Mönsterkort, ytmontering och lödning Industriell produktion, NE 015 Industriell Elektronik TNE020 Amir Baranzahi amiba@itn.liu.se Tel: 011-363337 Adress: Täppan, Rum 6168

Mönsterkort, MK, (PCB, PWB) Historia 50-talet Första MK, enkelsidiga 60-talet Genompläterade hål, dubbelsidiga 70-talet Flerlagerkort 80-talet Fine line, mindre hål 90-talet Blinda och gömda vior 00-talet Passiv integrering, laser borr, ny teknologi?

Mönsterkortets funktioner, Terminologi Elektriskt förbindning Mekaniskt bärande Isolator (Dielektrisk funktion) Värmeavledande Terminologi Mönsterkort: (kort med lednings mönster utan komponenter), PCB Printed Circuit Board, PWB Printed Wiring Board (USA) Kretskort: (Kort med komponenter), PBA Printed Board Assembly Den vanligaste enheten mil= mili-inch=0.0254 mm= 25.4 m

Krav på basmaterial Elektriskt isolerande värmetålig mekaniskt hållfast dimensionstabilt Icke hygrokopiskt (absorbera ej fukt) Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

Vanliga Basmaterial FR2 Fenolpapper, Pappersark ihoppressade med fenolbartslim, dåliga mekaniska och elektriska egenskaper. FR4 Glasfiberarmerad epoxi, (Epoxi = härdad polymer) Tg=125 till 135ºC, Arbetstemp. -40 till +85ºC, r=2.5-5 BT-epoxi Bismaleimide-Triazine; Härdad epoxi, Tg= +180 till +200ºC, r=3.7 Teflon, Polytetrafluoureten, svårt att få kopparfolie och annat att fästa Polyimide, för flexibla kort, Tg= +260 till +270ºC (FR4= Fire Retardant= Flamskyddande, klass 4) Tg = glasomvanlingsomvandlingstemperaturen Flexibla kort Polyimide flex Polyester (tål inte lödtemperaturen, användbar endast tillsammans med ledande lim) Rigid flex polyimid flex för kontaktering av rigida kort men också del av rigida kort strukturer

Andra typ av mönsterkort Tjockfilm: Mönstret trycks med ledande pasta på keramik Tunnfilm: Förångning/sputtring av tunna metallskikt på glas eller keramik

Tillverkning av mönsterkort, fotolitografi Innerlager Kopparfolie pressning Fotomask Fotoresist plätering Exponering och framkallning Etsning Borttagning av fotoresist Borra hål Kem(isk)koppar (elektroless koppar) Ytbehandling Löd mask Observera att beroende av antal lager kommer de olika stegen i lite olika ordning t.ex. borrning av genomvior och gömdavior Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

Tillverkningsmetoder Additionsmetoden, utgår från basmaterial (glasfiberarmerad epoxi) och lägger mönstret på önskad yta. Subtraktionsmetoden är den vanligaste metoden, Material läggs över hela laminatet och etsar bort det man inte vill ha, kvar blir mönstret. I subtraktions metoden finns det vissa steg som är hämtade från additionsmetoden

Börja med basmaterialet (kärnan) och lägg på Cu folie Kopparfolie, av önskad tjocklek (m) fästs på laminatet och pressas (valsas) Laminatet är en glasfiberarmerad epoxi. Kopparfolien är försett med lim på ena sidan, folien fästs på laminatet och valsas. Foliens tjocklek kan väljas från 15 m och uppåt. För fina ledarbanor ska tunnare folier väljas.

Lägg fotoresist på folien Applicering av fotoresist på koppar ytan Positiv och negativ fotoresist Torr och våt fotoresist Torrfilm resist består av bärfilm, resist och skyddsfilm Torrfilm valsas i torrfilmslaminatorn Våtresist appliceras genom, valsning, ridålackering (spurtas genom ett långsamt munstycke) Screentryck, laminat under en finmaskig duk, resist trycks från andra sidan av duken Spray lackering Våtfilm torkas vid cirka 80 grader eller lägre

Fotomask Mönstret förs över till Laminatet mha en fotomask, Fotomasken tillverkas i en så kallade fotoplotter. Fotomaskfilmen kallas för Lithfilm och består av en plastfilm och en ljuskänslig skikt (jfr, vanlig fotografering). Mönstret ritas mha en laserstråle eller en vanlig ljuskälla som passerar genom ett litet hål och får en liten fläckdiameter. Filmen framkallas, de delar som exponerades för ljus blir svarta, man har fått en negativ. Det finns positiv fotomask också (Filmen är redan härdad, de delar av filmen som träffas av ljus löses i framkallningsvätskan).

Exponering genom fotomask Fotoresisten exponeras för ljus genom en fotomask. Fotomasken placeras över fotoresisten, det är viktig att masken sitter tät mot resisten så att bara väldefinerade områden exponeras (Använd vakuum sug) Ämnet exponeras för UV ljus och framkallas. Fotoresist som utsattes för ljus härdas (polymeriseras), icke exponerade partier tvättas bot i framkallningen (negative resist).

Framkallning, Etsning Fotoresisten framkallas, de delar av resisten som exponerades för ljus sitter kvar medan framkall- ningen tvättar bort resten (negativ resist) Nu läggs kortet i en etsvätska (en lösning som attackerar metallen men påverkar inte fotoresisten) Observera att etsning tar i sidled också (underetsning)

Strippning av fotoresisten Fotoresisten som nu har gjort sitt tas bort, Strippning, genom att tvätta ämnet i en resist borttagare, t.ex. natriumkarbonat. Nu har vi fått en positiv mönster av koppar på basmaterialet. Notera att negativ mask och negative resist ger en positiv mönster. Pss. Positiv mask och positiv resist ger en positiv mönster.

Borra hål, genomplätera Hål borras (vanligen med en precisions borrmaskin, laser borrning börjar användas allt mer) Kemisk koppar (Elektroless koppar) pläteras genom hålet Ytan skyddas gen att lägga ni/Au, Tenn eller OSP (Organic Solderability Presevatives)

Lödmask När kortet är färdig skyddas den med en så kallade lödmask. Lödmaskens uppgift är att bara lödytorna ska vara tillgängliga för lodet att fästa samt att undvika lödbryggor mellan närliggande banor Tekniken är mycket likt fotoresistens, torrfilmsmask, våtmask, exponering framkallning, strippning (öppning i lödmasken)

Förvaring Luftens syre, fuktighet och föroreningar försämrar lödbarheten därför bör korten användas så fort som möjlig. Papper och kartonger innehåller svavel, förvara inte direkt i kartonger utan låt original förpackningen av plast vara kvar. SN/Pb 12 månader Ag/Au 12 månader OSP 6 månader Cu+kemisk Sn 1 månad Bar Cu med lödlack 1-3 månader Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

Flerlager kort Färg förklaring Flerlager kort tillverkas enligt samma principer som enkel kort i flera steg. Ett 4 lager kort med båda genom vior och gömda vior Glasfiber armerad substrat Koppar Ytbehandling (vanligen ni/Au eller Sn) Epoxi Lödmask Färg förklaring

Olika typ av vior Blind via Burried (gömd) via Tvärrsnitt av Sony’s Videokamera kort Källa: Prismark

Ett åtta lager mobiltelefonkort

En del av ett mobiltelefonkort

En del av ett mobiltelefonkort

Lödmask täcker också epoxins svampighet och minskar risken för fukt absorbtion Koppar bana

Viktiga uttryck och termer Basfilm:bärare av ledningsfolie Basmaterial: Mönsterkortlaminat, Bindningsmaterial: material som binder samman innerlager, kopparfolie etc. Blind via: ej genomgående metalliserade hål Bärfilm: bärare av torr fotoresistfilm Elektroplätering: applicering av metall via elktrokemisk metod Epoxi Härdplast, polymer material Emulsion: benämning för ljuskänslig skikt. Etsning: Process som avlägsnar överflödig material (oftast i en lösning) Flexkort: böjbart mönsterkort Fotolitografi: metod att föra över ett mönster till ett ljuskänsligt skikt Fotomask:Fotolitografisk film FR: Fire retardant, flamskyddande. Hygroskopisk: vatten/fukt absorberande Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

Viktiga uttryck och termer forts. Kemisk koppar, Kemkoppar: Elektroless beläggning av koppar på en yta, kemisk fällning av koppar ur en vätska. Laminat: Material av sammanfogade tunna skikt ledningsbanor: Ledningsmönster mellan lödytorna Lithfilm: litografiskfilm Lödmask: Maskerar ytor/banor som inte är lödytor. Mil: tusendelstum=0.0254 mm mikrovia: via med diameter<0.2mm OSP: organic soldeability presevatives Pad: löd-ö Panel: Laminat/kort i standard format rymmer flera mönsterkort Resist: ytskikt som motstår t.ex. ets, plätering eller kemikalier Strippning: avlägsning av t.ex. fotoresist Underetsning: etsning i sidled

Förbindningsteknik En elektronisk produkt består av flera delar (komponenter) för att få alla delar ihop behöver man En bärare (mönster kort, Eng. Printed Circuit (Wiring) Board, PCB (PWB). Komponenter ska förbindas med varandra enligt vis mönster (konstruktion svengelska: design) och förbinda komponenterna med varandra Förbindning sker på flera olika sätt Lödning (Soldering) Tråd bondning (wire bonding) Ledande lim (conductive epoxy) Glidkontakter, kontakt don, skruv och mutter etc.

Lödning Lödning är centralt i elektronikproduktion. En mobiltelefon, t.ex. har 2-5000 löd punkter. En process som gör ett fel på 1000 medför att alla tillverkade mobiltelefoner blir felaktiga. Lödningsfel av mer än ett fåtal per miljon är inte accepterade. (felen räknas i ppm , parts per million)

Lod Material som används för att löda ihop två metaller kallas för lod. Notera terminologin Lodpasta men lödtråd Lod har flera funktioner Elektrisk förbindning mellan komponenterna Hålla komponenterna på deras respektive plats på mönster kortet, därmed måst den vara tillräcklig stark. Leda bort värme. Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

Lödbarhet (solderability) För att kunna löda måste vissa krav vara uppfyllda Värme: Måste vara möjlig att värma lödområdet (inom rimlig tid) utan att förstöra kort eller komponenter. Vätbarhet: Komponentben/termineringar måste ha en yta som väts av smält lod. Hållbara och stabila material i komponent ben och termineringar. Komponentben ska inte lösas in i smält lod.

Vätning Terminering (metalliserade kontakt) Lodpasta Löd-pad komponent Före smältning Terminering (metalliserade kontakt) Lodpasta Löd-pad Bra vätning komponent Icke-vät Efter smältning

vätbarhet Ingen vätning Väter bra Lod Oxid koppar Lod koppar Lod väter endast på rena metall-ytor (dock olika vätningsgrad på olika metaller)

Perfekt lödd

Dålig lödning

Lödning Eutektisk lod (kallas också mjuklod): Lod smälter gradvis från fast till flytande och omvänt, stelnar det gradvis. Temperaturintervallet mellan fast och flytande kallas för smält- respektive stelningsintervall. Smält- och stelningsintervall beror på lodets sammansättning Blandningen 63/37 (63% tenn, 37% bly) kallas eutektisk lod och saknar smält- och stelningsintervall. Eutektisk lod (kallas också mjuklod): + Önskvärt att stelningen går fort (mindre risk att detaljerna rubbas). - Mindre bra att ta upp mekaniska krafter

Lodpasta, lödtråd Vid ytmontering används lodpasta. Små partiklar av tenn-bly med viss diameter som är uppblandade med lösningsmedel, bindemedel och flussmedel. Diametern av Sn/Pb är viktig, liten diameter betyder mera ytoxid och mera fluss går åt. Stor diameter kan göra det svårt att stenciltrycka genom små öppningar. Tråd, används framförallt i reparation och småskalig manuell produktion, tråden är ihålig där hålet är fylld med flussmedel.

Lodpasta