Wprowadzenie Elementy elektroniczne w obudowach SO, CC i QFP Elementy elektroniczne w obudowach BGA i CSP

Transkrypt

1 Plan wykładu Wprowadzenie Elementy elektroniczne w obudowach SO, CC i QFP Elementy elektroniczne w obudowach BGA i CSP Montaż drutowy i flip-chip struktur nie obudowanych Tworzywa sztuczne i lepkospręż ężystość Elementy elektroniczne bierne i optoelektroniczne Płytki obwodów w drukowanych Podłoża a o dużej gęstog stości połą łączeń Techniki lutowania Podstawy lutowania, luty i topniki Pasty lutownicze Lutowanie bezołowiowe owiowe Mycie po lutowaniu, lutowanie no-clean Wady lutowania, ocena jakości lutowania, zasady projektowania POD Mechanizm klejenia, kleje Techniki nakładania adania klejów Techniki montażu u powierzchniowego Podsumowanie Projekt płytki obwodu drukowanego (POD) musi brać pod uwagę metodę lutowania jakiej ta płytka zostanie poddana w trakcie montażu. Projektant powinien odpowiedzieć sobie na pytanie: Jaka będzie maksymalna temperatura pracy POD? Na jakie szoki i wibracje będzie narażona POD? Ile cykli włączania i wyłączania powinna wytrzymać POD? W jakich warunkach klimatycznych POD będzie pracowała? Odpowiedzi na te pytania dają podstawę do wyboru odpowiednich materiałów, konfiguracji złączy lutowanych i zasad projektowania montażu. 1

2 Lutowanie ręczne Lutowanie na fali fala lambda fala podwójna (turbulentna i laminarna) fala strumieniowa fala stacjonarna Lutowanie rozpływowe w podczerwieni w parach nasyconych konwekcyjne przewodnościowe gazowe indukcyjne laserowe Techniki lutowania (1) Techniki lutowania (2) 2

3 Lutowanie na fali (1) Fazy procesu lutowania na fali: topnikowanie podgrzewanie wstępne lutowanie Temperatura lutowania: C (maksymalna C) Czas lutowania: 3s 5s Lutowanie na fali (2) Operacje technologiczne poprzedzające lutowanie na fali w montażu powierzchniowym: dozowanie lub drukowanie kleju układanie elementów utwardzanie kleju odwracanie płytki Prześwit elementów biernych: ` 100μm Prześwit elementów SOT: μm 3

4 Utwardzanie kleju Lutowanie na fali (3) Dodatek napełniacza zapobiega rozpływaniu się kleju podczas utwardzania. Kleje o długim czasie przechowywania (pot-life), jednoczęściowe, wymagają dłuższego utwardzania. Kleje akrylowe: inicjacja polimeryzacji promieniowaniem UV (350nm). Lutowanie na fali (4) Topnikowanie: pianowe na fali metodą zraszania Wymagania: 0.7 3g/m 2 fazy stałej topnika na powierzchni POD. Grubość warstwy 3 20μm. Szybki test na zawartość wody w topniku: Faza stała: < 60% zmieszać 10ml topnika z 10ml heptanu, dodać kropla po kropli wodę dejonizowaną przy użyciu małej biurety o rozdzielczości lepszej od 0.1ml, starannie mieszając po dodaniu każdej kropli, gdy zawartość wody w mieszaninie osiągnie 1.5ml płyn staje się mętny i zaczyna się segregacja faz, różnica między 1.5ml a ilością dodanej wody stanowi początkową zawartość wilgoci w topniku. Jeżeli topnik zawiera więcej niż 5% wody należy go wymienić. Faza stała: < 35% Pomiar gęstości topników o zawartości części stałych < 5% nie jest miarodajny! W takich przypadkach należy monitorować liczbę kwasową topnika. 4

5 Lutowanie na fali (5) Topnikowanie metodą zraszania: kompleksowe selektywne Ultradźwiękowe Oszczędne (20% topnika) Łatwa kontrola Zamknięty zbiornik ograniczone parowanie rozpuszczalnika Dostosowane do topników no-clean Lutowanie na fali (6) Topnikowanie selektywne 5

6 Lutowanie na fali (7) Podgrzewanie wstępne w celu: odparowania rozpuszczalnika uaktywnienia topnika nagrzania POD ograniczenia szoku cieplnego Źródła a ciepła: gorące powietrze (konwekcja) promienniki bliskiej podczerwieni promienniki dalekiej podczerwieni Lutowanie na fali (8) Ilość ciepła a w fazie podgrzewania wstępnego: zależy od masy POD, ilości i rodzaju elementów, rodzaju materiałów, musi być większa w przypadku topników pianowych (zawierają zazwyczaj rozpuszczalniki o wysokiej temperaturze wrzenia), jeżeli jest niewystarczająca, to lepkość topnika jest zbyt mała i jest on całkowicie zmywany przez falę lutowniczą, jeżeli jest nadmierna, to w przypadku topników kalafoniowych dochodzi do utleniania i polimeryzacji kalafonii (nie topi się w lutowiu i nie jest usuwana przez falę, topniki wodne (VOC water-based) wymagają większej ilości ciepła, by mogła odparować woda, zazwyczaj temperatura podgrzewania wstępnego zawiera się w granicach 80 0 C C (temperatura wrzenia alkoholu izopropylowego, najczęściej stosowanego rozpuszczalnika, wynosi 82,4 0 C), moc nagrzewania przeciętnych płytek wynosi 2 5kW (biorąc pod uwagę straty ciepła moc źródeł ciepła powinna wynosić 8 10kW). 6

7 Zjawiska Zjawiska w strefie strefie przekazywania wyjściowej: ciepła: Zjawiska strefie wejściowej: zwilżanie powierzchni i rozpływanie się tworzenie się złącza lutowanego (wraz z defektami), lutowia, parowanie resztek rozpuszczalnika, czas lutowania długość strefy przekazy- akumulacja lutowie odrywa gorącego się od topnika zwilżanych i ostateczne powierzchnwania ciepła podzielona przez prędkość przygotowanie w punkcie powierzchni X 2, a od niezwilżanych POD do w przenośnika, lutowania, punkcie X 1 (nawet 25mm dalej), wzrost fazy międzymetalicznej, zmywanie podczas przeskoku produktów lutowia oczyszczania. mogą się tworzyć resztki topnika mostki mogą i wolne utrudniać kulki lutu. kontakt lutowia z powierzchnią lutowaną. Lutowanie na fali (9) Lutowanie na fali (10) 7

8 Lutowanie na fali (11) v = 2 m/s Efekt Bernoulli ego Dylemat podwójnej fali lutowniczej: Lutowanie na fali (12) Podczas lutowania na fali elementów do montażu powierzchniowego, ulokowanych na dolnej powierzchni POD, często trafia się brak połączenia wskutek efektu cienia. Fala turbulentna została dodana po to, by zlikwidować problem cienia. Obecność fali turbulentnej wydłuża czas trwania kontaktu topnika z lutowiem (25 40%) i przedwczesne wyparowanie aktywatora. Wskutek braku aktywatora rośnie liczba wolnych kulek lutowia (solder balls) oraz liczba zwarć. Konwencjonalne topniki no-clean o małej zawartości frakcji stałych muszą być zastąpione przez topniki z bardziej stabilnymi termicznie aktywatorami. 8

9 Lutowanie na fali (13) Lutowanie na fali (14) 9

10 Lutowanie na fali (15) Lutowanie selektywne na fali stacjonarnej Lutowanie rozpływowe (1) Operacje technologiczne poprzedzające lutowanie rozpływowe : dozowanie lub drukowanie pasty lutowniczej układanie elementów Cztery główne metody lutowania rozpływowego: w parach nasyconych w podczerwieni w warunkach konwekcji naturalnej w warunkach konwekcji wymuszonej Profil temperaturowy czyli temperatura POD w funkcji czasu trwania procesu lutowania: nagrzewanie wstępne wygrzewanie lutowanie chłodzenie 10

11 Dwa rodzaje pieców do lutowania w parach nasyconych (lutowanie kondensacyjne): wsadowe - konwencjonalne - bezcieczowe przelotowe Lutowanie rozpływowe (2) Konwencjonalny system wsadowy do lutowania w parach nasyconych Moc grzejników: ~ 3W/cm 2 (nadmiernie wysoka temperatura może doprowadzić do rozkładu substancji chemicznych). System pracuje impulsowo: pełna moc tylko w chwili lutowania. Poziom cieczy: minimum 12mm nad górna powierzchnią grzałek. Wskutek rozkładu cieczy tworzą się kwasy fluorowodorowy i chlorowodorowy konieczny system neutralizacji kwasów. Lutowanie rozpływowe (3) Przelotowy system do lutowania w parach nasyconych 11

12 Lutowanie rozpływowe (4) Widmo promieniowania elektromagnetycznego Receptory człowieka wykrywają promieniowanie w zakresie: 0,38 100μm. Lutowanie rozpływowe (5) Współczynnik przekazywania ciepła h r : dq/dt = Aσ(T 1 4 T 24 ) gdzie = W/m 2 K 4 h r = σ(t 14 T 24 )/(T 1 T 2 ) 12

13 Lutowanie rozpływowe (6) Źródła promieniowania podczerwonego: z emiterem pierwotnym z emiterem wtórnym Typ emitera Rodzaj promieniowania Moc Wady i zalety lampa z żarnikiem wolframowym bliska podczerwień 300 W/cm Efekt cienia. Degradacja cieplna: rozwarstwienie POD, zwichrowanie POD, zwęglenie. Wrażliwość na kolor. matryca lamp z żarnikami wolframowymi bliska podczerwień W/cm Wrażliwość na kolor. matryca lamp z żarnikami nichromowymi podczerwień bliska / średnia W/cm Zalecane przy dużej gęstości upakowania. Mała wrażliwość na kolor. powierzchniowe źródło z emiterem wtórnym podczerwień średnia / daleka 1 4 W/cm 2 Brak efektu cienia. Brak wrażliwości na kolor. Lutowanie rozpływowe (7) Rodzaje grzejników 13

14 Lutowanie rozpływowe (8) Nagrzewanie konwekcyjne Szybkość przekazywania ciepła: dq/dt = ha(t f T s ) gdzie A powierzchnia przejmująca ciepło, h współczynnik przekazywania ciepła. Szybkość nagrzewania POD: dq/dt = CdT/dt gdzie C pojemność cieplna POD [J/K], przy czym C = ρcv gdzie ρ gęstość, c ciepło właściwe, V objętość. Lutowanie rozpływowe (9) Zalety lutowania rozpływowego w warunkach wymuszonej konwekcji: bardziej równomierne nagrzewanie, mniejsze zmiany profilu temperaturowego pomiędzy różnymi POD, większa skuteczność przekazywania ciepła, większa wydajność, zwłaszcza w przypadku POD o dużej masie. 14

15 Lutowanie rozpływowe (10) Lutowanie rozpływowe (11) 15

16 Lutowanie rozpływowe (12) Lutowanie rozpływowe (13) 16

17 Lutowanie rozpływowe przewodnościowe Lutowanie na gorącej płycie Lutowanie termodą Lutowanie rozpływowe gorącym gazem i ultradźwiękowe 17

18 Lutowanie rozpływowe laserowe Lutowanie impulsowe: długie impulsy 120ms/8W (czas potrzebny na dyfuzję ciepła, nie powstają związki międzymetaliczne). Przemieszczanie wiązki laserowej (YAG) bez jej wyłączania (laminat jest przeźroczysty dla λ = 1,06μm). Średnica plamki: YAG μm, CO μm (zbyt duża!). 18