedzianych) o średnicach 0,38 do 0,81 mm pokrytych powłokami o dobrej lutowności.

Rezystory, kondensatory, diody, niektórerozwiązania cewek i dławików


12

Podzespoły radialne: Różne kształty obudów: płaskie okrągłe,

prostopadłościenne, kubeczkowate.

Wyprowadzenia umieszczone są pojednej stronie elementu i są do siebierównoległe.

Rozstaw wyprowadzeń jest wielokrotnością(sporadycznie ułamkiem) wymiaru charak-terystycznego 2,54 mm = 100 milsów.

Niektóre rezystory, większość kondensatoróworaz elementy optoelektroniczne np. diody LED.


Podzespoły wielowyprowadzeniowe: Elementy czynne: tranzystory, układy

scalone.

Obudowy prostopadłościenne lub kubecz-kowe

Obudowy kubeczkowe: najczęściej metalowe(TO5, TO18, TO98) rzadziej plastikowe (TO92).

Układy scalone w obudowach kubeczkowych - liczba wyprowadzeń 4, 6, 8, 10, 12 lub 14.

Układy scalone VLSI: obudowy DIP i SIP nie mogą być stosowane ze względu na niedopa-sowanie TCE (max 64).

Obudowy prostopadłościenne: plastikowe (sprzęt powszechnego użytku) lub ceramiczne(sprzęt profesjonalny i specjalny).


Tranzystory: Obudowy serii TO (Transistor Outline)

- plastikowe (TO-92), metalowe (TO-5)

Dla tranzystorów średniej i dużej mocy (obudowy metalowe) kolektor jest połączony galwanicznie z obudową

Różne typy tranzystorów mogą mieć tą samą obudowę, ale inaczej ułożone wyprowadzenia !!!

Niektóre obudowy zawierają „mini-radiator” pełniący również rolę elementu mocującego (TO-3, TO-220).

TOTO--1818

TOTO--33

TOTO--220220

TOTO--92A92A


Diody: Dwa wyprowadzenia

Rozróżnienie i orientacja wyprowadzeń!

Obudowa zależna od typu diody i jej mocy.


Złącza, podstawki: Obudowy wielonóżkowe;

Standaryzacja rozwiązań;

Różne rodzaje obudów – płaskie, kątowe,do układów scalonych, itp...


Podzespoły do montażu powierzchniowego powinny charakteryzować się: wyprowadzenia przystosowane do montażu na powierzchni płytki PCB;

kontakty powinny być łatwo i dobrze zwilżalne;

kształty i wymiary muszą być zunifikowane i przystosowane do montażu automatycznego;

lepsze odwzorowanie kształtu korpusu; odporność na mycie (rozpuszczalniki, woda);

odporność na naprężenia mechaniczne i termiczne w trakcie lutowania;

mniejsze, bardziej zwarte konstrukcje pozwalają na pracę z wyższymi częstotliwościami.

Podzespoły do montażu powierzchniowego

13

Podzespoły typu „chip”: Kształt prostopadłościanu z wyprowadzeniami

na węższych krawędziach zintegrowanymiz korpusem.

Rezystory, kondensatory oraz niektóre typybezpieczników i cewek.

Znormalizowane wymiary to długość i szerokość. Wysokość oraz wielkość kontaktów zależą od innych czynników.

1206: 0,12” x 0,06” = 3mm x 1,5mm

0805: 0,08” x 0,05” = 2mm x 1,27mm

0402: 0,04” x 0,02” = 1mm x 0,5mm

0201: 0,02” x 0,01” = 0,5mm x 0,25mm

1206

0,06”


Rezystory: Zakres rezystancji:

Klasy tolerancji:

Moc rozpraszana:

Temperaturowy współczynnik rezystancji: typ. 0,02%/K

Rezystory zero-ohmowe czyli tzw. zworki

Użycie „zworek” w postaci rezystorów SMD o wartości 0 ohmów pozwala uniknąć stosowania dodatkowych „przelotek” na płytce PCB.

Umożliwia to likwidację jednej warstwy metalizacji.


Kondensatory ceramiczne: konstrukcja płaska złożona z ceramicznych metalizowanych płatków

(nawet do 50 warstw);

zbyt szybkie nagrzewanie może powodować pęknięcia w wewnętrznych warstwach;

elektroda

ceramika


Elementy polaryzowane: Diody, kondensatory elektrolityczne

tantalowe, aluminiowe;

Dwa wyprowadzenia;

Polaryzacja oznaczona poprzez kształt elementu lub symbol na obudowie;

76

Kondensator tantalowy

Dioda


Tranzystory: Typowe obudowy tranzystorów

– SOT (Small Outline Transistor)

3 ewentualnie 4 wyprowadzenia

Moce znamionowe zależą odwymiarów obudowy

500mW 500mW ((1W1W))

200mW (200mW (350mW350mW))


Układy scalone - SMD: Układy scalone małej i średniej skali integracji:

SO (Small Outline) lub SOIC (Small OutlineIntegrated Circuit) – wyprowadzenia w dwóch rzędach wzdłuż dłuższych boków. Rasterwyprowadzeń 1,27 mm = 50mils

Typ obudowy jest rozszerzony o informacjeokreślającą liczbę wyprowadzeń np.: SO16.

1-sza nóżka jest zawsze oznaczona na obudo-wie. Na płytkach PCB nóżka nr 1 oznaczona polem prostokątnym.

Typowa liczba wyprowadzeń w SO wynosi 8 – 32.Zminiaturyzowana wersja VSO (Very Small Outline)może posiadać nawet do 56 wyprowadzeń.

Ograniczenie - nadmierne naprężenia ścinające.

SOICSOIC

SOJSOJ


14

Układy scalone - SMD: Zwiększenie liczby wyprowadzeń

- obudowy kwadratowe z wypro-wadzeniami rozmieszczonymi naczterech bokach:

PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier)wyprowadzenia w kształcie litery „J”rozstawione co 1,27 mm; do 84 wyprowadzeń;

QFP (Quad Flat Package) wypro-wadzenia w kszatłcie spłaszczonej litery „Z”; rozstaw wyprowadzeń od 1mm do 0,4mm; ilość wyprowa-dzeń od 32 do 304;

QFN (Quad Flat No-Lead) – obudowy „bezwyprowadzeniowe”; rolę wyprowadzeń pełnią „pola lutownicze” na spodzie obudowy.

PLCCPLCC

QFPQFP

QFNQFN


Układy scalone – PLCC, QFP: Koplanarność wyprowadzeń;

Zwichrowania płytek podłożowych obwodów drukowanych;

Jakość pól lutowniczych;

Technologiczne możliwości realizacji połączeń (rozdzielczość druku pasty lutowniczej).


CSP

Moduły

BGA

BGA (Ball Grid Array), CSP (Chip Scale Package), Flip Chip


duża liczba wyprowadzeń,

dobra wytrzymałość mechaniczna,

eliminacja problemu koplanarności,

zmniejszenie ilości pasty lutowniczej,

zmniejszenie wadliwości montażu,

zwiększenie precyzji montażu.

Wadliwość montażu:Wadliwość montażu:PBGA PBGA 11÷÷ 3 ppm3 ppmQFP(0,635mm) QFP(0,635mm) 15 15 ÷÷ 20 ppm20 ppmQFP(0,5mm) QFP(0,5mm) 15 15 ÷÷ 80 ppm80 ppm

ZALETY BGA (Ball Grid Array)

Zjawisko Zjawisko samocentrowaniasamocentrowania kontaktów sferycznych na polach lutowniczych:kontaktów sferycznych na polach lutowniczych:tolerancje pozycjonowania:tolerancje pozycjonowania:

BGA (Ø0,74mm) – 0,30 mm;

QFP (0,5mm) – 0,08 mm;


INŻYNIERIA MATERIAŁOWA II

Połączenia lutowanePołączenia lutowanespoiwa i pasty lutowniczespoiwa i pasty lutownicze



Połączenia lutowanespoiwa i pasty lutownicze

15

Tworzenie połączeń elektrycznych

Definicja połączenia elektrycznego elementów:

Wyprowadzenia metalowe dwóch elementów są połączone elektrycznie jeżeli

elektrony z siatki krystalicznej jednego metalu mogą się przenosić swobodnie

do siatki krystalicznej drugiego.

Rodzaje połączeń: Stałe

Rozłączne

POŁĄCZENIEPOŁĄCZENIETRWAŁETRWAŁE

OBSZAROBSZARPOŁĄCZENIAPOŁĄCZENIA

KOŃCÓWKIKOŃCÓWKIWYPROWADZENIAWYPROWADZENIA

Łączone elementy: Naturalną cechą powierzchni elementów metalowych jest:

CHROPOWATOŚĆ POWIERZCHNI;

WARSTWY IZOLACYJNE (NA POWIERZCHNI TAKICH MATERIAŁÓW JAK CU, AG, AL, STOPY CYNY, W SKUTEK REAKCJI ZE SKŁADNIKAMI ATMOSFERY NP.: TLEN, SIARKA TWORZĄ SIĘ WARSTWY IZOLACYJNE O GRUBOŚCI 0,1 MIKROMETRA);

Aby uzyskać odpowiednie połączenie elektryczne należy usunąć warstwę izolacyjną => mała rezystancja połączenie; możliwy przepływ prądu elektrycznego.


Różne techniki tworzenia połączeń stałych: Z wprowadzeniem dodatkowej fazy łączącej

LUTOWANIE;

ZGRZEWANIE;

KLEJENIE;

Z wykorzystaniem naprężeń stykowych

OWIJANIE;

ZACISKANIE;

ZAKLESZCZANIE.

Tworzenie połączeń rozłącznych jedynie poprzez naprężenia stykowe nie przekraczające granicy sprężystości materiałów


Tworzenie połączeń stałych z dodatkowa fazą łączącą: Proces tworzenia połączenia:

LUTOWANIE – CHWILOWE STOPIENIE ŁĄCZĄCEGO STOPU;

ZGRZEWANIE – STOPIENIE PRZYPOWIERZCHNIOWEJ WARSTWYŁĄCZONYCH METALI;

KLEJENIE – TRWAŁA ZMIANA STANU SKUPIENIA KLEJU;

Usuwanie warstwy izolacyjnej:

TOPNIKI (LUTOWANIE);

ROZPUSZCZALNIKI (ZGRZEWANIE LUB KLEJENIE).


Tworzenie połączeń stałych z wykorzystaniem naprężeń stykowych: Proces tworzenia połączenia:

ZBLIŻENIE ŁĄCZONYCH POWIERZCHNI NA ODLEGŁOŚCI ATOMOWE

TWORZĄ SIĘ ODKSZTAŁCENIA NA POZIOMIE MIKRONIERÓWNOŚCI

Usuwanie warstwy izolacyjnej:

W WYNIKU DZIAŁANIA NAPRĘŻEŃ WYWOŁANYCH NACISKIEM

MAŁAMAŁASIŁASIŁA

DUŻADUŻASIŁASIŁA


Montaż – połączenia lutowanie:

Lutowanie jest procesem polegającym na łączeniu elementów metalowych za pomocą dodatkowego roztopionego metalu zwanego lutem (spoiwem).

Temperatura topnienia lutu jest znacznie niższa od temperatury topnienia łączonych metali (W ELEKTRONICE STOSUJE SIĘ NAJCZĘŚCIEJ TZW. LUTOWANIEMIĘKKIE => TEMP. TOPNIENIA LUTU < 4500C).

Połączenie lutowane stanowią obszary łączonych metali pokryte lutem wraz z tym lutem.

Połączenia lutowane

punkt lutowniczypunkt lutowniczy

wyprowadzeniewyprowadzenie

lutowielutowie

PCBPCB

16

zwilżenie łączonych powierzchni,

wnikania lutu w nierówności łączonych metali,

dyfuzji,

powstawania związków międzymetalicznych (łączony metal-lut).

Połączenie lutowane powstaje w wyniku zajścia szeregu zjawisk:


lutowielutowie

miedźmiedź

CuCu66SnSn55

CuCu33SnSn

LUTOWANIETEMP: 220°C CZAS 2 sGR. WARSTWY 0,5µm

Budowa połączenia lutowanego zależy od:

składu chemicznego łączonych metali i lutu,

właściwości fizycznych łączonych metali i lutu,

temperatury procesu,

odległości między łączonymi powierzchniami,

sposobów ochrony złącza przed utlenianiem,

czystości łączonych powierzchni,

metody lutowania,

...


dobre zwilżanie łączonych metali przez lut,

powinowactwo chemiczne lutu do metali łączonych,

jak najmniejszy zakres krystalizacji lutu,

dostateczna wytrzymałość mechaniczna i plastyczność,

dobra przewodność elektryczna,

zbliżone współczynniki rozszerzalności cieplnej lutui łączonych metali,

dobra i w miarę zbliżona odporność lut i metali łączonych na korozję,

trudne utlenianie lutu w stanie ciekłym,

brak drogich, deficytowych i szkodliwych dla zdrowia pierwiastków.

Spoiwa lutownicze - luty

Wymagania stawiane lutom:

Podstawowym składnikiem lutów jest CYNA Podstawowym składnikiem lutów jest CYNA –– Sn;Sn;

Przemiana alotropowa Sn w temperaturze 13,2Przemiana alotropowa Sn w temperaturze 13,200C => „zaraza C => „zaraza

cynowa”;cynowa”;

Przeciwdziałanie „zarazie cynowej” Przeciwdziałanie „zarazie cynowej” –– dodatek 5% ołowiu; dodatek 5% ołowiu;

0,5% antymonu; lub 0,1% bizmutu0,5% antymonu; lub 0,1% bizmutu

Luty:


Luty ołowiowe:

Sn63Pb37Sn63Pb37

roztwór stały Sn w Pb (roztwór stały Sn w Pb (εε)) roztwór stały Pb w Sn (roztwór stały Pb w Sn (ηη))

εε w w εε++ηηηη w w εε++ηη

Wykres fazowy stopu cyna – ołów (SnPb)


Niska temperatura topnienia (183Niska temperatura topnienia (18300C);C);

Dodatek ołowiu zmniejsza skłonność do rozpuszczania Cu i Ag Dodatek ołowiu zmniejsza skłonność do rozpuszczania Cu i Ag w lutowiu;w lutowiu;

Silne mechaniczne połączenie z: Cu, Sn, Pb, Ag, Au (Pb zmniejsza Silne mechaniczne połączenie z: Cu, Sn, Pb, Ag, Au (Pb zmniejsza napięcie powierzchniowe Sn i poprawia zwilżalność);napięcie powierzchniowe Sn i poprawia zwilżalność);

Odporność na utlenianie w trakcie eksploatacji urządzenia;Odporność na utlenianie w trakcie eksploatacji urządzenia;

Niska rezystancja;Niska rezystancja;

Doskonała znajomość technologiczna procesu lutowania z Doskonała znajomość technologiczna procesu lutowania z SnPbSnPb..

Właściwości połączenia eutektycznego SnPb:


17

Dyrektywa Unii Europejskiej nr 2002/95/EC „Dyrektywa Unii Europejskiej nr 2002/95/EC „RsetrictionRsetriction of of thethe useuseof of certaincertain HazardousHazardous SubstancesSubstances inin electricalelectrical and electronic and electronic equipmentequipment” (” (RoHSRoHS) czyli dyrektywa o ograniczeniu stosowania ) czyli dyrektywa o ograniczeniu stosowania określonych określonych sybstancjisybstancji niebezpiecznych;niebezpiecznych;

Nowelizacja prawa w krajach członkowskich do 13 sierpnia 2004;Nowelizacja prawa w krajach członkowskich do 13 sierpnia 2004;

Przewidywany termin wprowadzenia technologii bezołowiowej Przewidywany termin wprowadzenia technologii bezołowiowej -- do do 31 grudnia 2005;31 grudnia 2005;

Ostateczny termin dostosowania technologii Ostateczny termin dostosowania technologii –– 1 lipca 2006.1 lipca 2006.

Konieczność zastąpienia spoiwa SnPb:


Luty bezołowiowe:

63 37 183 183

62 36 2 179 179

92 92 3,3 3,3 4,7 4,7 210 215210 215

90 90 3,33,3 3,7 33,7 3 206 211206 211

83,4 83,4 4,1 0,5 12 4,1 0,5 12 185 195185 195

93 0,5 93 0,5 6 6 0,5 0,5 209 214209 214

Skład spoiwa (% masy) Temp. (OC)

sol. liq.Sn Pb Ag Cu In Bi GaSn Pb Ag Cu In Bi Ga

96,5 96,5 3 0,5 3 0,5 217 219217 219

95,795,7 3,6 0,7 3,6 0,7 217 218217 218

95,5 95,5 4 0,5 4 0,5 217 219217 219

96 96 2,5 0,5 1 2,5 0,5 1 214 218214 218

96,5 3,596,5 3,5 215 221215 221


Temperatura solidusu ponad 30Temperatura solidusu ponad 3000C wyższa niż w przypadku C wyższa niż w przypadku SnPbSnPb;;

Znacząco twardsze i sztywniejsze materiały niż Znacząco twardsze i sztywniejsze materiały niż SnPbSnPb;;

Wysoka zawartość cyny powoduje niebezpieczeństwo powstawania Wysoka zawartość cyny powoduje niebezpieczeństwo powstawania „wąsów” („wąsów” (whiskersówwhiskersów););

Większa różnorodność powstających defektów;Większa różnorodność powstających defektów;

Odporność na uszkodzenia zmęczeniowe maleje wraz z zawartością Ag;Odporność na uszkodzenia zmęczeniowe maleje wraz z zawartością Ag;

Odporność na udary mechaniczne rośnie wraz z zawartością Ag.Odporność na udary mechaniczne rośnie wraz z zawartością Ag.

Luty bezołowiowe SAC i SAC+X+Y:


temperatura topnienia niższa, a temperatura wrzenia wyższa od temperatura topnienia niższa, a temperatura wrzenia wyższa od temperatury topnienia lutu ;temperatury topnienia lutu ;

obojętność chemiczna względem lutowanych metali i lutu, obojętność chemiczna względem lutowanych metali i lutu, agresywność wobec warstwy tlenków i innych związków agresywność wobec warstwy tlenków i innych związków niemetalicznych;niemetalicznych;

wypływanie pozostałości topnika i rozpuszczonych w nim związków wypływanie pozostałości topnika i rozpuszczonych w nim związków na powierzchnię lutu;na powierzchnię lutu;

łatwe usuwanie resztek topnika i powstałego żużla;łatwe usuwanie resztek topnika i powstałego żużla;

niezmienność składu chemicznego i właściwości przy dłuższym niezmienność składu chemicznego i właściwości przy dłuższym przechowywaniu;przechowywaniu;

brak składników szkodliwych dla zdrowia i środowiska.brak składników szkodliwych dla zdrowia i środowiska.

Topniki - wymagania:

Topniki

typu typu nono--cleanclean, , lowlow solid (solid (nie wymagające mycia, o małej zawartości części stałych),),

oparte na żywicach syntetycznych bądź naturalnych oparte na żywicach syntetycznych bądź naturalnych (np. (np. kalafoniowe),),

w celu zwiększenia ich aktywności dodaje się aktywatory;w celu zwiększenia ich aktywności dodaje się aktywatory;

zaleca się usuwanie pozostałości tych topników po procesie lutowania;zaleca się usuwanie pozostałości tych topników po procesie lutowania;

wodne,wodne,

topniki topniki wysokoaktywowanewysokoaktywowane, które muszą być zmywane po procesie , które muszą być zmywane po procesie lutowania;lutowania;

zmywanie z wykorzystaniem podgrzewanej wody pod ciśnieniem;zmywanie z wykorzystaniem podgrzewanej wody pod ciśnieniem;

Topniki można podzielić na trzy grupy:

Topniki

Wykorzystywane w lutowaniu rozpływowym.Wykorzystywane w lutowaniu rozpływowym.

Skład past lutowniczych:Skład past lutowniczych:

LUT LUT -- proszek lutowniczy (około 90% proporcji wagowej; 50% proporcji proszek lutowniczy (około 90% proporcji wagowej; 50% proporcji objętościowej)objętościowej)

NOŚNIK (około 10% proporcji wagowej; około 50% proporcji NOŚNIK (około 10% proporcji wagowej; około 50% proporcji objętościowej)objętościowej)

TopnikTopnik

RozpuszczalnikiRozpuszczalniki

inneinne

Pasty lutownicze

Pasty lutownicze:

18

Pasty lutownicze – podstawowe zadania:

wymagania stawiane spoiwom;wymagania stawiane spoiwom;

stabilizacja elementów elektronicznych w czasie układania stabilizacja elementów elektronicznych w czasie układania i lutowania;i lutowania;

możliwość drukowania lub dozowania ciśnieniowego;możliwość drukowania lub dozowania ciśnieniowego;

oczyszczanie pól lutowniczych i końcówek elementów przed fazą oczyszczanie pól lutowniczych i końcówek elementów przed fazą zasadniczego lutowania;zasadniczego lutowania;

dobra zwilżalność;dobra zwilżalność;

uniemożliwienie dostępu tlenu do lutu w trakcie lutowania uniemożliwienie dostępu tlenu do lutu w trakcie lutowania i krzepnięcia.i krzepnięcia.

Pasty lutownicze

Reologia (rheos – prąd, nurt; logos – nauka)nauka o prawach powstawania i narastania w czasie odkształceń mechanicznych materiałów w różnych warunkach termodynamicznych i fizykochemicznych.

Nauka o deformacji i płynięciu materiałow pod wpływem sił odkształcających.

Podstawowym parametrem decydującym o własnościach reologicznych materiałów jest lepkość.

Pasty lutownicze – właściwości reologiczne:

Pasty lutownicze

TiksotropowośćTiksotropowość: : izotermiczna zmiana konsystencji cieczy pod wpływem ruchu mechanicznego, która utrzymuje się przez pewien czas po ustaniu działania siły.

Zjawisko to manifestuje się inna lepkość pasty w trakcie jej tłoczenia i po nałożeniu na pola lutownicze

Pasty lutownicze – właściwości reologiczne:

Pasty lutownicze

Pasty lutownicze – podstawowe właściwości:

kleistośćkleistość

osiadanieosiadanie

koalescencjakoalescencja

zwilżalnośćzwilżalność

zawartość zanieczyszczeń jonowychzawartość zanieczyszczeń jonowych

Pasty lutownicze

Nanoszenie past lutowniczych: Z dozownika – średnica igły większa niż 7-krotność (standardowo 10-

krotność) średnicy największych ziaren w paście;

Drukiem przez sito (aktualnie metoda mało popularna);

Drukiem przez szablon.

Pasty lutownicze

Szerokość okna w szablonie ograniczona wielkością ziaren w Szerokość okna w szablonie ograniczona wielkością ziaren w pasciepascielutowniczej;lutowniczej;

Grubość szablonu ograniczona wymiarem charakterystycznym Grubość szablonu ograniczona wymiarem charakterystycznym okien w szablonie ze względu na:okien w szablonie ze względu na:

druk pastydruk pasty

odrywanie szablonu od PCBodrywanie szablonu od PCB

Grubość szablonu ograniczona rozstawem wyprowadzeń elementów.Grubość szablonu ograniczona rozstawem wyprowadzeń elementów.

Pasty lutownicze – szablony:

Pasty lutownicze

19

LUTOWNOŚĆ LUTOWNOŚĆ –– PODATNOŚĆ POWIERZCHNI METALU NA ZWILŻANIE PODATNOŚĆ POWIERZCHNI METALU NA ZWILŻANIE

PRZEZ LUT W OKREŚLONYCH WARUNKACH (UWZGLĘDNIAJĄC PRZEZ LUT W OKREŚLONYCH WARUNKACH (UWZGLĘDNIAJĄC

STRUKTURĘ I STAN POWIERZCHNI, RODZAJ ZASTOSOWANEGO STRUKTURĘ I STAN POWIERZCHNI, RODZAJ ZASTOSOWANEGO

TOPNIKA, SKŁAD LUTU, CZAS I TEMPERATURA LUTOWANIA)TOPNIKA, SKŁAD LUTU, CZAS I TEMPERATURA LUTOWANIA)

Połączenie lutowane – lutowność:

Lutowność

tz

linia wyporu

linia zerowa meniskografu

Czas [s]

Siła [mN]

Badanie lutowności:

Lutowność

Czas zwilżenia Czas zwilżenia ttZZ [s][s]- czas od momentu zetknięcia się testowej płytki miedzianej

z powierzchnią roztopionego stopu lutowniczego do momentu gdy kąt zwilżania

wyniesie 900.CZAS ZWILŻENIACZAS ZWILŻENIA

ttZZ ≤ 2 s≤ 2 s

tz

Fmaxlinia wyporu

linia zerowa meniskografu

Czas [s]

Siła [mN]

Badanie lutowności:

Lutowność

Maksymalna siła zwilżenia Maksymalna siła zwilżenia PPmaxmax= = FFmaxmax / L/ L

Fmax[mN] – siła zwilżania

L – długość zanurzenia metalicznej części próbki

MAKSYMALNA MAKSYMALNA

SIŁA ZWILŻENIASIŁA ZWILŻENIA

PPmaxmax ≥ 120 mN/m≥ 120 mN/m

Zależność kąta zwilżenia od powierzchni rozpływuLutowność – kąt zwilżenia:

KĄT ZWILŻENIA KĄT ZWILŻENIA

–– MIARA LUTOWNOŚCIMIARA LUTOWNOŚCI

–– KRYTERIUM OCENY JAKOŚCI KRYTERIUM OCENY JAKOŚCI

POŁĄCZENIAPOŁĄCZENIA

Lutowność



Połączenia elektryczne,połączenia lutowane i błędy lutownicze

NA FALI ROZPŁYWOWE RĘCZNIE

Metody lutowania:

PRODUKCJA MASOWAPRODUKCJA MASOWA


20

Montaż powierzchniowy – operacje technologiczne poprzedzające

lutowanie na fali: Dozowanie/drukowanie kleju

Układanie elementów

Utwardzanie kleju

Odwracanie płytki

Lutowanie na fali

Fazy procesu lutowania na fali: Topnikowanie

Podgrzewanie wstępne

Podgrzewanie wtórne

Lutowanie na fali

Lutowanie na fali


METODA PIANOWA

METODA FALOWA

METODA NATRYSKOWA

Podgrzewanie wstępne

Podgrzewanie wtórne

Lutowanie na fali

Grubo ść warstwy mokrego topnikaGrubo ść warstwy mokrego topnika3 3 –– 20 mikrometrów20 mikrometrów

Lutowanie na fali


Podgrzewanie (wstępne+ wtórne)

CEL:

Podgrzanie płytki podłożowej (Podgrzanie płytki podłożowej (eliminacja szoku cieplnego, który może powodować uszkodzenie elementów oraz odkształcenia PCB; przyspieszenie lutowania i skrócenie osiągania przez płytkę temp. ciekłego lutu).).

Odparowanie rozpuszczalnika;Odparowanie rozpuszczalnika;

Uaktywnienie topnika;Uaktywnienie topnika;

ŹRÓDŁA CIEPŁA:

Gorące powietrze;Gorące powietrze;

Promienniki bliskiej i dalekiej podczerwieni.Promienniki bliskiej i dalekiej podczerwieni.

Lutowanie na fali

Lutowanie na fali

Lutowanie na fali:

STREFATRANSFERU

CIEPŁA

WEJŚCIE NA FALĘ

STREFA SCHO-DZENIA Z FALI

FALALUTOWNICZA

Lutowie odrywa się od zwilżonych Lutowie odrywa się od zwilżonych powierzchni w punkcie Xpowierzchni w punkcie X22 a niezwilżonycha niezwilżonychw punkcie Xw punkcie X11

XX22 –– XX11 może wynieś nawet 25 mmmoże wynieś nawet 25 mm

Lutowanie na fali

Lutowanie na fali: POJEDYNCZEJ

Fala stacjonarna (LAMINARNA) – płytka powinna poruszać się z tą samą prędkością co wypływający lut => eliminacja „sopli”; wada: efekt cieniowania;

Fala strumieniowa (TURBULENTNA) – eliminacja efektu cieniowania; wada: niewystarczająca do usunięcia nadmiaru lutowia z łączonych powierzchni;efekt mostkowania, kuleczko-wanie.

PODŁOŻE

RUCH PCB

EFEKT „CIENIOWANIA”EFEKT „CIENIOWANIA”

Lutowanie na fali

21

Lutowanie na fali: PODWÓJNEJ

Fala laminarna + turbulentna (pierwsza fala jest falą turbulentną o wysokiej dynamice przepływu; druga fala jest falą laminarną o wysokiej skuteczności w usuwaniu nadmiaru lutowia z łączonych powierzchni)

1 2

Lutowanie na fali

Montaż powierzchniowy – operacje technologiczne poprzedzające

lutowanie rozpływowe: Nanoszenie pasty lutowniczej

Z dozownika;

Drukiem przez sito;

Drukiem przez szablon.

Układanie elementów

Lutowanie rozpływowe

Fazy procesu lutowania rozpływowego: Nagrzewanie wstępneNagrzewanie wstępne

Wygrzewanie

Rozpływ

Chłodzenie

uwolnienie substancji no śnych uwolnienie substancji no śnych z pasty, typowy gradient z pasty, typowy gradient temperatury temperatury --22 00C/s; temperatura C/s; temperatura końcowa: 120końcowa: 120 00C C –– 16016000CC

w tej fazie nie wyst ępuje proces w tej fazie nie wyst ępuje proces lutowanialutowania


Fazy procesu lutowania rozpływowego: Nagrzewanie wstępne

WygrzewanieWygrzewanie

Rozpływ

Chłodzenie

aktywacja topnika w całej obj ętości aktywacja topnika w całej obj ętości pasty, temperatura powy żej 145pasty, temperatura powy żej 14500C, C, czas 30sczas 30s--150s150s

osiągnięcie jednolitego rozkładu osiągnięcie jednolitego rozkładu temperaturytemperatury



Wygrzewanie

RozpływRozpływ

Chłodzenie

stopienie składników metalicznych stopienie składników metalicznych (temp 215(temp 215--220220 00C, czas 30sC, czas 30s--90s)90s)

zwil żenie całego pola lutowniczegozwil żenie całego pola lutowniczego



Wygrzewanie

Rozpływ

ChłodzenieChłodzenie

wytworzenie poł ączenia wytworzenie poł ączenia elektrycznego i mechanicznegoelektrycznego i mechanicznego

jak najszybsze schłodzenie płytki jak najszybsze schłodzenie płytki bez zbytniego obci ążenia bez zbytniego obci ążenia napr ężeniami mechanicznyminapr ężeniami mechanicznymi


22

Metody lutowania rozpływowego: W parach nasyconych

W podczerwieni

W warunkach konwekcji naturalnej

W warunkach konwekcji wymuszonej


λ(m)λ(m)

1010--1616 1010551010--331010--66

Promieniowanie podczerwonePromieniowanie podczerwone

bliskiebliskie

0,720,72µmµm 1,51,5µmµm

średnieśrednie

5,65,6µmµm

dalekiedalekie

1mm1mmStrumStrum. ciepła. ciepła:: 50 50 –– 300W/cm300W/cm22

Temp:Temp: 2100210000CCduży gradient; degradacja duży gradient; degradacja cieplna; wrażliwość na kolor;cieplna; wrażliwość na kolor;

Strum ciepłaStrum ciepła:: 15 15 –– 50W/cm50W/cm22

Temp:Temp: 750750--1400140000CCduża gęstość upakowania; duża gęstość upakowania; mała wrażliwość na kolor;mała wrażliwość na kolor;

Strum. ciepłaStrum. ciepła:: 4W/cm4W/cm22

Temp:Temp: 400400--90090000CCbrak wrażliwości na kolor; brak wrażliwości na kolor; duża równomierność;duża równomierność;

Lutowanie rozpływowe w podczerwieni:


Lutowanie rozpływowe w warunkach wymuszonej konwekcji: Bardziej równomierne nagrzewanie;

Minimalizacja gradientów na płytce drukowanej (w przypadku bliskiej podczerwieni - 150C; przy źle rozmieszczonych podzespołach nawet 300C; w przypadku procesu lutowania bezołowiowego wymagany jest gradient nie przekraczający kilku 0C);

Większa skuteczność przekazywania ciepła;

Większa wydajność.


NA FALI ROZPŁYWOWE


Połączenia na bazie naprężeń stykowych

Połączenia wykorzystujące naprężenia stykowe: Owijane;

Zaciskane;

Zakleszczane;

Rozłączne.

Połączenia owijane: Połączenie owijane powstaje

w wyniku owinięcia 6 -9 zwojów odizolowanego końca przewodu (miedzianego) na końcówce montażowej.

Końcówka montażowa musi mieć kilka ostrych krawędzi i charaktery-zować się dużą sprężystością.

Siła naciągu drutu powoduje powstanie naprężeń na styku przewodu i końcówki oraz jej sprężyste skręcenie.

Stosowane tylko w przypadku przewodów drutowych o przekroju okrągłym!!!

Owijany Owijany przewód przewód

Końcówka Końcówka montażowamontażowa

Kąt Kąt skręceniaskręcenia


23

Połączenia owijane: Ze względów wymiarowych: połączenia normalnowymiarowe (przewód o

średnicy 0,5 mm; przekątna końcówki montażowej powyżej 1,2 mm) oraz miniaturowe.

Druty o średnicach powyżej 1,0 mm są zbyt sztywne; o średnicach poniżej 0,15 mm zrywają się.

Dwie odmiany połączeń: połączenia zwykłe oraz połączenia zmodyfikowane

POŁĄCZENIE ZWYKŁEPOŁĄCZENIE ZWYKŁE POŁĄCZENIE ZMODYFIKOWANEPOŁĄCZENIE ZMODYFIKOWANE


Połączenia owijane - cechy:+ połączenie gazoszczelne;

+ duża trwałość (naprężenia zmniejszają się o połowę po 40 latach);

+ zapewnia bezawaryjną pracę w szerokim zakresie napięć i prądów (ograniczenia wynikające ze średnicy stosowanych drutów);

+ duża niezawodność w każdym środowisku;

+ brak podgrzewania elementów przy tworzeniu połączenia;

+ mała rezystancja połączenia;

+ duża wytrzymałość mechaniczna i odporność na wibracje (tylko połączenie modyfikowane);

+ połączenia naprawialne


Połączenia owijane - cechy:- połączenie wykonywane maszynowo (nawijarka);

- pokojowa temperatura pracy (max. 70ºC)

- ograniczenie stosowanych drutów (ø 0,15 – 1,0 mm)


Połączenia zaciskane: Naprężenia stykowe potrzebne do wytworzenia połączenia uzyskuje się

poprzez zaciśnięcie twardej końcówki montażowej na miękkim przewodzie miedzianym.

Wywierany nacisk odkształca powierzchnie metalowe i linka wypełnia całą objętość połączenia.

linka

obejma


Połączenia zaciskane - cechy:+ połączenie trwałe;

+ proste do wykonania;

+ zapewnia bezawaryjną pracę w szerokim zakresie napięć (mV – kV) i prądów (mA – kA);

+ duża szczelność i odporność na korozję;

+ duża niezawodność w każdym środowisku;

+ duża wytrzymałość mechaniczna;

+ odporność na wibracje;

+ mała rezystancja połączenia;

+ brak podgrzewania elementów przy tworzeniu połączenia;


Połączenia zaciskane - cechy:- połączenie nienaprawialne;

- stosowane tylko w przypadku linek.


24

Połączenia zakleszczane: Naprężenia stykowe potrzebne do wytworzenia połączenia uzyskuje się

poprzez wciśnięcie miedzianego przewodu w szczelinę płaskiej sprężystej końcówki.

Nie ma potrzeby usuwania izolacji z końcówki przewodu.

kontakt sprężystykontakt sprężysty

przewódprzewód

kabel taśmowykabel taśmowy

złącze z kontaktami sprężystymizłącze z kontaktami sprężystymi

NACISKNACISK


Delaminacja

Efekty geometryczne

Cieniowanie,

Mostkowanie,

Efekt nagrobkowy,

Wysysanie spoiwa,

Efekt kuleczkowania,

Zimne połączenia,

Biały osad.

Błędy lutownicze

Objawy: Spalenie, lub zwęglenie płytki

Separacja warstw laminatu

Zmiana koloru płytki Czarne punkty

Przyczyny:

Niewłaściwy profil lutowniczy Niewłaściwy typ zastosowanego laminatu dla wybranej

technologii montażu i lutowania

DELAMINACJA:

DELAMINACJA (przegrzanie płytki)

WŁAŚCIWY PROFIL LUTOWNICZY

Błędy lutownicze

Różna pozycja na płytce, różne właściwości w czasie lutowania

EFEKTY GEOMETRYCZNE:

Błędy lutownicze

Objawy: lutowie nie dociera do wypro-

wadzenia ani do pola lutowni-czego, w efekcie nie powstajepołączenia lutownicze.

Rozwiązania:

specjalne kształty wyprowadzeń, turbulentny przepływ fali lutowniczej

odpowiednie rozmieszczenie geometryczne elementów w stosunku do kierunku fali lutowniczej

CIENIOWANIE:

PODŁOŻE

RUCH PCB

EFEKT „CIENIOWANIA”EFEKT „CIENIOWANIA”

Błędy lutownicze

CIENIOWANIE:

Optymalne rozmieszczenie podzespołów podczas lutowania na fali

Błędy lutownicze

25

Objawy: Tworzenie się mostków (zwarć)

pomiędzy wyprowadzeniami.

Rozwiązania:

Zabiegi projektowe oraz technologiczne zależne od metody lutowania.

MOSTKOWANIE

Błędy lutownicze

Lutowanie na fali - rozwiązania: Wprowadzanie pułapek lutowia, czyli pól zbierających nadmiar

lutowia;

Odpowiednie rozmieszczenie elementów; (np.: układy SOIC rów-nolegle do kierunku fali, układy w obudowach QFP pod kątem 450C);

MOSTKOWANIE

Błędy lutownicze

Lutowanie na fali - rozwiązania: Pochylenie transportera płytek,

Kształtowanie fali (płytki odchylające; fala podwójna).

MOSTKOWANIE

GRAWITACJA

FALALUTOWNICZA

SIŁY WIĄZANIA

SIŁY ŚCINAJĄCE

NAJLEPIEJ GDY PŁYTKINAJLEPIEJ GDY PŁYTKIWCHODZĄ NA FALEWCHODZĄ NA FALE

POD KĄTEM 4 POD KĄTEM 4 –– 9900 (6 (6 --8800))

Błędy lutownicze

Lutowanie rozpływowe - przyczyny: Zbyt duża ilość pasty na polu lutowniczym;

Niedokładne ułożenie pasty na polu lutowniczym (rozsmarowanie, niedopasowanie wzoru);

Pasta o niewłaściwych parametrach (np: pasta zbyt stara, utleniona, niedopasowanie materiałów itp.)

MOSTKOWANIE

Błędy lutownicze

Lutowanie rozpływowe - rozwiązania: polepszenie precyzji i rozdzielczości druku,

właściwe dobranie objętości pasty lutowniczej,

spowolnienie nagrzewania wstępnego, użycie topników o krótszym czasie zwilżania.

Objawy: Mały podzespół w wyniku lutowania „staje” na jednym ze swoich

wyprowadzeń.

EFEKT NAGROBKOWY

Błędy lutownicze

Przyczyny: Niewłaściwy projekt pół lutowniczych,

Mała dokładność układania elementów,

Nieodpowiednia ilość pasty na polu lutowniczym,

Nieodpowiedni docisk elementu w procesieukładania,

Nierównomierna szybkość zwilżania w obrębie PCB.

Rozwiązanie: Należy sprawdzić reguły projektowania ścieżek, jakość druku

i lutowność podzespołów;

Spowolnienie szybkości nagrzewania oraz wydłużenie czasu nagrzewania;

Zastosowanie topnika o dłuższym czasie zwilżania (istnieje niebezpieczeństwo mostkowania).

EFEKT NAGROBKOWY

Błędy lutownicze

26

Objawy: Pocynowane wyprowadzenie podzespołu pochłania lutowie nie

pozostawiając go na punkcie lutowniczym.

WYSYSANIE SPOIWA

Przyczyny: Gradient temperatur pomiędzy

płytka a wyprowadzeniem. Wyprowadzenie o wyższej temperaturze topi lut i pocynowana warstwa absorbuje lutowie.

Błędy lutownicze

Rozwiązania: Poprawny profil lutowania,

Podzespoły o gwarantowanej planarności wyprowadzeń,

Topniki o temperaturze aktywacji w pobliżu temperatury rozpływu, Końcówki elementów metalizowane stopem o temperaturze topnienia

wyższej niż temperatura topnienia stopu lutowniczego.

WYSYSANIE SPOIWA

Błędy lutownicze

Przyczyny: nadmiernie duża frakcja drobnego ziarna,

utlenione spoiwo,

nadmierne osiadanie pasty, rozprysk spoiwa,

zły profil lutowania, źle dobrana aktywność topnika,

nadmierny docisk podzespołu w procesie układania na płytce,

źle zaprojektowane pola lutownicze,

niewłaściwa maska przeciwlutowa.

EFEKT KULECZKOWANIA

Błędy lutownicze

Rozwiązania materiałowe: świeża pasta lutownicza o dopraco-

wanym składzie pod kątem aktyw-ności topnika i osiadania, nie zawierająca i nie chłonąca wilgoci,

unikanie past o dużej frakcji ziaren, poniżej 25 µm,

dobra lutowność wyprowadzeń podzespołów,

właściwe zaprojektowanie pól lutowniczychwzględem metalizacji podzespołów,

odpowiednia maska przeciwlutowa

EFEKT KULECZKOWANIA

Błędy lutownicze

Rozwiązania technologiczne: pole nadruku pasty mniejsze od pola lutowniczego na płytce

drukowanej,

prawidłowy druk pasty, bez przesunięć i rozsmarowań, prawidłowe mycie szablonów,

unikanie przedłużonej czasowo ekspozycji pasty w atmosferze powietrza,

weryfikacja profilu lutowania.

EFEKT KULECZKOWANIA

Błędy lutownicze

Przyczyny: niedostateczna ilość lub brak pasty na polu lutowniczym

brak koplanarności końcówek elementów,

nadmierne zanieczyszczenie pól lutowniczych lub końcówek elementów,

niewłaściwa aktywność lub przedwczesna utrata aktywności przez topnik,

zły profil lutowania.

ZIMNE POŁĄCZENIA

Błędy lutownicze

27

Najczęściej błędy pojawiają się na etapie:Lutowanie rozpływowe

DRUKOWANIE DRUKOWANIE PASTYPASTY

UKŁADANIEUKŁADANIEELEMENTÓWELEMENTÓW

LUTOWANIELUTOWANIE

BŁĘ

DY

[%]

BŁĘ

DY

[%]

60%

20%

10%

Błędy lutownicze

Mostkowanie

Delaminacja

Zimne luty

Niepełny rozpływ lutu

Kuleczkowanie

Efekt nagrobkowyPodniesione elem.

Zan

iecz

yszc

zeni

e po

wie

rzch

ni

Zby

t nis

ka t

emp.

luto

wia

Zby

t wys

oka

tem

p.lu

tow

ia

Nie

rów

nom

iern

y ro

zkła

d te

mp

Nie

dobó

r to

pnik

a

Zby

t nis

ka p

rędk

ość

prze

suw

u pr

zenoś.

Zby

t duż

a pręd

kość

prze

suw

u pr

zenoś.

Nar

ażen

ie n

a w

ibra

cje

w t

rakc

ie k

rzep

.

Nie

jedn

orod

na

fala

luto

wni

cza

Błędy profilu lutowania rozpływowego



Operacje kontrolno-pomiarowe


Operacje kontrolno-pomiarowe mogą być zorientowane na:

Zapobieganie defektom

Odpowiednie sterowanie parametrami procesów technologicznych oraz ich ewentualna korekcja;

Kontrola materiałów wejściowych (ewentualna modyfikacja);

Kontrola jakości podzespołów przed montażem;

Wykrywanie defektów

Wykrywanie defektów tuż po montażu

„Im wcześniej znajdziesz i naprawisz defekt „Im wcześniej znajdziesz i naprawisz defekt

tym mniej będzie Cię to kosztowało”tym mniej będzie Cię to kosztowało”

Klasyfikacja testów kontrolno-pomiarowych:

ININ--LINELINE

Sprawdzenie poprawności poszczególnych operacji w linii produkcyjnej;

Systemy automatyczne lub półautomatyczne (większy obiektywizm) pracujące w pętli sprzężenia zwrotnego;

Dedykowane do konkretnej linii produkcyjnej (wysoki koszt);

OFFOFF--LINELINE

Umieszczane w pobliżu więcej niż jednej linii produkcyjnej;

Bardziej elastyczne rozwiązania umożliwiające testowanie na różnych etapach wytwarzania obwodów drukowanych (wolniejsze, niższy koszt);

Wdrażanie nowych wyrobów, przezbrajanie linii produkcyjnej.


Rodzaje testów:

MVI MVI (Manual Visual Inspection) – test wizualny

AOIAOI (Automatic Otical Inspection) – automatyczny test optyczny

ICTICT (In-circuit Test) – test wewnątrzobwodowy

IRIR (Infrared Thermal Imaging System) – automatyczny test promieniami podczerwonymi

AXIAXI (Automatic X-ray Inspection) – automatyczny inspekcja rentgenowska

FTFT (Functional Test) – test funkcjonalny


28

Test wizualny MVI:

Przeprowadzany jest okiem nieuzbrojonym lub z wykorzystaniem Przeprowadzany jest okiem nieuzbrojonym lub z wykorzystaniem mikroskopu (standardowe powiększenie 2 do 10 razy; wymagania mikroskopu (standardowe powiększenie 2 do 10 razy; wymagania mogą być wyższe np.: inspekcja otworów metalizowanych nawet mogą być wyższe np.: inspekcja otworów metalizowanych nawet 100 razy);100 razy);

Człowiek:Człowiek:

1/500 s aby zidentyfikować obiekt; 1/500 s aby zidentyfikować obiekt;

Oko ludzkie potrafi się adaptowaćOko ludzkie potrafi się adaptowaćdo różnych warunków;do różnych warunków;

Ocena subiektywna.Ocena subiektywna.

Test obszarów wymaga wzrokowego dostępu.Test obszarów wymaga wzrokowego dostępu.


Automatyczna inspekcja optyczna AOI:

Może być integrowana w różnych miejscachMoże być integrowana w różnych miejscachlinii produkcyjnej;linii produkcyjnej;

Obrazy w odcieniach szarości oraz kolorowe;Obrazy w odcieniach szarości oraz kolorowe;

Elementy zakwestionowane w teście AOIElementy zakwestionowane w teście AOIzostają poddane testowi MVI;zostają poddane testowi MVI;

Wykrywane defekty:Wykrywane defekty:

Brakujące lub odwrócone elementy, Brakujące lub odwrócone elementy, odwrócoodwróco--na polaryzacja oraz efekt nagrobkowy;na polaryzacja oraz efekt nagrobkowy;

Mostki, przesunięcia i rotację elementów;Mostki, przesunięcia i rotację elementów;

Defekty geometryczne ;Defekty geometryczne ;

CCDCCDSKANERSKANER

PRZETWARZANIEPRZETWARZANIESYGNAŁÓWSYGNAŁÓW

KOMPUTEROWY KOMPUTEROWY SYSTEMSYSTEM

STEROWANIASTEROWANIA


Kontrola wizualna na etapie nadruku pasty lutowniczej:

Ilość pasty na indywidualnym polu lutowniczym 0,8 mg/mmIlość pasty na indywidualnym polu lutowniczym 0,8 mg/mm22

(w przypadku podzespołów typu (w przypadku podzespołów typu finefine--pitchpitch –– 0,5 mg/mm0,5 mg/mm22););

Dopuszczalne odchylenie masy pasty Dopuszczalne odchylenie masy pasty ±±20%;20%;

Dla podzespołów typu 0805, 1206 lub SOT23 przesunięcie Dla podzespołów typu 0805, 1206 lub SOT23 przesunięcie nadruku nie powinno przekraczać 0,2 mm, a dla QFP o rastrze nadruku nie powinno przekraczać 0,2 mm, a dla QFP o rastrze mniejszym niż 0,8mm nie powinno przekraczać 0,1 mm;mniejszym niż 0,8mm nie powinno przekraczać 0,1 mm;

Nadruk o większych przesunięciach kwalifikuje się Nadruk o większych przesunięciach kwalifikuje się

do zmycia i ponownego nałożeniado zmycia i ponownego nałożenia

Kontrola wizualna

Inspekcja rentgenowska AXI:

Prześwietlenie promieniami X umożliwia wykrycie wad w obszarach Prześwietlenie promieniami X umożliwia wykrycie wad w obszarach niedostępnych dla systemów AOI;niedostępnych dla systemów AOI;

Systemy AXI dają obrazy w odcieniach szarości; obszary o większej Systemy AXI dają obrazy w odcieniach szarości; obszary o większej gęstości/grubości gęstości/grubości –– obszary ciemniejsze;obszary ciemniejsze;


Inspekcja rentgenowska AXI:

Wysoka rozdzielczość, duże powiększenie;Wysoka rozdzielczość, duże powiększenie;

Inspekcja bezinwazyjna z możliwością zmiany kąta nachylenia;Inspekcja bezinwazyjna z możliwością zmiany kąta nachylenia;

Możliwość testowania gęsto upakowanych płytek;Możliwość testowania gęsto upakowanych płytek;

Wykrywane defektyWykrywane defekty

Mostki, rozwarcia;Mostki, rozwarcia;

Podniesione wyprowadzenia;Podniesione wyprowadzenia;

Przemieszczenie podzespołów, efekt nagrobkowy;Przemieszczenie podzespołów, efekt nagrobkowy;

Pustki lub niedopuszczalne zmiany kształtu;Pustki lub niedopuszczalne zmiany kształtu;

Defekty w BGA (mostki, pustki, brakujące kuleczki, brak scentrowania).Defekty w BGA (mostki, pustki, brakujące kuleczki, brak scentrowania).


Porównanie AOI oraz AXI:

AOI AXI


29

Zastosowanie różnych systemów w zależności od rodzaju PCB:

ZŁOŻONOŚĆ OBWODUZŁOŻONOŚĆ OBWODU

OB

JĘ

TOŚĆ

OB

JĘ

TOŚĆ

MVIMVI

AOIAOI

AXIAXI

AOI & AXIAOI & AXI


Test wewnątrzobwodowy ICT:

Przeprowadzany jest z wykorzystaniem zespołu głowic szpilkowych Przeprowadzany jest z wykorzystaniem zespołu głowic szpilkowych w postaci macierzy sond (Bed of w postaci macierzy sond (Bed of NailsNails MethodMethod) bądź też kilka sond ) bądź też kilka sond przemieszczających się nad testowanym obiektem (przemieszczających się nad testowanym obiektem (TwoTwo ProbeProbe, , Flying Flying ProbeProbe MethodMethod););

Wykrywane defekty: zwarcia, rozwarcia (w wyłączeniem złej jakości Wykrywane defekty: zwarcia, rozwarcia (w wyłączeniem złej jakości połączeń lutowanych tymczasowo eliminowanych pod wpływem połączeń lutowanych tymczasowo eliminowanych pod wpływem nacisku), zdefektowane lub złe podzespoły; nacisku), zdefektowane lub złe podzespoły;

W przypadku utrudnionego dostępu do W przypadku utrudnionego dostępu do podzespołu konieczność wprowadzenia podzespołu konieczność wprowadzenia na etapie projektowania punktów na etapie projektowania punktów testowych.testowych.

Doskonałe rozwiązanie przy długich Doskonałe rozwiązanie przy długich seriach i szybkiej produkcji.seriach i szybkiej produkcji.


Test funkcjonalny FT:

Przeprowadzany jest z wykorzystaniem testera pozwalającego na Przeprowadzany jest z wykorzystaniem testera pozwalającego na wprowadzenie sygnałów w różne punkty układu, symulacje pracy wprowadzenie sygnałów w różne punkty układu, symulacje pracy poszczególnych elementów układu i zbieranie odpowiedzi przez poszczególnych elementów układu i zbieranie odpowiedzi przez złącza;złącza;

Wykonywany jest w ostatniej fazie produkcji;Wykonywany jest w ostatniej fazie produkcji;

Podstawowe zadanie: weryfikacja funkcjonalności poszczególnych Podstawowe zadanie: weryfikacja funkcjonalności poszczególnych elementów i całego układu;elementów i całego układu;


Wykrywalność błędów z wykorzystaniem różnych testów

PRZER

WA

ZWAR

CIE

BRAK ELEM

ENTU

BŁĄD U

ŁOŻEN

IA

POLAR

YZACJA

WARTO

ŚĆ

FUN

KCJON

AL-N

OŚĆ

ZWAR

CIE ZASILAN

IA

MVI

AOI

AXI

IR

ICT

FT

WYKRYWALNOŚĆ: pełna - częściowa - brak


Strategie testowania

Wybór strategii testowania zależy od:

Złożoności projektu płytki (rodzaje obudów i wyprowadzeń; rozstaw Złożoności projektu płytki (rodzaje obudów i wyprowadzeń; rozstaw wyprowadzeń);wyprowadzeń);

Różnorodność i wielkość serii (koszt testów zmienia się wraz ze Różnorodność i wielkość serii (koszt testów zmienia się wraz ze skalą produkcji);skalą produkcji);

Precyzja i szybkość techniki testowania (czyli ile czasu potrzeba na Precyzja i szybkość techniki testowania (czyli ile czasu potrzeba na znalezienie defektu);znalezienie defektu);

Koszt testowania (koszt testera, obsługi serwisu, oprogramowania, Koszt testowania (koszt testera, obsługi serwisu, oprogramowania, zamocowania itp.).zamocowania itp.).

Co to jest uzysk?

UZYSK UZYSK –– ilość produktów wyjściowych w stosunku do potencjalnej ilość produktów wyjściowych w stosunku do potencjalnej ilości wytworzonych produktów;ilości wytworzonych produktów;

gdzie: DPMO (gdzie: DPMO (DefectsDefects per Milion per Milion OpportunitiesOpportunities) ) -- liczba defektów liczba defektów na milion operacji tego samego typu; N na milion operacji tego samego typu; N –– ilość sposobności do ilość sposobności do popełnienia błędupopełnienia błędu

N6 )

10DPMO

1(U −−−−====

„Nie ma „Nie ma bezdefektowychbezdefektowych procesów wytwarzania procesów wytwarzania

ani testowania”ani testowania”


30

Przykład:

Płytka o małej złożoności Płytka o małej złożoności –– MAŁA (elektronika konsumencka);MAŁA (elektronika konsumencka);

Płytka o średniej złożoności Płytka o średniej złożoności –– ŚREDNIA (komputer osobisty);ŚREDNIA (komputer osobisty);

Płytka o bardzo dużej złożoności Płytka o bardzo dużej złożoności –– DUŻA (serwer obliczeniowy);DUŻA (serwer obliczeniowy);

ZŁOŻONOŚĆ LICZBAPODZESPOŁÓW

LICZBAPOŁACZEŃ

KOSZT 1szt

WIELKOŚĆPRODUKCJI

MAŁA 50 350 20$ 2 000 000

ŚREDNIA 500 3500 400$ 200 000

DUŻA 2 500 17 500 4 000$ 40 000


Przykład:

Płytka o małej złożoności Płytka o małej złożoności –– MAŁA (elektronika konsumencka);MAŁA (elektronika konsumencka);

Płytka o średniej złożoności Płytka o średniej złożoności –– ŚREDNIA (komputer osobisty);ŚREDNIA (komputer osobisty);

Płytka o bardzo dużej złożoności Płytka o bardzo dużej złożoności –– DUŻA (serwer obliczeniowy);DUŻA (serwer obliczeniowy);

ZŁOŻONOŚĆ LICZBAPODZESPOŁÓW

LICZBAPOŁACZEŃ

SPOSOBNOŚĆ DO BŁĘDU UZYSK

MAŁA 50 350

ŚREDNIA 500 3 500

DUŻA 2 500 17 500

400

20 000 2%

92%

4 000 45%

PRZY ZAŁOŻENIU: DPMO = 200


Operacje naprawcze

Naprawa to proces wieloetapowy składający się z:

Identyfikacja wadliwego podzespołu;Identyfikacja wadliwego podzespołu;

Usunięcie wadliwego podzespołu (odlutowanie);Usunięcie wadliwego podzespołu (odlutowanie);

Przygotowanie powierzchni, czyli usunięcie starego lutu;Przygotowanie powierzchni, czyli usunięcie starego lutu;

Ułożenie nowego podzespołu, (nałożenie pasty lutowniczej), Ułożenie nowego podzespołu, (nałożenie pasty lutowniczej), lutowanie;lutowanie;

Umycie i sprawdzenie jakości naprawy;Umycie i sprawdzenie jakości naprawy;

Zabezpieczenie miejsca naprawy.Zabezpieczenie miejsca naprawy.

Na co należy zwrócić szczególną uwagę w trakcie wymiany podzespołu:

Jako źródła ciepła do napraw można stosować: gorące powietrze, Jako źródła ciepła do napraw można stosować: gorące powietrze, podczerwień, odpowiednie końcówki(podczerwień, odpowiednie końcówki(termodytermody, laser);, laser);

Należy uważać aby nie uszkodzić przyległych podzespołów;Należy uważać aby nie uszkodzić przyległych podzespołów;

Należy minimalizować nacisk na płytkę (stosowanie końcówek);Należy minimalizować nacisk na płytkę (stosowanie końcówek);

Liczba Liczba lutowańlutowań/odlutowań ograniczyć do dwóch;/odlutowań ograniczyć do dwóch;

Kształt menisku po lutowaniu musi spełniać kryteria jakościowe Kształt menisku po lutowaniu musi spełniać kryteria jakościowe połączeń;połączeń;

Zalecane jest podgrzewanie podłoża w trakcie naprawy;Zalecane jest podgrzewanie podłoża w trakcie naprawy;

Temperatura końcówek odlutowujących nie powinna przekraczać Temperatura końcówek odlutowujących nie powinna przekraczać 37037000C, a czas odlutowywania nie powinien przekroczyć 3 s.C, a czas odlutowywania nie powinien przekroczyć 3 s.

Operacje naprawcze

Na co należy zwrócić szczególną uwagę w trakcie wymiany podzespołu:

Zaleca się stosowanie topników Zaleca się stosowanie topników niskoaktywnychniskoaktywnych;;

Przedłużające się grzanie w temperaturze 230Przedłużające się grzanie w temperaturze 23000C uszkadza obudowy C uszkadza obudowy podzespołów.podzespołów.

Operacje naprawcze

Documents

imks-czesc I -stud [tryb zgodności]dsod.p.lodz.pl/materials/IMKS_A01.pdfantykorozyjne środki kontaktowe (oleje, smary, powłoki zdzieralne), inhibitory –środki absorbujące wilgoć,