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 Montaż płytek obwodów drukowanych 1
Montaż płytek obwodów drukowanych Rodzaje technik montażowych: Klasa A tylko elementy do montażu przewlekanego, Klasa B tylko elementy do montażu powierzchniowego, Klasa C elementy mieszane, Typ 1 elementy są rozmieszczone tylko na jednej stronie płytki, Typ 2 elementy są rozmieszczone na obydwu stronach płytki. Montaż płytek obwodów drukowanych 2
Montaż płytek obwodów drukowanych Klasyfikacja metod obsadzania POD: ręczne, automatyczne sekwencyjne, automatyczne sekwencyjnorównoczesne, automatyczne równoczesne. Kryteria elastyczności Obsadzanie POD 3
Obsadzanie POD Obsadzanie automatyczne sekwencyjne: duża elastyczność (ilość i rodzaj elementów), krótki czas przezbrajania, dwie metody - pick & place i chip shooter lub collect & place. Pick & place przenoszenie po jednym elemencie, chip shooter - przenoszenie kilku elementów i sekwencyjne ich układanie. Obsadzanie POD Klasyfikacja systemów obsadzania POD Kryterium System prosty System standardowy System wysokowydajny pick & place System wysokowydajny collect & place System wysokowydajny chip shooter System wysokowydajny Szybkość układania < 2000 2000-4000 4000-30000 10000-60000 25000-55000 100000-140000 Metoda układania sekwencyjna sekwencyjna pick & pick & place place sekwencyjna pick & place sekwencyjna głowica rewolwerowa sekwencyjna głowica rewolwerowa pick & place lub sekwencyjnorównoczesna Zmiana POD ręczna ręczna lub automatyczna automatyczna automatyczna automatyczna automatyczna Liczba rodzajów elementów < 60 60-120 60-300 80-300 80-300 100-200 Elastyczność duża bardzo duża bardzo duża bardzo duża duża mała 4
Obsadzanie POD Obsadzanie automatyczne sekwencyjno-równoczesne: kilka elementów wyjmuje się równocześnie z podajników, a następnie układa się je sekwencyjnie, ruch POD (X) i głowicy obsadzającej (Y) lub suwnica X-Y, ograniczona liczba i rodzaj elementów, szybkość ukłądania 30000 elementów/h. Obsadzanie automatyczne równoczesne: wiele głowic, z których każda pracuje w systemie pick & place lub sekwencyjno -równoczesnym, każda głowica układa tylko te elementy, które są w jej zasięgu, szybkość układania 140000 elementów/h, mała elastyczność. Wzrost szybkości układania jest okupiony mniejszą elastycznością automatu. System sekwencyjno-równoczesny Bateria głowicg pracujących cych równolegler 5
System pick & place Układanie elementów na POD jest automatyczne. POD jest transportowana na przenośniku do automatu, gdzie zostaje unieruchomiona w pozycji roboczej. Położenie POD jest precyzyjnie określane przez kamerę identyfikująca znaczniki na POD. Komputer na tej podstawie generuje poprawki w osiach X, Y i θ. Na POD powinny znajdować się 2 3 znaczniki. Elementy są przenoszone z podajników na POD przez głowicę zaopatrzoną w ssawkę podciśnieniową. Ponieważ położenie elementów w głowicy nie jest powtarzalne, więc trzeba je centrować mechanicznie lub justować optycznie. Justowanie optyczne polega na analizie obrazu elementu i generowaniu poprawek w stacji optycznej. Zarówno centrowanie mechaniczne jak i justowanie optyczne odbywa się w czasie przenoszenia elementu z podajnika na POD> System chip shooter -stacjonarna głowica rewolwerowa i podajniki 6
System chip shooter stacjonarna głowica rewolwerowa i podajniki Fuji (CP-7) TDK (RX-4A) Ocena systemu chip shooter -stacjonarna głowica rewolwerowa i podajniki Szybki ruch POD stwarza ryzyko przesunięcia elementu (ograniczenie szybkości układania dużych elementów). Nieruchome podajniki umożliwiają ich uzupełnianie bez przerywania pracy automatu. Liczba podajników jest ograniczona przez wymiary głowicy rewolwerowej. Łatwy dostęp zarówno do podajników jak i głowicy rewolwerowej. Mała dokładność pobierania z podajnika (ograniczona dokładność pozycjonowania głowicy rewolwerowej) utrudnia układanie dużych partii elementów 0402 i mniejszych. Zbyt duża liczba ssawek utrudnia ustalenie sekwencji układania zapewniającej optymalną szybkość układania. 7
System chip shooter -stacjonarna głowica rewolwerowa i ruchome podajniki System chip shooter -stacjonarna głowica rewolwerowa i ruchome podajniki Fuji 8
Ocena systemu chip shooter -stacjonarna głowica rewolwerowa i ruchome podajniki Szybki ruch POD stwarza ryzyko przesunięcia elementu (ograniczenie szybkości układania dużych elementów). Podajniki są ruchome i nie ma możliwości ich uzupełniania bez przerywania pracy automatu. Urządzenia dwu- lub czteromodułowe umożliwiają uzupełnianie podajników po wyłączeniu jednego z modułów. Ruchome podajniki utrudniają też uzupełnianie elementów podawanych luzem. Brak pozycjonowania ssawki w kierunku radialnym (w niektórych automatach) utrudnia układanie elementów 0402 i mniejszych. Łatwy dostęp zarówno do podajników, POD jak i głowicy rewolwerowej. Szybkość układania w dużym stopniu zależy od kolejności podajników. Optymalizacja jest bardzo czasochłonna. Dużą szybkość układania uzyskuje się, gdy elementy są równocześnie pobierane i układane. System chip shooter - głowica collect & place i suwnica X-Y 9
System chip shooter - głowica collect & place i suwnica X-Y Ocena systemu chip shooter -głowica collect & place i suwnica X-Y Nieruchoma POD nie stwarza ryzyka przesunięcia elementu (nie ma potrzeby ograniczania szybkości układania). Umieszczenie podajników po obydwu stronach stołu roboczego zapewnia zwartość konstrukcji automatu. Nieruchome podajniki umożliwiają ich uzupełnianie bez przerywania pracy automatu (dotyczy to także elementów podawanych luzem). Duża dokładność pobierania elementów (powtarzane uczenie systemu we wszystkich trzech osiach X, Y i Z) umożliwia układanie elementów 0402 i 0201. Możliwość szybkiej konwersji systemu na inne POD czy inne rodzaje elementów. Horyzontalne położenie osi głowicy umożliwia umieszczenie na jej obwodzie wielu ssawek. 10
System chip shooter - głowica collect & place i suwnica X-Y głowica collect & place 4 i 2 głowica głowice fine collect pitch & place na wspólnej suwnicy System chip shooter - głowica collect & place i suwnica X-Y 11
System chip shooter - głowica collect & place i suwnica X-Y Szybkość układania elementów Szybkość układania elementów oblicza się wychodząc z czasu trwania jednego cyklu pobrania i ułożenia elementu (np. SIPLACE: czas trwania cyklu 140ms, szybkość układania 25000 elem./h). 12
Wydajność automatu do obsadzania POD Wydajność automatu do obsadzania POD zależy nie tylko od szybkości układania elementów, ale i od sposobu transportu POD. Asynchroniczny transport POD umożliwia zwiększenie wydajności o 10% do 30%. Podajniki 13
Podajniki Wzrost szybkości układania elementów wymusza skrócenie cyklu podawania elementów. Układanie elementów 0402 i 0201 wymaga wysokiej precyzji podawania tych elementów. Zadaniem podajnika jest też rozdzielanie taśmy. Podajnik musi być tak skonstruowany, by mógł być szybko wymieniony. Podajniki Podajniki inteligentne przekazują do automatu obsadzającego następujące informacje: typ podajnika, dane dotyczące położenia, rodzaj elementów. Komputer automatu może szybko i niezawodnie sprawdzić, czy w podajnikach są wszystkie niezbędne do montażu POD elementy. 14
Podajniki elementów luzem Podajniki waflowe 15
Głowice i ssawki Materiały: Tworzywa sztuczne tanie lecz nietrwałe (8h 8000 cykli), Guma dobrze przylegają do powierzchni elementu, Ceramika długi czas życia (1500h 1,5mln cykli), stosowane do pobierania elementów 0201, 0402 i 0603, niezawodne, droższe niż ssawki standardowe. Dokładność układania elementów Niektóre elementy wymagają bardzo wysokiej precyzji układania: QFP i TSOP o małej podziałce (0,4mm, a nawet 0,3mm), struktury nie obudowane (flip chip) z kontaktami sferycznymi 100μm, elementy bierne 0201. Tendencje: unikanie testowania, produkcja zero błędów bez inspekcji i napraw względy ekonomiczne, statystyczna ocena niezawodności. Dokładność: różnica pomiędzy rzeczywistym a wymaganym położeniem elementu spowodowana błędami ustawienia głowicy w osiach X-Y i θ, zwichrowaniem suwnicy, błędami stacji optycznej i błędami justowania. Czynniki wpływające na dokładność układania: precyzja automatu, tolerancje wykonania i zwichrowanie POD, tolerancje wymiarów elementów, odkształcenia wyprowadzeń. Niektóre automaty mogą minimalizować wpływ tolerancji wykonania POD czy odkształceń wyprowadzeń. 16
Dokładność układania elementów Dokładność Minimalna odległość położenia f min elementu pomiędzy polami na POD lutowniczymi zależy od: dwóch równoległych elementów biernych: dokładności układania (urządzenie obsadzające), f min = W max + 2Δt + u min dokładności wzoru pól lutowniczych gdzie (producent W max maksymalna POD), szerokość ele- dokładności u min mentu, minimalna wymiarówodległość elementupo- między (producent elementami elementów). (mostki lutu!). Maksymalna Zarówno d odległość pomiędzy polami lutowniczymi max jak i f min trzeba nieco zmodyfikować biorąc d max pod zależy uwagę od ukośne minimalnej ułożenie długości elementu. l min Efektywna : długość elementu wzrasta o WsinΨ, a efektywna szerokość elementu o d max = l min 2Δt 2Δq 2s LsinΨ. Ta korekcja jest niezbędna jedynie w gdzie przypadku Δt dokładność lutowania na układania, fali. Podczas Δq dokładność rozpływowego położenia elementy podłoża, s same minimalna się pozycjonują. zakładka. lutowania (Δt Dokładność = ± 0,05mm, kątowa Δq wynosi = ± 0,2mm, zwykle s = Ψ 0,1mm). = ±3 0. Dokładność układania elementów Przykład: Element z podziałką 500μm. Tolerancje: skrzywienie wyprowadzenia: T LS = ± 70μm szerokość wyprowadzenia: T LW = ± 50μm położenie pola lutowniczego: T PP = ± 20μm szerokość pola lutowniczego: T PW = ± 20μm położenie lokalnego znacznika: T RF = ± 40μm Zakłada się, że tolerancje mają rozkład normalny. Tolerancja przesunięcia wyprowadzenie pole lutownicze: T V = T 2 LS T + 2 LW 2 + T 2 PP T + 2 PW + T = 87,3μm Przyjmując, że ELL = 1/3 LW, maksymalne dopuszczalne przesunięcie wyprowadzenia w stosunku do pola lutowniczego wynosi: gdzie P jest maksymalną odchyłką położenia. SIPLACE zapewnia ± 50μm. 2 2 RF PW LW PW LW 2 2 V = + ELL = = 118,7μm P = V TV = 80,4μm 2 2 2 6 17
Kalibracja automatu Dokładność układania elementów Moduł optyczny Dokładność układania elementów 18
Aktualny standard: 0603 (0402) Układanie elementów biernych 0201 Siła napędowa 0201: telefonia komórkowa (w Japonii masowa produkcja od 2000r, pozostali wielcy gracze na tym rynku od 2001r). Układanie elementów biernych 0201 Automatyczna drukarka szablonowa musi byś wyposażona w system korekcji położenia i urządzenie do czyszczenia szablonów. Pasta lutownicza typ 3: 20... 45μm. Prędkość rakla: 25... 35mm/s. Wymiary pól lutowniczych: 0,32 x 0,32mm. Grubość szablonu: 120μm. 0402 QFP 0201 19
Układanie elementów biernych 0201 Podawanie i pobieranie elementów 0201 jest krytyczną operacją w procesie obsadzania POD. Standardowe podajniki zapewniają dokładność pozycjonowania ± 300μm (szerokość 0201!). Niezbędna jest identyfikacja kieszeni elementu za pomocą modułu identyfikacji optycznej POD. Pozycja pobierania elementu musi być korygowana w osiach X-Y w sposób ciągły (on-line learning). Konieczne jest rozpoznawanie braku elementu na ssawce (skanowanie laserowe). Układanie elementów biernych 0201 20
Montaż elementów nietypowych Serwomechanizm z wymiennym chwytakiem Podajnik wibracyjny Elementy nietypowe Wymienne chwytaki Chwytaki głowicy wielowrzecionowej oraz stacja optyczna do kontroli położenia w locie Klejenie elementów na POD Operacje technologiczne poprzedzające lutowanie na fali w montażu powierzchniowym: dozowanie lub drukowanie kleju układanie elementów utwardzanie kleju odwracanie płytki Prześwit elementów biernych: ` 100μm Prześwit elementów SOT: 250 300μm 21
Właściwości klejów (1) Klej powinien mieć właściwości tiksotropowe! Właściwości klejów (2) Klej sąs ciałami ami binghamowskimi (plastycznymi), dodatkowo wykazującymi właściwow ciwości tiksotropowe (zależno ność od czasu). 22
Właściwości klejów (3) Lepkość kleju zależy od temperatury Stabilność długoterminowa kleju Właściwości klejów (5) 23
Technologia klejenia (1) O przydatności kleju decyduje: kolor ułatwia testowanie, oryginalne opakowanie pojemnik napełniony niony przez producenta nie powinien zawierać pęcherzyków w powietrza, mała a korozyjność klej nie może e sprzyjać korozji galwanicznej i pogorszeniu oporności powierzchniowej, stabilność masy i składu utrata masy nie powinna przekraczać 1% po 7 dniach przechowywania w temperaturze 85 0 C, rozpływno ywność, kleistość ść. Właściwości technologiczne kleju: dopuszczalny okres przechowywania jest określony przez producenta (zazwyczaj 5 miesięcy w temperaturze 5 0 C do 8 0 C), od chwili otwarcia oryginalnego opakowania do chwili użycia u kleju nie może e upłyn ynąć więcej niż 7 dni, stosunek wysokości do średnicy porcji kleju powinien wynosić 1 : 1 1 : 2, elementy powinny być układane zaraz po naniesieniu kleju i nie później p niż po 8 godzinach, możliwo liwość naprawy (bezpieczna temperatura degradacji kleju). Technologia klejenia (2) Wymiary porcji kleju zależą od rodzaju elementu elektronicznego: 24
Technologia klejenia (3) Poprzednia tabela dotyczy wymiarów w porcji kleju w temperaturze 25 0 C. Założono, ono, że porcja kleju ma kształt t cylindryczny o średnicy d i wysokości h. Wysokość i objęto tość porcji kleju: h = h 1 + h 2 V = πd 2 h / 4 Wymiary te zależą od tego, czy POD jest pokryta maską lutowniczą i czy jest zaopatrzo- na w ślepe pola pod elementami. Kontakty Ni/Au do złąz łączy klejowych 25
Kształtowanie towanie mechaniczne kontaktów w podwyższonych Kontakt Au Pd Montaż flip-chip struktur nie obudowanych Lutowanie Podkontaktowe warstwy metaliczne: TiW/Cu, Cr/Ni, Ni/Au Luty: PbSn, SnAg, AuSn,, In, inne luty bezołowiowe, owiowe, Podłoża: FR4, ceramika, giętkie Klejenie Kontakty podwyższone: Au, Ni/Au Kleje: izotropowe, anizotropowe Podłoża: szkło, FR4, giętkie Zgrzewanie termokompresyjne Kontakty: Au Podłoża: krzem, ceramika 26
Montaż flip-chip struktur nie obudowanych (klejenie) Montaż flip-chip struktur nie obudowanych (klejenie) 27
Samonastawność Elementy elektroniczne podczas lutowania rozpływowego koryguję swe położenie w stosunku do pól p l lutowniczych pod wpływem napięcia powierzchniowego lutowia (samonastawność). Napięcie powierzchniowe kleju jest za małe e (~ 35mN/m), by korygować położenie elementów. Wprawdzie nie udało o się zróżnicowa nicować zwilżalno alności pól p kontaktowych i maski lutowniczej, lecz ten efekt osiągni gnięto przez zróżnicowanie geometryczne tych obiektów zastosowano podwyższone pola kontaktowe (3D pad). 28