Plan wykładu. podstawa konstrukcyjna umożliwiająca mechaniczne mocowanie

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 Podłoża a obwodów w elektronicznych Zadania podłoża: podstawa konstrukcyjna umożliwiająca mechaniczne mocowanie elementów, zapewnienie połączeń elektrycznych między elementami, umożliwienie skutecznego rozpraszania ciepła generowanego przez elementy. Wymagania stawiane podłożom: om: zgodność współczynników rozszerzalności cieplnej podłoża i elementów, duża przewodność cieplna, zapewnienie dużej gęstości połączeń, mała stała dielektryczna. 1

2 Podłoża a obwodów w elektronicznych - klasyfikacja Klasyfikacja podłoży: materiały konstrukcja organiczne nieorganiczne jednostronne dwustronne wielowarstwowe o dużej gęstości połączeń (HDI) sztywne giętkie sztywno-giętkie giętkie kable płaskie formowane technologia subtraktywna addytywna metalizacja kompleksowa (CC) metalizacja selektywna (CS) sposób montażu przewlekany powierzchniowy mieszany Płytki drukowane sztywne 2

3 Obwody drukowane giętkie Płytki drukowane sztywno-gi giętkie 3

4 Płytki drukowane - giętkie kable płaskiep Płytki drukowane formowane Płytka drukowana giętka, klejona do wypraski z tworzywa sztucznego Sheldahl (USA) dla Forda Płytki trójwymiarowe. Materiały: tworzywa termoplastyczne Formowanie metodą wtrysku lub wytłaczania. Zastosowania: przemysł samochodowy i telekomunikacja. 4

5 Płytki drukowane - konstrukcja (a) (b) (c) (d) jednostronne dwustronne wielowarstwowe o dużej gęstości połączeń (HDI) Podłoża a organiczne Podstawowymi materiałami podłoży organicznych są laminaty, będące kompozytami warstwowymi, które otrzymuje się przez prasowanie (laminowanie) wypełniaczy włóknistych, nasyconych żywicami (materiał wiążący). Laminaty mogą być foliowane miedzią jedno- lub dwustronnie. Klasyfikacja wg NEMA: Żywica fenolowa epoksydowa poliimid poliester epoksydowa + BT Wypełniacz papier (arkusze) bawełna (tkanina) szkło (filc) szkło (tkanina) nylon (włókna) papier (arkusze) papier + szkło szkło (tkanina) szkło (tkanina) szkło (filc) szkło (tkanina) Oznaczenie FR-2, X, XP, XX, XXP, XXX, XPC, itd C, CE, L, LE G-2 G-3 N-1 FR-3 CEM-1 G-10, G-11, FR-4, FR-5 GI-250 GPO-1, GPO-2 GI-180 5

6 Podłoża a organiczne Stosuje się zarówno polimery termoutwardzalne (płytki drukowane sztywne i giętkie), jak i termoplastyczne (płytki drukowane formowane). Żywice dobiera się w zależności od potrzeb, określonych końcowymi właściwościami podłoży. Brane są pod uwagę następujące czynniki: stała dielektryczna, stratność (współczynnik strat dielektrycznych), oporność powierzchniowa i objętościowa, odporność na wyładowanie łukowe, wytrzymałość napięciowa, odporność na absorpcję wilgoci wytrzymałość na zginanie, ścinanie, udar, odporność na warunki środowiskowe, niepalność, samogaśnięcie odporność na wysoką temperaturę, odporność na rozwarstwianie (adhezja do szkła i miedzi), obrabialność, stabilność wymiarowa Najczęściej (90%) stosuje się żywice fenolowe i epoksydowe. Oprócz nich, do celów specjalnych, stosuje się też teflon, poliimid, BT, BCB i poliester. Materiałami, z których wykonuje się płytki drukowane giętkie są najczęściej folie poliimidowe i poliestrowe foliowane miedzią (w rolkach lub arkuszach). Laminaty fenolowe Laminaty fenolowe są powszechnie stosowane ze względu na niski koszt i dobre własności elektryczne (z wyjątkiem odporności na wyładowania łukowe). Wypełniaczem jest zazwyczaj papier. Technologia produkcji: reakcje chemiczne żywica włókna celulozy (papier) zapewniają odpowiednią przyczepność i odporność na rozwarstwienie, 2 do 10 wstępnie laminowanych arkuszy składa się z arkuszami folii Cu, ponowne laminowanie pakietu (temperatura + ciśnienie). Im większy procentowy udział żywicy tym twardszy laminat: X (35% żywicy), XX (45% żywicy), XXX (58% żywicy). Laminat XXX nie nadaje się do wykrawania. Otwory wiercone a nie przebijane. Dodatek plastyfikatora (XXXP) umożliwia wykrawanie na gorąco (50 80 o C). Laminat FR-2 zawiera dodatki zapewniające samogaśnięcie. Zastosowanie: sprzęt powszechnego użytku. 6

7 Laminaty epoksydowe są droższe niż laminaty fenolowe. Mają jednak doskonałe własności elektryczne i mechaniczne. Powszechnie stosowany jest laminat epoksydowo-szklany FR-4. Nowolaki (żywice fenolowo-formaldehydowe) poprawiają własności mechaniczne i cieplne laminatów epoksydowych (wzrost temperatury zeszklenia T g z 120 o C do 135 o C). Laminaty epoksydowe Laminaty epoksydowe Technologia produkcji: Żywica epoksydowa w stanie utwardzenia B jest rozpuszczalna w pewnych rozpuszczalnikach. Impregnowanie tkaniny szklanej. Suszenie i cięcie na arkusze (prepregi). Laminowanie 8 10 prepregów wraz z foliami Cu przejście ze stanu B do C. Laminat FR-3 zawiera wypełniacz w postaci papieru. Dobre własności elektryczne, jest obrabialny. Laminat CEM-1 ulepszona wersja laminatu FR-3. Wypełniacz: papier i tkanina szklana. Laminat CEM-3 żywica epoksydowa, rdzeń z filcu szklanego, na zewnątrz tkanina szklana, trudnopalny. Własności elektryczne zbliżone do własności laminatu FR-4. Najczęściej stosowany jest laminat FR-4 i jego palny odpowiednik G-10. Laminat G-11 i jego niepalny odpowiednik FR-5 jest laminatem najwyższej jakości (najdroższy). Temperatura zeszklenia: 150 º C. Gorsza obrabialność niż FR-4. 7

8 Porównanie własności laminatów: Laminaty poliimidowe i inne Żywice poliimidowe są stosowane do produkcji płytek drukowanych ze względu na wysoka temperaturę zeszklenia (T g = 290 º C). Wysoka cena! Gorsza przyczepność folii Cu. GI-250: laminat poliimid tkanina szklana. Laminaty poliestrowe (np. GPO-1, wypełniacz: filc szklany) są tanie. Wada: nadmierna deformacja podczas lutowania i trudność metalizacji otworów. Gęstość [g/cm 3 ] Współczynnik rozszerzalności cieplnej [ppm/k] x - y z XXXPC 1, FR-2 1, FR-3 1, G-10 1, G-11 1, FR-4 1, GPO-1 1,5 1, GI Przewodność cieplna [W/mK] 0,24 0,24 0,23 0,26 0,25 0,25 - Stała dielektryczna (@ 1MHz) 4,5 4,5 4,6 5,0 5,1 4,9 4,4 3,6 Wytrzymałość elektryczna [kv] Wytrzymałość na rozciąganie [MPa] x y z Absorpcja wilgoci [%] 0,8 0,8 0,75 0,35 0,35 0,35 1,0 0,35 Folia miedziana i tkanina szklana Folia z miedzi elektrolitycznej lub nanoszona próżniowo. Czystość Cu: 99,5%. Wymagania: brak otworków (ang. pinholes), duża ciągliwość. Gramatura folii: 1 oz/ft -2 35μm (305 g/m 2 ). Tkanina szklana. Szkło typu E, S i D. Średnica włókna szklanego: 9,6μm, liczba włókien w skrętce: 408 lub 916, gęstość tkaniny 17 skrętek/cm (osnowa), 13 skrętek/cm (wątek). Włókna szklane są zwilżane silanem (krzemowodór) w celu poprawienia adhezji żywicy do szkła. 8

9 Technologia płytekp drukowanych Technologia płytek p drukowanych (cięcie cie arkuszy i wiercenie otworów) w) Metody wykonywania otworów w płytkach drukowanych: - trawienie chemiczne, -drążenie laserowe, -drążenie ultradźwiękowe, -drążenie strumieniem wody, - wykrawanie, - wiercenie. Wiertła: wzmocniony uchwyt, krótka część skrawająca (1,5 10mm). Współczynnik kształtu otworów <5. Materiał wierteł: węgliki spiekane. Żywotność wiertła: 5000 otworów. 9

10 Montaż w elektronice_cz.07_płytki obwodów drukowanych.ppt Technologia pł płytek drukowanych (powlekanie galwaniczne miedzią miedzią) Płukanie w zawiesinie pumeksu (pumeksowanie) Szlifowanie mechaniczne (szczotkowanie) Wydział Wydział Elektroniki Mikrosystemó Mikrosystemów i Fotoniki Politechnika Wrocł Wrocławska ul. Grabiszyń Grabiszyńska 97, Wrocł Wrocław Technologia pł płytek drukowanych (laminowanie fotorezystu i kopiowanie wzoru) Długość fali światła UV: nm Źródło światła UV: lampa rtęciowo-ksenonowa Moc: 5000W Energia: natężenie światła x czas Światło kolimowane Kopiorama z ramą podciśnieniową Wydział Wydział Elektroniki Mikrosystemó Mikrosystemów i Fotoniki Politechnika Wrocł Wrocławska ul. Grabiszyń Grabiszyńska 97, Wrocł Wrocław 10

11 Technologia płytek p drukowanych (trawienie) Technologia płytek p drukowanych (maska lutownicza) Maska lutownicza nakładana metodą sitodruku Maska lutownicza nakładana metodą kurtynową 11

12 Technologia płytek p drukowanych (powłoki oki metaliczne i organiczne) Powłoki metaliczne lub organiczne zapewniają dobrą lutowność pól lutowniczych nawet po długim okresie przechowywania płytek. Najczęściej stosuje się powłoki: SnPb (SAC) nakładane metodą wyrównywania na gorąco, Ni/Au nakładane metodą chemiczną i zanurzeniową, Pd nakładane metodą chemiczną, Ag nakładane metodą zanurzeniową, organiczne (OSP). SnPb Ni/Au SnPb lub SAC Pd Ni/Au Ag Powłoki metaliczne i organiczne Powłoki organiczne (OSP) zapewniają koplanarność i wystarczającą ochronę pół lutowniczych. Wada: nie dają wystarczającej ochrony w procesie lutowania no-clean po lutowaniu rozpływowym; podczas lutowania na fali z topnikiem no-clean po dwóch, trzech lutowaniach rozpływowych często zdarzają się wady braku wypełnienia otworów i braku połączeń. Alpha Level (Alpha Metals) jest cienką powłoką metaliczną (srebro chemiczne) zapewniającą wystarczającą koplanarność i chroniącą skutecznie pola lutownicze nawet po kilku procesach lutowania rozpływowego. 100 Wypełnienie otworu [%] NR300A4 VOC-Free VOC-Free Alkoholowy Alkoholowy Rodzaj topnika Alpha Level OSP Centrum Doskonałości Recyklingu Materiałów Wybrzeże e Wyspiańskiego skiego 27, Wrocław 12

13 Technologia płytek p drukowanych (obróbka bka mechaniczna, frezowanie) Technologia płytekp drukowanych 13

14 Technologia płytek p drukowanych (płytki wielowarstwowe) Metody wytwarzania wielowarstwowych płytek drukowanych: laminowanie wstępne, składanie sekwencyjne, formowanie. Autoklaw Prasy Technologia płytek p drukowanych (preimpregnaty( - prepregi) Preimpregnat (prepreg) tkanina szklana nasycona częściowo spolimeryzowaną żywicą (tzw stan B). Preimpregnaty wymagają specjalnych warunków składowania: wilgotność względna 50%, temperatura C, maksymalny okres 6 12miesięcy. Autoklaw Prasa 14

15 Inspekcja rentgenowska wielowarstwowych POD Autoklaw Prasa Obwody drukowane giętkie Patent: Albert Hanson, Berlin, British Patent No 4681, 1903r! 15

16 Obwody drukowane giętkie Obwody drukowane giętkie: własności obwodu elektrycznego nie zmieniają się po zgięciu, materiały obwodów giętkich nie są materiałami kompozytowymi (nie są wzmacniane; poliimid z odpowiednią folią Cu wytrzymuje 1mld zgięć bez uszkodzenia obwodu elektrycznego!), polimery obwodów drukowanych giętkich odznaczają się małym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej i dużą stabilnością wymiarów, grubość folii polimerowej: 12, μm, grubość folii Cu: μm (szerokość ścieżek 12μm), technologia: roll-to-roll (proces ciągły, duża wydajność), eliminacja złączy stanowiących główne ograniczenie niezawodności, zastosowanie: systemy o bardzo dużej gęstości upakowania (TAB, TBGA, CSP, napędy dysków, elektronika samolotowa, kalkulatory, zegarki, drukarki, itp). Obwody drukowane giętkie Materiały: poliimid (Kapton, Dupont; wysoka temperatura), tanie folie termoplastyczne (poliester, Mylar Dupont; niska temperatura), koszt folii poliestrowej wynosi 5% kosztu folii poliimidowej, Cu elektrolityczna (ED electrodeposited) jest sklejana (laminowana) z folią polimerową przy użyciu klejów akrylowych, poliestrowych, mieszanych, polimerowych fluorowanych, poliimidowych, Cu walcowana i wyżarzana (RA rolled and annealed) dzięki swej mikrostrukturze zapewnia większą odporność obwodów drukowanych giętkich na zmęczenie, Cu rozpylana w próżni (copper-clad flex) odpada proces sklejania (adhesive-free), druk grubowarstwowy (polyester thick-film, PTF, termoplastyczna osnowa + srebro, szybki proces print and dry, min), montaż elementów elektronicznych przy użyciu klejów przewodzących (150 0 C). 16

17 Obwody drukowane giętkie Proces technologiczny PTF: cięcie (z rolki), drążenie laserowe otworów, mycie usunięcie ładunku powierzchniowego przed drukowaniem pasty, dwustronny druk (próżnia zapewnia metalizację otworów), polimery foliowane Cu technologia tradycyjna, trawienie, polimery adhesive-free fotorezyst pogrubienie Cu usunięcie fotorezystu lekkie trawienie w celu usunięcia pierwotnej warstwy Cu, drukowanie maski lutowniczej, OSP, Ni/Au lub SAC (można też stosować powłoki ochronne klejone na powierzchnię gotowego obwodu giętkiego), wycinanie ostatecznego kształtu. Obwody drukowane giętkie - zastosowania 17

18 Obwody drukowane giętkie - zastosowania Technologia płytek p drukowanych (mozaika drukowana) 18

19 Technologia płytek drukowanych (mozaika drutowa) Technologia płytek p drukowanych (formowane płytki p drukowane) - Drukowanie wzoru na folii -Formowanie folii - Pogrubianie wtryskowe folii -Nakładanie powłok metalicznych -Obsadzanie 19

20 Podłoża a nieorganiczne (ceramiczne) Podłoża ceramiczne są od dawna stosowane w mikroelektronice hybrydowej. Główny powód: zbliżone współczynniki rozszerzalności cieplnej podłoża i elementów. Mozaika połączeń na powierzchni stanowi kombinację warstw przewodzących, rezystywnych i izolacyjnych wykonanych metodą sitodruku, a następnie wypalonych (900 0 C). Pasta: drobiny materiału przewodzącego + drobiny szkła + osnowa żywiczna. Podczas wypalania żywica zostaje usunięta a szkło łączy się z ceramiką. W powszechnym użyciu są następujące materiały ceramiczne: 96% Al 2 O 3 99,5% Al 2 O 3 99% BeO AlN BeO / SiC Gęstość [g/cm 3 ] 3,7 3,9 2,9 3,3 3,2 Współczynnik rozszerzalności cieplnej [ppm/k] 6,4 6,6 5,0 5,6 Współczynnik przewodnictwa cieplnego [W/mK] Wytrzymałość na zginanie [kpa] Wytrzymałość napięciowa [kv/mm] Oporność właściwa x (@ 25 0 C) [Ωcm] > 0,1 Stratność (@ 100MHz) 0,0055 0,0008 0,0004 > 0,05 Ceramika Al 2 O 3 Powszechnie jest stosowana ceramika Al 2 O 3 96%. W celach specjalnych: > 99% korundu (wyższa cena, mała stratność w wyższych częstotliwościach, doskonałe własności mechaniczne). Domieszki: krzemiany magnezu i wapnia. Zawartość procentowa jest związana nie tyle z domieszkami ile z gęstością spieku. DBC Direct Bond Copper 20

21 Ceramika BeO i AlN Ceramika BeO ma własności elektryczne i mechaniczne zbliżone do Al 2 O 3, lecz jej współczynnik przewodzenia ciepła jest znacznie większy. Jest toksyczna! Stosowana do układów dużej mocy. Wady: koszt i toksyczność. Ceramika AlN ma duży współczynnik przewodzenia ciepła i nie jest toksyczna. Wymiary podłoży ceramicznych są ograniczone nie tyle przez własności mechaniczne ile przez deformacje podczas wypalania. Typowy wymiar: 50 x 50mm. DBC Direct Bond Copper Podłoża a organiczne o współczynniku rozszerzalności cieplnej dopasowanym do ceramiki Zamiast tkaniny szklanej stosuje się tkaniny z włókna aramidowego (Kevlar) o ujemnym współczynniku rozszerzalności cieplnej. Dobierając odpowiednie proporcje wagowe włókna aramidowego i żywicy uzyskuje się współczynnik rozszerzalności cieplnej 6 7ppm/K. Technologia wytwarzania: identyczna jak klasycznych laminatów. Wady: trudniejsza obróbka mechaniczna (wiercenie), nadmierna absorpcja wilgoci przez Kevlar (możliwość rozwarstwień), wysoka cena, skłonność do mikropęknięć (wada kosmetyczna). Stosuje się też tkaniny z włókien kwarcowych (topiona krzemionka) o współczynniku rozszerzalności cieplnej 0,54ppm/K. Zaleta: mała stała dielektryczna. Wada: trudna obróbka mechaniczna. 21

22 Podłoża a organiczne z rdzeniami metalowymi Na rdzeń metalowy nakleja się dwustronnie płytki drukowane (symetria systemu zapobiega deformacji). Materiały rdzeni: stop 42, molibden platerowany dwustronnie Cu, grafit z dwustronną powłoką Cu, Invar dwustronnie platerowany Cu. Rdzenie metalowe ułatwiają rozpraszanie ciepła (łączniki cieplne). Własności materiałów podłożowych owych X-Y Z 22