Projektowanie i konstrukcja urządzeń wykład

Projektowanie i konstrukcja urządzeń wykład

Krzysztof Górecki
Katedra Elektroniki Morskiej
C-350
Tel. 58 6901448
E-mail: [email protected]
http://www.am.gdynia.pl/~gorecki
Konsultacje: roda 12-13
1
Projektowanie i konstrukcja urz dze
Wykład
1. Organizacja procesu wytwarzania urz dze elektronicznych.
2. Niezawodno a projektowanie, wytwarzanie i eksploatacja urz dze
3. Charakterystyka poł cze elektrycznych
4. Wytwarzanie obwodów drukowanych
5. Zasady projektowania obwodów drukowanych
6. Specyfika konstruowania układów analogowych i cyfrowych
7. Monta układów z obwodami drukowanymi
8. Charakterystyka podstawowych narz dzi do komputerowego projektowania urz dze elektronicznych
9. ródła ciepła i odprowadzanie ciepła z urz dze elektronicznych
10. Problemy zakłóce w aparaturze i systemach elektronicznych
11. Podstawy ergonomii. dopasowanie urz dze do cech u ytkowników
12. Utylizacja zu ytych urz dze elektronicznych
Projekt
Opracowanie pisemne dotycz ce wybranego zagadnienia z zakresu Projektowania i konstrukcji urz dze .
Laboratorium
1. Projekt obwodu drukowanego dla układu elektronicznego o znanym schemacie elektrycznym.
2. Opracowanie dokumentacji technologicznej wykonanego układu elektronicznego.
3. Wykonanie zaprojektowanego obwodu drukowanego.
4. Monta układu na płytce drukowanej.
2
Literatura:
[1] Spiralski L., Konczakowska A.: Podstawy technologii i konstrukcji urz dze i systemów elektronicznych.
W>P>P>H>U> „PET-ELECTRONICS”, Gdynia, 1996.
[2] Michalski J.: Technologia i monta płytek drukowanych. WNT, Warszawa, 1992.
[3] Kisiel R., Bajera A.: Podstawy konstrukcji urz dze elektronicznych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1999.
[4] Masewicz A.: Radioelektronika dla praktyków, WKŁ, W-wa 1986.
[5] Poradnik Radioamatora, WKŁ, W-wa 1985.
[6] Ksi kiewicz A: Elementy i podzespoły elektroniczne, WNT, W-wa 1987.
[7] Konopi ski T., Pac P.: Transformatory i dławiki elektronicznych urz dze zasilaj cych.
[8] Stepowicz W.J., Górecki K.: Materiały i elementy elektroniczne. Wydawnictwo Akademii Morskiej w Gdynia, Gdynia, 2004.
[9] Kisiel R.: Podstawy technologii dla elektroników. Poradnik praktyczny. Wydawnictwo BTC, Warszawa,
2005.
[10] D browski J., Posobkiewicz K.: Komputerowe projektowanie obwodów drukowanych. Akademia Morska
w Gdyni, Gdynia, 2010.
Warunki zaliczenia
Wykład - Zaliczenie pisemne z zakresu zagadnie omawianych na wykładzie.
Terminy zalicze :
1. 2011-01-14 godzina 16.00
2. do ustalenia
3. do ustalenia (zaliczenie ustne)
Projekt – termin wydania tematu projektu 2010-10-02. Termin oddania projektu 2011-01-14.
3
Organizacja procesu wytwarzania urz dze elektronicznych.
Podstawowe poj cia i definicje u ywane w konstrukcji
Technologia sprz tu elektronicznego – nauka o sposobach wytwarzania sprz tu elektronicznego oraz o urz dzeniach, narz dziach i przyrz dach słu cych do wytwarzania tego typu sprz tu.
Proces produkcyjny – całokształt czynno ci zwi zanych bezpo rednio i po rednio z wytwarzaniem sprz tu
elektronicznego oraz przygotowaniem produkcji. Składa si z 3 etapów
1) przygotowanie produkcji
2) proces technologiczny
3) czynno ci pomocnicze
przygotowanie produkcji
a) opracowanie dokumentacji konstrukcyjnej
b) opracowanie dokumentacji technologicznej
proces technologiczny – zespół czynno ci bezpo rednio zwi zany z przetwarzaniem materiałów lub przedmiotów ko cz cy si wykonaniem wyrobu gotowego.
operacja – cz
procesu technologicznego wykonana na jednym przedmiocie przez jednego lub kilku pracowników na jednym stanowisku pracy bez przerywania wykonania innej pracy
operacje (ustawienia, pozycje, przej cia):
- zabiegi
- czynno ci
- ruchy
przej cie – ten sam zabieg kilkakrotnie
4
czynno ci pomocnicze
- zaopatrzenie
- magazynowanie
- transport wewn trzzakładowy
- przygotowanie narz dzi
Takt produkcji – odst p czasu mi dzy wykonaniem dwóch kolejnych przedmiotów w trakcie produkcji.
Trzy sposoby wytwarzania urz dze :
a) produkcja jednostkowa
b) produkcja seryjna (dzielona na mało-, rednio- i wielkoseryjn )
c) produkcja masowa (ci gła)
produkcja jednostkowa -pojedyncze przedmioty w małych ilo ciach (np. zakłady do wiadczalne)
produkcja seryjna – setki lub tysi ce przedmiotów
przy produkcji wielko- i rednioseryjnej musi by bardzo dobrze przygotowana dokumentacja technologiczna
produkcja masowa (ci gła) – produkcja wyrobu przez długi okres
produkcja potokowa (czas operacji = czas produkcji)
5
Droga od koncepcji urz dzenia do jego realizacji i utylizacji
6
• Proces konstruowania urz dze :
o Sprecyzowanie wymaga technicznych i ekonomicznych,
o Opracowanie schematów ideowych i obliczenia poszczególnych elementów,
o Analiza wra liwo ci urz dzenia,
o Obliczenia i wykonanie konstrukcji mechanicznej,
o Obliczenia niezawodno ci,
o Opracowanie programów bada urz dzenia,
o Opracowanie dokumentacji konstrukcyjnej i technologicznej,
o Przeprowadzenie bada na modelu i prototypie,
o Weryfikacja dokumentacji elektrycznej i mechanicznej.
• Składniki dokumentacji konstrukcyjnej:
o Schematy elektryczne,
o Rysunki zestawieniowe urz dzenia,
o Rysunki zespołów urz dzenia i wszystkich jego cz ci,
o Wykaz materiałów i podzespołów,
o Plan procesu technologicznego.
• Wybór rozwi zania technicznego podyktowany jest przeznaczeniem sprz tu i przewidywanymi warunkami
jego eksploatacji.
7
• Klasyfikacja urz dze ze wzgl du na przeznaczenie:
o Elektroniczny sprz t powszechnego u ytku – szeroki kr g odbiorców; produkcja wielkoseryjna; konstrukcja musi uwzgl dnia zmieniaj ce si upodobania odbiorców i niefachow obsług ,
o Elektroniczne urz dzenia profesjonalne – w ski kr g odbiorców; produkcja małoseryjna; fachowa obsługa; łatwy dost p do wszystkich elementów urz dzenia, ułatwiaj cy serwis
o Elektroniczne urz dzenia specjalne - w ski kr g odbiorców; produkcja jednostkowa; przystosowane
do trudnych warunków u ytkowania.
• Klasyfikacja urz dze ze wzgl du na sposób i warunki u ytkowania:
o Przeno ne,
o Stacjonarne,
o Przewo ne,
o Morskie,
o Samolotowe.
• Nara enia rodowiskowe – niekorzystny wpływ wybranego czynnika rodowiska na wła ciwo ci urz dzenia
• Urz dzenie charakteryzuje si okre lon :
o Odporno ci czyli zdolno ci do poprawnej pracy urz dzenia w czasie działania okre lonego nara enia rodowiskowego,
o Wytrzymało ci czyli zdolno ci do podj cia przez urz dzenie poprawnej pracy po ust pieniu okrelonego nara enia rodowiskowego
8
• Klasyfikacja nara e rodowiskowych ze wzgl du na ich ródło:
o Klimatyczne,
o Korozyjne atmosferyczne,
o Radiacyjne,
o Biotyczne (od organizmów ywych),
o Mechaniczne,
o Antropogenne.
• Temperatura wn trza = temperatura otoczenia + przyrost temperatury spowodowany przez samonagrzewanie
• Pod wpływem temperatury zmieniaj si wła ciwo ci elementów i układów elektronicznych. Zmiany te mog
by odwracalne lub trwałe (nawet powoduj ce uszkodzenia). Dlatego producenci elementów elektronicznych
podaj dopuszczaln warto mocy wydzielanej w elemencie. Jej warto jest malej c funkcj temperatury.
9
• Ka dy element ma pewn maksymaln dopuszczaln temperatur pracy.
• Istotne jest skuteczne odprowadzanie ciepła wydzielanego w elemencie do otoczenia. Stosuje si specjalne
konstrukcje obudów, radiatory oraz układy wspomagaj ce konwekcj , np. wentylatory.
• Wzrost wilgotno ci powoduje spadek rezystancji powierzchniowej materiałów izolacyjnych, zmniejszaj c
ich wytrzymało napi ciow .
• Zanieczyszczenia atmosferyczne powoduj korozj metali, zwi kszaj c rezystancj poł cze , a pył uszkadza elementy ruchome przeł czników i umo liwia niepo dany rozwój mikroorganizmów.
• Nara enia radiacyjne:
o Promieniowanie słoneczne – wzrost temperatury układu,
o Promieniowanie jonizuj ce – zaburzenie działania monolitycznych układów scalonych spowodowane
generacj dodatkowych par elektron-dziura, a nawet do zniszczenia tych układów.
• Nara enia mechaniczne:
o Stałe, wywołane siłami od rodkowymi lub startem i l dowaniem pojazdów lotniczych i kosmicznych,
o Impulsowe, wywołane udarami i upadkami transportowymi,
o Przemiennymi, wywołanymi wibracjami pochodz cymi od maszyn pracuj cych w pobli u.
• Nale y tak dobiera rozmiary obudów, aby ich cz stotliwo drga własnych była du o mniejsza od cz stotliwo ci oczekiwanych wibracji.
• Producenci podaj kategori klimatyczn elementów i urz dze w postaci 3 liczb, charakteryzuj cych
przeprowadzone badania klimatyczne. Liczby te okre laj cych kolejno temperatur tzw. próby zimna, temperatur tzw. próby ciepła oraz ilo dób nara enia na wilgotne gor co. Przykładowo oznaczenie 40/085/04
10
oznacza temperatur próby zimna równ -40oC, temperatur próby ciepła równ 85oC oraz 4 doby pracy w
warunkach wilgotnego gor ca.
• Normy okre laj szczegółowo sposób realizacji bada odporno ci urz dze elektronicznych na nara enia
klimatyczne
11
Poł czenia elektryczne
Wymagania:
• Minimalna rezystancja
• Maksymalna odporno na zakłócenia
• Maksymalna odporno na działanie rodowiska
• Mo liwo automatyzacji procesu ł czenia
• Stało parametrów poł czenia w czasie
Na jako poł czenia wpływa:
• Stan ł czonych powierzchni
• Siła nacisku w trakcie wykonywania poł czenia
Rezystancja przew enia zwi zana jest z liczb i powierzchni styków (chropowato
styków, tym wi ksza rezystancja
powierzchni) im mniej
St d zaleca si gładkie powierzchnie ł czonych elementów
Na powierzchni metali wyst puj warstwy izolacyjne (tlenki i siarczki) oraz wyst puje efekt pełzania. Jego szybko zale y od warunków atmosferycznych i nacisku na powierzchnie styku oraz składu otaczaj cej atmosfery,
np. Ag2S przemieszcza si z pr dko ci 8 µm/h a Cu2S – 0,5 µm/h.
Przy lutowaniu tlenki i siarczki nale y usun przed lutowaniem. Przy poł czeniach naciskowych, du e ci nienie
niszczy warstwy izolacyjne. Nacisk powinien by jak najwi kszy.
Przy poł czeniach rozł czalnych wykorzystuje si materiały nie ulegaj ce wpływom rodowiska i nie cieraj ce
si szybko, np. złoto, pallad.
Kryterium uszkodzenia poł czenia jest zmiana jego rezystancji o wi cej ni 10%.
12
Rezystancja poł czenia jest sum :
• Rezystancji ł czonych metali RM
• Rezystancji przew enia (wynika z chropowato ci powierzchni) RP
• Rezystancji izolacji (zale y od ł czonych materiałów, warunków atmosferycznych i siły nacisku) RI
Przy prawidłowo wykonanym poł czeniu powinna decydowa
RI∈(0,01;0,1) mΩ
RM, natomiast RP∈(0,13;0,18) mΩ oraz
Poł czenia elektryczne dzieli si na:
a) rozł czalne:
• przeł czniki
• wtyki
• poł czenia lizgowe
• poł czenia dociskowe
b) stałe
• lutowane
• owijane
• zaciskane
• obwody drukowane
Poł czenie owijane
Stałe, naciskowe (ł czenie ko cówek monta owych odpowiednim drutem)
13
Owini cie kilku zwojów odizolowanego przewodu dookoła ko cówki monta owej posiadaj cej co najmniej 2
ostre kraw dzie. Siła nacisku wywieranego na przewód w trakcie owijania powoduje powstawanie szeregu odcisków na powierzchni stykaj cych si (przewód i ko cówka monta owa). Powstaje styk metaliczny o dobrych
własno ciach elektrycznych.
Warto siły nacisku owijarki, twardo ko cówki monta owej i rednic przewodu oraz liczb zwojów dobiera
si tak, aby powierzchnia odcisków była wi ksza od przekroju zastosowanego przewodu.
1
2
3
1 – ko cówka monta owa, 2- przewód bez izolacji, 3 – przewód w izolacji
Przekroje ko cówek monta owych
14
Rodzaje poł cze :
1) ze wzgl du na sposób wykonania
a) poł czenie zwykłe (druty odizolowane)
b) poł czenie modyfikowane (dodaje si na ko cu 1 lub 2 zwoje izolowane), bardzo odporne na wibracje;
zmniejsza mo liwo p kania przewodów na ko cu
2) ze wzgl du na wymiary
a) poł czenia normalno–wymiarowe: dla rednicy drutu >0.5 mm; Ø ko cówki > 1.2 mm
b) miniaturowe: Ø drutu < 0.5 mm; Ø ko cówki < 1.2 mm
Poł czenia wykonuje si owijark .
Bardzo du a niezawodno ;
Na 1 ko cówce max 3 poł czenia
Mo na niszczy 10 razy
1:1
1:2
1:3
a
b
Wymiary ko cówki
monta owej [mm]
rednica przewodu
[mm]
0,5 × 0,5
0,25
0,8 ×1,6
2,5 ÷ 0,8
1,0 ×1,0
0,25 ÷ 0,69
Rozstaw ko cówek dostosowany do rastra
15
Stosowany głównie w układach cyfrowych
Typowe długo ci ko cówek 13 mm (miniaturowe), 19 mm (normalne)
Ko cówki: z br zu fosforowego; z mosi dzu pokryte Au, stop Sn-Pb
Parametry poł czenia: minimalna rednica przewodu, minimalna siła naci gu, minimalna liczna zwojów
minimalna
Rezystancja poł czenia
∅ prze- min.
liczba siła ci gania
[mΩ]
wodu
zwojów
d [mm]
[N]
min
max pr d pom [A]
0,25
9
18
2
4
1
0,32
8
23
1,6
2
2
0,51
7
32
1,2
1,7
2,4
0,8
6
37
0,4
0,54
2,5
.
Powierzchnia styków > 2 x powierzchnia przekroju drutu
Np. d = 0.51 mm
S = 0.203 mm 2
4 zwoje (16 odcisków) 0.25 mm 2
7 zwojów (28 odcisków) 0.406 mm 2
Poł czenie owijane modyfikowane pracuje w temperaturze do 70 oC przez 10 lat
16
Poł czenia zaciskane
Zaciska si ł czony przewód (mi kki) wewn trz ko cówki monta owej (twardej). Nast pnie przekroczenie granicy plastyczno ci, metal dokładnie wypełnia ko cówk monta ow , tworz c na granicy styku dobre poł czenie.
Zastosowanie:
a) ł czenie przewodów współosiowych
b) ł czenie przewodów z elementem ko cowym, np. styk do wł cznika
Zalety:
a) zakres przesyłanych pr dów od µA do kA
b) zakres napi od mV do kV
c) odporne na złe warunki atmosferyczne
d) mała i niezmienna w czasie rezystancja styku
Rodzaje:
a) zwykłe (w ko cówce zaciska si tylko przewód)
b) modyfikowane (zaciska si przewód wraz z izolacj ) – bardzo odporne na urwanie i złamanie
c) otwarte (z blachy)
d) zamkni te (wytoczone)
e) dwuwgniotowe do otwartej ko cówki monta owej
17
f) zawini te do otwartej ko cówki monta owej
g) czterowgniotowe do zamkni tej ko cówki monta owej
Przykład poł czenia modyfikowanego do otwartej ko cówki monta owej
2
4
3
1
1 – przewód bez izolacji
2 – przewód w izolacji
3 – zacisk do przewodu bez izolacji
4 – zacisk do przewodu w izolacji
18
Typowe naciski przy ł czeniu: 700 N/mm2
Materiały ko cówki: mosi dz, br z fosforowy, br z berylowy
Pokrycia: stop Sn-Pb, Au, Ni
Rstyku ≈ 0.02 mΩ
Zalecana wysoko wgniotu = 1.25 mm
19
Poł czenia lutowane
Lutowanie jest to ł czenie metali przy pomocy innego metalu o ni szej temperaturze topnienia ni ł czone
metale. Metalem lutuj cym jest zawsze stop cyny i innych metali, jak ołów, srebro, mied , nazywany potocznie
cyn (lutem) do lutowania. W przypadku elektroniki u ytkowej ł czymy ze sob miedziane pola lutownicze na
płycie elektronicznej z wyprowadzeniami komponentów. Lutem do lutowania jest cyna w drucie (lutowanie
r czne) lub cyna w sztabach do lutowania na fali i pasta do lutowania rozpływowego. Lutowie natomiast jest to
metal lub stop metali zdolny do zwil ania lutowalnych powierzchni metali, kiedy jest w fazie ciekłej.
Stosuje si
a) lutowanie twarde – przy u yciu spoiw o temperaturze >450 oC
b) lutowanie mi kkie – przy u yciu spoiw o temperaturze topnienia <450 oC
Proces lutowania
1) roztopienie lutu;
2) nagrzanie warstw powierzchniowych ł czonych metali
3) wzajemna dyfuzja metali
4) zastygni cie warstw
20
Powierzchnie ł czonych metali musz by czyste (nieutlenione)
Materiałem do lutowania jest lut do lutowania, który jest stopem cyny i ołowiu (lub srebra i miedzi w lutowaniu bezołowiowym) z dodatkiem topnika, którym wypełniony jest kanalik wewn trz drutu. Stosujemy drut cynowy z topnikiem w rodku, który pod wpływem nagrzania wypływa wcze niej ni stopiona cyna i pokrywa
elementy lutowane. Topnik jest rodzajem kwasu, który czy ci powierzchnie, kiedy zostan one podgrzane.
Najlepiej lutuj si Cu, Ag, Au
Gorzej Pb i Zn
Najgorzej Al.
Lutowie: Stop Sn-Pb
W zale no ci od składu procentowego zmienia si temperatura topnienia.
21
W zale no ci od udziału Sn okre la si rodzaj lutowia
LC 60 (60 % Sn)
LC 63 – stop eutektyczny – temperatura topnienia 183 oC
Wła ciwo ci lutu LC63:
a) niska temperatura topnienia
b) mo liwo szybkiego uzyskania poł czenia o strukturze drobnoziarnistej jednocze nie we wszystkich miejscach.
c) Dobra zwil alno wi kszo ci lutowanych elementów
d) Dobre wła ciwo ci mechaniczne
e) Przy lutowaniu Cu tworzy si mniej zwi zków mi dzymetalicznych
f) Ta szy od lutów o wi kszej zawarto ci Sn
Stosuje si dodatki (do 2 %)
Ag – wolniejsze utlenianie spoiw
Sb (Antymon) – mniejsza temperatura topnienia
Cu – słabiej rozpuszczaj si groty lutownicze w lucie
Postacie lutów:
- odlewane g ski
- sztaby
- pr ty
- druty
- proszki
- blachy
- folie
- kształtki
22
rodzaje lutów:
a) stałe
b) pasty (półstałe)
c) ciekłe
Charakterystyka lutowania bezołowiowego
Lutowanie bezołowiowe jest wymagane przez dyrektyw Unii Europejskiej podyktowan wzgl dami
ochrony rodowiska. Nie zezwala ona na u ycie ołowiu i innych substancji niebezpiecznych jak poni ej w
urz dzeniach elektrycznych i elektronicznych od 01 lipca 2006 (regulacja RoHS i WEEE z grudnia 2002) [2].
RoHS - obejmuje restrykcje dotycz ce substancji niebezpiecznych – regulacja Unii Europejskiej, a WEEE
- restrykcje dotycz ce odpadów z przemysłu elektronicznego.
W dyrektywie RoHS bardzo dokładnie okre lone s zawarto ci substancji niebezpiecznych w stosunku do wagi substancji jednorodnych produktu, nie daj cych si ju dalej rozło y . S to:
a) Ołów - Pb – 0,1%
b) Kadm - Cd – 0,01%
c) Rt
- Hg – 0,1%
d) Chrom - Cr VI – 0,1%
e) Polibromowane bifenyle - PBB – 0,1%
f) Polibromowane etery difenyli - PBDE – 0,1%
W zwi zku z tym zostały wybrane nowe stopy lutownicze do procesu bezołowiowego tzw. LeadFree, a komponenty i inne materiały u ywane w procesie, a zwłaszcza te, które s cz ci produktu, musz spełnia wa23
runki dyrektywy. Nie mog one zawiera sze ciu w/w substancji. W tabeli 1 s przedstawione trzy typowe stopy lutu stosowane do lutowania na fali oraz lutowania rozpływowego oraz ich skład chemiczny.
Tabela 1. Typowe stopy lutu stosowane w lutowaniu rozpływowym oraz na fali.
Stop 3 – lutowaStop 2 –lutowanie
Stop 1 –lutowanie
Metal
nie rozpływowe
falowe (SAC305) falowe (SACX0307)
(SAC405)
Cyna (Sn)
96.5%
99%
95.5%
Srebro (Ag)
3.0 %
0,3 %
4.0 %
Mied (Cu)
0.5%
0.7%
0.5%
Główn ró nic pomi dzy stopami ołowiowymi SnPb a stopami bezołowiowymi PbFree jest temperatura topnienia. Dla stopu ołowiowego SnPb wynosi ona od 178 do 185°C, a dla stopu bezołowiowego „PbFree” od 217
do 223°C.
Wskutek wy szych temperatur topnienia, procesy lutowania falowego i rozpływowego musz by przeprowadzane w wy szych temperaturach. Komponenty i sprz t (maszyny, piece, lutownice) musz wytrzyma i
utrzymywa te wy sze temperatury.
Zadaniem powłok na polach lutowniczych płytek drukowanych jest zapobieganie utlenianiu miedzi w czasie
mi dzy wykonaniem a monta em zespołu na płytce drukowanej. Obecnie na rynku wiatowym dost pnych jest
wiele bezołowiowych powłok płytek drukowanych. Stosuje si do tego celu: złoto, złoto na podwarstwie niklu,
srebro, cyn immersyjn . Powłoki organiczne (OSP) s stosowane najcz ciej w produkcji wielkoseryjnej
szczególnie w Japonii i innych krajach azjatyckich [3].
24
Nie wolno stosowa stopu cyna-ołów dla produktów bezołowiowych. Mo na zaobserwowa mniejsze zwil anie spodziewane na płytach z pokryciem organicznym z dodatkiem miedzi (OSP Cu) oraz znaczne za ółcenie
obserwowane na płytach z pokryciem immersyjnym srebrem (Imm Ag) po podwójnym lutowaniu rozpływowym lub po naprawach.
Akceptowalnym
pokryciem
nó ek
komponentów jest
stop
cyna-srebro
(SnAg),
cynasrebro-mied (SnAgCu), nikiel-pallad (NiPd) oraz czysta cyna. Nie wolno u ywa pokry cyn (Sn) w niektórych aplikacjach – ryzyko wyst pienia kryształów włosowych tzw. tin whiskers.
Kryształy włosowe rosn w temperaturze pokojowej i mog powodowa zwarcia. Szczególnie podatna jest na nie cyna. Notowano nawet kilkumilimetrowe przyrosty w ci gu
roku. W warunkach cz ciowej pró ni ostre fragmenty staj si , np. miniaturowymi elektrodami do wyładowa .Samochodowe układy elektroniczne (kierowanie, hamowanie,
poduszki powietrzne itd.) s odpowiedzialne za bezpiecze stwo, projektowane s na bezawaryjne działanie przez ponad 10 lat w temperaturze otoczenia - zagro enie kryształami
włosowymi jest tam bardzo du e.
Aby przeciwdziała wyst powaniu kryształów włosowych stosuje si matowe pokrycia cyn (Sn) zamiast połyskliwych, stosuje si barier niklow (Ni) oraz grubsze pokrycia cyn (Sn).
25
Z kolei, kleje s u ywane w procesie lutowania rozpływowego, aby zamontowa komponent do laminatu i musz by odporne na wy sze temperatury lutowania na fali i lutowania rozpływowego. Niektóre kleje mog nie
spełni tych wymaga , ale klej, Loctite 3615 jest dostosowany do procesu lutowania bezołowiowego. Wymagania dotycz ce jako ci kleju to przede wszystkim du a odporno na wysokie temperatury oraz zabezpieczenie elementów przed odpadaniem z płytki.
W stosunku do materiałów u ywanych w procesie lutowania ołowiowego, bezołowiowe tzw. LeadFree sztabki
maj inny kształt, inne logo oraz zielone oznaczenia symbolizuj ce, e jest to produkt bezołowiowy.
Bezołowiowa pasta charakteryzuje si tym, i jest w zielonej tubie i równie posiada logo produktu bezołowiowego.
26
Bezołowiowa cyna jest nawini ta na zielon szpulk z logo produktu bezołowiowego.
Do r cznego lutowania w procesie bezołowiowym zaleca si stosowanie lutu zawieraj cego cyn -srebromied (od 3 do 4% Ag). Temperatura grota lutowniczego powinna zawiera si w przedziale od 380°C do
27
420°C. Natomiast czas samego lutowania nie powinien o ile to mo liwe przekracza 5 sekund. W tym wypadku konieczna jest wzmo ona uwaga techników naprawiaczy, gdy dłu szy kontakt lutownicy z polem lutowniczym mo e by konieczny do naprawy, a w konsekwencji mog odkleja si cie ki i pola lutownicze. Nie s
wymagane specjalne techniki lutowania w procesie bezołowiowym, jednak im wi cej do wiadczenia, tym lepsza jako lutowania.
Topniki kalafoniowe oraz estry z aktywatorem
Temperatur wybiera si za wzgl du na:
a) grubo lutowia
b) skład lutowia
c) odporno na temperatur ł czonych elementów
Lutowanie
a) r czne
b) automatyczne
- na fali
- rozpływaj ce
Lutowanie r czne:
Przy du ej temperaturze lutowania - krótki czas lutowania
Dla obudów tranzystorów krzemowych przy temperaturze lutowania 300 oC dopuszczalny czas lutowania wynosi
TO 3 - 10s
TO 5 - 8s
TO 18
- 4s
Jako lutowania ocenia si na podstawie k ta zwil enia
28
α [o ]
zla
50
zadawalajaca
40
30
dosc dobra
20
dobra
10
bardzo dobra
2
3
4
5
6
7 Powierzchnia
zwilzona [cm2]
Lutowanie na fali
W pojemniku znajduje si fala lutowania
Pr dko przesuwu 2 – 2,5 cm/s
Temperatura 200- 230 oC
Fazy lutowania
29
1) Podgrzewanie wst pne do 80 –95 oC (nadmuch gor cego powietrza)
2) Lutowanie przy przej ciu przez wierzchołek fali; płytki pod k tem 5 – 8o wzgl dem poziomu (nie ma sopli i
mostków)
3) Studzenia płytek (nadmuch powietrza)
Wytrzymało poł cze na zniszczenie
50 N – wyprowadzanie – punkt lutowniczy (płytka jednostronna)
100 N – wyprowadzenie - otwór metalizowany
Lutowanie rozpływowe
1) Naniesienie pasty lutowniczej na punkty lutownicze
2) Roztopienie lutowia zawartego w pa cie
Sposoby lutowania:
a) radiacyjne
b) kondensacyjne
c) konwekcyjne
d) kondukcyjne
e) laserowe
radiacyjne – roztopienie lutowia w wyniku nagrzania promieniami podczerwonymi
kondensacyjne – nagrzewanie w parach nasyconych cieczy
Rodzaje poł cze lutowanych:
1) lutowanie ko cówkowych i bezko cówkowych elementów elektronicznych,
30
a) lutowanie wyprowadze z otworami metalizowanymi,
b) lutowanie wyprowadze do zwykłych pól lutowniczych,
c) lutowanie wyprowadze ko cówkowych i bezko cówkowych do powierzchniowych pól lutowniczych
2) Lutowanie przewodów do ko cówek monta owych, kontaktów zł cz, podstawek lub ł czówek
Charakterystyka procesów lutowania
Proces lutowania rozpływowego
Proces lutowania rozpływowego (tzw.reflow) polega na tym, e płyta drukowana z przyklejonymi komponentami jest automatycznie transportowana do pieca grzewczego. Zadaniem pieca jest rozpuszczenie pasty lutowniczej i przylutowanie elementów oraz utwardzenie kleju znajduj cego si pod komponentami. Piec do lutowania rozpływowego powinien zawiera 7 stref grzewczych, które wyposa one s w grzałki i wentylatory
wymuszaj ce wewn trzny obieg gor cego powietrza kierowanego na płyt . Dla prawidłowego przebiegu procesu lutowania rozpływowego wymagane jest zachowanie odpowiednich temperatur w strefach grzewczych
pieca, w przedziale od 90 do 280°C. Temperatury w piecu grzewczym dla utwardzania kleju pod komponentami s ni sze i nie mog przekroczy 155°C. W ko cowej cz ci pieca znajduj si strefy chłodzenia obni aj ce temperatur płyty. Maszyna posiada dwa otwory wentylacyjne z wyprowadzeniem na dach budynku. Ze
wzgl du na bezpiecze stwo u ytkowania, zastosowane wentylatory s wykonane w specjalnej wersji przeciwwybuchowej. Piec wyposa ony jest w transporter, który przesuwa płyty wzdłu jego długo ci W piecu istnieje
mo liwo płynnej regulacji pr dko ci i szeroko ci rozstawu ła cucha transportuj cego płytki.
Przed rozpocz ciem produkcji, dla uzyskania prawidłowego rozkładu temperatur, ustawia si profil
temperaturowy pieca. W tym celu przez piec przepuszcza si urz dzenie pomiarowe – profilomierz z
podł czonymi do płyty testowej termoparami. Do ustawienia prawidłowego profilu temperaturowego w piecu,
wykorzystuje si takie parametry jak: temperatura w strefach grzewczych, pr dko transportu płyt, regulacja
ci gu powietrza.
31
Rozkład temperatury w procesie lutowania rozpływowego
Rysunek przedstawia czasowe zale no ci takich parametrów procesu lutowania jak:
- maksymalna temperatura topnienia pasty lutowniczej – TPmax
- minimalna temperatura topnienia pasty lutowniczej – TPmin
- maksymalna temperatuta wygrzewania – TEmax
- szybko narastania temperatury w fazie wygrzewania (szok termiczny) –
- szybko narastania temperatury w fazie topnienia pasty –
- szybko opadania temperatury w fazie krzepni cia lutu –
- czas wygrzewania – tE
- czas przej cia ze strefy wygrzewania do strefy topnienia – tM
- czas przebywania płytki w strefie temperatur powyzej 200 °C – tR
32
Na kolejnym rysunku ukazany jest przykład profilu temperaturowego do lutowania rozpływowego w
przedsi biorstwie Jabil Circuit Poland Sp. z o.o.
Profil lutowania rozpływowego w danym przedsi biorstwie Jabil Circuit Poland Sp. z o.o.
33
Czynniki procesu lutowania: TPmax, TPmin, TEmax, , , , tE, tM, tR s ze sob bardzo powi zane i decyduj o
prawidłowym przebiegu procesu lutowania rozpływowego, natomiast ich dopuszczalne warto ci przedstawia
tabela 2.
Tabela 2. Dopuszczalne warto ci parametrów procesu lutowania rozpływowego
Parametr
Warto
α
β
χ (dla T>Tliq)
TE max
tE 2
TLiq
tR
≤ 10 °C/s
≤ 10 °C/s
≤ 10 °C/s
200 °C
≤ 60 sekund
217 °C
≤ 90 sekund
≤ 120 s
tp
max 360 s
Uwagi
Okre lone tylko przez komponenty
Okre lone tylko przez komponenty
Okre lone tylko przez komponenty
Dla produkcji masowej lub dla płyt zło onych
Je li niemo liwe, < 180 sekund
Temperatura rozpływu
Przewa nie 50-75 sek. dla Tp w granicach 240°C
W powi zaniu ze szczytow temperatur minimaln
równ 230 °C
Typowa warto
0.7 – 3 °C/s
1 – 4 °C/s
2-4 °C/s
180-190 °C
60-180 s
30 – 90 s
45 – 120 s
240-300 s
I.
NAJWA NIEJSZY PARAMETR PROCESU 230 – 235 °C
Dla minimum 5 s
TPmax
W przypadku lutowania strony B płyt dwustronnych z 240 – 260 °C
pokryciem organicznym (OSP).
najcz ciej
250°°C
Warto ci zaznaczone pogrubion czcionk ró ni si od warto ci dla lutowania ołowiowego.
TPmin
235 °C
230 °C
280 °C
34
Wymagania przedstawione w tabeli 2 s wa ne dla płyt drukowanych, pasty lutowniczej i procesu lutowniczego.
Wymagania dla komponentów s w wi kszo ci bardziej cisłe (zwłaszcza dla układów scalonych) i dlatego
komponenty i płyty okre laj maximum warto ci α, β i χ. St d nale y sprawdzi czy wszystkie komponenty w
produkcie wytrzymuj powy ej podane temperatury / czasy i przyrosty temperatur. Je li wyst puj na płycie
komponenty z wi kszymi wymaganiami, piec do lutowania rozpływowego musi by zaprogramowany zgodnie w
tymi wymaganiami.
Iloraz temperatur TPmin / TPmax wi kszy od 0,75 jest wymagany, aby doprowadzi lutowie do stanu ciekłego.
Minimalne szczyty temperaturowe, w których mo e odbywa si lutowanie (minimalna temperatura topnienia
pasty lutowniczej) to 205 °C dla stopów ołowiowych SnPb i 235°C dla stopów bezołowiowych daj akceptowalne zł cza lutownicze.
Z uwagi jednak na zmiany temperatur w piecach i ró nice w pomiarach, temperatury te powinny wynosi 210°C
dla stopów ołowiowych SnPb i 235°C dla stopów bezołowiowych. Je li jest trudno osi gn 235°C jako minimaln temperatur z powodu ogranicze komponentowych, dozwolony jest minimalny szczyt temperatury równy
230°C przez minimum 5 sekund. W przypadku płyt z pokryciem OSP maksymalny szczyt temperaturowy - maksymalna temperatura topnienia pasty lutowniczej (Tp) to 240°C, jest konieczny podczas lutowania pierwszej
strony płyty dwustronnej. Wy sze temperatury szczytowe pogarszaj lutowalno pól lutowniczych drugiej strony do lutowania. Dla drugiego i ostatniego rozpłyni cia pasty lutowniczej w procesie lutowania rozpływowego
temperatura 250°C jest dopuszczalna. Nale y jednak d y do temperatury maksymalnej równej 245°C. W atmosferze azotu lub w przypadku płyt “złoconych” Ni-Au lub cynowanych, wy sze warto ci maksymalne temperatury lutowania dochodz ce do 280°C s dozwolone dla wszystkich sytuacji. Nale y jednak unika zbyt wysokiej temperatury, rz du 280°C z powodu ryzyka uszkodzenia komponentów.
35
W Jabil Circuit Poland Sp. z o.o. do lutowania rozpływowego stosowany jest piec XPM 1030 firmy Vitronics
Soltec.
a)
b)
Rys. a) Widok pieca do lutowania rozpływowego
b) przejazd płyty przez piec lutowniczy
Piece lutownicze stosowane zarówno w procesie lutowania rozpływowego, jak i lutowania na fali posiadaj wyci g maj cy dwa wloty na pocz tku i ko cu pieca poł czone izolowanym kanałem wentylacyjnym z wyprowadzeniem na dach budynku, zako czonym wentylatorem wyci gowym w specjalnej wersji przeciwwybuchowej.
Wył czniki awaryjne słu do natychmiastowego zatrzymania pracy pieca w sytuacjach awaryjnych.
Doł czony monitor i klawiatura umo liwiaj sterowanie ró nymi funkcjami pieca. Zastosowany transporter płyt
przenosi je poprzez cał długo pieca, posiada mo liwo płynnej regulacji pr dko ci i szeroko ci rozstawu
szyn transportowych. Natomiast strefa grzewcza jest wyposa ona w grzałki i wentylatory wymuszaj ce wewn trzny obieg gor cego powietrza kierowanego na płytk PCB. Strefa chłodzenia jest wykorzystywana w celu
obni enia temperatury płytki PCB po lutowaniu, posiada ona zamkni ty obieg cieczy chłodz cej, w którym przepływ jest wymuszany przez pomp , a kr ca ciecz jest schładzana dzi ki klimatyzatorowi.
36
4.2. Proces lutowania na fali
Proces lutowania na fali (tzw. wave) polega na poł czeniu elementów bez ich nadtapiania za pomoc dodatkowego metalu (spoiwa lutowniczego) o temperaturze ni szej ni temperatura topnienia metali, z których s
wykonane te elementy [9].
Płyta z zamontowanymi elementami elektronicznymi, jest transportowana automatycznie do maszyny lutuj cej
widocznej na poni szym zdj ciu, gdzie nast puje lutowanie powierzchniowe. Poni szy rysunek ukazuje piec
do lutowania na fali.
Rys. Piec do lutowania na fali
37
Aby ułatwi lutowanie powierzchniowe, na drukowane cie ki pól lutowniczych płyty, za pomoc dysz, nanoszony jest topnik, zapobiegaj cy tak e powstawaniu zwar lutowniczych. Wygrzewanie płyty elektronicznej, ma
za zadanie odparowanie lotnych zwi zków topnika oraz wyeliminowanie szoku termicznego, wynikaj cego ze
zbyt gwałtownej zmiany temperatur. Skutkiem takiego szoku termicznego, mo e by p kni ta obudowa elementu elektronicznego. Tak przygotowana płyta elektroniczna transportowana jest nad powierzchni roztopionej cyny, która za pomoc pomp, jest przelewana przez metalow przegrod , daj c efekt fali. W czasie lutowania na
fali, wszystkie wolne pola lutownicze s pokrywane warstw cyny, a znajduj ce si na nich elementy przylutowane do pól lutowniczych obwodów drukowanych. Przy lutowaniu na fali w technice bezołowiowej topnik mo e
by podawany za pomoc dyszy natryskowej. W lutowaniu bezołowiowym zalecane jest u ycie metody natryskowej ukazanej na rysunku.
Rys. Dysza natryskuj ca topnik
D y si do zmiany typów topników na bardziej aktywne, odpowiadaj ce nowym wymaganiom lutowania
bezołowiowego, w tym topniki wodne. Nastawy podgrzewania powinny odpowiada rodzajowi u ywanego
topnika. Wprowadzenie lutowania bezołowiowego nie zmienia nic w tym zakresie. Decyduje typ topnika.
38
Topnik powinien by równo rozło ony na powierzchni płyty. Dlatego musi on by odparowany za pomoc zestawu grzałek w pierwszej strefie podgrzewania, osi gaj c tam temperatur min. 65 – 70°C. To zapobiega
przemieszczaniu si topnika po płycie pod wpływem gor cego powietrza w dalszych strefach podgrzewania.
Natomiast dla topników wodnych podgrzewanie musi by wy sze. Je li nie, grozi to pojawieniem si kuleczek
cyny na płycie.
Nastawy procesowe dla maszyn Soltec Delta 6622CC i maszyn Electra dla procesów lutowania ołowiowego
SnPb i lutowania bezołowiowego podano w tabeli 3.
Maszyny musz by w wersji bezołowiowej. Oznacza to, e konieczna była wymiana w maszynach u ywanych do lutowania ołowiowego wszystkich cz ci maj cych kontakt z ołowiem (wanna lutownicza, dysze,
pompy). D y si do tego, aby do tego procesu lutowania bezołowiowego kupowa nowe maszyny, je li obecnie stosowane nie s w stanie spełni wymogów zakładanych w lutowaniu bezołowiowym. Tak te post powano, w Jabil Circuit Poland Sp. z o.o., aby w miar mo liwo ci wymieni stare maszyny do lutowania na nowe zgodne z normami i specyfikacjami procesu lutowania bezołowiowego.
Tabela 3. Zestawienie parametrów maszyn lutowniczych do lutowania na fali
Parametr
Temperatura lutowia
SnPb
Pb Free
Gł boko zanurzenia dla płyt o grubo ci 1.6 mm
I fala
II fala
Otwory w płytach jednostronnych
Otwory metalizowane
250 ± 3 °C
260 + 5 °C
250 ± 3 °C
260 + 5 °C
1.6 - 2.4 mm
0.8 - 1.6 mm
1.6 - 2.4 mm
0.8 – 1.6 mm
39
Gł boko zanurzenia dla płyt o grubo ci 1.0 mm
I fala
II fala
Czas kontaktu
I fala
II fala
total
Pr dko transportu
SnPb
SAC
Azot
SnPb
SAC
1.0 - 2.4 mm
0.5 - 1.0 mm
1.0 - 2.4 mm
0.5 – 1.0 mm
0.3 - 0.8 sec
1.8 - 2.2 sec
2.1 - 3.0 sec
0.5 - 1.1 sec
2.3 - 2.7 sec
2.8 - 3.8 sec
1.45 – 1.55 m / min
1.45 – 1.55 m / min
1.15 – 1.25 m/min
1.15 – 1.25 m/min
Nie dotyczy
20/20/90 (max) l/min (litrów/minut )
Nie dotyczy
20/20/90 l/min
Warto ci zaznaczone pogrubion czcionk ró ni si od warto ci dla lutowania ołowiowego.
Preferowanym sprz tem i maszynami do lutowania na fali zgodnie z polityk firmy Jabil Circuit Poland
Sp. z o.o. s Electra z firmy Electrovert oraz Soltec Delta 6622 z firmy Soltec.
Zł cza lutownicze musz odpowiada wymaganiom zawartym w standardzie IPC-A-610D. Główn ró nic
mi dzy zł czami SnPb (ołowiowymi) a zł czami bezołowiowymi jest ich wygl d. Zł cza SnPb s bardziej połyskliwe i gładkie, a bezołowiowe matowe i ziarniste.
40
Lutowanie na fali mo na podzieli na 4 podprocesy:
1. Transport płytki
2. Nakładanie topnika
3. Podgrzewanie
4. Lutowanie
1.Automatyczny transport płytek jest mo liwy:
a) Za pomoc ramek lub palet
b) Bez palet
Z kolei, nakładanie topnika mo e by realizowane:
- na fali,
- natryskowo,
- pianowo,
- natryskowo z dyszy.
41
Funkcje topnika to:
- Zwil anie powierzchni metali,- Transport ciepła do zł czy lutowniczych,- Czyszczenie powierzchni metali,Czyszczenie powierzchni ciekłej cyny,- Redukcja napi cia powierzchniowego cyny, - Ochrona zł czy przed
utlenianiem w czasie lutowania,- Unikanie utleniania ciekłej cyny w zł czach zanim zakrzepn , po opuszczeniu
przez nie wanny lutowniczej.
Podgrzewanie wst pne płyt do lutowania ma na celu:
- Odparowanie cz ci lotnych topnika,- Aktywacj topnika,- Redukcj szoku termicznego komponentów i
płytek,- Unikni cie ucieczki ciepła z wanny lutowniczej,- Mo liwo zwi kszenia pr dko ci lutowania przez
zbli enie temperatury powierzchni lutowanych do temperatury lutowania.
Stosuje si nast puj ce metody podgrzewania płyt do lutowania:
a) Konwekcja – gor ce powietrze (rys.32)
b) Radiacja – grzałki, lampy kwarcowe (rys.33)
c) Kombinacja konwekcji i radiacji (rys.34)
42
Rys. Podgrzewanie gor cym powietrzem
Rys. Podgrzewanie radiacyjne
43
Rys. Podgrzewanie za pomoc konwekcji i radiacji
Lutowanie oraz konfiguracja fal lutowniczych.
W lutowaniu na fali wyst puje jako pierwsza fala intensywna, słu ca głównie do zwil ania powierzchni metali (zwana tak e fal Chip, fal turbulentn , fal Jet). Stosowana głównie do
lutowania komponentów SMD. Drug fal jest fala laminarna (zwana tak e fal Lambda), która ma za zadanie
usuwanie zwar i nadmiaru cyny. Je li nie ma komponentów SMD, mo na lutowa tylko na fali głównej laminarnej.
Typowe nastawy maszyn lutowniczych w procesie lutowania na fali wynosz :
- K t transportu – tolerancja w granicach od 6,5° do 7,5° - typowa warto
to 7°
- Podgrzewanie – zale ne od typu topnika u ytego w procesie – typowa warto
44
to 120°C
Na rysunku przedstawiony został profil temperaturowy lutowania na fali. Proces ten zaczyna si od nało enia
topnika w temperaturze ok. 20°C, które trwa ok. 20-25 sekund. Nast pnie rozpoczyna si podgrzewanie lutowia
oraz płyty z komponentami do temperatury ok. 100-120°C przez czas równy ok. 50 sekund. Potem pojawia si
pierwsza fala intensywna słu ca do lutowania komponentów SMD, a nast pnie fala laminarna przy temperaturze ok. 240°C, usuwaj ca nadmiar lutowia oraz ewentualne zwarcia.
Rys. Profil temperaturowy lutowania na fali
Bezołowiowe lutowanie na fali wymaga w szczególno ci mniejszej pr dko ci transportu płytki, aby osi gn
wła ciwy czas kontaktu płyty z lutowiem. Problemem jest to, i niektóre komponenty plastikowe nie wytrzymuj
temperatury lutowania bezołowiowego (rekomendowana temperatura wanny wynosi 260ºC). Wówczas mog
45
wymaga alternatywnego lutowania, np. r cznego lub selektywnego. W bezołowiowym lutowaniu na fali wyst puje wi cej zwar i szpicy ni w lutowaniu ołowiowym, a płyty s bardziej gor ce ni po procesie ołowiowym.
Przy bezołowiowym lutowaniu na fali wymagane jest stosowanie lutu składaj cego si z cyny - srebra - miedzi
(SnAgCu). Temperatura wanny lutowniczej powinna zawiera si w zakresie od 260 do 265°C. Stosowanym
topnikiem jest topnik firmy No-clean, Alpha Metals lub Multicore MF101. Z kolei bezołowiowe lutowanie
rozpływowe charakteryzuje si tak e mniejsz pr dko ci transportu płytek. Mog te wyst pi zmiany koloru
płyt i komponentów. Konieczna jest dokładniejsza kontrola temperatury w piecu grzewczym. Wi ksze płyty
wymagaj innych profili i nastaw dla redukcji T dla ró nej wielko ci komponentów. Konieczne jest zapewnienie minimum 7 stref temperaturowych w piecu. Piece z mniejsz ilo ci stref mog osi gn temperatur
235°C, lecz z mniejsz szybko ci przyrostu temperatury. Piece typu XPM s kompatybilne z procesem lutowania bezołowiowego, a piece typu Quantis s dostosowywane do tego procesu przez zmian oprogramowania. Minimalna temperatura w bezołowiowym lutowaniu rozpływowym wynosi 235°C, a krytyczn temperatur dla komponentów i płyt jest 260-280°C.
Ró nice w wygl dzie zł czy lutowniczych w procesie lutowania rozpływowego ołowiowego i bezołowiowego.
46
a)
b)
Norma IPC – to zbiór wymogów dotycz cych wizualnej kontroli jako ci zespołów elektronicznych. Opracowany został przez Komitet Kontroli Jako ci IPC. IPC jest stowarzyszeniem ze Stanów Zjednoczonych ukierunkowanym na polepszenie jako ci i konkurencyjno ci produktów elektronicznych. Wa nym zagadnieniem
zwi zanym z IPC jest okre lenie klasy produktu, gdy – w zale no ci od przeznaczenia urz dzenia – standardy
s mniej lub bardziej rygorystyczne.
Standard IPC 610 D stosowany dla inspekcji zł czy bezołowiowych („LeadFree”):
Zł cza w lutowaniu bezołowiowym mog dawa matowy, ziarnisty wygl d. Pozostało ci topnika mog dawa
„za ółcenia” w wy szych temperaturach (rys.14). Wi ksza koncentracja pozostało ci topnika mo e by typo47
wa po procesie lutowania rozpływowego. Wygl d zł czy dla komponentów od ró nych dostawców z ró nymi
pokryciami nó ek mo e by inny.
Odkryte pola mog by spowodowane mniejszym zwil eniem podło a. Podstawowe ró nice mo na zaobserwowa na rysunku
Gładkie i połyskliwe zł cze w lutowaniu ołowiowym Matowe i ziarniste zł cze w lutowaniu bezołowiowym
a)
b)
48
Widok zalutowania układu scalonego: a) lutowanie ołowiowe b) lutowanie bezołowiowe.
Rekomendowanymi pastami w lutowaniu rozpływowym s „No Clean” firmy Alpha Metals Omnix oraz
„Water Soluble” firmy Kester. Do druku pasty mo na u y parametrów sugerowanych przez dostawc pasty.
Rekomendowane typy rakli (przecierak) stosowane w druku pasty do lutowania rozpływowego musz by
czyszczone, je eli na tej samej linii produkcyjnej s lutowane produkty w technice ołowiowej i bezołowiowej.
W procesie przygotowania do lutowania rozpływowego bardzo wa na jest dokładno poło enia komponentów (bł d musi by mniejszy ni 30%). Bardzo istotne jest pozycjonowanie matrycy wzgl dem płyty.
W procesie lutowania bezołowiowego mog wyst pi nast puj ce problemy zilustrowane na rysunkach.
Widok odsłoni tych pól lutowniczych
49
Odsłoni te pola lutownicze to typowy problem w lutowaniu bezołowiowym. Rozwi zywanie tego problem
uzyskiwane jest na dwa sposoby: uzyskuj c akceptacj klienta produktu albo zwi kszaj c czas i temperatur w
profilu lutowania rozpływowego.
Widok deformacji komponentu
Deformacja komponentu wynika ze zwi kszonej temperatury w lutowaniu bezołowiowym. Aby temu zapobiega nale ałoby obni y temperatur lutowania lub wybra innego dostawc komponentu.
Zwarcia i „szpice” w lutowaniu bezołowiowym
50
Przyczyn wi kszej ilo ci zwar jest wy sze napi cie powierzchniowe płytki lutowanego produktu. Aby temu
zapobiega konieczne jest zwi kszenie temperatury w wannie lutowniczej w granicach konkretnej specyfikacji
produktowej oraz sprawdzanie długo ci wyprowadze komponentów.
I.
Poł czenia lutowane wyprowadze z otworami metalizowanymi
2
1
4
3
1- metalizacja, 2 – laminat, 3 – lutowie, 4 – ko cówka monta owa
lut powinien si ga do ko ca otworu
51
II.
Poł czenie
lutowniczymi
2
1
3
wyprowadze
ze
4
zwykłymi
1 - metalizacja, 2 – laminat, 3 – lutowie, 4 – ko cówka monta owa
najmniejsza wytrzymało mechaniczna
III. Lutowanie ko cówek układów scalonych do powierzchniowych pól lutowniczych
scalak
przewód
1) Lutowanie przewodu w cylindryczny otwór ko cówki monta owej
2) Lutowanie przewodu do otworu płaskiej ko cówki monta owej
Wła ciwo ci poł cze lutowniczych
1) Rezystancja
2) Odporno na nara enia technoklimatyczne
52
poł czeniami
ad. 1. Zale y od wła ciwo ci metali tworz cych poł czenie od procesów metalurgicznych i fizyko-chemicznych
zachodz cych w trakcie lutowania i po jego zako czeniu.
2
4
1
1
3 5
1 – ł czone metale, 2 – obszary korozji, 3 – obszar dyfuzji metali, 4 – warstwa mi dzymetaliczna, 5 lutowie
Rezystancja poł czenia jest sum rezystancji wszystkich warstw; powinna decydowa rezystancja lutowania.
R1 = ρ1
S
[Ω]
F
S – powierzchnia lutowia
F – przekrój otworu
0,3 – 0,5 mΩ (ko cówka do punktu lutowniczego)
0,8 – 1 mΩ (poł czenie nakładkowe)
1 – 1,5 mΩ (elementy bezko cówkowe)
0,5 – 0,8 mΩ (przewód do płaskiej ko cówki)
Grubo warstwy mi dzymetalicznej narasta z czasem lutowania
5 s 0,84 µm
60 s 11 µm
grubo
warstwy dyfuzyjnej
53
typowo:
2 µm w metalu
7 µm w lutowiu
rezystancja zwi zana z korozj (przew enia) wynika z zanieczyszcze i pozostało ci topnika
ad. 2.
a) wytrzymało na rozerwanie
b) wytrzymało na cinanie
c) odporno na zm czenie
a) zale y od temperatury, przekroju, ustawienia wyprowadzenia
b) w przypadku otworów metalizowanych
- temperatura (maleje ze wzrostem temperatury)
- szybko krzepni cia
szybkie studzenie – struktura drobnoziarnista (lepsza)
wolne studzenie – struktura gruboziarnista
c) p
-
kni cia powierzchniowe i przerwanie poł cze wynikaj z:
struktury lutowia (ziarna)
wady lutowia
czynniki korozyjne (resztki topnika)
54
Rodzaje uszkodze
1) p kni cia wewn trzne
2) korozja poł cze
Usuwanie lutowia odbywa si za pomoc lutownicy z odsysaczem lub plecionk miedzian . Jest ona rodzajem
linki miedzianej, która absorbuje ciekł cyn . Plecionk układamy na zł czu i przykładamy do niej lutownic .
Po chwili cyna topi si a plecionka j pochłania. Powtarzamy t czynno powtórnie z czystym odcinkiem plecionki. Proces usuwania lutowia ukazany jest na rysunku 4.
Z kolei poprawianie lutowania jest podobne do lutowania z tym, e dodajemy mniej lutowia. Po podgrzaniu
cyny w zł czu staje si ona ciekła i wtedy dodajemy troch wie ej cyny.
Te zabiegi robione s głównie po to, aby doda topnik, który zapewnia lepszy rozpływ lutu i wypełnienie zł cza. Warunkami krytycznymi dla procesu lutowania jest to, i całkowity proces lutowania trwa nie dłu ej ni
3-4 sekundy. Przekroczenie tego czasu grozi uszkodzeniem płyty lub komponentu z powodu przegrzania. Nie
mo na te przekracza ustalonych temperatur w procesie. Grozi to uszkodzeniem płyty lub komponentu.
55
Urz dzenia stosowane przy lutowaniu automatycznym
Maszyna lutownicza typu XPM1030 firmy Vitronics Soltec.
Rys. Piec XPM 1030 do lutowania rozpływowego
56
Uruchomienie pieca odbywa w kilku etapach. Piec wł cza si wł cznikiem / wył cznikiem głównym. Nast pnie konieczna jest dezaktywacja wył czników awaryjnych. Po zainicjalizowaniu komputera nale y wybra
ikon skrótow lub FILE / START NEW PROCESS. Otworzy si okno „STARTUP WIZARD”, nale y wybra z listy „Start new process” ( maszyna zapyta si czy jest „pusta” – sprawdzi czy w rodku nie pozostały
płyty). Dalej trzeba wybra produkt ( „Choose by Product”) i zaznaczy poprawny program. Program produkcyjny musi by zgodny z podanym w tabelce na mapce produktu.
Je eli zmienia si rozmiar płyty do lutowania trzeba wyregulowa szeroko transportera, równie za pomoc
programu w komputerze. Nast pnie ko czymy i wciskamy klawisz „FINISH” i odczekujemy a piec osi gnie
wymagane nastawy, zasygnalizuje nam to zmiana wykresów temperaturowych, a „wie yczka” kontrolna zmieni kolor z ółtego na zielony. W przypadku powstania jakiegokolwiek bł du pieca uaktywni si automatycznie
okno „ALARMS”, nale y wtedy odczyta z listy alarmów informacj i podj odpowiednie działania korekcyjne, je eli komunikat jest niezrozumiały lub po wyczyszczeniu listy nadal si aktywuje nale y natychmiast
powiadomi słu by utrzymania ruchu (UTR). Wył czenie pieca odbywa si w ten sposób, e piec nie zatrzyma
si natychmiast, transporter zatrzyma si dopiero, gdy temperatura w piecu spadnie. Wówczas na ekranie wykresy temperaturowe zmieni si z koloru zielonego na szary.
Maszyna lutownicza firmy Electra słu y do lutowania na fali.
57
Rys. Piec Electra do lutowania na fali
Do obsługi pieca, ustawiania parametrów procesowych wykorzystywany jest doł czony komputer z programem
dla danej maszyny („software”) obejmuj cym:
1. Menu
2. Ikony szybkiego wej cia
3. Ikon sygnalizatora stanu maszyny
4. Moduły – rodzaje produktów
5. Status maszyny
6. Licznik płyt
58
Rys. Widok okna programu do obsługi pieca
Stacja naprawcza typu Summit 1800.
Stacja naprawcza typu Summit 1800 słu y do napraw komponentów SMD, głównie układów scalonych w
obudowie BGA. Jest to nowoczesny typ obudowy układów scalonych, gdzie styki układu umieszczone s pod
spodem i maj posta malutkich, metalowych kuleczek (rys.39).
rzadka, równomierna siatka kulek
g sta, nierównomierna siatka kulek
59
g sta, równomierna siatka kulek dla CSP / µ BGA
Rys. Widok układów w obudowie BGA
W ród obudów BGA wyró nia si ró ne typy. Pierwszy typ to mBGA – „Micro Ball Grid Array” – układ w
obudowie pozwalaj cej na umieszczenie około pi ciu punktów poł czeniowych na powierzchni 1 mm2 struktury.
Nast pny typ to CSP – „Chip Scale Package” – jest to układ BGA o wielko ci układu scalonego z powierzchniowo rozmieszczonymi wyprowadzeniami sferycznymi. Kolejny to PBGA – „Plastic Ball Grid Array”, który
jest typem układu scalonego, w którym no nik wykonany jest z tworzywa sztucznego a wyprowadzenia w postaci kulek rozmieszczone s na całej powierzchni no nika oraz CBGA – „Ceramic Ball Grid Array” jest to typ
układu scalonego, w którym no nik wykonany jest z ceramiki a wyprowadzenia w postaci kulek rozmieszczone
s na całej powierzchni no nika.
60
Podczas lutowania rozpływowego układów BGA, pasta i kulka cyny d
do utworzenia pojedynczego eutek-
tycznego zł cza lutowniczego, st d kulki cyny s jednocze nie zł czami lutowniczymi, a poł czenia lutownicze nie s widoczne, gdy znajduj si pod układem.
Widok zł cza pod układem BGA pokazano na rys.40.
Rys.40. Zł cze lutownicze pod układem BGA
Przy lutowaniu układów BGA mog wyst pi ró ne bł dy. Przykładowo w przypadku zbyt małej dokładno ci
poło enia układu na płycie (pozycjonowanie), zbyt du ej ilo ci pasty mog wyst powa zwarcia. Jako, e ró na
jest rozszerzalno
cieplna poszczególnych warstw układu (laminat szkło / epoksyd, mied , plastikowa obudowa,
silikonowe gniazdo, poł czenia ze złotego drutu) mog wyst powa ewentualne p kni cia. W przypadku, gdy
płyta jest zabrudzona oraz wyst pi przeterminowanie pasty lutowniczej, wyst puj niedolutowania, podniesione
układy („stand-off”). Rysunek 41 ilustruje bł dy wynikaj ce z niewła ciwego procesu lutowania.
61
Rys.41. Bł dy w lutowaniu układów BGA
Opis stacji naprawczej typu Summit 1800.
Stacja naprawcza (rys.42) typu Summit słu y do naprawy płyt z układami w obudowie BGA [11].
Rys.42. Summit 1800
62
Aby przygotowa proces naprawczy nale y wybra w programie na komputerze rodzaj płyty („board”), np. „Jaguar”, „LC04SD2.1”. Nast pnie wybra w programie rodzaj komponentu BGA wła ciwy dla tej płyty, np. „Altera”, „PNX”. W bibliotece zdefiniowane s wszystkie komponenty istniej ce na ka dej płycie z układami BGA.
Potem nale y wybra rodzaj procesu („sequence”). Z wielu wy wietlonych na ekranie, praktycznie interesuj nas
tylko dwa: „PLACE RELEASE REFLOW” (nakładanie i lutowanie) oraz „REMOVE ZERO FORCE” (usuni cie komponentu). Nast pnie nale y przygotowa płyt do naprawy, tzn. poło y j na stole naprawczym w okrelonym miejscu, wła ciwym dla rodzaju płyty. Nie dociska tylnej listwy mocuj cej zbyt mocno do kraw dzi
płyty. Stworzy lekki luz (ok. 1mm) mi dzy płyt a listw . Zapobiegnie to wyginaniu płyty w czasie procesu naprawczego.
Sposób uło enia płyty na stole (kraw dzie boczne płyt oznaczone s
wiony jest na rysunku.
63
ółtymi wska nikami) i podpór przedsta-
Rys.43. Widok uło enia płyty do naprawy
W dalszej kolejno ci nale y umocowa płyt na stole za pomoc zaczepów dociskowych, jednak zwracaj c
uwag , aby nie dociska płyty zbyt mocno do stołu, zmieni płytk pobra (rys.44) dla układu BGA na właciw dla danego typu układu. Dla procesu wlutowania poło y na niej (u góry przy pryzmacie rys.44) nowy
komponent uwzgl dniaj c polaryzacj układu scalonego.
64
Rys.44. Widok pryzmatu i płytki pobra
Na koniec nale y zmieni dysz maszyny na wła ciw dla rodzaju BGA. Zestawienie dysz i płytek pobra dla
poszczególnych BGA zamieszczono w tabeli 4.
Proces naprawczy obejmuje kilka czynno ci. Po uruchomieniu o wietlenia płyty nale y ustawi j tak, aby komponent w widoku na ekranie był ustawiony współ rodkowo w stosunku do dyszy. Robimy to zgrubnie za pomoc
dwóch kółek centruj cych, a w drugim etapie rub mikrometrycznych, po zablokowaniu stołu (rys.45)
Rys.45. Sposób ustawienia płyty
65
Je eli chcemy wylutowa komponent to maj c ustawion płyt klikamy „GO”, a nast pnie po ustawieniu dokładnym stołu, jeszcze raz „GO” i wtedy proces zaczyna si automatycznie. Dla wlutowania komponentu musimy jeszcze przej
jeden etap, mianowicie zgrania kulek układu BGA z polami lutowniczymi na płycie. Ro-
bimy to za pomoc
rub mikrometrycznych oraz dwóch ikon „THETA” (prawy górny róg ekranu), które
umo liwiaj nam obracanie układem trzymanym ju przez dysz ss c . Po ustawieniu klikamy „GO” i proces
zaczyna si automatycznie.
Naprawy układów BGA s czynnikiem kluczowym w procesie naprawczym ze wzgl dów ekonomicznych. Nale y d y do wykorzystania układów nadal sprawnych. Do napraw zaleca si stosowa sprz t wysokiej klasy,
umo liwiaj cy wylutowanie układu, jego ewentualny „re-balling” (usuni cie starych i ponowne nało enie nowych kulek), przylutowanie układu w technice lutowania rozpływowego „reflow” pod stał kontrol oraz inspekcj optyczn zł czy za pomoc maszyny prze wietlaj cej układ promieniami X.
Do okulkowania układów BGA wykorzystuje si urz dzenia widoczne na rys.
66
Rys.46. Maszyna do ponownego „okulkowania” układu BGA
Aby wykona proces okulkowania nale y pobra oczyszczony układ scalony z tacki. Nast pnie czy ci si
układ z resztek cyny za pomoc szerokiego grota lub plecionki odsysaj cej. Do tego procesu nale y u y topnika w elu, który jednak po oczyszczeniu nale y usun
dza si wizualnie poprawno
rodkiem „Veri Clean” lub „izopropanolem”. Spraw-
oczyszczenia, je li trzeba - przy u yciu mikroskopu. Je eli pola, do których ma-
j by przylutowane kulki cyny nie s całkowicie płaskie, nale y je powtórnie wyczy ci . Kolejnym etapem
jest „okulkowanie” układu BGA. W tym celu układa si układ scalony na matryc ( powierzchni do okulkowania do góry), nanosi si topnik za pomoc p dzla lub szpatułki jedynie na pola lutownicze pod kulki. Nast pnie matryc przykrywa si sitem.
67
Rys.47. Przykrycie matrycy sitem
Kolejnym etapem jest wysypanie kulek cyny na sito i umieszczenie ich w otworach oraz wsypanie pozostałych
( nie znajduj cych si w otworach sita) kulek do pojemnika (rys.48).
Rys.48. Wsypanie kulek do sita
68
Sprawdza si czy wszystkie otwory w sicie s zapełnione przez kulki cyny. Je eli nie, nale y jeszcze raz powtórzy powy sze czynno ci, tak, aby aden otwór nie był pusty. Kolejn czynno ci jest zdj cie sita z matrycy oraz sprawdzenie poprawno ci nało enia kulek cyny
(rz dy kulek powinny by równe). Je eli nie s nale y spróbowa poprawi je za pomoc p sety pod lup . Potem podnosi si pokryw urz dzenia do góry i układa matryc na elemencie grzejnym urz dzenia. Po zamkni ciu pokrywy urz dzenia proces przylutowywania kulek cyny do układu scalonego rozpoczyna si . Po zako czeniu procesu podnosi si pokryw urz dzenia i schładza matryc z naprawionym komponentem. W ten oto
sposób układ BGA zostaje ponownie „okulkowany”.
69
1) co to?
2) Po co?
3) Rodzaje
3a) laminaty
4) sposoby wykonywania
5) projektowanie
Obwody drukowane
Obwody drukowane – na podło u izolacyjnym osadzone s przewody ł cz ce poszczególne elementy układu.
Przewody te – to cie ki drukowane.
Zalety:
a) mniejszy ci ar wyrobu
b) lepsze wykorzystanie miejsca
c) mo liwo standaryzacji i automatyzacji produkcji
d) wzrost niezawodno ci układów
e) miniaturyzacja
f) powtarzalno własno ci elektrycznych układu
g) krótszy czas testowania
Wady:
a) małe mo liwo ci wprowadzania zmian
b) du e koszty produkcji małej serii
c) ograniczenia w prowadzeniu cie ek
d) utrudnione chłodzenie
e) konieczno wiercenia otworów i metalizacji otworów
f) łatwo wyst pienia zwar niezabezpieczonych cie ek
70
Materiały stosowane do produkcji obwodów drukowanych.
Typy płyt drukowanych
Płyty drukowane dzieli si na jednostronne, dwustronne i wielowarstwowe.
Jednostronne płyty drukowane maj
cie ki przewodz ce tylko po jednej stronie podło a i całe lutowanie jest
wykonane po jednej stronie . Elementy przewlekane THMD s umieszczane z przeciwnej strony ni
cie ki i
punkty lutownicze, a nast pnie lutowane na fali. Elementy do monta u powierzchniowego SMD s umieszczane
po stronie cie ek i albo s lutowane na fali po uprzednim obróceniu płyty spodni stron do góry, przyklejeniu
do płyty i wysuszeniu kleju, a nast pnie ponownym obróceniu płyty, albo elementy SMD mog by lutowane
rozpływowo przy u yciu pasty lutowniczej.
Dwustronne płyty drukowane maj
cie ki na obu zewn trznych powierzchniach podło a. Mog by rozpatry-
wane jako dwie płyty jednostronne poł czone grzbietami, co ilustruje mo liwo
znacz cego wzrostu g sto ci
upakowania układów na płycie. Mo na na nim montowa zarówno elementy przewlekane THMD, jak i do monta u powierzchniowego SMD, albo ka dy z tych typów oddzielnie po obu stronach lub te pomieszanie na tej
samej stronie.
Górna i dolna strona dwustronnej płyty mog by poł czone metalizowanymi otworami punktów lutowniczych
lub specjalnych przelotem. S one wykonane przez nawiercenie otworów i pokrycie ich wewn trznej powierzch71
ni w procesie powlekania galwanicznego miedzi . Z tego powodu s one znane jako PTH – plater through holes
– powlekane galwanicznie metalem otwory – znane jako otwory metalizowane.
Wielowarstwowe płyty drukowane maj dwie warstwy na zewn trz podło a, a pozostałe warstwy wewn trz.
Wewn trzne warstwy s wytworzone w procesie laminowania, które przekłada cie ki warstwami izoluj cymi.
Podobnie jak w przypadku płyt dwuwarstwowych poł czenia pomi dzy otworami s wykonane za pomoc metalizowanych przelotek. Istniej jednak trzy typy przelotek: przechodz ce na wylot przez wszystkie warstwy z jednej strony podło a na drug oraz lepe i zagrzebane, które słu
do poł cze pomi dzy cie kami na wewn trz-
nych (zagrzebane) warstwach lub pomi dzy wewn trznymi warstwami a jedn z zewn trznych ( lepe). Do
cz sto przy monta u powierzchniowym stosuje si 4 -warstwowe płyty drukowane, gdzie cie ki sygnałowe s
prowadzone na zewn trznych warstwach, jedna wewn trzna stanowi płaszczyzn zasilania, a druga płaszczyzn
masy. Przył czenie metalizowanych punktów lutowniczych do tych warstw zasilania i masy o du ej bezwładnoci termicznej nast puje przez specjalne tłumiki termiczne (podci cia miedzi wokół metalizacji, nie odcinaj ce
przewodno ci elektrycznej, lecz tłumi ce przepływ ciepła) w celu obni enia ilo ci ciepła odbieranego z lutowia
w trakcie lutowania.
Istniej ró ne odmiany płyt drukowanych np. elastyczne (równie mog by wielowarstwowe z otworami metalizowanymi), kombinacje elastycznych i sztywnych płyt drukowanych itp.
72
Przykładowy automatyczny zespół do demonta u płytek PCB został zaprezentowany na konferencji IEEE
w 2002 roku przez K. Feldmanna i H. Schellera (Rysunek 4.4).
Przed przyst pieniem do automatycznego demonta u elementy toksyczne i nadaj ce si do ponownego wykorzystania usuwane s r cznie. W nast pnym kroku, przy wykorzystaniu trójwymiarowej analizy obrazów nast puje
identyfikacja interesuj cych elementów poprzez porównanie ich ze wzorcami z bazy danych, okre lenie ich
współrz dnych a nast pnie selektywny ich demonta przy u yciu chwytaka i lokalnego działa laserowego w celu
ich wylutowania. Elementy nie wymontowane w sposób selektywny przekazywane s do nast pnego zespołu,
gdzie nast puje ich jednoczesny demonta przy zastosowaniu promienników podczerwieni, ustawionych po obu
stronach płytki PCB. Wylutowywane elementy wypadaj pod własnym ci arem (z dolnej powierzchni płytki)
b d s usuwane szczotkami mechanicznymi (z powierzchni górnej). Nast pnie wszystkie elementy trafiaj sekwencyjnie do segregatora, który przy wykorzystaniu zespołu czujników dokonuje klasyfikacji elementów na
kilka grup, np.: do ponownego wykorzystania, niebezpieczne i zawieraj ce metale szlachetne (do dalszej utylizacji) [20].
73