Propojovánàv elektronice – elektrické spoje - UMEL
Propojovánàv elektronice – elektrické spoje - UMEL
Propojovánàv elektronice – elektrické spoje - UMEL
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Lead Free Soldering<br />
Process Reliabilty<br />
Propojování v<strong>elektronice</strong> – elektrické <strong>spoje</strong><br />
Interconnection –Electrical Joints (Solder Joints)<br />
BGA/SMT Rework
Obsah<br />
1.Úvod<br />
2. Pájení<br />
3.Pájecí pasty<br />
4.Tavidla<br />
5. Elektricky vodivá lepidla<br />
6. Jakost pájených spojů
Úvod<br />
Propojení musí splňovat následující hlavní kritéria:<br />
• Být technologicky slučitelné a rozměrově úměrné<br />
• zachovávat integritu signálu (neovlivňování)<br />
• vykazovat minimální ztráty<br />
• splňovat požadavky kladené zhlediska elektrického odporu,<br />
indukčnosti, kapacity, stínění a další<br />
• splňovat požadavky na mechanické vlastnosti<br />
• musí být takové, aby bylo ekologicky akceptovatelné
Úvod<br />
Propojení v<strong>elektronice</strong> lze definovat v následujících úrovních:<br />
• 1. úroveň: vývody čipu k vývodům pouzdra<br />
• 2. úroveň: součástky k desce plošného <strong>spoje</strong><br />
• 3. úroveň: propojení desek plošných spojů (např. karta do počítače<br />
kjeho základní desce)<br />
• 4.úroveň: propojení desek plošných spojů např. plochými kabely<br />
• 5. úroveň: propojení individuálními konektory, např. BNC<br />
konektorem<br />
• 6. úroveň: propojení systémovými konektory, např. Canon
Úvod<br />
Pro propojování na 2. až 6. úrovni se užívá širokého spektra různých<br />
konektorů. Konektory jsou součástky, kterými se realizují zásuvné <strong>spoje</strong> a<br />
liší se řadou parametrů:<br />
• počtem vodičů, jejichž propojení zajišťují<br />
• tím, zda jsou určeny k montáži na desku (panel) nebo kabel<br />
• povoleným proudem kontaktů<br />
• odporem kontaktů<br />
• impedancí kontaktů a jejich kapacitou a indukčností<br />
• stíněním kontaktů<br />
• provedením podle montážní technologie, pro kterou jsou určeny (THT,<br />
SMT)<br />
• prostředím, ve kterém může konektor pracovat<br />
• rozměry a polohou, ve které jsou provozovány.
Úvod<br />
• Elektricky vodivé <strong>spoje</strong> jsou nejčastější součástí elektronických<br />
zařízení, pokud budeme uvažovat integrované obvody jako<br />
samostatné součástky nehledě na počet dalších součástek (např.<br />
tranzistorů), které jsou v nich integrovány.<br />
• Vodivé <strong>spoje</strong> jsou realizovány různými způsoby, které lze obecně<br />
rozdělit na mechanické a metalurgické.<br />
• Kmechanickým spojům patří spojování pomocí různých typů<br />
pérových kontaktů, různými konektory apod.<br />
• Kmetalurgickým spojům patří <strong>spoje</strong> realizované buď svařováním<br />
spojovaných částí nebo jejich pájením.
Úvod<br />
• Pájení je proces, při kterém jsou dvě nebo více částí spojovány<br />
roztaveným kovem (pájkou), která má nižší teplotu tavení než spojované<br />
části. Ke <strong>spoje</strong>ní dojde difuzí atomů pájky do materiálu spojovaných částí.<br />
Velektrotechnice se užívá tzv. tvrdého pájení a měkkého pájení. Jako<br />
hranice mezi těmito typy pájení je obvykle uváděna teplota 500°C.<br />
V<strong>elektronice</strong> se pro vodivé spojování pájením užívá výhradně měkkého<br />
pájení.<br />
• Pájené <strong>spoje</strong> jsou v <strong>elektronice</strong> obvykle realizovány měkkými pájkami, což<br />
jsou slitiny, které vyhovují jak z hlediska ceny, tak elektrických a dalších,<br />
zejména mechanických, vlastností. Dlouho dominantní byly pájky<br />
SnPb.V současné době však roste důraz na ekologičnost výroby a<br />
výrobků. Proto jsou SnPb pájky nahrazovány ekologickými slitinami, které<br />
neobsahují Pb . Tento kov je neekologický a má neblahé účinky na živé<br />
organismy. Pokud se do lidského těla dostane vyšší koncentrace Pb,<br />
dochází ksilné otravě. Pokud je absorbováno nižší množství této toxické<br />
látky, dochází k poškozování vědomí, nervového a reprodukčního systému.<br />
Pb a jeho slitiny a sloučeniny byly zařazeny do skupiny 10 typů materiálů,<br />
které byly označeny jako nejnebezpečnější pro přírodu.
Úvod<br />
• Jsou dvě možné cesty náhrady Sn-Pb pájek pro spojování v<strong>elektronice</strong> .<br />
Je to použití bezolovnatých pájek nebo použití elektricky vodivých lepidel.<br />
• Ukazuje se,že prozatím vodivá lepidla nejsou schopna plně nahradit pájený<br />
spoj. Přitom je ale zřejmé, že pro některé aplikace bude použití elektricky<br />
vodivých lepidel nezbytné. Jedná se o vodivé připojování vmístech, kde<br />
není možné použít zvýšenou teplotu, např. při kontaktování LCD displejů.
Pájení<br />
Pro vytvoření kvalitního pájeného <strong>spoje</strong> je třeba, aby byly splněny podmínky<br />
pájitelnosti vývodů součástek i připojovacích plošek. K tomu musí být<br />
splněny podmínky:<br />
• smáčivosti – povrch a materiál vývodů součástek i připojovacích plošek<br />
musí být takový, aby vývody i připojovací plošky byly smáčeny roztavenou<br />
pájkou v čase, po který je prováděno pájení, bez následného odsmáčení<br />
(smáčivost kovového povrchu je definována jako schopnost povrchu<br />
podporovat vytvoření slitiny na rozhraní základního materiálu a pájky, která<br />
zajistí vytvoření mechanicky odolného <strong>spoje</strong> s nízkým elektrickým<br />
odporem).<br />
• pokovení vývodů i připojovacích plošek se v čase, potřebném pro zapájení,<br />
nesmí vpájce rozpustit ani pájkou odplavit<br />
• teplotní odolnost vývodů, připojovacích plošek, desek plošného <strong>spoje</strong> i<br />
pouzder součástek musí být taková, aby v čase potřebném pro zapájení<br />
nedošlo k teplotnímu poškození součástky ani desky plošného <strong>spoje</strong>.
Pájení<br />
Pájení se v <strong>elektronice</strong> provádí třemi základními způsoby: ručně páječkou,<br />
pájením vlnou a pájením přetavením.<br />
• Páječkou se dnes pájí pouze některé speciální součástky, např. větších<br />
rozměrů, které jsou osazovány do desky dodatečně po pájení hromadném.<br />
Pájení páječkou je samozřejmě užíváno i při opravách osazených desek.<br />
• Pájení vlnou se provádí na deskách plošného <strong>spoje</strong> osazených<br />
součástkami pro povrchovou montáž i součástkami s vývody vkládanými<br />
do děr. Dnes představuje významný segment montážní technologie<br />
v<strong>elektronice</strong>. Při pájení vlnou je v zásobníku s roztavenou pájkou<br />
vytvořena na hladině jedna nebo více vln, které smáčí povrch desky<br />
plošného <strong>spoje</strong>, která se pohybuje nad hladinou. Smáčen je ten povrch, na<br />
kterém mají být vytvořeny pájené <strong>spoje</strong>, ta část smáčeného povrchu, na<br />
kterou nemá být aplikována pájka, je chráněna nepájivou maskou.<br />
• Pájení přetavením spočívá vnanesení pájecí pasty na pájecí plošky desky<br />
plošného <strong>spoje</strong>, na kterých mají být vytvořeny pájené <strong>spoje</strong>, pak osazení<br />
součástek na desku tak, aby jejich vývody, které mají být připájeny byly<br />
osazeny na připojovací plošky s nanesenou pájecí pastou a následné<br />
přetavení pasty průchodem desky píckou s vhodným teplotním profilem.
Pájecí pasty<br />
Pájecí pasty mají mnoho různých vlastností a parametrů. Výsledná<br />
jakost pájeného <strong>spoje</strong> pak je dána optimální volbou a výběrem<br />
konkrétního materiálu pro danou aplikaci. Mezi základní parametry<br />
past patří:<br />
• velikost částic pájecích složek,<br />
• rozložení velikosti částic,<br />
• smáčivost pájky,<br />
• stupeň oxidace pájky,<br />
• viskozita.
Pájecí pasty<br />
Vzdálenost mezi oky síta<br />
• Roztečí se rozumí vzdálenost od středu jednoho vlákna ke středu<br />
sousedícího vlákna . Ke správnému natištění vývodu (kontaktní plošky) je<br />
třeba zajistit přesné vytvoření šablony, nanesení a teplotní zpracování<br />
(vypálení).<br />
• Podstatný je ale i výběr pasty, resp. velikost zrn pájecího prášku. Velikost<br />
zrn pájecího prášku souvisí s velikostí ok sítě, což je určeno schopností<br />
protlačení pasty resp. Jejich zrn přes oka síta (mřížku). Vzdálenost mezi<br />
jeho dráty je určována počtem čtverců nebo počtem otvorů na palec síta .<br />
• Například síto s počtem 200 ok má 200 otvorů na palec a s počtem 325 ok<br />
má 325 otvorů na palec, atd.
Pájecí pasty<br />
Obr.: Velikost ok a odpovídající velikost částic pasty pro typ 3. Vzdálenost mezi<br />
dráty je udávána počtem čtverců nebo počtem otvorů na palec mřížky
Pájecí pasty<br />
Pájecí pasta se skládá ze tří základních složek, kterými jsou:<br />
• pájecí materiály<br />
• tavidlo<br />
• pojivové složky<br />
• Ad a) Pro většinu povrchových montáží se dnes již používají bezolovnaté pasty.<br />
• Ad b) Tavidlo, jako část pájecí pasty rozděluje tyto pasty na několik typů,<br />
závisejících na typu aplikace. Toto rozdělení do těch samých kategorií, jako u<br />
tekutých pájecích tavidel zahrnuje kalafunu, přírodní nebo syntetické pryskyřice a<br />
organické látky. Nejoblíbenější tavidla jsou typu “no-clean“ nebo s nízkým zůstatkem<br />
nečistot (zbytků tavidla po tepelné reakci). Tím odpadá starost s čištěním a<br />
svícenáklady na tuto operaci. Tyto tavidla jsou vyrobena na základě pryskyřic a<br />
kalafun a odstranění jejich zbytků (mycími prostředky nebo saponáty), přináší velkou<br />
spotřebu vody, což může být velký problém. Druhé nejoblíbenější jsou tavidla na<br />
základě organických kyselin (OA). Tato tavidla vyžadují čištění vodou jsou užity<br />
vprogramech, v kterých se čistění desek plošných spojů (PCB) provádí ručně. Jsou<br />
to například celky, celky které jsou vystaveny vysokým teplotám a lakované<br />
aplikace.<br />
• Ad c) Tavidla jsou složitější, než tekutá, avšak žádná znich nejsou schopna zajistit<br />
(nastavit) viskozitu na požadovanou hodnotu. Kromě rozpouštědel a aktivátorů,<br />
které obsahují také tekutá tavidla, jsou obsažena v pastě navíc materiály pro úpravu<br />
viskozity (zahušťovadla) a teplotní stabilizátory. Zahušťovadla mají tu funkci, že<br />
pájecí prášek zůstává přichycen na tavidle a neodděluje se od něj. Teplotní<br />
stabilizátory zajišťují neměnnost vlastností pájecí pasty během přetavovacího<br />
procesu.
Pájecí pasty<br />
Pájka<br />
Oblast<br />
tavení<br />
(°C)<br />
Využitív průmyslu<br />
Společnost<br />
SnAg<br />
221-226<br />
Automobilový<br />
Visteon (Ford)<br />
Sn/Ag/Bi<br />
206-213<br />
Vojenský/Letecký<br />
Panasonic 1)<br />
Sn/2,5Ag/0,8Cu/0,5Sb<br />
Spotřebitel<br />
Hitachi<br />
Sn/Ag/Bi/Cu<br />
Vojenský/Letecký<br />
Panasonic<br />
Sn/Ag/Bi/Cu/Ge<br />
Spotřebitel<br />
Sony<br />
Sn/Ag/Bi/X<br />
206-213<br />
Spotřebitel<br />
Panasonic<br />
Sn/Ag/Cu<br />
217<br />
Automobilový<br />
Panasonic 2)<br />
Sn/3,5Ag/0,5Cu/1,0Zn<br />
Telekomunikace<br />
Nokia,Nortel<br />
,Panasonic Toshiba<br />
Sn/Bi<br />
138<br />
Spotřebitel<br />
Panasonic<br />
Sn/Cu<br />
227<br />
Spotřebitel<br />
Panasonic 3)<br />
Sn/20In/2,8Ag<br />
Telekomunikace<br />
Nortel<br />
Sn/Zn<br />
198,5<br />
Spotřebitel<br />
NEC, Pan., Toshiba 4)<br />
1) je náchylná na kontaminaci Pb, které zhoršívýrazně vlastnosti<br />
2) 95,5/4/0,5 – je nejstarší slitinou objevenou v první polovině minulého století a proto není patentovatelná, není náchylná na<br />
kontaminace, proto v jiném složení je nejčastěji patentovanou slitinou pro pájky (např. Sn96,5/Ag3/Cu0,5 – bod tavení kolem<br />
220°C, je asi o 36°C vyššínež u olovnatých pájek). V důsledku obsahu stříbra je jejícena vyšší.<br />
Je vhodná pro vlnu, reflow i ručnípájení<br />
3) je náchylná na kontaminace, zvyšuje se teplota tavení(99,3/0,7)<br />
4) 91/9 –je levná, ale Zn je náchylné koxidaci a knečistotám celkem (pájení vdusíku zřejmě nutné). Zn pak zhoršuje i<br />
smáčivost a zkracuje i skladovatelnost. Má bod tavení blízký olovnatým pájkám (199°C)
Pájecí pasty<br />
Forma a stupeň oxidace<br />
• Forma a stupeň oxidace jsou důležité fyzikální vlastnosti pájecího<br />
prášku. Pro pájecí pastu může být použit pouze kulový prášek. Prášek,<br />
jehož odchylka od přesného tvaru koule je větší než 4%je nevhodný.<br />
Použitím optického zobrazení je možno laboratorně měřit několik vlastností<br />
pájecích past současně. Pomocí optického zobrazení vybraného počtu<br />
částic lze určit velikost, tvar a velikost rozložení –důležité vlastnosti ke<br />
správnému nanesení pájecí pasty přes šablonu.<br />
• Stupeň oxidace popisuje nevodivý povlak který se vytvoří na povrchu<br />
pájecího prášku, obsahuje uhličitany a sulfidy, které, jako velmi malé<br />
částice, mohou ovlivnit viskozitu pasty, její schopnost tavení, tvorbu kapek<br />
a také její životnost ( po dobu co je uskladněna a na šabloně). Obvykle,<br />
pájecí prášek obsahuje 0,05-0,25 objemových procent oxidantu.
Pájecí pasty<br />
• Pájecí pasta se skládá zmikroskopických kuliček pájky, které jsou pokryty vrstvou<br />
kysličníku, tavidla, aktivátoru a technologické složky, která vytváří ze směsi pastu<br />
spožadovanou viskozitou (viz obr. 1.1).<br />
Kysličník<br />
Pájka<br />
Technologická složka<br />
Obr. : Struktura pájecí pasty
Pájecí pasty<br />
• Na základě studie bezolovnatých pájek bylo<br />
konstatováno, že slitiny Sn96.5Ag3.5 a Sn42Bi58 se<br />
jeví jako nejperspektivnější, přitom slitina Sn96.5Ag3.5<br />
je vhodná pro prostředí, ve kterém se mohou vyskytovat<br />
vyšší teploty (např. pro automobilový průmysl), zatímco<br />
slitina Sn42Bi58 je spíše vhodná pro méně náročné<br />
aplikace. Při této studii bylo také zjištěno, že slitiny,<br />
které obsahují Ag mohou být ekologicky nebezpečné,<br />
zejména pokud by přišly do kontaktu se spodní vodou.
Pájecí pasty<br />
• Pro vlastnosti vyvíjených slitin bezolovnatých pájek není<br />
významným parametrem pouze teplota tavení pájky, ale také její<br />
koeficient teplotní roztažnosti. Ten musí být takový, aby při<br />
teplotním cyklování nedocházelo k poruše spojů vdůsledku<br />
výrazně odlišného koeficientu teplotní roztažnosti pájky, desky<br />
plošného <strong>spoje</strong> a součástky.<br />
• Tento parametr je zvláště významný u povrchově montovaných<br />
„bezvývodových“ součástek. Délkový součinitel teplotní roztažnosti<br />
Sn-Pb eutektické pájky je 20.5⋅10-6 [°C-1], u slitiny Sn96.5Ag3.5<br />
má tento koeficient hodnotu 22.1⋅10-6 [°C-1] a u slitiny Sn42Bi58<br />
hodnotu 15.1⋅10-6 [°C-1].
Pájecí pasty<br />
• Povrch pájky SAC je ve srovnání sSnPb matnější, a při detailním pohledu je na<br />
něm patrná dendritická struktura tuhnutí fáze SnAg pájkové slitiny (obr.5-4). Tyto<br />
složky se podílí na vzniku depletiční vrstvy (Ag3Sn), jejíž struktura je v případě<br />
bezolovnatých pájek komplikovanější než vpřípadě pájky SnPb.<br />
Obr. 5-4: Pohled na strukturu SnAgCu a) v detailním pohledu (zvětšení 500x)<br />
b) v pohledu <strong>spoje</strong> SMD (zvětšení 100x) c) vznik intermetalických slitin
Pájecí pasty<br />
• Základní rozdíly mezi SnPb an SnAgCu pájkou lze shrnout následovně:<br />
• SnAgCu pájka požaduje vyšší teplotu přetavení než SnPb. Bod tavení u<br />
SnAg3.8Cu0.7 je 219°C a SnAg3Cu0.5 je bod tavení 217°C, obojí tedy je<br />
vyšší než bod tavení eutektické slitiny SnPb, který je 183°C.<br />
• Smáčení SnAgCu pájek není tak dobré jako u SnPb slitin především z<br />
důvodu vyššího povrchového napětí, ale zlepšení srovnatelných výsledků<br />
lze dosáhnout při použití dusíkové atmosféry [17,18].<br />
• SnAgCu pájené <strong>spoje</strong> mají větší náchylnost k vytváření prázdných míst -<br />
„bublin“ (voids) než je tomu u pájek SnPb [16, 19].<br />
• Je patrný vzhledový rozdíl mezi SnAgCu a SnPb pájkou. Spoje SnPb jsou<br />
jasné a lesklé, zatím co <strong>spoje</strong> SnAgCu jsou matné a mají drsnější povrch.<br />
Tyto rozdíly vyžadují zohlednění přioptické kontrole bezolovnatých<br />
pájených spojů.
Tavidla<br />
Pokud je pájka dodávána jako pájecí pasta, je tavidlo smíšeno s částicemi<br />
pájky tak, že pasta tvoří homogenní materiál. V případě pájek<br />
„trubičkových“ je tavidlo náplní trubičky. Hlavní funkce tavidla jsou:<br />
• odstraňuje povrchové oxidy<br />
• chrání před oxidací při zvýšené teplotě při pájení<br />
• napomáhá přestupu tepla<br />
• zlepšuje smáčitelnost spojovaných povrchů
Tavidla<br />
Tavidla jsou tří základních typů:<br />
• mírně aktivované pryskyřice (rosin mildly activated –RMA)<br />
• tavidla rozpustná ve vodě<br />
• tavidla, jejichž zbytky není nutné po pájení odstraňovat.<br />
Tavidlo RMA je tvořeno kalafunou rozpuštěnou v ředidle doplněnou aktivátorem, kterým<br />
bývá organická kyselina nebo sůl. Poměr obsahu aktivátoru k obsahu ředidla určuje<br />
aktivitu a tím i korosivitu tavidla. Typické pro tavidlo je, že maximální aktivitu<br />
vykazuje během pájecího procesu. Po zapájení <strong>spoje</strong> vykazuje tento typ tavidla<br />
velice nízkou aktivitu a tím i korosivitu, a proto po zapájení spojů je nutné čištění.
Tavidla<br />
Aplikace tavidel se provádí třemi základním způsoby:<br />
• smáčením<br />
• nanášením jako spray<br />
• nanášením pěny<br />
• Nanášení tavidla smáčením je podobný proces jako pájení vlnou.<br />
Vzásobníku s tekutým tavidlem je vytvořena vlna, která smáčí povrch<br />
spodní desky plošného <strong>spoje</strong>, která nad vlnou prochází. Vlna je obvykle<br />
následována měkkým kartáčem, který otírá přebytek tavidla ze smáčeného<br />
povrchu. Po nanesení je tavidlo sušeno během tzv. předehřívací fáze před<br />
pájením při teplotěf 80-110°C podle typu tavidla.<br />
• Nanáší-li se tavidlo jako spray, jedná se o klasický proces známý např.<br />
znanášení barev tímto způsobem. Takto je možné nanášet většinu tavidel.<br />
• Při nanášení tavidla jako pěny se užívá probublávání plynu zásobníkem, ve<br />
kterém se nachází tavidlo. Na povrchu tavidla se takto vytváření bublinky,<br />
které se nanášejí na povrch desky plošného <strong>spoje</strong>. Při praskání bublinek<br />
dochází kúplnému smáčení daného povrchu tavidlem a zároveň se<br />
podporuje čistící účinek tavidla.
Elektricky vodivá lepidla<br />
• Lepidla, která jsou na bázi pryskyřic, jsou výrazně elastičtější než pájky.<br />
Nevodivá epoxidová pryskyřice slouží jako základní hmota a vodivost je<br />
způsobena kovovými plnidly. Kovové částečky musí být obsaženy v co<br />
největším procentuálním množství, aby se dotýkaly navzájem a zajišťovaly<br />
tak požadovanou vodivost.
Elektricky vodivá lepidla<br />
• Vodivé lepidlo obvykle obsahuje 60 až 80% kovového plnidla, které tvoří<br />
nejčastěji drahé kovy (Ag nebo Au). Proto jsou vodivá lepidla poměrně<br />
drahá. Pro snížení ceny je snahou užívat také nikl, případně měď, ale silná<br />
oxidace způsobuje výrazné zhoršování vodivosti.<br />
• Poté co je lepidlo, ať už nevodivé nebo vodivé, naneseno na spojovanou<br />
plošku, následuje jeho vytvrzení. Pro vytvrzení je v závislosti na použitých<br />
lepidlech možné využít konvenční pece (infračervené nebo ultrafialové<br />
záření, nebo horký vzduch).<br />
• Doba vytvrzení se pohybuje od několika minut až hodinu v závislosti na<br />
typu lepidla a na samotném zařízení. Lepidla vyznačující se vysokou<br />
pevností se obyčejně vytvrzují kolem 150 oC , lepidla s nižší mechanickou<br />
pevností pak kolem 100 oC .<br />
• Při použití vodivého lepidla se nepoužívá tavidlo a tak není nutné uvažovat<br />
čistění. Navíc, vodivá lepidla lze použít prakticky u všech typů povrchů<br />
(cín-olovo, OSP zlato, stříbro nebo paladium).
Elektricky vodivá lepidla<br />
Elektricky vodivá lepidla se skládají ze dvou složek:<br />
• složky vazební (binder)<br />
• složky vodivé (filler)<br />
• Vazební složka je izolant a je tvořena pryskyřicí různého typu. Většinou se užívá<br />
epoxidových pryskyřic, ale jsou i elektricky vodivá lepidla na bázi polyimidových,<br />
akrylátových, silikonových a dalších pryskyřic. Vazební složka může být<br />
termoplastická nebo reaktoplastická. Použití termoplastických lepidel není tak časté<br />
jako reaktoplastických, ale tato lepidla mají oproti reaktoplastům výhodu při<br />
opravách adhezních spojů (tedy spojů vytvořených elektricky vodivými lepidly).<br />
• Vazební pryskyřice může být jednosložková či dvousložková. V případě<br />
dvousložkového lepidla se k základní pryskyřici přidává pro její vytvrzení tvrdidlo.<br />
Proto některá dvousložková lepidla nepotřebují pro vytvrzování zvýšenou teplotu a<br />
vytvrdí se při pokojové teplotě. Jejich hlavní nevýhodou je, že jsou však dražší než<br />
jednosložková a že se musí před aplikací obě složky smísit ve správném poměru.<br />
• Vodivá složka je tvořena elektricky vodivými částicemi rovnoměrně rozptýlenými ve<br />
složce vazební. Obsah těchto částic musí být takový, aby se navzájem dotýkaly.<br />
Obvykle tvoří objem vodivých částic 60% až 80% celkového objemu lepidla, avšak<br />
může se od této hodnoty výrazně lišit v závislosti na použitém materiálu a tvaru<br />
částic. Vodivé částice jsou dvojího tvaru:<br />
-kuličky o průměru 1-20 µm (balls)<br />
-lupínky (šupinky) různých velikostí (flakes)
Elektricky vodivá lepidla<br />
• Závislost elektrického odporu elektricky vodivého lepidla na koncentraci vodivých částic v matrici<br />
je uvedena na obr.<br />
Rezistivita<br />
25 -30 %<br />
Koncentrace částic<br />
• Obr. : Závislost rezistivity elektricky vodivého lepidla na koncentraci vodivých částic vizolační<br />
matrici
Elektricky vodivá lepidla<br />
• Materiálem vodivých částic bývá nejčastěji stříbro, používají se však také<br />
kuličky měděné pokryté vrstvou stříbra, kuličky niklové, zlaté, palladiové,<br />
grafitové či plastové, které jsou pokryté tenkou kovovou (většinou zlatou)<br />
vrstvou zajišťující jejich vodivost. Lepidla plněná stříbrnými, zlatými a<br />
palladiovými částicemi mají nejlepší elektrické vlastnosti, ale jsou velmi<br />
drahá. Lepidla plněná stříbrem mají také výbornou tepelnou vodivost, a<br />
proto se využívají i v aplikacích, kde elektrická vodivost je sekundární a<br />
primární je tepelná vodivost lepidla.<br />
• Použití niklových částic jako plniva je levnější alternativou, která se užívá u<br />
aplikací snižšími nároky na vlastnosti vodivého <strong>spoje</strong>. Jako další levná<br />
varianta se může jevit také užití mědi či hliníku, ale protože se tyto kovy na<br />
vzduchu pokrývají vrstvou kysličníku, který je izolantem, a proto<br />
znemožňuje vedení proudu, tyto kovy se pro výrobu vodivých částic<br />
nepoužívají.
Elektricky vodivá lepidla<br />
• Jednou z významných výhod elektricky vodivých lepidel ve srovnání<br />
spájkami je, že lepidla je možno připravit s izotropní elektrickou vodivostí<br />
jako mají pájky (elektrická vodivost je stejná ve všech směrech) nebo<br />
sanizotropní vodivostí (lepidlo vykazuje v jednom směru vysokou<br />
elektrickou vodivost a v ostatních směrech se chová jako izolant).<br />
anIzotropní<br />
izotropní
Elektricky vodivá lepidla<br />
Elektricky vodivá lepidla s izotropní elektrickou vodivostí<br />
• Vodivou složkou izotropních elektricky vodivých lepidel jsou částice<br />
kulového tvaru, případně směs částic kulového tvaru a lupínků.<br />
• Rozměry částic bývají většinou menší než částic užívaných pro výrobu<br />
lepidel s anizotropní elektrickou vodivostí. Hustota částic v izolační matrici<br />
je tak velká, že se navzájem dotýkají a tím se zajistí potřebná vodivost.<br />
• Tato lepidla se užívají pro montáž jednoduchých součástek (rezistory,<br />
kapacitory, vývody čipu) na desku plošného <strong>spoje</strong>, i pro vodivé připojování<br />
vývodů integrovaných obvodů na připojovací plošky na desce plošného<br />
<strong>spoje</strong>, pokud není rozteč vývodů příliš malá.<br />
• Základní matrici (vazební složku) elektricky vodivých lepidel s izotropní<br />
elektrickou vodivostí tvoří nejčastěji epoxidové pryskyřice.
Elektricky vodivá lepidla<br />
Elektricky vodivá lepidla s anizotropní elektrickou vodivostí<br />
• Anisotropní elektricky vodivá lepidla vykazují elektrickou vodivost pouze v jednom<br />
směru. Protože tímto směrem bývá směr osy z (protože osy x a y předpokládáme<br />
vrovině substrátu), někdy se nazývají také z-osová.<br />
• Vodivým plnivem těchto lepidel bývají lupínky (šupinky) kovů, ale i částice kulového<br />
tvaru. Koncentrace vodivých částic bývá poměrně nízká (obvykle 25%-30%), aby se<br />
vzájemně dotýkaly pouze tak, že netvoří souvislou vodivou síť. Vodivosti ve směru<br />
osy z se dosáhne tím, že vývod součástky (např. poduškového typu) stlačí při<br />
osazení součástky vrstvu anizotropního lepidla, tím se dostanou vodivé lupínky ve<br />
směru osy z do mechanického kontaktu a takto dojde k vytvoření vodivé cesty<br />
vtomto směru. V ostatních směrech zůstane lepidlo nevodivé.<br />
• Lepidla s anizotropní elektrickou vodivostí mohou být plněna i elektricky vodivými<br />
částicemi kulového tvaru o velikosti přibližně 10μm. Částice jsou z tvrdého polymeru<br />
a na svém povrchu mají nanesenou elektricky vodivou kovovou vrstvu (např. Ag)<br />
pokrytou tenkou izolační vrstvou. Ta v klidovém stavu brání jejich vzájemnému<br />
vodivému propojení. Při osazení součástky stlačí vývody lepidlo aplikované na<br />
připojovací plošku, izolační povlak částic se v místech jejich vzájemného kontaktu<br />
vlivem tlaku vývodu poruší a dojde k žádanému elektricky vodivému <strong>spoje</strong>ní.<br />
• Základní matricí elektricky vodivých lepidel s anizotropní vodivostí bývají většinou<br />
termoplastické pryskyřice, např. akrylátové.
Elektricky vodivá lepidla<br />
Nanášení elektricky vodivých lepidel<br />
Procesy aplikování vodivých lepidel se liší hlavně podle velikosti plochy, na<br />
kterou má být lepidlo naneseno. Způsob nanášení lepidla je také ovlivněn<br />
typem použitého lepidla a jeho vlastnostmi. Lepidla se nanášení<br />
následujícími základními způsoby:<br />
• Sítotiskem<br />
• Šablonovým tiskem<br />
• Hroty<br />
• Dávkovačem (dispenzním nanášením)
Elektricky vodivá lepidla<br />
Zásady pro aplikaci lepidel<br />
• Většina elektricky vodivých lepidel musí být uskladněna ve speciálních<br />
podmínkách, většinou v chladicím zařízení. Dosáhne se tak delší životnosti<br />
lepidla před jeho použitím (shelf life)<br />
• Plochy na které je lepidlo aplikováno musí být velmi dobře očištěny<br />
(chemicky či mechanicky), aby bylo dosaženo dostatečné kvality<br />
elektrických i mechanických vlastností spojů<br />
• Důležité je aplikace lepidla na správné místo ve správném množství.<br />
Pokud je naneseno příliš velké množství lepidla, dochází k jeho přetékání,<br />
pokud příliš malé množství, dochází k odpadávání součástek a také<br />
elektrické vlastnosti kontaktu jsou nevyhovující<br />
• Lepidlo, které nebylo spotřebováno musí být vyřazeno<br />
• Při použití dvousložkových lepidel je potřeba obě části před vlastním<br />
nanesením dobře smísit. Musí být také dodržen výrobcem doporučený<br />
poměr obou složek. V hromadné montáži se dvousložková lepidla užívají<br />
málo, protože představují technologickou operaci navíc. Využití mají<br />
zejména tam, kde není možné použít tepelné vytvrzování, které vyžaduje<br />
většina jednosložkových lepidel.
Elektricky vodivá lepidla<br />
Vytvrzování lepidel (Curing process)<br />
Většina jednosložkových lepidel vyžaduje aby poté, co je lepidlo aplikováno<br />
na potřebná místa a jsou na něj umístěny vývody součástek, bylo<br />
vytvrzeno. Teprve pak je zajištěno trvalé elektricky vodivé a mechanicky<br />
pevné <strong>spoje</strong>ní. Existují dva základní způsoby vytvrzování lepidel:<br />
• vytvrzování při zvýšené teplotě (tepelné vytvrzování)<br />
• vytvrzování ultrafialovým zářením (UV-light)<br />
• Kombinací obou předešlých způsobů<br />
Tepelné vytvrzování se provádí zpravidla v klasických (elektrických) či<br />
infračervených (IR) pecích. Lepidla potřebují kdobrému vytvrzení zpravidla<br />
teplotu v rozmezí 80 – 180°C po dobu 30 – 180 minut, podle typu.
Vodivá lepidla<br />
Tabulka :Základnívlastnosti některých typů elektricky vodivých lepidel<br />
Vazební složka<br />
(pryskyřice)<br />
Typ Objemový Doba Teplota<br />
Plnivo částic odpor vytvrzování vytvrzování<br />
(Wcm) (min) ( o C)<br />
Epoxy Ag lupínky 6.10 -5 60 130<br />
Epoxy Pocínovaná Cu lupínky 4.5 . 10 -3 30 125<br />
Epoxy Ni lupínky 1.0 120 65<br />
Polyimid Ag jiný 5 . 10 -4 60 140<br />
lupínky<br />
Silikon Ag<br />
kuličky<br />
1 . 10 -2<br />
168 hod 25
Jakost pájených spojů<br />
• Jakost pájeného <strong>spoje</strong> je definována jako pravděpodobnost, že pájený spoj<br />
bude schopen vykonávat požadovanou funkci po dobu určitého časového<br />
intervalu, jenž se nazývá životnost pájeného <strong>spoje</strong>. Spolehlivost <strong>spoje</strong> je<br />
třeba chápat jako specifický požadavek závisející na dané součástce<br />
(velikost, typ pouzdření a povrch součástky včetně pokovení vývodů), dále<br />
na povrchu pájecí plochy, na pájecím materiálu, a také na tvaru pájeného<br />
<strong>spoje</strong> (závisí na topologii pájecích plošek). Velikost součástky, typ pouzdra<br />
a tvar <strong>spoje</strong> předurčují i namáhání <strong>spoje</strong> v provozu. To je způsobeno<br />
různými koeficienty teplotní roztažnosti materiálů podílejících se na spoji<br />
včetně <strong>spoje</strong> samotného (včetně intermetalických slitin v něm vzniklých<br />
vprůběhu pájení). Proto nelze brát za všeobecně platné takové závěry<br />
jako „bezolovnaté pájky mají celkově lepší vlastnosti než SnPb, nebo<br />
naopak“.
Jakost pájených spojů<br />
• Pájené <strong>spoje</strong> žádoucí jakosti by také měly mít hladký, saténově lesklý až<br />
blýskavý povrch. U bezolovnatých a některých vysokoteplotních pájek<br />
tento požadavek nelze splnit v takové míře jako např. u pájky SnPbAg.<br />
Především u bezolovnatých pájek je povrch spíše matný až šedý (obr. 5-<br />
13). Dle normy IPC-A-610C však se tyto <strong>spoje</strong> hodnotí jako vyhovující.
Jakost pájených spojů
Parametry materiálů<br />
Prostředí<br />
-pájka<br />
-tavidlo<br />
-drsnost<br />
pájeného<br />
povrchu<br />
-povrchová<br />
úprava<br />
plošek<br />
Chemické<br />
složení<br />
materiálů<br />
Atmosféra<br />
-vzduch<br />
-koncentrace<br />
dusíku<br />
-provední<br />
zákrytu<br />
-inertní<br />
atmosféra<br />
Parametry procesu<br />
Provedení<br />
přetavení<br />
-Přenos tepla<br />
-teplotní profil<br />
-čas pájení<br />
-aktivace tavidla<br />
Jakost pájených spojů<br />
Hodnocení procesu<br />
-smáčivost<br />
-diúzní koeficient<br />
-chemické reakce<br />
-energetická<br />
náročnost<br />
Výstupní informace<br />
Tvar <strong>spoje</strong><br />
-úhel a rychlost smáčení<br />
-adhéze<br />
-struktura a složení <strong>spoje</strong> –<br />
intermetalické slitiny (difúze)<br />
Joint reliability
Jakost pájených spojů<br />
Vprocesu pájení působí celá řada faktorů, jež mohou jakost pájeného <strong>spoje</strong> ovlivnit.<br />
Dosažení jakostního <strong>spoje</strong> vyžaduje optimální nastavení těchto faktorů, což je<br />
záležitostí procesní a materiálové kompatibility.<br />
Prvořadým faktorem podmiňujícím vytvoření co nejdokonalejšího <strong>spoje</strong> je nastavení<br />
optimálního teplotního profilu, především v oblasti přetavení.<br />
Mezi poruchy pájených spojů, které vzniknou bezprostředně po pájení patří především:<br />
• pájecí kovové plochy bez pájky (nebyla nanesena),<br />
• kuličky pájky (na spoji a vjeho okolí),<br />
• rozstřik pájky (do stran),<br />
• pájkové můstky (zkraty),<br />
• díry a krátery vpájce,<br />
• pájkové špičky (do vrch nebo do stran),<br />
• nesmočené pájecí plochy a vývody (studený spoj).<br />
Některé ztěchto poruch sice nejsou podle normy IPC-A-610C považovány za chybu, ale<br />
pro zajištění jakosti elektronických systémů je vhodné tyto sledovat a eliminovat<br />
jejich příčinu Rozstřik pájky, pájkové krátery a pod.).
Jakost pájených spojů<br />
Kporuše pájeného <strong>spoje</strong> v provozu nebo při další manipulaci (včetně oprav)<br />
může dojít z důvodu poruchy mezi:<br />
• kontaktní ploškou na substrátu (DPS) a pájkou,<br />
• vývodem součástky a pájkou,<br />
• nebo v samotné pájce (jejími intermetalickými slitinami).<br />
Porucha pájeného <strong>spoje</strong> je způsobena selháním materiálu <strong>spoje</strong>, což může<br />
mít příčinu buď v únavě materiálu způsobenou změnou elektrických<br />
vlastností, nebo v mechanickém narušení struktury <strong>spoje</strong> (makroskopické<br />
praskliny nebo trhliny v pájeném spoji vzniklé např. v důsledku<br />
mechanického namáhání). Prasknutí a růst praskliny může být ovlivněno<br />
hrubostí (velikostí) zrn, a je výsledkem mechanického namáhání, které<br />
vyvolává pnutí ve spoji v důsledku např. tepelného namáhání. Přitom<br />
dochází kpřekročení hranice pružnosti a k deformaci struktury pájky.
Jakost pájených spojů<br />
Videálním případě by při pájení prokovených otvorů mělo dojít k úplnému<br />
obvodovému smočení vývodů, otvorů a pájecích ploch na primární i sekundární<br />
straně DPS. Podaří-li se tohoto stavu dosáhnout, svědčí to i splnění další podmínky,<br />
kterou je 100 % svislé zaplnění prokoveného otvoru pájkou.
Jakost pájených spojů<br />
• Pájka musí na obou stranách DPS pokrývat vývod a plynule přecházet do<br />
tenké vrstvy na hraně pájecí plochy nebo plošného vodiče. Pro tvar<br />
menisku, povrch <strong>spoje</strong>, obvodové smočení a svislé zaplnění prokoveného<br />
otvoru platí stejná kritéria jako v předcházejících dvou podkapitolách. Pro<br />
žádoucí kvalitu je navíc nutné, aby pájka nenavzlínala až do ohybu vývodu<br />
či dokonce k pouzdru součástky.
Jakost pájených spojů<br />
Lakované vodiče v pájeném spoji<br />
• Některé vodiče mají na sobě antikorozní ochranné laky, které by svou<br />
přítomností vpájeném spoji mohly negativně ovlivnit jeho kvalitu. U těchto<br />
vodičů musí být mezi vrcholkem pájeného <strong>spoje</strong> a ochranným lakem<br />
vzdálenost rovnající se průměru vodiče.
Jakost pájených spojů<br />
Zaplnění volných otvorů pájkou<br />
Prokovené otvory sloužící kpropojení vrstev DPS (via otvory) se buď<br />
nepájí (v tom případě jsou během pájecího procesu chráněny trvalou nebo<br />
snímatelnou nepájivou maskou), anebo se pájí (nejčastěji vlnou), a pak by<br />
měly být kompletně smočeny a zaplněny pájkou.
Jakost pájených spojů<br />
Neprokovené otvory<br />
• Pro neprokovené otvory platí stejná kritéria jako pro prokovené, ale konce<br />
vodičů nebo vývodů musí být na konci ohnuty. I tady platí, že ohnutý konec<br />
vývodu musí být v pájce zřetelný.
Jakost pájených spojů<br />
Součástka<br />
Optimální<br />
Akceptovatelný<br />
Nevyhovující<br />
Kvádrový tvar<br />
( R, C, L )<br />
délka <strong>spoje</strong> 1<br />
h<br />
2<br />
3<br />
výška <strong>spoje</strong><br />
Vývody tvaru<br />
Gull wing<br />
( SO a podobné<br />
typy )<br />
4<br />
5<br />
6<br />
Vývody tvaru<br />
Gull wing<br />
( QFP, VSO )<br />
7<br />
meniskus<br />
8<br />
9<br />
Vývody tvaru J<br />
( PLCC )<br />
10<br />
11<br />
12
Zajištění kvality SMT linky–<br />
Rozhodující je možnost zjištění chyb!<br />
Tisk Osazování Reflow Test<br />
MI/AOI<br />
MI/AOI<br />
MI/AOI/XRay<br />
Možnost najít chyby:<br />
Špatný tisk, špatné roztékání<br />
Možnost najít chyby:<br />
Nesprávné osazení, špatný<br />
Možnost najít chyby:<br />
Zkraty/Nezapájení,chudé<br />
<strong>spoje</strong>;tlusté <strong>spoje</strong>, vynechané<br />
<strong>spoje</strong>
Zajištění kvality SMT linky–<br />
Všechny možné defekty musí být objeveny před prvním spuštěním!<br />
Tisk Osazování Reflow Test<br />
Bez možnosti zjistit defekt:<br />
Studený spoj, jen jednou pokleslé BGA,<br />
Mikro-trhliny, Delaminace; Patní<br />
meniskus, zaplnění prokovů;<br />
norma IPC 610<br />
Nezjištěné defekty znamenají vady DPS na počátku funkce!
ERSASCOPE Vizuální kontrola –<br />
Typické problémy BGA kde pozorování pouze rentgenem selže!<br />
X<br />
Tvorba Whiskerů způsobuje zkraty<br />
Rentgenem těžko odhal. zbytky tavidla<br />
Těžko odhalitené mikro trhliny<br />
X<br />
ERSASCOPE -obrázek dobrých Flip<br />
Chip pájených spojů, 50um mezera;<br />
dobrý pokles<br />
Pictures: ERSA<br />
X-ray vzhled 96 vývodového Flip<br />
Chip po pájení –skutečná kvalita<br />
pájených spojů jen těžko<br />
posouditelná !<br />
ERSASCOPE -obrázek špatných<br />
Flip Chip pájených spojů; žádný<br />
pokles
ERSASCOPE Kritéria vizuální kontroly–<br />
Pokles kuliček a smáčecí úhel jsou kritické pro splnění normy kvality!<br />
X<br />
X<br />
PBGA: Kompletní pokles;<br />
dobrý smáčecí úhel; menisk.<br />
tavidla<br />
PBGA: Neúplný pokles;<br />
špatný úhel smáčení ; žádný<br />
menisk. tavidla<br />
PBGA: Chybějící menisk. pájky<br />
X<br />
X<br />
CBGA: Dobrý úhel<br />
smáčení menisku pájky<br />
CBGA: Chybějící men. pájky<br />
CBGA: Chybějící menisk pájky
ERSASCOPE Vnitřní inspekce BGA
Efekt dvojitého propadu BGA / CSP / Flip Chip součástek<br />
Cu Cu Cu Cu<br />
SnPb SnPb SnPb<br />
SnPb SnPb SnPb<br />
Ubývání As solder kuliček ball reflows: cínu:<br />
217°C -221°C 183°C 1 st 1.pokles<br />
Drop<br />
220°C 225°C -230°C 2 nd Drop 2.pokles<br />
Když chemická difuzní<br />
reakce vytvoří slitinový<br />
spoj<br />
Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu<br />
Cu<br />
Cu 3 Sn / Cu 6 Sn 5<br />
Grafické znázornění pájecí plošky nevnořené do nepájivé masky (NSMD)<br />
Výsledky životnostních testů ukazují, že pájecí plošky nevnořené do nepájivé masky na<br />
DPS i na pouzdře poskytují lepší <strong>spoje</strong>, než při užití pájecích plošek s nepájivou maskou.<br />
(Jsou zapájeny i na obvodu)<br />
Zdroj:Reliability of BGA Packages in an Automotive Environment, Roger Rörgren, Per-Erik Tegehall<br />
and Per Carlsson, IVF - The Swedish Institute of Production Engineering Research, www.ivf.se
To nejdůležitější při kontrole teploty v SMD/BGA Lince<br />
X<br />
Sn// Sn// Sn//<br />
Sn// Sn// Sn//<br />
Sn// Sn// Sn//<br />
Sn// Sn// Sn//<br />
Cu Cu CU<br />
Cu Cu CU<br />
Cu Cu CU<br />
Cu 3 Sn / Cu 6 Sn 5<br />
Pokojová teplota<br />
25° C<br />
(Všechny materiály jsou pevné)<br />
Žádné <strong>spoje</strong>ní mezi piny,<br />
pájkou a páj. ploškou:<br />
Funkční test -*Dobrý!<br />
Spolehl. <strong>spoje</strong>-Špatná!<br />
X<br />
Teplota tání pájky<br />
SnPb:185° C or SnCuAg:225°C<br />
(Kapalná pájka teče)<br />
)<br />
Jen <strong>spoje</strong>ní povrchovým<br />
napětím piny a pájecí<br />
ploškou:<br />
Funkční test –*Dobrý!<br />
ICT / X-Ray –*Dobrý!<br />
Spolehl. <strong>spoje</strong> -Špatná!<br />
X<br />
*Testy a inspekce závisí na použitém vybavení a technice.<br />
Správná teplota smáčení<br />
SnPb:195/205 ° C or SnCuAg:230/235°C<br />
(Vznikáintermetalická slitina)<br />
Slitinová vazba mezi piny a<br />
pájecí ploškou:<br />
Funkční test –*Dobrý!<br />
ICT / X-Ray –*Dobrý!<br />
Spolehl. <strong>spoje</strong> -*Dobrá!<br />
Pictures: ERSA
Výroba při neznámé DT vede k neznámým následkům<br />
X<br />
Sn// Sn// Sn//<br />
? ? ? ? ?<br />
Sn// Sn// Sn//<br />
Cu Cu CU Cu 3 Sn / Cu 6 Sn 5<br />
Cu Cu CU<br />
V bodu tání pájky<br />
SnPb:185° C or SnAgCu:225°C<br />
(Kapalná pájka teče)<br />
Povrchové napětí mezi<br />
piny a pájecí ploškou:<br />
Funkční Test –*Dobrý!<br />
ICT / X-Ray –*Dobrý!<br />
Spolehl. <strong>spoje</strong> -Špatná!<br />
X<br />
Méně než 5°C DT<br />
může znamenat rozdíl<br />
mezi špatnou a<br />
dobrou spolehlivostí!<br />
? ? ? ? ?<br />
Obrázky: ERSA<br />
Náležitá teplota smáčení.<br />
SnPb:195/205 ° C or<br />
SnAgCu:230/235°C<br />
(vznikla intermetalická slitina)<br />
Slitinová vazba mezi<br />
piny a pájecí ploškou:<br />
Funkční test –*Dobrý!<br />
ICT / X-Ray –*Dobrý!<br />
Spolehlivost <strong>spoje</strong> -<br />
Dobrá!
BGA optické zařízení odhalí kritické nedostatky!<br />
X<br />
Sn// Sn// Sn//<br />
Cu Cu CU<br />
Sn// Sn// Sn//<br />
Cu Cu CU<br />
Cu 3 Sn / Cu 6 Sn 5<br />
V bodu tání pájky<br />
SnPb:185° C or SnAgCu:225°C<br />
(Kapalná pájka teče)<br />
Povrchové napětí mezi<br />
piny a pájecí ploškou:<br />
Funkční Test –*Dobrý!<br />
ICT / X-Ray –*Dobrý!<br />
Spolehl. <strong>spoje</strong> -Špatná!<br />
X<br />
Pictures: ERSA<br />
BGA optické zařízení<br />
bere v úvahu<br />
řádnou kvalitu SMT<br />
*Proper Test & Inspection results depend on equipment and techniques<br />
Náležitá teplota smáčení.<br />
SnPb:195/205 ° C or<br />
SnAgCu:230/235°C<br />
(vznikla intermetalická slitina)<br />
Slitinová vazba mezi piny a<br />
pájecí ploškou:<br />
Funkční test –*Dobrý!<br />
ICT / X-Ray –*Dobrý!<br />
Spolehlivost <strong>spoje</strong> -Dobrá!
Pájecí defekt vyplývající ze špatného reflow procesu<br />
Nezjištěné defekty znamenají vady DPS na počátku funkce!<br />
Jen jeden neodhalený studený pájený spoj vede k ztrátě<br />
reputace kvality SMT linky.<br />
Pictures: ERSA
Kritické body při zájmu o bezolovnaté opravy:<br />
1. Špatné smáčení a typické tečení<br />
2. Deformace substrátu<br />
3. Vyšší procesní teploty buď zničí součástky nebo změní<br />
požadovaný tvar pájeného <strong>spoje</strong><br />
4. Rýhy, efekt pomerančové slupky, linie tuhnutí, a dentritické<br />
tuhnutí krystalů může způsobit menší lesk <strong>spoje</strong><br />
5. Zbytky tavidla, Tombstoning a zbytky cínu<br />
6. Zvedání menisku<br />
7. Tvorba whiskerů<br />
8. Tvorba lunkrů
Špatné smáčení a typické tečení!<br />
Bezolovnaté pájení:<br />
Špatné smáčení a typické tečení!<br />
Source: ERSA, Frauenhofer
Špatné smáčení a typické tečení!<br />
Bezolovnatá pájka má<br />
problémy se smáčením!!!<br />
Initial Lead Free Reflow Solder Test:<br />
LF Solder paste: SnAg3.8Cu0.7<br />
Pictures: ERSA, IPC
Deformace desky/substrátu<br />
Způsobeno vysokou teplotou & nedostatečným podepřením
Deformace desky/substrátu<br />
Důvodem pokroucených desek a vypouklých součástek je vysoká teplota<br />
Větší zvětšení a úhel pohledu je nezbytný!<br />
Picture: Philips
Vysoké procesní teploty/ změněné pájené <strong>spoje</strong><br />
Vysokoteplotní reflow profily, s bodem peaku vyšším než 250 °C, jsou často<br />
doporučovány při užívání technologie bezolovnatého pájení.<br />
Tyto velmi vysoké teploty mohou deformovat součástky, DPS a<br />
ovlivňují spolehlivost a vzhled pájeného <strong>spoje</strong>.<br />
SnPb SnAgCu SnAgCu<br />
X<br />
Pájka zatéká více<br />
k teplým plochám<br />
jak teplota vzrůstá<br />
T max 215°C T max 235°C T max 260°C<br />
Součástka: Chip C 1206 AgPd<br />
Deska: NiAu Pictures: Zollner, Zandt
Vysoké procesní teploty/ změněné pájené <strong>spoje</strong><br />
Vysoké teploty mohou měnit tvar a spolehlivost pájeného <strong>spoje</strong>.<br />
X<br />
Neodpovídá<br />
normě IPC!<br />
T max 235°C T max 260°C<br />
Pictures: Zollner, Zandt<br />
IPC Electronic Workmanship Standard<br />
A-610: Sec. 12.2.5.6; J-STD-001
Vysoké procesní teploty/ Zničení součástek<br />
240 ºC 270 ºC<br />
Zničení termoplastického pouzdra součástky.<br />
Pictures: Jabil
Vysoké procesní teploty/ Zničení součástky<br />
225 ºC 255 ºC<br />
Pictures: Philips
Vysoké procesní teploty/ zničení součástky<br />
225 ºC 250 ºC<br />
Pictures: Philips<br />
Tlak páry v ELCO
Málo lesklý povrch součástky<br />
Povrch součástky vypadá více zrnitý<br />
kvůli základnímu dentrickému<br />
tuhnutí bezolovnaté pájky.<br />
“Linie tuhnutí“ nebo “efekt<br />
pomerančové slupky“ jsou pouze<br />
kosmetické jevya a neznamenají<br />
špatný spoj!<br />
Větší zvětšení je nezbytné!
Zbytky tavidla, Tombstoning azbytky cínu<br />
Zbytky tavidla, tombstoning a<br />
zbytky cínu!<br />
Velké zvětšení a optimální úhel pohledu nezbytný!<br />
Source: ERSA, Frauenhofer ISIT
Zvedání menisku<br />
FhG ISIT FhG ISIT FhG ISIT<br />
PCB<br />
PCB<br />
PCB<br />
Pic. 1 Pic. 2 Pic. 3<br />
Smršťování pájky během chladnutí. Tato změna objemu během chlazení<br />
způsobuje zvedání pevné pájky z plošky (obr. 1), nebo zvedání plošky z DPS (obr.<br />
2). Někdy tento problém způsobuje částečně zapraskávání na spodní části<br />
menisku (obr. 3). Existují různé teorie, vysvětlující vlastní příčinu tohoto jevu.<br />
Projekt NCMS ukázal, že tendence ke zvedání menisku klesá s klesající procesní<br />
teplotou.<br />
Pro spolehlivé detekování je nutné pozorování pod<br />
úhlem 90°při velkém zvětšení!
Tvorba whiskerů a voidů<br />
Bezolovnaté pájení:<br />
Tvorba whiskerů a výskyt lunkrů!<br />
Source: Frauenhofer, Phoenix, Solectron
Problémy PBGA na velké desce : PBGA Delaminace<br />
Velké, těžké, mnohovrstvé DPS obsahující střední a velké PBGA<br />
pouzdra, součástky na nich a strany desek musí být<br />
zkontrolovány kvůli delaminaci.<br />
Tento problém se může vyskytovat v důsledku CTE (Koeficient<br />
termální expanze - rozdílů koeficientů) a špatného <strong>spoje</strong>ní mezi<br />
součástkou a DPS během chlazení.<br />
Navíc, substrát součástky se zdvihne v rozích PBGA pouzdra,<br />
což vede k prodloužení rohových spojů. Během chlazení tyto<br />
rohové kuličky mohou delaminovat nebo se odlomit od<br />
součástky nebo od DPS.<br />
Tento konkrétní problém může být kontrolován pomocí ICT,<br />
funkčního testu, nebo rentgenem. V případě neodhalení tyto<br />
desky budou mít za následek nefunkčnost!
Problémy BGA na velké desce: PBGA Delaminace<br />
Zničení zdvihem<br />
Chladící rychlost PBGA substrátu = Y<br />
Odtržení!<br />
Chladící rychlost substrátu = x
Problémy PBGA na velké desce: PBGA Delaminace<br />
Zničení rohů PBGA substrátu zdvihem prodlouží rohové kuličky.<br />
Odrhnutí!<br />
Odtrhnutí!<br />
Prodloužené rohové kuličky jsou během chlazení odtrženy!
PBGA Delaminace: Obtížné odhalit pomocí rentgenu!<br />
Pozvolné zvyšování tlaku na<br />
pouzdro ukazuje delaminované<br />
<strong>spoje</strong>!<br />
Pictures: ERSA
ERSASCOPE UPOZORNUJE!<br />
Odhaluje defekty před jejich vyústěním v poruchu!<br />
(Click on image to start video taken with ERSASCOPE and ImageDocEXP)<br />
Pro odhalení delaminace –trhlina na rozhraní kulička-součástka může být<br />
odhalena jemným tahem pomocí párátka nebo jiným nástrojem směrem<br />
nahoru.
ERSASCOPE UPOZORNUJE!<br />
Odhaluje defekty před jejich vyústěním v poruchu!<br />
(Click on image to start video taken with ERSASCOPE and ImageDocEXP)<br />
Pro odhalení delaminace - trhlina na straně desky může být odhalena<br />
jemným tahem pomocí párátka nebo jiným nástrojem směrem nahoru.
Obavy z kontroly v bezolovnatém procesu<br />
Bezolovnaté pájení:<br />
Vyšší procesní teploty, špatné<br />
smáčení, a rozdílný vzhled masky<br />
Vyžaduje větší zvětšení při<br />
kontrole & flexibilní úhled pohledu<br />
od 0° do 90°!
ERSASCOPE 2 –Vyměnitelné optické hlavy
ERSASCOPE 2 stand. hlava BGA vs. ERSASCOPE1<br />
Original ERSASCOPE<br />
ERSASCOPE 2 BGA Head
ERSASCOPE 2 –kvalitnější světelné řízení<br />
Integrované irisové clony<br />
pro oddělenou přední &zadní<br />
světelnou kontrolu.<br />
Pouze zadní světlo Pouze přední světlo Přední a zadní světlo
Revoluční ERSASCOPE 2 Micro Flip Chip kontrola<br />
Micro Flip Chip kontrola<br />
Horní FC menisk –25 micronů mezera!
Nízký profil CSP (pod 0.10mm) vnitřní kontrola<br />
Řada 6 vnitřních CSP spojů, světlá výška 0.08mm!
ERSASCOPE Doplňky<br />
FLEXSCOPE –flexibilní Endoskop.<br />
• Průměr<br />
400 µm<br />
• Rozlišení<br />
1600 pixel<br />
• Délka<br />
100 mm
ImageDoc EXP –<br />
Porovnání “Dobrých” & “Špatných” příkladů v databázi
ImageDoc EXP –<br />
Databáze řešení problémů -více než 1GB procesních znalostí!
Jaké jsou skutečné náklady pří řízení kvality????<br />
Mnoho výrobců zná skutečné finanční náklady a umí si<br />
představit snížení nákladů za záruku při<br />
nezdaru,způsobeném neschopností najít možné problémy<br />
vzniklé během procesu na jejich linkách.<br />
A kdo doopravdy věří, že se zavedením bezolovnatého<br />
procesu tyto problémy zmizí? Právě naopak, všechny<br />
náznaky vedou k tvrzení, že se tyto problémy zvětší!
Několik moudrých slov, které mohou pomoci!<br />
Rozumný muž řekne: “Jestliže to není rozbité, nebudeme to<br />
opravovat.”<br />
Rozumnější muž se zeptá: “Jestliže nemůžeme vidět, co je rozbité,<br />
jak můžeme poznat, co se má opravit!”<br />
Vidět znamená přežít. –Pouze schopnost<br />
vidět všechny potencionální problémy Vám umožňuje reagovat,<br />
napravit tyto problémy a zajistit kvalitu!<br />
Bezolovnatý proces bude<br />
vyžadovat důkladnější kontrolu!