METODYKA PROJEKTOWANIA I TECHNIKA REALIZACJI

Transkrypt

1 METODYKA PROJEKTOWANIA I TECHNIKA REALIZACJI Wykład szósty Materiały elektroniczne płyty z obwodami drukowanymi PCB (Printed Circuit Board) Część druga

2 Pokrycia punktów lutowniczych płyt drukowanych Czysta miedź posiada dobre właściwości lutownicze (lutowalność). Utlenianie miedzi szybko pogarsza lutowalność punktów lutowniczych płytki PCB. Punkty lutownicze muszą być chronione lutowalnym pokryciem, pozwalającym przechowywać płytę PCB przez pewien czas (od wytworzenia do montażu). Pokrycia punktów lutowniczych mogą być metaliczne lub organiczne.

3 Ograniczenia w stosowaniu ołowiu Zgodnie z unijną dyrektywą RoHS od 1 lipca 2006 w stopach lutowniczych (poza określonymi wyjątkami) nie może się znajdować ołów, który dotychczas stanowił 20-60% ich zawartości ze względu na istnienie stopu eutektycznego o temperaturze topnienia 183ºC. Najczęściej używano następujących stopów: Sn 63 Pb 37 (183 C) Sn 62 Pb 36 Ag 2 (179 C) Sn 48,5 Pb 48,5 Bi 3

4 Stopy eutektyczne Eutektyk (eutektyka, mieszanina eutektyczna) mieszanina dwóch lub więcej faz krystalicznych o określonym składzie, która wydziela się z roztworów ciekłych lub stopów w określonej temperaturze, zwanej temperaturą eutektyczną. Jest ona na ogół znacznie niższa od temperatury krzepnięcia czystych składników. Źródło: wikipedia.pl

5 Bezołowiowe stopy lutownicze Obecnie w produkcji sprzętu elektronicznego stosuje się stopy bezołowiowe, w których skład wchodzi cyna z niewielkimi dodatkami srebra, miedzi, bizmutu, antymonu. Temperatura topnienia stopów używanych przy lutowaniu bezołowiowym wynosi C. Najczęściej używa się następujących stopów: SnAg 3,5 (221 C) SnAg 2,0 ( C) SnCu 0,7 (227 C) SnAg 3,5 Bi 3,0 ( C) SnBi 7,5 Ag 2,0 ( C) SnAg 3,8 Cu 0,7 (217 C) SnAg 2,6 Cu 0,8 Sb 0,5 ( C)

6 Zalety: Niski koszt pokrycia Pokrycia metaliczne z cyną Wytworzenie wiązania intermetalicznego pomiędzy miedzią a pokryciem (Cu 3 Sn i Cu 6 Sn 5 ) zwiększającego przyczepność mechaniczną pokrycia do miedzi Wady: Gorsza lutowalność warstwy intermetalicznej (początkowo cienkiej (ok. 0,7 mikrometra) i ukrytej wewnątrz pokrycia Narastanie grubości warstwy intermetalicznej (proces chemiczny) wraz z upływem czasu przechowywania (ok. 1mikrometr rocznie) i w końcu przebicie na powierzchnię Grubość całego pokrycia wynosi od 2 do 20 mikrometrów

7 Technologia wykonywania pokrycia metalicznego z cyną Warstwa stopu z cyną jest nakładana w procesie znanym jako HASL, czyli Hot Air Solder Levelling (wyrównanie poziomu lutowia gorącym powietrzem). Technika ta polega na zanurzaniu całej płyty PCB (w pozycji pionowej) w roztopionym roztworze pokrycia metalicznego i powolnym wyciąganiu w strumieniu gorącego powietrza zdmuchującego nadmiar lutowia.

8 Typowy profil przekroju ścieżki z pokryciem wykonanym techniką HASL

9 Ograniczenia technologii HASL Ze względu na wypukłość pokrycia metalicznego wykonanego technologią HASL pojawiają się problemy z montażem elementów o dużej gęstości wyprowadzeń, ponieważ wypukłość może odchylić delikatne wyprowadzenia od właściwego położenia oraz co mniej istotne - z nadrukiem maski lutowniczej. Uważa się, że technika HASL nadaje się do płyt z układami o rozstawie wyprowadzeń wynoszącym co najmniej 0,040 (40 mils, czyli ok. 1mm). Istnieje bardziej skomplikowana wersja technologii HASL z poziomym położeniem płyty w roztopionym lutowiu dająca lepszą równomierność warstwy pokrycia.

10 Pokrycia z metali szlachetnych Wzrostowi warstwy intermetalicznej o pogorszonej lutowalności sprzyja podwyższona temperatura, która towarzyszy wielu procesom obróbki płyty PCB, dlatego stosuje się pokrycia nie wchodzące tak łatwo w reakcje z podłożem miedzianym. Dobrym rozwiązaniem jest zastosowanie pokrycia złotem na niklu. Większość producentów płyt posiada technologię złocenia złącz krawędziowych, zatem wprowadzenie tego sposobu wytwarzania pokryć jest dość łatwe. Warstwa intermetaliczna jest bardzo niewielka, a płyta z takim pokryciem jest bardzo trwała. Typowym pokryciem jest warstwa złota o grubości 0,03 0,05 µm na warstwie 3 5 µm elektrolitycznie naniesionego niklu. Alternatywne w stosunku do złota pokrycia zawierają srebro oraz coraz częściej pallad (odrębny i kosztowny proces technologiczny).

11 Pokrycia organiczne Innym sposobem ochrony punktów lutowniczych przed utlenianiem jest pokrycie ich organicznymi, lutowalnymi środkami zabezpieczającymi typu OSP, czyli Organic Solderable Preservative. Środki te bazują na monomolekularnych warstwach lub żywicach i są nadrukowywane na płytę przez jej producenta. Zapewniają ochronę przez 3 do 6 miesięcy. Pokrycia OSP dobiera się w taki sposób, aby wspomagały proces zasadniczego lutowania elementów. Środek OSP rozpuszcza się w topniku i jest rozkładany podczas lutowania. Niestety, pokrycia OSP są higroskopijne i w wilgotnych warunkach przechowywania płyt może dojść do utlenienia miedzi pod warstwą zabezpieczającą.

12 Maska lutownicza Maska lutownicza odsłania punkty lutownicze a zakrywa pozostałe obszary płyty.

13 Dlaczego stosuje się maskę lutowniczą? Podczas lutowania na fali maska lutownicza (Solder Mask) ogranicza powierzchnię styku lutowia z lutowalną częścią płyty. Podczas lutowania rozpływowego maska lutownicza ogranicza pole niepożądanej migracji lutowia w trakcie roztapiania pasty lutowniczej. Maska chroni laminat i ścieżki płyty PCB przed szkodliwym wpływem środowiska pracy. Maska stanowi stabilny materiał izolacyjny o znanych właściwościach dielektrycznych.

14 Typy masek lutowniczych Maska lutownicza drukowana metodą sitodruku. Nakładana jest z fazy ciekłej, następnie polimeryzowana ultrafioletem i utwardzana termicznie. Technologia tania, ale mało dokładna (rozdzielczość rzędu 0,25mm), w praktyce tylko do montażu przewlekanego. Maska sucha. Jest to rodzaj laminatu nakładanego na całą powierzchnię płytki, a następnie selektywnie utwardzanego ultrafioletem w procesach fotochemicznych (fragmenty nienaświetlone są zmywane rozpuszczalnikami). Dobre przyleganie maski do ścieżek i podłoża. Duża dokładność, rzędu 0,05mm, pozwala na zastosowanie także w montażu powierzchniowym. Płynna maska światłoczuła podobna do poprzedniej, jednak warstwę światłoczułą nakłada się w procesie natryskiwania kurtynowego. Duża szybkość procesu wytwarzania maski.

15 Przekrój płyty z maską sitodrukową (a) i laminowaną (b)

16 Widok przekroju płyty PCB z maską lutowniczą

17 Przykład maski lutowniczej zmniejszającej prawdopodobieństwo wystąpienia mostkowania (przypadkowe zwarcia w warstwie lutowia)

18 Materiały ołowiowe i bezołowiowe na lutowia Lutowie jest ogólna nazwą wielu różnych stopów metali stosowanych w montażu elementów elektronicznych, a w szczególności w lutowaniu płyt PCB. Cyna w połączeniu z ołowiem tworzy wygodny z praktycznego punktu widzenia stop lutowniczy o niskiej temperaturze topnienia (niższej niż każdy ze składników stopu oddzielnie tzw. stop eutektyczny), przez dziesiątki lat wykorzystywany w przemyśle elektrotechnicznym i elektronicznym do łączenia miedzi. Stop złożony z cyny (63%) i ołowiu (37%) posiada najniższą temperaturę topnienie, równą 183 o C, spośród wszystkich stopów typu cyna-ołów. Od wielu lat postulowano ograniczenie zastosowania ołowiu, jako materiału szkodliwego dla zdrowia człowieka i zanieczyszczającego środowisko naturalne. Obecne bardzo restrykcyjne przepisy obowiązujące w Unii Europejskiej i USA eliminują praktycznie ołów, jako materiał wchodzący w skład stopów lutowniczych powszechnego użytku. O restrykcyjności tych przepisów może świadczyć, że przemysł elektroniczny w USA potrzebował zaledwie 0,6% z całkowitej produkcji ołowiu.

19 Szkodliwość ołowiu Sole i tlenki tego pierwiastka są trucizną kumulującą się w organizmie. Toksyczne skutki działania ołowiu na organizm ludzki określa się nazwą ołowica. Zaabsorbowane związki ołowiu przenikają do krwiobiegu, gdzie ołów wbudowuje się do czerwonych krwinek - średni czas przebywania wynosi 30 dni. Stąd 25-40% jego zawartości przenika do tkanek miękkich, około 15% do kości, a pozostała ilość jest wydalana. Czas przybywania w tkankach miękkich wynosi około 30 dni, a w kościach lat u dorosłego człowieka. W kościach kumulowany jest w postaci związków koloidalnych i krystalicznych, może być z nich uwalniany pod wpływem zaburzeń metabolicznych lub stresu. Ołów silnie wiąże się z wieloma biopolimerami, takimi jak: białka, enzymy, RNA, DNA. W ten sposób ulega zaburzeniu wiele przemian metabolicznych. Skutkami toksyczności są: zaburzenia tworzenia krwi, nadciśnienie tętnicze, neuropatia, a także uszkodzenia mózgu. Udowodniono wchłanianie ołowiu przez skórę. Alkilowe związki ołowiu łatwiej wchłaniają się przez skórę niż nieorganiczne związki ołowiu. Sam ołów jest substancją toksyczną. Po wprowadzeniu go do organizmu pojawia się znużenie, zmęczenie, porażenie mięśni, szara obwódka wokół zębów, kolka ołowicza. Jednocześnie występuje białkomocz, krwiomocz oraz zaburzenia mózgowe. Źródło: wikipedia.pl

20 Lutowia bezołowiowe Żaden ze stosowanych dotąd stopów bezołowiowych nie okazał się równie dobry, jak stopy Sn/Pb. Lutowanie bezołowiowe jest kilkakrotnie droższe niż z użyciem ołowiu, a jakość połączenia (elektryczna i mechaniczna) na ogół jest niższa. Wymagania stawiane dobremu lutowiu: Niska temperatura topnienia i szybkie przechodzenie z fazy stałej w ciekłą i odwrotnie Duża plastyczność materiału Tzw. własności zwilżania (napięcie powierzchniowe fazy ciekłej) Odpowiednie właściwości elektryczne Dopasowanie do stosowanych technik lutowniczych i istniejących topników Łatwość przetworzenia w drut, proszek lub folię

21 Podstawowe lutowia bezołowiowe i ich właściwości Jeśli wymagane właściwości przymierzymy do tabeli pierwiastków, wówczas pozostaje niewielka ich grupa, spośród której można wybrać kandydata na zamiennik ołowiu. Do grupy tej należą takie pierwiastki jak: Miedź Bizmut Srebro Przebadano około 200 spoiw z potencjalnymi zamiennikami ołowiu. W wyniku tych prac brane są pod uwagę 3 rodzaje bezołowiowych stopów lutowniczych: 48 Sn 52 Bi - w Japonii (139 ºC) 99,3 Sn 0,7 Cu - w Europie (227 ºC) 96,5 Sn 3,5 Ag - w USA (221 ºC) Stosowanie wyższej temperatury topnienia będzie związane z używaniem bardziej odpornych na temperaturę elementów elektronicznych oraz płytek drukowanych. Obecne badania związane z zamiennikami ołowiu idą w kierunku uzyskania optymalnego składu materiału lutowniczego złożonego z 3 pierwiastków. Przykładowe, perspektywiczne kompozycje: 95,5 Sn 3,5 Ag 0,7 Cu ºC 93,5 Sn 3,5 Ag 3 Bi - ( ) ºC 89,5 Sn 10 Bi 0,5 Cu - ( ) ºC

22 Porównanie cen metali stosowanych w lutowiach Jeśli przyjąć cenę miedzi za 100, to względne ceny następujących metali wynoszą: Cyna = 260 Bizmut = 290 Srebro = 8600

23 Pasty lutownicze Pasta lutownicza jest materiałem potrzebnym w montażu SMT. Pasta powinna równocześnie spełniać kilka podstawowych warunkach: nadawać się do precyzyjnego dozowania lub drukowania na płycie PCB Zawierać topnik i lutowie Łatwo scalać się podczas procesu lutowania rozpływowego Tworzyć trwałe i niezawodne połączenia Pasta lutownicza jest medium, które może być nadrukowane na punktach lutowniczych płyty PCB. Czasem stosuje się inne sposoby rozprowadzania pasty.

24 Składniki past lutowniczych Pasta lutownicza łączy dwa podstawowe składniki: Sproszkowane metale stopu lutowniczego Dodatki, tzw. system przenoszenia (Vehicle System), czyli kompozycję topnika, rozpuszczalnika i składników tiksotropowych (ułatwiających drukowanie) Pasta nałożona na punkty lutownicze płyty zachowuje właściwości klejące tylko przez określony czas, a potem wysycha. Proporcje metali do dodatków wynoszą 9:1 w ujęciu wagowym i 1:1 objętościowo. Sproszkowany metal lutowia powinien mieć kształt kulek (wtedy nie ma tendencji do sklejania się ze sobą) o średnicy od 20 do 75 mikrometrów.

25 Kleje przewodzące Kleje przewodzące nie mogą być na razie traktowane jako poważna alternatywa dla lutowia, ale są materiałami intensywnie ulepszanymi i w ograniczonym zakresie mogą być stosowane w montażu SMT. Kleje przewodzące składają się z materiału polimerowego (izolator) i umieszczonych w nim cząstek materiału przewodzącego (wypełniacz). Kleje przewodzące mogą mieć właściwość przewodzenia anizotropowego (tylko w jednym kierunku, co bywa zaletą utrudnia szkodliwe mostkowanie)) lub izotropowego (jednakowe przewodnictwo we wszystkich kierunkach).

26 Składniki klejów przewodzących Najbardziej popularnym wypełniaczem są płatki srebra. Używa się także srebro w kształcie kulek, cząstki miedzi, grafit i czarny węgiel (ważny jest kształt cząstek metalu). Zawartość objętościowa przewodzącego metalu wynosi 30-40% (wagowo do 70%). Materiały polimerowe w kleju są termoplastyczne (po podgrzaniu rozpuszczają się ponownie) lub termoutwardzalne (połączenie nieodwracalne). Można stosować standardowe (jak dla past) techniki drukowania.

27 Właściwości klejów przewodzących Wady: Gorsza przewodność elektryczna i przyczepność mechaniczna w porównaniu z tradycyjnymi metodami lutowania. Słaba przyczepność do cyny (pokrycie płyty). Mała zdolność zwilżania (nie rozpływa się). Nie występuje efekt samocentrowania, jak przy lutowaniu rozpływowym konieczność precyzyjnego klejenia. Efekt knota wciąganie kleju po wyprowadzeniu elementu elektronicznego. Zalety: Łatwość dozowania, precyzyjnego drukowania, energooszczędność montażu Nie występuje efekt kamienia nagrobnego (Tombstone) element sterczący nad płytką przylutowany tylko jednym końcem.

28 Literatura W przygotowaniu wykładu wykorzystano informacje zawarte w książce: Z. Rymarski Materiałoznawstwo i konstrukcja urządzeń elektronicznych, Gliwice 2000.