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 Mechanizm klejenia, kleje Techniki nakładania adania klejów Techniki montażu u powierzchniowego Wady lutowania, ocena jakości lutowania, zasady projektowania POD Podsumowanie Zanieczyszczenia i ich konsekwencje: Korozja galwaniczna Prądy upływowe Odwarstwienie powłoki konforemnej Biały nalot Izolowane powierzchnie stykowe Tlenek cyny + kwas abietynowy = Dendryty Odwarstwienie abietynian cyny maski + woda przeciwlutowej Myć albo nie myć? Przewodzić mogą nie tylko substancje Potencjał polarne Metal lub stop ale i niepolarne, które absorbują elektrochemiczny wodę, często [V] kwaśną Magnezze względu Mg na rozpuszczony -2,37w niej CO Aluminium 2 (kwas węglowy). Al -1,66 Cynk Zn -0,76 Upływność może być spowodowana włóknami czy Żelazo kulkami lutu, wiskerami Fe Sn (zwłaszcza Sn nanoszonej Nikiel galwanicznie). Ni Stop SnPb -0,26nie tworzy Cyna wiskerów gdy zawartość Sn Sn < -0,14 70%. Szybkość Ołów wzrostu wiskerów: Pb 0, mm/rok. -0,13 Wiskery (średnica ~1 μm) tworzą się spontanicznie Miedź Cu + 0,34 bez udziału pola elektrycznego. Nie są związane Srebro z zanieczyszczeniami. Ag + 0,80 Złoto Au + 1,69 Dendryty Mosiądze(zwłaszcza Ag ale także - 0, Cu, SnPb, 0,30 Au, Stal Pd, nierdzewna Pt) rozrastają się w polu - 0, elektrycznym. 0,10 Szybkość wzrostu dendrytów: ~ 0,1mm/min Żelazo-nikiel - 0, ,30 (z katody). Dendryty mogą też rosnąć z anody, ale Stale wolniej. - 0, ,30 Brązy - 0, ,30 1

2 Detergencja (1) Detergencja - teoria i praktyka usuwania obcych substancji z powierzchni ciał stałych za pomocą środków chemicznych o działaniu powierzchniowym. Definicja ta obejmuje też zagadnienie usuwania zanieczyszczeń z powierzchni metalicznych. Pospolite mydło jest najstarszym, najlepiej znanym detergentem. Zanieczyszczenia gromadzące się na powierzchni POD mają ogólnie charakter tłustej warstewki, a zawierają ponadto cząstki kurzu, sadzy, itp. Ta tłusta warstewka może składać się z kwasów tłuszczowych, węglowodorów i innych substancji. Usuwanie brudu: cząsteczka tłustego zanieczyszczenia przylega do powierzchni pod działaniem napięcia powierzchniowego. Zmiana energii powierzchniowej potrzebna do oderwania zanieczyszczenia wynosi: ΔF = γ ow + γ sw γ so Aby proces ten przebiegał samorzutnie ΔF musi być mniejsze lub równe zeru, a więc γ so γ ow + γ sw Detergencja (2) Jeżeli zanieczyszczenie jest cieczą wówczas problem sprowadza się do analizy kąta zwilżania, który powinien być jak najmniejszy. Jeżeli kąt ten jest równy zeru, to otrzymujemy znowu powyższe równanie: γ so γ ow + γ sw Oznacza to, że skuteczny będzie taki środek powierzchniowo czynny, który adsorbuje się zarówno na granicy faz tłuszcz woda, jak i woda ciało stałe. Zmniejszanie napięcia powierzchniowego na granicy faz woda powietrze, którego objawem jest powstawanie piany, nie wskazuje bezpośrednio, że środek powierzchniowo czynny jest skuteczny jako detergent. 2

3 Atomy i cząsteczki Atomy wykazują silną tendencję do łączenia się poprzez elektrony walencyjne (zewnętrzna powłoka). oka). Nierównomierne ułożenie u elektronów w wiążą ążących w cząsteczce wiązanie polarne (dipol). Rozpuszczalniki (1) Cząsteczki rozpuszczalników w sąs stosunkowo niewielkie i zwykle składaj adają się z nie więcej niż 20 atomów. Rozpuszczalniki polarne: woda, aceton, keton metylowoizobutylowy,, octan etylu cząsteczki zawierają co najmniej jeden atom tlenu. 3

4 Rozpuszczalniki (2) Rozpuszczalniki niepolarne: toluen, ksylen, benzyna (heptan) brak atomów w tlenu, wyłą łącznie węgiel w i wodór. Mechanizm rozpuszczania Warunki: - polarność rozpuszczalnika musi być zbliżona do polar- ności substancji rozpuszcza- nej, - cząsteczki rozpuszczalnika muszą mieć zdolność do ota- czania i oddzielania od siebie pojedynczych cząsteczek substancji rozpuszczanej. 4

5 Detergencja (3) Rozpuszczalniki rozpuszczalniki polarne (woda, alkohol, aceton), rozpuszczalniki niepolarne (chlorofluoropochodne węglowodorów). Zanieczyszczenia Zmydlanie zwiększanie mają ograniczoną rozpuszczalności rozpuszczalność w kalafonii niektórych rozpuszczalnikach. w wodzie Rozpuszczalność NaCl w wodzie wynosi Aminy alkaliczne ~300g/l, w o alkoholu ph = 11 zaledwie zamieniają kilka ppm kalafonię a w rozpuszczalni- w mydło kach organicznych NaCl w ogóle się Reakcja nie rozpuszcza. jest egzotermiczna, co Kwas ułatwia abietynowy rozpuszczanie główny kalafonii składnik w wodzie. kalafonii rozpuszcza się w wodzie w ilości zaledwie 1ppm, lecz Zmydlanie jest łatwo jest rozpuszczalny zwykle reakcjąw alkoholu. chemiczną, lecz może mieć także charakter fizyczny Zanieczyszczenia Zanieczyszczenia Czynniki wpływające na skuteczność mycia polarne (jonowe) niepolarne (prócz rozpuszczalności): Pozostałości środków trawiących Kalafonia Sole galwaniczne temperatura rozpuszczalnika, Oleje Odciski palców zwilżanie powierzchni przez Smaryrozpuszczalnik Pot (napięcie powierzchniowe), Kremy kosmetyczne wnikanie kapilarne, Płyny kosmetyczne ścinanie (strumień wody). Pyły Detergencja (4) Roztwory detergentów wykazują na ogół specjalny i interesujący zespół własności, charakteryzujący tzw. elektrolity koloidalne. Uderzające zmiany różnych własności fizycznych typowego elektrolitu koloidalnego (siarczan sodowododecylowy) występują w obszarze, który nazywamy krytycznym stężeniem miceli (skupiska cząsteczek). Roztwory elektrolitów koloidalnych powyżej krytycznego stężenia miceli potrafią rozpuścić nierozpuszczalne w inny sposób cząsteczki organiczne, np. benzenu. Wielkość miceli około sto cząsteczek monomeru. 5

6 Mycie po lutowaniu (1) Dodatki do wody: amoniak, słaby roztwór sody kaustycznej. Mycie wodą pozostałości topników rozpuszczalnych w wodzie, pozostałości topników kalafoniowych (woda z dodatkiem środków zmydlających). Techniki mycia: przez zanurzenie w kąpieli, w parach rozpuszczalnika, w strumieniu zraszającym, ze wspomaganiem ultradźwiękowym. Mycie po lutowaniu (2) Od początku lat 70 wywierano nacisk na zaprzestanie produkcji rozpuszczalników chloroorganicznych. Czterochloroetylen i trójchloroetylen znalazły się na listach środków kancerogennych. Wówczas zastąpiły je azeotropy chloro-fluorowęglowodorowe, alkohol metylowy, etylowy i chlorek metylenu. Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer 1987 (CFC 11, 12, 113, 114 i 115 oraz CFC 1211, 130 i 2402 halony) 1989 zamrozić produkcję na poziomie ograniczyć produkcję o 20% 1998 ograniczyć produkcję o 50% Poprawka w Londynie 1990 objęł ęła a także trójchloroetan 1993 ograniczyć produkcję o 20% 1993 zamrozić produkcję na poziomie ograniczyć produkcję o 50% 1995 ograniczyć produkcję o 30% 1997 ograniczyć produkcję o 85% 2000 ograniczyć produkcję o 70% 2000 wstrzymać produkcję 2005 wstrzymać produkcję Poprawka w Kopenhadze 1992 objęł ęła a także e HCFC 141b 1994 ograniczyć produkcję o 75% 1996 zamrozić produkcję na poziomie wstrzymać produkcję 2004 ograniczyć produkcję o 35% (1996) Trójchloroetan: 2010 ograniczyć produkcję o 65% (1996) 1994 ograniczyć do 50% 2020 ograniczyć produkcję o 99,5% (1996) 1996 wstrzymać produkcję 2040 wstrzymać produkcję 6

7 Co dalej? Mycie po lutowaniu (3) Przejście na topniki rozpuszczalne w wodzie i wodne, Mycie półwodne (emulsja wodna rozpuszczalników organicznych, obieg zamknięty, emisja ograniczona), Mycie wodą z środkami zmydlającymi (detergenty mają jednak zbyt duże ph by mogły być zrzucane do ścieków, konieczna neutralizacja), Zaniechanie mycia (topniki no-clean o małej zawartości frakcji stałych). Lutowanie no-clean (1) Regulacje prawne dotyczące CFC stały się głównym motorem poszukiwań sposobów pozbycia się pozostałości topników na powierzchniach POD. Do wyboru: nowa technika mycia (bez użycia CFC), nowe topniki bez pozostałości stałych lub małoaktywne. Lutowanie no-clean oznacza proces wytwarzania połączeń lutowanych, z którego została wyeliminowana operacja usuwania pozostałości topnika. Dwa rodzaje lutowania no-clean : proces z użyciem topnika o małej zawartości frakcji stałej ( low-residue ), proces dopuszczający niewielką ilość pozostałości stałych małoaktywnego topnika na powierzchni POD ( leave-on ). Zastosowanie Leave-on [%] Low-residue [%] Very low-residue [%] lutowanie na fali ,5 4,0 < 1,5 pasta lutownicza

8 Wybór procesu: Pytanie: Czy pozostałości topnika będą miały wpływ na charakterystyki elektryczne POD w czasie jej eksploatacji? Czy POD pracuje w zakresie wysokich częstotliwości (>50MHz) lub wymagana jest duża impedancja (>10 12 Ω/)? Czy POD zawiera ścieżki ekranujące czułe obwody, których działanie może być zakłócone przez pozostałości topnika? Czy odbiorcy zależy na estetycznym wyglądzie POD? Czy pozostałości topnika mogą mieć wpływ na dalsze procesy takie jak testowanie wewnątrzobwodowe? Czy gęstość upakowania jest tak duża, że sondy pomiarowe muszą dotykać wyprowadzeń elementów lub pól lutowniczych? Lutowanie no-clean (2) Jeżeli tak, to: POD o wysokiej niezawodności lub pracująca w trudnych warunkach wymagane jest mycie lub rygorystyczny proces no-clean. Tylko proces low-residue lub mycie gwarantują brak warstw izolacyjnych przyczyniających się do przesłuchów i zmniejszających impedancję pomiędzy ścieżkami. Należy stosować proces low-residue wraz z myciem. Lepiej stosować proces low-residue zamiast procesu leave-on. Mycie lub proces low-residue, zwracając uwagę na kompatybilność z testem wewnątrzobwodowym i powłoką konforemną. Mycie lub zastosowanie sond wirujących lub większego docisku sond w przypadku stosowania procesu low-residue. Lutowanie no-clean (3) Atmosfera ochronna w jakiej zazwyczaj odbywa się lutowanie pełni dwa zadania: minimalizuje utlenianie i ułatwia transport ciepła. Utlenianie dotyczy: stopów lutowniczych, Gaz Gaz reaktywny Metal/tlenek wyprowadzeń elementów, obojętny Redukujący Utleniający Srebro/Ag 2 O Ar H Miedź/CuO pól lutowniczych, 2 H 2 O Ołów/PbO topnika, N 2 CO CO 2 laminatu. He O 2 Nikiel/NiO Cyna/SnO Gęstość [kg/m 3 ] Przewodność Współczynnik Fosfor/P 2 O 5 Gaz stan stan cieplna przekazywania Ind/In 2 O 3 ciekły gazowy [W/mK] ciepła Cynk/ZnO Azot 818 1,13 0, Chrom/Cr 2 O 3 Wodór Argon ,0814 1,603 0,1750 0,0173 2,1 0,7 Lista metali wg łatwości utleniania. 8

9 Lutowanie no-clean (4) Zaleta atmosfery ochronnej jakość Wpływ na: koszt środowisko Ograniczenie kożucha tlenków na fali lutowniczej Lepsza zwilżalność i lutowność Mniejsza liczba wad i mniejsza liczba napraw Mniejsze zużycie topnika i mniejsza agresywność topnika Większe okno technologiczne Łatwiejsze lub niepotrzebne mycie po lutowaniu Lutowanie no-clean (5) Wymagana czystość N 2 zależy od procesu: Proces Zawartość O 2 leave on 21% (powietrze) low residue ppm very low residue ppm Atmosfera N 2 jest kosztowna - od 10$ (USA) do 80$ (Daleki Wschód) na godzinę pracy urządzenia. Dlatego wielu producentów decyduje się na lutowanie w powietrzu, w procesie leave on. Początkowo atmosferę ochronną N 2 stosowano wyłącznie w celu ograniczenia tworzenia się kożucha tlenków na powierzchni lutowia w procesie lutowania na fali. Działanie topników nowej generacji jest skutecznie wspomagane przez atmosferę ochronną N 2. 9

10 Lutowanie no-clean (6) Urządzenia: całkowicie zamknięte, półotwarte oraz otwarte. W urządzeniach zamkniętych zawartość O 2 < 10ppm (przy małym zużyciu N 2 ). W urządzeniach półotwartych zawartość O 2 może być również < 10ppm lecz przy znacznym zużyciu N 2. Niektórzy producenci stosują wyłącznie nóż powietrzny z gorącym N 2 lub płaszcz N 2 wokół fali lutowia. Lutowanie no-clean (7) Szybko płynąca fala lutownicza nie utlenia się gdy O 2 < 50ppm. Umiarkowanie płynąca fala lutownicza wymaga O 2 < 15ppm (dłuższy czas ekspozycji lutowia). FR-4 10

11 Lutowanie no-clean (8) Atmosfera ochronna N 2 zapobiega tworzeniu się tlenków wtórnych, ale nie usuwa tlenków pierwotnych! Topniki usuwają obydwa tlenki. Lutowanie wyprowadzeń fine pitch wymaga małych kulek lutu w paście (większa masa tlenków). Okno technologiczne jest w tych warunkach większe, gdy stosuje się atmosferę ochronną N 2. Atmosfera ochronna N 2 zapobiega tworzeniu się białego nalotu: Cyna + tlen = tlenek cyny Tlenek cyny + kwas abietynowy = abietynian cyny + woda Lutowanie no-clean (9) Grubość warstwy tlenków (szacunkowa) i względna ilość topnika zapobiegająca utlenianiu. Zużycie i koszt N 2 w urządzeniu do lutowania na fali Gaz Tlenek [nm] Topnik Powietrze N ppm O 2 0,1 5 N 2 100ppm O 2 0,03 1,5 N 2 10ppm O 2 0,01 0,5 Lut Sn60Pb40, C, 100s 11

12 Jednak myć? (1) W ostatnich latach obserwuje się powrót do mycia POD po montażu mimo problematycznego wzrostu kosztów. Jednak myć? (2) Nowe inwestycje, oczyszczanie wody i produkcja wody dejonizowanej. Mniejsze zużycie azotu (koszty transportu i magazynowania), możliwość stosowania bardziej aktywnych topników i większa gama dostępnych past lutowniczych, większe okno technologiczne procesów lutowania (np. w procesach no-clean ogranicza się ilość pasty), brak konieczności ochrony POD przed innymi zanieczyszczeniami, takimi jak pył i kwasy tłuszczowe, możliwość dłuższego czas przechowywania POD i elementów elektronicznych (aktywne topniki), mniejsza liczba błędnych pomiarów wewnątrzobwodowych (zanieczyszczenie ostrzy testera) oraz błędnych ocen AOI (zniekształcenia obrazów), mniejsze prawdopodobieństwo upływności prądowych. Rozwarstwienia (zanieczyszczenia higroskopijne) i migracja pod ochronną powłoką konforemną. 12