Součástky pro SMT, návrh plošných spojů

Transkript

Součástky pro SMT, návrh plošných spojů
Ing. Josef Śandera Ph.D.
1
Konstrukce a pouzdra součástek pro povrchovou montáž
2
Speciální pouzdra
5
Mechanické a topologické zásady návrhu plošných spojů
© Šandera - Součástky pro SMT, návrh plošných spojů
1
1 Konstrukce a pouzdra součástek pro povrchovou montáž
1.1 Charakteristika součástek SMD a provedení přívodů
Součástky mají menší rozměry (30 až 60% rozměrů klasických součástek). Přívody se bez
jakýchkoliv úprav pájí na plošný spoj ze strany spojů. Při montáži odpadá operace tvarování a
ohýbání přívodů. Konstrukce a způsob osazování součástek SMD je zvlášť vhodný pro osazování
automaty. V současné době se již většina elektronických zařízení osazuje SMT technologií.
Na rozdíl od pájení klasických vývodových součástek, dochází u SMD součástek k přímému
kontaktu buď s roztavenou pájkou (při pájení vlnou), nebo jsou přímo vystaveny teplotě, která
zaručí přetavení pájecí pasty. Proto musí být všechny součástky pro povrchovou montáž včetně
konektorů konstrukčně navrženy tak, aby na svém povrchu byly schopny bez poškození odolávat
teplotě 260 0C po dobu minimálně 10 sec. Pro pájení vlnou musí být vhodně zapouzdřeny tak, aby se
zamezilo vniknutí roztavené pájky do systému. Některá pouzdra se pájet vlnou vůbec nedají,
např. patice, nebo konektory. Charakteristické tvary vývodů jsou uvedeny na obrázku 1.1.
V současné době se uvádí stejná teplotní odolnost i pro součástky s povrchovou úpravou pro
bezolovnaté pájení, při použití nejpoužívanější pájky SAC je teplotní profil na hranici teplotní
odolnosti. Pro některé součástky, které jsou na zvýšenou teplotu choulostivé (např.elektrolyty ) mají
modifikovanou teplotní odolnost.
Obr. 1.1: Tvary přívodů pro součástky SMD
Pro materiály přívodů se nejčastěji používá slitina Ni - ocel ( 42% Ni ), u nových konstrukcí
slitina 98% Cu a 2% Ni . V prvém případě mají přívody vyšší tuhost a mechanickou odolnost,
měděné přívody lépe chladí součástku a nejsou magnetické. Jelikož měděné přívody jsou " měkčí
" dochází v tomto případě k menšímu pnutí a tím namáhání pájeného spoje v důsledku
rozdílného koeficientu tepelné roztažnosti mezi DPS a součástkou.
Vývody jsou pokryty vrstvou pájky, případně cínu přes Ni bariéru tloušťky jednotek µm,
která zabraňuje rozpouštění materiálu přívodu v pájce.
2
1.2 Provedení a značení SMD součástek pro bezolovnaté pájení (LF)
Součástky s vývody povrchovou úpravou pro bezolovnaté pájení se značí podle norem IPC-1066,
nebo norem JEDEC JESD97 symboly e v kruhu, nebo elipse, uvedené na součástce, stejně jako u
DPS.
Tabulka 1.1: Značení povrchů pro bezolovnaté pájení
e1
SnAgCu
e2
Jiné slitiny cínu (např. SnCu, SnAg, SnAgCuX, atd.)
(nikoliv slitiny s Bi, nebo Zn)
e3
Sn
e4
Drahé kovy (npř. Ag, Au, NiPd,NiPdAu,
(nikoliv Sn)
e5
SnZn, SnZnX (nikoliv Bi)
e6
Slitiny s Bi
e7
Slitiny s nízkou teplotou tavení (<150 C>)
obsahující In, nikoliv Bi
e8 .až e9 Symboly zatím nejsou použity
Symbol charakterizuje slitinu, která je použita na pájecí vrstvu. Tato vrstva je téměř vždy oddělena
mezivrstvou Ni, podobně jako u součástek pro olovnaté pájení.. Značení bezolovnatých slitin je
uvedeno v tabulce 1.1.
1.3 Pouzdra pro integrované obvody
Pouzdra SOIC (Small Outline Integrated Circuit) - Někdy se označují také jako SO. Jejich
nákres je uveden na obrázku 3.4.1.1. V Evropě se začínaly používat od roku 1970 hlavně
v hodinkách. Jedná se většinou o plastová pouzdra s vývody „ L " ,nebo „ J ", s vývody
umístěnými po obou delších stranách pouzdra. Počet vývodů bývá 8 až 56 s roztečí nejčastěji
1,27 mm a menší. O pouzder SOXX se jedná většinou o elektrické ekvivalenty součástek
v pouzdrech DIL.
Obr. 1.2: Pouzdro typu SO a orientační klíč. [1]
Pouzdro zaujímá asi 1/3 plochy klasického pouzdra DIL , max. ztrátový výkon je asi 75%
pouzdra DIL . V těchto pouzdrech se vyrábí většina IO, která jsou dostupná v provedení DIL a
mají stejně zapojené přívody. Označení orientace je stejné jako u klasických pouzder DIL ,tj.
výřezem, kruhovým výliskem, čarou, případně skosením jedné z hran (někdy bývá velice
nevýrazné ).
3
Tvary nejčastěji používaných pouzder jsou uvedeny na obrázku 1.3.
Obr. 1.3: Tvary pouzder SO
Pouzdra PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) - V Japonsku se můžeme setkat s označením QFJ.
Jedná se o plastová pouzdra s přívody tvaru „J " nejčastěji s roztečí 1,27 mm. Jsou levná, dají se
umísťovat do patic a proto jsou velice rozšířená. Vysoká pružnost přívodů umožňuje pájení i
poměrně velkých pouzder na klasické materiály DPS bez nebezpečí jejich utržení v důsledku
rozdílných TCE. Dobře se osazují automaty, nejčastěji do pájecí pasty.
Obr. 1.4: Pouzdro PLCC [1].
Nedoporučuje se jejich pájení vlnou. Vyrábí se jako čtvercová, nebo obdélníková s počtem vývodů
20, 28, 44, 52, 68, 84 a další. Obrázek 1.4 ukazuje provedení pouzdra.
4
Pouzdra typu FLAT-PACK - nákres pouzder je uveden na obrázku 1.5. Pouzdra jsou levná a
mají malou montážní výšku. Rozteč přívodů se neustále zmenšuje, v současné době se již vyrábí IO
s roztečí menší jak 0,635mm (až 0,3mm ) , tzv. provedení FQFP (Fine Pitch Quad Flat - Pack).
Pouzdra FLAT-PACK se vyskytují velice často. Jejich montáž a demontáž při opravách bývá
hlavním problémem a vyžaduje bezpodmínečně použití speciálních nástrojů a značnou dávku
zkušeností. S úspěchem se používají horkovzdušné metody.
Obr.1.5: Pouzdra typu FLAT-PACK
1.4 Pouzdra pro diody a transistory
Pouzdra SOT - Nejstarší a nejpoužívanější typ plastového pouzdra s vývody tvaru " L" je
pouzdro SOT 23. Začaly se do něho pouzdřit transistory již od 60-tých let, převážně pro potřeby
hybridních obvodů. Základní tvar a umístění vývodů je uvedeno na obrázku 1.6.
Obr.1.6: Pouzdro SOT 23, možná zapojení přívodů pro transistory
Pro usnadnění návrhu desky plošného spoje se v případě transistorů u pouzder SOT často
používá označení s písmenem R na konci. Jedná se o zcela identické součástky s odlišně
vyvedenými elektrodami. Postupem času se začínaly používat modifikace tohoto pouzdra, které
se liší počtem vývodů a velikostí.
5
Pouzdro SOT25 - plastové pouzdro podobné SOT23 s pěti přívody se používá většinou pro realizaci
samostatných logických hradel. Šestivývodové pouzdro SOT23-6 se například používá pro pouzdření
jednočipových mikrokontrolérů PIC. Nejčastěji používaná pouzdra SOT jsou uvedena na obrázku 1.7.
Obr.1.7: Ostatní pouzdra SOT pro
transistory [2]
Pouzdra typu SOD ( Small Outline Diode) - Jedná se o skleněné, případně plastové válcové
pouzdro pro diody. Pro pouzdro SOD80 je možno použít footprint pro mini-MELF, pro MELFdiode je možno použít footprint pro MELF. Rozměry pouzder pro diody jsou uvedena
v tabulce 1.2 na obrázku 1.8 je uveden vzhled pouzdra SOD80.Pro diody se rovněž používá
pouzdro, které se svými rozměry blíží provedením MELF, tzv. MELF-DIODE. Je možno použít
stejný footprint, jako pro rezistory typu MELF.
Tab. 1.2:
Pouzdra pro diody
Typ pouzdra
SOD 80 -TR (LL34,
DO-213AA)
SOD 87
SM1-TR (LL41, DO213AB)
MELF DIODE
Průměr D
[ mm ]
1,5
Délka l
[ mm]
3,4
2,1
2,8
3,4
5,0
2,3
5,0
Obr.1.8: Pouzdro SOD80 [1]
1.5 Principy a pouzdra pasivních součástek pro povrchovou montáž.
Pro součástky provedení SMD se jeví jako nejvýhodnější hranolovitý tvar ve tvaru kvádru.
Kromě toho se používají hlavně v Japonsku pro rezistory také válcová pouzdra.
6
Válcová pouzdra pro resistory a jejich provedení - Tato pouzdra jsou válcová, vyrábí se
provedení MELF, mini-MELF a mikro-MELF, která se liší velikostí. Používají se většinou pro
konstrukci rezistorů, zřídka keramických kondenzátorů. Na obrázku 1..9 je uveden nákres a
rozměry pouzder MELF.
Obr.1.9: Pouzdra MELF [1]
Provedení válcových rezistorů typu MELF je podobné jako klasických. Odporová vrstva je
nanesena na keramickém tělísku po stranách opatřeném kovovými pocínovanými čepičkami a
proti poškození je chráněna lakem. Jelikož jsou pouzdra typu MELF poněkud větší (vyšší), než
čipové rezistory a mají tedy větší plochu pro odporovou vrstvu, projeví se to na dlouhodobé
stabilitě a větší impulsní zatížitelnosti. Vyrábí se velikosti MELF, miniMELF a mikroMELF.
Tento typ rezistorů má vzhledem ke geometrickému provedení lepší vf. vlastnosti, lepší
teplotní koeficient a nižší cenu jako čipové rezistory. Rezistory se vyrábí v pouzdrech MELF,
mini-MELF a mikro-MELF. Někdy se značí podle IEC (Mezinárodní elektrotechnické komise) jako
RC6123, RC3715 a RC2211, kde čísla udávají přibližné rozměry v desetinách milimetru .
Čipové pasivní součástky - Jedná se o nejčastěji používaná pouzdra, hlavně pro konstrukci
rezistorů a kondenzátorů. Přívody jsou umístěny na protilehlých kratších stranách. Velikost
pouzdra je mezinárodně standardizována. Označení pouzdra udává přibližné rozměry jeho
půdorysu v setinách palce (např. typ 0805 má délku 0,08 inch. a šířku 0,05 inch.). Rovněž se uvádí
označení v mm. Rozměry půdorysu se podle provedení různými výrobci nepatrně liší, výška se
pohybuje u rezistorů v rozmezí od 0,3 do 0,6 mm u kondenzátorů může dosahovat u větších
pouzder až 2,3 mm.
V současné době použití pouzder 0805 a 1206 klesá, projevuje se naopak vzestup při
používání menších typů 0603 a zvláště se předpokládá vysoký nárůst použití typu 0402 a
0201. Některé velikosti čipových pouzder jsou uvedeny v tabulce 1.3 srovnání velikostí ukazuje
obrázek 1.10.
7
Tab.1.3: Některé velikosti čipových pouzder
Kód pouzdra
Velikost (délka x šířka)
palce
mm
palce
mm
0201
0402
0504
0603
0805
1005
1206
1210
1812
2225
1005
1210
1508
2012
2512
3216
3225
4532
5664
0,02“ x 0,01“
0,04“ x 0,02“
0,05“ x 0,04“
0,06" x 0,03"
0,08" x 0,05"
0,10" x 0,05"
0,12" x 0,06"
0,12" x 0,10"
0,18" x 0,12"
0,22" x 0,25"
0,5 x 0,25 mm
1,0 x 0,5 mm
1,2 x 1,0 mm
1,5 x 0,8 mm
2,0 x 1,2 mm
2,5 x 1,2 mm
3,2 x 1,6 mm
3,2 x 2,5 mm
4,5 x 3,2 mm
5,6 x 6,4 mm
Obr.1.10: Provedení čipových rezistorů [3]
Konstrukce čipových rezistorů - Rezistory se vyrábí ve velké škále čipových pouzder, značí se
nejčastěji v setinách palce, nebo v mm.
Obr.1.11: Provedení čipových rezistorů
Provedení čipových rezistorů je na obrázku 1.11. Složení a tloušťka odporové vrstvy určuje
hodnotu rezistoru. Ve všech velikostech pouzder se vyrábí rezistory s nulovým odporem pro
realizaci propojek na plošném spoji.
Rezistorová pole RA - z důvodů úspory místa a zjednodušení návrhu plošného spoje se
někdy integruje několik rezistorů do jednoho pouzdra, vznikají rezistorová pole standardního,
případně zákaznického provedení . Rezistory mohou být vnitřně propojeny (např. pro ošetření
sběrnic počítačů), nebo se propojují vně pouzdra.
Na obrázku 1.12 je uvedena konstrukce
resistorového pole
Obr.1.12: Rezistorová pole [4]
8
Keramické kondenzátory pro SMT - kondenzátory jsou
vyrábí se jako jednovrstvé, nebo vícevrstvé.
a) provedení kondenzátoru
tvořeny keramickým dielektrikem a
b) provedení přívodu
Obr.1.13: Provedení vícevrstvých keramických kondenzátorů
Výška pouzder se pohybuje v rozmezí 0,55 až 2 mm, kondenzátory pro vyšší a vysoké napětí se
vyrábějí také v jiných typech pouzder a dosahují výšky až 5mm
V případě jednovrstvových kondenzátorů je tělísko tvořeno jednou vrstvou dielektrika s
oboustrannými přívody, vícevrstvé kondenzátory se skládají z několika vrstev dielektrika s
kovovými elektrodami zapojených paralelně tak, jak je uvedeno na obrázku 1.13 a). Kovová pájecí
ploška, která zároveň realizuje propojení elektrod je tvořena vrstvou stříbra, případně vrstvou
AgPd , na které je vrstva niklu 2 až 4 µm a následuje vrstva pájky, případně cínu tak, jak ukazuje
obrázek 1.13b) Mezivrstva niklu zabraňuje nežádoucímu rozpouštění stříbra v pájce při pájení.
Vícevrstvé
foliové
kondenzátory - Skládají se snavinutých
vrstev dielektrika,
((polyetyléntereftalát , polyetylénsulfid aj. ), na které je napařena hliníková vrstva, tvořící
elektrody. Kondenzátory jsou schopny samočinné regenerace. Pokovená fólie je navíjena bezindukčně,
nebo vícevrstvově skládána. Celý systém je zalisován do plastového pouzdra. Tento typ je schopen
se samočinně při průrazu regenerovat.
Polyesterové kondenzátory MKT - Dielektrikem je polyetyléntereftalát. Relativní permitivita se
3
pohybuje kolem 3, ztrátový úhel tgδ je menší jako 10 .10- . Používají se jako integrační, vazební,
blokovací, nebo filtrační.
Elektrolytické kondenzátory - Vyrábí se buď jako tantalové , nebo hliníkové. Katoda je tvořena
vodivým elektrolytem , anoda je kov, podle typu tantal, nebo hliník, případně u nových typů
nioboxid. Princip je uveden na obrázku 1.14.
Obr.1.14: Princip elektrolytického kondenzátor
9
Dielektrikum je tvořeno oxidem kovu, ze které je zhotovena anoda ( Ta2O5, nebo Al2O3). Oxid
vykazuje polovodivé vlastnosti a proto je třeba kondenzátor správně polarizovat (do nepropustného
směru). Povrch anody je zvětšen chemickým zdrsněním, případně sintrováním. Relativní permitivita
oxidové vrstvy se pohybuje u Al2O3 kolem 10 a u Ta2O5 přibližně 25, proto tantalové kondenzátory
dosahují vyšší objemovou kapacitu. Tloušťka dielektrika je co nejmenší a závisí na maximálním
povoleném provozním napětí. Povrch anody obklopuje vysoce vodivý kapalný,nebo pastovitý
elektrolyt, který realizuje vodivé spojení s katodou.
Tantalové kondenzátory - tantalový kondenzátor se skládá z pravoúhlého tělesa anody, která je
zhotovena z čistého sintrovaného tantalu s velkým povrchem, která je pokryta vrstvou dielektrika
tvořenou pentoxidem tantalu Ta2O5. Pevným elektrolytem je burel (dioxid manganu MnO2). Katoda je
zhotovena z grafitu s nanesenou stříbrnou pájkou. Systém kondenzátoru se většinou zalisuje do
plastového pouzdra (provedení MC). Kondenzátory se vyrábí v rozsahu kapacit od 0,1 µF do 1500 µF
pro provozní napětí 2,5,4, 6,3 10, 16, 20, 25, 35 a 50V. Na obrázku 1.15 je znázorněna konstrukce
tantalového elektrolytického kondenzátoru a provedení pouzdra tantalového kondenzátoru.
Obr.1.15: Provedení tantalového kondenzátoru
Používají se pouzdra ve velikostech od 3,2 do 7,3mm (A,B,C,D,E,V)
Kromě standartní řady TAJ vyrábí AWX řadu TAJ „low profile“ s menší výškou a elektrolyty
NOJ, NOS (Niobium oxide), které jsou levnější. Barva pouzdra udává provedení.
•
•
•
standartní provedení – žluté pouzdro
provedení pro automobily – černé pouzdro
kondenzátory Niobixid – oranžové pouzdro
Hliníkové kondenzátory - hliníkové kondenzátory s kapalným elektrolytem mají obdobnou
konstrukci jako klasické. Hliníková folie s oxidovou vrstvou dielektrika (Al2 O3) je spolu s
papírem nasyceným elektrolytem navinuta do svitku a je umístěna v hliníkovém pouzdru s
pryžovou průchodkou. Celý systém se vkládá do hranolovitého pouzdra, nebo se zastříkává do
plastické hmoty. Vyrábí se provedení naležato i nastojato v rozsahu kapacit 0,1µF až 100µ F pro
provozní napětí 6,3, 10, 16, 25, 40, 63 a 100V. Konstrukce a možná provedení pouzder
elektrolytických kondenzátorů jsou uvedena na obrázku 1.16.
Obr.1.16: Hliníkové elektrolytické kondenzátory
10
U kondenzátorů s kapalným elektrolytem dochází k postupnému vysychání elektrolytu a tím ztrátě
kapacity. Toto odstraňuje použití pevného elektrolytu.U konstrukce hliníkového elektrolytického
kondenzátoru s pevným elektrolytem je anoda je tvořena hliníkovým páskem s vrstvou oxidu, která
meandrovitě vyplňuje prostor. Pyrolýzou tekutého nitrátu manganu je zhotoven pevný elektrolyt,
který tvoří katodu.
Induktory pro SMT - Vyrábí se navinutím vodiče na jádro, které je většinou z feromagnetického
materiálu. Používají se magneticky měkké materiály s vysokou permeabilitou (ferrity). Jádro může
v některých případech zcela obklopovat vinutí. Vyrábí se buď otevřené provedení, nebo může
být cívka zalisována do vhodné plastické hmoty. Svým provedením a velikostí jsou obdobné
tantalovým kondenzátorům, případně se vyrábí provedení ve velikosti pouzder 0805 a větších.
Malé induktory se mohou vyrábět jako samonosné bez jádra s tvarem přizpůsobeným povrchové
montáži. Vinutí cívky je možno rovněž vytvořit závity plošného vodiče na keramických
podložkách postupně skládaných nad sebe tak, aby realizovaly cívku. Keramika může být izolant,
případně může mít zvýšenou permeabilitu, která zvyšuje indukčnost cívky. Keramické podložky
mohou mít ferromagnetické vlastnosti pro zvětšení indukčnosti cívky. Výsledkem jsou tzv.
vrstvové induktory (MLF), které se vyznačují vysokou kompaktností a spolehlivostí. Vyrábí se v
čipových pouzdrech velikosti 0805, 1206 a dalších. Na obrázku 1.17 jsou uvedeny možná
provedení induktorů pro SMT, obrázek 3.9.2 schematicky ukazuje provedení vrstvového induktoru
MLF.
Obr.1.17: Provedení induktorů pro SMT
1.6 Ostatní součástky SMD
Součástky mají téměř vždy hranolovitý tvar s přívody pro bezvývodové pájení. Je tendence
je umísťovat do pouzder velikostí čipových součástek. Jejich konstrukce je přizpůsobená
zvýšenému tepelnému namáhání při pájení. Kromě dříve uvedených součástek se v provedení
SMD již vyrábí relé, krystaly, keramické filtry, termistory, celý sortiment optoelektronických
součástek, pojistky včetně pouzder (vyrábí fy. LITTELFUSE) a další. Některé příklady pouzder pro
součástky SMD jsou uvedeny na obrázku 1.18.
Obr.1.18:
Příklady pouzder pro ostatní součástky SMD
11
Pro potřeby povrchové montáže se přizpůsobuje tvar a provedení spínačů, patic a dalších
konstrukčních prvků.
Konektory jsou uzpůsobeny pro montáž plochých kabelů, případně ohebných plošných spojů
a pro automatické osazování. Z toho důvodu je vyloučeno fixování konektoru na desku plošného
spoje pomocí šroubů. Používá se systém západek, polohovacích kolíků, případně se konektory lepí.
Konektory a patice se nemohou používat při pájení vlnou. Jsou výhradně určeny propájení
přetavením. Materiály použité pro konstrukci musí odolávat zvýšené teplotě při pájení, používají
se reaktoplasty .
1.7 Pájitelnost a skladování součástek SMD
Pájitelnost zhoršuje přítomnost sloučenin síry, které vytváří se stříbrem nepájitelný sirník
stříbra. Proto není zvláště vhodné skladovat součástky dohromady se pryžovými výrobky. Je
rovněž důležitá také doba skladování.
Pouzdra SMD hlavně PBGA nebo QFP pouzdra se podle absorpce vlhkosti dělí do 6 kategorií.
(Level 1 až Level 6 ) podle tabulky 3.12.2.1. Pokud jsou pouzdra originálně balena, je jejich
skladovatelnost 12 měsíců při teplotě do 40oC a relativní vlhkosti (RH) do 90%. V originálním obalu
jsou pouzdra společně se silikagelem a terčíkovým indikátorem vlhkosti hermeticky uzavřena do
antistatického obalu. Po vyjmutí z obalu musí být podle kategorií zpracována.
2
Speciální pouzdra
V současné době se na součástkovém trhu objevuje celá řada speciálních pouzder většinou s vývody
ve tvaru pájecích plošek, nebo kuliček které jsou vyvedeny nejčastěji na spodní části pouzdra. Těchto
pouzder se vyskytuje obrovské množství provedení a tvarů. V následující časti budou uvedeny
nejčastěji používaná včetně používaných technologií kontaktování polovodičového čipu na podložku.
Pouzdra BGA - pouzdra BGA (Ball Grid Array) konstrukčně vychází z pouzder PGA ( Pin
Grid Array), která mají drátové vývody umístěny pod pouzdrem. Pouzdro BGA má vývody
realizovány kuličkami ( SBC - Solder Ball Connector ), případně válečky pájky ( SCC - Solder
Column Connector ). Na obrázku 4.1.1 je uvedena konstrukce pouzdra BGA.
Pouzdra BGA vykazují vynikající elektrické vlastnosti . V tabulce 2.1 je uvedeno srovnání
elektrických vlastností pouzder QFP a BGA.
Tab.2.1: Elektrické vlastnosti pouzder QFP a BGA
Pouzdro
225 BGA (2 vrstvy)
208 přívodů QFP
( Cu přívody )
Indukčnost přívodu
[ nH ]
5,02 až 9,07
9,0
Kapacita přívodu
[ pF ]
1,18 až 1,31
Rezistivita přívodu [
mΩ]
20 až 24
< 2,3
70 až 80
až 14,5
Nevýhodou pouzder BGA jsou problémy s kontrolou pájených kuliček, které se nachází pod
součástkou. Technologické podmínky při pájení musí zaručovat kvalitní zapájení. Jakékoliv
dodatečné opravy pájeného spoje nejsou možné rovněž kontrola zapájení je velice obtížná. Pro
kontrolu se používají nejčastěji diagnostické metody používající roentgenovo záření.
Ve všech čtyřech případech se nejvíce používá rozteč 1,5 mm, 1,27 mm, 1,0 mm, 0,8 mm,
0,75mm, 0,5mm.
12
Obr.2.1: Pouzdra BGA
Dále budou probrána nejčastěji používaná pouzdra BGA a uvedeny jejich konstrukce.
Pouzdra P-BGA (Plastic Ball Grid Array) - provedení je uvedeno na obrázku 2.2.
Polovodičový čip je přilepen tepelně vodivým epoxydovým lepidlem na pozlacenou plošku na
základním substrátu, kterým je materiál FR4, nebo BT. Používá se laminát nejčastěji tloušťky
0,25 mm s měděnou vrstvou tloušťky 18 µm.
Obr.2.2: Nákres pouzdra P-BGA [5]
Vývody z čipu jsou realizovány drátovými vývody bondováním na plošky v horní vrstvě a
pomocí prokovených otvorů v základním substrátu jsou vyvedeny na spodní vrstvu, ve které
jsou propojeny na pole kontaktních plošek, na kterých se realizuje propojení pomocí kuliček
pájky.
Použití stejného materiálu pro základní podložku jako je materiál desky plošného spoje
vylučuje vznik pnutí v důsledku rozdílných koeficientů tepelné roztažnosti CTE a zvyšuje
spolehlivost propojení.
Pouzdra C - BGA ( Ceramic Ball Grid Array ) -V tomto případě je základním materiálem,
na kterém se realizuje pole kuličkových vývodů keramika. Keramická podložka umožňuje
realizaci vícevrstvých spékaných struktur nanášených sítotiskem obdobně jako při výrobě HIO.
Vývody pro nakontaktování čipu (bondování ) a pro realizaci přívodů na spodní straně jsou
elekrolyticky měděny, niklovány a nakonec pozlaceny. Pájka tvořící kontakt může mít tvar
kuliček, nebo válečků pájených eutektickou pájkou, viz obrázku 2.3.
Obr. 2.3: Princip a konstrukce pouzdra C-BGA a tvary přívodů [5]
13
Charakteristika přívodů pro keramická pouzdra (podle IBM), je uvedena v následujícím
přehledu.
Slitina pro kuličky , nebo válečky pájky ...........................................................10 Sn / 90 Pb
Průměr kuliček pájky ...........................................................................................0,88 mm
Průměr válečků pájky ..........................................................................................0,50 mm
Výška válečků pájky ...........................................................................................2,18 mm
Rozteč mezi vývody .............................................................................................1,25 mm
Slitina pro připájení válečků, nebo kuliček .........................................................10 Sn / 90 Pb
V případě keramické podložky se vyskytují problémy s pnutím, které vzniká po zapájení
v důsledku rozdílných koeficientů tepelné roztažnosti CTE keramiky ( 5 až 7 ) a základního
materiálu plošného spoje ( CTE FR4 - 12 až 24 ).
Pnutí, které po zapájení vyniká je možno zmenšit, výše uvedenou „válečkovou" strukturou
přívodů s vyšší pružností. V tomto případě jsou válečky zhotoveny se slitiny s vyšším bodem tání,
nepřetavují se, pouzdro se osazuje do pájecí pasty, která se přetaví. Řešení pro olovnatou pájku je
uvedeno na obrázku 2.3b.
Pouzdra M - BGA ( Metall Ball Grid Array) - toto pouzdro používá jako základní materiál
anodicky oxidovaný hliník, polovodičový čip je seshora zakryt hliníkovým krytem, který je
uzemněn. Z toho důvodu je čip lépe elektricky stíněn.
Pouzdra T - BGA ( Tape Ball Grid Array ) - vlastní polovodičový čip je připevněn
technologií flip - chip na pružnou polyimidovou podložku. Polyimidová podložka má tloušťku
0.05mm a je oboustranně pokovena mědí. Jedna strana obstarává uzemění na, druhé straně je
realizováno propojení.
Stínění je velice účinné díky malé tloušťce mezi vrstvami. Vodivé propojení mezi vrstvami
je realizováno prokovenými otvory. Flexibilní podložka je vyztužena kovovou vrstvou která je
přílepena pružným lepidlem.
Obr.2.4: Řez pouzdrem T-BGA[5]
Pouzdra T- BGA se osazují nejčastěji do pájecí pasty, která se nanáší šablonovým tiskem.
Typické parametry T-BGA jsou,
Slitina kuliček pájky....................................................10Sn/90Pb
Průměr kuliček ............................................................0.63mm
Vzdálenost mezi kuličkami ........................................1.0 , 1.25, nebo 1.5 mm
Připojení kuliček pájky k podložce ............................přes prokovené otvory
Pouzdro se pájí na DPS ............................................63 Sn/37 Pb, nebo ekv.
Pouzdra T-BGA mají malou výšku (1,3mm případně 1,9mm s krycím víčkem ) , provedení je
uvedeno na obrázku 2.4.
Pouzdra CSP (Chip Scale Package) - patří mezi nejmodernější typy pouzder. Mají výhody
Flip - Chip technologie, mnohem snáze se však osazují.
14
Na obrázku 2.5 je uvedena konstrukce pouzdra firmy TESSERA pod obchodním názvem µ BGA. Pouzdro obsahuje pružný polyimidový plošný spoj, ke kterému je pružným lepidlem
přilepen polovodičový čip. Spojení mezi čipem a podložkou je realizováno pomocí zlatých
pásků, které jsou připojeny termokompresí.
Obr.2.5:
Pouzdro µ - BGA firmy TESSERA [5]
Typické parametry pouzder µ - BGA
Materiál výstupku tvořících přívody ...............................nikl s tenkou vrstvou zlata
Výška výstupků ................................................................. 0.085 mm
Rozteč vývodů .................................................................. 0.3 , 0.5, 1.0 , 1.27 , 1.5 mm
Tloušťka pružné vrstvy .................................................... 0.12 +-0.05 mm
Výška pouzdra................................................................... 0.8 mm
µ - BGA pouzdro je typickým případem nejmenšího pouzdra, které je komerčně použitelné
z důvodů přijatelné ceny.
Za hlavní výhody těchto pouzder je možno považovat,
-
pouzdro může být teoreticky stejně velké jako polovodičový čip
čip v pouzdře se dá testovat a zahořovat
díky krátkým přívodům má pouzdro vynikající elektrické vlastnosti
v případě umístění chladiče na horní stranu se dosahuje velice účinného
chlazení
V tabulce 2.2 jsou uvedeny pro srovnání vybrané vlastnosti výše uvedených typů BGA
pouzder.
Tab.2.2: Srovnání různých typů BGA pouzder
PGA
PQFP
Počet vývodů
208
208
Rozteč vývodů
2,5mm
0,5mm
Zaujímá plochu
1140 mm2
785 mm2
Hmotnost
25 g
poměr čip/ pouzdro
11
8
Indukčnost přívodů
3-7 nH
6-7 nH
Kapacita
4-10 pF
0,5-1 pF
o
Tepelný odpor
2-3 C/W
0,5-0,6oC/W
BGA
225
1,27mm
670 mm2
1g
7
3-5 nH
1 pF
10 oC/W
T-BGA
224
1,27mm
530 mm2
5g
5
1,3-5,5 nH
0,4-2,4 pF
1,5 oC/W
µ - BGA
313
0,5mm
252 mm2
0,47 g
1
0,5-5,1 nH
0,05-0,2 pF
0,2-2oC/W
Pouzdra QFN (Quard Flat No-Lead) - Dalším typem pouzder CSP jsou pouzdra vyvinutá firmou
Texas Instruments pod názvem QFN (Quard Flat No-Lead). Jedná se o plastové pouzdro vzhledpvě
podobné µBGA s ploškami umístěnými na spodní straně. Vývody nejsou opatřeny kulovými vývody,
jsou
15
Obr.2.6:
Vzhled pouzdra QFN [6]
opatřeny kontakty s povrchovou úpravou Ni, Sn, nebo NiPdAu a jsou určeny pro bezolovnaté pájení
do pájecí pasty. Střední část pájecích plošek je určena pro chlazení. Pouzdra QFN se vyrábí se 14, 16,
20, 24 a více vývody.
Pouzdra typu VSPATM (Very Small Peripheral Array) - Pouzdra typu VSPA jsou
charakteristické svým tvarem vývodů a provedením vývodů v několika řadách. Tímto způsobem se
možno realizovat velké množství vývodů po obvodu pouzdra. Tvar vývodů umožňuje používat pájení
přetavením. Vývody pouzdra jsou zhotoveny z fosforbronzi, slitiny 42, případně jiného kovu a jsou
zalisovány do plastového rámu.Polovodičový čip je připojen k vývodům bondováním. Na obrázku 2.7
je uvedeno provedení pouzdra a tvar pájecích plošek (footprint).
2.7: Obr Provedení a footprint pouzdra VSPATM
V současné době se využívají technologie MCM-L, MCM-T, MCM-D, případně jejich
modifikace.
5
Mechanické a topologické zásady návrhu plošných spojů
Znalost mechanických a topologických faktorů a zásad, které mají vliv na snadnou vyrobitelnost
elektronické desky, které ovlivňují její spolehlivost a případnou opravitelnost jsou velice důležité pro
úspěšný návrh.
Úspěšný návrh je závislý na použité technologii osazování, pájení, typu a provedení součástek a
konečný výsledek závisí také na samotném výrobci neosazené desky. Celková kvalita a charakter
návrhu ve značné míře závisí na individualitě a zkušenostech návrháře. Proto nelze jednoznačně
definovat správný návrh, je možno uvést obecné zásady, které je třeba dodržet, aby byl návrh správný.
Například provedení a rozměry plošek se podle jednotlivých výrobců součástek značně liší.Uvedená
pravidla je třeba chápat jako orientační návod pro správný návrh.
Zásady návrhu většinou respektují doporučení normy ĆSN IEC 326-3.V rámci jednotného
systému norem EU tato byla však tato norma u nás zrušena bez náhrady, v době vydání knihy
neexistovala náhrada, proto jsou citovány údaje z této normy. Dá se předpokládat, že v případě
používaní bezolovnatých pájek nedojde k podstatné změně zásad návrhu, pokud jsou již známy
poznatky pro tento případ, tak jsou uvedeny v textu.
16
5.1. Tvar a provedení desky plošných spojů
Konstrukční návrh a provedení desky plošného spoje je velice důležitým faktorem, který
ovlivňuje problémy, které mohou nastat při technologických operacích, jako je pájení, nanášení pájecí
pasty, testování apod.
Tloušťka a velikost desky - Je třeba dodržet správný poměr velikosti a tloušťky desky. Pokud
má deska plošného spoje s ohledem na svoji velikost malou tloušťku, dochází k rezonanci
desek vlivem otřesů při provozu, zvláště v případě pokud jsou na desce umístěny těžké
součástky. V případě příliš tenkých desek se vyskytnou problémy při pájení vlnou. Je třeba
počítat s tím , že se ohřevem značně sníží pevnost materiálu, příliš tenké desky se mohou
vlivem zvýšené teploty při pájení prohnout. Tento problém je ještě výraznější při realizaci
multipanelů.. Při návrhu malých desek nepoužívat pokud to není nutné, tenký laminát, při
ručních opravách dochází v důsledku špatného odvodu tepla k lokálnímu přehřátí materiálu a k
delaminaci Cu fólie.
Doporučené tloušťky desek pro jednovrstvé a dvouvrstvé desky jsou : 0,2 - 0,5 - 0,7 - 0,8
- 1,0 - 1,2 - 1,5 - 1,6 - 2,0 - 2,4 - 3,2 - 6,4 mm.
V případě, že velikost DPS je malá ( do velikosti přibližně 100 x 100 mm ), umísťuje se několik
stejných motivů na jednu větší desku a vytváří se multipanel. Všechny technologické operace,
případně i oživování se provádí s multipanelem. Je třeba zajistit, aby po ukončení všech
technologických operací bylo možno jednotlivé hotové DPS snadno rozdělit . Používá se vytlačení
tak, aby se ztenčil příčný profil desky, nebo je možno desku odfrézovat tak, aby držela pouze na
krátkých spojkách, případně kombinace obou metod. Jednotlivé desky se potom rozdělí
rozlomením na speciálním zařízení.
Při návrhu desek plošných spojů pro sériovou výrobu je vhodné umístit na okraje desky
naváděcí otvory a značky. Tyto slouží k přesnému
polohování
multipanelu při použití
osazovacího automatu, automatického sítotisku, dispenseru apod. Otvory a značky se umísťují na
okraj desky ve vzdálenosti 3,8 až 10 mm mimo kresbu plošného spoje a jsou umístěny v
rastru. V případě, že vyžadujeme přesné polohování desky na hranu, je třeba desky frézovat.
Volba tloušťky měděné fólie - pro běžné provedení plošných spojů používáme nejčastěji fólie
tloušťky 35 µm. Cu fólie tloušťky pod 35 µm používáme pro konstrukci velice jemných spojů,
protože se měděná fólie podleptává. Fólie 70 µm používáme v případě konstrukcí, které vyžadují
velkou proudovou zatížitelnost vodičů, nebo odolnost vůči otřesům (automobilový průmysl).
Vzdálenost mezi součástkami a jejich vzájemné umístění - všechny součástky umístěné na
desce plošného spoje musí mít mezi sebou dostatečné vzdálenosti, aby je bylo možno bez
problémů vyměnit, případně testovat. Je třeba věnovat pozornost celkovému vyzářenému teplu,
aby nedocházelo k přehřívání desky. Tato okolnost je důležitá především u povrchové montáže,
u které vzhledem k malé velikosti součástek hrozí nebezpečí překročení ztrátového
výkonu.Součástky umísťujeme ve směrech vzájemně kolmých, výjimku tvoří vysokofrekvenční
konstrukce, kdy je možno součástku umístit tak, aby byly přívody co nejkratší.
Je vhodné důsledně dodržovat shodnou orientaci polarizovaných součástek (elektrolytické
kondenzátory, diody, IO ). V případě , že se nám to u všech součástek nepodaří, je vhodné
stejnou orientaci zcela zrušit, abychom při ručním osazování a opravách předešli chybám. Při
návrhu je třeba si uvědomit, zda izolace na součástce má charakter povrchové ochrany, nebo
elektrické izolace. V prvém případě se součástky nesmí vzájemně dotýkat ( např. lakované
rezistory se nesmí dotýkat, součástky v plastových obalech ano).
Zcela specifická je situace u povrchové montáže. Zvláště důležitá je správná vzdálenost a
orientace součástek při pájení vlnou, určitou roli hraje rovněž při pájení přetavením. Při návrhu
desky, na které se vyskytují SMD součástky je ideální, pokud je známa technologie pájení. Tomu je
třeba optimalizovat návrh včetně rozmístění součástek. SMD součástky se umísťují vždy tak, aby se
vzájemně nedotýkaly. V případě pájení vlnou jsou SMD součástky přilepeny lepidlem, které odolává
17
krátkodobě teplotě roztavené pájky. Deska se pohybuje pomocí dopravníku a je smáčena vlnou
roztavené pájky.
Vzdálenost součástek, jejich orientace při pájení vlnou ovlivňuje vzájemnou vzdálenost
pájecích plošek ( tzv. „ footprint „ ) a má podstatný vliv na tvorbu pájecích můstků při pájení..
Pro pájení vlnou je třeba dodržovat při umísťování součástek následující pravidla.
- vzájemné vzdálenosti okrajů pájecích plošek součástek se
vzdálenosti je třeba vyzkoušet, záleží na tvaru použité pájecí vlny
doporučují aspoň 2 mm,
- je třeba se vyvarovat vzájemného zastínění součástek, velikost stínového efektu závisí na
typu pájecí vlny. Doporučené minimální vzdálenosti a orientace pouzder jsou uvedeny na
obrázku 5.1 a 5.2. Velikost stínového efektu závisí na typu pájecí vlny, systémy s turbulentní vlnou
dovolují menší vzdálenosti mezi součástkami.
- pouzdra PLCC pro svoji velkou výšku a nevhodný tvar vývodů se pájet vlnou nedoporučuje
- desku je třeba navrhnout tak, aby byl aspoň na t řech stranách dodržen okraj aspoń 5mm bez
součástek, aby byly možno desku umístit do pájecího rámečku, a případně umístit hradící lištu, která
zabrání případnému přelití roztavené pájky
Obr.5.1: Doporučené vzdálenosti mezi IO při pájení vlnou
Obr.5.2: Doporučené vzdálenosti mezi čipovými součástkami při pájení vlnou
18
5.2 Kresba plošného spoje
Při návrhu kresby plošného spoje je třeba dodržovat určité obecné zásady a doporučení.
Charakter návrhu ovlivňuje mimi dalších okolností také použitá technologie pájení, proti je vhodné ji
předem znát. Doporučení jsou uvedena v normách (zahraniční IPC-SM782, tuzemská ČSN IEC 3263).
Pájecí plošky, vodivé cesty a jejich propojování - dříve se pro posuzování náročnosti spoje
používaly konstrukční třídy podle oborových norem ZAVT a TESLA (TESLA NT 1030). I když tyto
normy již nejsou v platnosti stále se toto dělení používá. Konstrukční třída je zjednodušeně definována
počtem průchodů mezi ploškami v rastru 2,54mm, případně 5,08 mm. Dělení do konstrukčních tříd je
uvedeno na obr.ázku 5.3.
Obr. 5.3: Dělení kresby plošného spoje do konstrukčních tříd
19
V současné době u nás neexistuje norma, která by třídy přesnosti jednoznačně definovala.
Obr.5.4: Doporučené umístění vodičů mezi ploškami
Doporučené tvary a umístění vodičů mezi ploškami a ohledem na minimalizaci defektů při
výrobě desky plošného spoje a s ohledem na minimální výskyt můstků pro strojní pájení jsou
uvedeny na obrázku 5.4. Zásady návrhu vodičů a pájecích plošek lze shrnout do několika
základních bodů,
- vodiče spojovat pod úhlem menším jako 90o. Ostré úhly způsobují "nedoleptání" spoje
- vodiče by měly být vedeny tak, aby vzdálenost mezi nimi byla co největší
- v případě průchodu několika vodičů mezi ploškami je třeba z dodržovat stejné
vzdálenosti
- aby se zabránilo jevům způsobeným odvodem tepla a snížilo mechanické namáhání, měly by
se velké vodivé plochy rozčlenit mřížkovým šrafováním
- v případě spojování plošek je třeba je propojit
úzkým vodičem
- jestliže jsou požadovány pájené Mezi ploškami a velkými vodivými plochami by měla být
vytvořena tepelná bariéra s vyjímkou úzkých spoje na velkých plochách, spoje by měly být
přerušované. vodičů nezbytných pro elektrické propojení podle obrázku 5.5.
Obr.5.5: Přiklady tepelných bariér
- při volbě šířky je třeba počítat s podleptáním vodiče, pro tl. měděné fólie 35 µm je
podleptání přibližně 10 až 20 µm.
20
- mezera mezi vodiči musí být
tak veliká , aby vyhovovala požadavkům elektrické
bezpečnosti a usnadňovala výrobu. Mezera větší jako 0,5 mm může usnadnit manipulaci a
výrobu, zmenšuje vliv odchylek a vad a výskyt můstků při pájení
- kontaktní ploška kolem otvoru by měla být co největší. Obecně platí, že neprokovené otvory
vyžadují větší pájecí plošky.
- pokud se předpokládá zaplnění průchozího otvoru pájkou, není třeba u vícevrstvých desek
dělat pájecí plošku.
- rozměry pájecích plošek mají mít následující rozměry
D - d = 1,0 mm ( minimálně ) .........pro
D - d = 0,5 mm ( minimálně ) .........pro
D / d = 2,5 až 3,0 mm .........……pro
D / d = 1,5 až 2,0 mm .....…...pro
neprokovené otvory
prokovené otvory
neprokovené otvory, fenolický papír, nebo skloepoxid
prokovené otvory,
kde D je průměr plošky a d je průměr otvoru
V případě návrhu ohebných desek plošných spojů se mohou kontaktní plošky opatřit
kotevními poutky, případně překrýváním kontaktních plošek nepájivou maskou podle obrázku
5.5.
Obr.5.6: Metody zesílení plošek
5.3 Rozměry otvorů a jejich umístění
– z ekonomických důvodů je výhodné používat co nejmenší počet různých průměrů otvorů.
Doporučené hodnoty jmenovitých průměrů otvorů podle pro součástky jsou 0,4 - 0,5 - 0,6 - 0,8 0,9 mm ± 0,05mm, 1,0 - 1,3 - 1,6 - 2,0 ± 0,1mm. Pro jemné motivy se používají průměry méně jako
0,1mm
Doporučuje se, aby poměr tloušťky desky k průměru otvorů nebyl větší, než 3 : 1. Větší
poměr může způsobit výrobní potíže a zvýšit cenu.
Prokovený otvor by měl být cca minimálně o 0,2 mm max. o 0,7 mm větší, jako průměr
přívodu součástky. Rozdíly v průměrech menší jako 0,2 a větší jako 1,0 mm způsobují těžkosti
při osazování a pájení.
Vrtání otvorů volit přibližně o 0,15 mm větší, než jaký požadujeme průměr prokoveného
otvoru, z důvodu prokovení a technologie HAL, která se používá nejčastěji. Při návrhu je lépe
dělat otvor raději větší, snadněji se odsává pájka při výměně součástky .
Nedělat příliš malou pájecí plošku ke vztahu k otvoru pro součástku. Při opravách se
ploška přehřeje a může dojít k delaminaci zvláště u jednovrstvých tenkých desek, kdy otvor
není prokoven a mechanická pevnost plošky je menší .
V případě návrhu ohebných desek plošných spojů se nesmí prokovený otvor umísťovat
v místě ohybu. Prokovené otvory je možno použít jako měřící a testovací body, rastr by měl být
2,54, nebo 1,27mm.
21
5. 4 Zásady návrhu a umísťování testovacích bodů
Jako testovací body je možno použít prokovené otvory v některých případech i vývody
klasických součástek. Testovací body by neměly být blíže jako v rastru 1,27 mm, kvůli rozměru
testovací jehly. Je vhodné umístit na desku testovací plošky. Příklad umístění pájecí jehly je na
obrázku 5.7.
a) jehla na samostatné plošce
b) jehla v prokoveném otvoru
Obr. 5.7: Správné umístění testovací jehly
V žádném případě se nesmí jako testovací bod použít meniskus pájky, nebo vývod
součástky.
V případě konstrukce SMD, přívody vývodů typu „L“. Pokud je spoj nezapájený, tlakem jehly
se se kontakt obnoví a spoj se jeví jako dobrý.
5.5 Pájecí plošky pro SMT a jejich propojení
Pro návrh desek plošných spojů pro povrchovou montáž jsou charakteristické obdélníkové,
případně čtvercové plošky (anglicky footprints ) nezakryté nepájivou maskou, na které se pájí
vývody součástek. Typický tvar pro čipovou součástku je uveden na obrázku. 5.8. Kresbu plošky
charakterizuje
-
velikost a umístění pájecí plošky
hranice nepájivé masky
plochu, kterou zabírá součástka (nesmí se překrývat ani při pájení přetavením)
hranice nanesení pájecí pasty (pouze pro pájení přetavením )
Obr.5.8: Typická pájecí ploška ( footprint ) pro součástku SMD
Velikost a tvar pájecí plošky - velikost, tvar a vzájemné rozmístění, pájecí plošky výrazně
ovlivňuje výslednou kvalitu osazené DPS. Jejich správná velikost a vzájemná poloha vzhledem
k přívodům součástek závisí na celé řadě faktorů. Jsou to zejména :
- rozměr součástky, typ přívodu
- použitá technologie pájení (pájení přetavením, nebo vlnou )
22
- přesnost osazování součástek
Doporučené rozměry udávají příslušné normy a literatura, v některých případech je možno je
nalézt přímo v katalogu výrobce součástek. Rozsáhlou knihovnu má PHILIPS .
Při návrhu je třeba počítat s určitou velikostí pouzder, pouzdra musí být umístěna tak, aby
jejich vzájemná velikost neomezovala volný pohyb v okamžiku přetavení.
Dá se předpokládat, že při používání bezolovnatých pájek, které mají většinou horší smiřitelnost
dojde v průběhu jejích používání ke změně doporučených velikostí a tvarů.
Hranice návrhu nepájivé masky - nepájivá maska nesmí v žádném případě přesahovat přes
pájecí plošky, pouze ve speciálních případech (viz návrh nepájivé masky). Nejčastěji je plocha bez
nepájivé masky o 0,15 až 0,3 mm větší.
Hranice nanesení pájecí pasty - pájecí pasta se nanáší na celou plochu pájecí plošky, v
případě, že požadujeme menší množství pájky, je třeba vyrobit otvory menší. Tento případ
může nastat při osazování nízkých součástek, např. čipových rezistorů.
Pájecí plošky pro pájení vlnou - Pro pájení vlnou, kdy je součástka přilepena a proto se
nemůže samovolně pohybovat, se defekty v důsledku
chybného návrhu mohou projevit
pouze jako nezapájené spoje, případně nežádoucí můstky mezi ploškami, Dále jsou uvedeny
zásady pro návrh při pájení vlnou.
Pájecí plochy se navrhují s větším přesahem ( délkou) vůči přívodům součástek. Jsou-li
příliš krátké, nemusí z důvodu „ stínového efektu „ vůbec dojít k připájení přívodu tak, jak
ukazuje obrázek 5.9. pro pouzdro SOT 23. V tomto případě roztavená pájka „ nedosáhne „ na
pájecí plochu a proto nemůže vlivem povrchového napětí dojít k rozlití pájky .
Při pájení vlnou se nesmí součástky umísťovat příliš blízko sebe, minimální doporučovaná
vzdálenost okrajů pájecích plošek je pro diskrétní součástky (čipové, MELF, SOT ) 1 až 2 mm.
Pouzdra s přívody typu „J„ se vlnou pájet nedoporučují. Součástky je třeba před pájením
přilepit. V případě, že není mezi přívody součástky tažen spoj, je vhodné zde umístit slepou
plošku tak, jak ukazuje obrázek 5.10. To umožní použití menšího množství lepidla, čímž se
snižuje riziko nežádoucího znečistění pájecích ploch, zvláště při nanášení dispenserem.
Obr.5.9: Pájení SOT 23 vlnou
Obr..5.10: Slepá plocha pod čipovou
součástkou
Velikost a tvar pájecích ploch pro integrované obvody ( SO, VSO, SSOP ) lze velice obtížně
stanovit, protože není možno přesně definovat dynamické chování pájky během pohybu
součástky vlnou. Správný tvar se většinou určuje experimentálně. Obecně lze konstatovat, že
pro pájení vlnou je plošky třeba navrhovat větší s dostatečným přesahem.
Pájecí plošky pro pájení přetavením - Plošky pro pájení přetavením se navrhují menší a
jsou umístěny více pod přívody součástek. Jejich návrhu je třeba věnovat náležitou pozornost,
zvláště při návrhu pro čipové součástky. Součástky nejsou přilepeny a síly povrchového napětí,
které vznikají v okamžiku přetavení pájecí pasty mohou součástkou pohybovat. Dále jsou
uvedeny příčiny pohybu součástek a některé nežádoucí jevy. Velikost a umístění pájecích
plošek vzhledem k přívodům zvláště u čipových součástek podstatně ovlivňuje pravděpodobnost
tzv. Tombstonning jevu –jev náhrobní kámen (někdy také Manhattan, Stonehenge, Drawbridge).
Součástka se může na jedné straně nazvednout, případně zcela postavit na hranu. Tento jev
23
ovlivňuje kromě tvaru a rozmístění pájecích plošek
pasty a pájitelnost přívodů a plošek.
především pájecí profil, kvalita pájecí
Obr.5.11: Tombstoning efekt
Na obrázku 9.3.2.1 jsou rozebrány příčiny tohoto jevu z hlediska geometrie návrhu V
případě, že nedojde k přetavení pájecí pasty zaráz na obou stranách součástky, případně jedna
strana je hůře pájitelná, nebo obsahuje menší množství pájky, potom síly povrchového napětí
nejsou na obou stranách stejné a může dojít ke zdvihu součástky.
Na obrázku jsou uvedeny síly F1, F2, F3, jejichž momenty mají vliv na zdvih. Je zřejmé, že
F3, která zvedá součástku, závisí na přesahu plošky r, F2 působí opačným směrem a závisí na
s. Velikost F1 není geometrií ploch ovlivněna a její moment závisí pouze na váze a délce
součástky. Z obrázku je patrno, že pro snížení pravděpodobnosti to-hoto jevu je třeba nedělat
přesah r příliš dlouhý (v praxi max. stejný jako je výška metalizované plošky) a s by nemělo
být kratší jako délka pokovení.
Další defekt, který se může objevit při pájení přetavením je posuv součástek do stran .
Kromě tvaru a umístění přívodů jej ovlivňuje rovněž šířka plošky. Pokud je pájecí plocha
příliš široká a pájecí pasta není nanesena do středu plochy ( např. nanášení dispenserem )
při přetavení se součástka může vychýlit ( viz. obrázek 9.3.2.2. Tento jev se často vyskytuje
při pájení válcových součástek (MELF, SOD).
5.6 Ostatní zásady návrhu a propojení pájecích plošek pro SMD
V případě čipových součástek vyhovuje „ universální „ rozměr pájecích plošek vhodný pro
pájení vlnou i přetavením (obrázek 5.12).
Obr.5.12: Universální rozměr plošky
Šířka plochy by měla být větší o 1/3 šířky plošky kontaktu součástky, velikost plošky v
podélném směru pod součástkou s je stejná jako délka přívodu, přesah mimo součástku p je
přibližně roven výšce součástky h. V případě většího přesahu se zvyšuje pravděpodobnost
tombstoning jevu
( zvedání) v případě pájení přetavením.
24
Správné propojení pájecích plošek - pájecí plošky musí být propojeny tenkým vodičem,
nejlépe vedeným ve směru podélné osy a to i v případě realizace testovacího, nebo pájecího
bodu pro vodič. Zúžení vodiče omezuje nežádoucí odvod tepla z plošek a v případě, že na
nich není nepájivá maska dochází při pájení přetavením k nežádoucímu roztékání pájky, které
může způsobit posuv součástek. Příklady správného propojení jsou uvedeny na obr. 5.13.
Obr.5.13: Správné propojení pájecích plošek¨
9.4 Návrh nepájivé masky
Pro strojní pájení navrhujeme vždy napájivou masku, která omezuje množství zkratů.
Pro fotograficky zpracovatelné nepájivé masky se tolerance polohy může měnit od 0,1 do
0,6mm v závislosti na rozměrech exponovaného výrobku. V případě nepájivé masky nanesené
sítotiskem se tolerance polohy může měnit od 0,4 do 1,0mm. Z uvedeného vyplývá minimální
vzdálenost okrajů nepájivé masky od okrajů plošky,
nepájivé masky nanášené fotoprocesem ..................................................................0,1 až 0,6mm
nepájivé masky nanášené sítotiskem ........................................................................0,4 až 1,0mm
Průchody mezi vrstvami plošného spoje (vias) je možno zakrýt nepájivou maskou, případně
se nechávají nezakryté, aby se při pájení vlnou zaplnily pájkou kvůli zvýšení spolehlivosti
prokovu. V tom případě není třeba vytvářet kolem otvoru pájecí plošku. Není vhodné je
umísťovat pod pouzdro součástky, při pájení vlnou tavidlo navzlíná pod pouzdro a obtížně se
odstraňuje. V případě, že je nutné je umístit pod součástku je třeba je zakrýt nepájivou maskou.
5.7 Návrh propojení pro BGA a CSP
Návrh plošných spojů které používají pouzdra BGA téměř vždy vyžaduje vícevrvstvý plošný spoj,
se dvěma vrstvami většinou nevystačíme. Problémy se vyskytují při vyvedení vnitřních kontaktů,
které je nutno realizovat ve více vrstvách. V současné době zvláště při návrhu desek plošných spojů
pro pouzdra CSP se návrhář dostává již do oblasti velice jemných motivů (mikrovia) . Realizace
takového plošného spoje je velice drahá. Velice často již nestačí povrchová úprava HAL je a je třeba
použít jinou technologii.
Tvar pájecích plošek pro BGA - Pouzdra typu BGA vyžadují návrh soustavy převážně
kruhových plošek. Jejich rozteč je určuje převážně pravidlo 80% ( nejbližší nižší rozteč je 80%
předchozí ).
Tvar pájecích plošek na desce plošného spoje se navrhuje nejčastěji jako kruhový, někteří
výrobci doporučují i jiné tvary. Přesah nepájivé masky přes kovovou plošku zvyšuje
mechanickou pevnost plošky na základním materiálu. Při návrhu se doporučuje pravidlo, že průměr
25
plošky by měl být 60 až 80% průměru kuličky, avšak některé prameny doporučují s důvodů
minimalizace termomechanického pnutí stejný průměr kuličky i pájecí plošky.
Propojení pájecích plošek pro BGA a CSP - na obr. 5.14 je uvedena geometrie při návrhu
propojení vodičů mezi kruhovými ploškami podle doporučení EIAJ a možná propojení pro
rozteče 0,5 a 1 mm při průchodu více vodičů. U menších pouzder nastává problém s vyvedením
vnitřních plošek. Při realizaci je nutno použít minimální šířku vodičů a průměr prokoveného otvoru.
Téměř vždy je nutno použít vícevrstvý plošný spoj. Na obr.9.5.3.2. a,b, je uveden tvar propojek ( tzv.
"dog bone"), které se realizují ve vrstvách kontaktního pole pro rozteče 1.0 a 1.27 mm, na obrázku
9.5.3.3 je uvedeno jiné doporučeni a speciální tvar vhodný pro kontrolu pájení rentgenovým testerem.
Tvar pájecí plošky na obrázku 9.5.3.3b umožňuje lépe rozlišit nezapájený spoj pomocí rentgenu.
Obr.5.14: Geometrie vedení vodičů pro BGA a CSP
Na obrázku 5.15 je uvedena podle [28] doporučená propojka pro routování vodičů z pájecích plošek
pro plastová pouzdra TBGA firmy Motorola. Jedná se o pouzdra s 352 a 380 kulovými vývody s roztečí
1.27mm.
Obr. 5.15: Tvar propojky pro návrh TBGA v provedení NSMD
(Non Solder Mask Defined) [7]
26
5.8 Zvláštnosti návrhu desek plošných spojů pro funkční vzorek nebo prototyp
Funkční vzorek, nebo prototyp má za úkol ověřit elektrickou funkčnost zapojení a v co největší
míře by měla být dodržena stejná topologie kresby. V případě povrchové montáže je vzhledem
k používaným pouzdrům téměř vždy použít plošný spoj. K jeho výrobě se používají z cenových
důvodů různé náhradní technologie, velice často se u jednodušších návrhů nepoužívají prokovené
otvory a nepájivá maska. Téměř vždy se používá výhradně ruční pájení součástek. Tomu je třeba
přizpůsobit návrh. Dále budou uvedeny odlišnosti v návrhu, které usnadní ruční pájení, avšak nemají
výrazný vliv na funkci.
- pro propojení použijeme co největší šířku vodiče - zvláště v blízkosti pájecích plošek. Je třeba
si uvědomit, že pokud „přejedeme“ vyhřátým hrotem pájky přes tenké vodiče, které nejsou navíc
kryty nepájivou maskou, mohou se snadno utrhnout
-
pájecí plošky je třeba dělat co největší - vzhledem k vrtanému otvoru.Toto platí zvláště u
jednostranných desek plošných spojů neboť chybí prokovení, které zvyšuje pevnost plošky.
-
plošky pro SMD součástky mají být co největší. - u pouzder, kde jsou pájecí plošky pro ruční
pájení přístupny pouze z boku (SOJ, LCCC, SON a další) mají mít co největší délku tak, aby
ploška výrazně přesahovala zvenku. Přiložení vyhřátého hrotu je často jedinou možností, jak
prohřát kontakt přívodu.
Pří ručním pájení čipových součástek je vhodné dělat plošky s větším přesahem, zvláště pro malé
součástky. Usnadňuje to správné pájení, které je podmíněno dodáním potřebného malého množství
pájky tak, aby se vytvořil charakteristický meniskus. V případě výměny součástek mají větší plošky
větší pevnost.
V případě plošek pro PLCC je lépe navrhnout přesah plošek přes přívod větší, aspoň 1,5
mm, což usnadňuje ruční výměnu pouzder ( pájení minivlnou ), šířka není kritická.
Plošky pro pouzdra FLAT-PACK navrhovat s větším přesahem, aspoň 1 mm ze stejných
důvodů jako v předchozím, totéž platí o plochách pro přívody FINE-PITCH.
funkční vzorek s pouzdry typu BGA – pokud použijeme pouzdra BGA zvláště s větším počtem
vývodů, je třeba si uvědomit že se v žádném případě neobejdeme bez vícevrstvého plošného spoje.
Aby se nám podařilo připojit vnitřní plošky je třeba je vyvést přes vnitřní vrstvy. Počet vrstev závisí na
rozteči mezi vývody. V tomto případě není možná amatérská náhrada prokovení.
6 Návrh pro snadnou a levnou výrobu (DFM)
Pod termínem DFM (Design for Manufacturing) je možno si představit soubor pravidel a
doporučení, které povedou k tomu aby výroba daného zařízení v našem případě elektronické desky,
byla co nejlevnější za předpokladu, že bude splňovat zadané parametry na kvalitu a spolehlivost.
Abychom toho dosáhli, je třeba stanovit soubor opatření a zásad, které bude třeba dodržet. Je třeba,
aby tyto zásady a doporučení byly známy již ve stadiu vývoje a návrhu desky plošného spoje. V této
kapitole budou uvedeny a rozebrány zásady a doporučení, které se týkají práce konstruktéra.
6.1 Výběr součástek
V současné době jsou elektronické součástky stále levnější, integrují se stále do větších celků. Až na
některé výjimky, mezi které patří speciální typy ve speciálních pouzdrech není jejich cena většinou
rozhodující. Při výběru součástek je třeba dodržovat následující zásady,
- zapojení navrhnout tak, abychom použili co nejméně typů a hodnot součástek. Toto ovlivňuje,
27
a)
b)
c)
d)
jednodušší manipulaci ve skladu
jednodušší administrativa
větší množstevní slevy při nákupu
snažší přestavení automatů
-
nepoužívat předimenzované součástky, které mohou výrazně ovlivnit cenu, velikost a
provedení elektronického zařízení
-
používat co nejvíce součástek v provedení SMD, což má vliv na cenu při sériové výrobě.
V tomto případě existují určité výjimky (například tantalové kondenzátory), které je třeba
ekonomicky vyhodnotit
-
zvolit co nejméně dodavatelů součástek, je to příznivé z hlediska množstevních slev a
administrativy
6.2 Výroba a provedení desky plošného spoje
U moderních elektronických zařízení bývá deska plošného spoje jedna z nejdražších částí celého
zařízení. Často se používají vícevrstvé desky plošných spojů v provedení mikrovia se speciální
povrchovou úpravou. Při návrhu nového elektronického zařízení je možno uvážlivým návrhem a
volbou materiálu plošného spoje výrazně ušetřit. Při volbě a návrhu plošného spoje se doporučuje
dodržovat následující pravidla,
-
používat co nejmenší počet vrstev plošného spoje, výrazně dražší jsou vícevrstvé plošné spoje
(multilayer), v některých případech se však tomuto řešené nevyhneme (návrh miniaturní SMT
montáže, konstrukce s BGA pouzdry). Počet vrstev má výrazný vliv na spolehlivost.
-
používat co nejmenší sortiment velikostí otvorů
-
používat vhodný základní materiál, jeho volba ovlivňuje,
a) cenu desky
b) mechanické vlastnosti desky
c) elektrické vlastnosti desky
-
zvolit nejjednodušší tvar desky, což má zásadní vliv na náklady při realizaci a dělení
multipanelu
-
návrh vodičů, pájecích plošek a propojení volit tak aby deska plošného spoje byla snadno
realizovatelná.
6.3 Způsob montáže a provedení osazené DPS
a)
při návrhu desky plošných spojů je vhodné volit „únosné“ rozměry. Velké rozměry mohou
způsobit řadu problémů při montáži desky plošného spoje.
- velké DPS se mohou při pájení vlnou prohýbat, případně je nelze vůbec strojově
zapájet, záleží na váze součástek umístěných na desce
- malé motivy DPS je vhodné integrovat do multipanelu, při menších sériích rostou
náklady ne výrobu šablon
b)
volba „ jednodeskové koncepce“, nebo systém modulů propojených konektory. Volba
koncepce podléhá módním trendům v elektronice, obojí řešení má své výhody a nevýhody,
toto je třeba velmi pečlivě zvážit a vyhodnotit.
- modulový systém zvyšuje množství konektorů, tím roste cena zařízení, snižuje se
spolehlivost
28
- modulový systém se snadněji oživuje a opravuje, servisní zásady jsou většinou snažší
a levnější (výměna modulů)
c) vzdálenosti mezi součástkami mohou výrazně ovlivnit,
- optickou i elektrickou testovatelnost desky, defekty při pájení (viz.kapitola 9, zásady
pro pájení vlnou a přetavením),
d) zvolit vhodné technologické značky, které ovlivňují a případně usnadňují,
- osazování automatem
- slučitelnost s technologickými zařízeními
6.4 Způsob návrhu kresby plošného spoje
Při návrhu desky plošného spoje se v dnešní době téměř výhradně používají CAD návrhové
systémy. Existuje jich celá řada, jejich cena se pohybuje od jednotek po stovky tisíc korun. Při návrhu
plošného spoje je třeba zvážit, zda si budeme návrh realizovat sami, nebo zda ho zadáme
specializované firmě. Obě řešení přináší své výhody a nevýhody.
b) externí realizace bývá často rychlejší bez typických problémů, mezi které patří
problémy s tvorbou knihoven, generování podkladů pro výrobu a osazování DPS.
c) externí návrh přináší problémy s případnými změnami během prototypové výroby
d) pokud desku se deska navrhují přímo vývojáři, podstatně snadněji se realizují
případné změny ve výkresové dokumentaci, vývojář může lépe při návrhu uplatnit
znalosti elektronických obvodů
Jakmile jsou definitivně stanoveny zásady pro návrh, výrobu a osazení desky plošného spoje je
třeba tyto návrhy konzultovat a nechat odsouhlasit všemi, kteří se podílí na návrhu a výrobě desky.
Systém DFM nemusí být využitelný pouze pro výrobu desek plošných spojů, ale platí pro všechny
výrobní procesy daného výrobku.
Literatura
[1] H.H.WARNCKE, Smd Technologie, Valvo Unternehmensbereich Bauelemente der
Philips GmbH, August 1989
[2] TOP LINE 2002, Dummy Components, Practice Kits, Product Guide
[3] CAROLINE BEELEN,CTF EIDHOVEN, Trends in Assembly Process for Miniaturized
[4] Flint SMD,6th.Edition, Flint Distribution LTD Consumer Electronic
[5] ŠANDERA, HEJÁTKOVÁ, pouzdra BGA, www.smtplus.cz
[6] Design Summary for Quad Flat No-Lead Logic, Texas Instruments – Reliable,Logic,
[7] KARL PUTTLITZ, PAUL A. TOTTA, Area Array Interconnection Handbook, Kluver
Academic Publishers 2001, ISBN 0-7923-7919-5
29

Součástky pro SMT, návrh plošných spojů

Transkript

Podobné dokumenty

Plošné spoje - MOST-TECH

Spolehlivost, diagnostika a kódování pro integrovanou výuku

IPC-A-610E Czech table of contents