Krzysztof Górecki Katedra Elektroniki Morskiej C-350 Tel. 58 6901448 E-mail: gorecki@am.gdynia.pl http://www.am.gdynia.pl/~gorecki

Krzysztof Górecki Katedra Elektroniki Morskiej C-350 Tel. 58 6901448 E-mail: gorecki@am.gdynia.pl http://www.am.gdynia.pl/~gorecki Konsultacje: roda 12-13 1

Wykład Projektowanie i konstrukcja urzdze 1. Organizacja procesu wytwarzania urzdze elektronicznych. 2. Niezawodno a projektowanie, wytwarzanie i eksploatacja urzdze 3. Charakterystyka połcze elektrycznych 4. Wytwarzanie obwodów drukowanych 5. Zasady projektowania obwodów drukowanych 6. Specyfika konstruowania układów analogowych i cyfrowych 7. Monta układów z obwodami drukowanymi 8. Charakterystyka podstawowych narzdzi do komputerowego projektowania urzdze elektronicznych 9. ródła ciepła i odprowadzanie ciepła z urzdze elektronicznych 10. Problemy zakłóce w aparaturze i systemach elektronicznych 11. Podstawy ergonomii. dopasowanie urzdze do cech uytkowników 12. Utylizacja zuytych urzdze elektronicznych Projekt Opracowanie pisemne dotyczce wybranego zagadnienia z zakresu Projektowania i konstrukcji urzdze. Laboratorium 1. Projekt obwodu drukowanego dla układu elektronicznego o znanym schemacie elektrycznym. 2. Opracowanie dokumentacji technologicznej wykonanego układu elektronicznego. 3. Wykonanie zaprojektowanego obwodu drukowanego. 4. Monta układu na płytce drukowanej. 2

Literatura: [1] Spiralski L., Konczakowska A.: Podstawy technologii i konstrukcji urzdze i systemów elektronicznych. W>P>P>H>U> PET-ELECTRONICS, Gdynia, 1996. [2] Michalski J.: Technologia i monta płytek drukowanych. WNT, Warszawa, 1992. [3] Kisiel R., Bajera A.: Podstawy konstrukcji urzdze elektronicznych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1999. [4] Masewicz A.: Radioelektronika dla praktyków, WKŁ, W-wa 1986. [5] Poradnik Radioamatora, WKŁ, W-wa 1985. [6] Ksikiewicz A: Elementy i podzespoły elektroniczne, WNT, W-wa 1987. [7] Konopiski T., Pac P.: Transformatory i dławiki elektronicznych urzdze zasilajcych. [8] Stepowicz W.J., Górecki K.: Materiały i elementy elektroniczne. Wydawnictwo Akademii Morskiej w Gdynia, Gdynia, 2004. [9] Kisiel R.: Podstawy technologii dla elektroników. Poradnik praktyczny. Wydawnictwo BTC, Warszawa, 2005. [10] Dbrowski J., Posobkiewicz K.: Komputerowe projektowanie obwodów drukowanych. Akademia Morska w Gdyni, Gdynia, 2010. Warunki zaliczenia Wykład - Zaliczenie pisemne z zakresu zagadnie omawianych na wykładzie. Terminy zalicze: 1. 2011-01-14 godzina 16.00 2. do ustalenia 3. do ustalenia (zaliczenie ustne) Projekt termin wydania tematu projektu 2010-10-02. Termin oddania projektu 2011-01-14. 3

Organizacja procesu wytwarzania urzdze elektronicznych. Podstawowe pojcia i definicje uywane w konstrukcji Technologia sprztu elektronicznego nauka o sposobach wytwarzania sprztu elektronicznego oraz o urzdzeniach, narzdziach i przyrzdach słucych do wytwarzania tego typu sprztu. Proces produkcyjny całokształt czynnoci zwizanych bezporednio i porednio z wytwarzaniem sprztu elektronicznego oraz przygotowaniem produkcji. Składa si z 3 etapów 1) przygotowanie produkcji 2) proces technologiczny 3) czynnoci pomocnicze przygotowanie produkcji a) opracowanie dokumentacji konstrukcyjnej b) opracowanie dokumentacji technologicznej proces technologiczny zespół czynnoci bezporednio zwizany z przetwarzaniem materiałów lub przedmiotów koczcy si wykonaniem wyrobu gotowego. operacja cz procesu technologicznego wykonana na jednym przedmiocie przez jednego lub kilku pracowników na jednym stanowisku pracy bez przerywania wykonania innej pracy operacje (ustawienia, pozycje, przejcia): - zabiegi - czynnoci - ruchy przejcie ten sam zabieg kilkakrotnie 4

czynnoci pomocnicze - zaopatrzenie - magazynowanie - transport wewntrzzakładowy - przygotowanie narzdzi Takt produkcji odstp czasu midzy wykonaniem dwóch kolejnych przedmiotów w trakcie produkcji. Trzy sposoby wytwarzania urzdze: a) produkcja jednostkowa b) produkcja seryjna (dzielona na mało-, rednio- i wielkoseryjn) c) produkcja masowa (cigła) produkcja jednostkowa -pojedyncze przedmioty w małych ilociach (np. zakłady dowiadczalne) produkcja seryjna setki lub tysice przedmiotów przy produkcji wielko- i rednioseryjnej musi by bardzo dobrze przygotowana dokumentacja technologiczna produkcja masowa (cigła) produkcja wyrobu przez długi okres produkcja potokowa (czas operacji = czas produkcji) 5

Droga od koncepcji urzdzenia do jego realizacji i utylizacji 6

Proces konstruowania urzdze: o Sprecyzowanie wymaga technicznych i ekonomicznych, o Opracowanie schematów ideowych i obliczenia poszczególnych elementów, o Analiza wraliwoci urzdzenia, o Obliczenia i wykonanie konstrukcji mechanicznej, o Obliczenia niezawodnoci, o Opracowanie programów bada urzdzenia, o Opracowanie dokumentacji konstrukcyjnej i technologicznej, o Przeprowadzenie bada na modelu i prototypie, o Weryfikacja dokumentacji elektrycznej i mechanicznej. Składniki dokumentacji konstrukcyjnej: o Schematy elektryczne, o Rysunki zestawieniowe urzdzenia, o Rysunki zespołów urzdzenia i wszystkich jego czci, o Wykaz materiałów i podzespołów, o Plan procesu technologicznego. Wybór rozwizania technicznego podyktowany jest przeznaczeniem sprztu i przewidywanymi warunkami jego eksploatacji. 7

Klasyfikacja urzdze ze wzgldu na przeznaczenie: o Elektroniczny sprzt powszechnego uytku szeroki krg odbiorców; produkcja wielkoseryjna; konstrukcja musi uwzgldnia zmieniajce si upodobania odbiorców i niefachow obsług, o Elektroniczne urzdzenia profesjonalne wski krg odbiorców; produkcja małoseryjna; fachowa obsługa; łatwy dostp do wszystkich elementów urzdzenia, ułatwiajcy serwis o Elektroniczne urzdzenia specjalne - wski krg odbiorców; produkcja jednostkowa; przystosowane do trudnych warunków uytkowania. Klasyfikacja urzdze ze wzgldu na sposób i warunki uytkowania: o Przenone, o Stacjonarne, o Przewone, o Morskie, o Samolotowe. Naraenia rodowiskowe niekorzystny wpływ wybranego czynnika rodowiska na właciwoci urzdzenia Urzdzenie charakteryzuje si okrelon: o Odpornoci czyli zdolnoci do poprawnej pracy urzdzenia w czasie działania okrelonego naraenia rodowiskowego, o Wytrzymałoci czyli zdolnoci do podjcia przez urzdzenie poprawnej pracy po ustpieniu okre- lonego naraenia rodowiskowego 8

Klasyfikacja narae rodowiskowych ze wzgldu na ich ródło: o Klimatyczne, o Korozyjne atmosferyczne, o Radiacyjne, o Biotyczne (od organizmów ywych), o Mechaniczne, o Antropogenne. Temperatura wntrza = temperatura otoczenia + przyrost temperatury spowodowany przez samonagrzewanie Pod wpływem temperatury zmieniaj si właciwoci elementów i układów elektronicznych. Zmiany te mog by odwracalne lub trwałe (nawet powodujce uszkodzenia). Dlatego producenci elementów elektronicznych podaj dopuszczaln warto mocy wydzielanej w elemencie. Jej warto jest malejc funkcj temperatury. 9

Kady element ma pewn maksymaln dopuszczaln temperatur pracy. Istotne jest skuteczne odprowadzanie ciepła wydzielanego w elemencie do otoczenia. Stosuje si specjalne konstrukcje obudów, radiatory oraz układy wspomagajce konwekcj, np. wentylatory. Wzrost wilgotnoci powoduje spadek rezystancji powierzchniowej materiałów izolacyjnych, zmniejszajc ich wytrzymało napiciow. Zanieczyszczenia atmosferyczne powoduj korozj metali, zwikszajc rezystancj połcze, a pył uszkadza elementy ruchome przełczników i umoliwia niepodany rozwój mikroorganizmów. Naraenia radiacyjne: o Promieniowanie słoneczne wzrost temperatury układu, o Promieniowanie jonizujce zaburzenie działania monolitycznych układów scalonych spowodowane generacj dodatkowych par elektron-dziura, a nawet do zniszczenia tych układów. Naraenia mechaniczne: o Stałe, wywołane siłami odrodkowymi lub startem i ldowaniem pojazdów lotniczych i kosmicznych, o Impulsowe, wywołane udarami i upadkami transportowymi, o Przemiennymi, wywołanymi wibracjami pochodzcymi od maszyn pracujcych w pobliu. Naley tak dobiera rozmiary obudów, aby ich czstotliwo drga własnych była duo mniejsza od czstotliwoci oczekiwanych wibracji. Producenci podaj kategori klimatyczn elementów i urzdze w postaci 3 liczb, charakteryzujcych przeprowadzone badania klimatyczne. Liczby te okrelajcych kolejno temperatur tzw. próby zimna, temperatur tzw. próby ciepła oraz ilo dób naraenia na wilgotne gorco. Przykładowo oznaczenie 40/085/04 10

oznacza temperatur próby zimna równ -40 o C, temperatur próby ciepła równ 85 o C oraz 4 doby pracy w warunkach wilgotnego gorca. Normy okrelaj szczegółowo sposób realizacji bada odpornoci urzdze elektronicznych na naraenia klimatyczne 11

Wymagania: Minimalna rezystancja Maksymalna odporno na zakłócenia Maksymalna odporno na działanie rodowiska Moliwo automatyzacji procesu łczenia Stało parametrów połczenia w czasie Na jako połczenia wpływa: Stan łczonych powierzchni Siła nacisku w trakcie wykonywania połczenia Połczenia elektryczne Rezystancja przewenia zwizana jest z liczb i powierzchni styków (chropowato powierzchni) im mniej styków, tym wiksza rezystancja Std zaleca si gładkie powierzchnie łczonych elementów Na powierzchni metali wystpuj warstwy izolacyjne (tlenki i siarczki) oraz wystpuje efekt pełzania. Jego szybko zaley od warunków atmosferycznych i nacisku na powierzchnie styku oraz składu otaczajcej atmosfery, np. Ag 2 S przemieszcza si z prdkoci 8 µm/h a Cu 2 S 0,5 µm/h. Przy lutowaniu tlenki i siarczki naley usun przed lutowaniem. Przy połczeniach naciskowych, due cinienie niszczy warstwy izolacyjne. Nacisk powinien by jak najwikszy. Przy połczeniach rozłczalnych wykorzystuje si materiały nie ulegajce wpływom rodowiska i nie cierajce si szybko, np. złoto, pallad. Kryterium uszkodzenia połczenia jest zmiana jego rezystancji o wicej ni 10%. 12

Rezystancja połczenia jest sum: Rezystancji łczonych metali R M Rezystancji przewenia (wynika z chropowatoci powierzchni) R P Rezystancji izolacji (zaley od łczonych materiałów, warunków atmosferycznych i siły nacisku) R I Przy prawidłowo wykonanym połczeniu powinna decydowa R M, natomiast R P (0,13;0,18) mω oraz R I (0,01;0,1) mω Połczenia elektryczne dzieli si na: a) rozłczalne: przełczniki wtyki połczenia lizgowe połczenia dociskowe b) stałe lutowane owijane zaciskane obwody drukowane Połczenie owijane Stałe, naciskowe (łczenie kocówek montaowych odpowiednim drutem) 13

Owinicie kilku zwojów odizolowanego przewodu dookoła kocówki montaowej posiadajcej co najmniej 2 ostre krawdzie. Siła nacisku wywieranego na przewód w trakcie owijania powoduje powstawanie szeregu odcisków na powierzchni stykajcych si (przewód i kocówka montaowa). Powstaje styk metaliczny o dobrych własnociach elektrycznych. Warto siły nacisku owijarki, twardo kocówki montaowej i rednic przewodu oraz liczb zwojów dobiera si tak, aby powierzchnia odcisków była wiksza od przekroju zastosowanego przewodu. 1 2 3 1 kocówka montaowa, 2- przewód bez izolacji, 3 przewód w izolacji Przekroje kocówek montaowych 14

Rodzaje połcze: 1) ze wzgldu na sposób wykonania a) połczenie zwykłe (druty odizolowane) b) połczenie modyfikowane (dodaje si na kocu 1 lub 2 zwoje izolowane), bardzo odporne na wibracje; zmniejsza moliwo pkania przewodów na kocu 2) ze wzgldu na wymiary a) połczenia normalno wymiarowe: dla rednicy drutu >0.5 mm; Ø kocówki > 1.2 mm b) miniaturowe: Ø drutu < 0.5 mm; Ø kocówki < 1.2 mm Połczenia wykonuje si owijark. Bardzo dua niezawodno; Na 1 kocówce max 3 połczenia Mona niszczy 10 razy a b 1:1 1:2 1:3 Wymiary kocówki rednica przewodu montaowej [mm] [mm] 0,5 0,5 0, 25 0,8 1,6 2,5 0, 8 1,0 1,0 0,25 0, 69 Rozstaw kocówek dostosowany do rastra 15

Stosowany głównie w układach cyfrowych Typowe długoci kocówek 13 mm (miniaturowe), 19 mm (normalne) Kocówki: z brzu fosforowego; z mosidzu pokryte Au, stop Sn-Pb Parametry połczenia: minimalna rednica przewodu, minimalna siła nacigu, minimalna liczna zwojów przewodu min. liczba minimalna siła cigania Rezystancja połczenia [mω] zwojów d [mm] [N] min max prd pom [A] 0,25 9 18 2 4 1 0,32 8 23 1,6 2 2 0,51 7 32 1,2 1,7 2,4 0,8 6 37 0,4 0,54 2,5 Powierzchnia styków > 2 x. powierzchnia przekroju drutu Np. d = 0.51 mm S = 0.203 mm 2 4 zwoje (16 odcisków) 0.25 mm 2 7 zwojów (28 odcisków) 0.406 mm 2 Połczenie owijane modyfikowane pracuje w temperaturze do 70 o C przez 10 lat 16

Połczenia zaciskane Zaciska si łczony przewód (mikki) wewntrz kocówki montaowej (twardej). Nastpnie przekroczenie granicy plastycznoci, metal dokładnie wypełnia kocówk montaow, tworzc na granicy styku dobre połczenie. Zastosowanie: a) łczenie przewodów współosiowych b) łczenie przewodów z elementem kocowym, np. styk do włcznika Zalety: a) zakres przesyłanych prdów od µa do ka b) zakres napi od mv do kv c) odporne na złe warunki atmosferyczne d) mała i niezmienna w czasie rezystancja styku Rodzaje: a) zwykłe (w kocówce zaciska si tylko przewód) b) modyfikowane (zaciska si przewód wraz z izolacj) bardzo odporne na urwanie i złamanie c) otwarte (z blachy) d) zamknite (wytoczone) e) dwuwgniotowe do otwartej kocówki montaowej 17

f) zawinite do otwartej kocówki montaowej g) czterowgniotowe do zamknitej kocówki montaowej Przykład połczenia modyfikowanego do otwartej kocówki montaowej 2 3 4 1 1 przewód bez izolacji 2 przewód w izolacji 3 zacisk do przewodu bez izolacji 4 zacisk do przewodu w izolacji 18

Typowe naciski przy łczeniu: 700 N/mm 2 Materiały kocówki: mosidz, brz fosforowy, brz berylowy Pokrycia: stop Sn-Pb, Au, Ni R styku 0.02 mω Zalecana wysoko wgniotu = 1.25 mm 19

Połczenia lutowane Lutowanie jest to łczenie metali przy pomocy innego metalu o niszej temperaturze topnienia ni łczone metale. Metalem lutujcym jest zawsze stop cyny i innych metali, jak ołów, srebro, mied, nazywany potocznie cyn (lutem) do lutowania. W przypadku elektroniki uytkowej łczymy ze sob miedziane pola lutownicze na płycie elektronicznej z wyprowadzeniami komponentów. Lutem do lutowania jest cyna w drucie (lutowanie rczne) lub cyna w sztabach do lutowania na fali i pasta do lutowania rozpływowego. Lutowie natomiast jest to metal lub stop metali zdolny do zwilania lutowalnych powierzchni metali, kiedy jest w fazie ciekłej. Stosuje si a) lutowanie twarde przy uyciu spoiw o temperaturze >450 o C b) lutowanie mikkie przy uyciu spoiw o temperaturze topnienia <450 o C Proces lutowania 1) roztopienie lutu; 2) nagrzanie warstw powierzchniowych łczonych metali 3) wzajemna dyfuzja metali 4) zastygnicie warstw 20

Powierzchnie łczonych metali musz by czyste (nieutlenione) Materiałem do lutowania jest lut do lutowania, który jest stopem cyny i ołowiu (lub srebra i miedzi w lutowaniu bezołowiowym) z dodatkiem topnika, którym wypełniony jest kanalik wewntrz drutu. Stosujemy drut cynowy z topnikiem w rodku, który pod wpływem nagrzania wypływa wczeniej ni stopiona cyna i pokrywa elementy lutowane. Topnik jest rodzajem kwasu, który czyci powierzchnie, kiedy zostan one podgrzane. Najlepiej lutuj si Cu, Ag, Au Gorzej Pb i Zn Najgorzej Al. Lutowie: Stop Sn-Pb W zalenoci od składu procentowego zmienia si temperatura topnienia. 21

W zalenoci od udziału Sn okrela si rodzaj lutowia LC 60 (60 % Sn) LC 63 stop eutektyczny temperatura topnienia 183 o C Właciwoci lutu LC63: a) niska temperatura topnienia b) moliwo szybkiego uzyskania połczenia o strukturze drobnoziarnistej jednoczenie we wszystkich miejscach. c) Dobra zwilalno wikszoci lutowanych elementów d) Dobre właciwoci mechaniczne e) Przy lutowaniu Cu tworzy si mniej zwizków midzymetalicznych f) Taszy od lutów o wikszej zawartoci Sn Stosuje si dodatki (do 2 %) Ag wolniejsze utlenianie spoiw Sb (Antymon) mniejsza temperatura topnienia Cu słabiej rozpuszczaj si groty lutownicze w lucie Postacie lutów: - odlewane gski - sztaby - prty - druty - proszki - blachy - folie - kształtki 22

rodzaje lutów: a) stałe b) pasty (półstałe) c) ciekłe Charakterystyka lutowania bezołowiowego Lutowanie bezołowiowe jest wymagane przez dyrektyw Unii Europejskiej podyktowan wzgldami ochrony rodowiska. Nie zezwala ona na uycie ołowiu i innych substancji niebezpiecznych jak poniej w urzdzeniach elektrycznych i elektronicznych od 01 lipca 2006 (regulacja RoHS i WEEE z grudnia 2002) [2]. RoHS - obejmuje restrykcje dotyczce substancji niebezpiecznych regulacja Unii Europejskiej, a WEEE - restrykcje dotyczce odpadów z przemysłu elektronicznego. W dyrektywie RoHS bardzo dokładnie okrelone s zawartoci substancji niebezpiecznych w stosunku do wagi substancji jednorodnych produktu, nie dajcych si ju dalej rozłoy. S to: a) Ołów - Pb 0,1% b) Kadm - Cd 0,01% c) Rt - Hg 0,1% d) Chrom - Cr VI 0,1% e) Polibromowane bifenyle - PBB 0,1% f) Polibromowane etery difenyli - PBDE 0,1% W zwizku z tym zostały wybrane nowe stopy lutownicze do procesu bezołowiowego tzw. LeadFree, a komponenty i inne materiały uywane w procesie, a zwłaszcza te, które s czci produktu, musz spełnia wa- 23

runki dyrektywy. Nie mog one zawiera szeciu w/w substancji. W tabeli 1 s przedstawione trzy typowe stopy lutu stosowane do lutowania na fali oraz lutowania rozpływowego oraz ich skład chemiczny. Tabela 1. Typowe stopy lutu stosowane w lutowaniu rozpływowym oraz na fali. Metal Stop 3 lutowanie rozpływowe Stop 1 lutowanie Stop 2 lutowanie falowe (SAC305) falowe (SACX0307) (SAC405) Cyna (Sn) 96.5% 99% 95.5% Srebro (Ag) 3.0 % 0,3 % 4.0 % Mied (Cu) 0.5% 0.7% 0.5% Główn rónic pomidzy stopami ołowiowymi SnPb a stopami bezołowiowymi PbFree jest temperatura topnienia. Dla stopu ołowiowego SnPb wynosi ona od 178 do 185 C, a dla stopu bezołowiowego PbFree od 217 do 223 C. Wskutek wyszych temperatur topnienia, procesy lutowania falowego i rozpływowego musz by przeprowadzane w wyszych temperaturach. Komponenty i sprzt (maszyny, piece, lutownice) musz wytrzyma i utrzymywa te wysze temperatury. Zadaniem powłok na polach lutowniczych płytek drukowanych jest zapobieganie utlenianiu miedzi w czasie midzy wykonaniem a montaem zespołu na płytce drukowanej. Obecnie na rynku wiatowym dostpnych jest wiele bezołowiowych powłok płytek drukowanych. Stosuje si do tego celu: złoto, złoto na podwarstwie niklu, srebro, cyn immersyjn. Powłoki organiczne (OSP) s stosowane najczciej w produkcji wielkoseryjnej szczególnie w Japonii i innych krajach azjatyckich [3]. 24

Nie wolno stosowa stopu cyna-ołów dla produktów bezołowiowych. Mona zaobserwowa mniejsze zwilanie spodziewane na płytach z pokryciem organicznym z dodatkiem miedzi (OSP Cu) oraz znaczne zaółcenie obserwowane na płytach z pokryciem immersyjnym srebrem (Imm Ag) po podwójnym lutowaniu rozpływowym lub po naprawach. Akceptowalnym pokryciem nóek komponentów jest stop cyna-srebro (SnAg), cyna- srebro-mied (SnAgCu), nikiel-pallad (NiPd) oraz czysta cyna. Nie wolno uywa pokry cyn (Sn) w niektórych aplikacjach ryzyko wystpienia kryształów włosowych tzw. tin whiskers. Kryształy włosowe rosn w temperaturze pokojowej i mog powodowa zwarcia. Szczególnie podatna jest na nie cyna. Notowano nawet kilkumilimetrowe przyrosty w cigu roku. W warunkach czciowej próni ostre fragmenty staj si, np. miniaturowymi elektrodami do wyładowa.samochodowe układy elektroniczne (kierowanie, hamowanie, poduszki powietrzne itd.) s odpowiedzialne za bezpieczestwo, projektowane s na bezawaryjne działanie przez ponad 10 lat w temperaturze otoczenia - zagroenie kryształami włosowymi jest tam bardzo due. Aby przeciwdziała wystpowaniu kryształów włosowych stosuje si matowe pokrycia cyn (Sn) zamiast połyskliwych, stosuje si barier niklow (Ni) oraz grubsze pokrycia cyn (Sn). 25

Z kolei, kleje s uywane w procesie lutowania rozpływowego, aby zamontowa komponent do laminatu i musz by odporne na wysze temperatury lutowania na fali i lutowania rozpływowego. Niektóre kleje mog nie spełni tych wymaga, ale klej, Loctite 3615 jest dostosowany do procesu lutowania bezołowiowego. Wymagania dotyczce jakoci kleju to przede wszystkim dua odporno na wysokie temperatury oraz zabezpieczenie elementów przed odpadaniem z płytki. W stosunku do materiałów uywanych w procesie lutowania ołowiowego, bezołowiowe tzw. LeadFree sztabki maj inny kształt, inne logo oraz zielone oznaczenia symbolizujce, e jest to produkt bezołowiowy. Bezołowiowa pasta charakteryzuje si tym, i jest w zielonej tubie i równie posiada logo produktu bezołowiowego. 26

Bezołowiowa cyna jest nawinita na zielon szpulk z logo produktu bezołowiowego. Do rcznego lutowania w procesie bezołowiowym zaleca si stosowanie lutu zawierajcego cyn-srebromied (od 3 do 4% Ag). Temperatura grota lutowniczego powinna zawiera si w przedziale od 380 C do 27

420 C. Natomiast czas samego lutowania nie powinien o ile to moliwe przekracza 5 sekund. W tym wypadku konieczna jest wzmoona uwaga techników naprawiaczy, gdy dłuszy kontakt lutownicy z polem lutowniczym moe by konieczny do naprawy, a w konsekwencji mog odkleja si cieki i pola lutownicze. Nie s wymagane specjalne techniki lutowania w procesie bezołowiowym, jednak im wicej dowiadczenia, tym lepsza jako lutowania. Topniki kalafoniowe oraz estry z aktywatorem Temperatur wybiera si za wzgldu na: a) grubo lutowia b) skład lutowia c) odporno na temperatur łczonych elementów Lutowanie a) rczne b) automatyczne - na fali - rozpływajce Lutowanie rczne: Przy duej temperaturze lutowania - krótki czas lutowania Dla obudów tranzystorów krzemowych przy temperaturze lutowania 300 o C dopuszczalny czas lutowania wynosi TO 3-10s TO 5-8s TO 18-4s Jako lutowania ocenia si na podstawie kta zwilenia 28

o α[ ] 50 40 30 20 10 zla zadawalajaca dosc dobra dobra bardzo dobra 2 3 4 5 6 7 Lutowanie na fali W pojemniku znajduje si fala lutowania Powierzchnia zwilzona [cm 2 ] Prdko przesuwu 2 2,5 cm/s Temperatura 200-230 o C Fazy lutowania 29

1) Podgrzewanie wstpne do 80 95 o C (nadmuch gorcego powietrza) 2) Lutowanie przy przejciu przez wierzchołek fali; płytki pod ktem 5 8 o wzgldem poziomu (nie ma sopli i mostków) 3) Studzenia płytek (nadmuch powietrza) Wytrzymało połcze na zniszczenie 50 N wyprowadzanie punkt lutowniczy (płytka jednostronna) 100 N wyprowadzenie - otwór metalizowany Lutowanie rozpływowe 1) Naniesienie pasty lutowniczej na punkty lutownicze 2) Roztopienie lutowia zawartego w pacie Sposoby lutowania: a) radiacyjne b) kondensacyjne c) konwekcyjne d) kondukcyjne e) laserowe radiacyjne roztopienie lutowia w wyniku nagrzania promieniami podczerwonymi kondensacyjne nagrzewanie w parach nasyconych cieczy Rodzaje połcze lutowanych: 1) lutowanie kocówkowych i bezkocówkowych elementów elektronicznych, 30

a) lutowanie wyprowadze z otworami metalizowanymi, b) lutowanie wyprowadze do zwykłych pól lutowniczych, c) lutowanie wyprowadze kocówkowych i bezkocówkowych do powierzchniowych pól lutowniczych 2) Lutowanie przewodów do kocówek montaowych, kontaktów złcz, podstawek lub łczówek Charakterystyka procesów lutowania Proces lutowania rozpływowego Proces lutowania rozpływowego (tzw.reflow) polega na tym, e płyta drukowana z przyklejonymi komponentami jest automatycznie transportowana do pieca grzewczego. Zadaniem pieca jest rozpuszczenie pasty lutowniczej i przylutowanie elementów oraz utwardzenie kleju znajdujcego si pod komponentami. Piec do lutowania rozpływowego powinien zawiera 7 stref grzewczych, które wyposaone s w grzałki i wentylatory wymuszajce wewntrzny obieg gorcego powietrza kierowanego na płyt. Dla prawidłowego przebiegu procesu lutowania rozpływowego wymagane jest zachowanie odpowiednich temperatur w strefach grzewczych pieca, w przedziale od 90 do 280 C. Temperatury w piecu grzewczym dla utwardzania kleju pod komponentami s nisze i nie mog przekroczy 155 C. W kocowej czci pieca znajduj si strefy chłodzenia obniajce temperatur płyty. Maszyna posiada dwa otwory wentylacyjne z wyprowadzeniem na dach budynku. Ze wzgldu na bezpieczestwo uytkowania, zastosowane wentylatory s wykonane w specjalnej wersji przeciwwybuchowej. Piec wyposaony jest w transporter, który przesuwa płyty wzdłu jego długoci W piecu istnieje moliwo płynnej regulacji prdkoci i szerokoci rozstawu łacucha transportujcego płytki. Przed rozpoczciem produkcji, dla uzyskania prawidłowego rozkładu temperatur, ustawia si profil temperaturowy pieca. W tym celu przez piec przepuszcza si urzdzenie pomiarowe profilomierz z podłczonymi do płyty testowej termoparami. Do ustawienia prawidłowego profilu temperaturowego w piecu, wykorzystuje si takie parametry jak: temperatura w strefach grzewczych, prdko transportu płyt, regulacja cigu powietrza. 31

Rozkład temperatury w procesie lutowania rozpływowego Rysunek przedstawia czasowe zalenoci takich parametrów procesu lutowania jak: - maksymalna temperatura topnienia pasty lutowniczej T P max - minimalna temperatura topnienia pasty lutowniczej T P min - maksymalna temperatuta wygrzewania T E max - szybko narastania temperatury w fazie wygrzewania (szok termiczny) - szybko narastania temperatury w fazie topnienia pasty - szybko opadania temperatury w fazie krzepnicia lutu - czas wygrzewania t E - czas przejcia ze strefy wygrzewania do strefy topnienia t M - czas przebywania płytki w strefie temperatur powyzej 200 C t R 32

Na kolejnym rysunku ukazany jest przykład profilu temperaturowego do lutowania rozpływowego w przedsibiorstwie Jabil Circuit Poland Sp. z o.o. Profil lutowania rozpływowego w danym przedsibiorstwie Jabil Circuit Poland Sp. z o.o. 33

Czynniki procesu lutowania: T P max, T P min, T E max,,,, t E, t M, t R s ze sob bardzo powizane i decyduj o prawidłowym przebiegu procesu lutowania rozpływowego, natomiast ich dopuszczalne wartoci przedstawia tabela 2. Tabela 2. Dopuszczalne wartoci parametrów procesu lutowania rozpływowego Parametr Warto Uwagi Typowa warto α 10 C/s Okrelone tylko przez komponenty 0.7 3 C/s β 10 C/s Okrelone tylko przez komponenty 1 4 C/s χ (dla T>T liq ) 10 C/s Okrelone tylko przez komponenty 2-4 C/s T E max 200 C Dla produkcji masowej lub dla płyt złoonych 180-190 C 2 t E 60 sekund Jeli niemoliwe, < 180 sekund 60-180 s T Liq 217 C Temperatura rozpływu - t R 90 sekund Przewanie 50-75 sek. dla Tp w granicach 240 C 30 90 s 120 s W powizaniu ze szczytow temperatur minimaln 45 120 s równ 230 C tp max 360 s 240-300 s T P min 235 C I. NAJWANIEJSZY PARAMETR PROCESU 230 235 C 230 C Dla minimum 5 s T P max 280 C W przypadku lutowania strony B płyt dwustronnych z pokryciem organicznym (OSP). 240 260 C najczciej 250 C Wartoci zaznaczone pogrubion czcionk róni si od wartoci dla lutowania ołowiowego. 34

Wymagania przedstawione w tabeli 2 s wane dla płyt drukowanych, pasty lutowniczej i procesu lutowniczego. Wymagania dla komponentów s w wikszoci bardziej cisłe (zwłaszcza dla układów scalonych) i dlatego komponenty i płyty okrelaj maximum wartoci α, β i χ. Std naley sprawdzi czy wszystkie komponenty w produkcie wytrzymuj powyej podane temperatury / czasy i przyrosty temperatur. Jeli wystpuj na płycie komponenty z wikszymi wymaganiami, piec do lutowania rozpływowego musi by zaprogramowany zgodnie w tymi wymaganiami. Iloraz temperatur T P min / T P max wikszy od 0,75 jest wymagany, aby doprowadzi lutowie do stanu ciekłego. Minimalne szczyty temperaturowe, w których moe odbywa si lutowanie (minimalna temperatura topnienia pasty lutowniczej) to 205 C dla stopów ołowiowych SnPb i 235 C dla stopów bezołowiowych daj akceptowalne złcza lutownicze. Z uwagi jednak na zmiany temperatur w piecach i rónice w pomiarach, temperatury te powinny wynosi 210 C dla stopów ołowiowych SnPb i 235 C dla stopów bezołowiowych. Jeli jest trudno osign 235 C jako minimaln temperatur z powodu ogranicze komponentowych, dozwolony jest minimalny szczyt temperatury równy 230 C przez minimum 5 sekund. W przypadku płyt z pokryciem OSP maksymalny szczyt temperaturowy - maksymalna temperatura topnienia pasty lutowniczej (T p ) to 240 C, jest konieczny podczas lutowania pierwszej strony płyty dwustronnej. Wysze temperatury szczytowe pogarszaj lutowalno pól lutowniczych drugiej strony do lutowania. Dla drugiego i ostatniego rozpłynicia pasty lutowniczej w procesie lutowania rozpływowego temperatura 250 C jest dopuszczalna. Naley jednak dy do temperatury maksymalnej równej 245 C. W atmosferze azotu lub w przypadku płyt złoconych Ni-Au lub cynowanych, wysze wartoci maksymalne temperatury lutowania dochodzce do 280 C s dozwolone dla wszystkich sytuacji. Naley jednak unika zbyt wysokiej temperatury, rzdu 280 C z powodu ryzyka uszkodzenia komponentów. 35

W Jabil Circuit Poland Sp. z o.o. do lutowania rozpływowego stosowany jest piec XPM 1030 firmy Vitronics Soltec. a) b) Rys. a) Widok pieca do lutowania rozpływowego b) przejazd płyty przez piec lutowniczy Piece lutownicze stosowane zarówno w procesie lutowania rozpływowego, jak i lutowania na fali posiadaj wycig majcy dwa wloty na pocztku i kocu pieca połczone izolowanym kanałem wentylacyjnym z wyprowadzeniem na dach budynku, zakoczonym wentylatorem wycigowym w specjalnej wersji przeciwwybuchowej. Wyłczniki awaryjne słu do natychmiastowego zatrzymania pracy pieca w sytuacjach awaryjnych. Dołczony monitor i klawiatura umoliwiaj sterowanie rónymi funkcjami pieca. Zastosowany transporter płyt przenosi je poprzez cał długo pieca, posiada moliwo płynnej regulacji prdkoci i szerokoci rozstawu szyn transportowych. Natomiast strefa grzewcza jest wyposaona w grzałki i wentylatory wymuszajce wewntrzny obieg gorcego powietrza kierowanego na płytk PCB. Strefa chłodzenia jest wykorzystywana w celu obnienia temperatury płytki PCB po lutowaniu, posiada ona zamknity obieg cieczy chłodzcej, w którym przepływ jest wymuszany przez pomp, a krca ciecz jest schładzana dziki klimatyzatorowi. 36

4.2. Proces lutowania na fali Proces lutowania na fali (tzw. wave) polega na połczeniu elementów bez ich nadtapiania za pomoc dodatkowego metalu (spoiwa lutowniczego) o temperaturze niszej ni temperatura topnienia metali, z których s wykonane te elementy [9]. Płyta z zamontowanymi elementami elektronicznymi, jest transportowana automatycznie do maszyny lutujcej widocznej na poniszym zdjciu, gdzie nastpuje lutowanie powierzchniowe. Poniszy rysunek ukazuje piec do lutowania na fali. Rys. Piec do lutowania na fali 37

Aby ułatwi lutowanie powierzchniowe, na drukowane cieki pól lutowniczych płyty, za pomoc dysz, nanoszony jest topnik, zapobiegajcy take powstawaniu zwar lutowniczych. Wygrzewanie płyty elektronicznej, ma za zadanie odparowanie lotnych zwizków topnika oraz wyeliminowanie szoku termicznego, wynikajcego ze zbyt gwałtownej zmiany temperatur. Skutkiem takiego szoku termicznego, moe by pknita obudowa elementu elektronicznego. Tak przygotowana płyta elektroniczna transportowana jest nad powierzchni roztopionej cyny, która za pomoc pomp, jest przelewana przez metalow przegrod, dajc efekt fali. W czasie lutowania na fali, wszystkie wolne pola lutownicze s pokrywane warstw cyny, a znajdujce si na nich elementy przylutowane do pól lutowniczych obwodów drukowanych. Przy lutowaniu na fali w technice bezołowiowej topnik moe by podawany za pomoc dyszy natryskowej. W lutowaniu bezołowiowym zalecane jest uycie metody natryskowej ukazanej na rysunku. Rys. Dysza natryskujca topnik Dy si do zmiany typów topników na bardziej aktywne, odpowiadajce nowym wymaganiom lutowania bezołowiowego, w tym topniki wodne. Nastawy podgrzewania powinny odpowiada rodzajowi uywanego topnika. Wprowadzenie lutowania bezołowiowego nie zmienia nic w tym zakresie. Decyduje typ topnika. 38

Topnik powinien by równo rozłoony na powierzchni płyty. Dlatego musi on by odparowany za pomoc zestawu grzałek w pierwszej strefie podgrzewania, osigajc tam temperatur min. 65 70 C. To zapobiega przemieszczaniu si topnika po płycie pod wpływem gorcego powietrza w dalszych strefach podgrzewania. Natomiast dla topników wodnych podgrzewanie musi by wysze. Jeli nie, grozi to pojawieniem si kuleczek cyny na płycie. Nastawy procesowe dla maszyn Soltec Delta 6622CC i maszyn Electra dla procesów lutowania ołowiowego SnPb i lutowania bezołowiowego podano w tabeli 3. Maszyny musz by w wersji bezołowiowej. Oznacza to, e konieczna była wymiana w maszynach uywanych do lutowania ołowiowego wszystkich czci majcych kontakt z ołowiem (wanna lutownicza, dysze, pompy). Dy si do tego, aby do tego procesu lutowania bezołowiowego kupowa nowe maszyny, jeli obecnie stosowane nie s w stanie spełni wymogów zakładanych w lutowaniu bezołowiowym. Tak te postpowano, w Jabil Circuit Poland Sp. z o.o., aby w miar moliwoci wymieni stare maszyny do lutowania na nowe zgodne z normami i specyfikacjami procesu lutowania bezołowiowego. Parametr Tabela 3. Zestawienie parametrów maszyn lutowniczych do lutowania na fali Otwory w płytach jednostronnych Otwory metalizowane Temperatura lutowia SnPb Pb Free Głboko zanurzenia dla płyt o gruboci 1.6 mm I fala II fala 250 ± 3 C 260 + 5 C 1.6-2.4 mm 0.8-1.6 mm 250 ± 3 C 260 + 5 C 1.6-2.4 mm 0.8 1.6 mm 39

Głboko zanurzenia dla płyt o gruboci 1.0 mm I fala II fala Czas kontaktu I fala II fala total Prdko transportu SnPb SAC Azot SnPb SAC 1.0-2.4 mm 0.5-1.0 mm 0.3-0.8 sec 1.8-2.2 sec 2.1-3.0 sec 1.45 1.55 m / min 1.45 1.55 m / min Nie dotyczy 20/20/90 (max) l/min (litrów/minut) 1.0-2.4 mm 0.5 1.0 mm 0.5-1.1 sec 2.3-2.7 sec 2.8-3.8 sec 1.15 1.25 m/min 1.15 1.25 m/min Nie dotyczy 20/20/90 l/min Wartoci zaznaczone pogrubion czcionk róni si od wartoci dla lutowania ołowiowego. Preferowanym sprztem i maszynami do lutowania na fali zgodnie z polityk firmy Jabil Circuit Poland Sp. z o.o. s Electra z firmy Electrovert oraz Soltec Delta 6622 z firmy Soltec. Złcza lutownicze musz odpowiada wymaganiom zawartym w standardzie IPC-A-610D. Główn rónic midzy złczami SnPb (ołowiowymi) a złczami bezołowiowymi jest ich wygld. Złcza SnPb s bardziej połyskliwe i gładkie, a bezołowiowe matowe i ziarniste. 40

Lutowanie na fali mona podzieli na 4 podprocesy: 1. Transport płytki 2. Nakładanie topnika 3. Podgrzewanie 4. Lutowanie 1.Automatyczny transport płytek jest moliwy: a) Za pomoc ramek lub palet b) Bez palet Z kolei, nakładanie topnika moe by realizowane: - na fali, - natryskowo, - pianowo, - natryskowo z dyszy. 41

Funkcje topnika to: - Zwilanie powierzchni metali,- Transport ciepła do złczy lutowniczych,- Czyszczenie powierzchni metali,- Czyszczenie powierzchni ciekłej cyny,- Redukcja napicia powierzchniowego cyny, - Ochrona złczy przed utlenianiem w czasie lutowania,- Unikanie utleniania ciekłej cyny w złczach zanim zakrzepn, po opuszczeniu przez nie wanny lutowniczej. Podgrzewanie wstpne płyt do lutowania ma na celu: - Odparowanie czci lotnych topnika,- Aktywacj topnika,- Redukcj szoku termicznego komponentów i płytek,- Uniknicie ucieczki ciepła z wanny lutowniczej,- Moliwo zwikszenia prdkoci lutowania przez zblienie temperatury powierzchni lutowanych do temperatury lutowania. Stosuje si nastpujce metody podgrzewania płyt do lutowania: a) Konwekcja gorce powietrze (rys.32) b) Radiacja grzałki, lampy kwarcowe (rys.33) c) Kombinacja konwekcji i radiacji (rys.34) 42

Rys. Podgrzewanie gorcym powietrzem Rys. Podgrzewanie radiacyjne 43

Rys. Podgrzewanie za pomoc konwekcji i radiacji Lutowanie oraz konfiguracja fal lutowniczych. W lutowaniu na fali wystpuje jako pierwsza fala intensywna, słuca głównie do zwilania powierzchni metali (zwana take fal Chip, fal turbulentn, fal Jet). Stosowana głównie do lutowania komponentów SMD. Drug fal jest fala laminarna (zwana take fal Lambda), która ma za zadanie usuwanie zwar i nadmiaru cyny. Jeli nie ma komponentów SMD, mona lutowa tylko na fali głównej laminarnej. Typowe nastawy maszyn lutowniczych w procesie lutowania na fali wynosz: - Kt transportu tolerancja w granicach od 6,5 do 7,5 - typowa warto to 7 - Podgrzewanie zalene od typu topnika uytego w procesie typowa warto to 120 C 44

Na rysunku przedstawiony został profil temperaturowy lutowania na fali. Proces ten zaczyna si od nałoenia topnika w temperaturze ok. 20 C, które trwa ok. 20-25 sekund. Nastpnie rozpoczyna si podgrzewanie lutowia oraz płyty z komponentami do temperatury ok. 100-120 C przez czas równy ok. 50 sekund. Potem pojawia si pierwsza fala intensywna słuca do lutowania komponentów SMD, a nastpnie fala laminarna przy temperaturze ok. 240 C, usuwajca nadmiar lutowia oraz ewentualne zwarcia. Rys. Profil temperaturowy lutowania na fali Bezołowiowe lutowanie na fali wymaga w szczególnoci mniejszej prdkoci transportu płytki, aby osign właciwy czas kontaktu płyty z lutowiem. Problemem jest to, i niektóre komponenty plastikowe nie wytrzymuj temperatury lutowania bezołowiowego (rekomendowana temperatura wanny wynosi 260ºC). Wówczas mog 45

wymaga alternatywnego lutowania, np. rcznego lub selektywnego. W bezołowiowym lutowaniu na fali wystpuje wicej zwar i szpicy ni w lutowaniu ołowiowym, a płyty s bardziej gorce ni po procesie ołowiowym. Przy bezołowiowym lutowaniu na fali wymagane jest stosowanie lutu składajcego si z cyny - srebra - miedzi (SnAgCu). Temperatura wanny lutowniczej powinna zawiera si w zakresie od 260 do 265 C. Stosowanym topnikiem jest topnik firmy No-clean, Alpha Metals lub Multicore MF101. Z kolei bezołowiowe lutowanie rozpływowe charakteryzuje si take mniejsz prdkoci transportu płytek. Mog te wystpi zmiany koloru płyt i komponentów. Konieczna jest dokładniejsza kontrola temperatury w piecu grzewczym. Wiksze płyty wymagaj innych profili i nastaw dla redukcji T dla rónej wielkoci komponentów. Konieczne jest zapewnienie minimum 7 stref temperaturowych w piecu. Piece z mniejsz iloci stref mog osign temperatur 235 C, lecz z mniejsz szybkoci przyrostu temperatury. Piece typu XPM s kompatybilne z procesem lutowania bezołowiowego, a piece typu Quantis s dostosowywane do tego procesu przez zmian oprogramowania. Minimalna temperatura w bezołowiowym lutowaniu rozpływowym wynosi 235 C, a krytyczn temperatur dla komponentów i płyt jest 260-280 C. Rónice w wygldzie złczy lutowniczych w procesie lutowania rozpływowego ołowiowego i bezołowiowego. 46

a) b) Norma IPC to zbiór wymogów dotyczcych wizualnej kontroli jakoci zespołów elektronicznych. Opracowany został przez Komitet Kontroli Jakoci IPC. IPC jest stowarzyszeniem ze Stanów Zjednoczonych ukierunkowanym na polepszenie jakoci i konkurencyjnoci produktów elektronicznych. Wanym zagadnieniem zwizanym z IPC jest okrelenie klasy produktu, gdy w zalenoci od przeznaczenia urzdzenia standardy s mniej lub bardziej rygorystyczne. Standard IPC 610 D stosowany dla inspekcji złczy bezołowiowych ( LeadFree ): Złcza w lutowaniu bezołowiowym mog dawa matowy, ziarnisty wygld. Pozostałoci topnika mog dawa zaółcenia w wyszych temperaturach (rys.14). Wiksza koncentracja pozostałoci topnika moe by typo- 47

wa po procesie lutowania rozpływowego. Wygld złczy dla komponentów od rónych dostawców z rónymi pokryciami nóek moe by inny. Odkryte pola mog by spowodowane mniejszym zwileniem podłoa. Podstawowe rónice mona zaobserwowa na rysunku Gładkie i połyskliwe złcze w lutowaniu ołowiowym Matowe i ziarniste złcze w lutowaniu bezołowiowym a) b) 48

Widok zalutowania układu scalonego: a) lutowanie ołowiowe b) lutowanie bezołowiowe. Rekomendowanymi pastami w lutowaniu rozpływowym s No Clean firmy Alpha Metals Omnix oraz Water Soluble firmy Kester. Do druku pasty mona uy parametrów sugerowanych przez dostawc pasty. Rekomendowane typy rakli (przecierak) stosowane w druku pasty do lutowania rozpływowego musz by czyszczone, jeeli na tej samej linii produkcyjnej s lutowane produkty w technice ołowiowej i bezołowiowej. W procesie przygotowania do lutowania rozpływowego bardzo wana jest dokładno połoenia komponentów (błd musi by mniejszy ni 30%). Bardzo istotne jest pozycjonowanie matrycy wzgldem płyty. W procesie lutowania bezołowiowego mog wystpi nastpujce problemy zilustrowane na rysunkach. Widok odsłonitych pól lutowniczych 49

Odsłonite pola lutownicze to typowy problem w lutowaniu bezołowiowym. Rozwizywanie tego problem uzyskiwane jest na dwa sposoby: uzyskujc akceptacj klienta produktu albo zwikszajc czas i temperatur w profilu lutowania rozpływowego. Widok deformacji komponentu Deformacja komponentu wynika ze zwikszonej temperatury w lutowaniu bezołowiowym. Aby temu zapobiega naleałoby obniy temperatur lutowania lub wybra innego dostawc komponentu. Zwarcia i szpice w lutowaniu bezołowiowym 50

Przyczyn wikszej iloci zwar jest wysze napicie powierzchniowe płytki lutowanego produktu. Aby temu zapobiega konieczne jest zwikszenie temperatury w wannie lutowniczej w granicach konkretnej specyfikacji produktowej oraz sprawdzanie długoci wyprowadze komponentów. I. Połczenia lutowane wyprowadze z otworami metalizowanymi 2 1 3 4 1- metalizacja, 2 laminat, 3 lutowie, 4 kocówka montaowa lut powinien siga do koca otworu 51

II. Połczenie wyprowadze ze zwykłymi połczeniami lutowniczymi 2 1 3 4 1 - metalizacja, 2 laminat, 3 lutowie, 4 kocówka montaowa najmniejsza wytrzymało mechaniczna III. Lutowanie kocówek układów scalonych do powierzchniowych pól lutowniczych scalak przewód 1) Lutowanie przewodu w cylindryczny otwór kocówki montaowej 2) Lutowanie przewodu do otworu płaskiej kocówki montaowej Właciwoci połcze lutowniczych 1) Rezystancja 2) Odporno na naraenia technoklimatyczne 52

ad. 1. Zaley od właciwoci metali tworzcych połczenie od procesów metalurgicznych i fizyko-chemicznych zachodzcych w trakcie lutowania i po jego zakoczeniu. 2 1 4 1 3 5 1 łczone metale, 2 obszary korozji, 3 obszar dyfuzji metali, 4 warstwa midzymetaliczna, 5 lutowie Rezystancja połczenia jest sum rezystancji wszystkich warstw; powinna decydowa rezystancja lutowania. S R1 = ρ 1 [ Ω] F S powierzchnia lutowia F przekrój otworu 0,3 0,5 mω (kocówka do punktu lutowniczego) 0,8 1 mω (połczenie nakładkowe) 1 1,5 mω (elementy bezkocówkowe) 0,5 0,8 mω (przewód do płaskiej kocówki) Grubo warstwy midzymetalicznej narasta z czasem lutowania 5 s 0,84 µm 60 s 11 µm grubo warstwy dyfuzyjnej 53

typowo: 2 µm w metalu 7 µm w lutowiu rezystancja zwizana z korozj (przewenia) wynika z zanieczyszcze i pozostałoci topnika ad. 2. a) wytrzymało na rozerwanie b) wytrzymało na cinanie c) odporno na zmczenie a) zaley od temperatury, przekroju, ustawienia wyprowadzenia b) w przypadku otworów metalizowanych - temperatura (maleje ze wzrostem temperatury) - szybko krzepnicia szybkie studzenie struktura drobnoziarnista (lepsza) wolne studzenie struktura gruboziarnista c) pknicia powierzchniowe i przerwanie połcze wynikaj z: - struktury lutowia (ziarna) - wady lutowia - czynniki korozyjne (resztki topnika) 54

Rodzaje uszkodze 1) pknicia wewntrzne 2) korozja połcze Usuwanie lutowia odbywa si za pomoc lutownicy z odsysaczem lub plecionk miedzian. Jest ona rodzajem linki miedzianej, która absorbuje ciekł cyn. Plecionk układamy na złczu i przykładamy do niej lutownic. Po chwili cyna topi si a plecionka j pochłania. Powtarzamy t czynno powtórnie z czystym odcinkiem plecionki. Proces usuwania lutowia ukazany jest na rysunku 4. Z kolei poprawianie lutowania jest podobne do lutowania z tym, e dodajemy mniej lutowia. Po podgrzaniu cyny w złczu staje si ona ciekła i wtedy dodajemy troch wieej cyny. Te zabiegi robione s głównie po to, aby doda topnik, który zapewnia lepszy rozpływ lutu i wypełnienie złcza. Warunkami krytycznymi dla procesu lutowania jest to, i całkowity proces lutowania trwa nie dłuej ni 3-4 sekundy. Przekroczenie tego czasu grozi uszkodzeniem płyty lub komponentu z powodu przegrzania. Nie mona te przekracza ustalonych temperatur w procesie. Grozi to uszkodzeniem płyty lub komponentu. 55

Urz dzenia stosowane przy lutowaniu automatycznym Maszyna lutownicza typu XPM1030 firmy Vitronics Soltec. Rys. Piec XPM 1030 do lutowania rozpływowego 56

Uruchomienie pieca odbywa w kilku etapach. Piec włcza si włcznikiem / wyłcznikiem głównym. Nastpnie konieczna jest dezaktywacja wyłczników awaryjnych. Po zainicjalizowaniu komputera naley wybra ikon skrótow lub FILE / START NEW PROCESS. Otworzy si okno STARTUP WIZARD, naley wybra z listy Start new process ( maszyna zapyta si czy jest pusta sprawdzi czy w rodku nie pozostały płyty). Dalej trzeba wybra produkt ( Choose by Product ) i zaznaczy poprawny program. Program produkcyjny musi by zgodny z podanym w tabelce na mapce produktu. Jeeli zmienia si rozmiar płyty do lutowania trzeba wyregulowa szeroko transportera, równie za pomoc programu w komputerze. Nastpnie koczymy i wciskamy klawisz FINISH i odczekujemy a piec osignie wymagane nastawy, zasygnalizuje nam to zmiana wykresów temperaturowych, a wieyczka kontrolna zmieni kolor z ółtego na zielony. W przypadku powstania jakiegokolwiek błdu pieca uaktywni si automatycznie okno ALARMS, naley wtedy odczyta z listy alarmów informacj i podj odpowiednie działania korekcyjne, jeeli komunikat jest niezrozumiały lub po wyczyszczeniu listy nadal si aktywuje naley natychmiast powiadomi słuby utrzymania ruchu (UTR). Wyłczenie pieca odbywa si w ten sposób, e piec nie zatrzyma si natychmiast, transporter zatrzyma si dopiero, gdy temperatura w piecu spadnie. Wówczas na ekranie wykresy temperaturowe zmieni si z koloru zielonego na szary. Maszyna lutownicza firmy Electra słuy do lutowania na fali. 57

Rys. Piec Electra do lutowania na fali Do obsługi pieca, ustawiania parametrów procesowych wykorzystywany jest doł czony komputer z programem dla danej maszyny ( software ) obejmuj cym: 1. Menu 2. Ikony szybkiego wej cia 3. Ikon sygnalizatora stanu maszyny 4. Moduły rodzaje produktów 5. Status maszyny 6. Licznik płyt 58

Rys. Widok okna programu do obsługi pieca Stacja naprawcza typu Summit 1800. Stacja naprawcza typu Summit 1800 słuy do napraw komponentów SMD, głównie układów scalonych w obudowie BGA. Jest to nowoczesny typ obudowy układów scalonych, gdzie styki układu umieszczone s pod spodem i maj posta malutkich, metalowych kuleczek (rys.39). rzadka, równomierna siatka kulek gsta, nierównomierna siatka kulek 59

gsta, równomierna siatka kulek dla CSP / µ BGA Rys. Widok układów w obudowie BGA Wród obudów BGA wyrónia si róne typy. Pierwszy typ to mbga Micro Ball Grid Array układ w obudowie pozwalajcej na umieszczenie około piciu punktów połczeniowych na powierzchni 1 mm 2 struktury. Nastpny typ to CSP Chip Scale Package jest to układ BGA o wielkoci układu scalonego z powierzchniowo rozmieszczonymi wyprowadzeniami sferycznymi. Kolejny to PBGA Plastic Ball Grid Array, który jest typem układu scalonego, w którym nonik wykonany jest z tworzywa sztucznego a wyprowadzenia w postaci kulek rozmieszczone s na całej powierzchni nonika oraz CBGA Ceramic Ball Grid Array jest to typ układu scalonego, w którym nonik wykonany jest z ceramiki a wyprowadzenia w postaci kulek rozmieszczone s na całej powierzchni nonika. 60

Podczas lutowania rozpływowego układów BGA, pasta i kulka cyny d do utworzenia pojedynczego eutektycznego złcza lutowniczego, std kulki cyny s jednoczenie złczami lutowniczymi, a połczenia lutownicze nie s widoczne, gdy znajduj si pod układem. Widok złcza pod układem BGA pokazano na rys.40. Rys.40. Złcze lutownicze pod układem BGA Przy lutowaniu układów BGA mog wystpi róne błdy. Przykładowo w przypadku zbyt małej dokładnoci połoenia układu na płycie (pozycjonowanie), zbyt duej iloci pasty mog wystpowa zwarcia. Jako, e róna jest rozszerzalno cieplna poszczególnych warstw układu (laminat szkło / epoksyd, mied, plastikowa obudowa, silikonowe gniazdo, połczenia ze złotego drutu) mog wystpowa ewentualne pknicia. W przypadku, gdy płyta jest zabrudzona oraz wystpi przeterminowanie pasty lutowniczej, wystpuj niedolutowania, podniesione układy ( stand-off ). Rysunek 41 ilustruje błdy wynikajce z niewłaciwego procesu lutowania. 61

Rys.41. Bł dy w lutowaniu układów BGA Opis stacji naprawczej typu Summit 1800. Stacja naprawcza (rys.42) typu Summit słu y do naprawy płyt z układami w obudowie BGA [11]. Rys.42. Summit 1800 62

Aby przygotowa proces naprawczy naley wybra w programie na komputerze rodzaj płyty ( board ), np. Jaguar, LC04SD2.1. Nastpnie wybra w programie rodzaj komponentu BGA właciwy dla tej płyty, np. Altera, PNX. W bibliotece zdefiniowane s wszystkie komponenty istniejce na kadej płycie z układami BGA. Potem naley wybra rodzaj procesu ( sequence ). Z wielu wywietlonych na ekranie, praktycznie interesuj nas tylko dwa: PLACE RELEASE REFLOW (nakładanie i lutowanie) oraz REMOVE ZERO FORCE (usunicie komponentu). Nastpnie naley przygotowa płyt do naprawy, tzn. połoy j na stole naprawczym w okre- lonym miejscu, właciwym dla rodzaju płyty. Nie dociska tylnej listwy mocujcej zbyt mocno do krawdzi płyty. Stworzy lekki luz (ok. 1mm) midzy płyt a listw. Zapobiegnie to wyginaniu płyty w czasie procesu naprawczego. Sposób ułoenia płyty na stole (krawdzie boczne płyt oznaczone s ółtymi wskanikami) i podpór przedstawiony jest na rysunku. 63

Rys.43. Widok uło enia płyty do naprawy W dalszej kolejno ci nale y umocowa płyt na stole za pomoc zaczepów dociskowych, jednak zwracaj c uwag, aby nie dociska płyty zbyt mocno do stołu, zmieni płytk pobra (rys.44) dla układu BGA na właciw dla danego typu układu. Dla procesu wlutowania poło y na niej (u góry przy pryzmacie rys.44) nowy komponent uwzgl dniaj c polaryzacj układu scalonego. 64

Rys.44. Widok pryzmatu i płytki pobra Na koniec naley zmieni dysz maszyny na właciw dla rodzaju BGA. Zestawienie dysz i płytek pobra dla poszczególnych BGA zamieszczono w tabeli 4. Proces naprawczy obejmuje kilka czynnoci. Po uruchomieniu owietlenia płyty naley ustawi j tak, aby komponent w widoku na ekranie był ustawiony współrodkowo w stosunku do dyszy. Robimy to zgrubnie za pomoc dwóch kółek centrujcych, a w drugim etapie rub mikrometrycznych, po zablokowaniu stołu (rys.45) Rys.45. Sposób ustawienia płyty 65

Jeeli chcemy wylutowa komponent to majc ustawion płyt klikamy GO, a nastpnie po ustawieniu dokładnym stołu, jeszcze raz GO i wtedy proces zaczyna si automatycznie. Dla wlutowania komponentu musimy jeszcze przej jeden etap, mianowicie zgrania kulek układu BGA z polami lutowniczymi na płycie. Robimy to za pomoc rub mikrometrycznych oraz dwóch ikon THETA (prawy górny róg ekranu), które umoliwiaj nam obracanie układem trzymanym ju przez dysz ssc. Po ustawieniu klikamy GO i proces zaczyna si automatycznie. Naprawy układów BGA s czynnikiem kluczowym w procesie naprawczym ze wzgldów ekonomicznych. Naley dy do wykorzystania układów nadal sprawnych. Do napraw zaleca si stosowa sprzt wysokiej klasy, umoliwiajcy wylutowanie układu, jego ewentualny re-balling (usunicie starych i ponowne nałoenie nowych kulek), przylutowanie układu w technice lutowania rozpływowego reflow pod stał kontrol oraz inspekcj optyczn złczy za pomoc maszyny przewietlajcej układ promieniami X. Do okulkowania układów BGA wykorzystuje si urzdzenia widoczne na rys. 66