Metoder och processer vid Elektronikproduktion TNE045

Metoder och processer vid Elektronikproduktion TNE045 Amir Baranzahi amiba@itn.liu.se Hösttermin 2007 Innehåll Introduktion Mönsterkortsmaterial &-funktioner Mönsterkortstillverkning Mönsterkortsdesign Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Trådförbindning & Flip Chip Kapsling & olika kapseltyper Olika Byggsätt Termiska egenskaper Toleransbudget Livslängdsanalys Sid 2 1

Varför Mönsterkort? Hur tillverkades elektronik innan det fanns mönsterkort? Sid 3 Mönsterkortets funktioner Mönsterkortet har främst 4 funktioner Elektrisk förbindning Mekaniskt bärande Isolator Värmeavledande Sid 4 2

Mönsterkortets funktioner Elektrisk förbindning Sid 5 Mönsterkortets funktioner Mekaniskt bärande Sid 6 3

Mönsterkortsmaterial Elektriskt isolerande värmetålig mekaniskt hållfast dimensionsstabilt Ett material som expanderas mycket med värme och krymper mycket med kyla utsätter komponenterna, som inte utvidgas lika mycket, för stora påfrestningar. Icke hygroskopiskt (absorbera ej fukt) Vanligt vatten innehåller laddade partiklar (joner), vatten i/på mönsterkort försämrar dess isoleringsförmåga och i västa fall leder till kortslutning av icke önskade anslutningsben Sid 7 Mönsterkortsmaterial Fenolpapper (FR2) (Vänster) Ett kretskort från tidig 70 tal, basmaterialet i mönsterkortet är fenolpapper, (Höger) Ett laboratoriekort i fenolpapper med möjlighet att löda komponenter på den, (Elfa 2007) Sid 8 4

Mönsterkortsmaterial forts. Glasfiberarmerad epoxi, FR4 Polyimide BT (Bismaleimide triazine) Teflon Keramik Flexibla mönsterkort Flex-Rigid Sid 9 Mönsterkortstillverkning Material: Laminat, fotomask, fotoresist framkallningsvätska, etsvätska Samt relevant utrustning Sid 10 5

Mönsterkortstillverkning 1: Borra håll Försök att ha lägsta antal olika håldiametrar Monteringshål komponentshål Viahål 2: Borsta: Borrning lämnar vassa kanter, polera (borsta) laminatet efter borrning Sid 11 Mönsterkortstillverkning 3: Plättera koppar Först kemisk koppar (laminatet läggs i en kopparlösning) Sedan elektrokemisk (laminatet läggs i en annan kopparlösning och kopplas till spänningskälla) Alla hålen kommer att bli belagda med koppar (koppar skikten på ömse sidor av kärnan blir elektriskt förbundna med varandra. Sid 12 6

Mönsterkortstillverkning 4: Lägg på fotoresist Våt fotoresist Torr fotoresist Sid 13 Mönsterkortstillverkning 5: Lägg på fotomask och Exponera Sid 14 7

Mönsterkortstillverkning 6: Framkalla Framkallning innebär att icke-exponerade områden av fotoresist tvättas bort i I framkallningsvätskan Sid 15 Mönsterkortstillverkning 7: Etsa Etsvätskan (finns många olika kemikalier) är ett frätande ämne som löser alla Kopparytor som inte är skyddade av fotoresist. Sid 16 8

Mönsterkortstillverkning Etsa inte i onödan. Etsning påverkar miljön och ekonomin. Ju mera ytor som ska etsas desto mer kemikalier går åt. Koppar är bra att ha så mycket som möjligt på mönsterkortet. Koppar avleder värme och bidrar med effektivare kylning av elektronik Sid 17 Mönsterkortstillverkning 8: Ta bort fotoresist i resistborttagare. Sid 18 9

Mönsterkortstillverkning 9: Lödmask Lödmask skyddar alla kopparytor som inte är lödytor samt Hindrar lod att flyta utanför lödytan Sid 19 Mönsterkortstillverkning 10: Skydda lödytorna mot oxidering Förgyllning Förtenning OSP (Organic Solderability Presevatives). Sid 20 10

Mönsterkortstillverkning 11: Text- och komponentbeteckning Sätt endast komponenbeteckning (R1, C3, L4, T2 etc) sätt inte komponentvärden (R1=1kΩ, C3= 10nF etc) Sid 21 Sammanfattning av tvålagerskortstillverkning 1 4-fotoresist Monteringshål komponentshål 5-exponera 1-borra hål Viahål 6-framkalla 2-borsta/polera 3-plättera Sid 22 11

Sammanfattning av tvålagerskortstillverkning 6-framkalla 9- Lödmask 10- skydda lödytor 7-etsa 8-Ta bort resist 11- nomenklatur Sid 23 Flerlagerkort Sid 24 12

Flerlagerkort, varför flerlager? Sid 25 Flerlagerkort Sid 26 13

Flerlagerkort Sid 27 Flerlagerkort Tryck och värme Sid 28 14

Flerlagerkort Lägg på fotoresist, exponera, framkalla Etsa koppar i kopparets Sid 29 Flerlagerkort Etsa isolatorn i isolatorets Resten av processen är som i tvålagerkort efter borrning av hål med koppar Plättering, fotoresist, exponering, framkallning etc. Processen upprepas med ytterliggare lager, till 6, 8, 10,12 etc. Sid 30 15

Flerlagerkort Andra metoder att göra vior Via eller viahål är ett hål som förbinder (elektriskt) två punkter på olika lager. Det finns tre typer av vior: genomgående vior, gömda vior och blinda vior *. Blind via Genomgående via Gömd via Sid 31 Flerlagerkort: Andra metoder att göra vior SLC-laminat, Surface Laminar Circuits Lägg på isolering Skapa viahå i isolatorn (laser borr eller etsning) Lägg på koppar Överför sedan mönstret enligt tvålagerkort (efter borrning av hål) Sid 32 16

Sid 33 Flerlagerkort: Andra metoder att göra vior PERL-laminat, Plasma Etched Redistribution Layer Lägg på isolator och koppar (tryck och värme) Etsa koppar i koppar ets Etsa isolatorn i plasma Lägg på koppar i vior Överför sedan mönstret enligt tvålagerkort (efter b0rrning av hål) Sid 34 17

Flerlagerkort: Andra metoder att göra vior B 2 IT-laminat, Burried Bump Interconnection Technology Tryck silverpasta på en kopparfolie och härda kopparfolie med isolator över den första kopparfolie Pressa kopparfolie med isolator På den första kopparfolie Mönstra (litografi, etsning, etc enligt tvålagerkort) Sid 35 Flerlagerkort: Andra metoder att göra vior B 2 IT-laminat, Burried Bump Interconnection Technology Upprepa med tryckning av silverpasta, härdning, Pressa kopparfolie och isolator och mönster till önskad antal lager Notera exempelet saknar styv (glasfiber) kärna. Det Går att först göra en vanlig 2lagerskort på FR4 och sedan Tillämpa B 2 IT. Sid 36 18

Flerlagerkort: Andra metoder att göra vior ALIVH-laminat, Any Layer Inner Via Hole Sid 37 Flerlagerkort: Andra metoder att göra vior ALIVH-laminat, Any Layer Inner Via Hole Sid 38 19

Kapitel 3: Mönsterkortdesign 3. Mönsterkort Design 3.1. Designprogram 3.2. Standarder IPC-2221 Generic Standard on Printed Board design www.ipc.org 3.4. Kretsschema Schematic 1, 2, 3 3.5. Måttenhet metric, imperial, mm eller mil 3.6. Arbeta i Grids (rutnät) 3.7. Arbeta från toppen Sid 39 Kapitel 3: Mönsterkortdesign 3.8.Ledarbanor 3.9 Paddar Bredd, avstånd, vinkeln 2,0 mm Sid 40 20

Kapitel 3: Mönsterkortdesign 3.8.Ledarbanor, Bredd, avstånd, vinkeln Sid 41 Kapitel 3: Mönsterkortdesign 3.8.Paddar Sid 42 21

Kapitel 3: Mönsterkortdesign 3.9. Termiska massa Koppar balans Sid 43 Kapitel 3: Mönsterkortdesign 3.11. Avstånd och säkerhetsmarginaler Spänning (DC eller topp AC) Innerlager Ytterlager (<3050 m höjd över havet) Ytterlager (<3050 > m höjd över havet) 0-15 V 0.05 mm 0.1 mm 0.1 mm 16-30 0.05 mm 0.1 mm 0.1 mm 31-50 0.1 mm 0.6 mm 0.6 mm 51-100 0.1 mm 0.6 mm 1.5 mm 101-150 0.2 mm 0.6 mm 3.2 mm 151-170 0.2 mm 1.25 mm 3.2 mm 171-250 0.2 mm 1.25 mm 6.4 mm 251-300 0.2 mm 1.25 mm 12.5 mm 301-500 0.25 mm 2.5 mm 12.5 mm Sid 44 22

Kapitel 3: Mönsterkortdesign 3.12. Komponentplacering Sid 45 Kapitel 3: Mönsterkortdesign bestäm din snapgrid, synlig grid och default spår- och pad- storlekar. Ladda ner alla komponenter på skrivbordet. Tänk i funktionella block, placera komponenterna i blocken där det är möjligt Identifiera kritiska spår (förbindningar) och lägg dessa först. Placera och förbind varje block separat, utanför kortet. Flytta det färdiga blocket till mönsterkortet. Lägg resterande ledarbanor, inom och mellan blocken, samt ström-försörjningsbanor. Städa mönsterkortet. Kontrollera designregler (se nästa avsnitt) Placera inte komponenterna på sådan sätt att optimera användning av tillgänglig yta. Detta kan fungera för små kretskort men blir mycket svårt att lägga ledarbanor för stora komplexa kretsscheman. Det blir omöjligt att förbinda komponenter blandat i olika funktionella block. Sprid inte heller dina komponenter mycket glest, det leder till onödigt stort mönsterkort. Sid 46 23

Kapitel 3: Mönsterkortdesign Många program föreslår ett mönsterkort direkt från kretsschemat och laddar ner komponenterna. Om komponentnerladdning inte görs automatisk, ladda ner alla komponenterna manuellt. Placera dem vid sidan av mönsterkortet. Du ser om du har gott om utrymme eller det blir trångt. Om utrymmet är trångt får du jobba hårt med placering och förbindning. Är det gott om utrymme kan du vara lite generösare med placeringen. Analysera nu ditt kretsschema, identifiera olika funktionella block. Aktiva filtrar t.ex. har massor med komponenter och förbindningar men endast en ingång och en utgång. Aktiv filter är ett klassiskt byggblock. Placera alla komponenter i byggblocket nära varandra och lägg ledarbanor. Låt blocket stå utanför mönsterkortet än så länge. Identifiera alla byggblock och bygg dessa och låt stå utanför kortet. Partitionera kortet för elektrisk känsliga delar. Blanda inte högspännings- och lågspänningskomponenter, blanda inte högfrekvens och lågfrekvens, blanda inte analog- och digitalkomponenter. Vissa blandningar stör varandra till den grad som det färdiga kretskortet inte fungerar som den ska. Nu är det dags att placera alla dina byggblock samt komponenter som inte hamnade i något block. Sid 47 Kapitel 3: Mönsterkortdesign Symmetri är estetisk tilltalande, placera komponenterna och blocken symetrisk så långt som det går, t.ex. alla IC:ar i samma riktning, alla kondensatorer i samma riktning, alla resistorer i samma riktning etc. Glöm inte att den elektriska funktionen är målet, estetik får inte ske på bekostnad av dålig funktion. Om du har placerad dina komponenter rätt, är 90% av jobbet gjort, 10% av jobbet är att lägga ledarbanor. När du är nöjd med komponentplaceringen börja med ledarbanor. När du är färdig låt dator samt någon person granska din design. Om du inte har någon och datorn har inte den funktionen skriv ut din design, använd en överstryckningspenna och granska ledarbana efter ledarbana och jämför med kretsschemat. Färglägg alla granskade förbindningar så att inget lämnas åt slumpen. Nu kan du vara säker att designen är elektriskt korret. Sid 48 24

Kapitel 3: Mönsterkortdesign 3.13. Grundläggande regler om ledarbaneläggning (Routing, tracking) Ledarbaneläggning är processen att förbinda komponenterna på kortet. En elektrisk förbindning mellan två eller flera paddar kallar vi för ett nät eller ett spår. Gör alla nät så kort som möjligt. Ju längre nätet är desto högre är dess resistans, kapacitans och induktans, vilka är inte önskvärda. Spår ska endast ha 45 graders svängar. Undvik 90 grader och under inga omständigheter ska vinklar större än 90 grader får förekomma. (b) (a) (c) Sid 49 Kapitel 3: Mönsterkortdesign Undvik snygga avrundade spår, det gör tillverkningen svårt. Lägg inte spår fågelvägen det låter mest optimal men snart får du problem med korsande spår. Gör elektriska grid:en enable datorn hittar då lätt mitten på padden och avslutar spåret automatiskt. det är speciellt viktig om det finns komponenter som inte är linjerade i snap grid:en. Lägg inte flera korta spår efter varandra (i samma nät) utan bara ett spår. Detta gör ingen skillnad i det färdiga kortet men om någon annan ska göra ändringar i din design i framtiden blir det mycket jobbig. Den som gör framtida modifikationer kan vara du själv. Dra endast ett spår mellan paddar av 100 mils avstånd. 2 och 3 ledningar mellan 100 mils paddar är inte omöjligt men undvik 2 och 3 ledningar om du absolut inte måste. Använd flera vior för Högströmledningar när dessa dras mellan flera lager. Detta leder till lägre resistans och högre tillförlitlighet. Sid 50 25

Kapitel 3: Mönsterkortdesign Avsmalna spåret som dras mellan trånga paddar. Om avståndet (kant till kant) mellan 2 paddar är 40 mil, kan spåret avsmalnas till 10 mil. detta ger 15 mils fritt avstånd till varje pad. Om strömförsörjningen är kritiskt, lägg strömspåren först, gör strömspåren så breda som möjlig. Placera jord och strömledningen nära varandra om möjligt. Undvik att jord och strömspåren går i motsatsriktning runt kortet. Låt symmetrin gälla också ledningsdragningen, det blir snyggare och lättare att överblicka. Lämna inga isolerade koppar kvar. Jorda överbliven koppar eller ta bort dem. Sid 51 Kapitel 3: Mönsterkortdesign Sid 52 26

Kapitel 3: Mönsterkortdesign Avslutande putsningar Lägg chamfer på alla T korsningar. Detta är speciellt viktig om ledningar är 25 mil eller tunnare. Chamfer eliminerar alla 90 graders övergångar samt underlättar etsningen av avrundade hörn. Kontrollera att alla monteringshål finns med, lämna utrymme med god marginal för skruvar, O-ringar och muttrar. Minimera antalet håldiametrar, ju flera håldiametrar desto dyrare blir tillverkningen. Dubbelkolla alla håldiametrar, undvik dyra överraskningar. Kontrollera att alla vior är lika varandra. Samma storlek på alla vior. Se till att komponenter har lagom avstånd till varandra. Komponenter med metalliska delar eller anslutningar som sticker ut kan orsaka fel genom utslag genom luften om spänningsskillnaden mellan två sådana punkter är stor. Ändra visningsmoden till draft den visar kortet som den kommer att se ut. Här ser du om du exempelvis har en ledningsbana som inte går till mitten av padden. Lägg tår-droppar på alla hålmonterings-paddar och alla vior. tårdroppar gör designen mycket robust. Sid 53 Kapitel 3: Mönsterkortdesign Avslutande putsningar Tårdroppe Chamfer Sid 54 27

Kapitel 3: Mönsterkortdesign Enkelsidig design Jumper link Sid 55 Kapitel 3: Mönsterkortdesign Dubbelsidig design Lödmask Beteckning/nomenklaturs lager Sid 56 28

Kapitel 3: Mönsterkortdesign Råttboet Rat nast Sid 57 Kapitel 3: Mönsterkortdesign Fram- och bak-uppdatering Flerlagerdesign Sid 58 29

Kapitel 3: Mönsterkortdesign Strömförsörjning och jordplan Jordningsteknik Kopplingkondensatorer Högfrekvens-designteknik Sid 59 Kapitel 3: Mönsterkortdesign Designregel-checkpunkter, DRC (Design Rule Checkpoints), DRC tillåter automatisk kontroll av att alla förbindningar är avslutade (ingen förbindning hänger i luften ), att nödvändigt avstånd har beaktats, etc. Exempel av vad du kan kontrollera med DRC är Förbindning (connectivity), att alla förbindningar överensstämmer med ditt kretsschema. Avstånd, clearance, kontrollerar att alla avstånd mellan pad, ledarbana, och komponent har beaktats. Tillverkningstolerans; att linjebredd, håldiameter, via diameter etc. ligger inom specificerade gränser. DRC görs i slutet av designen, modernare program ger möjlighet att göra kontrollen medan designen pågår. Sid 60 30

Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Kretskort Komponentplacering och lödning Hålmontering Sid 61 Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Hålmonterings komponenter Montering av komponenter Sid 62 31

Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Lödning av hålmonterade komponenter Våg lödning Förvärme Lodgryta Fluss Sid 63 Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Ytmontering Sid 64 32

Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Lodmaterial: Tenn-bly Blyfri Tillsatser Lodpasta: består lodpasta av lodkulor, bindemedel, flussmedel och viskositetsreglerande medel. Lodkulors diameter varierar från några få µm till över hundra µm och numreras med 1, 2,3 etc Solder Sphere Diameter Type µm mil 1 75-150 3-6 2 45-75 1.8-3 3 20-45 0.8-1.8 4 20-36 0.8-1.4 5 15-25 0.6-1 6 5-15 0.2-0.6 Sid 65 Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Lodmaterial: Tenn-bly Sid 66 33

Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Lodmaterial: Tenn-bly Finkornig lödfog snabb avsvalning efter lödning (vänster) och grövre korn vid långsam avsvalning (=längre tid vid hög temperatur), höger. 300 timmar vid 155 C. Kornen har växt stora i båda fallen Sid 67 Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Tenn-blys fasdiagram Sid 68 34

Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Blyfritt lod Bly i elektronik kommer att förbjudas år 2008 Det finns en uppsjö av alternativ, alla har sina för- och nackdelar Det viktigaste kravet som blyfri lod ska uppfylla är att dess smältpunkt ska inte avvika mycket från det blyade lodet. här är några exempel Lod Smältpunkt kommentarer 100% In 157 C Mycket dyr, korrosionskänslig 60 Sn/40Bi 138-170 C Dålig mekanisk styrka 91 Sn/9 Zn 199 C Oxiderar fort 96,5 Sn/3,5 Ag 221 C Bra mekaniskt, hög smältpunkt 99.3 Sn/0.7 Cu 227 C Hög smältpunkt, Mekaniskt? 95,5 Sn/3,8 Ag/0.7 Cu 217 C Ganska lovande Sid 69 Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Lodpastatryckning 1-Stencil Stencil är en mall med hål för att trycka lodpasta på mönsterkort Stenciltjockleken är mellan 0,1 till 0,2 mm Sid 70 35

Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Lodpastatryckning 1-Stenciltillverkning: tre sätt att tillverka stencil I) Etsning II) Borra hål med laser. En small laserstråle smälter plåten och öppnar ett hål. Stråldiametern är mycket liten. För att öppna, exempelvis ett hål av 0,1 mm x 0,2 mm sveps strålen längs omkretsen av motsvarande rektangel. Stencilväggar blir skrovliga III) Elektroformad stencil Sid 71 Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Lodpastatryckning Kontakt-tryckning Stencil Rakel Lodpasta Mönsterkort Lödyta Mönsterkort Sid 72 36

Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Lodpastatryckning Snap-off-tryckning Stencil Rakel Lodpasta Mönsterkort Lödyta Sid 73 Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Lodpastatryckning Rakeln: Rakeln är antingen av metall eller gummi. Metall rakeln brukar ge bättre tryckresultat men sliter mera på stencilen. Gummirakeln slits snabbare och måste slipas (vässas). Sid 74 37

Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Lodpastatryckning: tryckresultat Sid 75 Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Lodpastatryckning Sid 76 38

2010-02-22 Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Lodpastatryckning: tryckresultat Sid 77 Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Lodpastatryckning: tryckresultat Sid 78 39

Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Dispensering: Dispensering är att trycka ut utvald mängd lodpasta från en tub på utvald plats. Dispensering används som komplettering till stenciltryckning. Dispensering används också för applicering av lim. Sid 79 Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Komponentplacering Komponent förpackningar Sid 80 40

Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Komponentplacering Vakuumsug av komponent från rulle, tub eller bricka, kollar och mäter komponentens läge, (det finns monterings maskiner som gör dessutom elektriska mätningar, resistans och kapacitans-mätning, diodens polaritet, etc) Placering Komponenterna måste placeras mjukt för att undvika Sn-Pb stänk Det ska vara snabbt, de bästa maskinerna klarar över 20000 Chipkomponenter/timme. Monteringsutrustningen ska dessutom vara flexibel, lätt att snabbt ställa om till ny produkt och nya komponenter. Sid 81 Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning En typisk montering maskin Bild och data: Mydata AB Standard performance: 6,500 CPH (tact time 0.55). HYDRA Speedmount:: 21,000 CPH on chips (tact time 0.17 s). Linescan Vision System (LVS): 6,100 CPH on fine-pitch components (tact time 0.59 s). Repeatability of 15 m at 3 sigma. Sid 82 41

Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Komponentplacering Efter komponetplacering avsynas kortet under förstoringsglas Det finns Helautomatiska avsyningsystem. Korten som är felaktiga (komponent saknas, komponent har förflyttats etc) placeras vid sidan för åtgärd. Manuell avsyning sker under förstoringsglas. Fel åtgärdas direkt, placera en komponent om det saknas, vrida rätt komponenten om den har förflyttats osv. Sid 83 Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Omsmältningslödning När alla komponenter är placerade körs kortet genom en ugn. Temperaturen ökas successive Sid 84 42

Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Lodpasta tryckning Avsyning av tryckresultat Komponentplacering 1-montering av små komponenter i plockmaskiner, chip shooters 2-montering av större komponenter i fine pitch -maskiner, långsammare men noggrannare maskiner Avsyning av komponentplacering Omsmältning Avsyning av lödresultat Sid 85 Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Mer om lödning Lödning är möjlig endast på metallytor rena från oxider och smuts. Fluss (kemikalier) används för att ta bort oxid och föroreningar. Lödningen blir bra om lodet väter på komponentanslutning och på lödyta. Lod Oxid Ingen vätning koppar Lod koppar Väter bra Sid 86 43

2010-02-22 Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Mer om lödning anslutning (metalliserade kontakt) komponent Lodpasta Löd-pad Före omsmältning Bra vätning Icke-vät komponent Efter omsmältning Sid 87 Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Mer om lödning Bra lödning För lite lodpasta, svag lödfog Tål inte skakningar och andra krafter Sid 88 44

Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Mer om lödning Lödning skapar intermetaller (på gott och på ont). 100% lod 80%/20% lod/koppar 60%/40% 40%/60% 20%/80% 100% Koppar Sid 89 Kapitel 4: Kretskort, Hålmontering, ytmontering, lödning Mer om lödning Lödning skapar intermetaller (på gott och på ont). Mängden intermetaller ökas med tiden och ju längre tid vid hög temperatur desto mera intermetaller blir det. vissa intermetaller har sprängkraft en del intermetaller är spröda. När koppar, Cu, och tenn, Sn, reagerar bildas antingen Cu 6 Sn 5 eller Cu 3 Sn, beroende på mängden tillgängliga koppar och tenn samt temperatur och tid. Sid 90 45

Kapitel 5: Trådförbindning 1-Guldtråd-förbindning Sid 91 Kapitel 5: Trådförbindning 1-Guldtråd-förbindning Sid 92 46

Kapitel 5: Trådförbindning 1-Guldtråd-förbindning Sid 93 Kapitel 5: Trådförbindning 2-Aluminium wedge-förbindning Sid 94 47

Kapitel 5: Trådförbindning Jämförelse mellan Wedge och Ball bondning Fördelar Nackdelar Guld-ball förbindnina Al-Wedge förbindning 2-4 gånger snabbare än Albondmaskiner Kan användas för att göra Stud Bump Flip Chip Kan bondas på billiga laminat eftersom bondningen kan ske vid rumstemperatur. Kan bonda grova trådar (upp till mm tjock) Måste bondas med substratet/laminatet > 100 C Långtidstillförlitlighetsproblem i svår miljö Långsam Sid 95 Kapitel 5: Trådförbindning 99 % av alla världens IC bondas med Au-ballbondmaskiner. Al-wedge-bond används ALLTID vid bondning till effekthalvledare eftersom grova trådar krävs. Al-tråd används ibland för applikationer med höga g-krafter Minsta pitch i produktion för båda Al-wedge och Au-boll är 60 µm Sid 96 48

Kapitel 5: Trådförbindning Bondning av effektkomponenter dvs. trådar där stora strömmar flyter För höga strömmar behövs det grova trådar, Al-tråd används av kostnadsskäl. Vanligaste Al-trådarna har en diameter större än 70 µm Höga strömmar innebär värmeutveckling i bl.a. bond-tråden. Temperaturvariation medför variation i trådens längd. Viktigt att Al-trådar bondas med en korda enligt följande figur dvs. H 0 skall vara minst 25 % av avståndet mellan bondpunkterna! Bilden nedan visar hur Al-tråden utvidgas (CTE Al =24 ppm/ C) då höga strömmar löper genom den. Om Al-tråden är dragen med för liten korda, H 0, blir påfrestningarna för stora vid Al-trådens två bondpunkter (Utmattning) Sid 97 Kapitel 5: Trådförbindning Vilka metaller kan bondas utan att få tillförlitlighetsproblem efter lång tid i drift? Tråd Kan bondas på Bör inte bondas på Au Au, Ag, Pd, Au+Ni Cu Al Au, Au+Ni, Al, Ni Ag, Cu Sid 98 49

Kapitel 5: Trådförbindning 2-Flip Chip Flip chip, som namnet säger är ett sätt att skapa förbindning genom att vända chipset och lägga den på kapseln (och ibland direkt på mönsterkort) Sid 99 Kapitel 5: Trådförbindning 2-Flip Chip Kiselchips Nivå1 bump Komponentbärare Nivå2 bump Sid 100 50

Kapitel 5: Trådförbindning 2-Flip Chip För- och nackdelar av Flip Chip jämfört med trådförbindning Kortare förbindningslängder (jämfört med trådförbindning) ger lägre induktanser. Mindre induktanser innebär mindre effektförluster. I trådförbindning kan endast chipset periferi utnyttjas för förbindning. I flip chip kan hela ytan utnyttjas vilket ger utrymme för betydlig flera förbindningar på samma chips storlek. Kapseln kan minskas avsevärd jämfört med en trådförbundet kapsel. Alla förbindningar sker i ett enda steg, således är inte kostnaden beroende av antal bumpar. I trådförbindning är kostnaden proportionell mot antal förbindningar. Sid 101 Kapitel 5: Trådförbindning 2-Flip Chip Hur läggs Bumpar? bump Kiselchips Sid 102 51

Kapitel 6: Kapsling och olika kapseltyper Sid 103 Kapitel 6: Kapsling och olika kapseltyper Sid 104 52

Kapitel 6: Kapsling och olika kapseltyper Sid 105 Kapitel 6: Kapsling och olika kapseltyper Kapslingens för- och nackdelar +Att skydda kiselchipset från yttre påverkan samt att göra den robust och hanterbar. -kostnader, i många enklare komponenter är kapslingskostnaden flera gånger högre än kiselchipset. -Signalen går längre vägar vilket minskar signal/brus förhållandet. frekvenskritiska system blir långsammare. -En bra kapslingsteknik är en kompromiss av för- och nackdelarna Sid 106 53

Kapitel 6: Kapsling och olika kapseltyper Olika Kapseltyper DIL, Dual In Line; oftast med tillägget plastic DIP (Dual In line Package-/Plastic): är den traditionella kapseln för hålmontering SOT: Small Outline Transistor är en transistor för ytmontering. Sid 107 Kapitel 6: Kapsling och olika kapseltyper Olika Kapseltyper SOP: Small Outline Package, har flera varianter som TSOP (thin-sop), PSOP (plastic-sop) och SSOP (shrinkage-sop). SOP är en ytmonteringskapsel, med L-formade (måsvingeformade) anslutningar i två sidor, motsvarar DIL/DIP av hålmonterade kapslar. Sid 108 54

Kapitel 6: Kapsling och olika kapseltyper Olika Kapseltyper SOIC: Small Outline Integreted Circuit är motsvarigheten till DIL/DIP för ytmontering. Den är avlång och har måsvingeformade ben. Används till kretsar med relativt få anslutningar. (SOIC och SOP används oftast för samma typ av kapslar). Sid 109 Kapitel 6: Kapsling och olika kapseltyper Olika Kapseltyper QFP, Quad Flat Pack är kvadratisk och har, som namnet säger, anslutningar i alla fyra sidor. Finns i en mängd olika varianter som PQFP, (Plastic-QFP), CQFP (Ceramic-QFP), TQFP (Thin- QFP), BQFP (Bumpered-QFP, har stöd i hörnen). Sid 110 55

Kapitel 6: Kapsling och olika kapseltyper Olika Kapseltyper Anslutningar till QFP är antingen J-formade (höger) eller L- formade (måsvingeformade, vänster) Sid 111 Kapitel 6: Kapsling och olika kapseltyper Olika Kapseltyper LCC: Leadless Chip Carrier är en keramisk kapsel för ytmontering som saknar ben (anslutningar sticker inte ut) och är därmed mindre känslig för hantering. keramikkapseln är lämplig för användning vid höga temperaturer och i rymd och andra tuffa miljöer. PLCC: Plastic-LCC, som LCC men i plast i stället för keramik. Sid 112 56

Kapitel 6: Kapsling och olika kapseltyper Olika Kapseltyper PGA: Pin Grid Array, har pinnar under kapseln i stället för ben i sidorna. Utvecklades av Intel som kapsel för mikroprocessorer. Används till stora kretsar med många anslutningar. Monteras oftast i socket. Har flera varianter som: PPGA (Plastic-PGA), FCPGA (Flip Chip PGA), CPGA (Ceramic-PGA) (AMD använder CPGA för sina processorer). Sid 113 Kapitel 6: Kapsling och olika kapseltyper Olika Kapseltyper LGA, Land Grid Array: Har endast förgyllda metalliseringar i stället för pinnar. Pinnarna sitter på Mönsterkortet. Komponenten (Processorn) placeras over pinnarna och hålls på plats i en speciell anordning med vis kraft. Sid 114 57

Kapitel 6: Kapsling och olika kapseltyper Olika Kapseltyper BGA: Ball Grid Array, som PGA men anslutningar är i form av små bumpar. BGA löds på mönster kort. Det finns många olika sätt att placera bumparna, beroende på antal, värmeavlednings krav, chips storlek etc. BGA har flera varianter som FBGA (Fine BGA) har mindre bumpar med mindre pitch, CBGA (ceramic-bga) och PBGA, Plastic-BGA. Sid 115 Kapitel 6: Kapsling och olika kapseltyper Olika Kapseltyper BGA Sid 116 58

Kapitel 6: Kapsling och olika kapseltyper Olika Kapseltyper Chip Scale Package: Kapseln får vara max 1,2 gånger större än chipset i varje sida för att kallas chip scale package. Sid 117 Kapitel 6: Kapsling och olika kapseltyper Olika Kapseltyper Chip Size Package: Kapseln är lika stor som chipset. Sid 118 59

Kapitel 6: Kapsling och olika kapseltyper Olika Kapseltyper Flip Chip: Notera flip- chip är inte en kapsel. Det är en teknik att förbinda chipset med kapsel, Flip-chip tekniken används också för att förbinda chipset direkt på mönsterkort. Många då, av misstag, tror att det är en kapseltyp. Sid 119 Kapitel 7: Olika Byggsätt Multi Chip module, MCM Kombinera och utnyttja färdiga lösningar Inga nya litografiska masker Vid revideringar bytes endast vissa chips Sid 120 60

Kapitel 7: Olika Byggsätt System in a package Sid 121 Kapitel 7: Olika Byggsätt System in a Package Inte bara olika chips utan andra komponenter byggs i en och samma kapsel Sid 122 61

Kapitel 7: Olika Byggsätt System in a Package Sid 123 Kapitel 7: Olika Byggsätt System in a Package Sid 124 62

Kapitel 7: Olika Byggsätt System on a chip Det är ännu billiggare att bygga hela systemet på en enda chips! Sid 125 Kapitel 7: Olika Byggsätt För- och nackdelar av att bygga system i en kapsel: För- och nackdelar av att bygga system på en chips: Sid 126 63

Kapitel 8: Termiska Egenskaper All effekt som förbrukas i elektroniska komponenter och elektroniska system blir värme i slutändan. Värme försämrar material och komponenters elektriska egenskaper. Konvektion. Konvektion innebär att luften är bärare av värmen. En värm kropp avger värme till den omgivande luften. Den värma luften förflyttas genom wind eller diffusion. På det sättet kyls den värma kroppen. Strålning, strålning behöver inget medium, går igenom vakuum och transparanta medier (för våglängden, transparanta medier). Värmen förflyttar sig från en värm kropp till en intill liggande kall kropp om dessa är i termisk kontakt med varandra. Detta kallas för värmeledning. Sid 127 Kapitel 10: Livslängsanalys Trosts att det saknas mekaniskt rörliga delar, åldras elektronik också. Åldringen orsakas av att material reagerar med varandra och/eller den omgivande miljön i förhöjd temperatur (Rumstemperatur är 273 K över nollpunkten) Fel frekvens Feluppkomst av en ny elektronisk produkt. Felfrekvensen är störst strax efter serietillverkningen Infant Mortality tid Fel frekvens tid Feluppkomst för en mogen elektronisk produkt. Felfrekvensen ökar i slutet av produktens livscykel. har levt sitt liv, dör av ålders skäl (förslitning) Sid 128 64