Montáž elektronických obvodů (Povrchová montáž a další …)

(3)

Assembly of electronics circuits(Surface Mounted Technology and other …)

Obsah

1. Úvod2. Nanášení pájecí pasty3. Osazování součástek4. Pájení součástek 5. Ochranná atmosféra při pájení 6. Čištění7. Testování

ÚvodTechnologie povrchové montáže představuje jednu z dominantních stále se vyvíjejícíchtechnologií používaných pro konstrukci mikroelektronických obvodů a systémů.

Charakteristickou operací je pájení přetavením, kde se součástky se speciálními vývody usadí do pájecí pasty a potom v jediném kroku přetaví a tím i připojí.

Příčinou neustálého vývoje je snaha o stále vyšší miniaturizaci a také optimalizaci technologického procesu. To se projevuje jak ve vývoji nových materiálů a součástek včetně pouzder, tak i v neustálém zdokonalování a zavádění nových postupů a operací technologického procesu povrchové montáže.

Nepřetržitě se stupňují také požadavky na zlepšování parametrů jak zařízení, tak materiálů, součástek, výrobků, systémů ...

ÚvodKonstrukční provedení obvodů technologií povrchové montáže má oproti klasickému provedení s montáží součástek do děr celou řadu výhod, mezi něž patří především:

snížení hmotnosti a rozměrů (pájení přetavením umožňuje snížení vzdáleností mezi pájenými spoji až k 0,15 mm, což dává předpoklady ke snižování rozměrů součástek a jejich hustější montáži),

zkrácení délky vodičů a tím zvýšení rychlosti zpracování signálu (vyšší pracovní kmitočet), všeobecně vyšší spolehlivost (v důsledku redukce počtu pájených spojů a křížení vodičů),

snížení nákladů v poměru k integraci (včetně úspory materiálů),minimalizace investic na automatizaci (jednotlivé operace jsou unifikovány).

Úvod

Existují dva základní směry aplikace povrchové montáže podle materiálu základní nosné podložky:

substrát z anorganických, především keramických materiálů

substráty z organických materiálů, především na bázi laminátů (PCB)

Součástky mohou být montovány na substrát jednostranně nebo oboustranně

Co obnáší povrchová montáž

Step 1: Design for Manufacture (DFM)Step 2: Process Control (SPC)Step 3: Substrate Performance Step 4: Solder Paste DepositionStep 5: Component AssemblyStep 6: Reflow ProcessStep 7: Cleaning ProcessStep 8: Test and Rework

Úvod - DfM• Větší výtěžnost procesu

• Nižší náklady

Návrh Výroba

Krok 1

Návrh

Krok 2

Ověřovací

výroba

Výroba

Krok 3

Korekce - DfM

Engineering – disciplína založená na technických, matematických a vědeckých znalostech pro návrh a zpracování materiálů, struktur, zařízení, systémů a procesů, jež musí bezpečně a spolehlivě realizovat požadované objekty a vynálezy

Úvod - Process Control (Řízení procesu)

Virtuální kontrola (Virtual Process Engineering Controll) přes software: Virtuální DPS Virtuální linka s logickým sledem operací Definování procesu (parametry, programy, síta, zásobníky …) Výroba

DATA

ÚvodTechnologický sled výrobních operací v povrchové montáži může

být uspořádán či kombinován různým způsobem, avšak stěžejní jsou téměř vždy následující technologické operace, kterými jsou:

- nanášení pájecích past a lepidel,

- osazování součástek,

- pájení přetavením

- čištění

- testování

Obsah

1. Úvod2. Nanášení pájecí pasty3. Osazování součástek4. Pájení součástek 5. Ochranná atmosféra při pájení 6. Čištění7. Testování

Nanášení pájecí pastyTři základní způsoby:

sítotiskemšablonovým tiskemdávkovačem

Ve všech případech je základní materiálové složení pájecí pasty (solder paste) stejné : pájka + tavidlo, liší se složením a velikostí kovových částic

Lead Free: No Clean, Water Soluble, Rosin Mildly Activated (RMA)

- Prášek typ 3 s Mesh -325/ +500 je používán pro >16mil (0,4mm) rozteče, - Prášek typ 4 s Mesh -400/ +500 pro <16mil (0,4mm) rozteče - Prášek type 5 s Fine mesh -450 pro <10mil (0,25mm) rozteče

Nanášení pájecí pasty - sítotiskem

Faktory působící v procesu sítotisku lze rozdělit na:- vnitřní (působící bezprostředně při tisku - přenosu pasty), jimiž jsou odtrh (vzdálenost síta nad substrátem, rychlost stěrky a tlak stěrky,

- vnější (zvolené předem, před započetím procesu) reprezentované volbou síta a typem šablony, parametry pasty, typem a parametry substrátu, a také materiálem a provedením stěrky.

Pro sítotisk platí zásada, že odtrh a síla na stěrku musí být nastaveny na minimální hodnotu, avšak nezbytně nutnou resp. Dostatečnou k tomu, aby byl zajištěn přesný a reprodukovatelný přenos pasty požadovaného obrazce resp. motivu na substrát.

Nanášení pájecí pasty - šablonovým tiskem

Šablonový tisk je svou základní podstatou obdobou sítotisku. Rozdíl je v provedení šablony, jejíž motiv určený k tisku je vytvořen v pevném (tuhém) materiálu, kterým často bývá ocelová nebo bronzová planžeta (např. CuSn6). Šablona se přikládá přímo na substrát, takže hodnota odtrhu o je v době pohybu stěrky rovna nule. Vlastní odtrh šablony od substrátu je pak proveden mechanickým pohybem až po ukončení pohybu stěrky a tedy po nanesení pasty do volného prostoru (motivu) v šabloně. Z toho je zřejmé, že tištěné motivy musí být natolik uzavřené plochy aby nebyla narušena tuhost šablony.

Nanášení pájecí pasty – výroba šablon

Výroba šablon je jedním ze stěžejních kroků šablonového tisku, kde se používají především následující metody výroby:

- chemicky leptané,- elektrogalvanicky nanášené,- polymerní,- řezané laserem.

Chemické leptání šablon

Chemické leptáníŠablona se vytváří chemickým odleptáním plechu z nerezové

oceli, kdy se na plech nanáší obraz z chemicky odolné látky, která chrání místa, která nemají být odleptána. Tato metody vytváří šikmé hrany, které mohou způsobit zatékání past při velmi jemných strukturách i když jsou hrany otvoru hladké

Laserové řezání šablonŠablony se vytváří řezáním pomocí laserového paprsku do kovové desky. Laser řeže otvory do kovové desky kontinuálně s lichoběžníkovými hrany (s proměnnou kuželovitostí). Tyto šablony jsou obecně drahé než chemicky leptané šablony. Vnitřní stěny mohou pomocí elektrolytickému leštění dosáhnout hladkého povrchu. Metoda je vhodná pro velmi přesné aplikace a používají se i pro tisk na wafer.

Galvanoplastické šablony

Šablony vytvořené touto metodou jsou nejlepší pro velmi jemné struktury a tisk na wafery. Proces se skládá z nanášení niklu na fotoaktivní plastovou vrstvu pokovováním, která se vytvrzují působením světla až na požadovaný motiv šablony. Fotoaktivní vrstva se po dosažení tloušťky niklové vrstvy 25 µm odstraní. Šablona vytvořená touto metodou je 5-10x levnější než šablona vytvořená laserovým řezáním o stejném množství otvorů.

Parametry pasta - šablonaNejdůležitějšími parametry pasty jsou viskozita a velikost zrn. U pasty je velikost zrn resp. částic pevné fáze pasty velmi důležitá. Ta totiž souvisí s parametry síta nebo šablony.Výrobci udávají velikost zrn v pastě vztaženou na typ síta (udává se typ pájecí pasty od 1 do 5). Například jednou z nejpoužívanějších pájecích past je typ 3 (-325/+500). Toto označení znamená, že pasta projde bezpečně sítem 325 ok (údaj se znaménkem -), ale neprojde sítem s počtem ok 500 (údaj se znaménkem +). Nejrozšířenější pájecí pasta typu 3 je vhodná i pro součástky s roztečí vývodů typu „Fine Pitch“, tedy 0,4 až 0,635 mm. Maximální velikost částic je 45 m umožňuje použití pro rozteče 0,5 mm (minimální rozměr motivu 0,225 mm). Zde je nutné použít šablonu tloušťky < 180 m, což odpovídá 2 - 4 částicím pasty na uvedenou tloušťku šablony.

Parametry pasta - šablona

Tloušťka šablony t se volí podle rozměrů motivu, přičemž kritický je minimální rozměr. Platí obecné pravidlo, že nejmenší rozměr pravoúhlého motivu musí být více než 1,5 tloušťky šablony, což lze vyjádřit vztahem Aspect Ratio):

Xmin : t ≥ 1,5Tento poměr vyjadřuje hledisko bezpečnosti pro přenos pasty šablonou, avšak může být ovlivněn dalšími faktory jako je velikost zrn pasty, drsnost substrátu atd.Pro přesnější určení se používá vztah, jenž uvažuje plochu nanášeného motivu (l x w) a je

vyjádřením poměru plochy motivu ku ploše vnitřních stěn motivu na šabloně Area Ratio). Pro pravoúhlý tvar tedy platí:

Pro kruhový otvor pak bude platit:

kde r je poloměr otvoru a t je opět tloušťka šablony.

twtlwlratioArea

22

tr

rtrratioArea

22

2

Dnes je základním kritériem jakosti tisk pasty pro malé čipy

Topologie VISHAY 0402X=0,56mmY=0,6mmZ=1,45mmG=0,25mmSprávné středění pro ideální výsledek ±0.014mm !!!!!

0805 0603 0402 0201

Některé z vad v důsledku špatného tisku

Špatná poloha tisku Thombstone :

Mnoho pasty Thombstone Kuličkování Zkraty

Málo pasty Nezapájení Vadný spoj

Nečisté kontury Kuličky Zkraty

Nanášení pájecí pasty hrotem

Nanášení tixotropních materiálů na substráty je možné provádět také s pomocí dávkovačů (dispenzerů), které dodají na substrát potřebné množství viskózního materiálu a tento se při dotyku se substrátem důsledkem adheze na něj uchytí. Tato technika může být využívána pro nanášení pájecí pasty, ale především pro nanášení lepidel v případě lepení součástek na substráty, např. před pájením na vlně. V takových případech se jedná o mikrodávkovače, které jsou obecně charakterizovány množstvím nanášeného materiálu menším než 1 g.

Nanášení pájecí pasty dávkovačemt l a k o v ý a d a p t o r

t l a k o v ý v z d u c h

p í s t

z á s o b n í k

p á j e c í p a s t a

s p o j o v a c í h a d i č k a

š n e k

p o u z d r o

t r y s k a

( a ) ( b )

V případě tlakového nanášení s definovanou dobou je pasta protlačována po určitý definovaný čas dávkovací hlavicí s tryskou, jež je podobná injekční stříkačce. Tlak je vyvolán stlačeným vzduchem (0,3 Pa) , po dobu odpovídající požadovanému množství nanášené pájecí pasty. Pro běžné aplikace to je mezi 50 až 200 ms..

Nanášení pájecí pasty s využitím rotační pumpy - zásobník s pájecí pastou je pod konstantním tlakem 0,5 bar, což zabezpečí naplnění hlavice v níž je vedeno vřeteno. V době, kdy se vřeteno začne otáčet naznačeným směrem, dojde přes trysku k přenosu pasty na kontaktní plochu. Parametry takového zařízení

jsou rychlost otáčení vřetena , doba otáčení vřetena, plnící tlak a kapacita hlavice.

Kontrola pájecí pasty po nanášení(dle SMTA je vztaženo 74% poruch PCB k pájecí pastě)

Tři hlavní typy poruch:- zkraty (bridges) – 35%- nedostatečné množství – 21%- chybějící pasta (open) – 17%- rozmazaná pasta – 9%

SPC

Cp. Cpk

Jak vypadá vlastní tisk

Homogenita na velké ploše

BGA rozteč 1mm QFP rozteč 0,5mm

Obsah

1. Úvod2. Nanášení pájecí pasty3. Osazování součástek4. Pájení součástek 5. Ochranná atmosféra při pájení 6. Čištění7. Testování

Osazování součástek

Ačkoliv existují různé osazovací systémy, základní princip je u všech zařízení stejný. Součástka je uchopena, vystředěna do polohy určené k připájení a vsazena na určené kontaktní plošky na substrátu. Pro tento způsob osazování se vžil název „pick and place“ (vezmi a umísti).

Hlaví parametry osazování jsou:- flexibilita- rychlost- přesnost

Přesnost osazování

Úspěšnost této operace závisí na přesnosti komponent vstupujících do tohoto procesu, resp. na splnění předem stanovených rozměrových tolerancí, jež se týkají:

- substrátu s vodivými kontaktními ploškami,- součástek,- osazovacího zařízení.

Osazování součástek –páskové zásobníky

Standardní šířky páskových nosičů (w) jsou 8, 12, 16, 24, 32, 44 a 56 mm. Tomu odpovídají i konstrukce osazovacích zařízení.

Osazování součástek –mechanický podavač

Pohled na mechanický podavač SMD součástek z páskového zásobníku(A- tělo podavače, B- trnové kolo posuvu pásky, C- navíjecí kladka krycí pásky, D- upínací

kleština, E- drážka pro vedení pásky od cívky, F- středící kolíky pro přesné uchycení na stroj, G- rameno pohonu mechaniky podavače)

Osazování součástekFunkcí modulu obsahujícího zásobníky s požadovanými součástkami je zajistit ve správném

okamžiku připravenost odpovídající součástky k odebrání hlavou. Konstrukce zásobníků je odvislá od způsobu balení SMD součástek. Existují následující typy zásobníků :

- páskové (kotoučové) zásobníky,- vibrační nebo vířivé zásobníky,- tyčové zásobníky,- ploché zásobníky,- zásobníky pro polovodičové čipy.

z á s o b n ík o v á k o m o r a

ř a d íc í t r u b ic e

p r u ž n á t r u b ic e

M E L F

R / C S M D

k o n ta k ty

Osazování součástekOsazovací zařízení musí zajistit následující funkce, které současně tvoří

základní technologické kroky průběhu této operace:A.) transport substrátů, jejich upevnění a umístění pro vsazování součástek B.) uchycení zásobníků se součástkami a jejich přípravu k osazováníC.) vyzvednutí, vystředění a osazení součástek na substrát…

x

y

z

SM D manipulátor

zás obníky

dopravník os azovaných

s ubs trátů

Osazovací hlavy

Hlava provádí:

- uchopení součástky (pick)

- kontrolu správné součástky

- zaměření součástky (polohování)

- umístění součástky (place)

- kontrolu umístění

• Zaměření a vystředění součástek se provádí potom, kdy dojde k uchopení součástky vakuovou pipetou umístěnou na osazovací hlavě. • Vystředění součástky uchopené vakuovou pipetou je

prováděno jedním z následujících způsobů :- mechanicky, s pomocí upínacích čelistí,- opticky, s použitím optického zaměřovacího systému.

Osazování součástek - zaměření a polohování

SMD

difuzér pipeta značky optika

kruhová fluorescenční

lampa f

CCD

Ia Ib

IIa

IIb

lI

lII

ly

lx

dx

dy

x

y

Přesnost osazování

ID

P W

Wl

f

O

pájecí plochy

vývody součástky

Gs

Wp

h

pájecí pasta 1. kritérium (izolační mezera):

2. kritérium (překrytí vývodu s pájecí plochou):

3. kritérium (kritická mezera):

IDWWPft 5,05,0 1

OWWft 5,06,0 1

spt GhWWPf 15,05,0

...003,0 PNx

Osazování součástek – transportní systém

Transportní část osazovacího zařízení tvoří modul, jehož funkcí je zajištění nezbytné manipulace se substrátem. Sestává z následujících pracovních úkonů :

- průběžný přísun neosazených substrátů,- dopravení substrátů do definovaného pracovního prostoru,- uchycení substrátů v požadované pracovní poloze (x, y, ),- odsun osazených desek.

Tab. : Možné varianty řešení transportu substrátů u osazovacích zařízení____________________________________________________________________________

Koncepce dopravníku v pracovní poloze Koncepce osazovací hlavy____________________________________________________________________________

Bez pohybu Pohyb ve směru os x a yPohyb ve směru osy x Pohyb ve směru osy yPohyb ve směru osy y Pohyb ve směru osy xPohyb ve směru os x a y Pevná poloha

_____________________________________________________________________________________________________

Osazování součástekOsazovací hlavy pracují na principu manipulátorů s posuvy ve všech třech směrech os (x, y, z), a s možností natáčení v rozsahu 0 až 360 o, a to nejen nad substrátem, ale i nad prostorem zásobníků. Uchycení součástky se provádí vakuovou pipetou a pro vystředění slouží buď modul opatřený kolem pipety kleštěmi nebo vizuální modul měřící odchylky vzhledem ke středu pipety ve směrech os x, y a natočení.Osazovací modul musí zajistit vsazení součástky do požadované polohy na substrátu. Sestává ze dvou částí :

- z manipulátoru zajišťujícího pohyb v osách x a y,- z osazovací hlavy s vakuovou pipetou zajišťující pohyb ve směru

osy z a otočení .

T - pohon H - pohon

My Mx y

x

My -1 Mx

y x

2- My

uchycení manipulovaného

nástroje ( osazovací hlavy )

Osazování součástekRychlé a flexibilní

(chip schooter):

- 55 000 souč/h

- přesnost 20μm

- 01005 až 25 x 25 mm

Pro velké součástky

- 22 000 souč/h

- ± 40 μm

- 0402 až 100 x 50 mm

Moderní osazovací zařízení KE 2050R, 2055R, 2060R

Obsah

1. Úvod2. Nanášení pájecí pasty3. Osazování součástek4. Pájení součástek 5. Ochranná atmosféra při pájení 6. Čištění7. Testování

Pájení součástekPájení je nejrozšířenější a nejspolehlivější metodou spojování součástek používanou v elektronice.

Je ale také známa skutečnost, že spolehlivost pájených spojů má významný vliv na jakost finálního výrobku.

• U ručně prováděných pájených spojů se dosahovalo spolehlivosti přibližně 5 . 10-9

• Teprve po zavedením tzv. strojního pájení, u něhož se s postupem času vžil název pájení vlnou, se spolehlivost o několik řádů zlepšila.

• Dalším pokrok do pájení vneslo pájení přetavením.

• Přesto i dnes je většina poruch vyskytujících se v elektronických zařízeních způsobena poruchami pájených spojů.

Pájení součástek – teplotní profil

020406080

100120140160180200220240260

0 40 80 120 160 200 240čas [s]

tepl

ota

[°C

]

Pájení součástek

ΔT zařízení: délková a podélná teplotní nestabilita

ΔT součástek: rozdíl teplot mezi největší a nejmenší součástkou, mezi komponentamis nejvyšší a nejnižší teplotní kapacitou nebo různými barvami

Pájení vlnou

Pro typ pájky Sn60Pb40 (případně Sn63Pb37) byla požadovaná teplota pájky v pájecí vaně minimálně 235 - 240 oC , aby byla zaručena teplota na substrátu 215 až 220 oC.

Pro nejpoužívanější bezolovnaté pájky SA a SAC, např. Sn96Ag4 musí být teplota pájky v pájecí vaně výrazně vyšší, a to 245 až 260 oC aby byla v místech tvorby spojů teplota zaručující dobré smáčení (ta musí být 230 - 235 oC ). Avšak teploty kolem 260 oC již nebezpečně zvyšují riziko poškození nebo zničení součástek. Proto se doporučuje nepřekročit v pájecí vaně teplotu 255 oC .

teplota součástek 95 - 115 °C

úhel 7° pájka 240 - 250 °C

1

2 4 3

tavidlo tlak 0.7 kg/m2

vzduchový nůž tlak 0.7 kg/m2

12 - 15 mm

Pájení vlnou (Flow Soldering nebo také Wave Soldering) je osvědčený způsob pájení DPS. Předností je vysoký stupeň automatizace umožňující vytvářet v kontinuálním procesu velký počet spojů v relativně konstantních podmínkách.

Pájecí vlna

Teplotní profil pájení vlnou

Pájení vlnou

Pájení vlnou

Pájení přetavenímZákladní princip využívaný při pájení přetavením (Reflow Soldering) vychází

z tiskových metod využívaných pro nanášení tlustovrstvých materiálů. Pájka ve formě pasty je nanesena na pájecí vodivou plochu předem, potom se na ni osadí součástky, a vzápětí se přetaví teplotou poněkud vyšší, než je bod tání pájky.

Důležitým faktorem je teplotní profil představující průběh teploty na čase po dobu pájení. Nejvyšší teplotou je teplota přetavení, ovšem důležitý je také náběh teploty z počáteční pokojové teploty, dále předehřev a také závěrečná fáze po přetavení - chlazení. To vše ovlivňuje tvorbu a vznik pájeného spoje, a především pak i jeho spolehlivost a životnost.

Základními parametry jsou:- náběh na teplotu předehřevu,- teplota a doba předehřevu,- maximální teplota přetavení,- doba na teplotou liquidu,- průběh chlazení.

Důležité je zajištění rovnoměrné a konstantní teploty v příčném řezu pece . Toto je ovlivněno velikostí a barvou součástek, a to vše dále souvisí se způsobem ohřevu resp. přenosem tepla ze zdroje na pájené spoje. Přenos tepla na pájené spoje při pájení přetavením může být proveden následujícími způsoby :

- vedením (kondukcí),- prouděním (konvekcí),- nebo zářením (radiací).

Pájení přetavenímPodle způsobu ohřevu se rozlišují následující metody pájení

přetavením :

pájení infračerveným zářením (krátce nazývané pájení infraohřevem),pájení horkým vzduchem nebo plynem (konvekční ohřev),pájení v kondenzovaných parách (krátce nazývané pájení kondenzační),pájení laserem,pájení vyhřívaným nástrojem (někdy nazývané pájení impulsní),pájení na horké desce nebo pásu.

Pájení přetavením - infra

1 2 3 4 5 6

°CA

°CB

°CA

°CB

°CA

°C B

°CA

°CB

teplotní senzory infra zářiče

směr pohybu pásu

Pájecí zařízení–konvekční ohřev

Pájení přetavením

Lead-free

Teplotní profil pájení přetavením

Pájení přetavením – v paráchPro pájení bezolovnatými pájkami se používají kapaliny s teplotou varu 230 oC .

Jsou to např. perfluorpolyether nebo perfluoramin. Podle typu pracovní kapaliny lze nastavit bod varu pracovní kapaliny v rozsahu 150 – 300 oC . Bod varu pracovní kapaliny tak definuje velmi přesně mezní hodnotu teploty přetavení. Ta je v tomto případě závislá na jediném parametru, což je hlavní předností pájení v parách.

sekundární zóna

primární zóna

ohřev

sekundární cívky

primární cívky

DPS

transport

200

100

235°C

T [°C]

0 60 120 180 240 čas [s]

chlazenípájení předehřev

( a ) ( b )

přetavení

Air

Process fluid

Vapour

Water Cooled Housing

Circular Water Cooling

Condensing Fluid

50-80°C

230-240°C

230-240°C

Pájení v parách – základní princip (1)

Připravený k pájení

Air

Process fluid

Vapour

Water Cooled Housing

Circular Water Cooling

Condensing Fluid

50-80°C

230-240°C

230-240°C

Studené substráty jsou vloženy

Pájení v parách – základní princip (2)

Air

Process fluid

Vapour

Water Cooled Housing

Circular Water Cooling

Condensing Fluid

50-80°C

230-240°C

230-240°C

Substráty jsou v pájecích parách

Pájení v parách – základní princip (3)

Pájení v parách vs. Konvenční metody pájení přetavením

3x vyšší teplotní gradient (0,4 K/s vs 1,2 K/s) snižuje dobu pájení, a to při zcela homogenním rozložení teploty

0,4 K/s

1,2 K/s

217 °C

Pájení přetavením - laser

SMD

293°C

t [0.1 s/dílek]

T

( a ) ( b )

scanovací mechanismus

laserový paprsek

• Původně infračervené záření o vlnové délce 10,6 m z CO2• NdYAG laseru (vlnová délka 1,06 m), jež se ukázalo jako způsob vhodný pro pájení vývodů součástek Fine Pitch (záření je na rozdíl od záření CO2 laseru velmi dobře absorbováno pájkou).• Vlastní ohřev probíhá impulsem dlouhým přibližně 300 ms a při výkonu 11,4 W.mm-2 je dosaženo na pájeném spoji teploty 293 oC. Prodleva na chladící části impulzu odpovídá eutektické teplotě pájky.

Pájení přetavenímNižší přetlak par v součástkách v procesu pájení, jenž souvisí s nižší pracovní teplotou vyvolává jev nazývaný „popcorn effect“. Vlhkost uvnitř pouzder způsobuje s rostoucí teplotou uvnitř pouzdra tlak par, což vede k delaminaci vrstev a poškození funkčnosti. Kritické jsou teploty nad 200 oC, přičemž čím je hodnota teploty vyšší, tím je vyšší i riziko poškození.

Pájení ručníPro ruční pájení součástek platí následující pravidla:

• maximální teplota pájky nesmí přesáhnout o více než 80 až 100 OC nejvyšší teplotu pevné fáze, což znamená teplotu 260 až 290 OC,

• je nutné znát vztah mezi teplotou pájky a teplotou hrotu teplota pájky musí být dosažena v co nejkratším čase (potřebná teplota hrotu je mezi 320 a 350 OC – pozor na umístění senzoru),

• teplota mezi hrotem pájedla a pájeným spojem se musí v průběhu pájení pohybovat v pásmu nad bodem tání pájky (pro bezolovnaté pájky přibližně 225C), ale pod hranicí 260C, kdy už jsou pájená součástka a substrát vystaveny nebezpečí poškození a v pájeném spoji dochází k nadměrnému nárůstu difúzní vrstvy.

• čas vlastního pájení (pájka je v tekutém stavu) se pohybuje mezi 2 až 5 s,• celkový čas pájení, tedy doba přiložení hrotu, závisí na výkonu pájedla,

tepelném odporu pájecího hrotu a teplotních přechodových odporech, avšak neměl by přesáhnout z hlediska omezení přenosu tepla na součástky čas 6 s.

Pájení ruční

tavidlo

oxidová vrstva

pájecí vodivá plocha

substrát

pájecí hrot

pájka

ztuhlá pájka

směr pájení

R

regulační smyčka

topné těleso termočlánek

pájecí hrot

nastavení

napájení

230V/24V

výměnný hrot

topné těleso

teplotní senzor

Cu pouzdro

a) b)

Ruční pájení – teplotní profil

C

320

25

225

250

teplota hrotu

pokojová teplota (součástka)

procesní okno

doba pájení

100!

!

R

regulační smyčka

topné těleso termočlánek

pájecí hrot

nastavení

napájení

230V/24V

výměnný hrot

topné těleso

teplotní senzor

Cu pouzdro

a) b)

Pájení selektivníZákladní technologický postup procesu selektivního

pájení je možné shrnout do následujících kroků:velmi přesné selektivní nanesení tavidlaglobální ( příp. lokální) předehřevselektivní (lokální) ohřev místa, kde

vzniká pájený spoj

V procesu selektivního pájení dochází ke krátkému ohřevu spoje a tím i součástky, k čemuž se používají různé způsoby přenosu tepla:

• hrotem (odporový vf ohřev asi 80W),• mikroplamenem (energie se dodává hořením plynu),• laserem ,• indukčním ohřevem (energii dodává elektromagnetické pole),• mikrovlnou

Pájení selektivní

Pájení selektivní

Ochranná atmosféra při pájení

Použití ochranné atmosféry v procesu pájení přináší hned několik výhod, z nichž ty nejvýznamnější jsou:

snížení spotřeby pájky (dosažení omezení propalu pájky),ochrana před povrchovou oxidací pájených povrchů i pájky (zajištění lepší smáčivosti, a s tím omezení používání tavidel),snížení povrchového napětí na povrchu pájky (lepší roztékavost a menší konkávnost pájky).

Ochranná atmosféra při pájení- pájení vlnou v ochranné atmosféře,

Pájení vlnou v ochranné atmosféře umožňuje použití neagresivních, bezoplachových tavidel a tím v řadě případů vyloučení nutnosti čistění desek po pájení. Pájené spoje i jejich okolí jsou vzhlednější a celý proces je z hlediska ekologie a bezpečnosti příznivější.

Nevýhodou jsou poměrně vysoké počáteční náklady, složitější a objemnější zařízení a také spotřeba dusíku. PRO DOSAŽENÍ POŽADOVANÝCH VÝSLEDKŮ V PLNÉ MÍŘE JE POVOLEN JEN MALÝ OBSAH KYSLÍKU V ATMOSFÉŘE PÁJENÍ, POUHÝCH 10 PPM. To je požadavek kladoucí vysoké nároky na konstrukci zařízení (cena se až zdvojnásobí oproti běžnému zařízení).

Byly vyvinuty i systémy s vyšším obsahem kyslíku (pouze lokální ochrana v prostoru pájecí vlny), které mají 50 ppm O2 (tzv. Nitrogen Hood) a dokonce 500 ppm O2 (tzv. Nitrogen Blanket).

Ochraná atmosféra při pájení

- pájení přetavením v ochranné atmosféře,

Úprava zařízení pro pájení přetavením v ochranné atmosféře se nezdá být na první pohled tak náročná jako při pájení vlnou. Dosažení určitého zlepšení je pozorovatelné již od hladiny kyslíku 1000 ppm, což je hlavní odlišností při porovnání s pájením vlnou. Již za této podmínky lze pozorovat dobrou smáčivost, a také potlačení změny barvy desek plošných spojů v blízkosti spojů.

Mezi nevýhody použití ochranné atmosféry patří vyšší pořizovací a provozní náklady ve srovnání s běžnými zařízeními pro pájení přetavením v normální atmosféře, i když ne v tak výrazné míře jako u pájení vlnou.

Ochraná atmosféra při pájení

vstupní komora předehřev vlna výstupní komora

inertní atmosféra

vakuové čerpání plasmové leptání

Obr. : Pohled na test pájky metodou SBSA (Sessile Ball Shape Analyze) provedený pájkou SAC na keramickém substrátu a) v normální atmosféře

b) v dusíkové atmosféře

Dusíkový zákryt

Použití dusíku pro pájení bez olova je přínosem, ale není to vždy nutnost.

Obsah

1. Úvod2. Nanášení pájecí pasty3. Osazování součástek4. Pájení součástek 5. Ochranná atmosféra při pájení6. Čištění7. Testování

ČištěníDůvodů pro čištění po pájení je celá řada, ale všechny souvisí se

splněním požadavků, jejichž společnými jmenovateli je dosažení požadované jakosti a spolehlivosti. Mezi důvody pro čistění patří např.:

splnění požadavku na hodnotu izolačního odporu (především z hlediska dlouhodobého působení vlhkosti),vyloučení působení zbytků tavidla v dalším časovém horizontu,omezení problému nemožností hrotového měření na substrátu,neomezit adhezní vlastnosti pro ochranné vrstvy,zlepšit kosmetický vzhled osazené desky.

Čistit je ale třeba i z jiných důvodů, např. odstranění nečistot na substrátech nebo čištění sít a šablon po tisku.

ČištěníZbytky nečistot na substrátech po osazování a pájení mohou výrazným

způsobem ovlivnit spolehlivost. Proto se ukazuje nutné je sledovat resp. kontrolovat.

Ukázalo se, že zbytkové nečistoty na osazených substrátech mohou být dvojího původu, a to:

A. Chemické.B. Kovové.

ad A. Chemické nečistoty mohou pocházet z tavidel použitých v procesu pájení, z výroby desek plošných spojů a také ze samotných součástek (zvláště z procesu pocínování vývodů). Jsou obyčejně iontového původu, a proto zvláště při vyšší relativní vlhkosti může docházet ke všeobecnému snížení izolačních odporů. To je tím více kritické, čím jsou menší vzdálenosti mezi vodiči. ad B. Kovové nečistoty jsou způsobeny v prvé řadě rozpustností zúčastněných kovů v roztavené pájce, která je pro různé kovy rozdílná. Problémy mohou nastat např. u tlustých a tenkých vrstev, neboť drahé kovy (především zlato a stříbro) se velmi rychle v pájce rozpouští (difundují). To může vyvolat jak degradaci vrstvy, tak i pájeného spoje.

Čištění po pájení

Tavidla s nízkým obsahem pevné fáze Tavidla R a RMA Tavidla RA(kalafunová a bezkalafunová) (kalafuna a mírně akti- (aktivovaná kalafuna)

vovaná kalafuna)

požaduje specifikace tavidla čištění ?

ANO NE

čistit nečistit

na bázi rozpouštědel na bázi vodních roztoků polovodní a emulzní rozpouštědla ultrazvukové- alkoholy - voda (deionizovaná) - voda a hydrokarbonová - ostatní mechanické - trichlóretylén - vodní roztoky rozpouštědla energie- CFC - saponáty - mikroemulzní - glykoletery - saponifikátory - terpeny

Obr. : Hlavní směry čištění podle typu a specifikace použitého tavidla

Klasifikace tavidel

ANSI-J-STD-004

Klasifikacetavidel

ISO-9454-1

VOC-free flux 977klasifikace (Kester)

ANSI-J-STD-004 : ORL0-OR = Organic-L = Low-0 = No Halides

ISO-9454-1: 223A-2= Organic-2= Non water-soluble-3= Non halide activated-A= Liquid

ISO 14001

Čištění

Obr. : Zkrat způsobený zbytky nečistot na substrátu

Čištění

Pokud je používáno ve výrobním procesu čištění, je třeba dbát na omezení spotřeby čistících látek. Toho lze dosáhnout některým z následujících způsobů a jejich kombinacemi :

změnou resp. modernizací čistícího procesu,využíváním informací a rad od dodavatelů čistících látek,účinnou kontrolou procesu (monitorování, vyhodnocování a řízení),školením obsluhy,úpravou zařízení redukující odpařování (uzavření prostoru, stínění apod.),instalací recyklačního zařízení,zavedením ekologických čistících metod (alkalické zmydelnění pryskyřic nebo rozpouštědlové vodní čištění).

Čištění

Super SWASH

a

Compaclean

Modulclean

• Délka cyklu 30 – 45 min

• Střední teplota max 50oC

(air 110oC)

• Střední obsah 56 l/VIGON,

29 l voda

• váha 420 kg

ČištěníTabulka: Celkový trh čistících prostředků pro elektroniku v létech 2001 - 2008

Rok vodní (%) polovodní (%) rozpouštědla (%)

2001 76,7 18,0 5,3

2002 77,8 17,3 4,8

2003 79,0 16,7 4,4

2004 79,9 16,1 4,0

2006 80,4 15,9 3,7

2008 80,6 15,9 3,5

Čištění

Degradační testy simulují degradační chování za ztížených resp. urychlených klimatických a elektrických podmínek. Zbytky iontových nečistot na substrátu pak způsobují zhoršení izolačních vlastností a tvoří centra vyvolávající následnou korozi nebo elektromigraci. Tyto testy mohou probíhat v různých podmínkách.

Příkladem je jeden z nejčastěji používaných testů realizovaný při stejnosměrném napětí minimálně 100 V, v teplotních cyklech např. 25 a 65 °C, při relativní vlhkosti 90 %, po určitý čas (např. 250, 500, 1000 h) se změnou teploty po osmi hodinách. Test může být proveden i za stálých klimatických podmínek, např. 40 °C a 93 % relativní vlhkosti. Sledují se hodnoty izolačního odporu měřeného jako vrstvový odpor, jež se mohou pohybovat v rozsahu 109 až 1014 na čtverec.

Měření nečistot na substrátech

V souvislosti s přítomností iontových nečistot na substrátu po pájení je možné provést vyhodnocení jejich množství nepřímou extrapolační metodou s pomocí měření vodivosti přímo na substrátu. Měřící metoda je definována normou MIL-P-28809 a je založena na nanesení testovacího izopropylového roztoku (75 %) s destilovanou vodou (25 %) na desku plošného spoje a následným měřením jeho odporu. Zatímco počáteční měrný odpor roztoku je 6 M. cm, jeho hodnota po rozpuštění nečistot nesmí klesnout pod 2 M. cm. Následně se vypočítává ekvivalent množství NaCl na substrátu jako úroveň znečistění v g . cm2 (ekvivalentní hodnota je 1,56 NaCl g .cm-2 pro myté desky).

Příklad typického průběhu naměřených hodnot iontového znečištění desky plošného spoje

Změna vodivosti testovacího roztoku je měřena a vyhodnocena přímo v g.cm-2

odpovídajícím množství NaCl.

1,2

NaCl [ g / cm2 ]

1,0

0,8

0,4

0,2

0 0,467 0,933 1,400 1,867 2,333 2,800 3,267 3,733 4,200 4,667 5,133 5,600

čas [ min ]

Test vlivu čištění na smáčecí úhel

Měření průměru zapájených oblastí (pro měření byl použit mikroskop Olympus SZ61 a software Olympus Industrial v. 2.2)

Čištění

Obr. : Rozhodovací faktory pro zavedení procesu čistění

Obsah

1. Úvod2. Nanášení pájecí pasty3. Osazování součástek4. Pájení součástek 5. Ochranná atmosféra při pájení 6. Čištění7. Testování

Testovací metody pro elektronické sestavy

FT (Funkční testy) konečného produktu

ET (Elektrické testy) dílčích sestav (např. DPS )

ICT (In Circuit testy ) vnitroobvodové testy obvodů/součástek na DPS

AXI (Automatická X-ray inspekce ) pro pájené spoje a přítomnost součástek

AOI (Automatická optická inspekce) pro pájené spoje a součástky

VI (Vizuální inspekce ) subjektivní optická kontrola člověkem

Oblasti použití různých kvalitativních testů ve výrobě

Pájení v peci

Osazení

vývodových součástek

Pájení v pájecí lázni

Kom

pletace (přidání nepájenýchpoložek)

Funkční testElektrický test

In Circuit testAXIAOI

Vizuální inspekce

Finální montáž

(balení )

Výrobní pozice:

Montáž SM

D součástek

Tisk pájecí pasty

Charakteristika AOIBezkontaktní měření Flexibilní a rychlé programování ve srovnání s elektrickými testovacími systémy Vhodné pro téměř všechny fáze výrobního procesu Rychlá návratnost investic

Nevýhody: lze detekovat jen viditelná místa a mohou vznikat „pseudodefekty“.

Operační princip: Pokud je zjištěn vizuální defekt, musí být odstraněn před dalším zpracováním tak, aby se dále neopakoval.

S ohledem na odstřižené konce vývodů je meniskus velmi malý nebo téměř žádný (A) Skutečný meniskus (B) je na odvrácené straně vývodu.

Proč omezená detekce na vývodech IC?Horní pohled IC

vývod

menisky pájky

Pohled.strana

Pájecí plocha

Střižená hranaIC vývodu (oxidovaná

měď) A B

Techniky používané v AOIMohou být využity různé měřící principy :

1. Korelace (porovnání obrazu)2. Syntetické modelování (obrazy pro porovnání syntetické

předlohy je odvozen z reálných obrazů – referenční obraz)

3. Vektorové modelování (matematické modelování založené na 3D rozměrech součástek z katalogů, kontrolované položky nejsou reprezentovány obrazy, ale čísly).

Všechny principy mohou fungovat s barevnou i Č/B kamerou, avšak vektorová analýza se provádí převážně v černobílém režimu

Barevná vs. černobílá kamera v AOI Barva nabízí účinnější a všestrannější detekci (např. tmavě zelená

DPS vs. tmavé součástky ) 24bitová vs. 8bitová detekce Barevné rozhraní poskytuje méně operačních chyb a účinnější

programování Barevné obrázky jsou užitečnější v opravářských procedurách Široké využití barev v SMT průmyslu je typická charakteristika;

AOI užívající barevný algoritmus z toho těží

Detekční analýza

Nejlepší detekce poruch lze dosáhnout kombinací různých způsobů:

AOI + ICT + AXI + funkční test + ….Ale 100% pokrytí není prakticky možné !

Výběr zařízení je prováděn podle efektivnosti využití a s ohledem na výši investičních prostředků.

Problematika testování u bezolovnatých pájek (AOI)

Pájecí pasta má světlejší barvu Pájený spoj se po nahřátí jeví jako světle šedý Menší lesk v porovnání s konvenční pájkouHrubší povrch se jeví jako temnějšíPovrch se může jevit jako konvenční “studený spoj“, vypadá nepravděpodobně Aktuální vizáž je silně závislá na pastě a procesu

Č&B nebo barevné syntetické modelování Normální pájený bod &lakovaný pájený bod

Syntetické modelování X-paprskem se stranovým světlem Normální pájený bod &lakovaný pájený bod

Stranová histogramová analýzaNormální pájený bod &lakovaný pájený bod

Pohled na SnPb a SnCuAg pájku

SnPb

SnAgCu

ZávěrPovrchová montáž je neustále se rozvíjející, progresivní způsob montáže elektronických sestav a má celou řadu možných provedení

Pájení je základní technologickou operací při výrobě elektronických systémů, jež výrazně ovlivňuje spolehlivost a jakost

Podílí se více než na 50% poruch

Pájení je složitý proces ovlivňovaný řadou chemických reakcí, které mají zásadní vliv na jakost pájených spojů

Pájené spoje jsou stále menší a také mezery mezi nimi se snižují

Kontrolní otázky1) 8 základních kroků v technologickém procesu PM (SMT)2) Parametry pájecích past a jejich nanášení3) Síta pro sítotisk, jejich parametry a zhotovení šablon4) Šablony pro šablonový tisk a význam parametru „area ratio“5) Způsoby osazování SMD a parametry osazovacích strojů6) Fázové diagramy pájecích slitin a intermetalické vrstvy7) Procesní okno pro olovnaté a bezolovnaté pájení8) Teplotní profil pro pájení vlnou a jeho fáze9) Způsoby pájení přetavením a odpovídající teplotní profily10) Ruční pájení – princip a teplotní profil11) Způsoby a důvody pro čištění v elektronice12) Testovací metody v elektronice 13) Automatická optická inspekce a typy poruch po operaci pájení