Elektronika to nie tylko krzem i inne półprzewodniki To także polimery, metale, ceramika,... Funkcje obudowy: Dostarczanie mocy; Przekazywanie informacji z układu scalonego do innych elementów; Rozpraszanie ciepła; Ochrona przed sąsiadami i otoczeniem układu. 1
Tranzystor, dioda Przykłady Te tranzystory i diody, które muszą dużo wytrzymać (np. tranzystor mikrofalowy) umieszcza się w obudowie ceramiczno-metalowej. Korpus obudowy wykonany jest z ceramiki wielowarstwowej o zawartości AI 2 0 3 ok. 92%. Wyprowadzenia montażowe i pokrywka do hermetyzacji wykonane są z kowaru. Wszystkie części metalowe platerowane są warstwą złota o grubości 3mm. 2
Przykładowe właściwości: Rezystancja izolacji: min 5x10 10 Ω Wytrzymałość mechaniczna na rozciąganie - dla wyprowadzenia szerokiego: 5N - dla wyprowadzenia wąskiego: 2,5 Odporność korozyjna bez utraty szczelności: +40 C, 95% wilgotności Odporność na wilgotne zimno stałe: -65 C, 150 godzin Odporność na nagłe zmiany temperatury: od -65 C do +155 C (5 cykli). Przykłady Bardziej zwyczajne tranzystory umieszcza się w plastikowych obudowach. 3
Układy scalone Przykłady Plastikowe, płaskie obudowy z końcówkami w dwóch rzędach (dual in line). Od 4 x 6.2 x 1.6mm 3 do 7.6 x 10.65 x 2.6 mm 3 4
Przykłady Plastikowe, płaskie obudowy z końcówkami w czterech rzędach (quad) Mogą zawierać do 304 końcówek Tanie Hermetyczne TSOP- cienkie i małe obudowy Przykłady BGA- Ball Grid Array: końcówki są pod spodem układu w postaci kulek, nie ma nóżek. 5
Przykłady: mikroprocesory Materiały towarzyszące elektronice Wstęp: materiały i połączenia między nimi; Ceramika Elektroniczne elementy ceramiczne, które już znamy; Inne funkcje pełnione przez ceramikę i elementy zawierające ceramikę; Złącza ceramika-metal; Polimery i kompozyty Plastikowe obudowy; Płytki drukowane; Złącza kompozyt-metal; Metale Połączenia elektryczne Łączenie elementów metalowych ze sobą (wykład MF9_7) 6
Materiały Różne materiały stosowane w obudowach elementów: Materiały Funkcje materiałów obudowy są różnorodne: Niektóre muszą być izolatorami, inne muszą zapewnić połączenie elektryczne; Hermetyczność; Wytrzymałość mechaniczna; Przewodnictwo cieplne (bardzo ważne). 7
Materiały Hermetyczność obudowy mogą zapewnić polimery, przewodnictwo elektryczne - metale, izolację elektryczną - ceramiki, rozpraszanie ciepła: metale i niektóre ceramiki. Mamy zatem do czynienia z wieloma materiałami, które muszą być ze sobą połączone. Materiały Częstym rozwiązaniem jest stosowanie ceramicznej podstawy układu scalonego. Zatem, bardzo ważnym zagadnieniem są złącza między metalem a ceramiką. 8
Ceramika w układach elektronicznych Kondensatory ceramiczne Ceramiczny dysk Srebrne elektrody po obu stronach Kontakty elektryczne Y5F 102K 1KV Warstwa ochronna 9
Rezystory (m.in. ceramiczne) Carbon Film Metal Film Metal Oxide 19 Ferroelektryki Klasyczny przypadek ferroelektryka: BaTiO 3 10
Piezoelektryki Pod wpływem zmiany rozmiaru wytwarzają pole elektryczne i odwrotnie, pod wpływem pola elektrycznego odkształcają się. Ceramiczne podłoża Schemat konstrukcji przyrządu półprzewodnikowego z wykorzystaniem podłoża z metalizowanej ceramiki AlN, 11
Ceramiczne podłoża Schemat konstrukcji przyrządu półprzewodnikowego z wykorzystaniem podłoża ceramiczno - miedzianego otrzymanego techniką spajania bezpośredniego. Złącza ceramika - metal 12
Złącza ceramika-metal Warstwy metaliczne wykonuje się na płytkach z ceramiki korundowej i z azotku glinu o różnej grubości (w tym standardowe 0,60mm). Podstawowym składnikiem warstw metalicznych może być molibden lub miedź. Warstwy nakładane są dwustronnie techniką druku sitowego. Grubość warstw metalicznych do 30µm (w tym 5 do 10 µm grubości warstwa niklu). Na warstwy Mo, Ni można nakładać warstwę złota 3 do 5 µm. Złącza ceramika - metal Złącza MoMn lub WMn z ceramiką wykonuje się techniką spiekania proszków. 13
Złącza ceramika MoMn (a) (b) Warstwy metaliczne MoMn spiekane na ceramice korundowej (a) i z azotku glinu (b) w atmosferze wodoru. Złącza ceramika-miedź Podłoża z ceramiki korundowej z warstwą miedzi wytwarzane są techniką CDB (Copper Direct Bonding). Technika CDB polega na bezpośrednim spajaniu folii miedzianej z płytką ceramiczną. Warstwa miedzi może obejmować całą powierzchnię płytki ceramicznej lub jej wybrane obszary. Możliwe jest również umieszczenie warstw miedzi z obu stron płytki ceramicznej. 14
Złącza ceramika-miedź Podłoża CDB mają szczególnie wysoki współczynnik przewodnictwa cieplnego i dlatego znajdują główne zastosowanie przy wytwarzaniu elektronicznych elementów mocy. Złącza ceramika-miedź Współczynnik rozszerzalności cieplnej: ok.7,3x10-6 K -1 ; Cieplny współczynnik rozszerzalności podłoży CDB jest określony przez współczynnik rozszerzalności ceramiki korundowej. Pozwala to na bezpośrednie lutowanie struktur krzemowych do podłoża, to jest bez konieczności stosowania podkładek dylatacyjnych. 15
Złącza ceramika-miedź Złącze ceramika - miedź charakteryzuje się dużą przyczepnością i wysoką wytrzymałością mechaniczną: Wytrzymałość złącza: 25-100 MPa; Złącza ceramika-miedź Dzięki powyższym cechom oraz wysokiej dopuszczalnej temperatury pracy (850 o C) złącza te mają wiele szczególnych zastosowań: Półprzewodnikowe moduły mocy Układy hybrydowe dużych mocy Tranzystory Mostki prostownikowe Tyrystory Elektronika motoryzacyjna 16
Polimery i kompozyty w układach elektronicznych Polimery i kompozyty Jakie właściwości polimerów są istotne z punktu widzenia zastosowań elektronicznych: temperatura mięknięcia (bardzo ważna ze względu na lutowanie); np. żywice epoksydowe: 125-135 o C, żywice poliamidowe: 240-260 o C; przewodnictwo cieplne (polimery są kiepskimi przewodnikami ciepła: 0.3W/m o C); rozszerzalność cieplna; stała dielektryczna napięcie przebicia oporność elektryczna odporność chemiczna 17
Polimery i kompozyty Najczęściej jest to kompozyt: żywica epoksydowa, poliestrowa lub poliamidowa wzmacniana tkaniną szklaną. Może to również np. być żywica silikonowa wzmacniana tkaniną szklaną, żywica fenolowa wzmacniana papierem celulozowym. Wytwarzanie laminatu 1. Zanurzenie w żywicy, dodanie odpowiednich dodatków. 2. Suszenie (częściowe utwardzenie) 18
Złącza kompozyt - metal Folia miedziana stosowana do pokrywania płytek ma grubość od 17.5 do 35 µm. Wytwarza się ją metodą elektrolitycznego nanoszenia na płaską powierzchnię. Jest to praktycznie czysta miedź (99.8%). Złącza kompozyt-metal (miedź) Warstwy kompozytu umieszcza się między dwiema warstwami miedzi. Umieszcza się je pomiędzy stalowymi wałkami i prasuje w podwyższonej temperaturze (120-170 o C, 20-110 kg/cm 2 ). Jednocześnie z pokrywaniem płytek warstwami miedzi, następuje końcowe utwardzenie kompozytu. 19
Złącza kompozyt-metal (miedź) Miedź może być również nanoszona na laminat metodą nanoszenia bez pola lub w polu elektrycznym. Są przy tym pewne kłopoty z adhezją. Nanoszenie Cu bez pola elektrycznego Pierwszym etapem jest przygotowanie powierzchni (usunięcie zanieczyszczeń z powierzchni oraz otworów); Następnie powierzchnia jest trawiona (kwasem siarkowym); 20
Nanoszenie Cu bez pola elektrycznego Kolejnym etapem jest aktywacja powierzchni Aktywacja jest procesem czyniącym powierzchnię chemicznie redukującą. Proces przebiega w dwóch etapach: Wskutek zanurzenia płytki w chlorku cyny, pozostają na niej jony cyny; Następnie, po zanurzeniu płytki w kwasowym chlorku palladu, jony palladu, wskutek oddziaływania z jonami cyny, są redukowane do stanu koloidalnego. Nanoszenie Cu bez pola elektrycznego Ostatnim etapem jest nanoszenie miedzi. Przygotowana płytka jest zanurzana w roztworze zawierającym jony miedzi. Dzięki reakcji jonów miedzi z koloidalnym palladem, miedź osadza się na powierzchni płytki. Typowa grubość warstwy to od 1 do 5 µm Podobny proces można zastosować do nanoszenia niklu. 21
Elektro-nanoszenie miedzi Płytka stanowi katodę. Dodatnie jony miedzi z roztworu siarczanu miedzi wędrują do płytki i wiążą się z nią. Złącza kompozyt-metal Płytki mogą być jednostronnie, lub dwustronnie pokryte metalem: 22
Złącza kompozyt-metal Mogą też być wielowarstwowe Płytki drukowane mogą być giętkie Coraz większe zainteresowanie budzą giętkie płytki drukowane. Są one najczęściej robione z poliestru lub poliamidu. Wytwarzanie takich płytek wiąże się z dodatkowymi problemami, takimi jak odklejanie się ścieżek skutek wyginania, wpływ wyginania na oporność ścieżek itd. 23
Metalowe połączenia między elementami Druty Często układ scalony jest połączony po prostu drutami z elektrycznymi wyprowadzeniami na zewnątrz obudowy. Druty są złote lub aluminiowe. 24
Łączenie drutami złotymi a: urządzenie łączące (w kształcie kapilary, wewnatrz której znajduje się drut) zbliża się do miejsca przeznaczenie; b: końcówka drutu jest ogrzewana do temperatury topnienia, na końcu powstaje kulka; Łączenie drutami złotymi c: stopiony drut jest przyciskany do łączonego miejsca; d-f: łączenie drugiego końca drutu 25
Łączenie drutami aluminiowymi Procedura łączenia jest podobna, ale bez etapu topnienia. Drut w czasie spawania jest spłaszczany (narzędzie łączące wykonuje poziome i pionowe ruchy). Metalowa taśma Układ może być przyłączony do zewnętrznych wyprowadzeń za pomocą metalowej taćmy (zaleta: można łączyć wszystkie końcówki jednocześnie). 26
Metalowa taśma Taśma jest to właściwie warstwa miedzi na podłożu poliamidowym. Wszystkie ścieżki tworzy się jednocześnie metodą litografii. Na elemencie łączonym znajdują się w odpowiednich miejscach metalowe kontakty, na których są kulki lutowia. Jedno z drugim łączy się metodą termokompresji. Metalowe połączenia wewnątrz elementów 27
Metalowe połączenia wewnątrz elementów Wewnętrzne połączenia wykonywane są metodami nanoszenia cienkich warstw. Stosuje się najczęściej miedź, złoto i aluminium. Ponadto wykorzystuje się tytan i chrom jako materiały polepszające adhezję. Lutowanie bez ołowiu? 28
Niektórzy twierdzą, że jeśli terrorysta chciałby zniszczyć światowy przemysł elektroniczny, wprowadziłby lutowanie bezołowiowe. Dlaczego? Wyższa temperatura topnienia może być szkodliwa dla lutowanych elementów (T max 250 C); Problemy z wilgotnością lutowanych elementów w wysokiej temperaturze (efekt pop corn). Powstawanie zwarć w procesie wykańczania płytek drukowanych; Korozja zbiorników na cynę w procesie lutowania przemysłowego; Ręczne lutowanie znacznie wolniejsze; Różne inne problemy z jakością. 29
Rozporządzenie Unii Europejskiej 11 października 2002 Komisja Europejska zajmująca się elektronicznymi odpadami przyjęła rozporządzenie, które mówi: Począwszy od 1 lipca 2006 nowe urządzenia elektroniczne i elektryczne nie będą zawierać: Ołowiu Rtęci Kadmu Sześciowartościowego chromu Poli-bromowanych bifenyli Rozporządzenie Unii Europejskiej Rozporządzenie nie dotyczy (przedłużenie do 2010 roku): Części zamiennych do urządzeń wyprodukowanych przed 1 VII 2006; Ołowiu w lutowiu do serwerów i układów magazynujących niektóre ważne dane; Ołowiu w lutowiu w infrastrukturze telekomunikacyjnej, przełączaniu, sygnalizacji i przesyłaniu danych. 30
Co to znaczy nie zawiera ołowiu? Maximum concentration values (MCV) define the maximum amount of an individual restricted substance (per the EU RoHS directive) within each homogeneous material* that compose the component. RoHS RESTRICTED SUBSTANCES Substance 1. Lead (Pb) 2. Mercury (Hg) 3. Hexavalent Chromium (Cr VI) 4. Cadmium (Cd) 5. & 6. (PBB and PBDE) Poly-brominated flame retardants RoHS LIMIT: MCV - Maximum concentration values < 0.10% = < 1000 PPM Exception: Allowable Lead (Pb) within glass of electronic components (i.e. glass coat or frit) < 0.10% = < 1,000 PPM < 0.10% = < 1,000 PPM < 0.01% = < 100 PPM < 0.10% = < 1,000 PPM * - Homogeneous materials are defined as materials that cannot be mechanically disjointed into different materials and are of uniform composition throughout. Types include: plastics, ceramics, glass, metals, alloys, paper, resins, and coatings. Jak poznać, czy nowy produkt elektroniczny zawiera Pb? RoHS - Restriction on Hazardous Substances 31
Ołowiowy stop do lutowania Stop eutektyczny Sn64/Pb36 o temperaturze topnienia 183 C; Co to oznacza, że tzw. cyna do lutowania jest stopem eutektycznym? Stopiona cyna krzepnie natychmiast po ochłodzeniu (ma jednoznacznie określoną temperaturę topnienia, a nie zakres temperatur, jak to jest w przypadku stopów nieeutektycznych). Jest to ważna cecha: dzięki temu, połączeniu nie grozi pogorszenie właściwości wskutek drgań w trakcie chłodzenia. Bezołowiowe stopy do lutowania Nieeutektyczny stop Sn/Ag/Cu (SAC) o temperaturze topnienia 217 C, Nieeutektyczny stop Sn/Cu o temperaturze topnienia 227 C Porównanie cen: Sn95.5/Ag4.0/Cu0.5 US$10.73 / 9.12 Euros Sn95.5/Ag3.8/Cu0.7 US$10.44 / 8.87 Euros Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5 US$9.33 / 7.93 Euros Sn96.2/Ag2.5/Cu0.8/Sb0.5 US$8.59 / 7.30 Euros Sn62/Pb36/Ag2 US$6.36 / 5.41 Euros 32
Procesy, w których bierze udział stop lutowniczy Lutowanie przemysłowe; Lutowanie falowe; lutowanie w piecu rozpływowym; Lutowanie ręczne; Nakładanie warstw ochronnych na płytki drukowane. Przemysłowa produkcja płytek drukowanych i problemy z nią związane Istnieją dwie metody montowania elementów na płytkach: Starsza metoda polega na montowaniu kontaktów w otworach przechodzących na wskroś płytki; Nowsza metoda polega na montowaniu wszystkiego na powierzchni (można wtedy wykorzystać obie strony płytki). W zależności od sposobu montowania elementów stosuje się różne metody lutowania. Bezołowiowe lutowanie stanowi poważny problem! 33
Na wskroś W tym przypadku stosuje się technologię lutowania falowego (za pomocą fali ciekłego lutu) Na wskroś Technologia lutowania falowego: 34
Na powierzchni W tym przypadku stosuje się albo lutowanie falowe albo lutowanie poprzez ogrzewanie stałego lutu (reflow). Na powierzchni Lutowanie falowe 35
Na powierzchni Lutowanie poprzez ogrzewanie stałego lutu (reflow). Lutowanie poprzez ogrzewanie stałego lutu (reflow). Ogrzewanie przebiega najczęściej w gorącym powietrzu. Na rysunku widać dysze, przez które wdmuchiwane jest powietrze. Niebieskie strzałki pokazują kierunek przepływu. 36
Lutowanie poprzez ogrzewanie stałego lutu (reflow). Lutowanie bezołowiowe stanowi problem w przypadku tej właśnie metody lutowania. Jest to związane z temperaturą, do której ogrzewają się montowane elementy. Lutowanie poprzez ogrzewanie stałego lutu (reflow). Temperatura jest o około 30 o wyższa niż w przypadku stopu SnPb 37
Wysoka temperatura. Nie każdy element wytrzymuje tak wysoką temperaturę. Np. elektrolityczne kondensatory w aluminiowej obudowie (widać zniekształcenie obudowy). Efekt pop-corn Wilgoć obecna wewnątrz elementów lutowanych powoduje, w wysokiej temperaturze, ich pękanie. 38
Niszczenie połączeń Wskutek wysokiej temperatury wypełnienie tworzące połączenie przy chłodzeniu znacznie się kurczy. Niszczenie połączeń Wskutek tego, może się albo podnieść odrywając od podłoża, albo oderwać razem z podłożem, albo popękać. 39
Różne inne problemy z jakością Sam wygląd połączeń bezołowiowych wskazuje na to, że są one gorszej jakości. Powierzchnia ich jest matowa, ponadto stopy bezołowiowe gorzej zwilżają łączone elementy. Porównanie połączeń z i bez Pb 40
Różne inne problemy z jakością W materiale połączenia mogą krystalizować związki międzymetaliczne w postaci dużych płytek. Uwaga: powstawanie związków międzymetalicznych o drobnej mikrostrukturze jest korzystne Różne inne problemy z jakością Pękanie: gdy powstanie pęknięcie w warstwie łączącej element z podłożem, wówczas bardzo pogarsza się efektywność chłodzenia 41
Różne problemy z jakością Pękanie Level of solder crack progress (Relative value) Lead-free solder(sn-3.0ag-0.5cu) Lead-in solder Number of thermal cycles (-40 125 ) Fig.2 Evaluation results of the solder crack progress under the insulated substrate in power modules Inny proces technologiczny: pokrywanie miedzianych ścieżek warstwą ochronną 42
Warstwy ochronne Miedź na płytkach drukowanych szybko się utlenia. Dlatego niezbędne jest pokrycie jej warstwą ochronną. Do tej pory robiono to za pomocą stopu cyny z ołowiem Sn/Pb (HASL), srebra (Ag) lub złota (Au) na niklu (Ni). Ostatnie dwa są już bezołowiowe, natomiast odpowiednikiem bezołowiowym Sn/Pb jest obecnie czysta cyna. Srebro jest dobre, ale drogie, złoto z niklem jest gorsze niż czysta cyna (tworzy dość kruche połączenia). Warstwy ochronne Problem z czystą cyną: w wysokiej temperaturze powstają whiskery, które mogą spowodować zwarcia pomiędzy elementami. 43
Mimo silnego lobby anty-zarządzeniu UE (szczególnie w USA) prace są bardzo zaawansowane i z całą pewnością przyszłość elektroniki nie jest zagrożona, a lutowanie bezołowiowe już wkrótce nie będzie ustępować dotychczasowemu lutowaniu stopem cyny z ołowiem. Literatura Albert van Duin, Stichting ASTRON, N.J. Rao and G. Ananda Rao CEDT, Indian Institute of Science Bangalore 560012, India Dr Gary J Callon, Dundee, UK. Jola Gołaszewska, Inżynieria Materiałowa, 2003 44