Plan wykładu. Podstawy lutowania (1) Zasady formowania złącza lutowanego:

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 Podstawy lutowania (1) Zasady formowania złącza lutowanego: usunięcie tlenków z powierzchni lutowanych i samego lutu dostarczenie ciepła potrzebnego do stopienia lutu zapewnienie bezpośredniego kontaktu spoiwa lutowniczego z materiałami łączonymi zwilżanie powierzchni materiałów lutowanych przez spoiwo lutownicze (tworzenie związków międzymetalicznych) chłodzenie lutowia 1

2 Podstawy lutowania (2) Trwałość połączenia lutowanego zależy od zdolności zwilżania, tj. zdolności pokrywania powierzchni lutowanych części cienką, równomierną i nieprzerwaną powłoką lutowia. Warunkiem zwilżania jest by siły przyciągania między cząsteczkami lutowia a cząsteczkami lutowanych metali (zw. siłami adhezji) były co najmniej równe siłom spójności pomiędzy cząsteczkami lutowia (zw. siłami kohezji). Siły kohezji ujawniają się jedynie na powierzchni cieczy, gdzie nie są równoważone. Cząsteczki na powierzchni mają zatem pewien zasób energii potencjalnej, zwanej energią powierzchniową, której miarą jest napięcie powierzchniowe. Podstawy lutowania (3) Potencjał termodynamiczny powierzchni może być traktowany jako praca potrzebna do wyniesienia cząsteczki z wnętrza cieczy na powierzchnię. Chociaż bowiem wewnątrz fazy objętościowej cząsteczka nie podlega żadnej sile wypadkowej, na powierzchni siły działające na nią już się nie równoważą. Głębokość obszaru, w którym siły międzycząsteczkowe nie równoważą się zależy od wielkości tych sił (siły Van der Waalsa). Maleję one proporcjonalnie do siódmej potęgi odległości międzycząsteczkowych, wobec czego oddziaływania tylko pierwszej warstwy lub dwóch najbliższych mogą tu mieć znaczenie. Grubość obszaru powierzchniowego jest więc tego właśnie rzędu. Ten cienki obszar powierzchniowy jest w stanie burzliwym dwukierunkowy ruch cząsteczek; jedne zderzają się z powierzchnią i skraplają, inne parują przechodząc z fazy ciekłej do gazowej. Istnieje również pewna wymiana cząsteczek pomiędzy obszarem powierzchniowym a przylegającymi do niego warstwami cieczy. Dzięki ruchom Browna wymiana ta jest bardzo szybka (zależy od stałej dyfuzji). 2

3 Podstawy lutowania (4) W przypadku roztworów trzeba rozpatrzyć jeszcze jedno zagadnienie zagadnienie orientacji cząsteczek na powierzchniach międzyfazowych. Na powierzchni granicznej cząsteczki niesymetryczne są wyraźnie zorientowane. Analiza tego problemu prowadzi do sformułowania zasady najmniej gwałtownej zmiany pola sił: cząsteczki na powierzchni międzyfazowej powinny się ustawiać w taki sposób, aby przejście z jednej fazy do drugiej przebiegało możliwie najbardziej łagodnie. Orientacja cząsteczek etanolu na powierzchni wody: (a) na powierzchni grupa hydroksylowa o dużej energii powierzchniowej, (b) grupa węglowodorowa o małej energii powierzchniowej. Napięcie powierzchniowe roztworów zależy od stężenia. Jeżeli napięcia powierzchniowe obu czystych cieczy różnią się znacznie między sobą (alkohol woda) to wzrost stężenia cieczy o małym napięciu powierzchniowym zmniejsza napięcie powierzchniowe roztworu. Zwilżanie (1) Zdolność zwilżania -zdolności pokrywania powierzchni ciała stałego cienką, równomierną i nieprzerwaną powłoką cieczy. Warunkiem zwilżania jest by siły przyciągania międzycząsteczkami cieczy a cząsteczkami ciała stałego (zw. siłami adhezji) były większe od sił spójności pomiędzy cząsteczkami cieczy (zw. siłami kohezji). 3

4 Warunek równowagi trzech faz: Zwilżanie (2) γ sg γ sl γ lg cosθ = 0 Kąt zwilżania θ jest to kąt, pod którym w stanie równowagi swobodna powierzchnia cieczy styka się z powierzchnią ciała stałego. Zwilżanie (3) Istnieje pewna niejasność co do dokładnego znaczenia γ sg, ponieważ wartość jego zależy od stopnia, w jakim na powierzchni granicznej ciało stałe gaz ustaliła się równowago z parami cieczy. Jeżeli powierzchnia ma być dobrze zwilżana, to γ sl oraz γ lg powinny być jak najmniejsze. W praktyce najlepiej jest dodać do fazy ciekłej czynnika powierzchniowo czynnego, który adsorbując się na powierzchni granicznej ciało stałe ciecz oraz ciecz gaz obniża napięcia powierzchniowe. Jeżeli ten czynnik powierzchniowo czynny jest nielotny, to nie będzie miał wpływu na napięcie powierzchniowe ciało stałe gaz. 4

5 Zwilżalność i lutowność (1) Lutowność podatność elementów i podłoży na wykonanie bezwadliwych złączy lutowanych. Lutowność rozpatruje się w trzech aspektach: wymagań cieplnych, zwilżalności, odporności na ciepło lutowania. Najistotniejsza jest zwilżalność. Kryteria dobrej zwilżalności: stopień zwilżania, szybkość zwilżania. Zwilżalność i lutowność (2) Chropowatość powierzchni zmniejsza zwilżalność! Matowa powierzchnia maski lutowniczej jest gorzej zwilżana przez lutowie, co zmniejsza prawdopodobieństwo solder ballingu. Stopień zwilżania; powierzchnie lutowane mogą być: zwilżane, częściowo zwilżane, niezwilżane, odwilżane przez lutowie. 5

6 Zwilżalność i lutowność (3) Napięcie powierzchniowe tlenków (γ sg ) jest znacznie mniejsze niż na - pięcie powierzchniowe czystego metalu. Podstawową rolą topnika jest więc usunięcie tlenków. faza I utlenianie i/lub korozja, faza II warstwa tlenków chroni przed dalszym utlenianiem, faza III warstwa związków międzymetalicznych rozrasta się ku powierzchni. Topnik zmniejsza napięcie po - wierzchniowe lutowia! (Sn60Pb40 w temperaturze C ma napięcie powierzchniowe 0.41Jm -2, gdy topnik kalafoniowy nieaktywny i 0.35Jm -2, gdy topnik aktywo - wany). Zwilżalność i lutowność (4) Spektrogram Auger a Halo wokół lutowia zwilżającego powierzchnię miedzi, niewidoczne gołym okiem (warstwa jedno- lub dwuatomowa), jest spowodowane dyfuzją powierzchniową atomów ołowiu. Ołów ma mniejsze napięcie powierzchniowe niż cyna i wzbogaca, wskutek segregacji, warstwę powierzchniową lutowia (zmniejsza energię swobodna systemu). Na krawędzi rozpływającego się lutowia cyna wiąże się z miedzią tworząc warstwę międzymetaliczną, a ołów dyfunduje powierzchniowo na zwilżaną powierzchnię miedzi. Ołów obniża napięcie powierzchniowe miedzi i powstrzymuje zwilżanie. 6

7 Zwilżalność i lutowność (5) Zwilżalność i lutowność (6) Metale, takie jak Cu i Ni, łatwo się utleniają. Maleje ich energia powierzchniowa, przestają być zwilżane przez lutowie. Muszą być chronione powłokami ochronnymi Sn60Pb40 na miedzi Pole lutownicze: Cu (Sn, SnPb, Au). O ile powłoki rozpuszczają się w Temperatura lutowiu i łatwo pokojowa są odtleniane, o tyle warstwy międzymetaliczne na granicy metal bazowy powłoka mogą stanowić istotny problem Szybkość wzrostu warstwy międzymetalicznej: z 2 = Dt D = D 0 exp(-q/rt) (prawo Arrhenius a) gdzie D ogólna stała dyfuzji, D 0 stała dyfuzji, Q energia aktywacji, R = 8,314 [J/molK] stała gazowa, T temperatura bezwzględna. System Fazy międzymetaliczne Współczynnik dyfuzji D 0 [m 2 /s] Energia aktywacji Q [J/mol] Cu-Sn Cu 3 Sn Cu 6 Sn Ni-Sn Ni 3 Sn 2 Ni 3 Sn 4 Ni 3 Sn Au-Sn AuSn AuSn 2 AuSn Ag-Sn Ag 3 Sn

8 Zwilżalność i lutowność (7) W warunkach ustalonych wzrost faz międzymetalicznych jest równomierny (a). Podczas chłodzenia i krzepnięcia lutowia granica faz międzymetalicznych zależy od ilości lutowia: (b) lutowanie na fali, (c) lutowanie rozpływowe. Lutowność (1) Ocena lutowności metodą: zanurzeniową pomiaru powierzchni rozpływu lutowia pomiaru kąta zwilżania pomiaru wypadkowej sił zwilżania i wyporu wahadłową 8

9 Lutowność (2) Jedna z metod pomiaru lutowności polega na ocenie rozpływania się lutowia po powierzchni zwilżanej. Lutowie rozpływa się tylko wówczas, gdy energia powierzchniowa pola lutowniczego jest większa od energii powierzchniowej lutowia. 9

10 Lutowność (3) Lutowność (4) Wpływ atmosfery ochronnej azotu na lutowność Pasty lutownicze: Sn63Pb37 Sn96,5Ag3,5 Sn95,5Ag4,0Cu0,5 10

11 Lutowność (5) Stopień zwilżania; Powierzchnie lutowane mogą być przez lutowie: zwilżane, częściowo zwilżane, niezwilżane, odwilżane Chropowatość powierzchni zmniejsza zwilżalność! Matowa powierzchnia maski lutowniczej jest gorzej zwilżana przez lutowie, co zmniejsza prawdopodobieństwo solder balling u. Stopy lutownicze (1) 11

12 Stopy lutownicze (2) W montażu POD stosuje się: stopy bezołowiowe oraz Sn63Pb37 (183 o C) Sn62Pb36Ag2 (179 o C) Sn48,5Pb48,5Bi3 Pięć podstawowych własności stopów lutowniczych: temperatura przemiany fazowej przewodność elektryczna przewodność ciepła współczynnik rozszerzalności cieplnej napięcie powierzchniowe Stopy lutownicze (3) Temperatura liquidus 2 x maksymalna temperatura pracy POD! 12

13 Stopy lutownicze (4) Przewodność elektryczna metali Gęstość prądu: j = nev n koncentracja nośników, e ładunek nośników, v prędkość dryftu. Przewodność elektryczna: σ = j/e E pole elektryczne Oporność Oporność tlenków metali (przewodnictwo jonowe) ρ = ρ T + ρ i Materiał Srebro Miedź Złoto Nikiel Cyna Ołów Sn63Pb37 Sn62Pb36Ag2 σ 10 6 [S/m] 0 0 C 22 0 C 66,7 62,1 64,5 58,8 49,0 45,5 16,0 14,3 10,0 9,1 5,2 4,8 6,9 6,8 Oporność elektryczna: ρ = 1/σ Jednostka przewodności elektrycznej:[1/ωm] lub [S/m] Jednostka oporności elektrycznej: [Ωm] Stopy lutownicze (5) Przewodność cieplna metali Strumień ciepła: dq/dt = -λ AdT/dx λ przewodność cieplna, A - powierzchnia, T - temperatura. Materiał Srebro Miedź Złoto Nikiel Cyna Ołów Sn63Pb37 Sn62Pb36Ag2 λ [W/mK] 300K ,9 49 Jednostka przewodności cieplnej: [W/mK] Prawo Wiedemanna Franza: λρ = 2, T 13

14 Współczynnik rozszerzalności cieplnej Stopy lutownicze (6) Materiał WRC [ppm/k] Si 3 Al 2 O 3 FR-4 Epoksyd/Kevlar Miedź Srebro Złoto Nikiel Sn63Pb37 6, (1357K) 18,9 (1235K) 14,2 (1337K) 13,4 (1728K) 24 WRC jest odwrotnie proporcjonalny do temperatury topnienia materiałów w o podobnych sieciach. Napięcie powierzchniowe w temperaturze topnienia Stopy lutownicze (7) Napięcie powierzchniowe jest miarą sił międzycząsteczkowych na powierzchni ciał stałych i ciekłych. Zależność napięcia powierzchniowego od temperatury: γ T = γ m + (T T m )dγ/dt dγ/dt jest zazwyczaj ujemne Materiał Bizmut Antymon Ind Ołów Cyna Srebro γ m [mn/m]

15 Stopy lutownicze (8) Stopy lutownicze (9) Własności mechaniczne stopów lutowniczych: charakterystyka wytrzymałościowa, odporność na pełzanie, odporność na zmęczenie. Ciągliwość odkształcenie w chwili zerwania próbki (moduł Young a) 15

16 Stopy lutownicze (10) Własności mechaniczne stopów lutowniczych: charakterystyka wytrzymałościowa, odporność na pełzanie, odporność na zmęczenie. czas do zerwania W zakresie temperatur T < 0,4 T m pełzanie jest nieznaczne i nie prowadzi do pęknięć. Sn63Pb37 umiarkowana odporność na pełzanie, Sn62Pb36Ag2 duża odporność na pełzanie. Stopy lutownicze (11) Własności mechaniczne stopów lutowniczych: charakterystyka wytrzymałościowa, odporność na pełzanie, odporność na zmęczenie. Prążkowanie Graniczna wytrzymałość zmęczeniowa zazwyczaj 40 50% wytrzymałości na rozciąganie (blisko granicy plastyczności) 16

17 Własności metalurgiczne stopów lutowniczych: odkształcenie plastyczne, umocnienie zgniotowe, odprężanie, rekrystalizacja, umocnienie roztworowe, umocnienie lub zmiękczenie wydzieleniowe (przesycanie i starzenie), odkształcenie nadplastyczne. Nadplastyczność Umocnienie zgniotowe: odkształcenie nawet do 1000%. τ = Kγ n Tak Roztwory mogą zachowywać stałe: się luty w warunkach: τ naprężenie ścinające, K moduł małych międzywęzłowe, naprężeń, Kirchhoff a, wysokich γ temperatur, odkształcenie kątowe substytucyjne. małych szybkości odkształcania. lub skręceniowe, n współczynnik umacniania zgniotowego. Stopy lutownicze (12) Topniki (1) Powierzchnia lutowana musi być czysta, by mogła być właściwie zwilżana przez lutowie. Rolę środka czyszczącego powierzchnię w czasie lutowania spełnia topnik substancja chemicznie aktywna. Funkcje topnika: usuwanie tlenków i innych zanieczyszczeń z powierzchni lutowanych, rozpuszczanie soli metali tworzących się podczas oddziaływania topnika na tlenki metali, zapobieganie wtórnemu utlenianiu powierzchni lutowanych podczas lutowania, zapobieganie utlenianiu lutowia, ułatwianie kontaktu lutowia z powierzchniami lutowanymi, umożliwiające ich równomierne nagrzewanie, zmniejszanie napięcia powierzchniowego lutowia w celu poprawienia jego zdolności do zwilżania. 17

18 Topniki (2) Topniki (3) Skład topnika: substancja wiążąca (kalafonia, żywice syntetyczne, glikole, poliglikole, gliceryna), rozpuszczalnik (alkohol izopropylowy, glikole, estry glikolowe, etery glikolowe), aktywator (chlorki amonowe, chlorowodorek aminowy, kwasy dwykarboksylowe kwas adypinowy, kwas bursztynowy, kwasy organiczne kwas cytrynowy, kwas jabłkowy, kwas abietynowy), inne dodatki (środki powierzchniowo czynne, środki tiksotropowe, itp.). Topniki kalafoniowe Model molekuły y kwasu abietynowego Topniki kalafoniowo-syntetyczne opracowano dla potrzeb lutowania na fali. Żywice kalafoniowo-syntetyczne są po lutowaniu płynne i mogą być łatwiej usuwane podczas mycia. Czyste topniki z żywic syntetycznych są łatwo spłukiwane przez falę lutowniczą, zwłaszcza przez pierwszą, turbulentną. Płytka wchodzi na falę laminarną bez topnika! 18

19 Topniki (4) Topniki rozpuszczalne w wodzie Są czasami nazywane organicznymi lub kwasami organicznymi. Rozpuszczalnikami są alkohole lub glikole. W skład topnika nie wchodzi woda. Pozostałości stałe tych topników są rozpuszczalne w wodzie. Topniki te są bardziej aktywne niż topniki kalafoniowe. POD muszą być bezwzględnie myte i powlekane powłoką konforemną (laminat epoksydowo-szklany jest bardziej podatny na wchłanianie wilgoci po użyciu tego topnika). Topniki no-clean Grupa topników o małej zawartości frakcji stałych (2 3%). Są to słabe kwasy organiczne z niewielką domieszką kalafonii lub żywicy syntetycznej. Wady: mogą powodować wzrost dendrytów w czasie eksploatacji POD, zbyt małe okno technologiczne (niższe temperatury podgrzewania wstępnego, precyzyjne zraszanie topnikiem). W topnikach oznaczonych low- VOC (volatile organic compounds) rozpuszczalnikiem jest woda (musi odparować przed lutowaniem). Topniki VOC-free Oznaczenie literowe A Materiał Symbol Poziom aktywności (% halogenków) Niski (0%) Typ topnika L0 Topniki (5) B Niski (<0,5%) L1 C D E F G H I J K L M N P Q R S T U V W Kalafonia Żywica syntetyczna Kwas organiczny Kwas nieorganiczny RO RE OR IN Umiarkowany (0%) Umiarkowany (0,5 2,0%) Wysoki (0%) Wysoki (>2,0%) Niski (0%) Niski (<0,5%) Umiarkowany (0%) Umiarkowany (0,5 2,0%) Wysoki (0%) Wysoki (>2,0%) Niski (0%) Niski (<0,5%) Umiarkowany (0%) Umiarkowany (0,5 2,0%) Wysoki (0%) Wysoki (>2,0%) Niski (0%) Niski (<0,5%) Umiarkowany (0%) Umiarkowany (0,5 2,0%) M0 M1 H0 H1 L0 L1 M0 M1 H0 H1 L0 L1 M0 M1 H0 H1 L0 L1 M0 M1 Topniki no-clean (low residue) są zazwyczaj topnikami RO, RE lub OR o poziomie aktywności L lub M. Topniki rozpuszczalne w wodzie i topniki z żywic syntetycznych są topnikami OR o aktywności H. L0 wszystkie R, niektóre RMA, niektóre no-clean, L1 większość RMA, niektóre RA, M0 niektóre RA, niektóre no clean, M1 większość RA, niektóre RSA, H0 niektóre rozpuszczalne w wodzie, H1 niektóre RSA, większość rozpuszczalnych w wodzie i syntetycznych żywic. X Y Wysoki (0%) Wysoki (>2,0%) H0 H1 ANSI/J-STD

20 Topniki (6) Napięcie powierzchniowe tlenków (γ sg ) jest znacznie mniejsze niż napięcie powierzchniowe czystego metalu. Podstawową rolą topnika jest więc usunięcie tlenków z powierzchni lutowanych. Topnik zmniejsza napięcie powierzchniowe lutowia! Sn60Pb40 w temperaturze C ma napięcie powierzchniowe 0.41Jm -2, gdy stosuje się topnik kalafoniowy nieaktywny i 0.35Jm -2, gdy stosuje się topnik aktywowany. 20