INŻYNIERIA MATERIAŁOWA I

Transkrypt

1 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA I KONSTRUKCJA SPRZĘTU

2 Proces realizacji Urządzenie elektroniczne zostaje wytworzone w wyniku procesu realizacji, w skład którego wchodzą następujące etapy: identyfikacja potrzeb przygotowanie procesu wykonania obiektu wykonanie tego obiektu przekazanie użytkownikowi użytkowanie obiektu likwidacja obiektu, ewentualnie samego procesu realizacji

3 Proces konstruowania Pierwszy etap konstruowania urządzenia elektronicznego to określenie tymczasowych/wstępnych warunków technicznych: Wymagania funkcjonalne pomysł (co chcę zrobić i do czego to ma służyć) przeznaczenie (kto i jak będzie użytkował) parametry techniczne Narażenia środowiskowe wytrzymałość/odporność Metodyka pomiarów (wg norm) Warunki niezawodności urządzenia Wstępna analiza ekonomiczna koszty wyprodukowania koszty użytkowania koszty serwisu

4 Proces konstruowania Drugi etap konstruowania urządzenia elektronicznego to tzw. projekt wstępny: Generalna koncepcja urządzenia Opracowanie i obliczenie układów Dobór elementów (dane katalogowe) analiza wrażliwości układów Obudowa typ/wielkość/konstrukcja obudowy rozmieszczenie układów chłodzenie Budowa modelu urządzenia Badania (model musi spełnić wstępne warunki techniczne)

5 Proces konstruowania Trzeci etap konstruowania urządzenia elektronicznego to tzw. projekt techniczny: Opracowanie pełnej dokumentacji konstrukcyjnej Opracowanie procesów technologicznych Wykonanie prototypów urządzeń Badanie prototypów zgodnie z wymaganiami technicznymi

6 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 oddziaływują na urządzenie, podzespoły i elementy elektroniczne Działanie czynników środowiskowych NIE MOŻE zostać całkowicie wyeliminowane!!!

7 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.

8 Narażenia środowiskowe Zespół narażeń środowiskowych: Narażenia wynikające z własności klimatu Narażenia wynikające ze sposobu użytkowania

9 Niezawodność Niezawodność a intensywność uszkodzeń Niezawodność jest parametrem wyrobu elektronicznego (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: PRZY ODPOWIEDNIO DUŻYM N gdzie: N liczba użytkowanych wyrobów; n(t) liczba wyrobów, które uległy uszkodzeniu do chwili t

10 Niezawodność Niezawodność a intensywność uszkodzeń Ze względu na ilość oraz różnorodność przyczyn awarii, proces pojawiania się uszkodzeń w urządzeniach elektronicznych 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 λt 0,1 to:

11 Niezawodność Intensywność uszkodzeń Typowe wartości intensywności uszkodzeń dla wybranych elementów Rodzaj elementu λ[x10-6 /h] Połączenie lutowane 0,01 Połączenie owijane 0,001 Kondensatory 0,1 Rezystory objętościowe 0,05 Rezystory warstwowe 0,02 Tranzystory germanowe 0,5 Tranzystory krzemowe 0,08 Mikroukłady analogowe 0,3 Mikroukłady cyfrowe 0,1 Kisiel R., Bajera A., Podstawy Konstruowania Urządzeń Elektronicznych, wpw, Warszawa: 1999

12 Niezawodność Średni czas do pierwszego uszkodzenia 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:

13 Niezawodność Niezawodność struktur podstawowych 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: r 1 (t), r 2 (t) r k (t) niezawodność poszczególnych elementów; λ 1 (t), λ 2 (t) λ k (t) intensywność uszkodzeń poszczególnych elementów DLA TRZECH ELEMENTÓW r 1 (t) r 2 (t) r 3 (t)

14 Niezawodność Niezawodność struktur podstawowych 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: Jeśli r 1 (t) = r 2 (t) = = r k (t) = r(t) gdzie: r 1 (t), r 2 (t) r k (t) niezawodność poszczególnych elementów; λ 1 (t), λ 2 (t) λ k (t) intensywność uszkodzeń poszczególnych elementów DLA TRZECH ELEMENTÓW r 1 (t) r 2 (t) r 3 (t)

15 Niezawodność Intensywność uszkodzeń Intensywność uszkodzeń w funkcji czasu Czas życia wyrobu żywotność [-] czas [s] żywotność [-] Kisiel R., Bajera A., Podstawy Konstruowania Urządzeń Elektronicznych, wpw, Warszawa: 1999 czas [s]

16 Niezawodność Intensywność uszkodzeń Temperatura wpływa na niezawodność elementów elektronicznych Szybkość przebiegu procesu degrdacyjnego S (wzór Arrheniusa): gdzie: W A energia aktywacji procesu degradacji k stała Boltzmanna T temperatura bezwzględna S 0 parametr procesu degradacyjnego Intensywność uszkodzeń λ zależy od temperatury zgodnie ze wzorem:

17 Niezawodność Intensywność uszkodzeń - energie aktywacji dla różnych procesów degradacji PROCES ENERGIA AKTYWACJI Intensywność uszkodzeń: PENETRACJA ALUMINIUM DO KRZEMU MIGRACJA ZANIECZYSZCZEŃ NA POWIERZCHNI Si KOROZJA ALUMINIUM POWSTAWANIE ZWIĄZKÓW INTERMETALICZNYCH ZŁOTO- ALUMINIUM ELEKTROMIGRACJA ALUMINIUM DEFEKTY OBJĘTOŚCIOWE KRZEMU I TLENKU 1,3eV Dla W A = 1,1eV 1,1eV λ ( 400 ) λ( 300) 0,8eV 0,7eV 0,5eV 0,3eV Dla W A = 0,3eV λ λ ( 400) ( 300) Janke W., Zjawiska termiczne w elementach i układach półprzewodnikowych, WNT Warszawa, 1992

18 Niezawodność Przyczyny wzrostu intensywności uszkodzeń sprzętu elektronicznego: niewłaściwe rozwiązania układowe, nieprawidłowy wybór wielkości elektrycznych, nieprawidłowe zastosowanie elementów, nieprawidłowy dobór materiałów, niewłaściwa konstrukcja mechaniczna

19 Niezawodność Rozwiązania układowe zwiększające niezawodność urządzeń elektronicznych: upraszczanie układów, stosowanie układów utrudniających uszkodzenia elementów, stosowanie układów o ograniczonych następstwach uszkodzeń, stosowanie zespołów rezerwowych, stosowanie układów kontroli pracy i wyszukiwania uszkodzeń

20 Niezawodność Zabiegi projektowe zwiększające niezawodność urządzeń elektronicznych: upraszczanie układów (rozbudowa zwiększanie liczby elementów dla wyraźnej poprawy parametrów urządzenia), stosowanie układów 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.

21 Niezawodność Czynniki wpływające na niezawodność podczas eksploatacji TRANSPORT PRACA MAGAZYNOWANIE OBIEKTYWNE SUBIEKTYWNE

22 Niezawodność Czynniki obiektywne Klimatyczne Mechaniczne Elektryczne Biologiczne Promieniowanie Temperatura, wilgotność, ciśnienie, pył, piasek, atmosfery korozyjne Wstrząsy, wibracje, przyspieszenia, odkształcenia Nadmierny prąd lub napięcie, niewłaściwa częstotliwość Gryzonie, owady, grzyby, pleśnie, mikroorganizmy Widzialne, podczerwone, UV, jonizujące,...

23 Niezawodność Czynniki subiektywne Organizacja Sumienność, staranność Umiejętność Doświadczenie Obsługa Profilaktyka Wykrywanie uszkodzeń Usuwanie uszkodzeń

24 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA I KONSTRUKCJA SPRZĘTU Obwody drukowane

25 Poziomy montażu Ze względów technologicznych i eksploatacyjnych urządzenie elektroniczne powinno być podzielone na mniejsze podzespoły tzw. MODUŁY. Moduł powinien: zawierać obwód elektroniczny (zamknięty węzeł funkcjonalny) być wykonany za pomocą jednej technologii, mieć wymiary identyczne z wymiarami pozostałych zespołów tego samego mieć wymiary identyczne z wymiarami pozostałych zespołów tego samego rodzaju.

26 Poziomy montażu Relacje MODUŁ POZIOMY MONTAŻU RODZAJ MODUŁU RODZAJE POŁĄCZEŃ POZIOM MONTAŻU struktura półprzewodnikowa drutowe; kleje przewodzące; FC I układy scalone lutowane; kleje przewodzące II moduł podstawowy; obwód drukowany blok złącza kablowe; elektryczne kable drutowe kable, druty IV zespół bloków, system Kisiel R., Podstawy Technologii dla Elektroników, btc, Warszawa: 2005 III

27 Obwody drukowane Podstawowe zadania płytek drukowanych mechaniczne mocowanie elementów elektronicznych i elektromechanicznych w określonym miejscu urządzenia, zapewnienie skutecznych połączeń elektrycznych pomiędzy wszystkimi elementami Kisiel R., Podstawy Technologii dla Elektroników, btc, Warszawa: 2005

28 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

29 Obwody drukowane WADY: trudności przy wprowadzaniu zmian konstrukcyjnych, zwiększona wrażliwość na wibracje i udary, utrudnione odprowadzanie ciepła.

30 Obwody drukowane RODZAJE OBWODÓW DRUKOWANYCH: wg materiału podłoża: Sztywne LAMINAT CERAMIKA SPECJALNE (np. z rdzeniem metalowym; z kontrolowanym rozkładem impedancji) Elastyczne Sztywno - elastyczne wg konstrukcji: Jednostronne Dwustronne Wielowarstwowe

31 Obwody drukowane RODZAJE OBWODÓW DRUKOWANYCH: 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

32 Obwody drukowane RODZAJE OBWODÓW DRUKOWANYCH: wg stopnia precyzji: Zwykłe Dokładne Precyzyjne Wysokoprecyzyjne wg przeznaczenia: Do sprzętu powszechnego użytku Do sprzętu profesjonalnego

33 Laminaty sztywne WYTWARZANIE PODŁOŻY: Materiał osnowowy T Prepreg Żywica P T 2 10 warstw Cu Cu

34 Laminaty sztywne GRUBOŚĆ PŁYTEK IZOLACYJNYCH: płytki jednowarstwowe: 0,8 6mm, płytki wielowarstwowe: 0,05 0,75mm / na warstwę, GRUBOŚĆ FOLII MIEDZIANEJ: 5µm; 9µm; 17,5µm; 35µm; 70µm; 105µm

35 Laminaty sztywne POPULARNE TYPY LAMINATÓW SZTYWNYCH: Typ żywicy Typ nośnika Forma materiału Oznaczenie fenolowa papier bawełna szkło nylon arkusz tkanina włóknina G-2 tkanina G-3 włóknina N-1 FR-2; X; XP; XX;... C; CE; L; LE aminowa szkło tkanina ES-1; ES-3; G-5; G-9 epoksydowa papier szkło arkusz tkanina FR-3 G-10; G-11; FR-4; FR-5 alkidowa szkło mata GPO-1; GPO-2 silikonowa szkło tkanina

36 Laminaty sztywne WŁAŚCIWOŚCI POPULARNYCH TYPÓW LAMINATÓW SZTYWNYCH: Parametr Jednostka FR-2 FR-4 GPO-1 masa właściwa g/cm 3 1,3 1,85 1,5-1,91,9 TCE: x, y z ppm/k przewodność cieplna W/mK 0,24 0,35 - stała dielektr. (1MHz) - 4,5 4,9 4,4 wytrz. napięciowa kv/mm wytrz.-rozciąganie: rozciąganie: x,y z MPa max temp. pracy O C higroskopijność % 0,8 0,35 1,0

37 Laminaty sztywne 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 ( O C), niedopasowanie TCE laminatu i elementów, konieczność utylizacji pyłu szklanego i kurzu żywicznego.

38 Podłoża ceramiczne WŁAŚCIWOŚCI POPULARNYCH PODŁOŻY CERAMICZNYCH: Parametr Jednostka Al 2 O 3 AlN BeO 95%-99,6% 99,6% masa właściwa g/cm 3 3,7-3,9 3,3 2,9 TCE: C C ppm/k 7,6 8,2 4,6 8,1 9,4 przewodność cieplna W/mK stała dielektr. (1MHz) - 9 9,8 10 6,6 wytrz. napięciowa wytrzymałość na zginanie kv/mm kpa max temp. pracy O C higroskopijność % 0 0 0

39 Podłoża elastyczne OBSZAR ZASTOSOWAŃ: połączenia elastyczne między płytkami drukowanymi sztywnymi różnych podzespołów lub bloków urządzeń elektronicznych, podłoża do montażu przestrzennego (3D), elastyczne połączenia dynamiczne, części elastyczne w płytkach sztywno-giętkich elastyczne obwody drukowane (np. aplikacje tekstroniczne).

40 Podłoża elastyczne Przykładowe podłoża elastyczne i ich właściwości: Parametr Poliimid Poliester Aramid Epoksyd Rozciąganie (MPa) Max wydłużenie (%) Max temperatura ( O C) -200/ / / /+150 Temp. zeszklenia ( O C) TCE (ppm/ O C) Przenikalność elektr. 3,4 3,0 2,1 4,5-5,35,3 Wytrz. napięciowa (kv/mm) ,6 Higroskopijność (%) 2,9 0, ,05-3

41 Organizacja powierzchni PCB STREFA I montażu elementów elektronicznych gdzie F i powierzchnia zajmowana przez i-ty element STREFA II złącza STREFA III dostępu zewnętrznego STREFA IV mocowania Kisiel R., Podstawy Technologii dla Elektroników, btc, Warszawa: 2005

42 Technologie montażu przewlekany powierzchniowy mieszany I mieszany II

43 Dobór elementów 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.

44 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.

45 Podzespoły do montażu przewlekanego 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, niektóre rozwiązania cewek i dławików c R A = L + 2c + 2R + d w = n * 50mil c = 1 4 mm R min = 1 mm L A

46 Podzespoły do montażu przewlekanego Podzespoły radialne: Różne kształty obudów: płaskie okrągłe, prostopadłościenne, kubeczkowate. Wyprowadzenia umieszczone są po jednej stronie elementu i są do siebie równoległe. Rozstaw wyprowadzeń jest wielokrotnością (sporadycznie ułamkiem) wymiaru charakterystycznego 2,54 mm. Niektóre rezystory, większość kondensatorów oraz elementy optoelektroniczne np. diody LED.

47 Podzespoły do montażu przewlekanego Podzespoły wielowyprowadzeniowe: Elementy czynne: tranzystory, układy scalone. Obudowy prostopadłościenne lub kubeczkowe Obudowy kubeczkowe: najczęściej metalowe (TO5, TO18, TO98) rzadziej plastikowe (TO92). Układy scalone w obudowach kubeczkowych - liczba wyprowadzeń 4, 6, 8, 10, 12 lub 14. Obudowy prostopadłościenne: plastikowe (sprzęt powszechnego użytku) lub ceramiczne (sprzęt profesjonalny i specjalny) architektura wyprowadzeń obwodowa lub powierzchniowa

48 Podzespoły do montażu powierzchniowego 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.

49 Podzespoły do montażu powierzchniowego Podzespoły typu chip : Kształt prostopadłościanu z wyprowadzeniami na węższych krawędziach zintegrowanymi z korpusem. Rezystory, kondensatory oraz niektóre typy bezpieczników 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 0,

50 Podzespoły do montażu powierzchniowego Rezystory zero-omowe: Rezystory czyli tzw. zworki Użycie zworek w postaci rezystorów SMD o wartości pozwala uniknąć stosowania dodatkowych przelotek na płytce PCB. Umożliwia to likwidację jednej warstwy Umożliwia to likwidację jednej warstwy metalizacji.

51 Podzespoły do montażu powierzchniowego Tranzystory: Typowe obudowy tranzystorów SOT (Small Outline Transistor) 3 ewentualnie 4 wyprowadzenia Moce znamionowe zależą od wymiarów obudowy 200mW (350mW) 500mW (1W)

52 Podzespoły do montażu powierzchniowego Układy scalone - SMD: Układy scalone małej i średniej skali integracji: SO (Small Outline) lub SOIC (Small Outline Integrated Circuit) wyprowadzenia w dwóch rzędach wzdłuż dłuższych boków. Raster wyprowadzeń 1,27 mm. Typ obudowy jest rozszerzony o informacje określającą liczbę wyprowadzeń np.: SO16. 1-sza nóżka jest zawsze oznaczona na obudowie. Na płytkach PCB nóżka nr 1 oznaczona polem prostokątnym. SOIC SOJ Typowa liczba wyprowadzeń w SO wynosi Zminiaturyzowana wersja VSO (Very Small Outline) może posiadać nawet do 56 wyprowadzeń. Ograniczenie - nadmierne naprężenia ścinające.

53 Podzespoły do montażu powierzchniowego Układy scalone - SMD: Zwiększenie liczby wyprowadzeń - obudowy kwadratowe z wyprowadzeniami rozmieszczonymi na czterech bokach: PLCC PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) wyprowadzenia w kształcie litery J rozstawione co 1,27 mm; do 84 wyprowadzeń; QFP (Quad Flat Package) wyprowadzenia w kszatłcie spłaszczonej litery Z ; rozstaw wyprowadzeń od 1mm do 0,4mm; ilość wyprowadzeń od 32 do 304; QFN QFP QFN (Quad Flat No-Lead) obudowy bezwyprowadzeniowe ; rolę wyprowadzeń pełnią pola lutownicze na spodzie obudowy.

54 Podzespoły do montażu powierzchniowego OBUDOWY BGA (Ball Grid Array) - ZALETY duża liczba wyprowadzeń, dobra wytrzymałość mechaniczna, eliminacja problemu koplanarności, zmniejszenie ilości pasty lutowniczej, zmniejszenie wadliwości montażu, zwiększenie precyzji montażu. Wadliwość montażu: PBGA 1 3 ppm QFP(0,635mm) ppm QFP(0,5mm) ppm Zjawisko samocentrowania kontaktów sferycznych na polach lutowniczych: tolerancje pozycjonowania: BGA (Ø0,74mm) 0,30 mm; QFP (0,5mm) 0,08 mm;

55 Technologie montażu przewlekany powierzchniowy mieszany I mieszany II

56 Projektowanie obwodów drukowanych Siatka modułowa tzw. raster 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 Mil jednostka miary używana w projektowaniu obwodów drukowanych 1 mil = 1/1000 cala

57 Projektowanie obwodów drukowanych 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

58 Projektowanie obwodów drukowanych Pola lutownicze: NIEMETALIZOWANE: D/d=2,5 3 METALIZOWANE: D/d=1,5 2 dla d wypr = 0,5-0,85mm: 0,85mm: d = d wyprmax + 0,10 ±0,05mm, dla d wypr = 0,85-1,10 mm: d = d wyprmax + 0,15 ±0,1mm, dla d wypr = 1,1-2,00 mm: d = d wyprmax + 0,20 ±0,1mm, Otwory punktów metalizowanych powinny być powiększone dodatkowo o 0,15-0,300,30 mm

59 Projektowanie obwodów drukowanych Pola lutownicze: ELEMENTY SMD POLA LUTOWNICZE

60 Projektowanie obwodów drukowanych 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.

61 Projektowanie obwodów drukowanych Odległości pomiędzy ścieżkami: różnice napięć na sąsiednich ścieżkach, wartości szczytowe napięć, Max. napięcie między ścieżkami [V] Min. odległości [mm] , ,25 >500 0,003/V rezystancja powierzchniowa materiału podłoża, warunki środowiskowe (wilgotność, zanieczyszczenie atmosfery, temperatura, ciśnienie), rodzaj powłoki izolacyjnej, wzajemne oddziaływanie elektromagnetyczne, sposób montażu elementów, możliwości wykonawcze producenta.

62 Projektowanie obwodów drukowanych Zalecenia szczegółowe: Rozkład ścieżek na płytkach powinien być zrównoważony cieplnie, Długość ścieżek powinna być jak najkrótsza (ścieżki nie powinny zakręcać pod kątem 90 0 ), 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 przekraczać 1/3 szerokości pola; Pole lutownicze nie może być częścią ścieżki; Odległość między korpusami elementów nie może być mniejsza od 0,5 mm.

63 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA I KONSTRUKCJA SPRZĘTU Połączenia elektryczne

64 Połączenia elementów elektronicznych Sygnały elektryczne oraz energia potrzebna do zasilania urządzeń elektronicznych mogą być przesyłane są za pomocą: Przewodów (pojedyncze przewody oraz wiązki przewodów i kabli); Wykonuje się je z materiałów o dużej przewodności elektrycznej (miedź, aluminium) pokrytych powłoką izolacyjną (jedwab, bawełna, lakier, tworzywa sztuczne); Różne rodzaje przewodów: DRUT LINKA Prowadnic falowych (np. : falowody dielektryczne czyli światłowody) Cu Ag Al Au gęstość [kg/m3] przewodność elektryczna [S/m] 59, , , przewodność cieplna [W/mK]

65 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 OBSZAR POŁĄCZENIA POŁĄCZENIE TRWAŁE KOŃCÓWKI WYPROWADZENIA

66 Tworzenie połączeń elektrycznych 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.

67 Tworzenie połączeń elektrycznych 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

68 Tworzenie połączeń elektrycznych Tworzenie połączeń stałych z dodatkowa fazą łączącą: Proces tworzenia połączenia: LUTOWANIE CHWILOWE STOPIENIE ŁĄCZĄCEGO STOPU; ZGRZEWANIE STOPIENIE PRZYPOWIERZCHNIOWEJ WARSTWY ŁĄCZONYCH METALI; KLEJENIE TRWAŁA ZMIANA STANU SKUPIENIA KLEJU; ; Usuwanie warstwy izolacyjnej: TOPNIKI (LUTOWANIE); ROZPUSZCZALNIKI (ZGRZEWANIE LUB KLEJENIE).

69 Tworzenie połączeń elektrycznych 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 MAŁA SIŁA DUŻA SIŁA

70 Połączenia lutowane Montaż połączenia lutowanie: Wprowadzenie pomiędzy powierzchnie metalowe łączonych elementów dodatkowego stopu metali lutowia wyprowadzenie PCB punkt lutowniczy lutowie Powstawanie związków międzymetalicznych lutowie Cu 6 Sn 5 Cu 3 Sn miedź

71 Spoiwa lutownicze - luty Połączenie lutowane powstaje w wyniku zajścia szeregu zjawisk: zwilżenie łączonych powierzchni, dyfuzji, powstawania związków międzymetalicznych (łączony metal-lut), wnikania lutu w nierówności łączonych metali. LUTOWNOŚĆ PODATNOŚĆ POWIERZCHNI METALU NA ZWILŻANIE PRZEZ LUT W OKREŚLONYCH WARUNKACH (UWZGLĘDNIAJĄC STRUKTURĘ I STAN POWIERZCHNI, RODZAJ ZASTOSOWANEGO TOPNIKA, SKŁAD LUTU, CZAS I TEMPERATURA LUTOWANIA)

72 Spoiwa lutownicze - luty Lutowność kąt zwilżenia: Zależność kąta zwilżenia od powierzchni rozpływu KĄT ZWILŻENIA MIARA LUTOWNOŚCI KRYTERIUM OCENY JAKOŚCI POŁĄCZENIA

73 Spoiwa lutownicze - luty Luty: Podstawowym składnikiem lutów jest CYNA Sn; Przemiana alotropowa Sn w temperaturze 13,2 0 C => zaraza cynowa ; Przeciwdziałanie zarazie cynowej dodatek 5% ołowiu; 0,5% antymonu; lub 0,1% bizmutu

74 Spoiwa lutownicze - luty Właściwości połączenia eutektycznego SnPb: Niska temperatura topnienia (183 0 C); Dodatek ołowiu zmniejsza skłonność do rozpuszczania Cu i Ag w lutowiu; Silne mechaniczne połączenie z: Cu, Sn, Pb, Ag, Au (Pb zmniejsza napięcie powierzchniowe Sn i poprawia zwilżalność); Odporność na utlenianie w trakcie eksploatacji urządzenia; Niska rezystancja; Doskonała znajomość technologiczna procesu lutowania z SnPb.

75 Spoiwa lutownicze - luty Konieczność zastąpienia spoiwa SnPb: Dyrektywa Unii Europejskiej nr 2002/95/EC Rsetriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment (RoHC) czyli dyrektywa o ograniczeniu stosowania określonych sybstancji niebezpiecznych; Nowelizacja prawa w krajach członkowskich do 13 sierpnia 2004; Przewidywany termin wprowadzenia technologii bezołowiowej - do 31 grudnia 2005; Ostateczny termin dostosowania technologii 1 lipca 2006.

76 Spoiwa lutownicze - luty Luty bezołowiowe: Skład spoiwa (% masy) Temp. ( O C) Sn Pb Ag Cu In Bi Ga sol. liq ,3 4, ,3 3, ,4 4,1 0, ,5 6 0, ,5 3 0, ,7 3,6 0, ,5 4 0, ,5 0, ,5 3,

77 Spoiwa lutownicze - luty Luty bezołowiowe SAC i SAC+X+Y: Temperatura solidusu ponad 30 0 C wyższa niż w przypadku SnPb; Znacząco twardsze i sztywniejsze materiały niż SnPb; Wysoka zawartość cyny powoduje niebezpieczeństwo powstawania wąsów (whiskersów); Większa różnorodność powstających defektów; Odporność na uszkodzenia zmęczeniowe maleje wraz z zawartością Ag; Odporność na udary mechaniczne rośnie wraz z zawartością Ag.

78 Topniki Topniki - wymagania: temperatura topnienia niższa, a temperatura wrzenia wyższa od temperatury topnienia lutu; obojętność chemiczna względem lutowanych metali i lutu, agresywność wobec warstwy tlenków i innych związków niemetalicznych; wypływanie pozostałości topnika i rozpuszczonych w nim związków na powierzchnię lutu w momencie zetknięcia się ciekłego lutu z lutowanym materiałem. łatwe usuwanie resztek topnika i powstałego żużla, niezmienność składu chemicznego i właściwości przy dłuższym przechowywaniu, brak składników szkodliwych dla zdrowia i środowiska.

79 Topniki Topniki można podzielić na trzy grupy: typu no-clean, low solid (nie wymagające mycia, o małej zawartości części stałych), oparte na żywicach syntetycznych bądź naturalnych (np. kalafoniowe), w celu zwiększenia ich aktywności dodaje się aktywatory; zaleca się usuwanie pozostałości tych topników po procesie lutowania; wodne, topniki wysokoaktywowane, które muszą być zmywane po procesie lutowania; zmywanie z wykorzystaniem podgrzewanej wody pod ciśnieniem;

80 Pasty lutownicze Pasty lutownicze: Wykorzystywane w lutowaniu rozpływowym. Skład past lutowniczych: LUT - proszek lutowniczy (około 90% proporcji wagowej; 50% proporcji objętościowej) NOŚNIK (około 10% proporcji wagowej; około 50% proporcji objętościowej) Topnik Rozpuszczalniki inne

81 Pasty lutownicze Pasty lutownicze podstawowe zadania: wymagania stawiane spoiwom; stabilizacja elementów elektronicznych w czasie układania i lutowania; możliwość drukowania lub dozowania ciśnieniowego; oczyszczanie pól lutowniczych i końcówek elementów przed fazą zasadniczego lutowania; dobra zwilżalność; uniemożliwienie dostępu tlenu do lutu w trakcie lutowania i krzepnięcia.

82 Połączenia lutowane Metody lutowania: NA FALI ROZPŁYWOWE RĘCZNIE PRODUKCJA MASOWA

83 Połączenia lutowane Montaż powierzchniowy operacje technologiczne poprzedzające lutowanie na fali: Dozowanie/drukowanie kleju Układanie elementów Utwardzanie kleju Odwracanie płytki

84 Połączenia lutowane Fazy procesu lutowania na fali: Topnikowanie METODA PIANOWA METODA FALOWA METODA NATRYSKOWA Grubość warstwy mokrego topnika 3 20 mikrometrów Podgrzewanie wstępne Podgrzewanie wtórne Lutowanie na fali

85 Połączenia lutowane Fazy procesu lutowania na fali: Topnikowanie Podgrzewanie (wstępne+ wtórne) CEL: 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; Uaktywnienie topnika; ŹRÓDŁA CIEPŁA: Gorące powietrze; Promienniki bliskiej i dalekiej podczerwieni. Lutowanie na fali

86 Połączenia lutowane 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, kuleczkowanie. 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)

87 Połączenia lutowane Montaż powierzchniowy operacje technologiczne poprzedzające lutowanie rozpływowe: Nanoszenie pasty lutowniczej 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. Układanie elementów

88 Połączenia lutowane Fazy procesu lutowania rozpływowego: Nagrzewanie wstępne Wygrzewanie Rozpływ Chłodzenie T[ o C] uwolnienie substancji nośnych z pasty, typowy gradient temperatury -2 0 C/s; temperatura końcowa: C C w tej fazie nie występuje proces lutowania Time[s]

89 Połączenia lutowane Fazy procesu lutowania rozpływowego: Nagrzewanie wstępne Wygrzewanie Rozpływ Chłodzenie T[ o C] aktywacja topnika w całej objętości pasty, temperatura powyżej C, czas 30s-150s osiągnięcie jednolitego rozkładu temperatury Time[s]

90 Połączenia lutowane Fazy procesu lutowania rozpływowego: Nagrzewanie wstępne Wygrzewanie Rozpływ Chłodzenie stopienie składników metalicznych (temp C, czas 30s-90s) zwilżenie całego pola lutowniczego T[ o C] Time[s]

91 Połączenia lutowane Fazy procesu lutowania rozpływowego: Nagrzewanie wstępne Wygrzewanie Rozpływ Chłodzenie T[ o C] wytworzenie połączenia elektrycznego i mechanicznego jak najszybsze schłodzenie płytki bez zbytniego obciążenia naprężeniami mechanicznymi Time[s]

92 Połączenia lutowane Metody lutowania rozpływowego: W parach nasyconych W podczerwieni W warunkach konwekcji naturalnej W warunkach konwekcji wymuszonej

93 Połączenia lutowane Lutowanie rozpływowe w podczerwieni: Promieniowanie podczerwone bliskie średnie 0,72µm 1,5µm 5,6µm dalekie 1mm Strum. ciepła: W/cm 2 Temp: C duży gradient; degradacja cieplna; wrażliwość na kolor; Strum ciepła: 15 50W/cm 2 Temp: C duża gęstość upakowania; mała wrażliwość na kolor; Strum. ciepła: 4W/cm 2 Temp: C brak wrażliwości na kolor; duża równomierność; λ(m)

94 Połączenia lutowane Lutowanie rozpływowe w warunkach wymuszonej konwekcji: Bardziej równomierne nagrzewanie; Minimalizacja gradientów na płytce drukowanej (w przypadku bliskiej podczerwieni C; przy źle rozmieszczonych podzespołach nawet 30 0 C; w przypadku procesu lutowania bezołowiowego wymagany jest gradient nie przekraczający kilku 0 C); Większa skuteczność przekazywania ciepła; Większa wydajność.

95 Połączenia na bazie naprężeń stykowych Połączenia wykorzystujące naprężenia stykowe: Owijane; Zaciskane; Zakleszczane; Rozłączne.

96 Połączenia na bazie naprężeń stykowych 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 charakteryzować się dużą sprężystością. Owijany przewód Końcówka montażowa Siła naciągu drutu powoduje powstanie naprężeń na styku przewodu i końcówki oraz jej sprężyste skręcenie. Stosowane tylko w przypadku przewodów drutowych o przekroju okrągłym!!! Kąt skręcenia

97 Połączenia na bazie naprężeń stykowych 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 ZWYKŁE POŁĄCZENIE ZMODYFIKOWANE

98 Połączenia na bazie naprężeń stykowych Połączenia owijane: Rezystancja połączeń owijanych: około 1 mω Przykłady wadliwie wykonanych połączeń

99 Połączenia na bazie naprężeń stykowych 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 połączenie wykonywane maszynowo (nawijarka); pokojowa temperatura pracy (max. 70ºC) ograniczenie stosowanych drutów (ø 0,15 1,0 mm)

100 Połączenia na bazie naprężeń stykowych 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

101 Połączenia na bazie naprężeń stykowych 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; połączenie nienaprawialne; stosowane tylko w przypadku linek.

102 Połączenia na bazie naprężeń stykowych 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. przewód NACISK kabel taśmowy kontakt sprężysty złącze z kontaktami sprężystymi

103 Błędy lutownicze Delaminacja Efekty geometryczne Cieniowanie, Mostkowanie, Efekt nagrobkowy, Wysysanie spoiwa, Efekt kuleczkowania, Zimne połączenia, Biały osad.

104 Błędy lutownicze DELAMINACJA: Objawy: Spalenie, lub zwęglenie płytki Separacja warstw laminatu Zmiana koloru płytki Czarne punkty DELAMINACJA (przegrzanie płytki) WŁAŚCIWY PROFIL LUTOWNICZY Przyczyny: Niewłaściwy profil lutowniczy Niewłaściwy typ zastosowanego laminatu dla wybranej technologii montażu i lutowania

105 Błędy lutownicze EFEKTY GEOMETRYCZNE: Różna pozycja na płytce, różne właściwości w czasie lutowania

106 Błędy lutownicze CIENIOWANIE: RUCH PCB Objawy: Lutowie nie dociera do wyprowadzenia ani do pola lutowniczego, w efekcie nie powstaje połączenia lutownicze. PODŁOŻE EFEKT CIENIOWANIA Rozwiązania: specjalne kształty wyprowadzeń, turbulentny przepływ fali lutowniczej odpowiednie rozmieszczenie geometryczne elementów w stosunku do kierunku fali lutowniczej

107 Błędy lutownicze MOSTKOWANIE Objawy: Tworzenie się mostków (zwarć) pomiędzy wyprowadzeniami. Lutowanie na fali - rozwiązania: Wprowadzanie pułapek lutowia, czyli pól zbierających nadmiar lutowia; Odpowiednie rozmieszczenie elementów. Pochylenie transportera płytek, Kształtowanie fali (płytki odchylające; fala podwójna).

108 Błędy lutownicze MOSTKOWANIE Lutowanie rozpływowe - rozwiązania: polepszenie precyzji i rozdzielczości druku, właściwe dobranie objętości pasty lutowniczej, spowolnienie nagrzewania wstępnego, użycie topników o krótszym czasie zwilżania.

109 Błędy lutownicze EFEKT NAGROBKOWY Objawy: Mały podzespół w wyniku lutowania staje na jednym ze swoich wyprowadzeń. Przyczyny: Niewłaściwy projekt pół lutowniczych, Mała dokładność układania elementów, Nieodpowiednia ilość pasty na polu lutowniczym, Nieodpowiedni docisk elementu w procesie układania, Nierównomierna szybkość zwilżania w obrębie PCB nierównomierny rozkład temperatury.

110 Błędy lutownicze EFEKT NAGROBKOWY 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).

111 Błędy lutownicze WYSYSANIE SPOIWA Objawy: Pocynowane wyprowadzenie podzespołu pochłania lutowie nie pozostawiając go na punkcie lutowniczym. Przyczyny: Gradient temperatur Gradient temperatur pomiędzy płytka a wyprowadzeniem. Wyprowadzenie o wyższej temperaturze topi lut i pocynowana warstwa absorbuje lutowie.

112 Błędy lutownicze WYSYSANIE SPOIWA 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.

113 Błędy lutownicze EFEKT KULECZKOWANIA 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.

114 Błędy lutownicze EFEKT KULECZKOWANIA Rozwiązania materiałowe: świeża pasta lutownicza o dopracowanym składzie pod kątem aktywności 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 lutowniczych względem metalizacji podzespołów, odpowiednia maska przeciwlutowa

115 Błędy lutownicze EFEKT KULECZKOWANIA 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.

116 Błędy lutownicze ZIMNE POŁĄCZENIA 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.

117 Zanieczyszczenie powierzchni Zbyt niska temp. lutowia Zbyt wysoka temp. lutowia Nierównomierny rozkład temp Niedobór topnika Zbyt niska prędkość przesuwu przenoś. Zbyt duża prędkość przesuwu przenoś. Narażenie na wibra cje w trakcie krzep. Niejednorodna fala lutownicza Mostkowanie Delaminacja Zimne luty Niepełny rozpływ lutu Kuleczkowanie Efekt nagrobkowy Błędy lutownicze X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X

118 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA I KONSTRUKCJA SPRZĘTU Operacje kontrolno pomiarowe

119 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 tym mniej będzie Cię to kosztowało

120 Operacje kontrolno-pomiarowe Klasyfikacja testów kontrolno-pomiarowych: IN-LINE 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); OFF-LINE 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.

121 Operacje kontrolno-pomiarowe Rodzaje testów: MVI (Manual Visual Inspection) test wizualny AOI (Automatic Otical Inspection) automatyczny test optyczny ICT (In-circuit Test) test wewnątrzobwodowy IR (Infrared Thermal Imaging System) automatyczny test promieniami podczerwonymi AXI (Automatic X-ray Inspection) automatyczny inspekcja rentgenowska FT (Functional Test) test funkcjonalny

122 Operacje kontrolno-pomiarowe Test wizualny MVI: Przeprowadzany jest okiem nieuzbrojonym lub z wykorzystaniem mikroskopu (standardowe powiększenie 2 do 10 razy; wymagania mogą być wyższe np.: inspekcja otworów metalizowanych nawet 100 razy); Człowiek: 1/500 s aby zidentyfikować obiekt; Oko ludzkie potrafi się adaptować do różnych warunków; Ocena subiektywna. Test obszarów wymaga wzrokowego dostępu.

123 Operacje kontrolno-pomiarowe Automatyczna inspekcja optyczna AOI: Może być integrowana w różnych miejscach linii produkcyjnej; CCD SKANER Obrazy w odcieniach szarości oraz kolorowe; Elementy zakwestionowane w teście AOI zostają poddane testowi MVI; PRZETWARZANIE SYGNAŁÓW Wykrywane defekty: Brakujące lub odwrócone elementy, odwróco- na polaryzacja oraz efekt nagrobkowy; Mostki, przesunięcia i rotację elementów; KOMPUTEROWY SYSTEM STEROWANIA Defekty geometryczne ;

124 Operacje kontrolno-pomiarowe Inspekcja rentgenowska AXI: Prześwietlenie promieniami X umożliwia wykrycie wad w obszarach niedostępnych dla systemów AOI; Systemy AXI dają obrazy w odcieniach szarości; obszary o większej gęstości/grubości obszary ciemniejsze;

125 Operacje kontrolno-pomiarowe Inspekcja rentgenowska AXI: Wysoka rozdzielczość, duże powiększenie; Inspekcja bezinwazyjna z możliwością zmiany kąta nachylenia; Możliwość testowania gęsto upakowanych płytek; Wykrywane defekty Mostki, rozwarcia; Podniesione wyprowadzenia; Przemieszczenie podzespołów, efekt nagrobkowy; Pustki lub niedopuszczalne zmiany kształtu; Defekty w BGA (mostki, pustki, brakujące kuleczki, brak scentrowania).

126 Operacje kontrolno-pomiarowe Porównanie AOI oraz AXI: AOI Doskonała metoda do detekcji defektów związanych z rozmieszczeniem elementów Pomiar dokładności rozmieszczenia elementów Zdolność wykrywania defektów widocznych Możliwości inspekcji zdefiniowane w ramach danego procesu + sprzężenie zwrotne Programowanie systemu: mniej niż 1 dzień Rozwiązanie tańsze niż AXI AXI Doskonała metoda do detekcji defektów ukrytych związanych z połączeniami lutowanymi Pomiar grubość wytworzonych połączeń lutowanych Zdolność wykrywania defektów ukrytych (niedostępnych dla AOI lub MVI) Możliwość inspekcji płytek dwustronnych i wielowarstwowych w pojedynczym cyklu Programowanie systemu: standardowo 2 3 dni Rozwiązanie droższe niż AOI

127 Operacje kontrolno-pomiarowe Test wewnątrzobwodowy ICT: Przeprowadzany jest z wykorzystaniem zespołu głowic szpilkowych w postaci macierzy sond (Bed of Nails Method) bądź też kilka sond przemieszczających się nad testowanym obiektem (Two Probe, Flying Probe Method); Wykrywane defekty: zwarcia, rozwarcia (w wyłączeniem złej jakości połączeń lutowanych tymczasowo eliminowanych pod wpływem nacisku), zdefektowane lub złe podzespoły; W przypadku utrudnionego dostępu do podzespołu konieczność wprowadzenia na etapie projektowania punktów testowych. Doskonałe rozwiązanie przy długich seriach i szybkiej produkcji.

128 Operacje kontrolno-pomiarowe Test funkcjonalny FT: Przeprowadzany jest z wykorzystaniem testera pozwalającego na wprowadzenie sygnałów w różne punkty układu, symulacje pracy poszczególnych elementów układu i zbieranie odpowiedzi przez złącza; Wykonywany jest w ostatniej fazie produkcji; Podstawowe zadanie: weryfikacja funkcjonalności poszczególnych elementów i całego układu;

129 Strategie testowania Wybór strategii testowania zależy od: Złożoności projektu płytki (rodzaje obudów i wyprowadzeń; rozstaw wyprowadzeń); Różnorodność i wielkość serii (koszt testów zmienia się wraz ze skalą produkcji); Precyzja i szybkość techniki testowania (czyli ile czasu potrzeba na znalezienie defektu); Koszt testowania (koszt testera, obsługi serwisu, oprogramowania, zamocowania itp.).