L - UMEL - Vysoké učení technické v Brně

Ing. Jiří Starý, Ph.D.Plošné spoje a povrchová montážLaboratorní cvičeníVysoké učení technické v Brně 2011

Tento učební text byl vypracován v rámci projektu Evropského sociálního fondu č. CZ.1.07/2.2.00/07.0391s názvem Inovace a modernizace bakalářského studijního oboru Mikroelektronika a technologiea magisterského studijního oboru Mikroelektronika (METMEL). Projekty Evropského sociálního fondu jsoufinancovány Evropskou unií a státním rozpočtem České republiky.

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 1Obsah (Styl Nadpis seznamu)1 ÚVOD ................................................................................................................................42 ZAŘAZENÍ PŘEDMĚTU VE STUDIJNÍM PROGRAMU ........................................42.1 ÚVOD DO PŘEDMĚTU ...........................................................................................42.2 VSTUPNÍ TEST.........................................................................................................43 LABORATORNÍ ÚLOHA Č. 1 ......................................................................................53.1 ZÁKLADNÍ MATERIÁL..........................................................................................63.2 TECHNOLOGIE VÝROBY DPS............................................................................114 LABORATORNÍ ÚLOHA Č. 2 ....................................................................................154.1 CHEMIE V MONTÁŽNÍM PROCESU ..................................................................164.1.1 TAVIDLO..........................................................................................................164.1.2 PÁJKA ..............................................................................................................174.1.3 PÁJECÍ PASTA ...............................................................................................184.1.4 LEPIDLA PRO SMT.......................................................................................204.2 APLIKAČNÍ TECHNOLOGIE ...............................................................................224.2.1 METODA TISKU PŘES ŠABLONU/SÍTO .......................................................225 LABORATORNÍ ÚLOHA Č. 3 ....................................................................................245.1 PRINCIP ČINNOSTI POLOAUTOMATICKÉHO PRACOVIŠTĚ.......................255.2 TECHNOLOGICKÉ POSTUPY V POVRCHOVÉ MONTÁŽI.............................286 LABORATORNÍ ÚLOHA Č. 4 ....................................................................................296.1 PÁJENÍ PŘETAVENÍM PÁJECÍ PASTY (REFLOW PÁJENÍ)...........................307 LABORATORNÍ ÚLOHA Č. 5 ....................................................................................337.1 POPIS A DOPORUČENÝ POSTUP PRO JEDNOTLIVÉ ÚKOLY: .....................348 LABORATORNÍ ÚLOHA Č. 6 ....................................................................................428.1 FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ KVALITU PRODUKCE............................................438.2 OCHRANA ELEKTROSTATICKY CITLIVÝCH SOUČÁSTEK ........................478.3 MANIPULACE SE SOUČÁSTKAMI CITLIVÝMI NA VLHKO (MSDS) ..........529 DODATKY......................................................................................................................559.1 SEZNAM PŘÍLOH ........................................................................................................55

2 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněSeznam obrázkůOBRÁZEK 3.1.1: ODOLNOST MATERIÁLŮ V PÁJECÍ................................................................ 8OBRÁZEK 3.1.2: NAVLHAVOST MATERIÁLŮ.......................................................................... 8OBRÁZEK 3.2.1: JEDNOVRSTVÁ DPS .................................................................................. 12OBRÁZEK 3.2.2: PŘÍKLAD TECHNOLOGICKÉHO POSTUPU VÝROBY DVOUVRSTVÝCH DPS .. 12OBRÁZEK 3.2.3: VÍCEVRSTVÁ DPS..................................................................................... 13OBRÁZEK 3.2.4: STRUKTURA HDI ...................................................................................... 13OBRÁZEK 4.1.1: FÁZOVÝ DIAGRAM SNPB........................................................................... 17OBRÁZEK 4.1.2: POŽADOVANÁ VÝŠKA KAPKY.................................................................... 20OBRÁZEK 4.1.3: TEPLOTNÍ PROFIL VYTVRZOVÁNÍ LEPIDLA ................................................ 21OBRÁZEK 4.2.1: PRINCIP ŠABLONOVÉHO TISKU .................................................................. 22OBRÁZEK 4.2.2: PRINCIP SÍTOTISKU PÁJECÍ PASTY.............................................................. 23OBRÁZEK 5.1.1: DISPENZER ............................................................................................... 26OBRÁZEK 5.1.2: ZÁSOBNÍK S PÁJECÍ PASTOU ...................................................................... 26OBRÁZEK 5.1.3: PŘETAVOVACÍ PEC DIMA......................................................................... 27OBRÁZEK 5.2.1: ČISTÁ PM ................................................................................................. 28OBRÁZEK 5.2.2: KOMBINOVANÁ PM Z JEDNÉ STRANY ....................................................... 28OBRÁZEK 5.2.3: KOMBINOVANÁ POVRCHOVÁ MONTÁŽ Z OBOU STRAN .............................. 28OBRÁZEK 6.1.1: FIXACE TERMOČLÁNKU ............................................................................ 32OBRÁZEK 6.1.2: PŘETAVOVACÍ PROFIL STANDARDNÍ ......................................................... 32OBRÁZEK 6.1.3: DOPORUČENÝ TEPLOTNÍ PROFIL ............................................................... 32OBRÁZEK 7.1.1: PÁJECÍ PERO SP 2A................................................................................... 34OBRÁZEK 7.1.2: NÁSTAVEC DO PÁJ. PERA 1121-0303 ........................................................ 34OBRÁZEK 7.1.3: TERMOKLEŠTĚ TT-65 ............................................................................... 34OBRÁZEK 7.1.4: NÁSTAVCE DO TERMOKLEŠTÍ .................................................................. 34OBRÁZEK 7.1.5: DEMONTÁŽ .............................................................................................. 34OBRÁZEK 7.1.6: DEMONTÁŽ .............................................................................................. 34OBRÁZEK 7.1.7: MINIVLNA - HROT TYPU 1121-0490 ......................................................... 35OBRÁZEK 7.1.8: NÁSTAVEC 1121-0392.............................................................................. 37OBRÁZEK 7.1.9: DEMONTÁŽ ............................................................................................... 37OBRÁZEK 7.1.10: MONTÁŽ ................................................................................................... 37OBRÁZEK 8.2.1: PŘÍKLADY ZNAČENÍ .................................................................................. 48OBRÁZEK 8.2.2: PŘÍKLAD PROSTORU EPA.......................................................................... 51OBRÁZEK 8.2.3: SCHÉMA ZAPOJENÍ TYPICKÉHO EPA ......................................................... 52OBRÁZEK 8.3.1: INDIKÁTOR VLHKOSTI ............................................................................... 52OBRÁZEK 8.3.2: PŘÍKLAD ZNAČENÍ SOUČÁSTKY CITLIVÉ NA VLHKOST .............................. 53OBRÁZEK 8.3.3: DEFEKTY QFP I BGA ZPŮSOBENÉ VLHKOSTÍ ........................................... 54

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 3Seznam tabulekTABULKA 1: VLASTNOSTI NEJPOUŽÍVANĚJŠÍCH ORGANICKÝCH ZÁKLADNÍCH MATERIÁLŮ .8TABULKA 2: SROVNÁNÍ MODERNÍCH DPS A MIKROPROPOJENÍ .........................................14TABULKA 3: KLASIFIKACE TAVIDEL PRO MĚKKÉ PÁJENÍ DLE ČSN EN ISO 9454-1..........17TABULKA 4: DĚLENÍ PÁJECÍCH PAST .................................................................................18TABULKA 5: ZÁKLADNÍ TYPY PÁJECÍCH SLITIN .................................................................19TABULKA 6: POŽADAVKY NA PŘEDMĚTY CHRÁNICÍ PŘED ESD.........................................49TABULKA 7: CHARAKTERISTIKY OBALŮ ...........................................................................50TABULKA 8: ZPRACOVÁNÍ / SKLADOVÁNÍ PBGA PO VYJMUTÍ Z OBALU ..........................53

4 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně1 ÚvodTento elektronický text je určen pro distanční formu (DiV) bakalářského studijníhoprogramu EEKR. Je určen pro laboratorní cvičení z předmětu Plošné spoje a povrchovámontáž a v širším kontextu doplňuje elektronický text k přednáškám z tohoto předmětu.Zde uvedené informace jsou aktuální k přelomu roku 2003/20042 Zařazení předmětu ve studijním programuPředmět Plošné spoje a povrchová montáž je zařazen jako volitelný oborový předmět do3. ročníku bakalářského studia na Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií.Předmět patří do tříletého studijního oboru Mikroelektronika a technologie (MET) vbakalářském studijním programu Elektrotechnika, elektronika, komunikační a řídící technika.Odbornou výuku v oboru zajišťují především Ústav mikroelektroniky a Ústavelektrotechnologie.Cílem studijního oboru MET je vychovat bakaláře jako vysokoškolsky vzdělanéhoprovozního odborníka se znalostmi návrhu a technologie integrovaných obvodů,elektronických systémů a přístrojů pro využití v nejrůznějších oblastech elektrotechniky.2.1 ÚVOD DO PŘEDMĚTUCílem tohoto předmětu je seznámit studenty s celkovou problematikou výroby plošnýchspojů a povrchové montáže. Student bude mít možnost poznat problematiku v celé její šíři odmanuální výroby a osazení jednoho kusu DPS až po výrobu velkosériovou.2.2 VSTUPNÍ TESTPrerekvizitou k úspěšnému zvládnutí tohoto výukového materiálu je komplexnístředoškolská znalost fyziky na úrovni ukončeného středoškolského vzdělání (předevšímznalost fyziky pevných látek a kapalin), dále znalost elektrochemie a v neposlední řaděznalost práce s počítačem typu PC, respektive obsluha operačního systému z rodinyMicrosoft.

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 53 LABORATORNÍ ÚLOHA č. 1PLÁTOVANÉ MATERIÁLY, FOTOREZISTY A NEPÁJIVÉ MASKY, POSTUPYVÝROBY 1V a 2V DPSCÍL LABORATORNÍ ÚLOHY:SEZNÁMIT SE:- SE ZÁKLADNÍMI MATERIÁLY PRO VÝROBU DPS A JEJICH VLASTNOSTMI- S TECHNOLOGICKÝM PROCESEM VÝROBY 1V, 2V, VV DPS VČETNĚ MICROVIATEORETICKÁ PŘÍPRAVA:ZOPAKUJTE SI NÁSLEDUJÍCÍ KAPITOLY:- ZÁKLADNÍ MATERIÁLY PRO VÝROBU DPS- FOTOREZISTY, NEPÁJIVÉ MASKY, APLIKAČNÍ TECHNIKY, VLASTNOSTI AZPRACOVÁNÍ- TECHNOLOGICKÝ PROCES VÝROBY 1V, 2V, VV DPS, MICROVIAHLAVNÍ BODY PRAKTICKÉ ČÁSTI:- ROZPOZNÁVÁNÍ DODANÝCH VZORKŮ A STUDIUM MATERIÁLOVÝCHCHARAKTERISTIK ZÁKLADNÍCH MATERIÁLŮ PRO VÝROBU DPS- ROZBOR A DISKUSE TECHNOLOGICKÉHO PROCESU VÝROBY 1V, 2V, VV DPSVČETNĚ MICROVIAÚKOLY PRAKTICKÉ ČÁSTI:1/ Seznamte se s plátovanými materiály od firmy ALIACHEM(dříve UMA) Semtín a ISOLAZ přiložených technických listů vyberte základní typy FR-2, FR-3, FR-4 a diskutujte jejichparametry. Z dodaných vzorků se je naučte rozlišovatO: Uveďte hlavní rozdíly mezi CEM1 a FR42/ Seznamte se s funkcí fotorezistu a rozdíly mezi negativním a pozitivním fotorezistem.Soustřeďte se na technologii zpracování tuhého a tekutého fotorezistu. Prohlédněte sidodané vzorky.O: Zamyslete se nad aplikací fotorezistu u technologií MID (viz. příloha)3/ Diskutujte rozdíly mezi fotocitlivou nepájivou maskou a nepájivou maskou nanášenoupřes síto s motivem. Prohlédněte si dodané vzorky.O: Jaké jsou přínosy permanentní a snímatelné nepájivé masky po strojním pájení vlnou ?4/ Zopakujte si pomocí nástěnky a přiložené literatury technologické postupy výroby 1V a2V DPS. Diskutujte výhody a nevýhody technologie tenting (fotorezist plní funkci leptacího rezistu)O: Přínos technologie tenting

6 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně3.1 ZÁKLADNÍ MATERIÁLTEORETICKÝ ROZBORZákladní materiály (substráty, nosné podložky) jsou elektroizolační nosné podložky, tvořenébuď dielektrickým materiálem, nebo izolovaným kovovým jádrem. Základní materiály se používajíjako “nosič” vodivého motivu a slouží k montáži elektronických součástek a mechanických prvků.Základní materiály jsou na organické, anorganické, příp. kombinované bázi ( např. organickýsubstrát s kovovým výztužným jádrem).ORGANICKÉ ZÁKLADNÍ MATERIÁLYOrganické základní materiály se skládají z organických pryskyřic a výztuže (příp. bez výztuže).Na základní materiál je zpravidla naplátována měděná fólie pro subtraktivní technologie zhotovenívodivých motivů – tj. odebrání (odleptání) části měděné fólie. Základní materiál bez měděné fólie spřísadou speciálních složek umožní aditivní proces – tj.přidání vodivého motivu. Základní materiálypodle tuhosti dělíme na neohebné a ohebné (flexibilní).VÝZTUŽ⇒ Určuje mechanické vlastnosti DPS (pevnost v tlaku, tahu, ohybu), rozměrovou stálost v danémteplotním rozsahu, výrazně ovlivňuje elektrické, chemické i teplotní charakteristiky. Výztuž tvoří„kostru“ laminátu a ovlivňuje vyrobitelnost a výslednou spolehlivost DPS.POJIVO⇒ zrovnoměrňuje působení vnějších vlivů na výztuž, chrání ji před mechanickým poškozením aúčinky chemikálií. Pojivo je na polymerní bázi. Používají se termosety (reaktoplastové pryskyřice)pro neohebné a termoplasty pro ohebné montážní a propojovací struktury. Pojivo musí mítvýborné dielektrické vlastnosti s malou hodnotou relativní permitivity (míry polarizace dielektrika)a ztrátového činitele. Dobré tepelné, mechanické i chemické charakteristiky. Některé typy pojivjsou hydrofilní a absorbují vlhkost, která zhoršuje dielektrické vlastnostiPROCES LAMINACEPojivem impregnovaná skleněná tkanina, rohož, papír aj. je skládána do vrstev a vrstvy jsoulaminovány společně s Cu fólií. Pryskyřice je vytvrzena během laminace působením tepla, tlaku avlivem katalyzátoru ve složení pryskyřice, laminace probíhá ve vakuuNEOHEBNÉ ZÁKLADNÍ MATERIÁLYZákladní materiály se dělí do kategorií dle použitého typu pryskyřice. Mezi nejpoužívanější patřímateriály na bázi fenolformaldehydové a epoxidové pryskyřice s různou výztuží. Vlastnosti vizTabulka 1., porovnání viz Obrázek 3.1.1.a Obrázek 3.1.1.FENOLFORMALDEHYDOVÉ PRYSKYŘICEJako výztuž se nejčastěji používá celulózový papír. Mezi plnivem - celulózovým papírem aimpregnantem - fenolformaldehydovou pryskyřicí dojde při vytvrzení k dílčí chemické reakci a kzesítění a fixaci plniva. Obsah pryskyřice bývá obvykle 35 - 58 %. Čím větší je obsah pryskyřice, tímtvrdší je materiál (typy X->XX->XXX, XXXPC), P-razitelnost, C-zastudenaPoužití:• pro méně náročné aplikace /spotřební elektronika/:• zejména jednovrstvé DPS, dvouvrstvé DPS s pokovením otvorů na bázi stříbrných pastVlastnosti:• dobře se vrtá a opracovává

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 7• nevýhodou je velká navlhavost a malá odolnost vůči elektrickému oblouku, malá pevnost Cufólie v odtrhu , horší mechanické vlastnosti, křehkost u materiálů s větším obsahem pryskyřiceNejznamější modifikace: XPC, FR-1 (samozhášivé), XXXPC, FR-2 (samozhášivé provedení(Flame Retardant)) [1]EPOXIDOVÉ PRYSKYŘICE- lepší elektrické, mechanické, chemické a teplotní charakteristiky. Přidávají se aditiva, kterámodifikují vlastnosti epoxidové pryskyřice - zvyšují teplotu skelného přechodu (Tg), snižují teplotnísoučinitel délkové roztažnosti (TCE) a tím zvyšují aplikovatelnost těchto materiálů. Základní druhy seliší jak plnivem, tak i modifikací pojiva.⇒ TVRZENÝ PAPÍR A EPOXIDOVÁ PRYSKYŘICEtvrzený papír + epoxidová pryskyřice, materiál je známý s označením: FR-3• nahrazuje materiál FR-2 v náročnějších aplikacích• oproti FR-2 má lepší mechanické, elektrické i tepelné vlastnosti, vyšší pevnost v odtrhu měděnéfólie, menší navlhavost⇒ SKLOEPOXIDOVÝ LAMINÁTskleněná tkanina ev. rohož + epoxidová pryskyřice, modifikace FR – 4, FR - 5 (větší teplotníodolnost (Tg = 160°C) než FR-4, lepší mechanická i chemická stabilita• výhody: výborné mechanické, dobré elektrické vlastnosti, vyšší teplotní odolnost, malánasákavost, rozsáhlé použití, zvláště tam, kde nevyhovuje FR-2 a FR-3 /zejména měřicí aregulační technika/• nevýhody: horší mechanické opracování, cena je dvakrát vyšší než u FR-2⇒ KOMPOZITNÍ MATERIÁLYobsahují nejméně dva materiály výztuže, pojivem je epoxidová pryskyřice CEM-1• výztuž: jádro - papír, krycí vrstva - skelná tkanina• vlastnosti mezi FR-3 a FR-4, cena: 85% ceny FR-4POLYESTEROVÁ PRYSKYŘICE• skleněná rohož - jádro + skleněná tkanina - krycí vrstvy, impregnant polyesterová pryskyřicetyp GPO• skleněná rohož - výztuž a polyesterová pryskyřice v samozhášivém provedení FR-6• výhody konstantní dielektrické vlastnosti, zejména v oblasti vysokých frekvencí.POLYIMIDOVÁ PRYSKYŘICE• výztuží je nejčastěji skleněná tkanina, aramidové vlákno nebo aramidová tkanina• tepelná odolnost nad 200°C (Tg =260°C), minimální změny TCE v ose z do cca 300°C• nedochází k delaminaci při vyšších teplotách• konstantní mechanické vlastnosti v teplotním rozsahu do 150°C• nedochází k otřepům vrtaných otvorů• nevýhodou je vyšší navlhavost a vysoká cenaPOLYTETRAFLUORETYLEN (PTFE)• výztuží je nejčastěji skelná tkanina nebo skelné vlákno• vynikající elektrické i dielektrické vlastnosti, malá permitivita 2,3• malá nasákavost

8 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně• odolný vůči vyšším teplotám• použití při vysokých frekvencích /do 10 GHz/BISMALEINIMIDOVÁ PRYSKYŘICE (BT)• výztuží je nejčastěji skelná tkanina nebo skelné vlákno• vynikající elektrické i dielektrické vlastnosti, malá permitivita• vhodný pro VV DPS• odolný vůči vyšším teplotám nad 200°C• použití při vyšších frekvencíchKYANÁTESTEROVÁ PRYSKYŘICE (CE)• výztuží bývá jak E-sklo, tak i aramidová vlákna• vynikající elektrické i dielektrické vlastnosti, malá permitivita• aramidová výztuž je vhodná pro zhotovování otvorů plazmou i laserem u vícevrstvýchDPS• CE + aramid se často používá jako náhrada PTFE• odolný vůči vyšším teplotám nad 200°C• použiti při vyšších frekvencíchTabulka 1: Vlastnosti nejpoužívanějších organických základních materiálůMATERIÁL FR-2 FR-3 CEM-1 FR-4VlastnostiPovrchový izolační odpor ohm 1.10 10 3.10 11 3.10 11 4.10 12Vnitřní izolační odpor ohm.cm 2.10 12 4.10 12 2.10 13 8.10 14Permitivita (1 MHz) - 4,7 4,9 4,7 4,7Ztrátový činitel (1 MHz) - 0,047 0,041 0,031 0,019Teplota skel. přechodu Tg °C 105 110 130 130TCE xy/z (pro T menší Tg) ppmK -1 18/300 18/300 13/230 13/60Cenový faktor (FR4=1) 0,5 0,65 0,85 1[s]14012010080604020[mg]35302520151050,70%0,60%0,20%0,10%0FR 2 FR 3 CEM 1 FR 40FR 2 FR 3 CEM 1 FR 4Obrázek 3.1.1: Odolnost materiálů v pájecí Obrázek 3.1.2: Navlhavost materiálůlázni 260 °C

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 9OHEBNÉ ZÁKLADNÍ MATERIÁLYPoužívají se většinou bez výztuže. Nejrozšířenější jsou materiály na bázi polyesterů a polyimidů.V malé míře se používají kompozitní substráty na bázi epoxidů, aramidového papíru i fluoropolymerů.Ohebný polyimidový základní materiál plátovaný měděnou fólií se využívá pro TAB aplikace,vícevrstvé flexibilní DPS, pro HDI (High Density Interconnection) aplikace i pro BGA substráty. PET(polyetyléntereftalátové) flexibilní plošné spoje se vyznačují výrazně nižšími teplotami zpracování.Flexibilní materiály se řadí do kategorie základních materiálů pro 3-D propojovací struktury.ANORGANICKÉ ZÁKLADNÍ MATERIÁLYAnorganické základní materiály, častěji anorganické substráty, jsou elektroizolační keramickémateriály (nejčastěji korundová a beryliová keramika).Tyto substráty mají ve srovnání s organickými mnohé přednosti:• velmi dobrou tepelnou vodivost• dobrou chemickou odolnost• mechanickou integritu (hermetičnost)• malou hodnotu TCEMezi nevýhody patří:• vyšší hmotnost• vyšší cena• křehkost• rozměrová limitace• toxicita některých typů (BeO keramiky)PLÁTOVANÉ ZÁKLADNÍ MATERIÁLY (metal-glad base material)Plátovaný materiál vznikne nalaminováním měděné fólie na základní materiál na organické báziz jedné nebo obou stran.TLOUŠŤKY A TOLERANCE ZÁKLADNÍCH PLÁTOVANÝCH MATERIÁLŮjsou pro třídu II následující:0,8 +/-0,1 mm 1,2 +/-0,13 mm 1,5 +/- 0,13 mm 1,6 +/- 0,13 mm 2,4 +/- 0,18 mmJiné tloušťky plátovaných materiálů vyrábí často firmy na zakázku.PERSPEKTIVNÍ TYPY A TRENDYPlátovaný materiál typu FR-4 - výsadní postavení, ve větší míře se budou používat novétypy multifunkčních epoxidů s vyšší Tg, vhodnost pro laserové vrtání. Materiál musí být kompatibilníse vzrůstajícími ekologickými požadavky -„green circuit board“ - tj bezhalogenidové základnímateriály vhodné pro bezolovnatý montážní proces aj.)Součástková základna s pouzdry typu BGA, CSP i čipy velikosti 0201 rozšíří používání novýchmateriálů s vyšší teplotou skelného přechodu (Tg) a větší rozměrovou stálostí i materiálů vhodnýchpro zvýšené nároky z oblasti mikropropojovacích technologií i vyšších pracovních frekvencí.

10 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněVLASTNOSTI PLÁTOVANÝCH ZÁKLADNÍCH MATERIÁLŮELEKTRICKÉ• Vnitřní a povrchová rezistivita – charakterizuje elektrickou vodivost základního materiálu,měří se před a po klimatických zkouškách)• Relativní permitivita - charakterizuje míru polarizace základního materiálu• Ztrátový činitel - charakterizuje míru dielektrických ztrát v základním materiálu• Průrazné napětí - charakterizuje míru schopnosti základního materiálu zachovávat svůjelektroizolační stavTEPELNÉ• Tepelná roztažnost TCE - charakterizuje teplotní změny rozměrů plošného spoje• Teplota skelného přechodu Tg - charakterizuje teplotu, při které dochází k výrazným změnámTCE, plošný spoj přechází z elastického do plastického stavu. Pokud se materiál nevyznačuje„zamrzlým pnutím“ je to vratný jev i s hodnotami TCE• Odolnost při pájení - charakterizuje vhodnost k hromadnému pájení vlnou a odolnost protidelaminování• Tepelná vodivost• HořlavostMECHANICKÉ• Mez pevnosti v ohybu - charakterizuje mechanickou pevnost desek a jejich obrobitelnost• Pevnost v loupání měděné fólie - odolnost v loupání se měří jako síla na jednotku šířky, kteráse vyžaduje k odloupnutí vodiče od povrchu základního materiálu• Rovinnost, prohnutí, zkroucení• Rozměrová stabilita materiálu v osách x, y, z je ovlivňována:⇒ výběrem komponent a konstrukcí⇒ teplotními změnami (lineární závislost TCE do teploty skelného přechodu Tg)⇒ technologickými operacemi, zejména chemickými vlivy⇒ mechanickým namáháním⇒ změnami vlhkostiCHEMICKÉ• Navlhavost

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 113.2 TECHNOLOGIE VÝROBY DPSDRUHY PROPOJOVACÍCH STRUKTURPropojovací struktura je tvořena vodivým motivem na nosném substrátu. Propojovací strukturazahrnuje vodiče, plošky, signálové a součástkové otvory, chladiče (heatsinks) i pasivní prvky, kterébyly zhotoveny během výroby montážní a propojovací struktury (jako nedílná část procesu).Propojovací struktury se liší počty vrstev, hustotou propojení, způsoby propojení, typydielektrika, typy vymezujících jader, ohebností/neohebností aj.DĚLENÍ PODLE POČTU PROPOJOVACÍCH VRSTEV:• JEDNOVRSTVÁ PROPOJOVACÍ STRUKTURA (single-layer board)Vodivý obrazec je vytvořen na jedné straně základního materiálu, je zhotovený subtraktivním(procesem leptání) příp. aditivním postupem (chemickou mědí, nebo vodivým motivemzhotoveným tlustovrstvou technologií tiskem polymerních vodivých past a následným vytvrzenímnebo vypálením).• DVOUVRSTVÁ MONTÁŽNÍ A PROPOJOVACÍ STRUKTURA (two-layer printed board)Vodivé obrazce jsou vytvořeny na obou stranách základního materiálu subtraktivním příp.aditivním postupem. Vrstvy jsou nejčastěji propojeny pokovenými otvory.• VÍCEVRSTVÁ MONTÁŽNÍ A PROPOJOVACÍ STRUKTURA (multilayer printed board)• KLASICKÁ HUSTOTA PROPOJENÍ:• Vícevrstvé DPS (multilayer) - výsledná deska sestavená z určitého počtu stavebníchdesek a lepicích listů, s třemi a více vodivými obrazci, podle potřeby vzájemněpropojenými• Plošné drátové spoje (multiwire)• VYSOKÁ HUSTOTA PROPOJENÍ:• Vícevrstvé DPS s vysokou hustotou propojení (high density interconnection - HDI)• Vícevrstvé DPS se zaintegrovanými dielektrickými vrstvami• Multičipové moduly (multichip modules)• Elektricko - optické DPS• Multifunkční DPS - elektricko - optické DPS se zaintegrovanou tenkovrstvoutechnologiíMETODY VÝROBY PROPOJOVACÍCH STRUKTUR⇒ subtraktivní technologieNa měděné fólii je vytvořen motiv zpravidla krytý leptuodolnou vrstvou. Leptá se měděná fólierůzné tloušťky.⇒ aditivní technologieVodivé cesty i pokovení otvorů je vytvořeno jen chemickou mědí bez procesu leptání, nebosítotiskem.

12 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněVÝROBA JEDNOVRSTVÝCH DPSTechnologický postup (různé modifikace) závisí nasériovosti výroby, na vybavenosti technologickými zařízeními, navýrobních zvyklostech i na používaných materiálech. Kritériemje zejména cena, požadavkem vyhovující kvalita. Do výrobníhoprocesu vstupuje jednostranně plátovaný materiál a dataz návrhového systému - podklady pro vrtání otvorů zpravidla veformátu Excellon a filmové předlohy (vodivý motiv, nepájivámaska, servisní potisk) se zpracovanou emulzí na diazo nebohalidostříbrné bázi na polyesterovém (Mylar) nosiči.Obrázek 3.2.1: Jednovrstvá DPSVÝROBA DVOUVRSTVÝCH DPSSUBTRAKTIVNÍ TECHNOLOGIESubtraktivní technologií je možno vyrábět jednovrstvé až vícevrstvé DPS. Existuje mnoho modifikacílišících se způsobem zesílení vodivých motivů i druhem leptuodolného rezistu (organický příp.anorganický). Příklad výroby dvouvrstvé DPS viz Obrázek 3.2.2Vysvětlivky některých pojmů:chemická měď- vrstva mědi vyloučenáz lázně obsahující měďnaté ionty naelektroizolační jádro bez působeníelektrického proudufotorezist – fotocitlivý materiál, kterýpůsobením UV záření definovanévlnové délky změní své vlastnostif. negativní - zpolymerujef. pozitivní – polymerní vazby se narušígalvanická měď - vrstva mědivyloučená z lázně obsahující měďnatéionty na vodivý základ působenímelektrického proudustripování cínu – odleptání cínunepájivá maska - izolační vrstvazpravidla zelené barvyHAL – Hot Air Levelling – metodažárového nanesení pájky definovanétloušťky na měděný podkladObrázek 3.2.2: Příklad technologického postupu výroby dvouvrstvých DPS [2]Hlavní typy subtraktivních postupů:• pokovení motivu (pattern-plating)Materiál plátovaný Cu fólií, vodivé cesty a otvory jsou galvanicky zesíleny mědí, poté pokoveny Snev. Sn/Pb rezistem. Po odstranění (odstripování) fotorezistu je odhalená měď leptána. Jakoleptuodolná vrstva slouží Sn, Sn/Pb, Au aj. - nejrozšířenější technologie.• pokovení celého přířezu (panel plating, tenting)

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 13Plátovaný materiál včetně otvorů je chemicky a galvanicky pokoven mědí. Galvanické zesílení mědíse provede na celém povrchu. Po nanesení/expozici/vyvolání fotorezistu zůstanou otvory a vodivécesty maskovány (kryty) fotorezistem, který slouží jako leptuodolná vrstva (leptací rezist).VÝROBA VÍCEVRSTVÝCH DPS (MULTILAYER)Obrázek 3.2.3: Vícevrstvá DPSRealizace větší hustoty plošných spojů, kterou nelzeuskutečnit na dvouvrstvých DPS. VV DPS se skládajístřídavě z vrstev vodivých obrazců (signálových,napájecích, zemnicích i stínicích) – tzv. stavebních DPSa izolačních vrstev - tzv. prepregů, přičemž vodivýchvrstev je více než dvě. U VV DPS jsou vyšší nároky nakomplexně zvládnutou technologii, včetně požadavkuvybavenosti technologickými zařízenímiPrepreg – slouží ke spojení dvou nebo více stavebních desek ve výslednou vícevrstvoudesku. Je to neúplně vytvrzený základní materiál tl. 0,05 - 0,18 mm, jehož vytvrzení je dokončenopři procesu laminace, kdy získá požadované vlastnosti. Tvoří izolační vrstvu.Ke zhotovení vnitřních vrstev - stavebních DPS se používá oboustranně plátovaný sklolamináttloušťky 0,20 až 0,70 mm zpracovaný podobně jako 2V DPS kromě nepájivé masky a HALu.Skládáním stavebních desek a prepregů s přesným sesouhlasením technologickýchotvorů/značek, přiložením vnějších plátovaných materiálů a následnou laminací dostanemeoboustranně plátovanou vícevrstvou strukturu, kterou zpracujeme podobně jako oboustranněplátovaný základní materiálPozn.: Výsledná tloušťka vícevrstvé DPS je od 1 do 6 mm. U většiny VV struktur je však od 1,5 do2,0 mmVÍCEVRSTVÉ PROPOJOVACÍ STRUKTURY S VYSOKOU HUSTOTOU PROPOJENÍ -HDI ( HIGH DENSITY INTERCONNECTION)Trend vede k aplikacím HDMLB (High Density Multilayer Boards) a HDI (High DensityInterconnection), aplikace u videokamer, pagerů, noteboků, PCMCIA karet aj. Kromě součástkovýchotvorů se používají i mikropropojení, viz plazmy ( 2%)Obrázek3.2.4. Mikropropojení (microvia) jsou definovány jako pokovené cesty s průměrem menším než 150µm. Mikropropoje snižují velikost, hmotnost i počty vrstev na DPS.Mikropropoje se dělí na:slepé,vnitřní (skryté)průchozíTyto otvory se řadí do kategorie signálových(propojovacích) otvorůV HDI se zhotovují zejména „slepé“ mikrootvorypomocí:• laseru ( 90%)• fotocesty - tzv. fotostrukturalizace ( 5%)• vrtání (3%)• plazmy ( 2%)Obrázek 3.2.4: Struktura HDIPoužívají se různé dielektrické materiály tuhé i flexibilní. Volba dielektrika předurčuje technologiivýroby i vlastnosti montážních a propojovacích struktur s vysokou hustotou propojení. Pro výrobu

14 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brněmikropropojů se preferují UV YAG lasery pro jejich vysokou flexibilitu i kapacitní možnosti (až10.000 otvorů /min).ELEKTRICKO-OPTICKÉ PROPOJOVACÍ STRUKTURYNutnost zvýšit rychlost přenosu signálu vedla k vývoji a výzkumu v oblasti hybridníchelektricko-optických propojovacích struktur. Tzv. „druhá generace“ používá podobný princip jakomultiwire, ale místo diskrétního měděného vodiče je skleněné vlákno. Propojování jednotlivýchoptických struktur se provádí pomocí optických konektorů. Jedná se o relativně nové typy, v praxinejsou příliš rozšířeny.V tzv. „ třetí generaci“ je vývoj orientován do zapouzdřených elektrických a optickýchpropojovacích řešení. Použití zejména v zadních propojovacích kabelech (backplane). Hraniceudávané pro přechod z elektrických na opticko/elektrické propojovací struktury je 3 – 5 Gbit/s.Současné elektricko/optické struktury pracují s přenosovou rychlostí 40 Gbit/s. Předpokládanápřenosová rychlost mezi elektricko/optickou propojovací strukturou a zadním panelem je 1 Tbit/s.Jde o relativně nové typy, které jsou předmětem intenzivního výzkumu, v praxi nejsou zatímpříliš rozšířeny. Výrazné rozšíření aplikací se očekává v nejbližších letech.TECHNOLOGICKÉ HRANICE V PROPOJOVACÍCH STRUKTURÁCH ATRENDYSe zvyšováním počtu součástkových vstupů/výstupů, pracovních frekvencí, vyššíchzástavbových hustot i s ohledem na konstrukci pouzder typů BGA, CSP aj. vzrůstají nároky na DPS avýrazně se rozšiřují vícevrstvé aplikace. Produkce 2V DPS stagnuje, klesá produkce 1V DPS a vzrůstáprodukce vícevrstvých i flexibilních propojovacích struktur. Podíl VV DPS z celkové produkce DPSje cca 30%, přičemž je 1/3 s mikropropoji.Srovnání moderních DPS a mikropropojení je uvedeno v Tabulka 2.Tabulka 2: Srovnání moderních DPS a mikropropojeníVybrannéModerní MikropropojenícharakteristikyDPSMin. průměr otvoru 200 µm 50 – 150 µmMin.rozměr plošky 400 µm 100 - 150 µmMin. rozměr plošného vodiče 100 µm 70 -75 µmTloušťka Cu fólie 18 - 105 µm 5 - 15 µmcena na jednotkovou plochu 1 x 2 - 3 xhustota propojení 1 x 5 - 10 xcena na hustotu propojení 1x 0,3 - 0,8 xShrnutí kapitoly: Seznámili jste se s základními materiály pro výrobu DPS, stechnologickým procesem výroby 1v, 2v, vv dps, microvia. Dále jste získali přehled orůzných typech fotorezistů, nepájivých maskách a s nimi souvisejících aplikačníchtechnikách.

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 154 LABORATORNÍ ÚLOHA č. 2CÍL LABORATORNÍ ÚLOHY:SEZNÁMIT SE:- S „CHEMIÍ“ PRO MONTÁŽNÍ TECHNOLOGIE- S TECHNIKOU SÍTOTISKU/ŠABLONOVÉHO TISKUTEORETICKÁ PŘÍPRAVA:ZOPAKUJTE SI NÁSLEDUJÍCÍ KAPITOLY:- PÁJKA, TRUBIČKOVÁ PÁJKA, TAVIDLO, PÁJECÍ PASTA, LEPIDLO, ZÁKLADNÍPOJMY- SÍTOTISK/ŠABLONOVÝ TISK, SÍTO, ŠABLONAHLAVNÍ BODY PRAKTICKÉ ČÁSTI:ÚKOLY PRAKTICKÉ ČÁSTI:1/ PÁJKY: Prostudujte sortiment výrobků firmy KOVOHUTĚ PŘÍBRAM. Soustřeďte se natrubičkové pájky (typ slitiny/typ tavidla aj), a na tyčové pájky pro strojní pájení adiskutujte jejich parametry. Značnou pozornost věnujte bezolovnatým slitinám.Z dodaných vzorků se je naučte rozlišovat.O: Ke vzorku trubičkové pájky od fy LITTON KESTER Sn62Pb36Ag2/typ tav.245/obsahtav.50/0,031“ najděte z přiložené dokumentace přibližný tuzemský ekvivalent. Které 4faktory budete považovat za klíčové?2/ PÁJECÍ PASTY: Seznamte se s pájecí pastou RHEOMET R 256 fy LITTON KESTER,technickými listy včetně doporučeného teplotního profilu, normou DIN 32513 se značenímpast a metodikou zkoušek. Zásady pro bezpečnou manipulaci a skladování pájecí pastyjsou uvedeny v v bezpečnostních listech MSDS (Material Safety Data Sheet), poznačte sihlavní body MSDSO: Dekódujte pájecí pastu: Sn62Pb36Ag2/F-SW-32/90-33/ TAVIDLA: Diskutujte rozdíly mezi dodanými vzorky tavidel: COBAR 390 RX, LITTONKESTER 950E a 977, MULTICORE X32-10i a to jak z pohledu složení – kategorizujte jedle ČSN EN z dodaných technických listů. porovnejte je i dle způsobu nanášení event. ičištění. Seznamte se i s přiloženými zahraničními normami DIN 8511 a J-STD-004O: Čím se liší tavidla LITTON KESTER 950E a 977?4/ LEPIDLA: U PŘILOŽENÉHO VZORKU HERAEUS PD 86002SA se seznamte s technologtiínanášení a vytvrzování dle technické specifikace. Zásady pro bezpečnou manipulaci askladování lepidla jsou uvedeny v v bezpečnostních listech MSDS (Material Safety DataSheet), poznačte si hlavní body MSDS5/ SÍTOTISK/ŠABLONOVÝ TISK: Seznamte se s technikou sítotisku a šablonového tisku.Soustřeďte se na techniku zhotovování šablon a sít.

16 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněTEORETICKÝ ÚVOD4.1 CHEMIE V MONTÁŽNÍM PROCESU4.1.1 TAVIDLOTavidlo urychluje smáčecí proces a tak napomáhá k vytvoření spolehlivého pájeného spoje. Mánásledující funkce:• odstraňuje nečistoty a reakční produkty ze spojovaných povrchů a umožní tak pájce, aby sedobře roztekla - tj. fyzikální funkce• zlepšuje přenos tepla - tj. fyzikální funkce• odstraňuje oxidy ze spojovaných povrchů a brání jejich reoxidaci - tj. chemická funkceJedná se převážně o kapalnou, plynnou nebo pevnou látku, která při ohřátí zrychluje nebopodporuje smáčení pájených materiálů pájkou. Tavidla pomáhají za působení tepla odstranit zpovrchu pájeného materiálu oxidy, nečistoty a chrání jej i proti oxidaci během procesu pájení.Reakce tavidla s oxidy zapřičiní zvýšení povrchového napětí a tím zlepšení smáčivosti. Přísady,pomocí kterých dosahujeme dobrých pájecích výsledků se nazývají aktivátory. Nejstarší typtavidla je kalafuna - tj. přírodní pryskyřice, která se skládá zejména z organických kyselin.Tavidlo volíme zejména s ohledem na:• pájitelnost součástek a DPS• způsob nanášení• vlastnosti pájecího zařízení i technologii pájení• snadnou odstranitelnost zbytků po pájení, pokud budeme čistit,• nekorozivní zbytky se stabilním a vysokým SIR i ve vlhkosti po klimatických zkouškách(nebudeme-li čistit)• minimální zbytky po pájení pro splnění náročných vzhledových kritérií• testování / znečištění testovacích jehel/Základním požadavkem při výběru tavidla je zajistit spolehlivý pájecí proces sreprodukovatelnou kvalitou pájených spojů a s minimálním zbytkovým obsahem nečistot po pájení,které mohou způsobit v klimaticky náročnějších prostředích zhoršeni izolačních vlastností DPS příp. ikorozi vývodů součástek a přerušení vodivých obrazců na DPS.DĚLENÍ TAVIDELV tuzemsku se používá několik dělení tavidel. V Tabulka 3. je zpracována klasifikace tavidel proměkké pájení dle ČSN EN ISO 9454-1TREND V TAVIDLECHnárůst používání tavidel s nízkým obsahem VOC i bez obsahu VOC. V současné době sepreferují bezoplachová tavidla na bázi přírodní i syntetické pryskyřice s malým obsahem sušiny (2-3%), která nevyžadují čištění. Ředidlem je většinou izopropanol. Tavidla na bázi izopropanolu majíhustotu zpravidla 0.800-0.812 g/cm 3 na bázi destilované vody 1.001 g/cm 3 .BEZOPLACHOVÁ TAVIDLA (NO CLEAN) ŘEDITELNÁ VODOUNULOVÉ VOC = EKOLOGICKÉ I EKONOMICKÉ DŮVODY (NENÍ TŘEBA ČISTIT)

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 17Tabulka 3: Klasifikace tavidel pro měkké pájení dle ČSN EN ISO 9454-1TYPTAVIDLAZÁKL.SLOŽKA AKTIVÁTOR FORMATAVIDLA1. pryskyřicové 1. kalafuna (přír.prysk.)2. bez kalafunysyntetická pryskyřice1. bez aktivátoru2. aktivováno halogenidyaktivováno bez halogenidůA tekutéB tuhéC pasta2. organické 1. rozpustné ve vodě2. nerozpustné ve vodě1. bez aktivátoru2. aktivováno halogenidyA tekutéB tuhé3. anorganické 1. soli2. kyseliny3. zásady3. aktivováno bez halogenidů1. NH4Cl2. bez NH4Cl1. kys. fosforečná2. jiné kyseliny1. aminy nebo amoniakC pastaA tekutéB tuhéC pasta4.1.2 PÁJKAPÁJKA SnPbV elektrotechnice se používá nejčastěji pájka skládající se z podílu 60 - 63 hmotnostních % cínuSn a 40-37 hmotnostních % olova Pb díky svým specifickým vlastnostem Obrázek 4.1.1.• teplota tavení slitiny 183 - 189°C vyhovuje z hlediska návrhu (používané součástky a substráty),technologického procesu i běžných pracovních teplot elektronických zařízení• cín vykazuje velmi dobré smáčecí charakteristiky, oxidy cínu lze odstranit relativně máloaktivovanými tavidly• pájecí slitina nevytváří křehké intermetalické fáze• příznivá cenaFÁZOVÝ DIAGRAMSnPb pájka s různým podílem složekse dodává ve formě trubiček, drátů,kuliček, tyčí, fólií.Trubičkové pájky se používají proruční pájení. Zpravidla mají několikjader, která jsou vyplněna tavidlem. Provlastní pájecí proces je rozhodující: typslitiny, typ tavidla, množství tavidlav trubičkové pájce, průměr trubičkovépájky, způsob čištění tavidlových zbytkůpo pájení.Kuličky pájky se používají dopájecích past i pro samostatné aplikace(reballing u BGA oprav aj).Rozhodujícím parametrem kromě typuslitiny, rozptylu hodnot požadovanéhoprůměru kuliček je i množství oxidů.Obrázek 4.1.1: Fázový diagram SnPb

18 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněPro strojní pájení se užívá měkká pájka v tyčích zejména Sn63Pb37 (eutektická) ev. Sn60Pb40,používají se i pájky s příměsí fosforu (P), india (In). Předností vakuově přetavovaných pájek jezejména nižší viskozita, zlepšení smáčecí schopnosti, jasnější spoje.Fólie pájky (často plněné tavidlem) definovaných tloušťěk se používají pro speciální aplikace.V mnohých případech se na jejich přednosti i aplikace zapomíná.BEZOLOVNATÉ PÁJKYSnaha o náhradu pájecí slitiny Sn63Pb37 je nejen z důvodu toxicity, ale i pevnosti pájenéhospoje. Bezolovnaté pájky mají větší podíl cínu ve slitině a potřebují vyšší teplotu pájení, mají většítendenci k oxidaci i teoreticky lepší smáčecí charakteristiky. Odpovídající smáčecí charakteristiky seale uplatní pouze v dusíkové atmosféře.Evropská komise dokonce předložila návrh na ukončení používání olova v elektrotechnickémprůmyslu do konce roku 2004.Bezolovnaté slitiny musí vyhovovat těmto požadavkům:• kompatibilita s používanými zařízeními i postupy (vlnové pájení, HAL, vhodnost pro ruční pájenive formě trubičkového drátu i použitelnost pro pájecí pastu zejména no-clean aplikace).• ekvivalentní a lepší materiálové charakteristiky než stávající slitiny• teplota tavení >185° C• minimální rozsah plastického stavu, optimálně 4 - 15°CBezolovnaté pájky (lead free (LF) solder) mají výrazně odlišné zpracovatelské charakteristiky vesrovnání se slitinami obsahujícími olovo. Při implementaci bezolovnatých pájek do výrobního procesuse řeší zpravidla tyto 3 oblasti:• volba typu slitiny a odpovídajícího procesu• eliminace halogenovaných retardantů ze základních organických substrátů, teplotní odolnost ZM• volba součástek, používaných plastů, povrchových úprav i chemie, jejich slučitelnost i vhodnostpro vyšší teplotyDoporučují se dvousložkové (binární) nebo třísložkové (ternární) slitiny• binární Sn3,5Ag, Sn0,7Cu• ternární Sn/3,0-4,0 Ag/0,5-1,5 Cu, Sn/3,0-3,5 Ag/1,0-4,8 Bi4.1.3 PÁJECÍ PASTASLOŽENÍ PÁJECÍ PASTYPájecí pasta je homogenní směs pastovité konzistence. Skládá se z práškovité pájky (65 -96%hmotnostních), gelového tavidla (tavidlový nosič, aktivátor, rozpouštědlo) a reologickýchmodifikátorů.Z hlediska chování se pájecí pasta řadí do kategorie viskózně-elastických kapalin a její chování jecharakterizováno reologickými vlastnostmi (ty jsou podmíněny složením pasty). Pro různé aplikačnítechniky pájecí pasty se volí následující viskozity s rozdílným množstvím kovu viz. Tabulka 4Tabulka 4: Dělení pájecích pastTECHNIKA NANÁŠENÍ VISKOZITA PODÍL KOVUdávkovač 200-450 Pa.s 82-86 hm.% kovusítotisk 400-700 Pa.s 86-89 hm.% kovušablonový tisk 600-1.000 Pa.s 90-92 hm.% kovu

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 19PRÁŠKOVÁ PÁJKAje charakterizována velikostí částic, jejich tvarem i typem pájecí slitiny. Prášková pájka se ve velkémíře podílí na kvalitě tisku, roztékání i na smáčecích charakteristikách a předurčuje teplotu tavení..⇒ TYP PÁJECÍ SLITINYPájecí slitiny se používají pro rozdílné zástavbové hustoty montážních a propojovacích sestav,často oboustranně pájených s různými typy pouzder. Jsou proto rozdílné i požadavky. Nejdůležitějšíjsou následující parametry: teploty liquidu a solidu, elektrická a tepelná vodivost, mechanickápevnost, teplotní koeficient délkové roztažnosti (TCE), povrchové napětí slitiny (hraje klíčovou rolipři smáčivosti a tudíž i pájitelnosti), kompatibilita s povrchovými úpravami, aj. Základní typy pájecíchslitin jsou uvedeny v Tabulka 5.Hmotnostní podíl kovu v pájecí pastěVýraznou měrou ovlivňuje viskozitu pájecí pasty i teplotní změny viskozity (se vzrůstem kovovéhopodílu se zmenšuje vliv teploty na viskozitu).Oxidy v pájecí pastěOxidy kovů musí být zastoupeny v minimální míře. Nevhodným skladováním i stárnutím pasty sezvyšuje jejich obsah. Oxidy kovů mají výrazně vyšší teploty taveníTabulka 5: Základní typy pájecích slitinTYP SLITINYTEPLOTASOLIDU[°C]TEPLOTALIQUIDU[°C]POZN.58Bi42Sn 138 138 E43Sn43Pb14Bi 144 16362Sn36Pb2Ag 179 179 E63Sn37Pb 183 183 E60Sn40Pb 183 19390Pb10Sn 268 302E - eutektická slitinaTAVIDLOurychluje smáčecí proces a tak napomáhá k vytvoření spolehlivého pájeného spoje (viz tavidla).rozpouštědlo se podílí ve značné míře na zasychavosti pasty, preferují se rozpouštědla s nižšímitenzemi par (pomalejším odpařováním). Gelové tavidlo obsahuje zpravidla 60 - 70% pryskyřic aaktivátorů i 40 - 30% rozpouštědla.Tavidlo se ve velké míře podílí na chování pasty během tisku i po natisknutí, na smáčecíchcharakteristikách a na výsledné kvalitě pájeného spoje. Nová generace tavidel v pájecích pastách musímít široké technologické okno při zpracování. Během pájení musí vykazovat konstantní a velmi dobrésmáčecí charakteristiky s minimální závislostí na teplotě a času před vlastním přetavením.REOLOGICKÉ MODIFIKÁTORYReologické vlastnosti popisují změny v chování pájecí pasty, zejména změny v tečení adeformaci vlivem působících faktorů: tlaku při tisku, rychlosti pohybu stěrky, teploty aj.Požadované reologické vlastnosti pasty se upravují reologickými modifikátory.⇒ SKLADOVÁNÍ pájecí pasta by se měla skladovat v chladničce při teplotách 2 - 6 °C. Maximálnídoba skladování neotevřených zásobníků je 6 - 12 měsíců.

20 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně4.1.4 LEPIDLA PRO SMTv aplikacích povrchové montáže se používají 2 základní typy lepidel: LEPIDLA ELEKTROIZOLAČNÍ• lepidla elektroizolační tepelně nevodivá /aplikace v kombinované montáži k přilepeni SMDsoučástek, po vytvrzení se pájí vlnou /typ III//• lepidla elektroizolační tepelně vodivá /aplikace v čisté i kombinované montáži k přilepení SMDsoučástek, po vytvrzení je možné pájení vlnou. Používají se omezeně, zejména v případech, kdy jenutné odvádět ze součástky ztrátové teplo/ LEPIDLA ELEKTRICKY VODIVÁ‣ aplikace v čisté povrchové montáži. Lepidlo musí zajistit nejen spolehlivé elektrické propojenímezi pájecími ploškami DPS a terminály součástky, ale i mechanickou fixaci součástky k DPS.Lepidlo se používá pro speciální aplikace, kde nelze použít technologii pájení.• lepidla izotropní• lepidla anizotropníLEPIDLA ELEKTROIZOLAČNÍ TEPELNĚ NEVODIVÁje to nejrozšířenější kategorie. Lepidla jsou jednosložková bezrozpouštědlová na bázi epoxidů neboakrylátů, tixotropní, elektricky nevodivá s dielektrickou stabilitou, nekorozivní, chemicky stabilní, sdobrou lepivostí (adheze i koheze) i dobrou teplotní stabilitou (stálá viskozita při změnách teploty),netoxická⇒ Lepidlo musí splňovat tyto aplikační požadavky:• správná viskozita jak pro způsob nanášeni, tak i pro dostatečnou fixaci součástky před vytvrzením• výrazná barva pro optickou kontrolu• dlouhá skladovatelnost• odolnost vůči teplotám používaným při pájeni• snadné opravyZPRACOVÁNÍ⇒ NANÁŠENÍLepidlo se nanáší na požadovaná místa na DPS (viz. Obrázek 4.1.2.) sítotiskem, šablonovýmtiskem, dispenzerem, nebo kapkovou metodou (pin transfer).Obrázek 4.1.2: Požadovaná výška kapky

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 21⇒ VYTVRZOVÁNÍ se provádí• teplem (1 - 5 min. při 120 -150 °C), typický profil vytvrzování lepidla typu PD 944 je vizObrázek 4.1.3.• UV zářením + teplem• UV zářením (intenzita UV zářeni cca 100 mWcm -2 po dobu 10 - 45 sekundObrázek 4.1.3: Teplotní profil vytvrzování lepidlaLEPIDLA ELEKTRICKY VODIVÁVodivé lepidlo se skládá z polymerní a kovové složky.Polymerní složka má charakter termosetu nebo termoplastu. Nejčastěji se používají epoxidy,polyuretany nebo polyimidy. Vlastnosti polymeru předurčují mechanické vlastnosti lepidla, přilnavosta opravitelnost lepeného spoje. Nejčastěji se používají polymery jednosložkové.Vodivá kovová složka zajišťuje elektrickou i tepelnou vodivost. Elektrická vodivost je značněovlivněna charakterem, vlastnostmi a množstvím oxidů, které se vytvoří na povrchu částic vlivempůsobení vnějších vlivů. Používají se nejčastěji drahé kovy, které zaručují dobrou elektrickou vodivosta stabilitu elektrických vlastností. Preferuje se zlato (Au), stříbro (Ag), event. pokovený plast. Nikl aměď jsou nestabilní, proto se používají v omezené míře.Typy vodivých lepidelZ hlediska kontaktu mezi vodivými částicemi je možno vodivá lepidla rozdělit na izotropní aanizotropní.• izotropní vodivé polymery (elektrická vodivost ve všech osách)• anizotropní vodivé polymery (elektrická vodivost pouze v "Z" ose)

22 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně4.2 APLIKAČNÍ TECHNOLOGIEŠablonový tisk, sítotisk a dispenze patří mezi nejrozšířenější metody pro nanášení pájecích past alepidel. Zařízení se používají od nejjednodušších ručních ev. poloautomatických až po automatická inline nebo off line začleněná do automatických výrobních linek.Platí zásada:dobře natisknuto = z poloviny zapájeno4.2.1 METODA TISKU PŘES ŠABLONU/SÍTOPájecí pasta, lepidlo i další materiály jsou protlačovány těrkou přes kovovou (plastovou) šablonunebo síto na DPS.METODA ŠABLONOVÉHO TISKU.Obrázek 4.2.1: Princip šablonového tiskuPro šablonový tisk se používají stejnátechnologická zařízení jako pro sítotisk. V rámuje upnuta kovová fólie s motivem propožadovaný tisk materiálu. Tloušťka natisknutépasty (lepidla ) v mokrém stavu koresponduje stloušťkou šablony.Těrka s nastaveným úhlem sklonu je definovanousilou přitlačena k šabloně a pohybuje se po níkonstantní rychlostí, přičemž se před těrkou„odrolovává“ pájecí pasta /lepidlo/ event jinýmateriál. Část kinetické energie pohybující sešablony se předává pájecí pastě, která následněgeneruje hydraulický tlak a dochází k protlačenípájecí pasty aperturami v šabloně, viz Obrázek4.2.1ŠABLONY :Pro spolehlivý proces tisku je nezbytná kvalitní šablona, kterou ovlivňuje 5 hlavních faktorů:• druh a tloušťka materiálu• druh předlohy• velikost apertury• technologie výrobyPro šablony zhotovované laserem nebo leptáním se používají fólie a plechy v tloušťkách0,075 - 0,5 mm z nerez oceli, bronzi, niklové mosazi.

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 23TĚRKY:se používají jak z nerezové oceli, tak i z polyuretanu (PUR) v tvrdostech 70-90 Shore. Preferují setěrky kovové, zejména z důvodu možnosti tisku menších rastrů i malé deformaci. Sklon těrky je 45 -60 0 . Při pohybu tiskové hlavy se musí pájecí pasta před těrkou dobře "odrolovávat".METODA SÍTOTISKUPájecí pasta, lepidlo i další materiály jsou protlačovány těrkou prázdnými oky v situ s motivem,viz Obrázek 4.2.2.Obrázek 4.2.2: Princip sítotisku pájecí pastyKVALITA TISKUje dána vzájemnou interakcí zejména následujících faktorů, které vstupuji do sítotiskového procesu• typem použitého zařízení• materiály• technologií tisku• vlivy prostředí• kvalifikací personáluCílem je kvalitní nátisk materiálu jak z hlediska soutisku, tloušťky i rovnoměrnosti tloušťkypotisknuté plochy. K získání požadovaných informací o výsledné kvalitě se používá post-print 2Dnebo 3D inspekce. Získaná data jsou vyhodnocena a je provedena zpětná korekce procesu pro dalšítisk. Při překročení zadaných parametrů je třeba natisknutý materiál odstranit a tisk zopakovat.Kvalita tisku není dána jen technikou tisku a typem zařízení, ale i typem pájecí pasty,zejména jejími reologickými vlastnostmiShrnutí kapitoly: Seznámili jste se s „chemií“ pro montážní technologie, poznali jstezákladní pojmy jako jsou pájka, trubičková pájka, tavidlo, pájecí pasta, lepidlo.Seznámili jste se s principem sítotisku, šablonového tisku.

24 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně5 LABORATORNÍ ÚLOHA č. 3OSAZOVÁNÍ SMD NA POLOAUTOMATICKÉM PRACOVIŠTI DIMA SMMT 2000CÍL LABORATORNÍ ÚLOHY:SEZNÁMIT SE:- SE STRUKTUROU PROGRAMOVÁNÍ OSAZOVACÍHO SMD POLOAUTOMATU AZHOTOVENÍM OSAZOVACÍHO PROGRAMU- S TECHNOLOGICKÝM PROCESEM TZV. ČISTÉ POVRCHOVÉ MONTÁŽETEORETICKÁ PŘÍPRAVA:ZOPAKUJTE SI NÁSLEDUJÍCÍ KAPITOLY:- KOMBINOVANÁ A ČISTÁ POVRCHOVÁ MONTÁŽ SOUČÁSTEK, ÚVOD AZÁKLADNÍ POJMY- TAVIDLA, PÁJECÍ PASTY, LEPIDLA A APLIKAČNÍ TECHNIKY- METODY OSAZOVÁNÍ A PÁJENÍ PŘETAVENÍMÚKOLY PRAKTICKÉ ČÁSTI:1/ Seznamte se s osazovacím zařízením SMMT 2000 a jeho programováním2/ Zhotovte osazovací program na zkušební DPS /rozpiska součástek a osazovací předpis jsouuvedeny v příloze 1 event. použijte Vámi navrženou a vyrobenou DPS/3/ Diskutujte technologické postupy montáže SMD a prakticky odzkoušejte „čistou“povrchovou montáž. Na přiložených typech DPS rozhodněte o který typ povrchovémontáže se jedná a zvažte náročnost výměny SMD4/ Kvalitu pájení kontrolujte pomocí stereolupyad 1/ viz manuál fy DIMAad 2/ zkrácený postup programování je uveden v teoretickém rozboruad 3/ zopakujte si technologické postupy montáže SMD a prakticky odzkoušejte „čistou“povrchovou montáž (pomocí dávkovače naneste pájecí pastu, osaďte SMD a zapájejtepřetavením v reflow tunelu)

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 25TEORETICKÝ ÚVOD5.1 PRINCIP ČINNOSTI POLOAUTOMATICKÉHO PRACOVIŠTĚNa základě Vámi zhotoveného programu se bude v naprogramované sekvenci pohybovatpodložka pod ruku s laserovým ukazovátkem a bude na desce plošného spoje ukazovat naosazovanou pozici. Místo pro odebrání SMD součástky bude indikováno blikající LEDdiodou bud na karuselu (pro volně sypané součástky) nebo na panelu s LED diodami (LEDbar) (pro napáskované součástky). Součástku uchopíme pomocí vakuové pipety namanipulátoru a nad osazovanou pozicí odpovídajícím způsobem natočíme součástku a lehcesoučástku položíme buď do pájecí pasty (bude pájeno přetavením pájecí pasty) nebo dolepidla (bude pájeno na pájecí vlně). Sešlápnutím nožního spínače postoupíme na další krokosazovacího programu.Dále je uveden zkrácený návod k programování a poloautomatickému osazování součástekpro povrchovou montáž (PM, SMD) na pracovišti SMMT-2000PROGRAMOVÁNÍ:EXTERNÍ JEDNOTKY:karusel je připojen na port č. 2LED panel je připojen na port č.1INICIALIZACE:Před zahájením programování nové DPS nebo před osazováním DPS je nutno provéstinicializaci osazovacího pracoviště (INITIALIZATION) a potvrdit ji (Return)EDITACE/VYTVOŘENÍ NOVÉ DPSMain menu-edit menu-create a new PCB (vytvoření nové desky) a po zadání názvu DPS seobjeví položky Feeder edit (editace podavačů tj. rozmístění jednotlivých typů součástek dopodavačů), Zero points (nastavení referenčních. bodů) a PCB edit (vlastní osazovací program)FEEDER EDIT (Editace podavačů)Po volbě odpovídající externí jednotky (UNIT) zadejte do odpovídají pozice (LOCATION)hodnotu součástky (např. UNIT LED BAR-LOCATION 1 - zadejte 10n)OSAZOVACÍ PŘEDPIS HODNOTA TYP POUZDRA PODAVAČ/ZÁSOBNÍKC1, C2 10n 1206 1L01C3, C4 10p 0805 1L02R3, R4, R5 2k2 1210 1L04R1, R2 0R 0805 1L05C5 47p 0805 1L13C6,C7 1n5 1206 2C01IC 1 NE 5512 SOIC 8 2C02C8, C9 100p 1206 2C09D1 OF 732 minimelf 2C07Tr1 BC 846 SOT 23 2C08

26 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněPozn.:1L01 - páskované součástky, port 1, pozice 1, atd.2C01 - volně sypané součástky v karuselu, zásobník 1, atd.ZERO POINTS(nastavení referenčních bodů)Pomocí laserového ukazovátka se přesuňte na místo odkud zahájíte vlastní programování(může to být naváděcí značka FIDUCIAL POINT nebo příp. i roh DPS) a polohu potvrďtenožním pedálem. Pro programování vícenásobného motivu zvolte pro následující DPS (PCBnumber) adekvátní naváděcí bod apod.PCB EDIT (zhotovení osazovacího programu)STEP(krok osazovacího programu)-PART(zadejte označení součástky dle osazovacíhovýkresu , např. C1) - COMPONENT (zadejte odpovídající hodnotu této součástky)-popotvrzení Enter se automaticky objeví umístění součástky v podavači (např.1L01 - tj.napáskovaná součástka umístěná na LED panelu (připojeného do portu č.1) v pozici 01)-dále pomocí joysticku se s laserovým paprskem přesuňte na osazovanou pozici(dleosazovacího plánu) a sešlápněte pedál, na obrazovce se objeví souřadnice místa kam budetesoučástku v případě osazování osazovat-DIR(direction)udává orientaci v případěpolarizovaných součástek U (Up), D(Down), L(Left), R(Right).Dále pokračujte v programování krokem č.2 atd.Jako poslední krok v programu se přemístěte laserovým paprskem mimo osazovanou DPS (jeto vhodné pro snazší výměnu DPS před osazováním nové DPS)OSAZOVÁNÍASSEMBLE THE PCB (vlastní osazování naprogramované DPS)MAIN MENU-ASSEMBLE MENU-ASSEMBLE the PCBPozn.Odzkoušejte celý program „nasucho“ bez nanesené pájecí pasty či lepidla. Po natisknutípájecí pasty nebo po nadávkování lepidla dle instrukcí vyučujícího proveďte osazeníodpovídajících typů součástek a přetavení/vytvrzení v reflow (přetavovacím) tuneluObrázek 5.1.1: DispenzerObrázek 5.1.2:Zásobník s pájecí pastou

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 27Obrázek 5.1.3: Přetavovací pec DIMAPOSTUP:1) Seznamte se s procesem dávkování pájecí pasty na zkušební DPS pomocí zařízení DIMAviz.Obrázek 5.1.1.. a Obrázek 5.1.1. Dávkujte pájecí pastu na pájecí plošky. Nastavte 3 rozdílnédoby dávkování pájecí pastyPozn.: Udržujte konstantní parametry p (tlak vzduchu p= 4 bary, vnitřní průměr jehly (s doporučenoubarvou))2) Osaďte součástky 1206, 0805 a SOIC odpovídající hodnoty na pozice dle osazovacího výkresupomocí poloautomatického osazovacího zařízení SMMT 2000.Pozn.: Po osazení součástkami 0805 i 1206 vyzkoušejte lepivost pájecí pasty lehkým poklepáním DPSo pracovní stůl3) Pájejte přetavením pájecí pasty na zařízení DIMA SMRO 0180 Obrázek 5.1.3. Nastavtenásledující režim pájení:Top IR panel bottom heater top IR panel belt speedpreheat reflow reflow260 °C 260 °C 380 °C 10Přetavování pájecí pasty sledujte v proskleném průzoru.Diskutujte otázku centrování součástek a uveďte faktory, které ovlivňují úroveň vycentrováníPřetavení pájecí pasty s Sn62Pb36Ag2 slitinou probíhá dle teplotní závislosti Obrázek 6.1.2.4) Proveďte optickou kontrolu na zařízení MANTIS se zvětšením 4x a 10x. Kvalitu osazení izapájení porovnejte s přiloženým manuálem

28 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně5.2 TECHNOLOGICKÉ POSTUPY V POVRCHOVÉ MONTÁŽIČISTÁ POVRCHOVÁ MONTÁŽKOMBINOVANÁ POVRCHOVÁ MONTÁŽObrázek 5.2.1: Čistá PMObrázek 5.2.2: Kombinovaná PM z jedné stranyKOMBINOVANÁ MONTÁŽ: technologické postupy montáže SMD z jedné strany jsou uvedeny naObrázek 5.2.1., z obou stran na Obrázek 5.2.3.Shrnutí kapitoly: Seznámili jste se sestrukturou programováníosazovacího SMD poloautomatu azhotovili jste vlastní osazovacíprogram. Seznámili jste ses procesem tzv. čisté a kombinovanépovrchové montáže.Obrázek 5.2.3: Kombinovaná povrchová montáž z obou stran

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 296 LABORATORNÍ ÚLOHA č. 4PÁJENÍ PŘETAVENÍM, MĚŘENÍ TEPLOTNĆH PROFILŮ, TEST NA VYTVÁŘENÍKULIČEK (SOLDER BALLING TEST)CÍL LABORATORNÍ ÚLOHY:SEZNÁMIT SE:- S PÁJENÍM PŘETAVENÍM PÁJECÍ PASTY- S MĚŘENÍ A ANALÝZOU TEPLOTNÍCH PROFILŮ- S UPEVŇOVÁNÍM TERMOČLANKŮ- S TESTEM NA VYTVÁŘENÍ KULIČEK (SOLDER BALLING TEST)TEORETICKÁ PŘÍPRAVA:ZOPAKUJTE SI NÁSLEDUJÍCÍ KAPITOLY:- METODY PŘENOSU TEPLA A PÁJENÍ PŘETAVENÍMHLAVNÍ BODY PRAKTICKÉ ČÁSTI:- PÁJENÍM PŘETAVENÍM PÁJECÍ PASTY- MĚŘENÍ A ANALÝZOU TEPLOTNÍCH PROFILŮ (PODÉLNÝCH A PŘÍČNÝCH)- UPEVŇOVÁNÍM TERMOČLANKŮ A VLIVEM NA CHYBU MĚŘENÍ- TESTEM NA VYTVÁŘENÍ KULIČEK (SOLDER BALLING TEST)ÚKOLY PRAKTICKÉ ČÁSTI:1/ Seznamte se s přetavovací pecí DIMA SMRO 0180, naučte se ji obsluhovat2/ Diskutujte význam měření teplotních profilů během pájecího procesu. Soustřeďte se napájení přetavením. Seznamte se s umístěním a fixací termočlánku na osazené DPS.Navrhněte metodu měření příčných a podélných teplotních profilů a metodu konzultujtes vyučujícím. Prakticky proměřte podélný teplotní profil. Použijte profiloměrSOLDERTHERM se 2 termočlánky. Obsluha profiloměru je uvedena v přiloženémmanuálu. Zvolte jednu z metod měření teplot. Proměřte teplotní profily pro zadané teplotyv jednotlivých sekcích (uvedeno na reflow peci) na zkušební DPS při 2 rychlostech.Naměřený teplotní profil se naučte vyhodnocovat.(SW pro profiloměr je na disku pod : PROFIL - SLDTHM.exe - F10 atd.)3/ Upevněte termočlánky pomocí elektroizolačního lepidla HERAEUS PD 860002 SA,pomocí elektroizolační pásky papírové i kaptonové a pomocí pájky s vyšší teplotou tavení(HMP např. Pb93,5Sn5Ag1,5 s Tm 296 – 301 °C)4/ Proveďte Solder Balling Test (test na vytváření kuliček) u 3 vzorků pájecích past. Výsledkyvyhodnoťte . Postupujte dle DIN 32 513

30 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněTEORETICKÝ ÚVOD6.1 PÁJENÍ PŘETAVENÍM PÁJECÍ PASTY (REFLOW PÁJENÍ)Při tomto technologickém postupu se součástky osazují do pájecí pasty, která se přetaví přiteplotě, která je vyšší, jako bod tání pájky obsažené v pastě. Během pájení jsou součástky povrchovýmnapětím "vycentrovány" na plošky DPS. Pájí se montážní celky osazené čistou povrchovou montážijednostrannou či oboustrannou i typy kombinované povrchové montáže.DRUHY PŘENOSU TEPLAPro přetavení pájecí pasty je možno použít prakticky všechny způsoby přenosu tepla: tj.:⇒ vedení (kondukce)⇒ proudění (konvekce)⇒ záření (radiace)METODY PÁJENÍ PŘETAVENÍMMETODY PÁJENÍ PŘETAVENÍMkonvekční pájeníinfraohřevmetoda pájení pomocí laserukondenzační metodakontaktní metody⇒ vyhřátým nástrojem⇒ vyhřátým pásemVe srovnání s pájením vlnou, případně jinými technologiemi, má pájení přetavením pájecích pastnásledující výhody:⇒ pájka a tavidlo se vhodným technologickým postupem aplikují pouze na definovaná místa⇒ úspora materiálu⇒ pájka a tavidlo se dávkují v přesně definovaném poměru⇒ je vyloučena "nekontrolovatelná" přítomnost nečistot, které se mohoudostat na pájený spoj při pájení vlnou, případně jiných postupech⇒ pájecí proces probíhá bez teplotních rázů⇒ přesný technologický postup aplikace pasty umožňuje dosáhnout vyšší hustoty montáže⇒ oboustranná montáž SMDKonvekční pájení je nejrozšířenější metodou. Součástky, DPS i pájecí pasta jsou ohříványproudem vyhřátého plynu. Méně se používá infraohřev kondenzační metoda, metoda pájení pomocílaseru, případně kontaktní metody - vyhřátým nástrojem, nebo vyhřátým pásem.Je vhodné mít na zřeteli předpokládaný technologický postup již při návrhu DPS!Trendy v reflow pájení:⇒ kontinuální zlepšování kvality pájení při dalším snížení koncentrace O 2 v dusíkové atmosféře⇒ nucená konvekce s recirkulací plynného média⇒ zlepšení technického vybavení reflow pecí, např. samočištěním tj. „spálením“ zkondenzovanýchtavidlových zbytků krátkým cyklickým ohřevem a jejích odsátím, přídavným spodním chlazenímv přetavovací sekci aj.⇒ monitorování procesu vč. SPC

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 31KONVEKČNÍ PÁJENÍKonvekční pece se používají jak s přirozenou, tak i snucenou konvekcí. Preferuji se konvekční pece s nucenoukonvekcí. Potřebná energie se pro přetavení pájecí pastyzískává z ohřátého plynu (dusík, vzduch, ev. vodík).Zařízení jsou většinou konstruována jako průběžnás pohyblivým dopravníkem prstovým nebo pásovým.Konvekční přetavovací pece mívají minimálně 4 nezávisleregulovatelné teplotní zóny. Horký plyn se může pomocítrysek usměrnit na předem stanovená místa desky plošnéhospoje, čímž se dosáhne směrového i rychlejšího ohřevusoučástek na DPS. Kromě směru proudění horkého vzduchulze měnit i průtok horkého vzduchu. Snažíme se vyhnouthorizontálnímu proudění, aby nevznikaly hraniční vrstvy a proudění šikmému, aby nedocházelok posunutí součástek.Pájení může probíhat i v ochranné dusíkové atmosféře, což vede ke zvýšení kvality pájení.Maximální dovolené znečištění kyslíkem se pohybuje kolem 10 ppm.Výhody:Konvekční pece více vyhovují požadavkům VV DPS a vyšších zástavbových hustot a vyznačují semenším zastíněním jednotlivých součástek. Tento způsob pájení umožňuje jednodušší nastavenípájecího profilu pouhou změnou rychlosti posuvu dopravníku, pece mívají velmi malý příčný teplotnígradient (+/- 2°C). Preferují se pro pájeni pouzder BGA.Nevýhody:Menší účinnost (20 až 30%), větší energetická spotřeba, vyšší míra oxidace pájecí pasty při pájeníve vzduchu.PÁJENÍ INFRAČERVENÝM ZÁŘENÍMEnergie, kterou dochází k přetavení pájecí pasty, sena montážní celky dostává zářením z IR zářičů. Množstvítepla, které je absorbováno záleží na koeficientu, jehožvelikost souvisí s barvou povrchu a vlnovou délkouzáření. Obecně lze konstatovat, že absorbce záření sevzrůstající vlnovou délkou klesá. Při pájení infračervenýmzářením nastává jev, kdy součástky s tmavším povrchemjsou více zahřívány, než místa, kde se nachází pájecípasta. Dochází tedy k nerovnoměrnému rozloženi teplotyna povrchu desky plošného spoje, což má vliv na kvalitupájení a tepelné namáhání součástek.Pro optimální výsledky se volí vlnová délka 6 až 7 µmzpravidla ze sekundárních zářičů.Nevýhody infraohřevu:• nehomogenní ohřev, který závisí na vlastnostech materiálu DPS i součástek (pronikání záření)• teplotní odpor a teplotní kapacity součástek• velký rozdíl teplot při měření příčného tepl. profilu• nevhodnost pro pájeni nové generace součástek typu BGAVýhody: vysoká účinnost procesu (60 až 70%)

32 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněTEPLOTNÍ PROFIL V REFLOW PECISprávný teplotní profil při pájení je základním předpokladem pro kvalitní a spolehlivouprodukci. Měří se nejčastěji:• podélný teplotní profil - tj. závislost teploty na čase měřená na montážním celku při průchodutunelem. Měření se využívá pro optimalizaci procesu, u nových typů DPS a pro kontrolu idokladování nastavení procesu dle norem řady ISO 9000.Pozn.: Měření teplotních procesů se používá i během jiných procesů (strojní pájení vlnou,vytvrzování lepidla, montáž BGA pouzder při opravách DPS aj.).Teplotní profil je třeba vždy optimalizovat pro konkrétní typmontážního celku, i typ pájecí pasty. Nesprávný teplotní profilje jedním z hlavních faktorů, který ovlivňuje vznik defektů vevýrobním procesu. Fixace termočlánku je znázorněna naObrázek 6.1.1.Obrázek 6.1.1: Fixace termočlánku epoxidovou pryskyřicí A/,pájkou s vyšší teplotou tavení B/ kaptonovoupáskou nebo silikonovou pastou C/Podélný teplotní profilV typickém průběhu jsou u Sn63Pb37 4 důležité oblasti pro kvalitu pájení viz Obrázek 6.1.2. Běhempájecího procesu dochází k odpaření rozpouštědla a aktivaci tavidla (oblast 1 a 2), předehřevusoučástek a substrátu (2), přetavení pájecí pasty (reflow) a vytvoření odpovídajícího pájeného spoje(3). Chladnutí montážního celku probíhá v oblasti 41. oblast – předehřev2. oblast - oblast vyrovnávání teploty, aktivace tavidla3. oblast - přetaveni pasty4. oblast - chlazeníNejčastější příčina defektů vzniká v oblasti předehřevu pájecí pastyPřetavení pájecí pasty s Sn62Pb36Ag2 slitinou probíhá dle teplotní závislosti Obrázek 6.1.2.Obrázek 6.1.2: Přetavovací profil standardní Obrázek 6.1.3: Doporučený teplotní profilpájecí pasty a) a no-clean pájecí pasty b)Shrnutí kapitoly: Seznámili jste se s různými technologiemi pájení přetavením, s měřenía analýzou teplotních profilů.

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 337 LABORATORNÍ ÚLOHA Č. 5OPRAVY MONTÁŽNÍ A PROPOJOVACÍ SESTAVYDEMONTÁŽ/MONTÁŽ SMDCÍL LABORATORNÍ ÚLOHY:SEZNÁMIT SE:- S TECHNOLOGICKÝM POSTUPEM A ZÁSADAMI VÝMĚNY SMD KONTAKTNÍMETODOU- S TECHNOLOGICKÝM POSTUPEM A ZÁSADAMI VÝMĚNY SMD BEZKONTAKTNÍMETODOUTEORETICKÁ PŘÍPRAVA:- ZOPAKUJTE SI KAPITOLY S PROBLEMATIKOU PÁJENÍ, TAVIDEL A OPRAV DPS- NAUČTE SE OBSLUHOVAT OPRAVÁRENSKOU STANICI MBT 250AE,NASTAVOVÁNÍ TEPLOTY JEDNOTLIVÝCH PRACOVNÍCH KANÁLŮ A ZÁSADYPRÁCE S NÁSTROJI- NAUČTE SE OBSLUHOVAT HORKOVZDUŠNOZU OPRAVÁRENSKOU STANICICRAFT 15, NASTAVOVÁNÍ JENOTLIVÝCH PAARMETRŮ (TEPLOTA, DOBA,INTENZITA PROUDĚNÍ HORKÉHO PLYNU)HLAVNÍ BODY PRAKTICKÉ ČÁSTI:- DEMONTÁŽ RŮZNÝCH POUZDER KONTAKTNÍ A BEZKONTAKTNÍMETODOU- MONTÁŽ RŮZNÝCH POUZDER KONTAKTNÍ A BEZKONTAKTNÍ METODOUÚKOLY PRAKTICKÉ ČÁSTI:1. DEMONTÁŽ PRAVOÚHLÝCH ČIPŮ 1206 AŽ 0402 KONTAKTNÍ I BEZKONTAKNÍMETODOU2. MONTÁŽ PRAVOÚHLÝCH ČIPŮ 1206 AŽ 0402 KONTAKTNÍ I BEZKONTAKNÍMETODOU3. DEMONTÁŽ POUZDRA SOIC KONTAKTNÍ METODOU4. MONTÁŽ POUZDRA SOIC KONTAKTNÍ METODOU5. DEMONTÁŽ POUZDRA PLCC BEZKONTAKTNÍ METODOU6. MONTÁŽ POUZDRA PLCC KONTAKTNÍ METODOU7. DEMONTÁŽ POUZDRA QFP BEZKONTAKTNÍ METODOU8. MONTÁŽ POUZDRA QFP KONTAKTNÍ METODOU9. DEMONTÁŽ POUZDRA PBGA BEZKONTAKTNÍ METODOU10. MONTÁŽ POUZDRA PBGA BEZKONTAKTNÍ METODOU11. VIDEOPROJEKCE – UKÁZKY DALŠÍCH OPRAVÁRENSKÝCH TECHNIK

34 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně7.1 POPIS A DOPORUČENÝ POSTUP PRO JEDNOTLIVÉ ÚKOLY:1) PROVEĎTE DEMONTÁŽ SOUČÁSTEK VEL. 1206 AŽ 0402 *) pomocí pájecího pera Obrázek 7.1.1. s nástavcemObrázek 7.1.2Obrázek 7.1.1: Pájecí pero SP 2AObrázek 7.1.2: Nástavec do páj. pera 1121-0303Postupujte dle Obrázek 7.1.5. Na pájecí staniciMBT 250AE nastavte pracovní teplotu 315°C termokleští Obr.7.1.3. s odpovídajícími nástavci.Obrázek 7.1.3: Termokleště TT-65Obrázek 7.1.4: Nástavce do termokleští1121-0313, Tvarované kuželovité hroty 1/64"1121-0517-P1Postupujte dle Obrázek 7.1.5. Na pájecí staniciMBT 250AE nastavte pracovní teplotu 315°C.Respektujte tyto hlavní zásady:- zajistěte dobrý přenos tepla- minimalizujte dobu demontáže součástek- minimalizujte teplotu demontáže- minimalizujte sílu při demontáži- zajistěte, aby okolní součástky byly teplem minimálně ovlivněny- nepoškoďte desku s plošnými spoji- zajistěte odsávání zplodin při demontážiObrázek 7.1.5, Obrázek 7.1.6: Demontáž

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 35Pozn: *) Součástky 1206 mají rozměr 3,2 x 1,6 mm, součástky 0805 mají rozměr 2,0 x 1,3 mm2) SOUČÁSTKY 0402 AŽ 1206 ZAPÁJEJTE pomocío pájecího pera a trubičkové pájkyo termokleštío horkého plynu a přetavením pájecí pasty event. pájky nanesené na plošky s tavidlkem Montáž čipových součástek velikosti 0805 a 1206 pomocí pájecího pera:Postupa) očistěte pájecí plošky (vhodné velikosti !) od pájky i zbytků tavidla. Naodsátí pájky použijte odsávačku typ SX-70 nebo odsávací knot. Zbytkytavidla odstraňte pomocí bezvlákné utěrky a izopropylalkoholub) vyměňte hrot u pájecího pera, použijte typ 1121-0414c) přiložte trubičkovou pájku Sn62Pb36Ag2 průměru 0,5 mm s nctavidlem na pájecí plošku na DPSd) vyhřátým hrotem korespondující délku trubičkové pájky přetavte.Minimalizujte dobu ohřevu. Pájku naneste jen na 1 plošku.e) Součástku uchopte do pinzety, přiložte k nanesené pájce a vyhřátýmhrotem pájku přetavte a zajistěte kvalitní zapájení prvního vývodusoučástky.f) Přiložte hrot pájedla k druhému vývodu, krátce (1-3 s) prohřejte vývodsoučástky i plošky DPS a přidejte trubičkovou pájku dle potřeby tak,aby pájka navzlínala na vývod součástky do výšky min. 25 % výškyvývodu a aby byl vidět obrys horní hrany. Pájka by neměla být ve většímíře na horní straně součástky a v žádném případě nesmí sahat na horníizolační oblast součástky!g) Kontrolujte kvalitu zapájení a porovnejte s požadavky normy.h) Případné zbytky tavidla očistěte pomocí bezvlákné utěrky aizopropylalkoholu Montáž čipových součástek velikosti 0805 a 1206 pomocítermokleští TT-65:Postupa) očistěte pájecí plošky (vhodné velikosti !) od pájky i zbytků tavidla. Naodsátí pájky použijte odsávačku typ SX-70 nebo odsávací knot. Zbytkytavidla odstraňte pomocí bezvlákné utěrky a izopropylalkoholub) vyměňte hrot u termokleští, použijte typ dle Obrázek 7.1.4.c) přiložte trubičkovou pájku Sn62Pb36Ag2 průměru 0,5 mm s nctavidlem na pájecí plošku na DPSd) vyhřátým hrotem korespondující délku trubičkové pájky přetavte.Minimalizujte dobu ohřevu. Pájku naneste na obě plošky!Pozn.: Pájku lze nanášet na obě plošky i pomocí „minivlny“ viz.Obrázek 7.1.7Obrázek 7.1.7: Minivlna - hrot typu 1121-0490e) Součástku uchopte nástavci termokleští, přiložte k nanesené pájce, pájku přetavte a zajistětekvalitní zapájení obou vývodů součástky. Pokud není dosažena vyhovující kvalita, spoj opravtepájedlem. Přidejte trubičkovou pájku, event. pouze no clean tavidlo.

36 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brněf) Kontrolujte kvalitu zapájení a porovnejte s požadavky normy.g) Případné zbytky tavidla očistěte pomocí bezvlákné utěrky a izopropylalkoholu Montáž čipových součástek velikosti 0402 až 1206 pomocí horkovzdušného pera TJ-70:Postupa) Připojte horkovzdušné pájedlo TJ-70 ke zdrojové jednotceb) Nastavte teplotu na 427°C a podle potřeby upravte.c) Nasaďte a upevněte zakřivenou trysku na horkovzdušné pájedlo.d) Naneste malé množství pájecí pasty na každou pájecí plošku pomocídispenzeru.e) Umístněte součástku na pájecí plošky pomocí pinzety.f) Upravte tlak horkého vzduchu tak, aby horký vzduch přepálil papírovýubrousek ze vzdálenosti asi 0.5cm.g) Směrujte horký vzduch přes součástku ze vzdálenosti asi 2.5cm tak, abydošlo k předsušení pájecí pasty.h) Po předsušení pájecí pasty se přibližte do vzdálenosti asi 0.5 cm adokončete přetavení pasty.i) Uložte zpět horkovzdušné pájedlo do odkládacího stojánku.j) Proveďte čištění zbytků tavidla, je-li požadováno a optickou inspekci.

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 373) PROVEĎTE DEMONTÁŽ SOUČÁSTEK S POUZDREM SOIC POMOCÍ pájecího pera s nástavcem typu dle Obrázek 7.1.8.Obrázek 7.1.8: Nástavec 1121-0392Postup:Upevněte nástavec do pájecího pera, zkontrolujtenastavenou teplotu a dále postupujte dle Obrázek 7.1.9. termokleští s odpovídajícími nástavci typu:1121-0514 P1 aj.Postup:Upevněte nástavce do termokleští, zkontrolujtenastavenou teplotu a dále postupujte analogicky dleObrázek 7.1.5Pro spolehlivou a rychlou demontáž je nezbytné zajistitdobrý přenos tepla mezi vícevývodovou součástkou typuSOIC a nástavci. Nejčastěji používaným postupem jepropojení vývodů SOIC na DPS pomocí pájky a naneseníčerstvé pájky na přeme očištěné nástavce.V žádném případě se při tomto způsobu demontážesoučástek nesmí používat síla. Pájecí plošky na DPS lzerelativně snadno poškodit a oprava je pracná a někdy iprakticky nemožná u vícevrstvých DPSObrázek 7.1.9: DemontážObrázek 7.1.10: Montáž4) ZAPÁJEJTE POUZDRO SOIC POMOCÍ PÁJECÍHO PERA S MINIVLNOU:Postup: SOIC pouzdro a plošky na DPS očistěte a pájejte pomocí pájecího pera s minivlnou atrubičkové pájky, postupujte dle Obrázek 7.1.9.

38 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně5) HORKOVZDUŠNOU METODOU ODPÁJEJTE POUZDRA PLCC, QFP, BGAPACE Craft BGA event. 15Tryska dle typu demontované součástkyMateriálPastovité tavidloPostupa) Nastavte Craft BGA systém na 371°C. Přepněte Gas/Air/Blower přepínačdo polohy Blower (foukat) a nastavte knoflíkem, určený pro Blower,hodnotu 2.5. V případě potřeby upravte cyklus teplota/čas.b) Upevněte trysku do Craft BGA systému a zvedněte ji do nejvyšší pozice.c) Uvolněte nastavovací knoflíky a umístněte DPS do držáků Craft BGAsystému.d) Nastavte sesazovanou součástku pod trysku (obr.1).e) Snižte trysku tak, aby byla mírnì nad součástkou (obr.2).f) Zkontrolujte natočení a v případě potřeby upravte. Zajistěte DPS vdržáku.g) Zapněte vakuum a snižujte vakuovou přísavku dokud se nedotknesoučástky. Zvuk vakuové vývěvy se změní pokud se tak stane (obr.3).h) Snižte trysku k součástce a začněte přetavovací cyklus.i) Dokončete přetavovací cyklus, pozvedněte trysku a po ochlazení vybertedesku z držáků (obr.4). Součástku BGA odložte na tepelně odolnoupodložku.j) Připravte plošky na DPS pro opětovnou montáž součástky.k) Proveďte čištění zbytkù tavidla, je-li požadováno a optickou inspekci.

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 396) ZAPÁJEJTE POUZDRO PLCC POMOCÍ PÁJECÍHO PERA S MINIVLNOU:Požadované vybaveníKatalogové čísloZdroj firmy PACE ------------Mikropájedlo SP-2A6025-0014-P1Odkládací stojánek pro SP-2A 6019-0043-P1Minivlna1121-0490-P1Nástroj pro výměnu hrotů1100-0296-P1Vakuová pipeta ev. pinzeta ------------MateriálTrubičková pájka No cleanPastovité tavidlo No clean např. ESP 6-412Čistící souprava např. MicrocarePostupa) Připojte mikropájedlo SP-2A ke zdrojové jednotce.b) Nastavte teplotu na 315°C a podle potřeby upravte.c) Instalujte minivlnu na mikropájedlo.d) Vyčistěte minivlnu pomocí mokré houby.e) Pocínujte minivlnu pomocí trubičkové pájky.f) Umístněte součástku na pájecí plošky. Držte součástku na místěpomocí vakuové pinzety (obr.1).g) Naneste tavidlo a zapájejte protější vývody u rohů součástky (obr.2)h) Naneste tavidlo na všechny vývody a pájecí plošky (obr.2).i) Naneste jen tolik tavidla, aby se vytvořila konvexní kapka na konciminivlny (obr.3) a malá kapka na hřbetě minivlny.j) Připájení vývodů součástky proveďte následujícím způsobem:Kapkou pájky ze hřbetu minivlny se dotýkejte vývodů součástkynad pájecími ploškami a minivlnou na hrotu se dotýkejte pájecíchplošek.k) Posouvejte minivlnu pomalu přes pájecí plošky i vývody součástky,dokud nebudou všechny zapájeny (obr.4). Přidávejte pájku dominivlny pokud je potřeba pro správné zapájení.l) Opakujte kroky i) – k) pro zbývající strany.m) Pocínujte minivlnu trubičkovou pájkou. Uložte zpět mikropájedlodo odkládacího stojánku.n) Proveďte čištění zbytků tavidla, je-li požadováno a optickoukontrolu

40 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně7) ZAPÁJEJTE POUZDRO QFP POMOCÍ PÁJECÍHO PERA S MINIVLNOUPožadované vybaveníKatalogové čísloZdroj firmy PACE ------------Mikropájedlo SP-2A6025-0014-P1Odkládací stojánek pro SP-2A 6019-0043Minivlna 1121-0490Nástroj pro výměnu hrotů 1100-0296-P1Vakuová pinzeta HP-65 ev. pinzeta ------------MateriálTrubičková pájka No cleanTavidlo No clean např. Litton Kester 950EPastovité tavidlo No clean např. ESP 6-412Čistící souprava např. MicrocarePostupa) Připojte mikropájedlo SP-2A ke zdrojové jednotce.b) Nastavte teplotu na 315°C a podle potřeby upravte.c) Nasaďte minivlnu na mikropájedlo.d) Vyčistěte minivlnu a pocínujte minivlnu pomocí trubičkové pájky.e) Umístněte součástku na pájecí plošky. Držte součástku na místěpomocí vakuové pipety (obr.1).f) Naneste tavidlo a zapájejte protější vývody u rohů součástky (obr.2).g) Naneste tavidlo na všechny vývody a pájecí plošky (obr.3).h) Naneste jen tolik pájky na minivlnu, aby se vytvořila konvexní kapkana konci minivlny (obr.4).i) Umístněte pájecí kapku (na špičce minivlny) na vývody součástky,tak aby minivlna byla nad vývody a vývodů se dotýkala jen kapkapájky.j) Posouvejte minivlnu pomalu přes vývody součástky (obr.5).k) Opakujte kroky i) – k) pro zbývající strany součástky.l) Pocínujte minivlnu pomocí pájky. Uložte zpět mikropájedlo doodkládacího stojánku.m) Proveďte čištění zbytků tavidla, je-li požadováno a optickouinspekci

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 418) ZAPÁJEJTE POUZDRO BGA HORKOVZDUŠNOU METODOUPožadované vybaveníKatalogové čísloPACE Craft BGA 7018-0051Tryska BGASrovnávací rámečekMateriálPájecí pasta No clean např. ESPPastovité tavidlo No clean např. ESP 6-412Čistící souprava např. MicrocarePostupa) Nastavte Craft BGA systém na 371°C. Přepněte Gas/Air/Blowerpřepínač do polohy Blower (foukat) a nastavte knoflíkem, určený proBlower, hodnotu 2,5 V případě potřeby upravte cyklus teplota/čas.b) Upevněte trysku do Craft BGA systému a zvedněte ji do nejvyššípozice.c) Připravte si DPS pro upevnění do držáků BGA systému.d) Umístněte připravenou desku do držáků Craft BGA systému.e) Srovnejte šablonu na pájecích ploškách (obr.1).f) Snižte trysku a srovnejte šablonu (obr.2). Zajistěte držák DPS vevhodné poloze.g) Pozvedněte trysku a odstraňte šablonu.h) Naneste tavidlo na pájecí plošky.i) Zapněte vakuum a pomocí vhodného nářadí upevněte součástku dotrysky.j) Snižte trysku se součástkou, tak aby kuličky pájky BGA kontaktovalypájecí plošky, nebo pokud používáte pájecí pastu lehce se jí dotkněte(obr.3).k) Začněte přetavovací cyklus (obr.4). Vypněte vakuum asi po 10sekundách.l) Dokončete přetavovací cyklus, pozvedněte trysku a po ochlazenívyberte desku z držáků (obr.4).m) Proveďte čištění zbytkù tavidla, je-li požadováno a optickou inspekciShrnutí kapitoly: Seznámili jste se s technologickými postupy výměny SMD součástekkontaktní i bezkontaktní technologií. Vyzkoušeli jste si kontaktování na pouzdrech typuBGA, QFP, PLCC, SOIC.

42 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně8 LABORATORNÍ ÚLOHA Č. 6POŽADAVKY NA KVALITU OSAZENÝCH DPSCÍL LABORATORNÍ ÚLOHY:SEZNÁMIT SE:- S MEZINÁRODNÍ NORMOU IPC – A –610 REV. C- S POŽADAVKY NA MANIPULACI S CITLIVÝMI SOUČÁSTKAMITEORETICKÁ PŘÍPRAVA:ZOPAKUJTE SI NÁSLEDUJÍCÍ KAPITOLY:- KOMBINOVANÁ A ČISTÁ POVRCHOVÁ MONTÁŽ SOUČÁSTEK- FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ KVALITU- TISKU- OSAZOVÁNÍ- PÁJENÍ PŘETAVENÍM I VLNOUÚKOLY PRAKTICKÉ ČÁSTI:1/ PRACUJTE S MEZINÁRODNÍ NORMOU IPC–A–610 REV. C – UVEDENA NA CDV ELEKTRONICKÉ PODOBĚ- PODROBNĚJI PROSTUDUJTE KAPITOLY Č. 3. COMPONENT INSTALATION4. SOLDERING10. SURFACE MOUNT ASSEMBLIES2/ V NORMĚ I NA ZPACOVANÝCH NÁSTĚNKÁCH JSOU UVEDENY POŽADAVKY NAOSAZENÍ A ZAPÁJENÍ ČIPOVÝCH SOUČÁSTEKA POUZDER QFP. POZNAČTE SIPOŽADAVKY NA OSAZENÍ A ZAPÁJENÍ KATEGORIE 33/ U PŘEDLOŽENÝCH VZORKŮ DPS POSUĎTE KVALITU OSAZENÍ A ZAPÁJENÍOZNAČENÝCH TYPŮ POUZDER. UVEĎTE MOŽNÉ PŘÍČINY NESHOD.4/ POZNAČTE SI NEZNÁMOU ANGLICKOU TERMINOLOGII A VE SLOVNÍKU NAJDĚTEČESKÉ EKVIVALENTY. PROBLÉMY DISKUTUJTE S VYUČUJÍCÍM

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 43TEORETICKÝ ÚVOD8.1 FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ KVALITU PRODUKCEFaktory ovlivňující proces tisku pájecí pastyPÁJECÍ PASTAViskozitaVelikost zrnMnožství pasty na těrceHomogenitaTixotropní vlastnostiSedavostLepivostZasychavostDPSPovrchová úprava páj. plochKompatibilita povrchové úpravya nepájivé masky s pájecí pastouRovinnost pájecích plošekZnečištění pájecích plošekNávrh DPSPrůhyb DPSŠABLONA / TĚRKAMateriál a tloušťka šablonyTechnologie výroby šablony/drsnost stěn apertury,geometrie aperturyVelikost apertur, toleranceKvalitatiskupájecípastyZAŘÍZENÍMetoda tiskuMetoda sesouhlaseníVizuální systémKontrola parametrůFixace šablonyPodpěrný systémČistící systémVLIV PROSTŘEDÍTeplotaVlhkostOBSLUHAZkušenostiZaškoleníZnalostiUvědoměníAutoritaTECHNOLOGICKÝ PROCESPřítlak těrkyÚhel těrkyRychlost pohybu těrkyRychlost separace těrky od šablonySesouhlasení DPS a šablonyParalelnost šablony a DPSSměr pohybu těrkyMnožství pájecí pastyZpůsob a frekvence čištění šablonyRozmístění podpůrných kolíků

44 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněFaktory ovlivňující proces osazování SMD součástekPÁJECÍ PASTA/LEPIDLOViskozita pájecí pasty/ lepidlaMnožství pasty/lepidla na plošeSedavost pájecí pastyLepivostZasychavostDPSRovinnost pájecích plošekZnečištění pájecích plošekNávrh DPSPrůhyb DPSTlouštka DPSSOUČÁSTKYRozměry pouzdraTolerance pouzdraDeformace vývodů v x,yKoplanarita vývodův z oseKvalitaosazováníSMDZAŘÍZENÍMetoda fixace DPSMetoda centrování součástekSledování koplanarity vývodůPřesnost osazováníReprodukovatelnost osazováníOptimalizace osaz. programuŘídící systém a SPCOBSLUHAZkušenostiZaškoleníZnalostiUvědoměníAutoritaTECHNOLOGICKÝ PROCESOptimalizace osaz. programuNastavení parametrů odebíráníNastavení parmetrů osazováníKvalita fiducial marksMnožství pájecí pasty/lepidlaZpůsob a frekvence údržby strojeRozmístění podpůrných kolíkůKontrola procesu a četnost kontrolyjednotlivých parametrů

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 45Faktory ovlivňující proces pájení reflowPÁJECÍ PASTATyp pájecí slitinyVelikost zrnDruh tavidla a aktivitaViskozitaMnožství pasty na spojiSedavostLepivostTyp rozpouštědelZasychavostDPSPovrchová úprava vodičůKompatibilita povrchovéúpravy, nepájivé maskys pájecí pastouRovinnost pájecích plošekZnečištění pájecích plošekNávrh DPSPrůhyb DPSTlouštka DPSTepelná vodivost DPSVLIV PROSTŘEDÍTeplotaVlhkostKvalitapájeníreflowZAŘÍZENÍMetoda přenosu teplaPočet a ovlivňování zónDopravníkový systémŘídící systém a SPCZpůsob chlazeníPoužití ochranné atmosféryTECHNOLOGICKÝ PROCESRychlost pohybu dopravníkuNastavení teplot jednotlivých zónVzájemné ovlivňování teplotjednotlivých zónParametry inertní atmosféryNastavení parametrů chlazeníReprodukovatelnost nastavenípodélného teplotního profiluHomogenita příčného teplotníhoprofiluKontrola procesu a četnost kontrolyjednotlivých parametrůOBSLUHAZkušenostiZaškoleníZnalostiUvědoměníAutorita

46 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněFaktory ovlivňující proces pájení vlnouTAVIDLOTyp tavidlaTyp rozpouštědlaMnožství sušinyTyp aktivátoruPožadavky na čištěníDPSPovrchová úprava páj.plochKompatibilita povrchovéúpravy a nepájivé maskys tavidlem a pájkouRovinnost pájecích plošekZnečištění pájecích plošekNávrh DPSPrůhyb DPSTloušťka DPSTepelná vodivost DPSZAŘÍZENÍMetoda nanášení tavidlaMetoda předehřevu, počet aovlivňování zónDopravníkový systémŘídící systém a SPCTyp a počet čerpadelZpůsob chlazeníPoužití vzduchového nožePoužití ochranné atmosféryKvalitapájenívlnouTECHNOLOGICKÝ PROCESMnožství, rovnoměrnost nanášenéhotavidlaRychlost pohybu a sklon dopravníkuTeplota předehřevu měřená na DPSGradient předehřevu měřený na DPSVýška pájecí vlnyProdleva DPS v pájceParalelnost kontaktu s pájecí vlnouMnožství pájky v pájecí vaněRychlost separace DPS od pájkyOxidace pájky v procesuParametry inertní atmosféryNastavení parametrů chlazeníKontrola procesu a četnost kontrolyjednotlivých parametrůOBSLUHAZkušenostiZaškoleníZnalostiUvědoměníAutoritaPÁJKASložení pájecí slitinyVlastnosti pájecí slitinyTechnologie výroby slitinyZnečištění pájecí slitiny

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 478.2 OCHRANA ELEKTROSTATICKY CITLIVÝCH SOUČÁSTEKZásady zacházeni se součástkami citlivými na náboje statické elektřiny i požadavky navybavení prostoru pro práci s nimi, zpracováno dle ČSN EN 61340 Elektrostatika – Část 5-1:Ochrana elektronických součástek před elektrostatickými jevy (nahrazuje ČSN EN 100015-1z roku1996 )Definice dle výše uvedené normy:3.1 elektrostatický výboj (ESD) (electrostatic discharge (ESD)): přenos náboje mezi tělesy orůzných elektrostatických potenciálech, který byl vyvolán přímým kontaktem nebo indukovánelektrostatickým polem3.2 součástka citlivá na elektrostatický výboj (ESDS) (electrostatic discharge sensitive device(ESDS)): diskrétní součástka, integrovaný obvod nebo sestava, která může být poškozenaelektrickými poli nebo elektrostatickým výbojem, který se vyskytuje při běžné manipulaci, zkoušení apřenášení3.3 propojení (bonding): vzájemné spojení neizolujících prvků pomocí vodiče3.4 čistý prostor (clean room): prostor se specifikovaným maximálním počtem a velikostí částicznečištění vzduchu na jednotku objemu3.5 napětí nebezpečné pro součástku (device hazardous voltage): napětí, které může poškoditsoučástku ESDS3.6 vyhrazený prostor ESD (EPA) (ESD protected area (EPA)): prostor, ve kterém lze manipulovatse součástkami ESDS s přijatelným rizikem poškození, které souvisí s elektrostatickým výbojem nebopoli3.7 uzemňovací svorka (EBP) prostoru EPA (EPA ground bonding point (EBP)): určená svorka,ke které může být v prostoru EPA přístroj připojen3.8 (potenciál) země prostoru EPA (EPA ground): společný potenciál vytvořený v pracovní oblasti,který zajišťuje, aby potenciál součástek byl stejný jako potenciál všeho, s čím může součástka přijít dokontaktu3.9 uzemňovací kabel prostoru EPA (EPA ground cord): elektrické spojení mezi uzemňovacísvorkou prostoru EPA, pracovním povrchem nebo jiným přístrojem a uzemňovacím rozvodemprostoru EPA3.10 uzemňovací rozvod prostoru EPA (EPA ground facility): společný prostředek, ke kterémujsou ve vyhrazeném prostoru elektricky připojeny prvky3.11 prahová napěťová citlivost součástky ESDS (ESDS threshold voltage sensitivity): maximálnínapětí, při kterém součástka ESDS není nijak poškozena elektrostatickým výbojem3.12 prahová napěťová citlivost sestavy ESDS (ESDS threshold voltage sensitivity of anassembly): nejcitlivější součástka ESDS v sestavě3.13 práce v terénu (field work): manipulace se součástkami ESDS v rámci dočasného prostoruEPA3.14 oděv (garment): pracovní plášť, krátký plášť, polokošile, pokrývka vlasů, kalhoty, pracovníkombinéza nebo pokrývka hlavy3.15 uzemnění (ground): vodič, jehož elektrický potenciál v libovolném místě se podle konvencebere za nulový3.16 uzemnitelný bod (groundable point): určený bod, který může být připojen k uzemnění prostoruEPA3.17 materiály pro balení (materials for packaging): materiály, do kterých jsou baleny součástkyESDS pro transport nebo skladování včetně sáčků, krabic, přepravek, obalů, zásobníků, pružnýchvýplňových materiálů, pěnových materiálů, volné výplně atd.3.17.1 vnitřní obal (intimate packaging): materiál, který je v kontaktu se součástkami ESDS

48 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně3.17.2 blízký obal (proximity packaging): materiál, který není v kontaktu se součástkami ESDS, alekterý obsahuje jednu nebo více součástek3.17.3 sekundární obal (secondary packaging): materiál použitý zejména pro zvýšení fyzickéochrany vně blízkého obalu3.18 charakteristiky obalu (packaging characteristics):3.18.1 málo se nabíjející (materiál) (low charging): materiál obalu, vykazující schopnostminimalizovat jakoukoliv generaci nábojePOZNÁMKA Termíny „astatický“ nebo „antistatický“ nejsou vhodné, jelikož tyto termíny mají různé významy.Tato publikace používá proto termín „málo se nabíjející“.3.18.2 stínění proti elektrostatickému výboji (electrostatic discharge shielding): bariéra nebo kryt,který omezuje průchod proudu a zeslabuje energii, která je důsledkem elektrostatického výboje tak, žemaximální energie z modelu lidského těla s 1 000 volty se vybíjí s energií menší nebo rovnou 50 nJ3.18.3 elektrostaticky vodivý (materiál) (electrostatic conductive): materiál obalu, jehož povrchovárezistance je ≥ 1 x 10 2 Ω a < 1 x 10 5 Ω3.18.4 elektrostaticky ztrátový (materiál) (electrostatic dissipative): materiál obalu, jehožpovrchová rezistance je ≥ 1 x 10 5 Ω a < 1 x 10 11 Ω3.18.5 izolační (materiál) (insulating): materiál obalu, jehož povrchová rezistance je ≥ 1 x 10 11 Ω3.19 triboelektrické nabíjení (tribo-electric charging): proces elektrického nabíjení, ve kterém jenáboj generován kontaktem a oddělením dvou povrchů, které mohou být tuhé, kapalné nebo částicepřenášené plynem.Návrh sestav- minimalizovat používání ESDS už v návrhu, předcházet akumulacináboje použitím rezistorové a nebo diodové ochrany na vstupech/výstupech sestavaj.Značení: štítky, značky na balení elektronických sestav, značení vyhrazenéhoprostoru, uzemňovacích svorek, uzemňovacích bodů a uzemňovacích rozvodů proESDS aj. viz. Obrázek 8.2.1. Zacházení s ESDS uvádět v technické dokumentaci:výkresy sestav, rozpisky, tg. postupy.Balení - elektrostaticky vodivý plast, papírové sáčky s kovovou fóliíObrázek 8.2.1: Příklady značení

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 49Tabulka 6: Požadavky na předměty chránicí před ESDPožadavky jednotlivýchpoložekPracovní povrchy,skladovací rošty, policovéa etážové vozíkyPovrchová rezistanceR s nebo rezistancecelé délky R e neborezistance mezi dvěmabody R pΩ1 x 10 4 ≤ R p ≤ 1 x 10 10viz poznámku 6Rezistance k zemi EPAnebo k uzemnitelnémubodu R gΩ7,5 x 10 5 ≤ R g ≤ 1 x 10 9viz poznámku 6Podlahy ≤ R g ≤ 1 x 10 9Min. hodnota viz pozn. 1 a 2Sedadla R g ≤ 1 x 10 10Oděvy ≤ R p ≤ 1 x 10 12Rukavice a návleky naprstyMinimální hodnotaviz poznámku 1Náramky nenasazené R p ≤ 1 x 10 5Kabely k náramkům 7,5 x 10 5 ≤ R e ≤ 5 x 10 6viz poznámku 3Nástrojeviz poznámku 4IonizátorPožadavky systémuR g ≤ 1 x 10 12viz poznámky 1 a 4Náramky nasazené 7,5 x 10 5 ≤ R g ≤ 3,5 x 10 7Nasazené rukavicea návleky na prstyNasazená obuv na kovovédesce7,5 x 10 5 ≤ R g ≤ 1 x 10 125 x 10 4(1 x 10 5 na botu)≤ R g ≤ 1 x 10 8viz poznámku 2Pokles náboje (vizpoznámku 5)Na 10 % počátečníhodnoty (maximálně1 000 V) za méně než 2 sNa 10 % počátečníhodnoty (maximálně1 000 V) za méně než 2 sNa 10 % počátečníhodnoty (maximálně1 000 V) za méně než 2 sPokles z 1 000 V na100 V za 20 s maximálněPOZNÁMKY1 Neexistuje minimální hodnota rezistance pro ochranu součástek ESDS. Avšak minimální hodnota rezistance můžebýt požadována pro ochranu z důvodu bezpečnosti. Viz příslušné národní požadavky a/nebo IEC 61010-1,IEC 60479, IEC 60536 a IEC 60364.2 Pokud jsou obuv / podlahové systémy použity jako základní prostředky uzemnění pracovníků, musí hodnota tétokombinace být stanovena koordinátorem ESD. Doporučovaná hodnota je mezi 7,5 x 10 5 Ω a 3,5 x 10 7 Ω (viz 5.5 aIEC 61340-5-2).3 Maximální hodnoty rezistance k zemi EPA mohou být zvýšeny pro zajištění shody s minimální hodnotou rezistance7,5 x 10 5 Ω pro AC 250 V nebo DC 500 V (jmenovitá hodnota: 1 x 10 6 Ω). Rezistory musí mít minimální zatížitelnost1/4 W pro AC 250 V nebo DC 500 V.4 Viz IEC 61340-5-2.5 Povinné pouze když povrchová rezistance, rezistance mezi body nebo rezistance k uzemnitelnému bodu je většínež 10 10 Ω nebo pokud jde o nehomogenní tkaný materiál nebo o jinou konstrukci obsahující izolační oblasti.6 Dovoleno, pokud je schváleno koordinátorem ESD použití povrchů, které jsou „natvrdo uzemněny“, tj. rezistance kzemi EPA je menší než 1 x 10 4 Ω.

50 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněTabulka 7: Charakteristiky obalůUvnitř EPAVně EPAESDSVnitřní obal Blízký obal Vnitřní obal Blízký obalMálo se nabíjející a elektrostatickyvodivý nebo málo se nabíjející aztrátový (pro napájené ESDS musíbýt použit pouze málo se nabíjející aztrátový nad 1 x 10 8 Ω)Málo se nabíjející astínicí ESD nebomálo se nabíjející aelektrostaticky vodivýnebo ztrátovýJako uvnitřEPAStínicí ESDNe ESDS Obal vhodný pro ESD nebo málo se nabíjející Žádné požadavkyPOZNÁMKA Pokud je použita povrchová rezistance > 10 9 Ω, musí být materiál nakupován s charakteristikamipoklesu náboje na 10 % počáteční hodnoty (maximálně 1 000 V) za méně než 2 s. Je dovoleno, pokud je toschváleno koordinátorem ESD, použití vnějších povrchů, které jsou „natvrdo uzemněny“, tj. povrchová rezistance jemenší než 1 x 10 4 Ω.Vyhrazený prostor:je pracovní prostor, v němž je omezen vznik elektrostatického pole nebo výboje.Pracovní prostor musí zabezpečit manipulaci s ESDS součástkami přiminimálním riziku jejich poškození. Do pracovního prostoru patří: montážníprostory, laboratoře, sklady, opravárenské pracoviště aj. Vyhrazený prostor musíbýt konstruován tak, aby použité materiály byly elektricky pospojovány a musí mítminimální hodnotu rezistence vůči zemi. Rezistence omezuje proud k zemivytvářený napětími, která se mohou v prostoru objevovat na jmenovitou hodnotu0,5 mA, max. 0,67 mA. Hodnoty rezistorů se stanovují v souladu s těmitopožadavky s ohledem na používaná napětí.podlahová krytina:• vyžadovaná pro uzemněni osob:• nevyžadovaná pro uzemnění osob:pracovni stoly: z málo se nabíjejícího materiálužidle: z málo se nabíjejícího materiálu, bavlněný potahnáramky: upevněny na zápěstí, spojeny připojovacím kabelem s 0,9 - 5,0megaohmovým rezistoremoděv, obuv, rukavice: z elektrostaticky vodivého materiálu, bavlnauzemňovací rozvod - pokud je to možné, musí se použít uzemnění napájecí sítějako uzemňovací rozvod pro ESD.uzemňovací svorka musí být umístěna v blízkosti každého pracovního prostorunebo povrchu a je určena pro připojení kabelu náramkuPozn.1: Kabel náramku může být připojen k zemi přes vodivý povrch pracovníhopovrchu, za předpokladu, že celková rezistence uzemnění nepřesahuje 3,5.10 7ohm.Pozn.2: Uzemňovací svorka může být spojena se zemí přes uzemňovací bodpracovního povrchu.

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 511 Uzemnitelná kolečka 11 Ochranná obuv ESD2 Uzemnitelný povrch 12 Ionizátor3 Zkoušeč náramku - musí být umístěn vněprostoru EPA4 Zkoušeč obuvi - musí být umístěn vně prostoruEPA13 Pracovní povrchy5 Deska zkoušeče obuvi 15 Podlaha6 Kabel náramku a pásek náramku (náramek) 16 Oděv14 Sedadlo s uzemnitelnými nohami a opěradlem7 Zemnicí kabel prostoru EPA 17 Police s uzemněnými povrchy8 Uzemnění EPA 18 Uzemnitelný držák9 Uzemňovací svorka (EBP) 19 Nápis prostoru EPA (viz obrázek 6)10 Uzemnitelný bod vozíku 20 Pájecí zařízeníObrázek 8.2.2: Příklad prostoru EPA

52 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně1 Systém připojení náramku2 Kabel náramku, náramek3 Diskrétní rezistor4 Pracovní povrch5 Připojená rohož na podlaze6 Uzemňovací kabel prostoru EPA7 Uzemňovací rozvod prostoru EPA8 Uzemnění EPA9 Vodivé nebo ztrátové předměty10 Podlaha chránící součástky ESD11 Uzemnitelný bod rohožeObrázek 8.2.3: Schéma zapojení typického EPAHodnoty rezistance A, C, D, E povrchu k uzemnění EPA a rezistance uzemňovacího kabelu B jsou definovány vTabulka 6: Požadavky na předměty chránicí před ESD. Mohou to být diskrétní rezistory, jak je ukázánona obrázku, rezistance vlastního materiálu nebo jejich kombinace, s výjimkou uzemňovacího kabelu, kde je8.3 MANIPULACE SE SOUČÁSTKAMI CITLIVÝMI NA VLHKO(MSDS)PBGA ev. QFP pouzdra dle absorbce vlhkosti se dělí do 6 kategorií (LEVEL 1 -LEVEL 6)Pokud jsou pouzdra (LEVEL2 - LEVEL5) originálně balena je jejich skladovatelnost12 měsíců při teplotě

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 53Tabulka 8: Zpracování / skladování PBGA po vyjmutí z obaluLEVEL ZPRACOVAT DO SKLADOVAT V POPIS1 není omezeno NeníNON MOISTUREspecifikováno SENSITIVE2 1 ROKU,

54 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněMikropraskliny za přitomnosti vodní páry mohou dále vést ke korozi a přidlouhodobější expozici může dojít k poškození vodičů v pouzdře nebo k jinýmdefektům.Obrázek 8.3.3: Defekty QFP i BGA způsobené vlhkostíK omezení těchto defektů se používají speciální dehumudifikační pece, často is dusíkovou atmosférou.

PLOŠNÉ SPOJE A POVRCHOVÁ MONTÁŽ - LABORATORNÍ CVIČENÍ 559 Dodatky9.1 Seznam příloh

56 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněSeznam použité literatury[ 1 ] Camm AJ, Fei L.: Risk strati_cation following myocardial infarction: Heart ratevariability and other risk factors. In: Malik M, Camm AJ (eds.). Heart RateVariability. New York: Armonk, 1995, 369-92.[ 2 ] Knuth D.: The Art of Computer Programming. Vol 3. Sorting and Searching. Addison-Wesley 1975.