Návrh a konštrukcia elektronických zariadení (NAVEZ)

Transcript

1 SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY Ústav automobilovej mechatroniky Oddelenie elektroniky, mikropočítačov a PLC systémov (OAEM) Návrh a konštrukcia elektronických zariadení (NAVEZ) 7. Používajú sa tri druhy výrobných postupov: - Subtraktívny postup postup spočíva v odstránení prebytočnej medi (odleptanie) + nízka výrobná cena - Aditívny postup postup znamená nanášanie vodivých spojov - Semiaditívny postup je kombináciou oboch metód, teda niečo sa nanesie a niečo odleptá V technológii dvojstranných a viacvrstvových plošných spojov s prekovenými otvormi sa však v súčasnej dobe používa semiaditivna metóda, ktorá je vhodná predovšetkým pre prototypovú a malosériovú výrobu. Subtraktívnu metódu poznajú takmer všetci, ktorí sa kedy pokúsili zhotoviť podomácky plošný spoj. Jedná sa o leptanie základného materiálu s medenou fóliou, teda o štandardný postup, ktorý sa vyznačuje predovšetkým nízkou výrobnou cenou eur [ Puretch $8.50 [ Resist Films [ 2.2eur Pozitívna vývojka Granule a leptací roztok chloridu železitého Odstraňovač fotocitlivej vrstvy Chemické striebro PCB Resist Pens 2.86eur [ Negative Photoresist Positive Photoresist Dosky plošných spojov EP1P 160x100 DPS foto 1-str. epoxid FR4 [ Semiaditívna metóda výroby plošných spojov Touto metódou je možné vyrábať jednostranné, dvojstranné aj viacvrstvové dosky plošných spojov. Základný postup si ukážeme na dvojstrannej doske s prekovenými otvormi, nespájkovacou maskou a servisnou potlačou. Nasleduje základný popis výrobný plošných spojov. (Technologický postup výroby plošných spojov nie je podrobný a detailný) Výroba dvojstranných DPS Prvotným krokom je zadanie výroby Spočíva v dodaní výrobných podkladov (takzvaných technologických dát) a vyplnenie objednávkového listu. Formát technologických dát a ich rozsah je nutné vopred dohodnúť s výrobcom plošných spojov! Návrhár pri návrhu plošných spojov musí uvažovať tak, aby jeho návrh bol vyrobiteľný! (DFM = Design For Manufacturing) Objednávkový list by mal obsahovať presnú špecifikáciu všetkých dôležitých parametrov výsledného plošného spoja. Príklad konkrétneho objednávkového listu 5 6

2 Pred vlastnou výrobou vykoná výrobca najskôr technologický rozbor zákazky a upraví technologické dáta (doplní) Medzi základné operácie v tejto fáze patrí kontrola, prípadne umiestnenie sútlačových krížov, úprava ostrihových značiek, umiestnenie testovacích obrazcov a vytvorenie galvanickej protiváhy. Galvanická protiváha je približne 2 cm široký prstenec okolo celej dosky plošného spoja. Tento prstenec napomáha homogenizácii prúdových tokov pri galvanických operáciách. Galvanické pokovovanie je elektrolytické nanášanie vrstvy kovu na vodivý povrch Nasleduje vykreslenie filmových matríc, prípadne vytvorenie výrobných kópií. Filmové matrice sa vykresľujú pomocou fotoplotra. Jedná sa o zariadenie, ktoré pomocou lasera vykreslí požadovaný motív na fotocitlivú fóliu, ktorá sa vyznačuje vysokou rozmerovou stálosťou (0,1 až 0,3 mm na 1 meter dĺžky pri zmene teploty o 25 K). Hrúbka filmu je 7 milov (0,18 mm). Motív sa vykresľuje s presnosťou 1-10μm. Výrobné kópie sa potom vytvárajú z matríc osvitom na fotocitlivý materiál. Laserový fotoploter 7 8 Nasleduje výroba plošného spoja. Prvým krokom je formátovanie základného materiálu. Základný materiál pre semiaditivní postup je nosná doska, plátovaná z oboch strán vodivou fóliou medi. Nosná doska môže byť vytvorená z tvrdeného papiera, teflónu, kaptonu, polyimidu, invaru na hliníkovej doske (veľmi nízky koeficient teplotnej dĺžkovej rozťažnosti) atď Formátovanie spočíva v nastrihaní plátovanej dosky na určitý rozmer, vyvŕtanie montážnych otvorov pre uchytenie dosky. Použijú sa pri niektorých výrobných operáciách. Obrúsia sa hrany. Medzi najrozšírenejšie materiály patrí sklený laminát plnený epoxidovou živicou. Materiál sa označuje FR4. Do objednávkového listu je nutné zadať hrúbku tohto materiálu. Štandardne sa používa hrúbka 1,5 mm, k dispozícii sú materiály o hrúbke v rozsahu 0,2 až 3,2 mm Po formátovaní nastupuje vŕtanie na súradnicovej vŕtačke, vyčistenie otvorov a odstránenie otrepov po vŕtaní. Doska plošného spoja sa obloží zospodu 2 mm hrubou drevenou podložkou a zhora 0,2 mm hliníkovou fóliou. Medená fólia môže mať hrúbku 18, 35, 70 prípadne 105μm. Vo výnimočných prípadoch je možné použiť aj hrúbky 5 alebo 9 mikrometrov. Hliníková fólia má dve úlohy: - odvádza teplo, vznikajúce pri vŕtaní - eliminuje jav nazývaný odchýlenie vrtáka. Štandardne sa používa elektrolyticky vylúčená Medená fólia o čistote 99,8% a hrúbke 18μm. Vŕtanie je vysoko presná operácia! Na nosnú dosku sa plátuje vysokým tlakom a teplotou. Polohovanie je riadené s presnosťou 10 mikrometrov = m 11 12

3 Pre uchytenie vrtáka sa používa vysokorýchlostné vreteno ( až otáčok / min.) S riadeným vnorením a odsávaním pilín. Po vyvŕtaní sa doska okefuje. Začistia sa okraje dier - otrepy. Z povrchu medi sa odstránia piliny a mastnoty. Optimálna rýchlosť vnorenia je rovná polomeru vrtáku za jednu jeho otáčku. Vreteno vie samostatne meniť vrtáky pripravené v zásobníkoch. Vrtáky bývajú k dispozícii v škále priemeru od 0,4 mm do 6,3 mm po 0,05 až 0,1 mm. Doska sa potom pripraví na prekovenie otvorov. Táto operácie je najchúlostivejšia v celom výrobnom postupe! Otvory väčších priemerov sa frézujú. Počet polôh v zásobníku súradnicovej vŕtačky je obvykle 9! (SAV = 7)! Prekovenie otvoru sa v súčasnosti vykonáva metódou priameho prekovu. Skladá sa z niekoľkých krokov: - najskôr treba vŕtané otvory chemicky vyčistiť a zároveň narušiť povrch základného materiálu, čím sa obnaží sklená výstuha laminátu. Palladium (Pd) Ďalším krokom je laminácia fotorezistu, osvit motívu a vyvolanie negatívneho motívu Ako fotorezist sa používa 38 µm hrubá fólia fotocitlivého polyméru, ktorá sa v laminátore navalcuje na prekovenú dosku. Pri veľkosériovej výrobe sa však používajú tekuté rezisty. - do takto upraveného otvoru sa v katalyzačnom kúpeli elektrostaticky nanesie 0,1 µm vrstvička paládia (veľkosť zŕn paládia v roztoku je 0,01 µm). Tým sa prepoja obe strany plošného spoja vo všetkých vyvŕtaných otvoroch. Nakoniec sa galvanicky nanesie 6 až 8 µm medi Na takto pripravený dosku sa priloží film s motívom spojov a vykoná sa osvit pomocou 5kW výbojky. Operácia je citlivá na čistotu prostredia (častice 10μm sa už javí ako nečistota). Preto sa musí uskutočňovať v čistých priestoroch, ktoré nesmú obsahovať viac ako častíc väčších ako 1 µm v 1m 3 Film sa musí na vyvŕtanú a prokovenú dosku priložiť s maximálnou presnosťou! Pre presné usadenie slúžia sútlačové značký, ktoré sú umiestnené v rohoch plošného spoja. Film je k doske fixovaný vákuovým rámom. Osvietený rezist sa vyvolá v 1% sóde - vznikne negatívny motív budúcich spojov

4 Na miestach nechránených fotorezistom sa vykoná galvanické zosilnenie medi a nanesie sa leptaniavzdorný rezist. Hrúbka galvanického zosilnenie medi je typicky 20 µm, pričom pomer medzi hrúbkou zosilnenie na povrchu dosky a v prekove je 10:9 až 10:8. Ako leptaniavzdorný rezist sa používa 12 µm hrubá vrstva cínu a nanáša sa opäť galvanicky. Potom sa odstráni fotorezist. Doska je pripravená pre leptanie. Na tomto obrázku najlepšie vynikne výhoda semiaditivní metódy výroby plošných spojov. Výsledná hrúbka spojov je väčšia než odleptávaná hĺbka! Galvanické zosilnenie medi sa totiž vykonáva len na odkrytých miestach, teda v miestach spojov, spájkovacích plôšok a prekovov Pri leptaní dochádza samozrejme k podleptaniu, a teda čím menšiu hrúbku medi leptáme, tým menšie podleptanie dosiahneme. Na obrázku nie je podleptanie znázornené. V tomto okamihu je doska pripravená na testovanie. Typ testerov: Výsledek leptánia a následného odstranení cínového rezistu - optické skenuje sa povrch dosky a zisťujú sa odchýlky testovanej dosky od referenčných dát. - elektrické elektrický tester meria odpor medzi zadanými miestami na doske. - kontrola X-RAY (finálný výrobok) Reálny profil leptanej DPS Na otestovanú a očistenú dosku sa nanesie fotocitlivá nepájivá maska, priloží sa film s príslušným motívom a vykoná sa osvit. Po vytvrdnutí nepájivej masky nasleduje žiarové nanesenie SnPb spájky. Uvedená operácia sa tiež nazýva HAL (Hot Air Levelling). Neexponované miesta sa vyčistia vo vyvolávacom zariadení a maska sa tepelne vytvrdí. Vykonáva sa ponorením dosky do tavidla a potom na štyri sekundy do vane s roztavenou spájkou. Pri vynáraní sa odfúkne prebytok spájky horúcim vzduchom (vzduchovým nožom). Sila nanesenej vrstvy sa pohybuje okolo 10 µm. Spájka zaručuje ľahkú spájkovateľnosť a klimatickú odolnosť spájkovacích plôšok. Úlohou nepájivej masky je chrániť medené spoje pred vonkajšími vplyvmi a zakryť miesta, na ktoré nemá byť nanesená spájka. Zároveň slúži ako ochrana motívu pred nežiaducim skratovaním. Výroba bežných dvojstranných spojov touto operáciou končí. Nasledovalo by len formátovanie na výsledný rozmer

5 Servisná potlač Často chceme z dôvodu prehľadnosti jednotlivé súčiastky na plošnom spoji označiť takzvanou servisnou potlačou. Jedná sa o popis obvykle bielou farbou, ktorá sa na plošný spoj nanáša pomocou sieťotlače. Pri návrhu plošných spojov je nutné dať pozor na to, aby texty neboli vytvorené príliš tenkými čiarami. Metóda sieťotlače v danej technológii obvykle nevie vytlačiť čiary tenšie ako 8 mil-ov (0,2 mm). Rez prekoveným otvorom Na popis sa používajú dvojzložkové epoxidové farby, ktoré sa po nanesení tepelne vytvrdzujú. Pri návrhu plošného spoja je dôležité zabezpečiť, aby žiadne objekty z vrstiev servisného popisu nezasahovali do spájkovacích plôšok! Pozlacovanie Výrobcovia plošných spojov ponúkajú ako súčasť svojej technológie operáciu pozlacovanie. Podľa spôsobu nanášania rozlišujeme pozlacovanie chemické a galvanické. Vlastnému naneseniu zlata však predchádza okrem očistenia povrchu medi ešte niklovanie. Galvanicky vytvorená vrstva medi je totiž značné porézna a pri priamom pozlacovaní by zlato prenikalo do príliš veľkej hĺbky v medi, čo by znamenalo extrémne veľkú spotrebu zlata. Preto sa najskôr nanáša lacnejší nikel a až potom zlato. Pri chemickom nanášaní sa používa 1 µm niklu a 0,1 µm zlata. Galvanická technológia: 5 µm niklu a 1 µm zlata. Chemické zlatenie je vhodné ako ochrana spájkovacích plôšok pri dlhodobom skladovaní dosiek pred ich spájkovaním (viac ako 1 rok). Galvanické zlatenie sa používa pri zlatenie priamych konektora. Posledná výrobná operácia je formátovanie na výsledný rozmer. Používajú sa tri spôsoby: 1) Strihanie pomocou padacích nožníc - jedná sa o najjednoduchšiu, najrýchlejšiu, ale zároveň málo presnú operáciu (± 0,25 mm). Na hranách dosky zostávajú otrepy skleného laminátu. Je vhodné ich zabrúsiť na rovinnej brúske. Ostrih nie je vhodný u dosiek, ktoré majú byť zasunuté do presných drážok (presnosť operácie) a ďalej u dosiek, ktoré prichádzajú do styku s ľudskou pokožkou (ostrapky laminátu). Strihanie sa vykonáva podľa špeciálnych ostrihových značiek alebo menej presne podľa orámovania obrysu plošného spoja. Vzhľadom k výsledným toleranciám a mechanickému namáhaniu materiálu pri strihaní je vhodné dodržať minimálnu vzdialenosť vodivého motívu od okraja dosky: cca 2,5 mm. Pozor na nutnosť vzájomného spojenia všetkých zlátených plôch pri galvanickom nanášaniu! ) Frézovanie - vykonáva sa spravidla na rovnakom prístroji ako vŕtanie, len sa do vretien uchytí miesto vrtáka frézka s priemerom 1,5 až 2,5 mm. Presnosť frézovanie je ± 0,1 mm. Minimálna vzdialenosť motívu od okraja dosky je 1,5 mm. Frézovanie sa ďalej používa na získanie vnútorných otvorov s väčším priemerom, nepravidelných otvorov a výrezov. Za týmto účelom je vhodné vygenerovať v špeciálnej vrstve obrys vo formáte Gerber, ktorý sa použije pre frézovanie. Z týchto dát je totiž možné vygenerovať dáta pre počítačom riadené frézovanie. 3) Drážkovanie - je vhodné pri výrobe veľkého množstva malých dosiek vedľa seba, ktoré navyše majú byť osadzované a spájkované strojovo. Výrobca plošných spojov vykoná iba obojstranné narezanie obrysov a doštičky zostanú vedľa seba ako jedna veľká doska. Narezanie stenčí dosku po celom obvode obrysu na cca 0,4 mm. Šírka drážky je 0,8 mm. Po osadení sa potom jednotlivé doštičky ľahko oddeľte rozrezaním. POZOR! Drážkovanie nie je určené pre následné rozlámanie. Mohlo by dôjsť k zlomeniu SMD súčiastok u okrajov doštičiek. Minimálna vzdialenosť motívu od okraja dosky je 2,5 mm

6 Ekológia Súčasťou výrobného procesu je aj ekológia. [ Drážkovaním je možné spraviť len rovný rez od začiatku prírezu po jeho koniec. Pre realizáciu drážkovania je nutné, aby v technologické okolie prírezu obsahovalo príslušné otvory pre uchytenie a zameranie drážkovačky. Použité chemikálie sa musia neutralizovať v špeciálnej neutralizačnej stanici a zbaviť sa zrazenín na polypropylénových membránach tak, aby do splaškovej kanalizácie odchádzala čistá voda. Z uvedeného postupu vyplýva, že sa jedná o časovo náročný proces. Je overené, že minimálna celková technologická doba výroby je vyššia ako 7 hodín. Z počtu operácií nutne vyplýva, že interná chybovosť výroby nebude nulová (1 až 2%). Video [5b Výroba PCB_ Mechanické opracovanie plošného spoja na drážku - PCB mechanical machining - Vcut.flv] 31 Čistenie vody a neutralizácia 32 Výroba viacvrstvových dosiek plošných spojov Výroba viacvrstvových dosiek plošných spojov semiaditivnou technológiou je odvodnenia od postupu pre dvojstranné dosky. Všeobecne je možné viacvrstvové spoje vyrába buď ďalším postupným vrstvením izolačných laminátov a medených plátov na základné jadro alebo lamináciou jednotlivých tenkých dvojstranných dosiek. V nasledujúcom si popíšeme jeden z možných postupu výroby štvorvrstvovej dosky, pre jednoduchosť len s otvorom prechádzajúcimi celou doskou, pričom vynecháme všetky detaily, zhodné s popisom technológie pre dvojstranné dosky. Najskôr sa vytvorí vodivé obrazce na základnom jadre Na jadro sa postupne navrstvia hrubšie a jemnejšie fólie zo sklenej tkaniny s živicou, ktorá nie je úplne vytvrdená a potom medená fólia. Hrubšie fólie musí vyplniť a vyrovnať nerovnosti na základnom jadre (medzi medenými spojmi). Na jemnejšiu fóliu potom dobre priľne medená fólia Vo výkonnom laminátore (lis s vysokou teplotou a tlakom) sa vykoná vytvrdnutie celej zostavy. Zvonka vyzerá takto vyrobený sendvič ako dvojstranná doska, ďalší výrobný postup bude zhodný s už uvedením procesom: - vŕtanie, prekovenie, fotorezist, zosilnenie medi, leptuvzdorný rezist atď

7 Triedy presnosti Vít Záhlava Návrh a konstrukce desek plošných spojů Principy a pravidla praktického návrhu BEN - technická literatura, Praha 2011 Vít Záhlava Návrh a konstrukce desek plošných spojů Skripta, Vydavatelství ČVUT, Praha