Plan wykładu. Pasty lutownicze (1)

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 Pasty lutownicze (1) Pastą lutowniczą nazywa się jednorodną i stabilną zawiesinę kulistych cząstek stopu lutowniczego w substancji wiążącej, zawierającej topnik. Wymagania stawiane paście lutowniczej: własności reologiczne pasty muszą być dostosowane do metody nakładania, adania, pasta nie może e się rozpływa ywać po nałożeniu pasta musi mieć wystarczającą kleistość by unieruchomić elementy, sedymentacja cięż ężkich cząstek powinna być jak najmniejsza, pasta powinna zapewniać całkowit kowitą koagulację lutowia w czasie jego topienia, pasta nie powinna być podatna na tzw. solder balling, zawartość tlenków w metali w paście powinna być jak najmniejsza, cząstki lutu powinny mieć kształt t kulisty. 1

2 Pasty lutownicze (2) Pasty lutownicze (3) Wybór średnicy kulek lutowia Numer sita , Średnica kulek [μm] < 45 < 55 <

3 Pasty lutownicze (4) Pasty lutownicze z pudrem lutowniczym klasy 3 i 4 są stosowane do montażu fine pitch, klasy 5 do flip chip a klasy 2a w montażu powierzchniowym. Cząstki lutu oxide free nie mają kontaktu z powietrzem w procesie ich wytwarzania i mieszania z topnikiem. Zawartość wagowa tlenków nie przekracza 0,03%. Jeżeli zawartość ta jest większa od 0,15%, to nieunikniony jest tzw. solder balling. Niewłaściwe przechowywanie pasty może zwiększyć zawartość tlenków Pasty lutownicze (5) 3

4 Pasty lutownicze (6) Ocena zawartości tlenków w paście lutowniczej: Włożyć 10g pasty do małego porcelanowego tygla Zalać olejem arachidowym do ¾ objętości tygla Podgrzać: C, 30min Ostudzić do temperatury pokojowej Zlać olej i usunąć resztki oleju zmywaczem do topników Wyjąć pastylkę lutu i ocenić pod mikroskopem % powierzchni zajęty przez tlenek Pasty lutownicze (7) Solder balling J-STD-005 4

5 Zawartość lutu w paście Pasty lutownicze (8) Test rozpływności pasty 85% - nadaje się do sitodruku, 90% - druk szablonowy; zalecana zawartość gdy trzeba drukować grubą warstwę 80 85% - dozownik strzykawkowy Wysokość druku: ~150 μm Pasty lutownicze (9) Lepkość Pasty lutownicze są tiksotropowe ich lepkość zmniejsza się w miarę wzrostu szybkości ścinania, a po ustaniu ścinania powraca powoli do początkowej wartości. Ta właściwość past lutowniczych jest istotna, ponieważ ogranicza rozpływność pasty po jej naniesieniu. Lepkość pasty zależy od składników stałych w topniku, ilości,wymiarów i kształtu cząstek lutu oraz od ilości środków zagęszczających dodawanych w celu nadania paście właściwości tiksotropowych. Wybór pasty o odpowiedniej lepkości zależy od metody nanoszenia pasty: Metoda nanoszenia pasty Druk szablonowy Druk sitowy Dozownik strzykawkowy Metoda kroplowa Zawartość lutu [% wagowy] Lepkość [Pa.s]

6 Lepkość silnie zależy od temperatury maleje ze wzrostem temperatury. Pasty lutownicze należy zatem nanosić w kontrolowanych warunkach otoczenia. Lepkość pasty rośnie podczas przechowywania. Lepkość należy więc mierzyć i w razie potrzeby dodawać odpowiedniego rozcieńczalnika. Im mniejsza zawartość lutu w paście tym pasta jest bardzie podatna na środki zagęszczające zwłaszcza w zmiennej temperaturze otoczenia (większy rozrzut rozpływności). Mniejszy rozrzut wymiarów porcji naniesionej pasty lutowniczej uzyskuje się dla większej zawartości lutu i większej lepkości pasty. Pasty lutownicze (10) Pasty lutownicze (11) Przykłady testów z pastami bezołowiowymi (Motorola) 6

7 Techniki nakładania pasty lutowniczej (1) Metody nakładania lutu: powlekanie galwaniczne sitodruk druk szablonowy dozowanie metoda kroplowa Włókna Sitodruk pod kątem Numer sita: liczba otworów Materiały: na sito długości - tkanina 1 nylonowa, cala - zazwyczaj poliestrowa, Reguła: stalowa, maksymalna emulsja -średnica polialkohol kulek winylowy lutu nie może lub byćpolioctan większa winylowy niż 1/3 otworu sita. Druk szablonowy Techniki nakładania pasty lutowniczej (2) Materiały szablonu: brąz berylowy, mosiądz, nikiel, stal nierdzewna Efektywność Współczynnik oddzielania kształtu się = pasty W/T podczas podnoszenia szablonu zależy od: Iloraz powierzchni = LW/2T(L + W) współczynnika kształtu i ilorazu Zalecane powierzchni, wartości: Współczynnik kształtu - >1,5 kształtu bocznej ścianki otworu, Iloraz powierzchni - >0,66 wykończenia bocznej ścianki otworu. Metody wykonania szablonu: trawienie chemiczne drążenie laserowe elektroformowanie metoda hybrydowa 7

8 Techniki nakładania pasty lutowniczej (3) Trawienie chemiczne Elektroformowanie Drążenie laserowe Techniki nakładania pasty lutowniczej (4) Symulacja efektywności druku pasty polega na obliczeniu równowagi sił ścinających i adhezji w tym systemie. Wyniki symulacji efektywności druku pasty Pasta rozdziela się w miejscu największych naprężeń wyznaczonych przez kąt θ. Część pasty pozostaje na ściankach szablonu. Pasty bezołowiowe mają większą lepkość i tendencję do przylegania do ścianek otworów szablonu! 8

9 Techniki nakładania pasty lutowniczej (5) Ilość pasty i powtarzalność nadruku można efektywnie zwiększyć przez zmniejszenie grubości szablonu i zwiększenie pola powierzchni otworu. Techniki nakładania pasty lutowniczej (6) 9

10 Techniki nakładania pasty lutowniczej (7) QFP (0,5mm) BGA (0,5mm) Techniki nakładania pasty lutowniczej (8) Porcje pasty lutowniczej nałożone metodą druku szablonowego, przy użyciu szablonów o grubości: 150μm 100μm 50μm 10

11 Montaż w elektronice_cz.11_pasty lutownicze.ppt Techniki nakładania pasty lutowniczej (9) Laser Nd-YAG (355nm, 2,5W, 20kHz) Ablacja fotochemiczna Prędkość nacinania: 15mm/s 25mm/s Podziałka: 200μm i 250μm Poliimid (Kapton, DuPont) Grubość: 75μm Wydział Wydział Elektroniki Mikrosystemó Mikrosystemów i Fotoniki Politechnika Wrocł Wrocławska ul. Grabiszyń Grabiszyńska 97, Wrocł Wrocław Zasady projektowania szablonów (1) Wydział Wydział Elektroniki Mikrosystemó Mikrosystemów i Fotoniki Politechnika Wrocł Wrocławska ul. Grabiszyń Grabiszyńska 97, Wrocł Wrocław 11

12 Zasady projektowania szablonów (2) Objęto tość pasty lutowniczej zależy y głównie g od wymiarów w otworu w szablonie i grubości szablo- nu. Podczas unoszenia szablonu pasta powinna w całości ci pozostać na polu lutowniczym. Zależy y to od trzech czynników: powierzchni i współczynnika kształtu tu otworu, geometrii bocznych ścianek otworu, wykończenia bocznych ścianek Współczynnik otworu. kształtu = W/T Iloraz powierzchni = LW/2T(L + W) Zalecane wartości: Współczynnik kształtu - >1,5; Iloraz powierzchni - >0,66 Jako zasadę trzeba przyjąć ąć, że e powierzchnia otworu w szablonie musi być nieco mniejsza niż powierzchnia pola lutowniczego (mniejsze problemy z przesunięciem szablonu, mniejsza szan- sa znalezienia się pasty poza polem lutowniczym co zwykle prowadzi do mostkowania i solder balls ). Pożą żądane sąs także e pewne modyfikacje kształtu tu (zaokrąglone ul. Grabiszyńska narożniki ska niki 97, otworu) Wrocław Zasady projektowania szablonów (3) W celu ograniczenia solder balls podczas lutowania elementów biernych otwór r kształtuje tuje się tak by zmniejszyć ilość pasty, która może e uwięzn znąć pod elementem. 12

13 Zasady projektowania szablonów (4) Kształt t otworu w szablonie dla ele- mentów MELF i MiniMelf: Wymiary otworu muszą być dobrane do wymiarów w elementu. Kształt t otworu w szablonie dla kleju: Szablon do druku kleju ma zazwyczaj Grubość 0,15 0,2mm.. Otwór r jest umieszczony w środku pomiędzy po- lami lutowniczymi. Jego wymiary wy- noszą 1/3 odległości pomiędzy tymi polami oraz 110% szerokości ele- mentu. Zasady projektowania szablonów (5) Technologia mieszana montaż powierzchniowy/ flip chip (jednoczesne lutowanie rozpływowe elementów flip chip i elementów w do montażu powierzchniowego). Drukowanie dwustopniowe.. Najpierw druk pasty pod flip chip (grubość szablonu: 0,05 0,075mm, otwory: 0,13 0,18mm) a następnie druk pasty pod elementy do montażu u powierzchniowego (szablon z zagłę łębie- niem 0,1mm na pastę flip chip). 13

14 Zasady projektowania szablonów (6) Znaczniki w zależno ności od stosowanego systemu optycznego rozpoznawania znaczników w sąs one umieszczane albo po stronie rakla albo po stronie kontaktowej. Zazwyczaj powinny być wypełnione czarną żywicą epoksydową dla kontrastu. Typowe znaczniki mają kształt kółek o średnicy 1,0 1,5mm. Mogą być trawione częś ęściowo lub na pełną grubość szablonu a także grawerowane laserowo. Globalne znaczniki są umieszczone w odległości 5mm od narożnik ników w szablonu, w trzech miejscach. Lokalne znaczniki są umieszczone w pobliżu u krytycznych elementów w (np. QFP). Materiał: : stal nierdzewna, twardy nikiel, tworzywa sztuczne (poliuretan). Rama: : odlew aluminiowy, szablon jest klejony do ramy Wykończenie czenie: : trawienie elektrochemiczne (elektropolerowanie( elektropolerowanie), niklowanie. 14