Doc. Ing. Ivan Szendiuch, CSc. Mikroelektronika a technologie součástek

Doc. Ing. Ivan Szendiuch, CSc.

Mikroelektronika a technologie součástek

Vysoké učení technické v Brně 2011

Tento učební text byl vypracován v rámci projektu Evropského sociálního fondu č. CZ.1.07/2.2.00/07.0391 s názvem Inovace a modernizace bakalářského studijního oboru Mikroelektronika a technologie a magisterského studijního oboru Mikroelektronika (METMEL). Projekty Evropského sociálního fondu jsou financovány Evropskou unií a státním rozpočtem České republiky.

2

FEKT Vysokého učení technického v Brně

Obsah 1

ÚVOD................................................................................................................................ 7 1.1

TEST VSTUPNÍCH ZNALOSTÍ ......................................................................................... 9

2

TECHNOLOGICKÁ INTEGRACE V MIKROELEKTRONICE........................... 11

3

ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY............................................................................... 14 3.1 PASIVNÍ SOUČÁSTKY ................................................................................................. 14 3.2 POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY..................................................................................... 21 3.3 OSTATNÍ SOUČÁSTKY ................................................................................................ 22 3.4 VÝVOJ V POUZDŘENÍ MODERNÍCH ELEKTRONICKÝCH SOUČÁSTEK ............................ 23 3.4.1 Pouzdra s páskovými vývody .......................................................................... 23 3.4.2 Pouzdra s kontaktními ploškami ...................................................................... 25 3.4.3 Pouzdra s kulovými vývody .............................................................................. 26 3.5 VÝVOJ V POUZDŘENÍ SYSTÉMŮ ................................................................................. 28 3.6 DALŠÍ VÝVOJ V OBLASTI POUZDŘENÍ ........................................................................ 29 3.6.1 Pouzdra TSOP (Thin Small Outline Package), PQFP (Plastic Quad Flat Package) 31 3.6.2 Další vývoj v technologii BGA (Ball Grid Array)............................................ 31 3.6.3 Pouzdření typu CSP (Chip Scale Package) ..................................................... 32 3.7 MULTIČIPOVÉ MODULY (MCM) ............................................................................... 34 3.8 POLOVODIČOVÝ ČIP FLIP CHIP .................................................................................. 38 3.8.1 Elektrické vlastnosti ......................................................................................... 39 3.8.2 Výhledy a perspektivy Flip Chip ..................................................................... 40

4

PÁJKY, PÁJECÍ PLOŠKY A JEJICH PÁJITELNOST .......................................... 45 4.1 ZÁKLADNÍ PROBLÉMY PÁJITELNOSTI SOUČÁSTEK ..................................................... 45 4.2 TESTOVÁNÍ PÁJITELNOSTI ......................................................................................... 48 4.3 PÁJECÍ MATERIÁLY PRO ELEKTRONIKU ..................................................................... 50 4.4 BEZOLOVNATÉ PÁJKY ............................................................................................... 58 4.5 NÁVRH PÁJECÍCH PLOŠEK ......................................................................................... 59 4.5.1 Pájení přetavením ............................................................................................ 59 4.5.2 Pájení vlnou ..................................................................................................... 61 4.5.3 Topologie pájecích ploch ................................................................................. 63

5

CENA, SPOLEHLIVOST, ŘÍZENÍ JAKOSTI A INFORMAČNÍ SYSTÉMY ...... 68

6

TEPELNÝ MANAGEMENT ....................................................................................... 72 6.1 ZÁKLADNÍ POJMY...................................................................................................... 72 6.2 TEORIE PŘENOSU TEPLA ............................................................................................ 76 6.2.1 Vedení tepla...................................................................................................... 76 6.2.2 Proudění tepla.................................................................................................. 78 6.2.3 Vyzařování tepla .............................................................................................. 80 6.3 MODELOVÁNÍ CHLAZENÍ ELEKTRICKÝCH SOUČÁSTEK A SYSTÉMŮ ........................... 81 6.3.1 Obecný přístup k modelování sdílení tepla ...................................................... 81 6.3.2 Náhradní tepelný obvod ................................................................................... 82 6.3.3 Tepelná charakteristika zapouzdřené součástky.............................................. 84 6.3.4 Náhradní tepelný obvod Flip Chip struktury ................................................... 85

MIKROELEKTRONIKA A TECHNOLOGIE SOUČÁSTEK 7

K OTÁZKÁM JAKOSTI .............................................................................................96 7.1 7.2 7.3 7.4

8

KLASIFIKACE CHYB MĚŘENÍ ......................................................................................97 MATEMATICKÝ PŘÍSTUP K VÝPOČTU HODNOTY PPM..................................................98 SYSTÉM ŘÍZENÍ JAKOSTI V POVRCHOVÉ MONTÁŽI....................................................103 ZPŮSOBILOST TECHNOLOGICKÉHO PROCESU ...........................................................106

O ŽIVOTNÍM PROSTŘEDÍ.......................................................................................109 8.1 8.2

9

3

POSKYTOVÁNÍ INFORMACÍ VEŘEJNOSTI ...................................................................110 LEGISLATIVA V ČR..................................................................................................110

SEZNAM CIZÍCH ZKRATEK A VÝRAZŮ ............................................................112

10

ODPOVĚDI NA OTÁZKY .....................................................................................113

11

VÝSLEDKY NEŘEŠENÝCH PŘÍKLADŮ...........................................................116

12

LITERATURA .........................................................................................................117

4


Seznam obrázků, OBR. 2.1 ZNÁZORNĚNÍ JEDNOTLIVÝCH SLOŽEK TECHNOLOGIE Z POHLEDU TECHNOLOGICKÉ INTEGRACE ........................................................................................................................ 12 OBR. 2.2 TŘI HLAVNÍ SOUČÁSTI PODÍLEJÍCÍ SE NA PROCESU TECHNOLOGICKÉ INTEGRACE ....... 13 OBR. 3.1 ZNÁZORNĚNÍ ZÁKLADNÍCH PASIVNÍCH PRVKŮ A JEJICH CHOVÁNÍ V OBVODU ............ 15 OBR. 3.2 NAPĚTÍM ŘÍZENÝ OSCILÁTOR V TLUSTOVRSTVÉM (A) A TENKOVRSTVÉM (B) PROVEDENÍ ........................................................................................................................ 17 OBR. 3.3 POROVNÁNÍ INTEGROVANÝCH A DISKRÉTNÍCH KONDENZÁTORŮ ............................... 18 OBR. 3.4 INTEGROVANÉ PASIVNÍ SOUČÁSTKY ZAPUŠTĚNÉ DO DALŠÍHO HDI PWB .................. 19 OBR. 3.5 ROZMĚRY KONDENZÁTORŮ 1206,0805,0603,0402 A 0201........................................ 20 OBR. 3.6 POUZDRA INTEGROVANÝCH OBVODŮ S PÁSKOVÝMI VÝVODY POUŽÍVANÁ V TECHNOLOGII POVRCHOVÉ MONTÁŽE ................................................................................ 24 OBR. 3.7 DVA TYPY PÁSKOVÝCH VÝVODŮ POUŽÍVANÝCH V POVRCHOVÉ MONTÁŽI PRO POUZDRA IO..................................................................................................................... 25 OBR. 3.8 ČIPOVÝ NOSIČ V PROVEDENÍ BEZ PÁSKOVÝCH VÝVODŮ............................................. 26 OBR. 3.9 SCHÉMATICKÉ ZNÁZORNĚNÍ POUZDRA BGA ............................................................. 27 OBR. 3.10 JEDNO Z MOŽNÝCH ŘEŠENÍ BUDOUCÍ GENERACE MODERNÍCH INTEGROVANÝCH MIKROELEKTRONICKÝCH SYSTÉMŮ ................................................................................... 29 OBR. 3.11 ZNÁZORNĚNÍ TRENDU VÝVOJE POUZDER V TECHNOLOGII POVRCHOVÉ MONTÁŽE.... 30 OBR. 3.12 ZNÁZORNĚNÍ APLIKAČNÍCH OBLASTÍ RŮZNÝCH TYPŮ POUZDER (VZTAŽENO NA POČET VÝVODŮ)........................................................................................................................... 31 OBR. 3.13 PŘÍKLAD PROVEDENÍ POUZDRA BGA....................................................................... 32 OBR. 3.14 JEDNO Z MOŽNÝCH PROVEDENÍ POUZDRA TYPU CSP ............................................... 33 OBR. 3.15 ZNÁZORNĚNÍ PRINCIPU MULTIČIPOVÉHO MODULU MCM-CD................................. 35 OBR. 3.16 PŘÍKLAD ŘEŠENÍ POUZDRA 3D (PROVEDENÍ VÝVODŮ TYPU BGA) ...................... 36 OBR. 3.17 ZNÁZORNĚNÍ ZÁKLADNÍHO PRINCIPU PROVEDENÍ FLIP CHIP .................................. 38 OBR. 3.18 NÁHRADNÍ ELEKTRICKÝ OBVOD PRO PROVEDENÍ FLIP CHIP .................................... 39 OBR. 3.19 NÁHRADNÍ MODEL TEPLOTNÍHO ODPORU POLOVODIČOVÉHO ČIPU PO ZAPOUZDŘENÍ 41 OBR. 3.20 SROVNÁNÍ POUZDER QFP, TAB, COB, SCP A FLIP CHIP ....................................... 43 OBR. 4.1 ZÁVISLOST DOBY SMÁČENÍ NA DÉLCE SKLADOVÁNÍ .................................................. 46 OBR. 4.2 KŘIVKY ROVNOVÁŽNÉ SMÁČIVOSTI ........................................................................... 47 OBR. 4.3 HODNOCENÍ PÁJITELNOSTI ÚHLEM SMÁČIVOSTI PODLE TVARU PÁJKY ...................... 49 OBR. 4.4 FÁZOVÝ DIAGRAM SLITINY CÍN-OLOVO (SN-PB) VČETNĚ POHLEDU NA STRUKTURY . 51 OBR. 4.5 ZNÁZORNĚNÍ STRUKTURY PÁJENÉHO SPOJE S VYTVOŘENÝMI INTERMETALICKÝMI SLITINAMI ......................................................................................................................... 52 OBR. 4.6 HLAVNÍ SMĚRY VARIANT ZPŮSOBU ČIŠTĚNÍ PODLE TYPU A SPECIFIKACE POUŽITÉHO TAVIDLA............................................................................................................................ 57 OBR. 4.7 FÁZOVÝ DIAGRAM BEZOLOVNATÉ PÁJKY ................................................................... 58 OBR. 4.8 ZNÁZORNĚNÍ TOPOLOGIE PASIVNÍ SOUČÁSTKY S DEFINICÍ SOUVISEJÍCÍCH POJMŮ ..... 60 OBR. 4.9 ZNÁZORNĚNÍ POTLAČENÍ JEVU STÍNĚNÍ U SOUČÁSTKY SOT-23 ................................. 62 OBR. 4.10 PŘÍKLAD POUŽITÍ ZÁCHYTNÝCH PLOCH PŘI PÁJENÍ VLNOU U POUZDRA VSO........... 63 OBR. 4.11 ZNÁZORNĚNÍ ROZMĚROVÉ SYMBOLIKY PRO NÁVRH PÁJECÍCH PLOCH SOUČÁSTEK FINE PITCH ........................................................................................................................ 64 OBR. 4.12 ZÁVISLOST W A F NA P PRO NÁSLEDUJÍCÍ HODNOTY: ID = 0,2 WL = 0,5P O ≥ 0,25 P ............................................................................................................................... 65 OBR. 4.13 TŘI MOŽNOSTI UMÍSTĚNÍ VÝVODŮ FINE PITCH NA PÁJECÍCH PLOCHÁCH ................. 67 OBR. 5.1 ZNÁZORNĚNÍ ZÁKLADNÍ STRUKTURYINFORMAČNÍHO SYSTÉMU PRO ŘÍZENÍ VÝROBY 69 OBR. 5.2 ZNÁZORNĚNÍ ZAŘAZENÍ MEZISTUPŇŮ (ZÁSOBNÍKŮ) DO MONTÁŽNÍ LINKY ............... 70

MIKROELEKTRONIKA A TECHNOLOGIE SOUČÁSTEK

5

OBR. 6.1 OBECNÝ

TEPELNÝ ODPOROVÝ OBVOD PRO CHLAZENÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY MODELOVANÉ JEDINÝM TEPELNÝM ODPOREM RJC MEZI PŘECHODEM A POUZDREM ..........84 OBR. 6.2 ZNÁZORNĚNÍ PŘIROZENÉHO CHLAZENÍ ZAPOUZDŘENÝCH POLOVODIČOVÝCH SOUČÁSTEK........................................................................................................................85 OBR. 6.3 ŘEZ STRUKTUROU POLOVODIČE FLIP CHIP S NAZNAČENÍM TEPELNÝCH TOKŮ ...........86 OBR. 6.4 BLOKOVÉ SCHÉMA ODVODU TEPLA ZE STRUKTURY FLIP CHIP ...................................87 OBR. 6.5 NÁHRADNÍ TEPELNÝ OBVOD USPOŘÁDÁNÍ FLIP CHIP .................................................87 OBR. 6.6 ZNÁZORNĚNÍ ZÁKLADNÍCH FAKTORŮ OVLIVŇUJÍCÍCH TEPELNÉ VLASTNOSTI STRUKTURY FLIP CHIP .......................................................................................................89 OBR. 6.7 ZÁVISLOST MAXIMÁLNÍHO ZATÍŽENÍ ČIPU NA OKOLNÍ TEPLOTĚ PMAX = F (TOKOLÍ) (TEPLOTA ČIPU TJ=140OC)................................................................................................90 OBR. 6.8 ZNÁZORNĚNÍ ZÁVISLOSTI TEPLOTY ČIPU NA ZATÍŽENÍ TJ = F (P) PRO VELIKOSTI ČIPU (5X5)MM, (10X10)MM, (15X15)MM A SUBSTRÁTY FR4, AL2O3, TEPLOTA OKOLÍ TOKOLÍ =25 O

C ......................................................................................................................................91 OBR. 6.9 ZÁVISLOST VÝKONOVÉHO ZATÍŽENÍ ČIPU NA RYCHLOSTI PROUDĚNÍ VZDUCHU P = F (C) PRO VELIKOSTI ČIPU (5X5)MM, (10X10)MM, (15X15)MM A SUBSTRÁTY FR4, AL2O3, O TEPLOTA OKOLÍ TJ =140 C...............................................................................................92 OBR. 6.10 GRAFICKÉ ZNÁZORNĚNÍ CELKOVÉHO TEPELNÉHO TOKU A JEHO STRUKTURY V ZÁVISLOSTI NA PODMÍNKÁCH CHLAZENÍ ( FC- 5X5MM, SUBSTRÁT FR4-50X50MM, O O TEPLOTA OKOLÍ TO =25 C, TEPLOTA ČIPU TJ=140 C , CHLADIČ CU DESKA 25X25X2MM PŘILEPENÝ TEPELNĚ VODIVÝM LEPIDLEM).........................................................................93 OBR. 6.11 GRAF CELKOVÉHO TEPELNÉHO TOKU A JEHO STRUKTURY V ZÁVISLOSTI NA PODMÍNKÁCH CHLAZENÍ (FC- 5X5MM, SUBSTRÁT AL2O3-50X50MM, TEPLOTA OKOLÍ TO =25 OC, TEPLOTA ČIPU TJ=140OC , CHLADIČ CU DESKA 25X25X2MM PŘILEPENÝ NA HORNÍ STRANĚ ČIPU) ....................................................................................................................94 OBR. 7.1 ZNÁZORNĚNÍ POSTUPU ZAZNAMENÁVÁNÍ DAT O PORUCHÁCH VE VÝROBĚ ................99 OBR. 7.2 ZNÁZORNĚNÍ MAXIMÁLNÍCH AKCEPTOVATELNÝCH POSUVŮ ČIPOVÝCH SOUČÁSTEK ........................................................................................................................................100 OBR. 7.3 AKCEPTOVATELNÉ POSUNUTÍ SOUČÁSTKY SOT-23.................................................101 OBR. 7.4 ZNÁZORNĚNÍ AKCEPTOVATELNÉHO POSUVU U SOUČÁSTEK SOIC............................101 OBR. 7.5 ZNÁZORNĚNÍ AKCEPTOVATELNÝCH POSUVŮ U SOUČÁSTEK S DELŠÍMI OHEBNÝMI VÝVODY ..........................................................................................................................102 OBR. 7.6 POSTUP PŘI ANALÝZE VÝROBNÍHO PROCESU APLIKACÍ STATISTICKÉHO ŘÍZENÍ JAKOSTI ........................................................................................................................................104 OBR. 7.7 DEFINICE PARAMETRŮ ZPŮSOBILOSTI VÝROBNÍHO PROCESU ....................................107

6


Seznam tabulek TAB. 3.1: PŘIBLÍŽENÍ VÝROBY INTEGROVANÝCH REZISTORŮ ................................................... 17 TAB. 3.2: STRATEGICKÉ PARAMETRY INTEGROVANÝCH PASIVNÍCH SOUČÁSTEK ...................... 19 TAB. 3.3: KLÍČOVÉ PARAMETRY SUBSTRÁTŮ INTEGROVANÝCH REZISTORŮ ............................. 20 TAB. 3.4: NĚKTERÉ CHARAKTERISTICKÉ PARAMETRY ZNÁZORŇUJÍCÍ VÝVOJ ČIPŮ V LETECH 1992 AŽ 2004.................................................................................................................... 21 TAB. 3.5: SROVNÁNÍ POČTU VÝVODŮ POUZDER QFP A BGA ............................................... 28 TAB. 3.6: MOŽNOSTI REALIZACE POUZDER CSP....................................................................... 34 TAB. 3.7 NĚKTERÉ PARAMETRY RŮZNÝCH PROVEDENÍ MULTIČIPOVÝCH MODULŮ ................... 35 TAB. 3.8: VÝVOJ V POUZDŘENÍ ČIPŮ ........................................................................................ 37 TAB. 3.9 VÝVOJ PARAMETRŮ BUDOUCÍ GENERACE POUZDŘENÍ ................................................ 37 TAB. 3.10: TYPICKÉ HODNOTY KAPACITY A INDUKČNOSTI VÝVODŮ......................................... 40 TAB. 4.1: SROVNÁNÍ PÁJITELNOSTÍ Z HLEDISKA PÁJENÍ VLNOU A PÁJENÍ PŘETAVENÍM ............ 48 TAB. 4.2 PODMÍNKY PRO TESTOVÁNÍ PÁJITELNOSTÍ SOUČÁSTEK URČENÝCH K POVRCHOVÉ MONTÁŽI ........................................................................................................................... 48 TAB. 4.3: ROZDĚLENÍ TAVIDEL PODLE ZÁKLADNÍHO SLOŽENÍ PŘEVZATÉ ISO (INTERNATIONAL STANDARDS ORGANISATION) ........................................................................................... 55 TAB. 6.1: MAXIMÁLNÍ ZATÍŽENÍ ČIPU V ZÁVISLOSTI NA TEPLOTĚ OKOLÍ, TJ=140OC................ 89 TAB. 6.2: TEPLOTA ČIPU V ZÁVISLOSTI NA ZATÍŽENÍ PŘI KONSTANTNÍ TEPLOTĚ OKOLÍ, TOKOLÍ=25OC ...................................................................................................................... 90 TAB. 6.3: VÝKONOVÉ ZATÍŽENÍ ČIPU V ZÁVISLOSTI NA RYCHLOSTI PROUDĚNÍ VZDUCHU......... 91 TAB. 6.4: VÝKONOVÉ ZATÍŽENÍ ČIPU A JEHO STRUKTURA V ZÁVISLOSTI NA PODMÍNKÁCH CHLAZENÍ (MATERIÁL FR4) .............................................................................................. 93 TAB. 6.5: VÝKONOVÉ ZATÍŽENÍ ČIPU V ZÁVISLOSTI NA PODMÍNKÁCH CHLAZENÍ PRO SUBSTRÁT AL2O3 ............................................................................................................................... 95 TAB. 7.1: OPTIMÁLNÍ, AKCEPTOVATELNÉ A NEVYHOVUJÍCÍ TVARY PÁJENÝCH SPOJŮ ........... 103 TAB. 7.2: PŘEHLED NÁSTROJŮ PRO ŘÍZENÍ VÝROBNÍHO PROCESU V TECHNOLOGII POVRCHOVÉ MONTÁŽE ........................................................................................................................ 105 TAB. 7.3: PŘÍKLAD ANALÝZY PORUCH ZE TŘÍ RŮZNÝCH HLEDISEK ...................................... 108


7

1 Úvod Elektrotechnický průmysl se stává na prahu 21. století, v době kdy se stále více hovoří o nástupu tzv. „nové ekonomiky“ využívající ve stále rostoucí míře nejmodernější informační technologie, jedním z nejdynamičtěji se rozvíjejících průmyslových oblastí. Pojem „nová ekonomika“ není vázán v žádném případě pouze na jediný mechanizmus (jak tomu bylo většinou v minulosti), ale je spojen s celou řadou strukturálních změn prakticky ve všech odvětvích. Jedním z průvodních jevů je rostoucí úloha síťových odvětví především v samotné ekonomice. Zjednodušeně řečeno to znamená, že jednu z hlavních úloh sehrává ekonomická zákonitost „úspory z rozsahu“, což se projevuje ve výrobním procesu trvale klesající křivkou nákladů. Průvodním jevem přitom je neustálý růst „úspěšných“ firem (často na úkor firem „neúspěšných“), až do fáze dosažení určitého monopolního postavení na trhu. Dochází k výraznému dělení typů firem do dvou kategorií, na tzv. OEM (Original Equipment Manufacturing) a CM (Contract Manufacturing). OEM představují výrobce finálních zařízení a systémů (např. Siemens, Philips, Sony atd.), kteří v rámci minimalizace nákladů využívají pro dílčí zakázky právě CM. Největší rozvoj v elektronickém průmyslu je na první pohled patrný hned v několika oblastech, jako jsou např. telekomunikace (zvláště bezdrátový přenos), výpočetní systémy, automobilový průmysl, spotřební elektronika, lékařská technika, ale i celé řady dalších a mnohdy nově vznikajících oblastí zasahujících dnes prakticky všechna průmyslová odvětví. V současné době vlastně neexistuje průmyslové odvětví, jež by nevyužívalo elektronické zařízení či systémy. Obecným trendem je v současné elektronice vyrábět zařízení tzv. inteligentnější, přinášející stále větší celkový přínos jeho uživateli, a to vše přitom za přiměřenou cenu. V elektronickém průmyslu to znamená vyrábět zařízení nejenom dokonalejší a výkonnější, ale také lehčí, menších rozměrů, která pracují rychleji než ta současná a mají také neustále více funkcí. Do popředí jejich hodnocení se dostávají především dva parametry, a to údaje o jakosti (je požadována co nejvyšší) a o ceně (musí být co nejnižší, resp. taková aby byla konkurenceschopná). Jinými slovy řečeno, veškerá činnost směřuje k vytvoření takových výrobků které jsou schopny se prosadit v celosvětové konkurenci a zajistit tak úspěšnost na trzích. Položme si otázku, co vše je skryto za vývojem a výrobou neustále nových výrobků a výrobků inovovaných, a na čem tento vývoj závisí ? Obecně vývojový trend směřuje k miniaturizaci a větší kompaktnosti, kdy je přitom stále více funkcí integrováno do jediného celku (systému). Hnací sílou jsou v podstatě požadavky trhu spojené s touhou výrobců tyto požadavky uspokojovat a získávat tak nová odbytiště, zkrátka zvyšovat objemy. Z technického pohledu je to vývoj stále novějších (inovovaných) a dokonalejších elektronických obvodů a systémů, u nichž jsou stále intenzivněji patrné dvě složky: technologická a obvodová, jež dnes stále více splývá (hardware) a programová (software). Jejich vzájemným účelovým spojením a funkční provázaností pak jsou definovány konkrétní systémy, ať už ve formě elektrických obvodů, přístrojů či zařízení. Jedná se o nekonečný vývoj vzájemně závislých oblastí, jejichž korelace je stále silnější. V důsledku stále intenzivnějšího vývoje je třeba i z hlediska požadavku na vzdělávání a přípravu elektrotechnických odborníků reagovat dynamicky. I když odborné zaměření je stále nezbytné, z hlediska chápání principů a souvislostí je stále více nutný jeho interdisciplinární

8


charakter. Ten je pak nezbytný především pro rozhodování na všech stupních řízení, kde se uplatňuje stále více vzájemná provázanost a kontinuální nutnost koordinace. V oblasti samotných mikroelektronických technologií má dominantní postavení polovodičový čip. Současný trend směřuje k integraci celého systému na jediném čipu, nebo do jediného integrovaného celku, což znamená, že jednotliví výrobci budou muset spolupracovat mnohem těsněji se zákazníky. Bude nezbytné opustit specializovaný přístup a zaměřit se na úvahy týkající se konečného provedení systémů. Budou vznikat v nezbytné míře mezičlánky charakteru CM zabývající se např. finální úpravou a dokončením čipů, ale také jejich montáží. Vzhledem k tomu, že vývoj na polovodičových čipech probíhá intenzivně a systematicky již několik desetiletí, stal se polovodičový čip dominantním a výchozím článkem každého elektrického systému. Současně ale nastala situace, kdy je třeba se stejně intenzivně zabývat vším, co souvisí s montáží čipů včetně pouzdření a také s jejich propojováním, a dále také s konstrukčním uspořádáním komplexních systémů včetně řešení pasivních sítí, vstupů a výstupů (senzorů a atenuátorů) a veškerých podpůrných částí. Tak vznikla v posledních letech nová, ale přitom klíčová oblast zabývající se elektronickým pouzdřením a propojováním (Packaging and Interconnection). Tento výraz z oboru mikroelektronických technologií nelze chápat jako doslovný překlad "pouzdření a propojování", neboť je třeba si uvědomit, že v sobě skrývá řešení široké škály souvisejících technických okruhů nejen z kvantitativního ale i z kvalitativního hlediska. Proto lze přijmout výstižnější termín "integrovaná montáž", jež zahrnuje jak řešení stávajících problémů (mechanická ochrana, chlazení, elektrické propojení, stínění atd.), tak i nové koncepce a principů různého provedení a uspořádání nejen aktivních, ale i pasivních a dalších pomocných prvků a obvodů. Výrobní a realizační postupy pak popisují a definují mikroelektronické montážní technologie. To vše směřuje k smysluplné výrobě systémů, které v sobě zahrnují nejen veškeré fyzické části (hardware), ale i co nevětší objem vlastního programového „know-how“ (software). Aktuální světový vývoj v oblasti návrhu a výroby elektronických systémů je charakterizován vývojovými „megatrendy“. Jedním z nich je nástup technologické integrace, jež sebou přináší kromě nových technických řešení směřujících k integrace celých systémů do jediného celku také nové požadavky na přístup a myšlení pracovníků prakticky na všech úrovních řízení. Nezvratnou skutečností je kromě jiných fakt, že elektronika dnes pronikla prakticky nejen do všech průmyslových odvětví, ale i do celé terciální sféry. I zde platí obecné pravidlo ekonomické prosperity, přičemž výstupy jsou hodnoceny v prvé řadě dvěma základními parametry – cenou a jakostí. Splnění požadavků na dosažení konkurenceschopnosti v obou těchto směrech vyžaduje kromě jiného neustálou inovaci znamenající aplikování nových principů v rozhodování a řízení výrobních procesů. Přitom prvotním údajem pro zahájení jakékoliv činnosti je zpravidla důkladná analýza trhu. I tento fakt podporuje nezbytnost rozvoje vzdělávacího procesu do interdisciplinárního charakteru, což je dalším charakteristickým rysem současného vývoje. Ne nadarmo se objevují stále častěji podložená tvrzení, že zaměstnanecký kapitál firmy představovaný jejím vědomostním potenciálem je nejcennější strategickou silou a současně i nástrojem pro konkurenční schopnosti i perspektivy dalšího rozvoje.


9

1.1 Test vstupních znalostí Počet správných odpovědí:

18-20 15-17 12-14 11 a méně

výborně velmi dobře dobře nedostatečné

Vyznačte vždy jednu správnou odpověď zakroužkováním ! Otázka

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

14 15 16 17 18 19

20

a) b) c) Možnosti Volba Jaký je hlavní materiál pro výrobu integrovaných obvodů Au Si Sn abc Pro vytváření PN přechodů se používá oxidace sítotisk difůze abc abc Jednotka měrného odporu je Ωm Ω/m Ω Proces iontové implantace je řízen energií teplotou vakuem abc Běžná plocha polovodičového čipu je 0,1 mm2 10 mm2 1000 mm2 abc Kondenzátor může být keramický proudový kadmiový abc Nejlepším vodičem je Cu GaAs Fe abc indukčnosti dielektrika magnetu Permitivita vyjadřuje vlastnost abc Proces naprašování je řízen teplotou proudem napětím abc Pájení měkkými pájkami probíhá při 120 oC 220 oC 320 oC abc teplotě Teplotní součinitel rezistoru vyjadřuje rozměru odporu tolerance abc změnu V závislosti na změně teploty Polovodičová sloučenina typu AIII/BV je AuSn PdAg GaAs abc Tepelná vodivost vyjadřuje množství tepla které projde objemem látky mezi W.m.K-1 W.m-1.K-1 W.m2.K-1 abc dvěma body mezi nimiž je teplotní gradient Jednotkou je Schopnost látek přijímat vlhkost z okolí je navlhavos bobtnání viskozita abc t Pohyb nosičů v polovodiči se děje difúzní koncentra intenzitě abc rychlostí v, délce ci nosičů pole která je přímo úměrná Mikroprocesor Pentium4 má řádově počet vývodů jednotky desítky stovky abc Hlavní cesta odvodu tepla z polovodičového čipu je sáláním vedením proudění abc m Mezi jakostí a náklady je úměra přímá nepřímá žádná abc Distribuční funkce je funkce, která větší než menší než libovolné každému reálnému číslu přiřazuje toto číslo toto číslo velikosti abc pravděpodobnost, že náhodná veličina nabude hodnoty aritmetický geometrický průměr Střední hodnota je průměr průměr krajních abc hodnot

Celkový počet bodů:

Správné odpovědi: na další straně

Body 0-1 0-1 0-1 0-1 0-1 0-1 0-1 0-1 0-1 0-1 0-1 0-1 0-1 0-1 0-1

0-1 0-1 0-1 0-1

0-1

10

3

b


5 b

7 a

9 c

11 13 15 17 19 b b c b b

2 c

4 a

6 a

8 b

10 12 14 16 18 20 b c a c b a

1 b


11

2 Technologická integrace v mikroelektronice Cíl: Uvědomit si postavení technologie v současné elektronice a pochopit vývoj v oblasti elektronických technologií. Tyto zaujímají stále významnější roli při návrhu, konstrukci a vývoji elektronických obvodů a systémů. Uvědomit si pojem technologická integrace a její dopad na současnou elektroniku [ 1 ], [ 2 ], [ 10 ]. Neustále rostoucí požadavky trhu na parametry elektronických zařízení a systémů přibližují stále více nároky na technické řešení spojené s uživatelským komfortem a spolehlivostí na straně jedné a nízkou cenou na straně druhé. Obrazně a zjednodušeně řečeno, má-li být každý nový výrobek úspěšný, musí mít jakost srovnatelnou a cenu pokud možno nižší, než výrobky konkurenční. Tato skutečnost vyvolala v posledních letech nutnost změnit přístup k řešení konfigurace výrobních procesů, založenou na novém pojetí technologie, a to jak po obsahové (kvantitativní) stránce, tak i po stránce významové (kvalitativní). Obě tyto části však spolu úzce souvisí a ve svém důsledku znamenají, že technologie přestala být popisnou vědou založenou pouze na mechanických a chemických proměnách látek a materiálů, jak byla chápána dlouhá léta v minulosti. Do okruhu působnosti moderního pojetí technologie vstupují nové aspekty spojující stále více oblasti vědy a výzkumu, výroby a také užívání (aplikací). Stále více nabývá na významu sledování jakosti ale současně i nákladů, s čímž úzce souvisí další parametry, jako např. produktivita či výtěžnost výrobního procesu. Tím dochází k vytvoření úzké vazby technologie na ekonomiku. Vše nasvědčuje tomu, že technologie v obecném pojetí se dnes stala aplikovanou vědou, a to již nejen technickou, ale i společenskou. Z pohledu výroby elektronických zařízení vyžadují tyto nové skutečnosti zásadní změny v přístupu a myšlení všech subjektů zúčastněných v technologickém procesu. To znamená, že stále významnější roli sehrává osobní odpovědnost a přístup každého jedince zapojeného v procesu, přičemž odpovědnost roste s výší jeho postavení v dané hierarchii. Základním předpokladem ekonomického úspěchu je vytvoření odpovídajícího prostředí pracujícího podle organizačního systému pro řízení všech činností potřebných ke vzniku každého nového výrobku. Proto je třeba aby každý jedinec byl schopen rozhodovat v průběhu dílčích řešení na základě daleko širších souvislostí a na základě daleko širšího spektra informací a znalostí, než tomu bylo v minulosti. To znamená, že musí umět pracovat s informacemi, což znamená že musí být schopen získávat potřená data, tyto správně vyhodnocovat a co je nejdůležitější dokázat je také účinně využívat. Nové pojetí technologie v elektronice vychází z vývoje procesu integrace, jež se však v tomto případě netýká pouze technologie polovodičových integrovaných obvodů, ale je rozšířena na celý systém a sahá až do rámce samotného technologického procesu, jak je znázorněno na Obr. 2.1. Pojem technologická integrace spojuje v elektronice celou řadu dříve samostatných oblastí, jež jsou dnes stále více na sobě závislé a také stále více propojeny datovými soubory, předpisy, protokoly apod. Tyto informace jsou nezbytné k úspěšnému řešení každého výzkumného, vývojového nebo výrobního úkolu. Je to vlastně neustále se větvící řetězec informací, vyžadující pochopení a respektování řady vzájemných souvislostí, jež se odvíjí od počátečního průzkumu trhu, přes vývoj a návrh, výrobu, užívání, servis, až po samotnou likvidaci každého výrobku.

12


Obr. 2.1 Znázornění jednotlivých složek technologie z pohledu technologické integrace

Výše míry pochopení aplikace těchto nových skutečností je strategicky neobyčejně významná a má přímé ekonomické důsledky. Z Obr. 2.1 je dobře patrné, že výrobní proces je formován celou řadou požadavků, počínaje průzkumem trhu, a konče řešením způsobu likvidace každého výrobku. V přípravě samotného výrobního procesu existují tři důležité hlediska – návrh, výběr typu komponent a volba montážní technologie, přičemž žádná nemá prioritu. To je dáno tou skutečností, že stupeň integrace dosáhl takové míry, že rozhodování o konečném řešení se posouvá stále více k finálnímu výrobci, ba dokonce k uživateli. Z uvedeného vyplývá, že jednotlivé části jsou vzájemně propojeny a při opomenutí nebo podcenění zdánlivě zanedbatelných maličkostí v jedné oblasti může dojít k nenapravitelným negativním důsledkům v ostatních oblastech, především pak ve výrobě. Shrnutí: Technologická integrace spojuje v elektronice celou řadu dříve samostatných oblastí, jež jsou dnes propojeny datovými soubory, předpisy, protokoly apod. Tyto informace jsou nezbytné k úspěšnému řešení každého výzkumného, vývojového nebo výrobního úkolu. Je to vlastně neustále se větvící řetězec informací, vyžadující pochopení a respektování řady vzájemných souvislostí, jež se odvíjí od počátečního průzkumu trhu, přes vývoj a návrh, výrobu, užívání, servis, až po samotnou likvidaci každého výrobku.

Otázky:

1) Co je to technologická integrace ? 2) Jaké jsou hlavní součásti technologické integrace ?


13

Řešený příklad Příklad 2.1 Zadání: Znázorněte tři hlavní oblasti v mikroelektronických technologiích, jež se podílí na technologické integraci.

Řešení:

Výrobní proces

Výrobek Materiály a součástky

Konstrukční návrh

Obr. 2.2 Tři hlavní součásti podílející se na procesu technologické integrace

Žádná ze tří uvedených oblastí, jež spolu souvisí a společně ovlivňují konečné parametry výrobku včetně jeho jakosti a ceny, není prioritní. Proto je nutné již od samého počátku rozhodování o koncepci, konstrukci a o konečném provedení každého výrobku. Je třeba tedy již na samém počátku zaujmout stanovisko ke všem uvedeným oblastem.

14


3 Elektronické součástky Cíl: Získat přehled o konstrukci a výrobě moderních elektronických součástek, obvodů a systémů a dokázat s nimi pracovat v inženýrské praxi. Moderní součástky se stávají stále více součástí elektronického obvodu resp. systému a proto je třeba k nim přistupovat ze stále komplexnějšího pohledu. Je nutné si uvědomit vzájemné souvislosti mezi návrhem, konstrukcí a použitím těchto součástek v praktických aplikacích [ 2 ], [ 10 ], [ 13 ], [ 14 ], [www.onboard-technology.com ] Elektronické součástky se dnes vyskytují v nejrůznějších formách a tvarech, jež jsou často přizpůsobeny konkrétním aplikacím. Proto je třeba je spojovat vždy s řešením určitého obvodu, zařízení či systému. Snahou je integrovat pasivní součástky do pouzdra, a takový celek se nazývá SOP – System on Package (systém v pouzdře) nebo na substrát resp. čip, potom se jedná o SOC – System on Chip (systém na čipu). Z toho je patrné, že konstrukce každé součástky je stále více spojována s jejím provedením – pouzdrem. Elektronické součástky dělíme z různých pohledů podle funkce, materiálu apod., avšak jedno ze základních je obvodové hledisko které dělí součástky na: • Pasivní. • Aktivní.

3.1 Pasivní součástky Pasivní součástky jsou a budou nezbytnou součástí elektronických systémů. Nahlédneme-li do některého elektronického systému (osobní počítač, mobilní telefon, televizní kamera či přijímač a pod.), na první pohled lze rozpoznat několik integrovaných obvodů a nemalý počet pasivních součástek. Odhadovaný poměr pasivních součástek ku polovodičovým součástkám je kolem 20 : 1. Proto jsou právě pasivní součástky jednou z cest snižování hmotnosti, rozměrů a také ceny. Jejich integrace musí rovněž následovat trendy obecného vývoje, což je i zvyšování spolehlivosti pasivní sítě (menší počet pájených spojů), lepší elektrické vlastnosti (nižší parazitní ztráty) a snížení nákladů pro montáž. Existují dvě cesty naplňující uvedené požadavky, jimiž jsou: • Snižování rozměrů. • Vývoj nových konstrukčních řešení. Pasivní součástky můžeme dělit podle různých kritérií ale nejčastěji je používáno dělení podle způsobu provedení: • diskrétní klasické • diskrétní čipové • integrované - vrstvové (TLV nebo TV) - polovodičové (difúzní nebo implantované) - včleněné (např. jsou součástí pouzdra) • pole, matice (Arrays) • sítě (Networks) Na


15

Obr. 3.1 jsou znázorněny základní součástky tvořící pasivní sítě, jimiž jsou vodič, odpor, kondenzátor, induktor a transformátor. Chování těchto prvků v elektrickém obvodu je vyjádřeno jejich náhradním obvodem a je závislé na pracovním kmitočtu. Čím přesněji dokážeme chování jednotlivých pasivních prvků v závislosti na kmitočtu pro příslušnou aplikaci popsat, tím dokonalejší bude návrh a následná funkce. Nesmíme však zapomenout, že i aktivní prvky mohou mít ve svém náhradním obvodu prvky pasivní, jež výrazným způsobem ovlivňují jejich vlastnosti, především pracovní kmitočet (u číslicových obvodů).

SOUČÁSTKA

Schéma pro nf

Schéma pro vf

Impedanční závislost a rezonanční vlastnosti

Z Vodič f Z

Odpor

f Kondenzátor

Z f

Induktor

Z f

Transformátor

Z f

Obr. 3.1 Znázornění základních pasivních prvků a jejich chování v obvodu Rezistory jsou pasivní součástky vyznačující se schopností absorbovat určitý elektrický výkon, který je úměrný hodnotě jejich elektrického odporu – viz Ohmův zákon. Jsou realizovány s pomocí odporových materiálů, jako jsou uhlíkové, cermetové, oxidové a jiné vrstvy či tělesa, nebo také dráty. Technologie výrobního procesu je nejčastěji tlustovrstvá (nevakuová) nebo tenkovrstvá (vakuová). Kondenzátory jsou pasivní součástky vykazující schopnost hromadit náboj – viz Coulumbův zákon. Stěžejním materiálem kondenzátoru je dielektrikum, jež je charakterizováno řadou parametrů, např. permitivitou. Pro dielektrikum se používají keramické materiály (typ I, II a III), slída, plastové materiály (polyester a polystyren) a také oxidy (např. hliníku či tantalu). V mikroelektronice se využívají kondenzátory aditivním způsobem nazývané výstižně vrstvové, jež jsou realizovány tlustovrstvou či tenkovrstvou technologií. Induktory jsou nazývány často cívky, neboť jsou většinou vinuty či alespoň uspořádány do spirálového tvaru. Lze je charakterizovat jako zásobníky magnetické energie. Permeabilita je vlastnost materiálu působící jako měrná magnetická vodivost. V mikroelektronice se

16


využívají tzv. plošné cívky, budˇrealizované tlustovrstvou či tenkovrstvou technologií, nebo přímo na plošných spojích. Významným mezníkem v trendu snižování rozměrů pasivních součástek je zavedení technologie povrchové montáže, kde v závěru 70. let byl nejrozšířenějším rozměrem čip kvadrátového tvaru označovaný jako typové provedení 1206 (3 mm x 1,5 mm) [ 1 ]. O deset let později to již byl typ 0805 (2 mm x 1,2 mm) a dnes je již běžně používán typ 0603 (1,5 mm x 0,75 mm) a 0402 (1 mm x 0,5 mm). Dále se začíná sledovat typ 0201 (0,5 mm x 0,25 mm), jehož masové využití lze předpokládat v blízké budoucnosti a hovoří se také o typu 01005 (0,25 x 0,125) mm. Druhou cestou je vznik nové generace pasivních součástek, jež budou přímo integrovány do nových typů substrátů, jak je naznačeno dále na Obr. 3.10. Rozhodující roli zde sehrává vývoj nových materiálů, a to jak pro substráty, ať už anorganické (korund, nízkoteplotní keramické směsi), nebo organické (dosud známé epoxidy, polyestery, kyanidestery, polyimidy, polytetrafluoretyleny, i nově vyvíjené např. tekuté polymerní krystaly), tak i pro samotné pasivní součástky. Zde se jedná o nové typy vodivých a dielektrických materiálů, včetně polymerních, aplikovaných tenkovrstvou a tlustovrstvou technikou. Integrované pasivní součástky tvoří oblast zájmu, která je podrobena v elektronice výrazným tendencím k integraci. Jejími hlavními rysy je miniaturizace a snížení ceny. Některá nová řešení jsou v současné době zaváděna do výroby, především v souvislosti s uplatňováním obvodů s vysokou hustotou součástek (HDI) v nejrůznějších aplikacích, především však v telekomunikacích a informatice. Dokud bude pokračovat trend integrace analogových, digitálních a dalších elektronických součástek a systémů, musí zákonitě probíhat i proces vývoje pasivních součástek. Velké rozměry, parazitní jevy, problémy s elektromagnetickou kompatibilitou (EMC) a vysoká cena osazování jsou klíčovými problémy, které musí být řešeny. Nové směry ve vývoji integrovaných pasivních součástek je vedena směry, které řeší nebo redukují výše uvedené problémy začleňováním pasivních součástek přímo na povrch či do vnitřku nosného substrátu. Průmyslové technologie používané k výrobě integrovaných pasivních součástek tvoří především: a) Tenkovrstvé (Thin Film) technologie vytvářející tenké vrstvy převážně naprašováním nebo napařováním na organické i anorganické podložky. b) Tlustovrstvé (Thick Film) technologie, jež využívají sítotisk a následné vysokoteplotní sintrování (výpal), jež jsou převážně realizovány na keramických substrátech ve vícevrstvém uspořádání. c) Polymerní tlusté vrstvy (Polymer Thick Film) využívá nízkoteplotní materiály (pasty). Například integrované rezistory mohou být realizovány sítotiskem v planárním uspořádání, někdy i v kombinaci s ostatními součástkami. d) Kombinací pasivních prvků s aktivními prvky nebo moduly, ať už se soustředěnými nebo s rozloženými parametry. Tak se dosahuje pro vysokofrekvenční provedení vysokého stupně integrace, jak je patrné z obr 3.2.


a)

17

b)

Obr. 3.2 Napětím řízený oscilátor v tlustovrstvém (a) a tenkovrstvém (b) provedení Jednotlivé technologie mohou být použity k výrobě ekonomicky příznivých a spolehlivých kondenzátorů, rezistorů a induktorů a jejich kombinací, polí pro aplikace, jako jsou např.: a) Systémové funkce - kapacitory: potlačení vazby bypass, vyladění a filtrování, potlačení šumu - rezistory: můstky, mikrovlnné a vn aplikace - induktory: úprava napájení a signálů b) Integrované R,L,C obvody, např. pro řízení sběrnic (obsluha/úprava napájení), impedanční přizpůsobení, odstranění rušení Vývoj v oblasti integrace pasivních součástek lze stručně shrnout do následujících oblastí: A. MCM technologie - MCM-C: vícevrsvé keramické struktury (Tlustovrstvé hybridní technologie, LTCC, HTCC, AIN) - MCM-D: tenkovrstvá dielektrika na keramickém substrátu (jemné struktury s velkou hustotou spojů) - MCM-D/C: tenkovrstvá dielektrika na keramice (vícevrstvé) - MCM-Si: křemík na křemíku (jemné struktury s vysokým rozlišením – méně než 1µm litografie), kompatibilní s tenkovrstvovou technologií - MCM-L: laminát (vysokohustotní aplikace ( HDI PWB) - MCM-D/L: nanášená dielektrika na organický substrát (PWB) B. Rezistory (viz Tab. 3.1) Tab. 3.1: Přiblížení výroby integrovaných rezistorů Technologie / příklady

Rezistivita (ohm/čtverec) Tenké vrstvy: TaN, Ni-Cr, 10-300 Ta2N, Ta-Si, Cr-Si, cermety Tlusté vrstvy: Ru2O, 1,0-1M základy IrO2 Plněné polymery

10-10K

TCR (ppm/C) Od –200 do +200 Od –150 do +300

komentář Reaktivní prskání, teplotní stabilita, RPIB odpařování, nízký šumový proud Hořlavý okolo 850C dobře drží kapacitu, vysoce frekvenčně závislé, vysoký šumový proud Velká frekvenční závislost sítotisk, filmový tisk

18


C. Kapacitory Tlustovrstvé a tenkovrstvé se soustředěnými i s rozloženými parametry Porovnání vlastností (impedance na frekvenci 106 – 109) mezi integrovanými (HIDEC FP a HIDEC PP) a nynějšími diskrétními kapacitory používaných při montáži v elektronickém průmyslu je znázorněno na Obr. 3.3.

Obr. 3.3 Porovnání integrovaných a diskrétních kondenzátorů Doposud výrobci pasivních součástek zaměřují své úsilí spíše na snižování rozměrů, než na jejich integraci. Podstatou dalšího vývoje je propojení výzkumu a vývoje nových materiálů, procesů a nových principů v hledání dalších cest vedoucích k integrování pasivních součástek. Podstatou těchto projektů jsou především: - Vhodné CAD/CAM nástroje pro výrobu kapacitorů, rezistorů a induktorů, - modelové a simulační nástroje k vytváření pasivních struktur, databází a vývojářských knihoven, předvídání parametrů obvodů a zajištění jejich stability a reprodukovatelnosti, snižování ceny, - kapacitory: nanokompozitní a polymerové materiály s vysokou stabilitou dielektrika, vyhotovení kapacitorových struktur „Through Vias“, teplota procesu pod 230oC pro docílení kompatibility s procesem povrchové montáže, - rezistory: elektrolýzou pokoveny vrstvou Ni-P, Ni-W-P, nové sloučeniny a řídící koncepty pro polymerní tlustovrstvé technologie, - induktory: 2D a 3D měděné struktury, polymerová jádra plněna feritem, elektricky pokovena slitina feritového jádra, PCB planární magnetická technologie - rezistory/kapacitory/induktory: tlustovrstvá technologie založená na materiálech složených ze směsi jemných frit s reakčním organickým médiem, jež se vytvrzují při teplotě nižší, než teploty procesů na substrátech keramických.


19

Tab. 3.2: Strategické parametry integrovaných pasivních součástek Aplikace

Požadovaný rozsah 1-10nF

Q faktor

Tol.

>100

<10% 2-3GHz

0,01-0,1mF

>50

<15% 2-3GHz

0,01-1mF

>25

<15% 10GHz

Matching Rezistory

<10pF 10200Kohm

>100 -

<5% <10%

Cívky RF Choke L Power L

1-10nH 0,1-1mH Asi 5mH

>15 >15 >10

<10% <20% <20%

Filtrovací kondenzátor Bypass kondenzátory Blokovací

Frekvence Komentář Vysoká vlastní rezonanční frek., Velké Q Malá impedance <<1ohm

Malá reaktance a impedance, velký rozsah hodnot C, zlom u V>20V 5-10GHz Vyžadována nízká tolerance 2-3GHz Koncové rezistory, Přizpůsobovací rezistory, Potenciometry 2-3GHz Vyžadováno vysoké Q 2-3GHz Velký rozsah L 1-100MHz Velmi velký rozsah L

Některé směry řešení usilují o reprodukci standardních technologií, jež jsou používány ve vícevrstvových strukturách jak na keramických, tak i na laminátových substrátech. Řešením je začleňování planárních (vrstvových) pasivních prvků do propojovacího systému z organického nebo anorganického substrátu (FR-4, polyamide, BT, kyanytan-ester, atd.). Tímto se zhotovení pasivních součástek stává součástí výroby vlastního nosného substrátu (obyčejně DPS), jak je patrné z Obr.3.4.

Bezolovnatá pájka

Mikrovia >80µm

5vrstev

Vf materiál

Vložené součástky

HDI materiály - skelné - aramid - polymery - resiny - bezhalogenovéFR4

Obr. 3.4 Integrované pasivní součástky zapuštěné do dalšího HDI PWB

20


Tab. 3.3: Klíčové parametry substrátů integrovaných rezistorů První rok výroby Hodnota odporu Max I/O základna Tolerance Výkonové zatížení Počet součástek Počet součástek

Jednotka Ohm / cm2 % Watt/cm2 Průměrně / cm2 Maximálně/cm2

2001 10 – 100 000 100 10 16 50 80

2003 10 – 200 000 175 7 32 75 100

2009 10 – 200 000 270 5 32 110 140

Tabulky Tab. 3.1 a Tab. 3.3 ukazují hlavní parametry integrovaných pasivních součástek a klíčové parametry substrátů. S odkazem na stejné zdroje, integrované pasivní součástky by měly dojít k hodně teplotně náročným aplikacím v automobilovém průmyslu, pro příklad -40 až +150 C, 2000 cyklů teplotních změn v jedné hodině, 1000 hodin na 150C, 85%vlhkost / 85C a 1000 hodin, 2mm odchylka přes 90 mm po 1 hodině ohýbání, 4x měření napětí za 1 min na odolnost dielektrika, 25/65C a 100%vlhkost 1000 hodinový cyklus teplota-vlhkost. A především budou muset být schopny pracovat s napětím 42 V, jež je pro moderní automobily nutné.

Obr. 3.5 Rozměry kondenzátorů 1206,0805,0603,0402 a 0201 Současný vývoj ukazuje, že stěžejní roli ve vývoji nových pasivních součástek budou hrát stále více nové materiály a nové výrobní technologie, které dovolují zaintegrovat pasivní součástky do vnitřní struktury substrátů, jak organických, tak anorganických. Tyto nové komponenty mohou snížit nebo eliminovat současné problémy a přispět podstatně k další miniaturizaci se všemi důsledky. Pasivní součástky zůstanou nezbytnou součástí příštích generací elektronických obvodů a systémů. Je však možné očekávat jejich další miniaturizaci a nástup nových typů materiálů pro jejich výrobu.


21

Otázky: 3) Čím se vyznačují pasivní prvky a jak je rozdělujeme ? 4) Jak se liší jednotlivé provedení a výroba odporů a kondenzátorů ? 5) Co vyjadřuje označení součástky 0805 a o jakou součástku se jedná ? 6) Čím jsou tvořeny náhradní obvody pasivních prvků v oblasti použití na vf ? 7) Jaké jsou průmyslové technologie pro výrobu pasivních součástek ?

3.2 Polovodičové součástky Hlavní částí polovodičových součástek jsou polovodičové čipy, na nichž je realizována polovodičová struktura zajišťující požadovanou elektrickou funkci. Vývoj polovodičových čipů pokračuje od šedesátých let takovou intenzitou, že hustota prvků na čipu se zvyšuje každých deset let přibližně stokrát. Jedním z hlavních důvodů je neustálé zdokonalování litografických procesů při výrobě polovodičových čipů, kde je dnes již běžně ve výrobě zvládnuto rozlišení 0,18 µm. Tyto skutečnosti, spolu se stále vyšší čistotou výchozího polovodičového materiálu (převážně křemíku), při standardním průměrem waferu 200 mm (v nedaleké budoucnosti lze očekávat přechod na 300 mm), umožňují nadále zvyšovat také rozměry čipů, a vytvářet stále složitější obvody. Zatímco na začátku 70. let byl typický rozměr čipu (3 x 3) mm, o dvacet let později to již bylo (1 x 1) cm. Nyní např. čip paměti DRAM s kapacitou 16 Gbit má rozměr (1,6 x 3) cm, mikroprocesory pak i více, a v blízké budoucnosti se očekává ještě další nárůst rozměrů (předpokládají se plochy čipů několik desítek cm2 ) . S rostoucí hustotou a velikostí čipů dochází ke zvyšování počtu prvků na čipu (ať už tranzistorů, hradel či dalších funkčních bloků). U dnes již zcela běžného procesoru Pentium III již počet prvků na čipu přesáhl hranici deseti milionů, a u dalších typů (Pentium IV, V) se dále zvyšuje. Tyto skutečnosti s sebou přináší i změnu dalších parametrů, jako je např. nárůst ztrátového výkonu na čipu, zvyšování maximální hodnoty pracovního kmitočtu, ale co je důležité z konstrukčního hlediska také stále větší počet vývodů, jak je patrné z Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.. Tab. 3.4: Některé charakteristické parametry znázorňující vývoj čipů v letech 1992 až 2004 Rok Parametr Velikost čipu (mm2) Litogr. rozlišení (µm) Max. ztrátový výkon (W) Kmitočet (MHz) Počet vývodů max. Cena waferu ($ za cm2)

1992

1995

1998

2001

2004

max. 250 0,5 10 120 400 4,20

max. 400 0,35 15 200 620 3,90

max. 600 0,25 30 350 1200 3,75

≈ 800 0,18 40 700 2000 3,65

≈ 1000 0,12 40 – 120 ? GHz 3500 3,60

22


Z údajů uvedených v Tab. 3.4, jež je třeba považovat za informativní, je zřejmý rostoucí trend kvalitativního vývoje parametrů čipů prakticky ve všech směrech, což však nemusí být rozhodující pro konečné parametry elektronického systému v němž čipy pracují. Tato skutečnost je dobře patrná u kmitočtu, kde po připojení čipu na substrát poklesne pracovní kmitočet sytému přibližně na polovinu hodnoty dosahované na samotném čipu. To souvisí s řadou faktorů týkajících se nejen samotného provedení čipu (např. uspořádání vývodů), ale také se způsobem jeho montáže do pouzdra resp. na substrát, a v konečné fázi i s celkovým řešením propojení jednotlivých čipů mezi sebou a s ostatními pasivními prvky. Dnes je k dispozici celá řada polovodičových součástek - čipů. Každý je určen pro konkrétní použití podle příslušné specifikace. Základ čipu tvoří polovodičová destička, nejčastěji z křemíku, do jehož objemu je vytvořena vlastní struktura. Na povrchu je čip chráněn oxidovou vrstvou, na níž jsou umístěny vodivé plošky – kontakty pro připojení čipu do obvodu. Provedení kontaktů a tedy I připojení do obvodu může být různé. Při výrobě polovodičových čipů se používají především následující technologické operace: • epitaxe (vytvoření definovaných polovodičových vrstev s vodivostí typu p nebo n) • oxidace (vytvoření izolačních, ochranných, pasivačních a dielektrických vrstev) • difúze (dotování polovodičových materiálů, vytváření PN přechodů) • iontová implantace (velmi přesné dotování a vytváření PN přechodů) • litografie (vytváření masek pro dosažení požadované struktury na čipu) • naprašování a vakuové napařování (vytváření vodivé sítě a kontaktů) Jedním z určujících parametrů hodnotících příslušnou technologii používanou při výrobě polovodičových čipů dnes je litografické rozlišení někdy nazývané rozlišovací schopnost. Ta vyjadřuje nejmenší možný rozměr čára-mezera, jenž je možné využít při realizaci polovodičové struktury. V současné době se standardem stala technologie označovaná 0,18 µm, postupně se začíná přecházet na 0,13 µm. Otázky:8) Co je to wafer a jakých dosahuje rozměrů ? 9) Jak se vyvíjelo litografické rozlišení v polovodičové technologii ? 10) Jaký rozdíl je mezi oxidací, iontovou implantací a naprašováním a k čemu slouží?

3.3 Ostatní součástky Mezi ostatní součástky lze zařadit filtry, relé, spínače a vypínače, konektory, baterie, reproduktory. Dnes existuje nepřeberné množství těchto komponent, od nejrůznějších výrobců, jež jsou často určeny pro konkrétní typ aplikace. Tyto součástky lze nalézt v katalozích jednotlivých výrobců. Jsou řešeny buď s drátovými nebo kolíkovými vývody pro pájení na plošné spoje, nebo s kontaktními ploškami pro povrchovou montáž.


23

3.4 Vývoj v pouzdření moderních elektronických součástek Průmyslové odvětví elektroniky se vyznačuje charakteristickými znaky vývoje, jež stále více sledují požadavky trhu. Zákazník se tak stává jedním z prvních článků určujících nové směry vývoje. I když výčet požadavků či jejich priorita se může lišit dle různých hledisek, ze světového pohledu lze najít některé společné znaky vývoje, jež lze pro blízkou budoucnost charakterizovat vývoj v elektronice následujícími trendy: • CMOS – Complementary Metal Oxide Semiconductor (logické obvody realizované unipolárními tranzistory) zůstane základní a pravděpodobně i vůdčí technologií při realizaci polovodičových čipů • hlavním technologickým cílem bude zvyšování hustoty integrace a snižování ztrát energie • nové materiály a inovace v materiálových vědách bude mít stále důležitější a hlubší význam • rozhodující roli v tržních mechanizmech převezmou informační systémy • mikroelektronický trh poroste přibližně dvojnásobně rychleji něž trh elektronický • vzdělávání bude mít stále více interdisciplinární (mezioborový) charakter Na druhé straně avizovaný vývoj nemůže být nekonečný, a proto lze předpovědět i některé limitující skutečnosti. Jsou to především: • zmenšování rozměrů polovodičových struktur nepůjde pod rozměr velikosti atomů • rychlost signálu nepřekročí 20 cm/ns • pro elektrickou izolaci mezi prvky bude nutné počítat s tloušťkami alespoň několik nm Z konstrukčního hlediska jsou dnešním standardem řešení koncepce nejen mobilních telefonů, ale téměř všech elektronických systémů včetně počítačů jednotlivé vícevrstvé desky plošných spojů, na nichž jsou připojovány a propojovány součástky v různých pouzdrech. To znamená, že dnes je z konstrukčního hlediska každého jednotlivého systému důležitější namísto samotného čipu provedení použitého pouzdra. Pouzdra dělíme podle provedení a materiálů jak je popsáno dále. 3.4.1

Pouzdra s páskovými vývody

Do této skupiny pouzder patří jak pouzdra keramická, tak plastová. Vyznačují se páskovými vývody, jež jsou dále ukázány na obr. 3.7. Miniaturní plastová pouzdra v provedení Dual in Line ( krátce nazývaná DIL), nebo někdy také nazývaná Dual In-line Package (zkráceně DIP) s vývody na dvou protilehlých stranách, označovaná ve zmenšeném provedení pro povrchovou montáž SO (Small Outline), jsou z počátku nejčastěji používaná provedení. Dále se sem řadí plochá čtvercová nebo obdélníková plastická pouzdra s vývody na čtyřech stranách označovaná QFP (Quad Flat Pack), a tzv. čipové nosiče označované CC (Chip Carrier). Tyto jsou v provedení s páskovými vývody převážně plastické PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier), výjimečně pak keramické CLCC (Ceramic Leaded Chip Carrier). Tři nejčastěji používané typy těchto pouzder znázorňuje v základním provedení Obr. 3.6.

24


a)

b)

c)

Obr. 3.6 Pouzdra integrovaných obvodů s páskovými vývody používaná v technologii povrchové montáže a) SO pouzdro DIL b) pouzdro PLCC c) pouzdro QFP\ V současné době existuje značný počet nejrůznějších rozměrů a typů pouzder od různých výrobců. To je způsobeno skutečností, že řada z nich byla vyvinuta buď pro určitý typ čipu nebo pro určitou aplikaci. Pro vlastní montáž do obvodu jsou rozhodující tvar a rozteč vývodů, čemuž musí být přizpůsobena i příslušná technologie. Původně velmi rozšířená pouzdra DIL s vývody uzpůsobenými pro montáž do děr plošných spojů (rozteč 2,54 mm) vykazují s nárůstem počtu vývodů také neúměrný nárůst celkové plochy. U pouzder s větším počtem vývodů než 20 je již efektivita pouzdření velmi nízká, a proto se nepoužívá více než 32 vývodů (zde je ale již obyčejně snížena rozteč např. na 2 mm). Rozšířeným pouzdrem s větším počtem vývodů, určeným pro montáž do děr nebo do patice, je PGA (Pin Grid Array). Toto pouzdro bylo vyvinuto pro hradlová pole a procesory v počítačích. Má čtvercový tvar a umístění kolíkových vývodů na spodní straně základny Běžně používanou rozteč 2,54 mm lze však ztěží snižovat, neboť v souvislosti s velkým počtem otvorů na malé ploše by mohlo dojít k růstu mechanického namáhání (především při zvýšení teploty), a tím i ke snížení spolehlivosti. Z toho lze usoudit, že pouzdra s vývody určenými pro montáž do děr dosáhla svého vrcholu a nelze předpokládat jejich další miniaturizaci. V technologii povrchové montáže se používají pro pouzdra integrovaných obvodů dva typy vývodů, a to více rozšířené Gull Wing nazvané podle tvaru podobajícímu se křídlu letícího racka (pro pouzdra SO, QFP a v některých případech i pro PLCC), a dále tak zvané J Lead (především pro pouzdra PLCC) blížící se svým tvarem písmenu J zahnutému k tělu pouzdra, jak je patrné z Obr. 3.7. Provedení vývodů pouzder, jež je charakterizované jejich tvarem a roztečí je určující pro návrh pájecích ploch. Jejich kvalita (pájitelnost, tvar koplanarita atd.) je pak důležitá pro jakost a spolehlivost procesu pájení, ale i samotného pájeného spoje, a s tím i celého obvodu případně systému.


a) J Lead

25

b) Gull Wing

Obr. 3.7 Dva typy páskových vývodů používaných v povrchové montáži pro pouzdra IO

Je zřejmé, že vývoj v oblasti systémů vývodů pouzder směřuje neustále ke snižování rozteče mezi vývody. V samotném počátku používání technologie povrchové montáže došlo při zavedení pouzder SO ke snížení rozteče z mnoho let používaných 2,5 mm na 1,25 mm a dnes existují již pouzdra s roztečí 0,5 mm a méně. Menší rozteče vývodů s sebou přináší i jejich stále větší náchylnost ke svévolnému ohnutí, a tím i ke zničení pouzdra. Používat pouzdra s vychýlenými vývody je nepřípustné především z pohledu spolehlivosti pájených spojů. Kritické je především ohnutí krajních vývodů u rohu pouzdra. To může být příčinou nezapájených spojů. Ohnutí vývodů může být buď v laterárním (horizontálním) směru, což naruší rozměry roztečí, nebo ve vertikálním směru, což způsobí narušení koplanarity (rovinnosti) [ 1 ]. To je zvláště nepříjemné, neboť je běžnou optickou kontrolou obtížně postřehnutelné. 3.4.2

Pouzdra s kontaktními ploškami

Pouzdra pro čipy integrovaných obvodů se používají ve dvou základních provedeních. V předešlé kapitole byly zmíněny čipové nosiče (CC) s vývody typu J Lead nebo Gull Wing. Stejný typ pouzder je používán i v tak zvaném „bezvývodovém“ provedení, buď jako keramická pouzdra LCCC (Leadless Ceramic Chip Carrier) nebo plastická pouzdra LPCC (Leadless Plastic Chip Carrier). Celkový pohled na pouzdro LCCC resp. LPCC a srovnání délky propojovacích vývodů uvnitř pouzdra s provedením DIL je znázorněno na Obr. 3.8. Vývody pouzdra CC jsou vyvedeny z vnitřního prostoru pouzdra do tvarovaných drážek na bočních stranách a protaženy až na jeho spodní základnu. Uvnitř pouzdra může být umístěn jeden i více čipů, které jsou připojeny některou ze známých metod, ultrazvukovým nebo termokompresním kontaktováním. Vzhledem k tomu, že montáž čipů je prováděna často samotným uživatelem, může být v řadě případů stěžejní operací právě pouzdření, jež musí zajistit dostatečnou ochranu čipu. V některých aplikacích je požadováno hermetické uzavření. V takovém případě se používá u keramických nosičů varianta s kovovým pozlaceným víčkem pájeným zlato-cínovou pájkou na kovový rámeček vytvořený na povrchu keramického pouzdra, nebo s keramickým víčkem pájeným přímo skelnou pájkou. Pro méně náročné aplikace s plastickými nosiči se používá

26


jednoduchý způsob uzavření zalitím epoxidovou pryskyřicí. V takovém případě však není pouzdro hermetické.

Počet vývodů 18 24 40 64

Poměr nejdelšího vývodu k nejkratšímu CC : DIL 1 : 2 1 : 4 1 : 5 1 : 6

(a)

Pokovení

(c)

CC

(b)

DIL

Obr. 3.8 Čipový nosič v provedení bez páskových vývodů

a) celkový pohled

b) detail provedení vývodů

c) srovnání s pouzdrem DIL

Čipové nosiče s kontaktními ploškami mají čtvercový nebo obdélníkový tvar s počtem vývodů od 18 do 156 (jen zřídka více). Vývody jsou rozmístěny pravidelně na všech čtyřech stranách pouzdra a jejich rozteč je 1,25 mm a méně. Hlavní předností pouzder CC oproti pouzdrům s páskovými vývody jsou kratší vzdálenosti vodičů pro propojení čipu se substrátem, a s tím lepší elektrické vlastnost, především menší parazitní odpor a indukčnost (viz Obr. 3.8c). Výhodou je také možnost umístění více polovodičových čipů uvnitř jednoho pouzdra včetně jejich vzájemného propojení. 3.4.3

Pouzdra s kulovými vývody

Zásadní obrat a s tím také rozvoj v této oblasti nastal se změnou filozofie jejich použití. Tou se stala nutnost připojit polovodičové čipy s velkým počtem vývodů na co nejmenší ploše substrátu. Tak došlo k rozvoji tohoto principu nejen u samotných čipů, ale i u pouzder. S postupem času vznikla dnes stále více používaná pouzdra BGA (Ball Grid Array) a CGA (Column Grid Array), u nichž je kulový tvar vývodu nahrazen tvarem sloupkovým. Řešení s vývody umístěnými na spodní straně pouzdra umožňuje jedinou operací připojit na substrát pouzdro s několika desítkami až stovkami vývodů. Elektrody (kontakty) kulového tvaru jsou propojeny se systémem vývodů, k němuž se kontaktuje polovodičový čip, tak jako v případě čipových nosičů. Uspořádání vývodů dává


27

dostatečný prostor pro jejich bezpečnou rozteč (Obr. 3.9). Průměr kuliček je od 0,6 mm do 1 mm a základním materiálem je pájka PbSn. Jádro kuličky tvoří pájka Sn10Pb90 (s bodem tavení 219 0C) a obal Sn37Pb63 (bod tavení 184 0C), což umožňuje při pájení přetavením plastické vytvarování a vytvoření spolehlivého spoje. Pro aplikace vyžadující vysokou spolehlivost jsou vyvíjeny vývodové systémy s povrchovou úpravou drahými kovy (např. Pd). Montáž čipu do pouzder se provádí ultrazvukovým kontaktováním a následné připojení samotného pouzdra na substrát pak prostřednictvím pájení přetavením. Předpokládá se rovněž připojování s pomocí vodivého lepidla naneseného na kontaktní plochy substrátu předem metodou sítotisku. Pouzdra BGA vznikla původně jako korundová (Al2O3), nazývaná také LGA (Land Grid Array), ale současná pozornost je soustředěna k provedením z osvědčených plastických materiálů FR4 nebo FR5.

vodivé lepidlo

kulové vývody

termokomp. Au spoje čipy

vícevrstvá DPS

1.2 mm

0.5 mm

1.1 - 1.5 mm

FR 4 SnPb s 2% Ag eutektická pájka

podhled

a)

epoxy (překrytí)

nepájivá maska

b) Obr. 3.9 Schématické znázornění pouzdra BGA

a) základní princip

b) řez pouzdrem

Požadavky na přesnost rozměrů a rozteče vývodů jsou stanoveny na základě dosažení očekávané spolehlivosti. Je udávána povolená tolerance rozměrů ±30 µm, přičemž kontaktní ploška na substrátu má průměr rovný 0,8násobku hodnoty odpovídající průměru kuličky (při průměru pájkové kuličky vývodu 760 µm je rozměr strany kontaktní plošky na substrátu 635 µm). Z praktického pohledu lze dojít k závěru, že oproti pouzdrům s páskovými vývody se projeví úspora místa na substrátu již od provedení pouzder s 16 vývody a s narůstajícím počtem vývodů se úspora dále zvyšuje. Navíc v pouzdru BGA může být umístěno i více čipů. Byla také ověřena možnost montovat do těchto pouzder i polovodiče v provedení Flip Chip nebo TAB. Příklad dokumentující efektivnost tohoto typu pouzder je uveden v Tab. 3.5.

28


Tab. 3.5: Srovnání počtu vývodů pouzder QFP a BGA ___________________________________________________________________________ Typ pouzdra vývodů

Rozměry pouzdra (mm) Plocha pouzdra (mm2 )

Rozteč vývodů (mm)

Počet

___________________________________________________________________________ QFP 20 x 20 400 0,5 148 BGA 20 x 20 400 1,27 225 ___________________________________________________________________________ Nejdůležitější přednosti pouzder BGA oproti pouzdrům s páskovými vývody jsou: • úspora místa, • lepší manipulace a snížené nebezpečí poškození, • snadnější montáž resp. nižší zmetkovitost při jejich aplikaci, lepší elektrické vlastnosti (parazitní indukčnost zpravidla nepřesahuje 1 nH a parazitní kapacita 0,2 pF), • relativně jediném pouzdře.příznivé teplotní vlastnosti (chlazení), • možnost využití konvenčních zařízení pro montáž, • možnost umístění více čipů v pouzdře. Otázky: 11) Popište princip pouzder s páskovými vývody, jejich typy a značení. 12) Jaký je základní princip pouzder s kontaktními ploškami? 13) Jaký je rozdíl mezi kulovým vývodem a bumpem ? 14) Jaké výhody přináší CC oproti DIL ? 15) Jaké materiály se používají pro pouzdra BGA ?

3.5 Vývoj v pouzdření systémů Na základě uvedených skutečností a ze současného vývoje je zřejmé, že řešení konstrukce moderních elektronických systémů představuje komplexní soubor vzájemně souvisejících požadavků, jež neřeší jen samotnou ochranu čipů, ale i veškeré systémové aspekty ovlivňující elektrické parametry (jako je pracovní kmitočet), mechanické provedení (včetně chlazení), a také nezbytnou vysokou spolehlivost. To vše je předmětem dnes do popředí vystupující oblasti nazývané Packaging and Interconnection. V posledních letech dokonce vznikl obor, jenž se zabývá pouzdřením elektronických systémů v tom nejširším slova smyslu, to znamená nejen ochranou samotných součástek, ale i tepelnými, elektrickými a mechanickými vlastnostmi.


29

Obr. 3.10 Jedno z možných řešení budoucí generace moderních integrovaných mikroelektronických systémů

Termín Packaging and Interconnection nelze přeložit doslova a za výstižný ekvivalent lze považovat výraz „pouzdření a integrovaná montáž“. Jedná se totiž nejen o integraci na samotném polovodičovém čipu, ale i o integraci mezi čipy a ostatními součástkami, včetně mechanické ochrany. Příkladem jsou multičipové moduly (Multi Chip Module - MCM) představující jednu z progresivních generací integrovaných systémů. Je zřejmé, že v budoucnu se bude oblast integrovaných obvodů řešící integraci na polovodičovém čipu s oblastí integrované montáže stále více přibližovat. Otázky: 16) Vysvětlete pojem „Interconnection and Packaging“. 17) Co je skryto v pojmu pouzdření?

3.6 Další vývoj v oblasti pouzdření Aktuálním problémem je v současné době spolehlivé a ekonomické řešení připojení polovodičového čipu na substrát, jež by nemělo zhoršovat elektrické parametry samotného čipu. Na Obr. 3.11. je znázorněn všeobecný trend ve vývoji pouzder integrovaných obvodů. Zde je patrný přechod od prvních pouzder integrovaných obvodů pro povrchovou montáž typu SOIC (pouzdra DIL s roztečí vývodů 1,25 mm), k pouzdrům Fine Pitch (rozteč vývodů méně než 1 mm). Zde byla zpočátku používána především pouzdra s vývody na všech čtyřech stranách označované QFP, a s postupem času se objevily plochá pouzdra čtvercového tvaru s celoplošně řešenými vývody na spodní straně nazývaná BGA. Dnes se stále více uplatňuje provedení CSP (Chip Size Package) a v budoucnosti se předpokládají provedení s přímým připojováním čipu na substrát označované DCA (Direct Chip Attach).

30


Obr. 3.11 Znázornění trendu vývoje pouzder v technologii povrchové montáže Ve většině elektronických zařízeních můžeme rozlišit různé typy obvodů. Např. v počítači jsou to následující čtyři základní druhy polovodičových součástek, jež tvoří z pohledu své funkce samostatné skupiny integrovaných obvodů: • mikroprocesory (Microprocessor), • zákaznické integrované obvody (Application Specific Integrated Circuit - ASIC), • paměti CACHE , • hlavní paměti. Například osobní počítač většinou obsahuje jeden mikroprocesor, několik cache pamětí (SRAM), několik ASIC obvodů pro video, zvuk, řídící obvody (např. pro I/O, paměti, ovládání sběrnic atd.) a hlavní paměť (ROM, DRAM). Mikroprocesory budou brzy vyžadovat pouzdra s počtem vývodů až několik tisíc, umožňující pracovní frekvence přesahující 1000 MHz. Očekává se, že moduly SRAM jako cache paměti budou pracovat na stejných frekvencích jako mikroprocesory. A čipy zařízení ASIC budou pracovat s kmitočtem několika set MHz a s počtem vývodů běžně kolem 800. Některé čipy pro telekomunikační zařízení, řešené jako ASIC potřebují i více než 1000 vývodů. A pro dynamické paměti platí známý Moorův zákon, kdy počet tranzistorů na čipu se každých 18 měsíců zdvojnásobuje.


31

Obr. 3.12 Znázornění aplikačních oblastí různých typů pouzder (vztaženo na počet vývodů)

3.6.1

Pouzdra TSOP (Thin Small Outline Package), PQFP (Plastic Quad Flat Package)

Z uvedených skutečností je zřejmé, že dochází k různým požadavkům na provedení pouzdra podle typu aplikace, jak je patrné z Obr. 3.12. Dlouho používaná pouzdra s vývody na dvou protilehlých stranách v provedení DIL a na ně navazující provedení pro povrchovou montáž SOIC, nemohou vzhledem k omezenému počtu vývodů splnit tyto požadavky. Proto se objevují pouzdra s vývody na všech čtyřech stranách označovaná QFP. Tyto se staly ekonomicky příznivou variantou pro řadu aplikací v technologii povrchové montáže. Jejich použití je rozšířené zvláště pro aplikace ASIC a pro mikroprocesory s nižším výkonem a menším počtem vývodů. Běžně se používají v provedení 208 vývodů (rozteč 0,5 mm, 28 mm velikost strany pouzdra); 240 vývodů (rozteč vývodů 0,5 mm, 32 mm velikost strany pouzdra) a dokonce 304 vývodů (rozteč vývodů 0,5 mm, 40 mm velikost strany pouzdra). Pouzdra TSOP (Thin Small Outline Package) mají navíc velmi nízký profil a byly původně navrženy pro paměťové moduly SRAM, DRAM, ale později se začaly používat i pro ostatní typy obvodů.

3.6.2

Další vývoj v technologii BGA (Ball Grid Array)

Existuje několik různých druhů pouzder BGA, jež se liší v prvé řadě použitým materiálem nosného substrátu. Podle něj můžeme rozlišit pouzdra CBGA (keramický

32


substrát), MBGA (s kovovou vrstvou) a PBGA (plastová). Vlastní čip může být připojen také různými technikami: kontaktovacím drátkem (ultrazvukem nebo termosonicky), pomocí TAB provedení nebo jako Flip Chip. Okolo 90% integrovaných obvodů se vyrábí s periferním uspořádáním vývodů na jedné straně plochy čipu, a tak je nezbytné použít „redistribuční“ vrstvu, která převede toto uspořádání v pole vývodů (Area Array). Vlastní provedení součástky BGA je realizováno vytvořením souboru pájkových kuliček na spodní straně (základně) pouzdra. Tímto uspořádáním vývodů (Area Array) oproti vývodům na čtyřech (dvou) stranách pouzdra je možno dosáhnout u stejného rozměru pouzdra většího počtu vývodů, nebo při stejném počtu vývodů a stejné ploše čipu jako v provedení pouzdra QFP je rozteč vývodů u pouzder BGA výrazně větší (vyšší spolehlivost). Další významnou vlastností je schopnost samovystředění (selfaligment) těchto součástek při pájení přetavením.

Obr. 3.13 Příklad provedení pouzdra BGA a) plastické

b) keramické

Jak je vidět na Obr. 3.13, pouzdra CBGA, MBGA splňují požadavky pro aplikace ASIC a mikroprocesory s vysokým počtem vývodů (i více než 500), s velkým výkonem i s vysokým pracovním kmitočtem. Tyto přednosti jsou však prozatím vykoupeny poměrně vysokými náklady. Pro malé rozteče vývodů a jejich omezený počet u pouzder PQFP a vysoké náklady u pouzder typu CBGA, MBGA a TBGA se zdá na první pohled efektivní použití pouzder PBGA, jež je možné realizovat s počtem vývodů mezi 250 až 600. Hlavním rozdílem mezi pouzdry PQFP a PBGA je, že PQFP mají „leadframe“ zatímco PBGA má základnu z organického materiálu. „leadframe“ je standardizován již několik desítek let, zatímco základny u PBGA jsou navrhovány převážně zákaznicky, což sebou nese nesrovnatelně vyšší náklady. Proto masovější využití těchto pouzder vyžaduje standardizaci základen s vývody, což může napomoci ke snížení nákladů. Je možné rovněž použití těchto pouzder pro Flip Chip provedení s pájkovými vývody (s vysokým počtem vývodů, např. až 1000). 3.6.3 Pouzdření typu CSP (Chip Scale Package) Pouzdra CSP (Chip Scale Packages nebo někdy také Chip Size Package) jsou vyvíjena v posledních létech v celé řadě provedení od různých výrobců. I když se tato pouzdra od sebe


33

mohou konstrukčně diametrálně lišit, jejich charakteristickým rysem je splnění dvou požadavků, jimiž jsou: • velikost pouzdra se blíží velikosti čipu a nepřevyšuje 1,5 násobek jeho plochy • způsob připojení na substrát musí být kompatibilní s povrchovou montáží

Obr. 3.14 Jedno z možných provedení pouzdra typu CSP

Pozn.: jsou uvedeny parametry vývodů dle normy JEDEC (USA) a EIAJ (JAPONSKO)

Provedení CSP (Obr. 3.14) pouzder může vycházet z nejrůznějších realizačních technologií (plošné spoje, tenké a tlusté vrstvy atd.), a proto rozlišujeme dvě základní skupiny, keramické (anorganické) a laminátové (organické) provedení. Obyčejně se všechny typy vyznačují plochým tvarem a jednoduchou montáží - pájením přetavením. Tato skupina pouzder spojuje výhody přímého připojování čipů s běžnými a osvědčenými způsoby používanými u klasických pouzder, jež jsou zde nahrazena propojovacím elementem (mezistupněm) umožňujícím snadnou a spolehlivou montáž na základní nosnou podložku (substrát). Jak je patrné z Tab. 3.6, existují při realizaci pouzder CSP pro konkrétní aplikace různé kombinace. Tyto se liší jak konstrukčním provedením, tak i použitou technologií. Nejčastěji se dnes používají pouzdra v provedení BGA, jež splňují ve většině aplikací dané podmínky, a navíc je u nich možné také zajistit požadovanou spolehlivost. Vlastní polovodičové čipy jsou připojeny buď jako Flip Chip, nebo osvědčenými způsoby, t.j. drátkem kontaktovaným ultrazvukem nebo termosonicky, jako je tomu v případě technologie TAB. Možné jsou i další způsoby, např. kontaktování čipu s pomocí speciální redistribuční vrstvy.

34


Tab. 3.6: Možnosti realizace pouzder CSP Konstrukce pouzdra CSP

Flip Chip

Způsob připojení čipu Drátkové Integrované vý- Přímé připojení připojení vody(Beam lead) (Wafer level) Ano Ne Ne

Organický nosič (tuhý)

Ano

Keramický nosič

Ano

Ano

Ne

Ne

Vývodový soubor (Lead Frame)

Ano

Ano

Ne

Ne

Drátek na kolík

Ne Ano

Ano Ne

Ne Ne

Ne Ano

Ne

Ne

Ano

Ano

Prodloužené drátkové vývody Pokovený wafer

Otázky: 18) Co znamená pojem BGA ? 19) Čím jsou charakterizována pouzdra CSP ?

3.7 Multičipové moduly (MCM) Multičipové moduly (MCM) představují novou generaci v integraci elektronických systémů. Hlavním posláním MCM je co nejefektivnější připojení polovodičových čipů do obvodu a také vzájemné propojení mezi čipy a ostatními součástkami včetně pasivních. Jejich přínosem je další zlepšování parametrů a vlastností elektronických systémů, vyplývajících z požadavků trhu, při zachování vysoké spolehlivosti (a současně jakosti). Konečným efektem je také snižování nákladů na celý systém. Podle použité technologie rozdělujeme multičipové moduly do několika skupin, jak je patrné z Tab. 3.7. Z Tab. 3.7 je patrné, že multičipové moduly mohou být realizovány různými technologiemi, nebo jejich kombinacemi. Výchozí je typ materiálu použitý pro substrát(y), jenž předurčuje použitou technologii. Potom se v jejich označení MCM-x může objevit na místě x písmeno L (materiál substrátu je laminát), C (keramika), D (křemík) nebo další kombinace DC, LC a pod. To který typ bude v budoucnu převládat je odvislé od jednotlivých výrobců a jejich filozofie, resp. od typu aplikace. Zde je určující především relace provedení versus cena, jež je určována požadavky trhu.


35

Tab. 3.7 Některé parametry různých provedení multičipových modulů Charakteristická Polovodičová Hybridní Holé čipy na Flip Chip na Vlastnost (Si) technika technika plošném spoji nosném substrátu materiál substrátu

Si

Keramika

tenké vrstvy

tlusté a tenké vrstvy materiál vod. Spojů Au, Al, AlSiCu AgPd, Pt, Au, Al (10-20µm) (0,5 – 1,2µm) vývody PbSn60, InAgSn, AuSn velikost kont. Plošek 20 - 100µm 150 - 1500µm Technologie

důležité faktory

Kontaminace tloušťka vrstvy adheze

laminát

Laminát

chemicko-galvanické nanášení Au, Ni, Ni/Au, Pd (0,1 - 1µm)

chemicko-galvanické nanášení Au, Ni, Ni/Au, Pd (0,1 - 1µm) vývody PbSn60, InAgSn, AuSn Rozteč 160 - 200µm Rovinnost drsnost povrchu průhyb teplotní stabilita nepájivá maska

60 – 180µm

rovinnost kontaminace tloušťka vrstvy průhyb drsnost povrchu teplotní stabilita

Příklad multičipového modulu typu MCM-CD je znázorněn na Obr. 3.15. Zde je využito kombinace keramických substrátů majících dobré tepelné vlastnosti s výhodami danými realizací signálové části přímo na Si substrátu z důvodu dosažení minimálních parazitních parametrů. Tak je v tomto případě využito nejlepších vlastností obou technologií. Důležitými parametry multičipových modulů jsou efektivnost pouzdření, elektrický výkon udávaný u výpočetních a řídících systémů v milionech instrukcí za vteřinu (MIPS nebo dnes již GIPS) [ 2 ], spolehlivost a také cena. Právě elektrický výkon, jenž je nepřímo úměrný délce pracovního cyklu řídící jednotky, je závislý nejen na software ale i na technologickém řešení.

c h la d ič p o u z d ro o d v á d ě jíc í t e p lo

c h la d . p ís t

č ip

2 te n k é v rs tv y n a k e r a m ic e p r o r e d is t r ib u c i s ig n á lu 6 3 v rs te v n a o r g a n ic k é m m a t e r iá lu v s tu p n í a v ý s tu p n í v ý v o d y

Obr. 3.15 Znázornění principu multičipového modulu MCM-CD

36


V poslední době se stále více prosazuje jako jedno z nejefektivnějších řešení realizace třírozměrných pouzder 3D. Důvodem jsou stále rostoucí rozměry polovodičových čipů, kde rozměry stran přesáhly 2,5 cm, a v následujících letech je třeba počítat s dalším nárůstem. U tak velkých čipů přestává být jejich planární uspořádání v elektronickém systému efektivní, neboť se výrazně zvětšuje délka propojovacích vodičů mezi čipy a s tím i cesty vedení signálu. To má za následek nárůst nežádoucích parazitních jevů, s tím spojené zvýšené zpoždění signálu, a dále také zhoršení elektrických vlastností, včetně snížení výkonu celého systému. Základním principem 3D pouzdření je technika spojování relativně velkých substrátů s pomocí propojovacích desek, rámečků a dalších konstrukčních prvků, jež se vyznačují velkým počtem vzájemně propojovatelných vývodů ( ty mohou dosahovat několik desítek až tisíc). Přitom musí být splněny dříve uvedené požadavky na integrovanou montáž čipů, včetně zajištění chlazení a kompletní připojení celého systému v příslušné aplikaci. Jako příklad je na Obr. 3.16 znázorněn princip části konstrukce pouzdra na principu BGA o celkovém rozměru (12,5 x 12,5 x 2,5) mm se 48 vývody pro použití v technologii povrchové montáže, tedy určeného pro pájení přetavením. Z obrázku je patrné, že při konstrukci je využit mezisubstrát opatřený vývody uzpůsobenými právě pro pájení přetavením. To zaručuje kompatibilnost procesu s technologií povrchové montáže.

Obr. 3.16 Příklad řešení pouzdra 3D (provedení vývodů typu BGA)

Pouzdření je definováno jako propojení, chlazení a ochrana polovodičových čipů zajišťující funkci v elektronických systémech pracujících v telekomunikačních, výpočetních, spotřebních, automobilových a řadě dalších průmyslových aplikací v souladu s jejich požadavky. Pro každou oblast se mohou požadavky na pouzdření lišit, např. podle požadovaného výkonu, spolehlivosti, ceny atd.


37

Tab. 3.8: Vývoj v pouzdření čipů Připojení čipu

Wire bonding → TAB → Flip Chip, COB

Připojení pouzdra

PTH → SMT → Fine Pitch SMT → BGA SMT

Jednočipová pouzdra

DIP → QFP → CC → BGA SCM

Vícečipová pouzdra

Ceramic → Film Technology → MCM, 3D, CSP

Problematika pouzdření polovodičových čipů sestává ze dvou základních částí, jimiž jsou připojení resp. propojení čipů do obvodu (Interconnection), a dále ochrana a spolehlivé zajištění funkce čipu (Packaging). S tím je pak spojeno konstrukční řešení resp. provedení montáže (Assembly). Všeobecný trend vývoje v oblasti pouzdření polovodičových čipů je stručně a přehledně zachycen v Tab. 3.9. Pozoruhodnou skutečností je vývoj nosných substrátů, kde elektronika vystačila několik desítek let s technikou plošných spojů. Současně stále rostoucí počet vývodů a jejich zmenšující se rozteč vyvolává nutnost použití takových substrátů, jež zajistí spolehlivost především z následujících hledisek: • dostatečný izolační odpor • stejná tepelná roztažnost mezi substrátem a součástkami • zajištění odvodu tepla • možnost integrace nejen vodivé sítě, ale i pasivních prvků. Jedním z charakteristických rysů aplikace všech typů elektronických systémů je požadavek na vysokou spolehlivost, a to jak výrobní, tak i provozní. Toto je třeba chápat spolu s neustále rostoucími nároky na jakost a cenu, jako nedílnou součást procesu technologické integrace. Splnit všechny tyto požadavky v maximální možné míře vyžaduje systematický přístup k řešení všech dílčích, ale ve skutečnosti souvisejících kroků vyžadujících zpracování celé řady informací. Zde se ukazuje, že nezbytnou součástí technologické integrace v tom nejširším slova smyslu je využití informačních systémů při řízení technologických procesů. Jedná se o účelné získávání, zpracování a využití dat pro řízení, s cílem neustálého zlepšování ekonomických výsledků. Vývoj parametrů pouzdření pro budoucí generace je shrnut porovnáním v Tab. 3.9. Tab. 3.9 Vývoj parametrů budoucí generace pouzdření Současné pouzdření Příští pouzdření 10 1 Rozměr (nominal) Efektivita pouzdř. Prac. Kmitočet Cena Spolehlivost

8% 100 - 300 MHz 30 USD/inch2 10 ppm

generace Faktor zlepšení

80 % 0,5 – 2 GHz 3 USD/inch2 1 ppm

10 x > 10 x 5x 10 x 10 x

38


Kontrolní otázky:

20) Jaké rozlišujeme typy multičipových modulů ? 21) Proč je spolehlivost MCM vyšší než u konvenčního provedení ? 22) Jaké jsou hlavní parametry charakterizující pouzdra ? 23) Co je to efektivita pouzdření ?

3.8

Polovodičový čip Flip Chip

Současný vývoj v oblasti elektronických systémů přináší neustále nové možnosti, a to nejen ve vývoji topologie na samotných čipech, ale také v možnostech jejich připojování. To vyžaduje i nové návrhové prostředky, a s tím i odlišný, mnohem komplexnější přístup návrhářů a konstruktérů moderních elektronických systémů. Tito musí mít alespoň základní znalosti a přehled o aktuálním vývoji a nabízených možnostech. Flip Chip, neboli obrácený čip je svou strukturou podobný klasickým křemíkovým čipům, avšak s tím rozdílem, že vývody jsou vytvořeny ve formě výstupků (nejčastěji kulových nebo sloupkových), a celý čip je pak připojen do obvodu v poloze se stranou nesoucí vývody dolů. Problematiku aplikace Flip Chip lze rozdělit do dvou kroků. jimiž jsou: • vytvoření vývodů na vlastním konvenčním čipu • montáž čipu do obvodu Ve výrobě se základní kroky realizačního procesu samotné topologické struktury při výrobě waferu prakticky neliší od klasického postupu až do fáze vytvoření kontaktních plošek (Al nebo Cu). Avšak další operace jsou již podřízeny vytvoření vlastních vývodů včetně nezbytných mezivrstev zajišťujících mechanické i elektrické vlastnosti. Tento postup již nemusí probíhat u samotného výrobce čipů, ale na specializovaných pracovištích typu CM (Contract Manufacturer) nebo přímo u uživatele.

Obr. 3.17 Znázornění základního principu provedení Flip Chip

a) řez čipem

b) detail vývodu

c) osazený čip na substrátu


39

Po vytvoření topologické struktury elektrického obvodu v objemu čipu následuje pasivace povrchu, metalizace a vytvoření vodivého podkladu sloužícího pro přípravu a úpravu vlastností vývodů, a nakonec se provádí vlastní metalurgické nanesení vývodů. Nejčastějším způsobem pasivace je provedení s pomocí nitridů a polyimidů, pro vytvoření mezivrstev na kontaktních ploškách v místech budoucích vývodů se používají různé kovy a jejich kombinace (Ti, Cu, Ni, Cr a Au), a konečně pro vývody jsou hlavními materiály pájky (C4 proces apod.), Au vrstvy (termokomprese), vodivé polymerní materiály (izotropní a anizotropní) nebo zlaté výstupky. Základní princip provedení Flip Chip s vývody pro pájení je znázorněn na Obr. 3.17. Zásadním rozdílem oproti klasickým čipům z hlediska montáže je ta skutečnost, že vývody zajišťují nejen elektrické připojení čipu do obvodu, ale i jeho mechanické uchycení na nosný substrát. Podle typu vývodů se čip připojuje na substrát pájením nebo termokompresí, v poslední době se stává stále aktuálnější i lepení. Výběr optimálního způsobu provedení závisí na celé řadě požadavků a úzce souvisí se spolehlivostí a také minimalizací nákladů pro každý jednotlivý typ aplikace.

3.8.1

Elektrické vlastnosti

Základní výhodou Flip Chip oproti ostatním typům polovodičových součástek (např. oproti pouzdrům SO připojovaných technologií povrchové montáže, DIP připojovaných do děr v DPS, nebo přímo kontaktovaných - wire bonded), je podstatně nižší vliv parazitních kapacit a indukčností na parametry obvodu. Přitom je všeobecně známo, že tyto parazitní parametry negativním způsobem ovlivňují výsledné elektrické vlastnosti, především rychlost číslicových obvodů (až o několik řádů). Právě Flip Chip provedení nabízí minimální délku cesty signálu z čipu na substrát (do vlastní vodivé sítě). Náhradní model takového provedení je znázorněn na Obr. 3.18.

Obr. 3.18 Náhradní elektrický obvod pro provedení Flip Chip

40


Model je sestaven ze sériového a paralelního spojení několika pasivních prvků nahrazujících jednotlivé vlivy působící na cestě signálu, přičemž signál postupuje od zdroje k přijímači. Přitom prochází cestou k vývodu čipu přes odpor Rvýst, jenž se chová na výstupu jako C-L-C článek. Tento vyjadřuje právě vliv samotných vývodů na čipu. Čas pro přenos signálu, resp. čas který potřebuje signál na překonání vzdálenosti z čipu na další aktivní místo je přímo úměrný vzdálenosti jak je patrné z následujícího vztahu: tz ≈ l ,εr, C, L kde

( 3.1 )

l je vzdálenost kterou musí signál překonat εr je permitivita vyjadřující vlastnost substrátu C, L jsou kapacita a indukčnost vývodů

Typický průměr kulových vývodů se pohybuje kolem 0,2 mm, což je oproti délce drátků přibližně 10x méně (wire bonding ≅ 2,5 mm). Právě tato skutečnost výrazně ovlivňuje kapacitu a indukčnost vývodů, jak je patrné z Tab. 3.10. Tab. 3.10: Typické hodnoty kapacity a indukčnosti vývodů Typ vývodu/pouzdra SOIC PGA Wire Bonding TAB Flip Chip

pF 1 1 0,5 0,6 0,1

nH 1 – 12 2 1 - 2 1 - 6 0,01

Další cestu signálu po průchodu vývodem, na substrátu, lze znázornit C-R-L-C článkem, což rovněž nepříznivě ovlivňuje šíření signálu. To je v současnosti také oblastí zvýšené pozornosti z již výše uvedených důvodů. DPS, jež se stává další omezující částí moderních elektronických systémů z pohledu zvyšování rychlosti i miniaturizace nedoznal po několik desetiletí závažnějších změn. Proto je jednou z budoucích cest integrace pasivních prvků do samotného substrátu, což rovněž výraznou měrou přispěje k dalšímu zlepšení elektrických parametrů. 3.8.2

Výhledy a perspektivy Flip Chip

Je patrné, že provedení Flip Chip představuje kvalitativně nový způsob připojení aktivních polovodičových součástek do obvodu. I když tato technika je známá již od 70 tých let, teprve v poslední době se ukazuje jako jedna z možností vedoucích ke splnění současných i budoucích požadavků na realizaci elektronických obvodů a systémů. Jedním z hlavních důvodů je vývoj trhu, jenž požaduje stále důrazněji splnění následujících požadavků: • miniaturizace • stále komplexnější a sofistikovanější řešení • přenosné provedení • vysoká jakost • nízká cena


41

Právě Flip Chip přináší oproti dosud používaným typům polovodičů dobré předpoklady k naplnění těchto požadavků. Je skutečností, že konvenční pouzdra s drátovým připojením čipu zhoršují výrazně elektrické parametry oproti parametrům dosahovaným na čipu, zvláště pak rychlost signálu, která je dnes jedním z nejvíce sledovaných parametrů ve výpočetní technice a u číslicových obvodů vůbec. Koncepce Flip Chip umožňuje daleko lépe uspořádat celkovou strukturu obvodu, neboť čip je připojen přímo pod vlastním rozměrem. Tím se výrazně zlepší efektivita pouzdření (poměr plochy čipu ku celkové ploše nutné na jeho připojení včetně bezpečných vzdáleností), jež se u Flip Chip blíží 1, ale také řada dalších parametrů, jako je např. efektivnější (produktivnější) montáž, lepší odvod tepla atd. Odvod tepla důležitý pro splnění výkonových požadavků lze definovat na základě modelování tepelného odporu, který se skládá ze sériově-paralelního spojení jednotlivých dílčích tepelných odporů (Obr. 3.19).

Obr. 3.19 Náhradní model teplotního odporu polovodičového čipu po zapouzdření

Při pohledu na náhradní obvod tepelného odporu je zřejmé, že u polovodičových součástek v provedení Flip Chip odpadá jednak dílčí složka představující odpor mezi pouzdrem a víčkem Rchip-pouzdro, a také složka představující tepelný odpor samotného pouzdra Rp. Tím je tepelný odpor v případě Flip Chip oproti klasickému provedení nižší, což

42


zaručuje lepší odvod tepla. Navíc u provedení Flip Chip se používá pod čipem výplňový materiál (underfill), který může překrývat i horní část čipu, a tím výrazně přispět ke zlepšení odvodu tepla. Hlavním hnacím motorem v současném vývoji v mikroelektronice jsou nároky trhu na stále větší miniaturizaci a dokonalejší provedení elektronických systémů. Důvodem je požadavek na stále menší rozměry a komplexnější nabídku obvodového vybavení v telekomunikacích, kde se intenzivně pracuje na třetí generaci mobilních telefonů UTMS (Universal Telecommunication Mobil System) a jejich spojení s osobními počítači včetně využití jejich značné části uživatelského software, internet nevyjímaje. Právě Flip Chip je součástkou, která se může sehrát klíčovou roli v průběhu dalšího vývoje, neboť nabízí v řadě směrů výrazně lepší elektrické parametry než dosud používané typy polovodičů. Uvedené skutečnosti jsou důvodem značného zájmu a vývojového úsilí prakticky všech větších výrobců polovodičů. Lze očekávat řetězec revolučních změn jak v návrhu, tak i ve výrobě těchto součástek, jejichž podstata tkví v nutnosti daleko flexibilněji reagovat na požadavky uživatelů. Shrnutí: Trendy konstrukce elektronických součástek dnes směřují stále více k naplnění dvou hlavních kritérií: malé rozměry a cena odpovídající jakosti. Proto musí být každý elektrický obvod přizpůsoben co nejvíce pro konkrétní aplikace. Jako důsledek této skutečnosti je fakt, že se objevují nové součástky v různých provedeních a tvarech (SOIC, BGA, CSP, MCM apod.). Volbu správného typu je třeba spojovat vždy s řešením určitého obvodu, zařízení či systému. Konečné řešení ale vede ve většině případech přes integraci pasivních i aktivních součástek do jediného pouzdra.Takový celek se nazývá SOP – System on Package (systém v pouzdře) nebo na substrát resp. čip, potom se jedná o SOC – System on Chip (systém na čipu).

Otázky: 24) Jak mohou být řešeny vývody u Flip Chip? 25) Popište vývod Flip Chip včetně použitého materiálu. 26) Jaké jsou výhody Flip Chip a jakými parametry je lze vyjádřit? 27) Jak je odváděno teplo z Flip Chip a jaké jsou tepelné poměry ve srovnání s klasickým čipem?

Řešený příklad

Příklad 3.1 Zadání: Znázorněte názorným způsobem relativní velikosti pouzder QFP, TAB, COB, SCP a Flip Chip. Uvažujte minimální rozměr čipu s 25 vývody (5 x 5) a s minimálním přesahem nepřevyšujícím 0,2 násobek jejich lineární délky.Jako referenční typ pouzdra zvolte pouzdro Flip Chip.


43

Řešení: F CH

1:1

FC

CSP 1,5 : 1 1,2 FC

COB 2,25 : 1 1,5 FC

2 FC

TAB

4:1

QFP

9:1

3 FC

Obr. 3.20 Srovnání pouzder QFP, TAB, COB, SCP a Flip Chip

Na Obr. 3.20 je provedeno srovnání relativních velikostí pouzder QFP, TAB, COB, CSP a Flip Chip, vztaženo k provedení Flip Chip.

Řešený příklad Příklad 3.2 Zadání: Váš spolužák má PC s mikroprocesorem, jehož taktovací kmitočet je 800 MHz (výrobce A), zatímco u Vašeho PC je to jen 600 MHz (výrobce B). Výrobce B však používá modernější pouzdra CSP oproti výrobci A, který používá pouzdra QFP. Proto mikroprocesor A má průměrný počet cyklů na instrukci 3,3, zatímco mikroprocesor B 2,4. Navíc PC od výrobce A má RAM 64 kB zatímco B 128 kB, takže délka cyklu je u A 46 a u B 26. Jaká je hodnota MIPS u každého PC a který pracuje efektivněji?

44


Řešení: Hodnotu MIPS zjistíme na základě vztahu: F výpočetní výkon MIPS =

(3.2) CP x (1 + MP)

kde

F

. . . . . pracovní kmitočet mikroprocesoru

CP . . . . . průměrný počet cyklů na instrukci MP . . . . . délka strojového cyklu

Dosazením hodnot zjistíme, že u PC od výrobce A je hodnota MIPS 5 150, zatímco u PC od výrobce B má hodnotu MIPS 9 250. Dnes tedy již je běžné udávat početní výkon jako GIPS, což odpovídá v případě PC A hodnotě 5,15 a v případě PC B 9,25. PC typu B je výkonnější než PC typu A.

Neřešený příklad Příklad 3.3 Jaká bude relativní úspora místa na nosném substrátu, použijeme-li namísto pouzdra QFP s 25 vývody pouzdro Flip Chip?

Neřešený příklad Příklad 3.4 Vypočtěte teplotní gradient v izolačním materiálu jehož tloušťka je 1 mm a tepelná vodivost je 1 W . m-1 . K-1 . Uvažujte zdroj tepla 1 W z něhož se šíří teplo všemi směry.


45

4 Pájky, pájecí plošky a jejich pájitelnost Cíl: Jedním ze základních článků elektrických obvodů jsou spoje. Jejich funkcí je nejen vytvořit dokonalé spojení mezi jednotlivými součástkami, ale většinou i zajistit mechanické uchycení součástek v obvodu. Pájecí plošky ovlivňují zásadním způsobem spolehlivost pájených spojů. Proto je nezbytné pochopit a naučit se základní rozvahy a návrhová pravidla pro volbu kontaktních plošek pro navrhování integrovaných obvodů s moderními součástkami [ 1 ], [ 7 ], [ 10 ], [ 12 ], [ 13 ], [www.smtmag.com].

4.1 Základní problémy pájitelnosti součástek I když pájení součástek je oblast velmi široká, uvedeme si zde některé praktické skutečnosti související bezprostředně s pájitelností součástek. Ta je jednou z nutných podmínek pro dosažení požadované jakosti pájených spojů i celého elektronického systému. Existují tři hlavní aspekty hodnocení pájitelností součástek resp. povrchů: i. Smáčivost pájeného povrchu. ii. Odolnost komponent vzhledem k teplu při pájení. iii. Odolnost pájeného povrchu vzhledem k rozpouštění v pájce. ad i. Smáčivost plochy je vlastnost vyjadřující schopnost vytvořit na jejím povrchu, při styku s roztavenou pájkou, souvislou vrstvu pájecího materiálu. V případě pájení musí mít pájka dobrou vzlínavost a přilnavost, aby se vytvořil na pájených materiálech po celém povrchu tuhý roztok v podobě tenké a souvislé mezivrstvy. Pro hodnocení smáčivosti povrchu roztavenou pájkou jsou důležité především dva faktory: • Stupeň smáčivosti (udává, jak daleko se pájka po povrchu rozprostře). • Rychlost smáčení (je to rychlost roztavení a rozprostření pájky a závisí na účinnosti zdroje tepla, typu tavidla a probíhajících chemických reakcích). Samotná roztavená pájka má vlastnosti kapaliny, to znamená, že v důsledku existence malých středních vzdáleností mezi molekulami působí relativně velké přitažlivé síly. Vlivem toho se snaží pájka zaujmout kulový tvar, protože koule je těleso, v kterém je při daném objemu nejmenší střední hodnota vzájemných vzdáleností libovolných dvojic bodů (má nejmenší povrch). Roztavená pájka se chová, jako by byl její povrch tvořen tenkou, napnutou blánou snažící se neustále o zmenšování celkového povrchu. Síla působící v tomto smyslu na délkovou jednotku se nazývá povrchové napětí. Je vždy kolmá na délku, na které působí. Obrys povrchu pájky se snaží zaujmout rovnovážný stav odpovídající minimální hodnotě energie nahromaděné v povrchu pájky (tzv. povrchové energie). Přijde-li roztavená pájka do styku s pájecí plochou, pak v důsledku smáčivosti dochází k interakci povrchového napětí v pájce s povrchovým napětím vznikajícím mezi pájkou a pájecí plochou. Je-li povrch smáčivý, je adhezní konstanta kladná, nastává kapilární elevace a tvar menisku je dutý (v případě nesmáčivosti naopak vypouklý). Pro vytvoření spolehlivého pájeného spoje je nezbytné dosáhnout dobré smáčivosti jak na kontaktní plošce substrátu, tak na součástce. Smáčivost je ovlivňována kromě typu smáčeného materiálu celou řadou dalších faktorů, jako je např. složení pájecí slitiny a obsah nečistot, drsnost pájených povrchů, stupeň oxidace pájených ploch apod.

46


Právě oxidace pájecích ploch v důsledku skladování je mnohdy příčinou zhoršené pájitelnosti součástek, jak je znázorněno na Obr. 4.1. V první časové etapě stárnutí narůstá doba smáčení resp. klesá pájitelnost nepatrně, v druhé pak vytváří povrchová oxidová vrstva dočasnou ochranu proti dalšímu zhoršování a podmínky se nemění, ale ve třetí dochází v důsledku pronikání intermetalických sloučenin na povrch pocínovaných ploch k prudkému zhoršení pájitelnosti. Použití takových součástek vede k výraznému zhoršení jakosti pájených spojů a proto musí být důsledně dodržovány předepsané skladovací podmínky. doba smáčení doba stárnutí (skladování)

1. stádium

2. stádium

3. stádium

Obr. 4.1 Závislost doby smáčení na délce skladování

Oxidační povlak na pájce nanesené na kontaktních plochách součástek má zpočátku ochranný charakter. Je tvořen především vrstvou SnO (v suchém prostředí o tloušťce 2 až 6 nm), zatímco PbO má procentuálně výrazně menší zastoupení. S rostoucím působením vlhkosti je stárnutí urychlováno a zhoršení pájitelnosti se projeví v kratší době (zkracuje se 2. stádium v Obr. 4.1). Na Obr. 4.2 je znázorněna křivka rovnovážné smáčivosti u testovací metody ponorem, která sestává z šesti fází: a) těsně před ponořením, b) okamžitě po ponoření (smáčení ještě nezačalo, ale začaly působit kromě povrchového napětí také kapilární síly), c) počátek smáčení (povrchové napětí je nulové, působí pouze kapilární síla), d) dochází k zakřivení menisku směrem nahoru (povrchové napětí působí dolů), e) vytahování (způsobí zvětšení povrchového napětí), f) vzorek je vytažen, jeho hmotnost je v důsledku pocínování větší. U součástek s drátovými vývody bývá hloubka ponoření obvykle 2 mm a meniskus může vystoupit během pájení až do výšky více než 3 mm od hladiny pájky (u dokonale smáčivého povrchu). Součástky SMD však nemají obvykle pájecí plochy s takovými rozměry, a proto se používá ke standardnímu testování metoda s kapkou pájky o hmotnosti 200 mg, umístěné na železném válečku o průměru 4 mm (pro SOIC, PLCC apod. se používá kapka 25 mg na válečku o průměru 2 mm).

MIKROELEKTRONIKA A TECHNOLOGIE SOUČÁSTEK a)

47

b)

(A)

(B)

(C)

(D)

(E)

(F) (I)

(E)

(II)

(III)

síla (D)

(F)

(A) (C)

úroveň vztlaku (B)

čas

Obr. 4.2 Křivky rovnovážné smáčivosti

a) testování zavěšeným vzorkem b) testování mikrosmáčivosti pro součástky SMD

Použití kapky namísto lázně má řadu výhod (součástky nejsou tepelně namáhány, testování je ekonomické, odpadá problém s tvořením povlaků v pájce atd.). Dosahuje se také lepších výsledků z hlediska naměřených průběhů rovnovážné smáčivosti (viz Obr. 4.2b.). ad ii. Odolnost součástek vůčí teplotě je definována především teplotními charakteristikami materiálů součástek a zachováním stability jejich parametrů. Ty musí odolat teplotě při pájení, aniž by u nich došlo k jakýmkoliv nevratným změnám. Kritické jsou kromě maximální teploty také hodnoty teplotního gradientu, a to jak v jednotlivých komponentech, tak i mezi nimi. To může způsobit v důsledku vznikajících pnutí mechanické poškození součástek i samotných spojů. ad iii. Odolnost vůčí rozpouštění závisí na rozpustnosti každého materiálu v roztavené pájce, která není pro většinu materiálů nulová (např. zlato je z tohoto důvodu velmi obtížně pájitelné běžnými pájkami). Množství resp. podíl rozpuštěného kovu závisí na teplotě a času, a také na typu pájky a materiálu. V Tab. 4.1 je provedeno srovnání uvedených parametrů pájitelnosti pro oba základní způsoby, pájení vlnou a pájení přetavením.

48


Tab. 4.1: Srovnání pájitelností z hlediska pájení vlnou a pájení přetavením Aspekt Smáčivost

Teplo Rozpouštění

Pájení vlnou Roztavená pájka obtéká kovový povrch. Pokud jsou nečistoty odstraněny tavidlem před vlastním pájením, je předpoklad dosažení 100% smáčivosti. Součástky jsou vystaveny teplotním šokům při jejich bezprostředním styku s roztavenou pájkou. Proud roztavené pájky vytváří podmínky pro docílení maximální rozpustnosti. Čas je poměrně krátký.

Kontrolní otázky:

Pájení přetavením Roztavená pájka se rozprostírá po povrchu kontaktu v důsledku povrchových napětí. Dosažení dobré smáčivosti je obtížnější a může být na kontaktu částečně omezeno. Pozvolný náběh teploty limituje teplotní šoky a snižuje riziko poškození součástek. Rozpustnost je limitována množstvím materiálu pájky předem naneseného na kontaktní plochu. Čas je relativně dlouhý.

28) Jaké jsou dva základní faktory pro hodnocení smáčivosti ? 29) Popište šest fází testovací křivky rovnovážné smáčivosti. 30) Vysvětlete tři stádia závislosti doby smáčení na skladování.

4.2

Testování pájitelnosti

Pro testování pájitelností a odolnosti proti rozpouštění a teplu existují různé metody. Nejčastěji se používá pro součástky s drátovými vývody test ponorem a pro součástky SMD pak test mikrosmáčivosti meniskografem. Dnes jsou k dispozici měřící zařízení umožňující obojí způsob měření, takže mohou zjišťovat pájitelností všech typů součástek i pájecích ploch na substrátech včetně prokovených otvorů. V Tab. 4.2 jsou uvedeny podmínky doporučené pro zkoušení součástek určených pro povrchovou montáž. Tab. 4.2 Podmínky pro testování pájitelností součástek určených k povrchové montáži ___________________________________________________________________________ Testovaná vlastnost

Parametry ponoru součástek do pájky Teplota (oC) Čas (s) __________________________________________________________________________________________

Nesmáčivost

235 ± 5 215 ± 3 260 ± 5

2 ± 0,2 3 ± 0,3 5 ± 0,5

Odolnost proti rozpouštění

260 ± 5

30 ± 1

Odolnost teplotě pájky

260 ± 5 215 ± 3

10 (nebo 5) ± 1 40

Smáčivost

Jednoduchý a dostupný způsob testování smáčivosti lze provést ponorem do cínové pájky (Sn60Pb40) s pomocí pinzety, která nesmí vstoupit do styku s pájecí lázní z důvodu jejího znečistění. Před vlastním testem je komponenta ponořena kompletně do středně


49

aktivního tavidla (RMA) a ponechána určitou dobu na sacím papíru z důvodu odkapání přebytečného tavidla. Rychlost ponoru do pájecí lázně je přibližně 25 ± 2,5 mm.s-1. Pokud máme k dispozici součástky s nepocínovanými vývody, je doporučeno provést před vlastní montáží pocínování jejich vývodů právě popsaným způsobem. Pro vizuální (optické) posouzení je vhodné použít binokulární mikroskop s 10 až 20násobným zvětšením, pokud možno v provedení stereo. V případě pochybnosti pak lze využít i většího zvětšení. Pro detailní studium a dokumentaci chování povrchů při pájení je nutné použít elektronový mikroskop. Po provedení vlastního testu pájitelnosti se sledují především tyto vlastnosti: a) kvalita pájeného povrchu (vzhled a souvislost), b) rozpouštění kovové vrstvy (úbytek plochy), c) mechanické vady (praskliny, puchýře apod.), d) změny parametrů součástky. Špatná smáčivost může být způsobena znečistěním nebo nadměrnou oxidací kontaktů součástek, znečistěním nebo nadměrnou oxidací kontaktní plošky na substrátu nebo znečistěním pájky samotné. Tendence ke špatné smáčivosti může být vyvolána také příliš vysokou teplotou a dlouhým časem pájení. Taková příčina se většinou projeví na celé ploše pájené plochy. Při pájení vlnou se špatná smáčivost projevuje nedostatečným množstvím pájky v pájených spojích, při pájení přetavením pak velkým úhlem smáčivosti (Obr. 4.3.).

a)

0° < α < 20° výborné až dokonalé smáčení

α

20° < α < 40° dobré až velmi dobré smáčení 40° < α < 55° postačující smáčení b)

α

55° < α < 90° špatné smáčení 90° < α

nesmáčivost

Obr. 4.3 Hodnocení pájitelnosti úhlem smáčivosti podle tvaru pájky

a) dobré

b) nevyhovující

Pravděpodobnost poškození tepelným namáháním se zvyšuje s rostoucí velikostí a složitostí komponent a také se zvětšujícími se rozměry ve všech třech souřadnicových osách. Proto patří mezi nejchoulostivější součástky keramické monolitické kondenzátory (skládají

50


se z více keramických vrstev) a plastická pouzdra větších rozměrů, především s vývody na všech čtyřech stranách (např. QFP nebo PLCC). U nich je podpořen vznik poruch zvláště v případě použití nehermetických plastických pouzder, kde v důsledku netěsností proniká předem dovnitř vlhkost. Průvodním jevem je potom vznik malých trhlinek v plastickém materiálu během pájení přetavením, což bývá označováno v literatuře jako „popcorn effect“ . Tepelné namáhání může být pro zjištění chování jednotlivých součástek simulováno podstoupením komponent působení teplotních cyklů. Jako příklad lze uvést často používanou zkoušku 2500 cyklů při změně teploty ∆T = 100 oC. Po provedení tepelného namáhání se kontrolují elektrické parametry a následně i mechanické poškození vhodnou optickou kontrolou pod stereomikroskopem se zvětšením 10 až 20 ×. Rozpouštění kovových kontaktů v roztavené pájce je přímo úměrné teplotě a času. Základní kritéria pro posuzování tohoto efektu jsou : a) úbytek plochy nesmí na jednotlivých plochách přesáhnout 5 % plochy kontaktu, b) celkový úbytek na všech plochách nesmí přesáhnout 10 %, c) kde kovový kontakt přechází přes hranu, nesmí přesáhnout úbytek na délce hrany 10 % z celkové délky. Uvedené údaje jsou zřetelné z teoretického hlediska, avšak jejich praktická optická kontrola prováděná adekvátním a racionálním způsobem je závislá na subjektivním posuzování. Proto se zde příznivě projeví jakékoliv praktické zkušenosti.

Kontrolní otázky:

31) Jak se testuje pájitelnost součástek ? 32) Co je to úhel smáčivosti ?

4.3 Pájecí materiály pro elektroniku V elektronice je nejrozšířenějším materiálem pro připojování součástek pájení. Je to proces využívající nízkoteplotní eutektické slitiny nazývané pájky. Pájky jsou kovy nebo jejich slitiny, které se používají v roztaveném stavu ke spojování dvou kovových částí. Podle teploty tání rozlišujeme pájky snadno tavitelné (pod 220 oC), měkké pájky (220 až 500 oC) a tvrdé pájky s teplotou tání nad 500 oC. V elektronice se používají pájky z prvních dvou skupin, neboť teplotní odolnost většiny součástek se pohybuje kolem 250 oC. Prvořadým požadavkem na pájky je tedy co nejnižší bod tavení, aby nedocházelo k tepelnému namáhání součástek. Tomu vyhovují především slitiny založené na kompozici SnPb, jak je patrné z tab. 4.3. Fázový diagram slitiny SnPb je znázorněn na obr. 4.4. Eutektický bod E odpovídá 61,9 % obsahu cínu při teplotě 183 oC. Charakteristickou vlastností těchto slitin je vytvoření lamelové struktury v průběhu chladnutí. Přitom dochází nejprve k přechodu pájky do plastického stavu a pak při dosažení teploty pevné fáze ke ztuhnutí. Na obrázku je patrná také závislost tvaru struktury na procentuálním poměru SnPb. V prvních dvou případech je patrné převažující zastoupení Pb (tmavé plochy odpovídají 70 % a 50 % Pb), třetí je stav znázorňující eutektikum a čtvrtý pak strukturu se 70 % Sn (světlé plochy).


51

Takto vzniklý pájený spoj splňuje z pohledu požadavků elektroniky jak mechanické, tak elektrické vlastnosti a co je navíc důležité, lze ho nedestruktivním způsobem odstranit a ve většině případech i obnovit. Měrný odpor pájky je ≈ 0,17 µΩ . m (při 25 oC) a s rostoucí teplotou se nepatrně zvyšuje. Součinitel teplotní roztažnosti je 24,5 ppm . oC-1 (pro rozsah teplot 0 až 100 oC). 327 300

30 % Sn

liquid

t [°C] 232

50 % Sn

200 E

63 % Sn

solid 100

70 % Sn

0

20

40

60

80 Sn [%]

100

Obr. 4.4 Fázový diagram slitiny cín-olovo (Sn-Pb) včetně pohledu na struktury Při pájení nastává poměrně silná interakce cínu s ostatními materiály, u plošných spojů pak především s mědí. Významným průvodním jevem je difuze, kdy dochází k prolínání atomů Cu do pájky a Sn do měděné fólie. Podíl Pb je v tomto procesu prakticky bezvýznamný. Z hlediska pájitelnosti a zvláště smáčivosti je difuze jev velmi pozitivní, avšak jeho sekundárním důsledkem je vytváření různých intermetalických fází. Tyto chemické sloučeniny tvoří bariéru mezi čistým cínem na straně jedné a kovem kontaktní plochy na straně druhé, jak je patrné z Obr. 4.5a pro případ pájení měděného materiálu. Tato vrstva bývá nazývána také difúzní zóna. Difúzní zóna mezi pájkou a pájeným měděným materiálem je tvořena přechodem s poměrně složitou strukturou Sn - Cu6Sn5 - Cu3Sn - Cu (v případě překročení teploty 350 OC vzniká navíc ještě vrstva Cu4Sn). Vznik difúzní zóny je na jedné straně z hlediska jakosti spoje nezbytným průvodním jevem (ale nelze ji kontrolovat nedestruktivním způsobem), na druhé straně však s rostoucí tloušťkou snižuje pevnost spoje. Pokud jsou dodrženy parametry pájení, především teplota a čas, není vliv difúzní zóny na spolehlivost spoje kritický. Nadměrný růst její tloušťky však může být vyvolán dvěma nezávislými příčinami, které se mohou projevit také společně. Jsou to: •

příliš vysoká teplota nebo dlouhý čas při pájení,

•

tepelné namáhání v průběhu provozu.

Např. při ručním pájení teplotou 280 OC po dobu 3 s se vytvoří difúzní vrstva o tloušťce 1 µm a tato může při překročení uvedených hodnot dále narůstat. K jejímu nárůstu dochází i s postupem času z důvodu teplotní difúze, jež probíhá i za normálních pokojových teplot. Tento nárůst probíhá především na úkor cínu, a tím dochází k postupnému úbytku samotného pájeného spoje. To způsobuje znatelné zhoršení elektrických i mechanických vlastností spoje, vedoucí až k jeho nefunkčnosti (viz Obr. 4.5b).

52


Při pokojové teplotě je růst vrstvy pomalý, přibližně 0,5 až 1 µm za rok, ale při teplotách nad 100 oC již může dosáhnout až několika µm za rok. Velmi nepříznivě se zde mohou projevit i další jevy, jako např. opakované přehřívání pájky při opravách apod.

pájka

pevnost [N.mm-2]

Sn

0,3

Cu6Sn5

0,2

Cu3Sn

0,1

Cu 1 2 3 4 5 6 7 8 [µm] tlouštka vrstvy

a)

b)

Obr. 4.5 Znázornění struktury pájeného spoje s vytvořenými intermetalickými slitinami

a) řez strukturou

b) závislost pevnosti spoje na tloušťce difúzní vrstvy

Škodlivost olova na životní prostředí je všeobecně známa a proto je stále více zaměřena pozornost na vývoj bezolovnatých pájek. Dosavadní výsledky ukazují, že pájet je možné i s pájkami bezolovnatými. Eutektické slitiny lze dosáhnout také binárními systémy, u nichž převažuje obsah cínu, jako např. cín /96,5 %/ - stříbro s eutektickým bodem 221 oC , cín /99,3 %/ - měď s eutektickým bodem 227 oC, nebo cín /91 %/ - zinek s eutektickým bodem 198 oC. Dále existují i terciální systémy jako např. cín - stříbro - antimon (223 oC), cín- stříbro - zinek (217 oC) nebo cín - vizmut - zinek (196 oC). Použití bezolovnatých pájek je podmíněno splněním řady požadavků, které lze formulovat do tří zásadních bodů : a) elektrické a mechanické vlastnosti pájeného spoje musí být adekvátní jako v b) případě použití pájek na bázi SnPb, c) materiály musí být dostupné v dostatečném množství a čistotě, d) cena nesmí být vyšší než v případě pájek na bázi SnPb. Splnění všech požadavků představující skloubení technického a ekonomického hlediska není jednoduchou záležitostí a je předmětem výzkumu a vývoje příštích let. Blíže je o této problematice pojednáno v následující kapitole. Alternativním řešením vedle pájení je použití vodivých lepidel . Tato metoda považována za perspektivní způsob realizace spojů v budoucnosti.

je


53

Pro pájení přetavením jsou pájky nanášeny podobně jako tlustovrstvé materiály ve formě pájecích past. Pasty jsou homogenní směsí částic kovů odpovídajících složení pájky s tavidlem a příslušným rozpouštědlem s aktivátorem. To upraví pájecí pastu na potřebnou viskozitu a dodá jí tixotropní vlastnosti. Charakteristický poměr jednotlivých složek je 90 % pájky, 6 % tavidla a 4 % rozpouštědla. Kovové částice jsou v pastě obsaženy ve tvaru kuliček o průměru od 25 µm do 150 µm podle typu pasty a jejího určení. Pro běžné aplikace je velikost částic kolem 50 µm. Volba typu pasty souvisí s velikostí pájených ploch, tvarem spojů a především způsobem nanášení v souvislosti s nejmenší šířkou vodičů. Dokonalý pájený spoj může být proveden v odpovídající jakosti pouze v případě, že spojované povrchy jsou smáčivé. K tomu musí být obě spojované kovové plochy dokonale čisté a bez oxidů. Poněvadž kovy mají na vzduchu samy o sobě sklon k oxidaci, je nutné provést bezprostředně před pájením očištění jejich povrchu. K tomu se používají tavidla (Fluxes), nanášená na pájený substrát buď v tekutém stavu při pájení vlnou, nebo obsažená přímo v pájecí pastě při pájení přetavením. Tavidlo má současně i celou řadu dalších funkcí, které můžeme shrnout následovně : a) odstranit oxidové vrstvy a další nečistoty z povrchu pájené kovové plochy a případně i ze samotné pájky, b) zabránit přístupu reakčních prvků do oblasti vytváření pájeného spoje, c) chránit očistěné kovové plochy před vznikem oxidů během ohřevu, až do okamžiku vytvoření spoje, d) přispět k rovnoměrnému rozložení a dosažení teploty tavení na ploše celé pájené plochy, e) vytvořit prostředí s nízkým povrchovým napětím rozhraní pájka - tavidlo. S použitím tavidel je současně spojena i otázka potřeby čistění po pájení. V okolí pájeného spoje totiž zůstávají nečistoty (zbytky tavidla po pájení), které mohou být nepřijatelné hned z několika důvodů. Mezi ty nejzávažnější patří : •

mohou ovlivnit spolehlivost a životnost pájeného spoje,

•

mohou zhoršit elektrické vlastnosti, především izolační odpor mezi vodivými sítěmi,

•

mohou způsobovat korozi,

•

mohou omezovat elektrické testování (bránit v kontaktu přiloženým měřícím hrotům).

Z uvedeného výčtu působení sekundárních a nežádoucích vlivů tavidla v okolí pájeného spoje vyplývá, že tavidlo musí být chemicky stálé vzhledem k teplotě pájení, nesmí obsahovat zdraví a životnímu prostředí škodlivé látky a musí splňovat také požadavky na dostatečně dlouhou skladovatelnost před použitím. Zbytky tavidla které zůstanou po pájení na substrátu musí mít inertní charakter, nebo musí být snadno odstranitelné. Snižování obsahu tavidla v pájce je jedním ze základních požadavků na další vývoj v technologii pájení. Pro lepší pochopení funkce tavidla při pájení je nutné hledat odpověď na následující tři otázky :

54

FEKT Vysokého učení technického v Brně 1. Z čeho se tavidlo skládá, resp. co obsahuje ? 2. V jaké formě a jakým způsobem se aplikuje ? 3. Jaké zanechá následky - čistit či nečistit ?

ad 1. Termín „tavidlo“ se používal původně pro označení kapalných směsí, obsahujících rozpouštědla a chemické aktivátory, určených pro nanášení na pájené materiály za účelem zlepšení pájitelnosti. S postupem času byly pod pojem tavidlo zahrnuty i další kompozice, nejen v kapalné fázi, především pak materiály na bázi pryskyřic, a také různé organické a anorganické látky. Současné rozdělení tavidel podle jejich složení je přehledně sestaveno v tab. 4.3. Jako příklad specifikace tavidla je provedeno rozdělení podle původní americké normy MIL-F-14256, která rozlišuje pájecí pasty podle typu tavidla ve třech následujících skupinách : R (Rosin) - neaktivované (bezhalogenové) kalafunové tavidlo, označení 111C RMA (Rosin Middle Activated) -aktivace převážně bez halogenů halogenů), označení 113C

(max. 0,6 %

RA (Rosin Activated) -zcela aktivované tavidlo (obsah halogenů do 4 %), označení 112C Všeobecný vývoj spěje k používání bezhalogenových tavidel, případně tavidel pouze s malým obsahem halogenů. V současné době je k dispozici již celá řada tzv. bezoplachových tavidel, po jejichž aplikaci není nutné provádět čištění pájených substrátů. Každá volba musí být zdravým kompromisem mezi omezením množství a aktivity tavidla na straně jedné a zajištěním dobré smáčivosti pájených povrchů, nutné pro vytvoření spolehlivého spoje na straně druhé.


55

Tab. 4.3: Rozdělení tavidel podle základního složení převzaté ISO (International Standards Organisation) __________________________________________________________________________________________ Typ tavidla Základní ingradienta tavidla Aktivátor tavidla Kompozice __________________________________________________________________________________________ 1 pryskyřice

1 kalafuna (Rosin) 1 bez aktivátoru

2 jiné pryskyřice (resiny) ______________________________________________ 2 organické

2 halogenové

1 vodou rozpustné

A kapalné 3 bezhalogenové

2 vodou nerozpustné ____________________________________________________________________________ 3 anorganické

1 soli

B pevné

1 chlorid amonný

2 bez chloridu amonného _______________________________________________________ 2 kyseliny 1 fosforečná

C pasty

2 ostatní ________________________________________________________ 3 alkálie 1 aminy a/nebo amoniaky __________________________________________________________________________________________

ad 2. Existují dva základní přístupy k aplikaci tavidel. Jsou to kapalná tavidla používaná především pro pájení vlnou a tavidla obsažená v pájecích pastách. Kapalná tavidla se nanáší na osazené desky bezprostředně před vlastním průchodem vlnou. Způsob nanášení je buď pěnou (vytvářenou provzdušněním), vlnou (vytvářenou čerpadlem) nebo postřikem (s pomocí vzduchového kompresoru nebo ultrazvuku). Účelem je, aby tavidlo proniklo dokonale na všechny pájené plochy. Před vlastním pájením probíhá fáze předehřevu, která nejen omezuje teplotní šok působící na součástky po příchodu na vlnu, ale během níž se tavidlo zasuší a aktivuje. Teplota předehřevu nesmí být z hlediska samotného tavidla příliš vysoká, aby nedocházelo k jeho odpařování (odpařit se musí pouze rozpouštědla). Nejpoužívanějšími materiály pro kapalná tavidla jsou pryskyřice. Jistý ústup nastal u skupiny halogenových tavidel. Naopak nárůst lze zaznamenat u bezoplachových tavidel, u nichž se podařilo snížit obsah netěkavých látek na méně než 2 %. Použitím ochranné atmosféry při pájení (např. dusík) pak lze obsah netěkavých látek téměř vyloučit. Prozatím je však tento způsob pájení spojen s výrazně vyššími náklady. S nárůstem obvodů realizovaných technologií povrchové montáže se zvyšuje také spotřeba pájecích past obsahujících tavidlo. Složení pájecích past sestává jednak z aktivních kovových materiálů (tvořících pájku), a dále z média, které zastává současně dvě funkce: zlepšuje pájitelnost a určuje fyzikální vlastnosti, včetně požadované rheologie pasty nutné pro

56


její nanášení. Proto obsahuje nejen tavidlo pro zajištění smáčivosti pájeného povrchu, ale i rozpouštědlo nutné pro docílení viskozity pájecí pasty, jež je nezbytná pro nanášení. Pro pájecí pasty se používají následující typy tavidel : • • • •

kalafunová (jak bylo uvedeno v příkladu tab. XVI., jsou rozděleny na R, RMA a RA), na bázi syntetických pryskyřic (v důsledku vyšší teplotní stability nezanechávají zřetelné zbytky po pájení), vodou rozpustná tavidla (mohou být více aktivována než předešlé dva typy), bezoplachová tavidla (s velmi nízkým obsahem pevné fáze např. na bázi polymerních pryskyřic).

Situace v případě pájecích past je poněkud složitější než u kapalných tavidel používaných pro pájení vlnou. To je způsobeno především tou skutečností, že médium (nosná část pasty) tvoří přibližně 50 % objemu pájecí pasty, a podílí se tak výrazným způsobem na chemických reakcích v procesu pájení. ad 3. Důvodů pro čištění po pájení je hned několik. Všechny souvisí se splněním různých požadavků, jejichž společnými jmenovateli jsou spolehlivost a kvalita. Vyjmenujme si zde alespoň některé : • splnění požadavku na hodnotu izolačního odporu, především z hlediska dlouhodobého působení vlhkosti, • předejít problému souvisejícího s omezením možnosti hrotového měření na substrátu, • neomezit adhézní vlastnosti pro ochranné vrstvy, • vyloučit komplikace spojené s chováním zbytků tavidla při další manipulaci se substrátem, • zlepšit kosmetický vzhled osazené desky. Jsou zde ale i důvody čištění eliminovat, a ponechat tak zbytky tavidla po pájení na substrátu. Pro tuto variantu hovoří především : • • • •

vysoké náklady na čištění, především na zařízení, ne všechny komponenty jsou určené pro mytí v kapalných roztocích, některé čistící látky (především halogenové uhlovodíky nazývané freony CFC) působí negativně na životní prostředí, čištěním se eliminují dobré přirozené izolační vlastnosti pryskyřičných tavidel, takže je nutné použít ve většině případů po mytí další ochranné vrstvy.

Z uvedených skutečností je zřejmé, že argumentů pro i proti je celá řada a jejich význam může být různý pro různé aplikace. Obecně platí zásada provést konečné rozhodnutí v závislosti na experimentálních zkušenostech a preferencích [10]. Současný trend je víceméně čištění opouštět, což je spojeno s použitím již zmíněných bezoplachových tavidel. Na druhé straně však se snižujícími se rozměry nutnost čistění nabývá stále více na významu. Malé zbytky tavidla v okolí spoje, především kalafuny, pak nemusí být pro většinu aplikací na závadu. Avšak stále se zmenšující rozteče mezi vývody jsou hlavním důvodem, proč u některých aplikací čištění substrátů po pájení vynechat nelze. Možné způsoby rozhodování a nalezení řešení způsobu čištění jsou naznačeny na Obr. 4.6.


Tavidla s nízkým obsahem pevné fáze (kalafunová a bezkalafunová)

Tavidla R a RMA (kalafuna a mírně aktivovaná kalafuna)

57

Tavidla RA (aktivovaná kalafuna)

požaduje specifikace tavidla čištění ? ANO

NE

čistit

nečistit

na bázi rozpouštědel - alkoholy - trichlóretylén - CFC - glykoletery - terpeny

na bázi vodních roztoků - voda (deionizovaná) - vodní roztoky - saponáty - saponifikátory

Obr. 4.6 Hlavní směry variant způsobu čištění podle typu a specifikace použitého tavidla Zpočátku byly velmi rozšířenými látkami používanými při čištění rozpouštědla s obsahem freónů (CFC), ale po podpisu „Montrealského protokolu“ apelujícího mimo jiné na ochranu ozónové vrstvy, nastalo jejich výrazné omezení. Např. v zemích EHS došlo v roce 1995 k redukci o 85 % a v roce 2000 již bude jejich používání zcela vyloučeno [16]. Tyto látky jsou posuzovány podle jejich působení na tvoření depletiční vrstvy zemské atmosféry, což se vyjadřuje hodnotou ODP (Ozone Depletion Potential). Je-li tato u halogenových uhlovodíků jako např. CFC-111 ( CFCl2CCl3) nebo CFC-114 (CClF2CClF2) hodnocena jako referenční hodnota rovná 1, existují již dnes rozpouštědla s hodnotou několikanásobně nižší , jako např. 1.1.1. trichloretylén (CCl3CH3) u něhož ODP ≈ 0,1 nebo slabě halogenový hydrokarbon HCFC-22 (CHClFCF2) s ODP ≈ 0,05. Pokud je používáno čištění, je třeba podřídit všechny aktivity v této oblasti omezení spotřeby čistících látek.Toho lze dosáhnout některým z následujících způsobů a jejich kombinacemi : • změnou resp. modernizací čistícího procesu, • využíváním informací a rad od dodavatelů čistících látek, • účinným řízením procesu (monitorování, vyhodnocování a řízení), • školením obsluhy, • úpravou zařízení redukující odpařování (uzavření prostoru, stínění apod.), • instalací recyklačního zařízení, • zavedením ekologických čistících metod (alkalické zmydelnění pryskyřic nebo rozpouštědlové vodní čištění). Kontrolní otázky:

33) Jak vznikají intermetalické slitiny v pájkách ? 34) Jaké jsou funkce tavidla ?

58


4.4 Bezolovnaté pájky Do roku 2007 bude nutné nahradit dlouho používané a osvědčené pájky na bázi eutektické slitiny SnPb pájkami bezolovnatými. Je to rozhodnutí učiněné na základě dohody světových organizací s neodkladným účinkem na všechny země světa. Proto již probíhají několik let intenzivní práce na vývoji bezolovnatých pájek, jež by se měly svými mechanickými, elektrickými a také ekonomickými vlastnostmi vyrovnat nebo alespoň přiblížit dosavadním pájkám s olovem. Dosavadní výzkumy prozatím naznačují, že referenční slitinou pro bezolovnaté pájky se stane ternární sloučenina SnAgCu. Slitina SnAg je známa již řadu let, neboť se vyznačuje velmi dobrými mechanickými vlastnostmi. Při výzkumu komplexních možností bylo zjištěno, že některé pozoruhodné vlastnosti má také ternární eutektická slitina SnAgCu. SnAgCu se vyznačuje kromě dobrých mechanických vlastností také vysokou spolehlivostí a pro použití v elektronice také přijatelným bodem tavení 217°C. Proto lze tuto slitinu prozatím považovat za jakousi referenční kompozici pro hodnocení a porovnávání bezolovnatých pájek. Obr. 4.7 znázorňuje fázové diagramy SnAgCu slitiny a také detailní pohled na oblast využívanou pro pájení.

Obr. 4.7 Fázový diagram bezolovnaté pájky a) ternární sloučeniny SnAgCu b) detailní pohled na oblast používanou pro pájení

SnAgCu ternární pájka má vyšší pevnost než SnPb, a také než binární eutektické sloučeniny SnAg nebo SnCu. Mezi Sn/3.1Ag/1.5Cu a Sn/4.7Ag/1.7Cu, tvárnost a také životnost Sn/3.1Ag/1.5Cu je mnohem vyšší než Sn/4.7Ag/1.7Cu. Z toho vyplývá, že obsah Ag v pájce SnAgCu hraje podstatnou a stěžejní roli. Pájky SnAgCu hrají důležitou roli a jsou vhodné především pro pájení vlnou. Zlepšení spolehlivosti při vyšších teplotách lze dosáhnout přidáním antimonu (SnAgCuSb). Pevnost v tahu SnAgCuSb slitiny je pak srovnatelná se slitinou SnPb, ale tvárnost je mnohem lepší. Životnostní zkoušky ukázaly, že slitina SnAgCuSb dosahuje až dvojnásobné životnosti oproti SnPb, ale je nižší než u Sn/3.1Ag/1.5C.


Kontrolní otázky:

59

35) Čím se liší bezolovnaté pájky od pájek olovnatých ?

4.5 Návrh pájecích plošek Při každém návrhu elektrického obvodu nebo jeho části, jež má být realizován technologií povrchové montáže, musí být zohledněna řada specifických požadavků, které je nutné brát v úvahu již od prvních rozhodovacích kroků. Mezi požadavky ovlivňující tvar a umístění pájecích ploch patří především: a) nutnost umístit na substrátu elektrické komponenty různých typů a provedení, potřebné pro realizaci elektrické funkce (použitý typ součástky výrazně ovlivňuje způsob pájení), b) nutnost vytvořit na substrátu propojovací síť s určitými parametry, včetně jejich tolerancí (odpor a impedance vodičů, parazitní vazby, testovatelnost apod.), c) splnění požadavků na tepelné namáhání a následné chlazení (jak v procesu výroby, tak i v provozu), d) brát na zřetel parametry a možnosti stávajícího stavu, resp. jednotlivých operací technologického procesu (rozměrová a konstrukční omezení, montážní zásady při nanášení pájecí pasty, osazování, pájení atd.). Pájecí plochy (Footprints nebo také Solder Pads) jsou aktivní vodivé plochy vytvořené na nosném substrátu, určené k připájení součástek. Z hlediska návrhu tvoří základní topologickou specifikaci, neboť se k nim vztahuje řada dalších údajů (např. nepájivá maska, souřadnice osazování součástek apod.). 4.5.1

Pájení přetavením

Rozměry pájecích plošek se mohou v závislosti na zdroji získaných informací lišit. Především jsou doporučovány od samotných výrobců součástek, dále od různých výzkumných, vývojových a výrobních pracovišť a organizací a řadu zmínek lze najít také v některých literárních pramenech. Důvodem je skutečnost, že pro jejich rozměrovou specifikaci mohou být upřednostňovány různé faktory. Skutečností však zůstává, že optimální volba a umístění pájecích ploch má zásadní význam, neboť přispívá podstatnou měrou ke spolehlivosti realizovaného obvodu. Pro definování rozměrů souvisejících s povrchově montovanými součástkami (pájenými přetavením) je nutné vymezení následujících pojmů a s nimi souvisejících rozměrů (viz Obr.4.8.) : a) pájecí plocha (Solder Pad nebo také Solder Land), b) nepájivá maska (Solder Resist Pattern), c) plocha nanesené pájecí pasty (Solder Paste Pattern) - jen pro pájení přetavením,

60

FEKT Vysokého učení technického v Brně d) plocha vymezená pro součástku (je obvykle větší než samotné rozměry součástky), e) plocha pro vedení vodičů pod součástkou, E

pájecí plocha (plocha pro páj. pastu) nepájivá maska

D

G plocha vymezená pro součástku

C

B A F

propojení (vodivá síť)

Obr. 4.8 Znázornění topologie pasivní součástky s definicí souvisejících pojmů Všechna uvedená data pro jednotlivé typy součástek jsou u návrhových systémů uložena v knihovně CAD a vlastní návrh je pak prováděn s ohledem na zadané tolerance. Pájecí plocha, resp. její rozměr a umístění, musí být zvolena tak, aby byly vytvořeny předpoklady pro vznik odpovídajícího spoje mezi součástkou a substrátem. Pro zajištění spolehlivosti pájeného spoje musí být dodrženy doporučené hodnoty, především: • • • •

minimální nutný přesah kontaktů součástky na plochu určenou pro nanesení pájecí pasty, minimální nutné překrytí pájecích ploch součástky a substrátu, minimální nutné izolační mezery mezi kontakty a sousedními vodiči, dostatečné množství požadované pájky

Při vlastním návrhu musí být brán do úvahy také vliv jednotlivých tolerancí, ať už z hlediska vstupních materiálů, nebo samotného procesu (součástky, substrát, nanášení pasty, osazování součástek), takže konečné rozměry pájecích ploch musí být poněkud větší než v ideálním případě. Nepájivá maska slouží k zamezení vzniku zkratů v průběhu pájení, dále ke zlepšení izolačního odporu mezi kontakty a vodiči a také k zabránění nežádoucího roztékání pájky mimo kontaktní plochy v průběhu samotného pájení. Obrysy nepájivé masky přesahují rozměr kontaktní plochy (jsou větší), ale přitom maska musí plně pokrývat okolní vodiče. Odstup okrajů nepájivé masky od kontaktních ploch je minimálně 0,2 mm při její realizaci s pomocí fotorezistu (minimální šířka 0,2 mm) a 0,5 mm při nanášení sítotiskem (minimální šířka 0,3 mm). Správná volba plochy pro pájecí pastu, jež je definována šablonou pro sítotisk, je velmi důležitá pro tvorbu pájeného spoje. Tímto rozměrem je totiž definováno množství pájecí pasty pro jednotlivé spoje, takže při nevhodném návrhu může přispívat v průběhu pájení k některým nežádoucím jevům, souvisejícím buď s nedostatečným množstvím pájky a nebo naopak s jejím přebytkem.


61

Nanášení pájecí pasty se provádí metodou tisku přes šablony, jehož přesnost je definována možnostmi samotného procesu. Pro součástky s menšími roztečemi a rozměry vývodů (QFP, 0603, 0402 apod.) je nutné použít optické vystřeďování součástek při osazování, neboť požadovaná přesnost přesahuje hodnoty přesnosti sítotisku (méně než 0,1mm). Pro zajištění optimálního množství pasty ve spoji existuje souvislost mezi rozměry pájecích ploch a plochou pro pájecí pastu na šabloně, jak vyplývá z Tab.4.4.. Plocha vymezená pro součástku znamená část plochy substrátu odpovídající nepatrně zvětšeným obrysům samotné součástky, jež má být na substrát připájena. Její význam je třeba chápat ve smyslu dodržení určitých návrhových pravidel podporujících omezení vzniku poruch v průběhu pájení. Tab. 4.4: Hodnoty pro návrh rozměrů pájecích ploch a šablon pro nanášení pájecí pasty (viz Obr. 4.8) Rozměr pájecích plošek (mm)

C ≥ 0,6 a D ≥ 0,6 0,6 > C ≥ 0,4 a D > 0,9 C > 0,9 a 0,6 > D ≥ 0,4

Rozměr plochy pro pájecí pastu (mm) Tloušťka šablony (mm)

(C - 0,1) x (D - 0,1)

0,2

0,6 > C ≥ 0,4 a 0,9 ≥ D > 0,6

C x (D - 0,1)

0,2

0,9 ≥ C > 0,6 a 0,6 > D ≥ 0,4

(C - 0,1) x D

0,18

0,6 ≥ C ≥ 0,5 a 0,6 ≥ D ≥ 0,5

C x D

0,15

C ≥ 0,6

a

D < 0,4

(D - 0,03) x (C - 0,1)

0,12

Zmenšování celkových rozměrů vede ke vzájemnému přibližování součástek, ale současně také ke zvyšování pravděpodobnosti výskytu poruch (na jedné straně zkraty a na druhé pak nezapájená místa). Plocha pro vedení vodičů pod součástkou je dána vzdáleností mezi dvěma kontaktními plochami. Počet vedených vodičů je odvislý od konstrukčních možností, resp. od rozlišovací schopnosti při výrobě substrátu s vodivou sítí. V každém případě je nutné tyto vodiče pokrýt nepájivou maskou nebo jiným izolantem. Velikost izolačních mezer a přesahy nepájivé masky závisí na použité technologii a v dnešní době se požadavky již blíží hodnotě 0,1 mm.

4.5.2

Pájení vlnou

Z důvodu zcela odlišné podstaty pájení vlnou (Flow Soldering) od pájení přetavením je nezbytné u tohoto způsobu pájení brát zřetel především na následující skutečnosti: a) nutnost definovat nanášení lepidel potřebných k přichycení součástek, b) omezení možnosti vytváření míst s nedostatečným množstvím pájky („shadow effect“), c) omezení možnosti tvoření zkratů („solder bridges“). Pro fixování SMD součástek v průběhu pájení vlnou se používají lepidla. Množství lepidla nanášené pod součástku musí být poměrně přesně definováno. Na jedné straně ho

62


musí být takové dostatečné množství, které zajistí spolehlivé přichycení součástky k substrátu v průběhu pájení, na druhé straně pak ho nesmí být příliš, aby nedošlo ke znečistění pájecích plošek. Směrový charakter průběhu pájecí vlny vzhledem k desce na níž jsou umístěny pájené součástky způsobuje tzv. „shadow effect“. Jsou-li na desce umístěny součástky s určitou výškou, dochází tak z pohledu směru průběhu vlny v prostoru za nimi k tvoření tzv. hluchých míst, tj. míst která nepřijdou do styku s dostatečným množstvím pájky. To lze prakticky výrazně omezit použitím dvojité vlny. Přesto se ale projeví stínění v důsledku působení kapilární deprese kolem nesmáčivého pouzdra. Jsou-li v těchto místech umístěny kontaktní plochy, je pravděpodobné, že spoje na nich nebudou vytvořeny dostatečným množstvím cínu. Tento efekt nazývaný „shadow effect“ (stínový jev) je znázorněn na Obr. 4.9. Pro jeho potlačení je třeba zajistit na tato místa dostatek cínu, což se pak může změnit v problém zcela opačný, to je jak potom přebytečný cín z těchto míst odstranit.

1

směr pohybu DPS

2

substrát

pájka SOT - 23

Obr. 4.9 Znázornění potlačení jevu stínění u součástky SOT-23

Jak je patrné z Obr. 4.9., lze provést účinné potlačení vlivu označovaného „shadow effect“ úpravou tvaru a plochy kontaktních plošek. Určitou roli zde sehrává také pájecí zařízení, především z hlediska tvaru a chování samotné pájecí vlny. Je doporučeno výhradně pájení dvojitou vlnou, přičemž délka klidové zóny ve vlně (tam kde cín nepostupuje ani vpřed ani vzad) musí přesahovat rozměr největších součástek (doporučuje se min. 20 mm). Tvoření zkratů („solder bridges“) představuje nežádoucí vodivé spojení mezi vývody součástek. V technologii povrchové montáže je především při použití pájení vlnou jednou z nejčastějších poruch. Vyskytuje se především tam, kde jsou pájecí plochy opakovaně za sebou ve směru působení vlny (např. pouzdra SO a QFP). Nejvyšší pravděpodobnost výskytu zkratů je pak u posledních vývodů v řadě, to je v místě, kde součástka opouští vlnu. Proto se někdy umísťují na substrátu za kritickými místy přídavné plošky pro zachycení části cínu, a tím se omezí tvoření zkratů. Příklad takového řešení je znázorněn na Obr. 4.10. Umístěním vhodně zvolené vodivé plochy (o velikosti přibližně 12 mm2 ) za kritickou součástku z pohledu směru vlny vznik zkratů téměř zcela eliminovat.


63

Obr. 4.10 Příklad použití záchytných ploch při pájení vlnou u pouzdra VSO

Při montáži pouzder QFP se ukázalo kromě umístění přídavných plošek o délce až 8,5 mm a šířce 2 mm velmi účelné natočení pouzder o 45o, přičemž orientace přídavných plošek směřuje v tomto případě ve směru souhlasném se směrem vlny z nejvzdálenějšího rohu pouzdra dále. Z obecného pohledu se pájení pouzder QFP vlnou nedoporučuje, a pokud je to nevyhnutelné, je třeba zjistit příslušné podmínky pro každý typ pouzdra přímo u výrobce. Kontrolní otázky: 36) Jaké doporučení platí pro zajištění vytvoření spolehlivého spoje při při pájení přetavením ? 37) Jak se liší návrh kontaktních ploch pro pájení vlnou od ploch pro pájení přetavením? 4.5.3

Topologie pájecích ploch

Jednoduché obvody lze navrhovat intuitivním způsobem. S rostoucí hustotou součástek a zmenšujícími se rozměry však nedává intuitivní návrh předpoklady k úspěšnému výsledku. Do návrhu je nutné promítnout celou řadu faktorů, a vytvořit tak systematický přístup zohledňující pořadí důležitosti. Návrh lze rozdělit na dvě části: A. Pasivní součástky. B. Pouzdra a součástky s blízko umístěnými vývody. ad A. Návrh kontaktních ploch pro pasivní součástky vychází z nominálních hodnot, které jsou upraveny s ohledem na možné působení různých vlivů. Prakticky jsou hodnoty korigovány na základě příslušných deklarovaných tolerancí součástek, substrátu, požadovaného přesahu součástek na kontaktní plochy, tolerancí zařízení, minimálních vzdáleností mezi kontaktními plochami a součástkami atd. Vztahy mezi různými parametry jsou obyčejně popsány soustavou lineárních rovnic, a to pro maximální i minimální rozměry kontaktních ploch. Počítačovým zpracováním pak lze získat topologii zohledňující uvažované možnosti.

64


Předpokládaná tolerance v průběhu technologického procesu je ±0,25 mm, což vyhovuje pro většinu současných zařízení. V případě možnosti dosažení vyšších přesností (např. při použití dvourozměrného optického nebo laserového vystřeďovacího systému) je možné kontaktní plochy zmenšit. ad B. Poněkud jiný přístup k návrhu pájecích ploch je třeba zvolit pro součástky s větším počtem blízko umístěných vývodů (Fine Pitch). Zde je nezbytné splnit především dva požadavky (viz Obr. 4.11) : 1. Izolační mezera ID musí být větší než určitá minimální hodnota daná požadavkem na hodnotu izolačního odporu při technologii pájení. 2. Překrytí O musí být větší než určitá minimální hodnota stanovená požadavkem na tvar spoje získaným z údajů o spolehlivosti.

Obr. 4.11 Znázornění rozměrové symboliky pro návrh pájecích ploch součástek Fine Pitch

Přesné určení hodnot ID a O není jednoduché a obecnì jednoznačné, avšak zjevně existují určité minimální hodnoty, které musí být dodrženy. Na základě uvedených požadavkù lze vypočítat hodnotu W pomocí vztahů :

kde

P = 0,5 W + 0,5 Wl + ID + f

( 4.1 )

O = 0,5 W + 0,5 Wl - f

( 4.2 )

P je rozteč vývodů, W je šířka kontaktu (pájecí plochy), Wl je šířka vývodu součástky, O je překrytí vývodu a pájecí plochy, ID je izolační mezera (vzdálenost mezi vývodem a sousední pájecí plochou), F je maximální povolený posuv („process freedom“ = fmax ), f je posuv součástky ve směru osy x.

Z rovnic ( 4.1 ) a ( 4.2 ) lze dále vypočítat : W = P + O - Wl - ID

( 4.3 )

Potom lze s pomocí minimální hodnoty O nebo ID získat největší povolený posuv součástky fmax. Tu označíme F a chápeme ji jako stupeň volnosti procesu („process freedom“) a vyjadřuje vlastní povolenou hodnotu součtu všech tolerancí. V ideálním případě,


65

kdy vývod je situován ve středu kontaktní plochy, je f = 0. V opačném případě, projeví-li se všechny tolerance v maximální míře, je f = F. Ze vztahů ( 4.2 ) a ( 4.3 ) pak lze stanovit maximální povolený posuv následovně : F = 0,5 W + 0,5 Wl - O = P - 0,5 W - 0,5 Wl - ID

( 4.4 )

Logickou úvahou lze dospět k závěru, že ne vždy existuje podle vztahu ( 4.4 ) řešení. To platí především při požadavku na příliš široké mezery mezi kontakty ( je-li ID vyšší než obvykle). 1

Wa

ID = 0.2 Wl = P / 2 O ≥ P/4

W, F [mm]

W

A 0.5

F B Fa

D C 0

0.5

P [mm]

1

Obr. 4.12 Závislost W a F na P pro následující hodnoty: ID = 0,2

1.5

Wl = 0,5P O ≥ 0,25 P

Na Obr. 4.12 je znázorněna závislost šířky kontaktní plochy W a povoleného posuvu F na rozteči vývodù P pro uvedené požadavky na ID, Wl a O. Je dobře patrné, že pro rozteč vývodù P = 1,5 mm je optimální hodnota šířky vývodu W = 0,925 mm. Samozřejmě se snižující se hodnotou P je rovněž hodnota W menší. Vezmeme-li v úvahu skutečnost, že tři základní zdroje nepřesnosti jsou tolerance rozměrů součástek, tolerance rozměrů substrátu s vodivou sítí a tolerance osazovacího stroje (jak posuv tak natočení), pak při hodnotě F = 100 µm připadá na každou z uvedených oblastí povolená tolerance hodnota rovná 100/√3, tj. asi 58 µm. S ohledem na skutečné tolerance běžných osazovacích strojů, které se pohybují svou přesností poněkud nad touto hodnotou, musíme uvažovat pro osazování toleranci 70 µm a potom požadovaná tolerance pro zbývající oblasti, součástky a substrát je pro každou z nich do 50 µm. Takto vypočtené hodnoty jsou pouze prvním krokem na cestě k získání definitivních rozměrů pájecích ploch, které budou aplikovány ve výrob. To platí především v procesu opakované sériové výroby. Nejhorším případem, kterého je třeba se vyvarovat, je použití hodnot neznámého původu, bez jakéhokoliv experimentálního odzkoušení. Protože při výpočtu velikosti a rozmístění pájecích ploch nelze respektovat všechny technologické faktory, doporučuje se získání optimálních hodnot na základě experimentálního ověření. To se týká především následujících údajů : • ověření optimální velikosti záchytných pájecích ploch při pájení vlnou,

66

FEKT Vysokého učení technického v Brně • • • •

ověření preferované a závazné orientace součástek při pájení vlnou, ověření minimálních vzdáleností mezi součástkami, ověření minimálních vzdáleností součástek od okraje substrátu, ověření vlivu stínění součástek při pájení vlnou .

První ověření se provede v laboratorních podmínkách na několika desítkách až stech kusech a vyhodnotí se jednoduchými statistickými metodami. Tím však ověřování nekončí a pokračuje dále v procesu výroby sběrem dat s následným vyhodnocováním a případnými korekcemi. Shrnutí: Spolehlivost elektronických obvodů a systémů je tvořena již při samotném návrhu obvodů. Proto je třeba zcela jasně definovat návrhová pravidla a také s nimi umět pracovat. S návrhem je úzce spojena tvorba pájených spojů jejichž tvar je prvotním kritériem jejich jakosti. Základní přístupy k návrhu a s tím spojené technologické okruhy (pájitelnost, smáčivost a její testování) jsou popsány v této kapitole. Řešený příklad Příklad 4.1 Zadání: Znázorněte tři možnosti umístění vývodů Fine Pitch na pájecích ploškách, jež budou odpovídat případům zachyceným v bodech A, B a C v Obr. 4.12.

Řešení: Bod A v Obr. 4.12 ukazuje, že pro P = 1,2 mm je W = 0,7 mm a F = 0,35 mm. Tento případ je znázorněn níže na Obr. 4.13a, kde je zobrazena vždy optimální poloha (nahoře) a maximální možný posun (dole). Bod B v Obr. 4.12 znázorňuje případ pro rozteč P = 0,8 mm, kdy šířka kontaktní plochy pro pájení klesla na 0,4 mm, což odpovídá šířce vývodu, jak je patrné z níže uvedeného Obr. 4.13b. To je také mezní případ, neboť menší hodnota šířky pájecí plochy než je hodnota šířky kontaktu znázorněná níže na obr.13c není přípustná ( bod C v Obr. 4.12). V případě varianty znázorněné na Obr. 4.13c je třeba se vrátit v Obr. 4.12 do bodu B a korigovat průběh závislosti do bodu odpovídajícímu F = 0 , čemuž odpovídá rozteč P = 0,4 mm a současně i korigovaná hodnota šířky W. Průběhy Fa a Wa jsou pak pro stejné podmínky jako průběhy F a W, s výjimkou překrytí vývodu s pájecí plochou O, jehož hodnota musí odpovídat umístění celé plochy vývodu na kontaktní pájecí ploše (protože Wa > W a Fa < F). Kromě toho Fa = 0 pro P = 0,4 mm při Wa = 0,2 mm. .

MIKROELEKTRONIKA A TECHNOLOGIE SOUČÁSTEK F = 0.05

F = 0.2

0.4 0.1

0.1

a)

67 F = 0.35

0.8 0.2

1.2 0.4

0.2

0.2

b)

0.05

0.2

0.3

0.7

0.2

c)

Obr. 4.13 Tři možnosti umístění vývodů Fine Pitch na pájecích plochách Pozn.: měřítka obrázkù a), b), c) nejsou shodná Podobným způsobem lze rozpracovat další varianty, jež jsou podřízeny různým konkrétním cílùm. Zaměříme-li pozornost na nejmenší hodnotu rozteče 0,4 mm, vychází, že šířka vývodu by měla být kolem jedné poloviny, právě tak jako šířka pájecí plochy. Potom nezbývá příliš prostoru pro posuv F (požadovaná hranice maximálního posuvu ≈ 0,1mm) . Neřešený příklad Příklad 4.2 Navrhněte optimální rozměr pájecích plošek pro keramické kondenzátory 0402 a 1812. Uvažujte pájení přetavením.

Neřešený příklad Příklad 4.3 Jaký zvolíte rozměr pájecích plošek pro součástku SOT-23 (pájení přetavením) ?

68


5 Cena, spolehlivost, řízení jakosti a informační systémy Cíl: Upozornit na skutečnost, že technologie je stále více spojena s požadavky na konečné parametry každého výrobku. V souvislosti s otevřením světových trhů jsou stále významnějšími parametry jakost, cena, doba uvedení na trh, a proto na ně musí být brán zřetel nejen v samotné výrobě ale již při návrhu elektronických obvodů a systémů [ 2 ], [ 9 ], [ 10 ]. S rozvojem techniky hromadného pájení ve výrobě, a dále s nástupem technologie povrchové montáže, kdy se stává dominantní a pro plánování výrob výchozí výrobní operací automatické osazování (běžně je osazováno několik tisíc součástek za hodinu), vzrostly objemy vyráběných kusů natolik, že není z ekonomického hlediska možné provádět v průběhu výroby po každé operaci stoprocentní kontrolu. S tím vyvstala nutnost zavést do výrobního procesu takové mechanizmy a procesy, které nejen provádí kontrolu ve stěžejních místech výroby, ale současně tvoří systém předem eliminující výskyt poruch. Automatizace s sebou přinesla zvýšení četnosti opakovatelnosti výrobních operací a s tím i možnost jejich statistického hodnocení. Původně byla data získávaná ve výrobním procesu zpracovávána na centrálních sálových počítačích, a následně byla využívána přes řadu organizačních úrovní, především k prezentaci sloužící jako výraz spolehlivé funkce příslušného výrobku. V 70. letech, částečně také za přispění prvních výrazných otřesů na ropných trzích, se začíná ve světě stále více sledovat snižování nákladů ve výrobních procesech, k čemuž dobrá spolehlivost jako jeden z parametrů nemalou měrou přispívala. V 80. létech se začínají objevovat osobní počítače a lokální počítačové sítě. S tím dochází k decentralizaci organizačních a řídících struktur a také k omezení počtu hierarchických stupňů. Charakteristickým rysem je uvolňování celních bariér provázené tou skutečností, že ceny podobných konkurenčních výrobků se velmi přiblížily a na trzích začíná rozhodovat o úspěšnosti toho či onoho výrobku jakost. S touto skutečností se začínají ve výrobních procesech stále více aplikovat systémy řízení jakosti. Konečně v 90. létech, na základě uvedených důvodů a dalšího uvolnění napětí ve světě, dochází k dalšímu otvírání světových trhů. S tím je kladen ještě větší důraz na koncentraci minimalizace nákladů s vysokou jakostí, a navíc na schopnost reagovat na okamžité požadavky trhů (např. dodávky „just in time“). V elektronickém průmyslu, jehož aplikační sféra se stále rozšiřuje a zasahuje prakticky do všech hospodářských odvětví, se tento požadavek projevuje ve zvýšené míře, neboť jakost je zcela nutným, i když ne vždy dostatečným a vyčerpávajícím rozlišovacím znakem výrobku. Současné informační systémy, mnohdy spojované s pojmem informační technologie (potom ale musí jít o komplexní řešení založené na splnění všech technicko-legislativních požadavků), tvoří flexibilní organizační strukturu zajišťující vnitřní součinnost výrobního subjektu navíc pružně reagující na vnější podmínky, především pak na vývoj trhu. Jejich posláním je při správném aplikování eliminování nákladů, jak racionalizací výroby, tak i administrativy. Na Obr. 5.1 je naznačena hierarchická struktura informačního systému, z níž je patrný narůstající kvalitativní i kvantitativní obsah od základního zajištění spolehlivosti a jakosti až po celkovou funkční strukturu, jež prostřednictvím svého fungování zajišťuje v konečné fázi ekonomickou prosperitu příslušného subjektu.


Ekonomika plánování organizace

69

Informační systém = = Hardware + Software /základní + aplikační/

Statistické řízení jakosti

Spolehlivost

Obr. 5.1 Znázornění základní struktury informačního systému pro řízení výroby Cílem moderního informačního systému je nejen řízení vnitřního chodu, ale také reagování na vnější změny a požadavky tak, aby bylo dosaženo jednoznačně ekonomické prosperity na legislativní bázi. Zde pak platí pro funkci informačního systému pravidlo „spirálového vývoje“, což znamená, že vnitřní struktura a činnost subjektu musí neustále reagovat na změnu vnějších podmínek a být nejen přizpůsobována ale i rozvíjena jeho potřebám. Jedná se především o požadavky zákazníků a trhu, ale také společnosti chápané jako široké okolí. Vývoj ukazuje, že prvotním posláním každé prodávané činnosti a tedy i výroby je bezprostřední orientace na zákazníka, resp. na uspokojení jeho požadavků. V praxi to znamená nejen co možná nejrychleji plnit objednávky, ale i reagovat na další požadavky ve smyslu nezbytné jakosti. Bylo by však krátkozraké, nesledovat současně všeobecný vývoj trhu, jeho prognózy, a to jak z technického tak ekonomického hlediska, a nemyslitelné nerespektovat legislativní, sociální i další požadavky. To vše tvoří soubor různě provázaných a souvisejících informací, jenž nabývá stále většího objemu. Důvodem růstu nezbytných informací, jež mají současně také poslání dokumentační, je nejen technický pokrok, ale také snaha především hospodářsky vyspělých zemí chránit zákazníka kontrolou trhů, a v poslední době také stále více životní prostředí. Důkazem toho je zavádění mezinárodně platných norem (ISO, EN, QC apod.), a také mezinárodních ujednání (např. v Evropské unii označení CE, jehož ekvivalentem u nás je Prohlášení o shodě ) . Z uvedeného je zřejmé, že informační systém, a především jeho účelné využívání, se stává nezbytným nástrojem managementu každé firmy. Potvrzením této skutečnosti jsou pak dosahované ekonomické výsledky, jež jsou v dnešní době zcela prvotním ukazatelem toho, jak si který subjekt ve skutečnosti vede. Shrnutí: Informační systém se dnes stal nezbytnou součástí manažerské praxe. Jeho posláním je především kontrolovat a řídit proces výroby a s tím zajišťovat vysokou jakost s dosažením maximálních možných úspor.

70


Kontrolní otázky:

38) Jak spolu souvisí spolehlivost a informační systémy a jaký byl chronologický vývoj? 39) Co musí splňovat moderní informační systém ?

Řesený příklad:

Příklad 5.1 Zadání: Znázorněte výrobní linku „in line“ pro montážní technologie povrchovou montáží a definujte čas resp. dobu nutnou na průchod (výrobu) jedné kompletní desky výrobní linkou (Tcyklu ) .

Řešení: Jednotlivým zařízením budou předřazeny výrobní mezistupně v podobě zásobníků eliminujících prodlužování časů v případě krátkodobých výpadků na jednotlivých zařízeních. Tyto výpadky mohou způsobit nutné servisní úkony (např. výměna zásobníků u osazovacího zařízení nebo doplnění pájecí pasty u tiskacího zařízení apod.).

Příprava substrátů

Nanášení páj. pasty

Osazování

Stanice A

Stanice B

Stanice C

Pracovní stoly se zásobníky (práce v předstihu)

Pájení Měření přetavením a opravy

Stanice D

Uložení substrátů

Stanice E

Stanice F

Nosné výrobní operace

Obr. 5.2 Znázornění zařazení mezistupňů (zásobníků) do montážní linky


71

Černé plochy na obr. 5.2 znázorňují místa, kde je třeba pracovat s určitou předvídavostí a předstihem „na stole“ před každým nosným zařízením (zařízení vykonávající hromadné operace). Zde se podle potřeby řeší situace většinou s využitím zásobníků na desky. Šrafované plochy pak znázorňují příslušné nosné zařízení pro danou operaci, jemuž přísluší definovaný počet zpracovávaných substrátů na jednotlivých zařízeních v určitém okamžiku. Např. u osazovacího zařízení to může být jedna deska nebo většinou několik desek v jedné matrici (více menších desek tvořících jeden celek). Vývojový diagram technologického procesu ukazuje pro každou operaci součet obou hodnot (Total Work in Progress), jež je přímo úměrná celkovému času výrobního cyklu. Potom platí : WIP =

Tcyklu VD

( 5.1 )

kde WIP je součet všech časů nutných u jednotlivých zařízení na průchod (výrobu) jedné desky ( s / l ks), Tcyklu je čas trvání výrobního cyklu pro jednu desku (s), VD je velikost výstupní dávky (ks).

72


6 Tepelný management Cíl: Každý elektronický systém se vyznačuje určitou spotřebou energie. Průvodním jevem je přitom přeměna elektrické energie na energii tepelnou, což znamená, že veškeré elektronické systémy a zařízení jsou ovlivňovány teplem. Tato skutečnost způsobuje z hlediska vlastní funkce systému změnu pracovních podmínek, a s tím také změnu parametrů. Projevem působení tepelné energie je ohřev zařízení a zvýšení jejich teploty. Cílem této kapitoly je vysvětlit základy a podstatu působení tepla v elektronických obvodech a systémech [ 15 ], [ 16 ], [ 17 ], [ 18 ].

6.1 Základní pojmy Obecně je teplo druhem energie, která v elektronických systémech vzniká ztrátami z energie elektrické, jíž je zařízení napájeno, a proto je na něj nahlíženo jako na ztrátový výkon. Vlastní teplota má vliv na celou řadu faktorů (např. na životnost a degradaci materiálů), které ovlivňují spolehlivost funkce součástek a také celkovou spolehlivost elektronického systému. Teplo je generováno pasivními prvky systémů (rezistory, kondenzátory, vodivými sítěmi, izolačními vrstvami, atd.), kde vzniká jako vedlejší projev průchodu náboje látkou, nebo jako důsledek polarizačních mechanismů. Také veškeré aktivní prvky tvořené zejména polovodičovými přechody jsou zdroji tepelné energie [ 15 ]. Změna teploty celého funkčního zařízení a zejména jednotlivých prvků sebou přináší řadu průvodních dějů, jejichž následky se mohou projevit jako: •

změny parametrů obvodových prvků (velikost odporu rezistoru, zesílení tranzistoru, změna pracovního bodu zesilovače,...),

•

vznik termomechanického namáhání pevných spojů (např. vznik pnutí v pájených spojích mezi součástkami a substrátem),

•

zvýšení pravděpodobnosti vzniku chybového signálu v polovodičovém prvku tepelnou generací nosičů a pod.

Proto je třeba již při návrhu každého konkrétního elektrického obvodu nebo systému zajistit, aby dlouhodobá pracovní teplota nepřekročila maximální přípustnou mez, a tak byla zachována spolehlivá funkce všech součástek i celého elektronického systému. Toho lze dosáhnout jednak minimalizací ztrát vedoucí k redukcí oteplení obvodu (systému) optimálním návrhem výkonových poměrů, a také způsobem chlazení (odvodem tepla), včetně omezení vlivu zvyšování teploty okolního prostředí. Obecný trend ve výrobě elektronických systémů projevující se stálým snižováním rozměrů a zvyšováním výkonu je charakterizován stále vyšší úrovní integrace. Umístění více funkcí v menším pouzdře s sebou přináší větší hustotu součástek, ale také větší množství tepla, které je v jednotce objemu rozptýleno jako ztrátový výkon v určitém čase. Toto teplo je zapotřebí efektivně odvádět a minimalizovat. Proto se tepelné vlastnosti stávají důležitým faktorem, který ovlivňuje výkonnost i spolehlivost celého elektronického zařízení.


73

Jako příklad si uveďme vývoj v oblasti digitální techniky, kde dochází neustále ke zvyšování pracovního kmitočtu. S nárůstem pracovního kmitočtu se zvyšuje i počet spínání polovodičových přechodů čipů, a s tím dochází i k růstu rozptýleného výkonu. Ztrátový výkon lze obecně vyjádřit následujícím vztahem [ 16 ]: P=

CV 2 ⋅f 2

kde

( 6.1 )

P je ztrátový výkon (W)

C je vstupní kapacita (F) V je spínané napětí (V) f je spínaný kmitočet (Hz) Jak je ze vztahu ( 6.1 ) patrné, snížení vstupní kapacity a zmenšení spínaného rozdílu napětí přispívá k redukci ztrátového tepla generovaného polovodičovou součástkou. To je jeden z důvodů proč nové generace polovodičových součástek mají stále nižší vstupní kapacity, a rovněž spínané napětí odvozené z napájecího napětí se snižuje z dříve typické hodnoty 5V na hodnotu blížící se 1V. Elektronické součástky jsou ochlazovány přirozeným odvodem tepla, které nastává v důsledku uplatnění principů přenosu tepelné energie. Základní způsoby sdílení tepla jsou: •

vedení,

•

proudění,

•

vyzařování.

Odvod tepla může být dále podpořen prvky jako jsou pasivní chladiče, nebo je použita některá z metod nuceného chlazení za pomocí mechanických větráků či termoelektrického (Peltierova) chladiče. Nárůst pracovní teploty aktivních prvků přináší změnu jejich elektrických parametrů jako jsou: zesílení, offset, saturační proud, změna pracovního bodu, atd. Například saturační proud polovodičového PN přechodu na Si čipu se při zvýšení teploty o 10oC více než ztrojnásobí. U pasivních prvků (rezistor, kondenzátor) změna teploty způsobí nejčastěji změnu jejich hodnoty (odporu, kapacity) ale i dalších parametrů (stabilita, průrazné napětí a pod.). Změna jmenovité hodnoty je vyjádřena koeficientem teplotní závislosti daným poměrem relativní změny jmenovité hodnoty ku velikosti změny teploty. Například vrstvový rezistor má teplotní koeficient odporu v rozsahu od několika ppm/oC až po několik set, což závisí na typu rezistoru, resp. na jeho materiálu. Obecně platí, že čím nižší je hodnota teplotního součinitele, tím vyšší je cena. Keramické kondenzátory mají rovněž teplotní koeficient závislý na typu materiálu dielektrika. Typ I se vyznačuje lineární teplotní závislostí a nízkým součinitelem teplotní závislosti TCC (Temperature Coefficient of Capacity), jehož permitivita dosahuje nízkých hodnot a typ II naopak vysokou permitivitou ale vyšším a nelineárním teplotním součinitelem TKC. Tyto změny parametrů jsou ve většině aplikacích naprosto nežádoucí. Jestliže se teplota zvýší příliš a překročí limitní mez může dojít i k dočasnému nebo trvalému poškození. Poškození může způsobit úplný zkrat, přerušení obvodu, průraz polovodičového přechodu atd., a proto je třeba teplotní změny

74


minimalizovat. Všeobecným požadavkem je použít takové součástky, které při daném pracovním kmitočtu dosahují minimální tepelné ztráty. Pro termomechanické namáhání obecně platí, že při změně teploty dochází ke změně rozměrů materiálů [ 15 ]. Při zvýšení teploty dochází obecně k roztažení (prodloužení) materiálů a při snížení teploty pak k jejich smrštění (zkrácení). Mírou teplotní závislosti délkových rozměrů pevného tělesa je teplotní součinitel délkové roztažnosti α (K–1; oC-1), v anglické literatuře nazývaný TCE (Temperature Coefficient of Expansion), který je definován vztahem :

α , TCE = kde

dl 1 ⋅ l 0 dT

( 6.2 )

dl je změna délky (m) l0 je délka tělesa při 0oC (m) dT je změna teploty (K; oC)

Průběh TCE není obecně v širokém rozsahu teplot lineární, zejména u polymerních materiálů dochází k velké změně hodnoty v oblasti teploty skelného přechodu (Tg), kde materiál přechází z elastického do plastického stavu. Dále zde působí celá řada zvláštností, např. materiály s anizotropními vlastnostmi mají různou hodnotu TCE v různých směrech apod. Jak vyplývá ze vztahu ( 6.2 ), vlastní změnu délky lze vyjádřit vztahem: ∆l = l 0 ⋅ TCE ⋅ ∆T

( 6.3 )

Spojíme-li pevně dva různé materiály s různými koeficienty TCE a dojde-li ke změně jejich teploty, vzniká mechanické namáhání (v tahu i ve smyku resp. střihu), které působí na spoj. V elektronických obvodech a systémech se jedná zejména o mechanické namáhání pájených spojů aktivních i pasivních součástek pájených na substráty. To je způsobeno tou skutečností, že materiál součástky bývá rozdílný oproti materiálu substrátu. Potom může dojít ke vzniku prasklin a jejich dalšímu narůstání v místě spoje nebo v okrajové oblasti substrátu či součástky. Takový spoj má odlišné mechanické i elektrické vlastnosti a může způsobit okamžitě, nebo za určitý čas provozu nefunkčnost obvodu. Mechanické napětí ve spoji je definováno Hookovým zákonem:

σ = E ⋅ε = E ⋅ kde

∆l l

( 6.4 )

σ je mechanické napětí ve spoji (N. m-2) E je Youngův modul pružnosti v tahu (N. m-2) ε je poměrné prodloužení

Poměrné prodloužení působící na spoj lze vyjádřit rozdílem změn délek spojených materiálů. Pro relativní prodloužení platí:

ε = (TCEC − TCE S ) ⋅ ∆T kde

ε je poměrné prodloužení, TCEC je teplotní součinitel délkové roztažnosti součástky

( 6.5 )


75

TCES je teplotní součinitel délkové roztažnosti substrátu ∆T=T2-T1 ; T2- teplota tuhnutí, T1- pracovní teplota Toto termomechanické namáhání vznikající při spojování materiálů se značně rozdílnými teplotními součiniteli délkové roztažnosti se stává vážným problémem, neboť ovlivňuje spolehlivost celého systému. Například při přímém připojení holých čipů (DCA) na organické substráty je TCE součástky (křemíkový čip) 3 ppm/oC a TCE substrátu (FR4) 13 ppm/oC. Celkové namáhání spoje je ovlivněno dalšími faktory, jako jsou geometrie spoje (výška pájky a tvar, velikost pájecích plošek), typ pájecí slitiny atd. Spolehlivost elektronických součástek je definována poruchovostí, která je přímo úměrná generovanému teplu a je popsána Arrheniusovou rovnicí:

 − EA  F = A exp   K ⋅T  kde

( 6.6 )

F je poruchovost, intenzita poruch ( - ) A je konstanta EA je aktivační energie (eV) K je Boltzmanova konstanta (8,63.10-5eV/K) T je teplota přechodu (K)

Následkem zvýšení teploty součástky dojde ke zvýšení poruchovosti, což lze vyjádřit následujícím vztahem: E F1 = exp A F2 K kde

1 1   −   T1 T2 

( 6.7 )

T2 je zvýšená teplota polovodičového přechodu T1 je původní teplota polovodičového přechodu

U součástek s aktivační energií EA=1eV (Si-1,12eV) vzroste v důsledku zvýšení teploty z 50oC na 60oC poruchovost 2,9 krát a při změně z 50oC na 120oC téměř 600 krát. Pro aktivační energii 0,65 eV (Ge-0,66eV) dojde k přibližně zdvojnásobení poruchovosti při zvýšení teploty z 50oC na 60oC.

Kontrolní otázky:

40) Co je to ztrátový výkon ? 41) Vysvětlete pojem teplotní součinitel roztažnosti TCE. 42) Jak souvisí spolehlivost s teplem generovaným v elektrických obvodech?

76


6.2 Teorie přenosu tepla Každý teplotní rozdíl mezi tělesy nebo jeho částmi se časem vyrovná tím, že teplo proudí z míst s vyšší teplotou k místům, kde je teplota nižší. Všechny aktivní i pasivní součástky jsou zdrojem tepla a jejich teplota je vyšší než teplota okolního prostředí, takže dochází ke sdílení tepla. Šíří-li se teplo tím způsobem, že energii si vyměňují jen bezprostředně spolu sousedící částice látky jedná se o vedení tepla (Conduction). Podmínkou je existence spojitého látkového prostředí, a proto ve vakuu vedení tepla nenastane. Vedení tepla umožňuje nejintenzivnější přenos tepelné energie. Dalším způsobem šíření tepla je proudění (Convection), k němuž dochází tehdy, když částice látky mění v prostoru svou polohu a přitom unášejí svou energii s sebou. Děj nastává v proudících kapalinách a plynech. U přirozeného proudění vznikne pohyb v důsledku různých hustot kapaliny nebo plynu, které se vyrovnávají. Rozdíly hustoty přitom nastanou vlivem nestejných teplot v objemu. Nucené proudění tepla vznikne vnějšími silami (např. ventilátorem). Používá se k zesílení přenosu tepla a jeho výhodou je, že proudění může nastat i proti teplotnímu spádu a je možné jím chladit. Třetí způsob šíření tepla je tepelné záření neboli sálání (Radiation). Teplo se přenáší elektromagnetickým zářením a to i ve vakuu a nevyžaduje látkové prostředí. Jedná se o přenos zcela jiné povahy než u vedení a proudění. Přenos energie zářením mezi dvěma tělesy probíhá, i když teplota prostředí mezi nimi je podstatně nižší nebo vyšší, než je teplota obou těles. Ve skutečnosti se tyto mechanismy uplatňují společně a k ochlazování elektronických součástek dochází současně vedením (odvodem tepla pevnou částí například do substrátu), prouděním (tepelným tokem proudícího vzduchu v okolí pouzdra, substrátu bez nebo s použitím ventilátoru) a vyzařováním energie z povrchu pouzdra do okolí.

6.2.1 Vedení tepla Přenos tepla vedením je proces ve kterém tepelný tok prochází pevnými, kapalnými a plynnými prostředími nebo mezi dvěma prostředími, které jsou v těsném kontaktu. Tento mechanismus přenosu energie je dominantní u pevných látek, u kapalin a plynů není příliš výrazný, neboť molekuly jsou volnější a mají více místa k tepelnému pohybu bez srážek potřebných k předání energie. Některé základní veličiny související s vedením tepla platí i u jiných způsobů přenosu tepelné energie. Patří k nim tepelný tok Φ , který je definován diferenciálním podílem tepla dQ, které projde plochou (průřezem) S za čas dt (někdy též nazývaný tepelný výkon), což lze vyjádřit následovně: Φ=

kde

dQ dt

Φ je tepelný tok (W=J.s-1) dQ je teplo projité za čas dt (s) plochou, (J)

( 6.8 )


77

Známe-li tepelný tok Φ je možné pomocí jeho integrace v průběhu doby t (přenosu tepla) vypočítat přenesené teplo Q. V případě stacionárního tepelného toku (který je časově neměnný) bude přenesené teplo rovno součinu toku Φ a době přenosu t. Počítáme-li přenos tepla jednotkovou plochou, zavádíme tak zvanou hustotu tepelného toku q, kterou definujeme diferenciálním podílem tepelného toku dΦ, který prochází elementární plochou (průřezem) dS a velikosti této plochy takto: q=

kde

dΦ dS

( 6.9 )

q je hustota tepelného toku (W.m-2) dS je element plochy jenž musí být kolmý ke směru šíření tepla

Mírou tepelné vodivosti látek je součinitel tepelné vodivosti λ. Udává číselné množství tepla, které projde za jednotku doby krychlí o jednotkové hraně mezi dvěmi protilehlými stěnami, mezi nimiž je teplotní rozdíl 1K (oC). Jednotkou je [λ]=J.m-1.s-1.K-1=W.m-1.K-1. Sdílení tepla vedením je popsáno Fourierovým zákonem, který vyjadřuje, že plošná hustota tepelného toku je úměrná teplotnímu gradientu a součiniteli tepelné vodivosti a směřuje proti gradientu: r q = − λ ⋅ gradT ( 6.10 ) Úpravou Fourierova zákona pro jednorozměrný případ a zanedbáním tepelné kapacity materiálu získáme vztah:

Φ = λ ⋅ A⋅

kde

∆T d

( 6.11 )

Φ je tepelný tok prošlý plochou A (W) λ je součinitel tepelné vodivosti (W.m-1.K-1) A je plocha kolmá k tepelnému toku (m2) ∆T je rozdíl teplot (K; oC) d je vzdálenost míst rozdílné teploty (m)

Přenos tepla vedením v pevných látkách je zprostředkován buď volnými elektrony nebo přenosem kmitů krystalové mříže látky (jako důsledku tepelného pohybu částic látky), který je podobný akustickému vlnění. Atomy pevné látky vykonávají kmitavý pohyb, přičemž kmitavý pohyb se přenáší z atomů kmitající mřížky na atomy sousední. Při takovém sdílení pohybu vznikne vlna přenášející energii kmitavého pohybu. Rychlost této vlny je stejná jako rychlost zvuku v této látce. Přenos energie probíhá po určitých dávkách (kvantech) energie h . ν, kde h je Planckova konstanta a ν je frekvence kmitů. Tento druh přenosu tepla přisuzujeme fiktivním částicím, které nazýváme fonony. K vlastnímu přenosu tepla dochází srážkami mezi fonony. Na vedení tepla se také podílejí volné elektrony, které nejsou jen nositeli elektrického náboje v kovech. Výsledná měrná tepelná vodivost λ je pak dána součtem vodivosti fononové λf a elektronové λe:

78


λ = λ f + λe

( 6.12 )

Dobré vodiče elektrického proudu mají dostatek volných elektronů, a proto u nich převládá složka elektronová. Jsou také dobrými vodiči tepla. Naproti tomu u izolantů bude převládat složka fononová a proto obecně nejsou příliš dobrými vodiči tepla (výjimkou je keramika a některé polymerní materiály). Měrná tepelná vodivost se mění s teplotou pozvolna, takže pro většinu praktických aplikací je možné uvažovat střední hodnoty měrné tepelné vodivosti. Kapaliny vedou teplo podobně jako pevné látky, a to na úrovni elektrických izolantů. Ze všech látek nejmenší tepelnou vodivost mají plyny. Vedení se uskutečňuje srážkami molekul a závisí na jejich četnosti (která je ovlivněna střední volnou dráhou).

6.2.2 Proudění tepla Plyny, zejména vzduch, jsou často součástí elektronických systémů, resp. tvoří jejich uzavřené prostředí, v němž působí zdroje tepla. Téměř vždy představují okolí, vůči němuž se součástky oteplují. Přenos tepla v plynech je většinou doprovázen makroskopickým prouděním – konvekcí. Proudění představuje současné sdílení tepla vedením (molekulární transport tepla) a prouděním tekutiny (molární transport tepla). Podíly sdílení tepla vedením a prouděním tekutiny na celkovém transportu tepla jsou různé a záleží především na druhu proudění a termokinetických a hydrodynamických vlastnostech tekutiny. Je-li proudění vyvoláno uměle (např. ofukováním apod.), jde o proudění vynucené, vzniká-li samovolně vlivem závislosti hustoty tekutiny na teplotě, jedná se o proudění volné (přirozené). Přirozená konvekce je vyvolána tělesem, které molekulám plynu odevzdává teplo. Plyn ohřívající se od povrchu teplejšího objektu expanduje a zmenšuje svoji měrnou hmotnost. Stoupá proti směru gravitace a na jeho místo proudí plyn, který má teplotu okolí (plyn neoteplený). Přirozená konvekce zprostředkuje intenzivnější tepelný tok z povrchu objektu do okolí, než jaký by odpovídal tepelné vodivosti plynu. Matematický popis současného molekulárního a molárního přestupu tepla s uvažováním změny termokinetických a hydrodynamických vlastností tekutiny s teplotou je velmi složitý a pro numerické řešení jen ztěží použitelný. Proto se případy sdílení tepla prouděním řeší v technické praxi matematicko-experimentálním postupem. Experimentálně zjištěné hodnoty se vyjadřují v bezrozměrném tvaru pomocí kritérií podobnosti, jejichž funkce tvoří kritérní rovnici, která je matematickým vyjádřením experimentálně sledovaného děje. Teorie podobnosti umožňuje na základě experimentálně zjištěných hodnot v jednom technickém případě řešit výpočtem všechny geometricky, tepelně a hydrodynamicky experimentu podobné děje. Nejčastěji řešeným problémem je tepelná interakce proudící tekutiny s obtékanou stěnou zvaná přestup tepla. Přestup tepla se řídí Newtonovým ochlazovacím zákonem následovně:

Φ = α ⋅ AS ⋅ (TS − T A )

( 6.13 )


79

Φ je tepelný tok z povrchu do okolí (W) α je součinitel přestupu tepla (h anglická literatura ), (W.m-2.K-1) As je obsah teplosměnné plochy (m2) TS je teplota povrchu, TA je teplota okolního prostředí Součinitel přestupu tepla α (W.m-2.K-1), který vystupuje ve vztahu ( 6.13 ), závisí na všech parametrech ovlivňujících proudění tekutiny, zejména na její hustotě ρ, kinematické viskozitě ν, rychlosti proudění c, teplotním rozdílu ∆T , tepelné vodivosti λ tekutiny, její měrné tepelné kapacitě cp a jejím teplotním součiniteli objemové roztažnosti γ, dále na rozměru tělesa L a na gravitačním zrychlení g. Stanovit tuto závislost se zaručenou přesností je velmi obtížné a v podstatě nemožné. Proto se problém, jak bylo uvedeno, vyjádří v bezrozměrných podobnostních číslech. kde

Po zanedbání méně podstatných podobnostních čísel obdržíme v případě, že nedochází ke změně skupenství tekutiny kritérní rovnici ve tvaru: Nu = (Fo, Re, Gr , Pr )

( 6.14 )

kde Nu je Nusseltovo číslo, z něj se vyjadřuje α , Nu = α.L/λ Fo je Fourierovo číslo, Fo = λ.t/(cp.ρ.L2) Re je Reynoldsovo číslo, Re = c.L/ν Gr je Grashofovo číslo, Gr = g.∆T.g.L3/ν2 Pr je Prandtlovo číslo, Pr = ν.cp.ρ/λ Ra je Rayleighovo číslo, Ra = Gr.Pr Kritérní rovnice přestupu tepla pro laminární proudění nad vodorovnou deskou při stacionární volné konvekci je dána vztahem: 1

Nu = 0,54 ⋅ Ra 4

pro 0,67 < Pr < 1

( 6.15 )

Pro vynucené stacionární laminární obtékání rovinné desky je kritérní rovnice: 1

1

Nu = 0,664 ⋅ Re 2 ⋅ Pr 3

pro Re < 5.105, 0.1 < Pr < 103

( 6.16 )

Pro výpočet podobnostních čísel je zapotřebí znát kinetickou viskozitu tekutiny ν, která je dána podílem dynamické viskozity tekutiny η a hustoty ρ.

ν=

kde

η ρ

ν je kinematická viskozita (m2.s-1) η je dynamická viskozita tekutiny (Pa.s) ρ je hustota tekutiny (kg.m-3)

( 6.17 )

80


6.2.3 Vyzařování tepla Všechny tělesa s teplotou vyšší než 0o K emitují tepelné záření. Zářením vydávají část své vnitřní energie ve formě elektromagnetického záření, ponejvíce v infračervené oblasti s vlnovými délkami 0,1 až 100µm. K přenosu energie není potřeba žádné přenosové prostředí a tento děj probíhá i ve vakuu. Při výpočtu záření vycházíme z teorie černého tělesa, které pohlcuje veškeré dopadající záření a nedochází k žádnému průchodu ani odrazu záření. Vyzářená energie takového povrchu je rovna Eb. Dobře absorbující materiály jsou také dobrými zářiči. Dokonale černé těleso s určitou teplotou vyzáří více energie v celém spektru i v určitém intervalu vlnových délek než může vyzářit šedé nebo reálné těleso při stejné teplotě. (Šedé těleso má intenzitu vyzařování na všech vlnových délkách stejnou.) Relativní emise povrchu reálného tělesa ε je menší než 1 a je definována jako poměr zářivého toku (E) emitovaného tělesem a toku (Eb) vyzářeného černým tělesem:

ε=

kde

E Eb

( 6.18 )

ε je relativní emise reálného povrchu E je emise reálného tělesa Eb je emise černého tělesa

Dokonalý zářič může mít hodnotu relativní emise blížící se k 1 a dokonalé zrcadlo emisi blížící se k nule. Například dobře tepelně vodivý leštěný hliník má nízkou relativní emisi ε =0,04 a po chemickém očernění povrchu se hodnota emise výrazně zvýší na ε =0,80. Tepelný tok vyzářený povrchem tělesa získáme upravením Stefanova-Boltzmannova zákona, který vyjadřuje závislost intenzity záření absolutně černého tělesa na teplotě:

Φ = ε ⋅σ ⋅ A ⋅ T 4 kde

Φ ε σ A T

( 6.19 )

je vyzářený tepelný tok (W) je relativní emise povrchu ( - ) je Stefan-Boltzmannova konstanta σ =5,67.10-8W.m-2.K-4 je obsah plochy tělesa (m2) je teplota povrchu (K)

Tepelný přenos mezi dvěma tělesy (tělesem a okolí s určitou teplotou) způsobený zářením je vyjádřen vztahem:

Φ = S ⋅ A ⋅ ε ⋅ σ ⋅ (T14 − T24 )

kde

( 6.20 )

Φ je vyzářený tepelný tok (W) ε je relativní emise povrchu ( - ) σ je Stefan-Boltzmannova konstanta σ =5,67.10-8W.m-2.K-4 A je obsah plochy tělesa (m2) T1 je teplota povrchu (K), T2 – okolní teplota (K) S je faktor zastínění v rozmezí 0 až 1 (pro dvě nekonečné paralelní desky S=1)


Kontrolní otázky:

81

43) Jaké jsou základní způsoby šíření tepla ? 44) Jaká je jednotka určující šíření tepla ?

6.3 Modelování chlazení elektrických součástek a systémů 6.3.1 Obecný přístup k modelování sdílení tepla Formulace vhodného a přiměřeného modelu je poměrně složitá úloha. Na druhou stanu je naprosto zřejmé, že se v dnešní době bez modelování není možné při návrhu a optimalizaci elektrických součástek a systémů obejít. Předem však je třeba jasně stanovit požadavky na model a jeho účel. Obecně model musí zobrazovat strukturu nebo chování modelovaného objektu. Chování je obvykle určeno kvantifikovanými funkčními závislostmi fyzikálních veličin. Pokud jde o sdílení tepla, může být důležitou veličinou zatížitelnost elektrickým výkonem. A právě na základě tepelného modelu můžeme řešit maximálně možnou výkonovou zatížitelnost součástky. Většina součástek jsou při provozu zdroji tepla, které je odváděno všemi použitelnými cestami do okolí. Tak vzniká požadavek na chlazení, jehož míra vychází z výkonového zatížení. Důsledkem prostorového rozložení tepelných toků je vznik teplotního pole, které má v procesu modelování vliv na zatížitelnost, volbu chlazení, nebo také volbu teplotou zatíženého materiálu. Podle závislosti na čase, jako proměnné veličině, lze modely sdílení tepla rozdělit na statické a dynamické. Statické modely zobrazují jen ustálený stav objektu. Dynamické modely mají čas jako proměnnou veličinu a jsou tedy výstižnější a významnější. Z hlediska fyziky je modelovaný objekt popsán jako nekonečně hustá množina hmotných bodů v prostoru, která je daná konstrukcí a každému bodu je přiřazena hodnota příslušných fyzikálních veličin. Vedení tepla pro takovou množinu bodů v pevné látce popisuje Fourierova parciální rovnice vedení tepla. Pro okrajové podmínky rovnice definuje fyzika zákony pro radiaci a konvekci. Analytické řešení těchto rovnic představuje základní modely vedení tepla a teplotního pole. Při numerických řešení je často používána metoda konečných prvků (FEA – Finite Element Analysis), nebo metoda konečných diferencí. Při akceptování určitých zjednodušení je možné sestavit modely vycházející z uplatňujících se fyzikálních dějů s využitím analogie s jinými fyzikálními jevy, kde je matematický popis formálně shodný. Například elektrická odporová síť zobrazuje teplotně odporový náhradní obvod tepelně vodivého objektu. Při řešení jsou využity metody odvozené pro elektrické obvody. Pak tepelný tok je analogií proudu, teplotní pole polem elektrickým a tepelná vodivost vodivostí elektrickou.

82


6.3.2 Náhradní tepelný obvod Elektronické systémy bývají většinou poměrně složité a jejich části nemají jednoduchý tvar. V takových případech je řešení pomocí matematické analýzy nemožné a numerické řešení velni složité. Potom je vhodné použít k řešení daného problému právě metodu náhradního tepelného obvodu. Náhradní tepelný odporový obvod představuje statický (dynamický) model přenosu tepla v součástkách a elektronických systémech. Může být velmi dobře využit například pro modelování chlazení elektronických součástek a pro určení možného maximálního výkonového zatížení. Tepelný obvod se soustředěnými parametry přiřazenými obvodovým prvkům získáme na základě fiktivního rozdělení objektu na konečné množství sekcí. Jednotlivé sekce jsou nahrazeny obvodovými prvky a cesty sdílení tepla mezi nimi vzájemným spojením prvků. Prvkům obvodu se přiřazují tepelné odpory, tepelné kapacity (dynamický model), zdroje teploty a zdroje tepelného toku. Výpočet těchto parametrů obvodových prvků přiřazeným sekcím probíhá na základě vlastností látky příslušné sekce a fyzikálního děje v ní uplatňovaného. Tepelné odpory je možné přiřadit i nedokonale tepelně vodivým cestám v objektu i mezi objekty a okolím. Větvemi tepelného obvodu teče tepelný tok, v uzlech obvodu je teplota a na uzlových párech oteplení. Obvod je matematicky popsán systémem diferenciálních rovnic a pro řešení statického problému je postačující popis systémem algebraických rovnic. Pro formulaci obvodu a pro operace s ním se používá přejmenovaná teorie elektrických obvodů a k řešení systémů, které jej popisují, adekvátní matematický aparát. Aby bylo možné zacházet s abstraktním tepelným obvodem jako s elektrickým je třeba definovat zdroj tepla a zdroj teploty. Pro přesné řešení není možné modelovaný objekt popsat na základě dělení diferenciálními rovnicemi namísto parciálních diferenciálních rovnic. S tím souvisí i míra správnosti a přesnosti výsledků získaných tímto modelováním. Náhradní obvod je odporová síť obsahující větve a uzly, které vytvářejí smyčky a uzlové dvojice. Uzel je bod sítě, v němž se stýkají obvodové prvky. Je na něm v určitém čase jen jedno oteplení. Větev náhradního obvodu je tepelně vodivá cesta mezi dvěma uzly. Zdroj tepelného toku mezi dvěma uzly nepředstavuje větev (přerušuje vodivou cestu). O uzlech a smyčkách platí podle teorie elektrických obvodů Kirchhoffovy zákony. Pro uzel platí I. Kirchhoffův zákon:

∑Φ = 0

( 6.21 )

Podobně pro nezávislou smyčku platí II. Kirchhoffův zákon: ∑ ∆T + ∑ R ⋅ Φ = 0

( 6.22 )

V náhradních obvodech se vyskytují obvodové prvky popsané odpovídajícími tepelnými veličinami, které jsou analogické veličinám elektrickým: •

oteplení (teplotní rozdíl, spád)

∆T (K)

analogie rozdílu el. napětí

•

tepelný tok (výkon)

φ (W)

analogie el. proudu


83

•

tepelný odpor

R (K.W-1) analogie el. odporu

•

tepelná vodivost

λ (Wm-1.K-1)

analogie el. vodivosti

Na základě vztahů odvozených pro vedení v pevných látkách zabývajících se fyzikální podstatou sdílení tepla můžeme vyjádřit obdobu Ohmova zákona pro tepelný obvod následovně:

∆T = Φ ⋅ R kde

( 6.23 )

∆T je tepelný rozdíl, ∆T=T2-T1, (K) Φ je tepelný tok (W) R je tepelný odpor (K.W-1)

Podobně pro tepelný odpor platí analogie s elektrickým odporem vycházející z geometrie segmentu a jeho materiálu:

R=

kde

R d λ A

d λ⋅A

( 6.24 )

je tepelný odpor (K.W-1) je vzdálenost míst segmentu na nichž je tepelný rozdíl ∆T (m) je tepelná vodivost materiálu (W.m-1.K-1) je průřez plochy jimž prochází tok Φ (m2)

Ze vztahů odvozených pro proudění tepla můžeme sestavit vztah pro tepelný odpor způsobený přestupem tepla do okolního prostředí (při respektování dříve uvedených podmínek) následovně:

RS =

kde

1 α ⋅ AS

( 6.25 )

RS je tepelný odpor příslušného povrchu způsobený přestupem tepla (K.W-1) α je součinitel přestupu tepla (W.m-2.K-1) AS je obsah plochy povrchu tělesa, kde dochází k přestupu tepla (m2)

Pro záření není možné jednoduše formulovat vztah pro tepelný odpor charakterizující přenos tepla tímto způsobem, protože ve vztahu vyjadřujícím vyzářený tepelný tok (6 - 19) vystupuje teplota ve čtvrté mocnině. Je možné provést výpočet takzvaného ekvivalentního tepelného odporu R*, nebo pro nepříliš velký rozdíl teplot lze použít přibližný vztah:

Φ = 2,27 ⋅ 10 −7 ⋅ A ⋅ ε ⋅ T03 (T − T0 ) kde

Φ je vyzářený tepelný tok (W) ε je relativní emise povrchu ( - ) A je obsah plochy tělesa (m2) T je teplota povrchu (K), T0 – okolní teplota (K)

( 6.26 )

84


Pak ekvivalentní tepelný odpor vyzařováním bude mít tvar: R* =

1 2,27 ⋅ 10 ⋅ A ⋅ ε ⋅ T03 −7

( 6.27 )

6.3.3 Tepelná charakteristika zapouzdřené součástky U aktivních elektronických součástek (převážně integrovaných obvodů), které jsou většinou zapouzdřeny v určitém typu pouzdra (plastové, kovové, keramické) je pro určení maximální výkonové zatížitelnosti třeba stanovit celkový tepelný odpor. Tento tepelný odpor charakterizuje míru schopnosti odvádět ztrátové teplo z místa jeho vzniku, kterým jsou např. polovodičové přechody na čipech do okolí. Jeho hodnota je limitována navrženou strukturou zapouzdření resp. chlazení a omezena příslušnými parametry použitých materiálů. Obecně se u zapouzdřených součástek tento celkový tepelný odpor RJA (Chip/JunctionAmbient) skládá z tepelného odporu mezi čipem a pouzdrem RJC (Junction-Case) a odporu mezi pouzdrem a okolím.RCA (Case-Ambient), jak je patrné z Obr. 6.1a. Na Obr. 6.1b je znázorněn vliv chladiče, jenž je vyjádřen přídavným sériovým odporem RTA.

Obr. 6.1 Obecný tepelný odporový obvod pro chlazení polovodičové součástky modelované jediným tepelným odporem Rjc mezi přechodem a pouzdrem ( a- součástka bez chladiče, b- součástka s chladičem, c- výsledný model charakterizovaný jediným prvkem) Obecný model vedoucí až k jednoprvkovému tepelnému náhradnímu obvodu znázorněný na Obr. 6.1c se skládá ze zdroje tepla (generovaného PN přechody), celkového tepelného odporu modelované součástky a zdroje teploty charakterizující okolní prostředí do něhož je teplo odváděno. Těmto charakteristickým částem zapouzdřeného čipu (Junction, Case, Ambient) odpovídají jejich provozní teploty. Z hlediska funkčnosti a spolehlivosti je většinou kritickou


85

teplotou maximální dovolená teplota na čipu, která je pro křemík přibližně TJ,max=140oC, (doporučená Tj =70-125oC).

•

teplota na čipu – Junction Temperature

•

teplota pouzdra – Case Temperature teplota okolí – Ambient Temperature

•

Následně je maximální výkonová zatížitelnost elektronické součástky nahrazené jednoprvkovým modelem dána vztahem:

Φ max =

kde

T J ,max − T A R JA

( 6.28 )

Φmax je maximální ztrátový výkon (W) TJ, max je maximální přípustná teplota čipu (K) TA je teplota okolí (K) ΡJA je tepelný odpor čip- okolí (K.W-1)

Obr. 6.2 Znázornění přirozeného chlazení zapouzdřených polovodičových součástek Celý náhradní tepelný obvod se skládá z jednotlivých tepelných odporů, které musí teplo vznikající na přechodech překonat na cestě do okolí. Jak je patrné z Obr. 6.2, teplo generované PN přechody se šíří polovodičovým čipem do pouzdra případně materiálu jímž je vyplněno, a z pouzdra do okolního prostředí. Tepelný tok se rozdělí na část procházející z pouzdřícího materiálu (epoxidová výplň, vzduch) přes vývody resp. vývodový systém, tzv. „leadframe“, a dále přes drátové propoje do nosného substrátu. Ze substrátu (deska plošného spoje nebo keramika) teplo přechází do okolního vzduchu povrchem substrátu (přirozené, nucené proudění; vyzařování) a někdy podélným vedením substrátu do nosných kovových částí. Druhá část prochází z pouzdřícího materiálu do vlastního pouzdra a z něj přímo do okolí pomocí proudění (přirozené, nucené) a vyzařování, nebo přes chladič (který zesiluje odvod tepla).

6.3.4 Náhradní tepelný obvod Flip Chip struktury Náhradní tepelný obvod struktury Flip Chip připojené přímo na substrát (organický nebo anorganický) je sestaven jako statický model. Složení vychází z uspořádání struktury a

86


fyzikálních dějů uplatňujících se při sdílení tepla. Jeho kvantitativní popis je dán konkrétní geometrií modelované struktury, tepelnými vlastnostmi použitých materiálů a předpokládanými okolními podmínkami. Technologie Flip Chip nabízí několik různých možností realizace vývodů, i jejich vlastního připojení na substrát, a to jak z hlediska použitých materiálů, tak i tvaru jejich provedení. Aby bylo možné modelovat tepelné chování (odvod tepla) a tepelné vlastnosti Flip Chip, je nutné zadat nezbytné vstupní parametry. Těmi jsou především parametry použitých materiálů a geometrické uspořádání struktury. Vlastní Flip Chip není v žádném pouzdře a tak způsob odvodu tepla je poněkud odlišný než u zapouzdřených součástek. Základním poznatkem u tohoto provedení polovodičového čipu je skutečnost, že absence vlastního pouzdra se stává jednoznačnou výhodou, neboť odpadá tepelný odpor s ním spojený. Jak je patrné z Obr. 6.3 a následně i z Obr. 6.4, celkový tepelný tok vzniklý v oblasti PN přechodů se rozděluje na dvě základní části. Na tok procházející směrem nahoru k povrchu čipu Φn a na část procházející přes vývody a mezi vývody do nosného substrátu Φd=ΦMV + ΦV.

Φn

Φd

Obr. 6.3 Řez strukturou polovodiče Flip Chip s naznačením tepelných toků Tok Φn prochází přes polovodič směrem nahoru k povrchu čipu, kde dojde k jeho částečnému vyzáření do okolí přes povrch čipu (Rrad*) a částečnému odvodu v důsledku proudění okolního vzduchu (Rvzd). Cestou tepelný tok Φn prochází přes polovodičový materiál (RSi-n). Ve všech případech je rozměr tepelných odporů v jednotkách K.W-1.


87

Obr. 6.4 Blokové schéma odvodu tepla ze struktury Flip Chip Fyzikální podstatou přenosu tepla z oblasti jeho vzniku do substrátu je vedení tepla v pevných látkách. Jednotlivé složky tepelného odporu jsou znázorněny na Obr. 6.5. První část toku ΦV prochází přes vývody, když překonává nejprve polovodičový materiál (RSi-d), metalizaci čipu (Al, Cu) a metalizaci pod vývody (RMet, RUBM), dále pak vlastní vývody (RVýv) a kontaktní plošky na substrátu (RPad). Druhá část ΦM prochází mezi vývody, přes polovodičový materiál (RSi-d), pasivační vrstvu (RPas) a výplňový materiál (RUnfill), pokud je tento použit. Oba toky vstupují nakonec do substrátu, jehož vliv je vyjádřen tepelným odporem RSub. Ze substrátu je pak teplo odvedeno do okolí. Uplatňují se zde dva mechanismy, a to jednak proudění (RVzd,s) a dále i vyzařování (RRad,s*).

Obr. 6.5 Náhradní tepelný obvod uspořádání Flip Chip

88


Shrnutí: Tepelný management sehrává při návrhu, konstrukci a výrobě elektronických obvodů stále důležitější roli. To je způsobeno tou skutečností, že ve stále menších rozměrech je integrován stále větší výkon. Proto musí být řešen odvod tepla s ohledem na zajištění spolehlivé funkce a životnosti každého zařízení. Je nezbytné pochopit základní pravidla jež jsou popsána v této kapitole a dokázat řešit konkrétní případy s pomocí sestavování náhradních tepelných obvodů a v návaznosti na to pak dokázat modelovat teplotní poměry. Základním parametrem je součinitel (koeficient) teplotní roztažnosti, který definuje změny rozměrů materiálu v závislosti na změnách teploty.

Řešený příklad:

Příklad 6.1 Zadání: Proveďte faktorovou analýzu tepelných poměrů u polovodičového čipu v provedení Flip Chip. Definujte a popište jednotlivé vlivy působící na odvod tepla. Řešení: Nejdříve je třeba stanovit faktory, které představují proměnné působící v tomto procesu a budou použity při výpočtu jednoprvkového náhradního obvodu s parametrem RJA (celkový tepelný odpor čip-okolí charakterizující celé uspořádání čipu včetně substrátu). Tím je definováno i maximální výkonové zatížení (rozptýlený výkon) při určité maximální teplotě polovodičových přechodů a teplotě okolí, jak je patrné ze vztahu ( 6.28 ) Jednotlivé faktory mající vliv na tepelné vlastnosti (resp. na schopnost chlazení) můžeme rozdělit do tří základních skupin jak je znázorněno na

Obr. 6.6. První skupina se týká vlastního uspořádání a geometrie struktury Flip Chip, a tvoří ji faktory jako velikost čipu, velikost a tvar vývodů, počet vývodů, ale také použití přídavných chladičů. Další skupina faktorů je spojena s použitými materiály (a jejich vlastnostmi), jako jsou parametry substrátu (organický nebo keramický), materiál vývodů, typ výplně pod čipem, pokud je použita. A třetí skupinou tvoří faktory vycházející z okolního prostředí: okolní teplota, rychlost a typ proudění. Uspořádání (geometrie)

Materiál

- velikost čipu - vývodu - počet vývodů - otevření pas. chladič

- vývody - výplňový materiál - UBM - substrát

- okolní teplota - okolní prostředí - typ proudění - rychlost proudění

Okolní prostředí

Tepelné vlastnosti FCOB


89

Obr. 6.6 Znázornění základních faktorů ovlivňujících tepelné vlastnosti struktury Flip Chip Vlivy jednotlivých faktorů lze stanovit s pomocí náhradního tepelného obvodu Flip Chip připojeného na substrát. Jedná se o kompaktní statický model se soustředěnými parametry. Pod pojmem kompaktní se rozumí, že veškeré vývody bradavkového tvaru (v místě připojení kruhového průřezu) na spodní straně čipu jsou simulovány dohromady, jako jeden celkový blok. Obsah plochy kolmé k cestě tepelného toku je dán součtem obsahů jednotlivých vývodů.

Stanovení vlivu velikosti čipu, typu substrátu a okolní teploty:

Vliv základních parametrů souvisejících s výkonovým zatížením čipu je zachycen na obr. 6.8, na němž je zobrazena závislost maximálního zatížení čipu na teplotě okolí pro různé velikosti čipu a různý typ substrátu. Jako kriterium pro určení maximálního (rozptýleného) výkonu byla teplota na polovodičovém čipu zvolena Tj=140oC. Poměry na čipech o velikostech (5x5)mm, (10x10)mm a (15x15)mm byly simulovány na dvou typech substrátů, organickém FR4 a anorganickém Al2O3 (96%) o velikosti (50x50)mm. Tab. 6.1: Maximální zatížení čipu v závislosti na teplotě okolí, Tj=140oC 25 35 45 55 65 Tokolí (oC) FR4-5mm 0,67 0,61 0,55 0,49 0,43 FR4-10mm 1,76 1,61 1,45 1,29 1,14 FR4-15mm 2,60 2,37 2,14 1,90 1,67 Pmax (W) Al2O3-5mm 2,93 2,67 2,41 2,15 1,89 Al2O3-10mm 3,39 3,09 2,79 2,48 2,18 Al2O3-15mm 3,64 3,32 2,99 2,67 2,34

Závislost na velikosti čipu je u keramického substrátu výrazně nižší než u substrátu FR4. To je způsobeno přibližně 10 krát vyšší tepelnou vodivostí keramiky v porovnání s organickým substrátem. V důsledku toho také čip stejné velikosti může pracovat na keramickém substrátu s vyšším zatížením při stejné teplotě okolí a stejné uvažované teplotě čipu.

90

FEKT Vysokého učení technického v Brně 4,0

F E D

3,5

výkon Pmax (W)

3,0

A: FR4 - 5mm B: FR4 - 10mm C: FR4 - 15mm D:Al2O3 - 5mm E:Al2O3- 10mm F:Al2O3- 15mm

C

2,5 2,0

B

1,5 1,0

A

0,5 0,0 20

30

40

50

60

70

o

teplota okolí Tokolí ( C)

Obr. 6.7 Závislost maximálního zatížení čipu na okolní teplotě Pmax = f (Tokolí) (teplota čipu Tj=140oC) Stanovení vlivu výkonového zatížení součástky na teplotu čipu:

S rostoucím výkonovým zatížením vzrůstá i celkové množství tepla generovaného součástkou, které je třeba odvést do okolí. Při konstantním tepelném odporu součástky vzrůstá také její teplota. Jak je patrné z obr. 6.8, dochází k poklesu strmosti této závislosti s rostoucí plochou čipu. To platí pro oba typy substrátů (FR4, Al2O3), přičemž závislost je méně strmá pro keramický substrát (keramika). Tab. 6.2: Teplota čipu v závislosti na zatížení při konstantní teplotě okolí, Tokolí=25oC 60 80 100 120 140 Tj (oC) FR4-5mm 0,19 0,31 0,43 0,55 0,67 FR4-10mm 0,46 0,77 1,09 1,42 1,76 FR4-15mm 0,64 1,10 1,58 2,08 2,60 P (W) Al2O3-5mm 0,69 1,21 1,75 2,33 2,93 Al2O3-10mm 0,78 1,37 2,01 2,68 3,39 0,84 1,47 2,16 2,88 3,64 Al2O3-15mm


91

150

A

o

teplota Tj ( C)

130

B

C

D

E

F

110

A: FR4 - 5mm B: FR4 - 10mm C: FR4 - 15mm D: Al2O3 - 5mm E: Al2O3 - 10mm F: Al2O3 - 15mm

90

70

50 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0 výkon P (W )

2,5

3,0

3,5

4,0

Obr. 6.8 Znázornění závislosti teploty čipu na zatížení Tj = f (P) pro velikosti čipu (5x5)mm, (10x10)mm, (15x15)mm a substráty FR4, Al2O3, teplota okolí Tokolí =25 oC

Průběhy závislostí znázorněné na Obr. 6.8 jsou důsledkem toho, že při vyšší vodivosti substrátu a při větší ploše čipu dochází k nárůstu proudění oproti vedení v substrátu. Význam tepelného odporu proudění se zvyšuje v porovnání s tepelným odporem pro vedení v substrátu, který je při větší ploše čipu a vyšší vodivosti substrátu relativně menší.

Stanovení vlivu rychlosti proudění vzduchu na celkové zatížení:

V důsledku proudění vzduchu klesá tepelný odpor odvodu tepla prouděním ze substrátu i z povrchu čipu. Tím je možné dosáhnout většího výkonového zatížení při konstantní teplotě čipu. Jak vyplývá z Tab. 6.3 a z Obr. 6.9, k největšímu relativnímu poklesu tepelného odporu (resp. k relativnímu nárůstu možného výkonového zatížení) dochází při změně z přirozeného proudění (0m/s) na proudění nucené (1m/s). Tab. 6.3: Výkonové zatížení čipu v závislosti na rychlosti proudění vzduchu 0 1 2 3 C (m.s-1) FR4-5mm 0,67 0,83 0,92 0,98 FR4-10mm 1,76 2,43 2,82 3,07 FR4-15mm 2,60 3,93 4,81 5,39 2,93 4,60 5,86 6,72 P (W) Al2O3-5mm Al2O33,39 5,75 7,72 9,18 10mm 3,64 6,33 8,62 10,35 Al2O315mm

92


Vliv proudění vzduchu je u čipů větších rozměrů poněkud méně výraznější než u čipů s rozměry menšími. Obdobně u čipů umístěných na substrátu s vyšší tepelnou vodivostí (Al2O3) je vliv rychlosti proudění mírně výraznější než u substrátu s menší tepelnou vodivostí (FR4). 12,0

výkon P (W)

10,0

F

A: FR4 - 5mm B: FR4 10mm C: FR4 15mm D: Al2O3 5mm E: Al2O3 10mm

E

8,0 6,0

D C

4,0

B

2,0

A

0,0 0

1

2

3

rychlost proudění c (m.s-1)

Obr. 6.9 Závislost výkonového zatížení čipu na rychlosti proudění vzduchu P = f (c) pro velikosti čipu (5x5)mm, (10x10)mm, (15x15)mm a substráty FR4, Al2O3, teplota okolí Tj =140 oC

Řešený příklad:

Příklad 6.2 Zadání: Zjistěte možnosti odvodu tepla u provedení Flip Chip umístěného na nosném substrátu, a to jak organickém (FR4), tak anorganickém (Al2O3) a proveďte úvahu při působení vlivu jednoduchého chladiče. Řešení: Provedeme simulace ukazující vliv podmínek chlazení (přirozené, nucené proudění; použití chladiče; použití chladiče s nuceným prouděním) na velikost celkového odvedeného tepelného toku (výkonového zatížení) a jeho strukturu. V tab. 6.IV a na obr. 6.10 jsou zachyceny výsledky simulované pro čip na organickém substrátu (FR4) a v tab. 6.V a na obr. 6.11 výsledky pro keramický substrát (Al2O3). Byly zvoleny rozměry čipu o velikosti (5x5)mm se 100 pájkovými vývody, při uvažování 3,14% z celkové plochy zabrané na příslušném


93

substrátu o velikosti (50x50)mm. Chladič je tvořen měděnou deskou o rozměrech (25x25x2)mm, která je přilepena tepelně vodivým lepidlem na povrch zadní strany čipu. Tab. 6.4: Výkonové zatížení čipu a jeho struktura v závislosti na podmínkách chlazení (materiál FR4) Podmínky chlazení P (W) Tok do okolí přes Tok do PCB Tok do PCB povrch čipu (%) mezi vývody přes vývody (%) (%) 0m/s, bez chladiče 0,67 7,8 33,4 58,8 1m/s, bez chladiče 0,83 19,5 29,2 51,3 0m/s, chladič 25x25x2mm 1,62 62,1 13,7 24,2 1m/s, chladič 25x25x2mm 2,52 73,6 9,6 16,8

U struktury Flip Chip existují tři hlavní cesty odvodu tepla: a) z vlastního čipu přes zadní (horní) stranu a povrch čipu do okolí, b) z čipu přes vývody do substrátu a okolí, c) z čipu přes mezivývodovou oblast (může být vyplněna -Underfill) do substrátu a okolí. 3,00

2,52

výkon P ( W )

2,50 2,00

Tok do okolí přes povrch čipu (%)

1,62 73,6 %

1,50 1,00

0,67

0,50 0,00 0m /s

62,1 %

0,83 19,5 % 29,2 % 51,3 %

7,8% 33,4 % 58,8 %

1m /s

9,6%

13,7 % 24,2 %

16,8 %

0m /s, chladič

1m /s, chladič

Tok do PCB m ezi vývody (%) Tok do PCB m ezi vývody (%)

podním ky chlazení

Obr. 6.10 Grafické znázornění celkového tepelného toku a jeho struktury v závislosti na podmínkách chlazení ( FC- 5x5mm, substrát FR4-50x50mm, teplota okolí To =25 oC, teplota čipu Tj=140oC , chladič Cu deska 25x25x2mm přilepený tepelně vodivým lepidlem)

U substrátu typu FR-4 prochází více jak 90% tepla do substrátu, není-li použit chladič či chlazení umělým prouděním. Téměř 60% tepelného toku prochází vlastními vývody. Poměr toku přes vývody a mezi vývody je dominantně ovlivněn poměrem plochy vývodů k celkové

94


ploše a také materiálem vývodů a výplňového materiálu. Při umělém chlazení a následně při použití chladiče dochází k nárůstu celkového odvedeného tepla. Dochází k významné změně poměrů ve prospěch odvodu tepla z čipu směrem nahoru přes čip do okolí na úkor tepelného toku do substrátu. 7 6

29,5%

4,60 W

výkon P ( W )

5

2 1

95,9%

3,3%

1,7%

T o k d o oko lí p řes p o vrc h č ip u (% )

1,7%

3,88 W 3,98 W 35%

2,93 W 3,03 W 1,8% 2,3%

28,4%

4,84 W

3,5% 2,3%

4 3

6,53 W

6,29 W

25,9%

25,3%

1,8%

27,1%

26,0%

35,6%

62,6%

94,2%

61,6%

72,3%

47,6%

68,8% 45,6%

Tok do P C B m ez i vývod y (% ) T o k d o P C B p ře s vývod y (% )

0 0 m /s

0 m /s , s U.

1 m /s

1 m /s , s U.

0 m /s , c h la d ič

po d n ím ky c h la z e ní

0 m /s , c h la dič , s U.

1 m /s , c h lad ič

1 m /s , c h la d ič , s U.

Obr. 6.11 Graf celkového tepelného toku a jeho struktury v závislosti na podmínkách chlazení (FC- 5x5mm, substrát Al2O3-50x50mm, teplota okolí To =25 oC, teplota čipu Tj=140oC , chladič Cu deska 25x25x2mm přilepený na horní straně čipu)

U keramického substrátu je zahrnut pro názornost vliv výplňového materiálu (Underfill), který se běžně u anorganických substrátů nepoužívá. Výsledky s keramickým substrátem (Al2O3) lze s relativně malou chybou zobecnit jako výsledky pro substrát s vyšší tepelnou vodivostí (např. organické substráty s tepelně vodivými jádry, či s vrstvou Cu na spodní straně). Teplo odváděné přes povrch čipu do okolí představuje méně než 5% celkového tepelného toku, což je důsledkem nižšího tepelného odporu vedení substrátu oproti tepelnému odporu u FR-4. Vliv použitého výplňového materiálu výrazně ovlivňuje poměr odvedeného tepla vývody a mezi vývody.


95

Tab. 6.5: Výkonové zatížení čipu v závislosti na podmínkách chlazení pro substrát Al2O3 Podmínky chlazení P (W) Tok do okolí přes Tok do PCB Tok do PCB přes povrch čipu (%) mezi vývody vývody (%) (%) 0m/s, bez chladiče, bez U. 2,93 1,8 2,3 95,9 0m/s, bez chladiče, s U. 3,03 1,7 35,6 62,7 1m/s, bez chladiče, bez U. 4,60 3,5 2,3 94,2 1m/s, bez chladiče, s U. 4,84 3,3 35,1 61,6 0m/s, chladič, bez U. 3,88 25,9 1,8 72,3 0m/s, chladič, s U. 3,98 25,3 27,1 47,6 1m/s, chladič, bez U. 6,29 29,5 1,7 68,8 1m/s, chladič, s U. 6,53 28,4 26 45,6

Neřešený příklad:

Příklad 6.3 Zadání: Vypočítejte teplotní rozdíl který vznikne na 1 mm tlusté vrstvě pouzdřící hmotě nanesené na polovodičovém čipu.Tepelná vodivost pouzdřící hmoty je 1 W.m-1.K-1. Výkon který je vyzařován čipem je 1W přes plochu 1 cm-2.

Neřešený příklad:

Příklad 6.4 Zadání: Vypočítejte průměrný nárůst teploty s postupem času v 1 g mědi, která je zahřívána ze zdroje tepla o výkonu 1 W.

96


7 K otázkám jakosti Cíl: Jakost je dnes nevyhnutelným parametrem a také ukazatelem při každé výrobě. Slouží nejen pro demonstrování spolehlivé funkce každého výrobku, ale i k vlastním úsporám ve výrobním procesu. Proto je dnes i jeho součást [ 1 ], [ 2 ], [ 10 ]. Kontrola jakosti (QC - Quality Control), či přesněji: řízení jakosti, ISO - normy (především řada 9000, 10000, 11000, 14000 a 45000), normy QS (Quality System), statistické metody, zlepšování jakosti, SPC (Statistic Process Control), akreditace pracovišť, sledování životního prostředí - to jsou termíny, které leží na srdci odpovědných lidí na stále větším počtu pracovišť a podniků, alespoň tedy těch perspektivních. Se zaváděním informačních systémů spravujících stále větší množství provozních, analytických, technologických, ekonomických, nebo environmentálních dat narůstá potřeba, možnost a také i povinnost z těchto dat vytěžit co nejvíce vědomostí, použitelných pro pochopení stavu věcí a správné rozhodnutí. V naměřených datech totiž leží jednak nemalé úsilí a čas (čili peníze strávené při jejich získávání), ale také skutečnost, zda jsou data skutečně objektivní a ne vymyšlená. Množství informací, která jsou skrytá v datech, lze získat až jejich důkladnou analýzou a správnou interpretaci. Začíná se prosazovat názor, že člověk který daty disponuje, je také odpovědný za získání těchto informací a jejich správné použití. Při analýzách v oblasti řízení jakosti v elektronických výrobách je potřebou využít prakticky všech dostupných statistických metod. Pro účely hlavních cílů řízení jakosti byly postupně vyvinuty také speciální postupy, které se v jiných oblastech nepoužívají. Jedná se o obecné metody upravené pro speciální potřeby řízení jakosti. Důležitým aspektem je, aby byly výsledky a interpretace těchto metod srovnatelné a srozumitelné pro ostatní účastníky (např. pro dodavatele, odběratele, zákazníky, vnitropodnikový systém jakosti, atd.). Neméně důležitou úlohu zde hraje příkaz neustálého zlepšování jakosti, hledání rezerv a nedostatků současného stavu. Každý proces vykazuje odchylky od ideálního stavu a klíčem k dosažení úspěchu je identifikovat, která odchylka je uvnitř statisticky předpověděného intervalu, a která je mimo něj. Jestliže se proces dostane mimo kontrolu (tzn. vykazuje odchylky mimo interval), je třeba eliminovat příčiny tohoto jevu. Zde je třeba rozlišovat vlivy:

•

•

náhodné - nevykazují bezprostředně zjevnou zákonitost; jejich počet bývá značný, a kolísání veličiny, na kterou působí, bývá malé. Účinky na sledovanou veličinu je třeba sledovat nikoli jednotlivě, ale souhrnně. Chování regulované veličiny vystavené pouze náhodným vlivům vystihuje ustálený stav procesu. systematické - jsou identifikovatelné, mohou být odhaleny a jejich působení eliminováno či minimalizováno v relativně krátké době i při relativně nízkých nákladech. Mění se náhle nebo postupně. Jejich přítomnost uvádí proces do nežádoucího stavu.

Mnoho elektronických výrob provádí analýzu způsobilosti procesu, kterou využívá při výběru, optimalizaci a certifikaci výrobního zařízení. Jestliže je výrobní zařízení v provozu, SPC umožňuje sledování odchylek a poruch např. v denní produkci. Jestliže je zjištěno, že se proces dostal do nežádoucího stavu (tedy mimo regulační meze nebo vykazuje-li nezvyklý trend), lze s pomocí SPC odhalit zdroj problému a vrátit proces do požadovaného (regulovaného) stavu.


97

Předpokladem k použití SPC je analýza dat z výroby. Cílem je určit normalitu dat; tzn. věrohodnost dat, povahu dat z hlediska šikmosti, špičatosti, nezávislosti, homogenity a stability. Dále posuzuje, zda soubor dat neobsahuje hrubé chyby, vybočující měření a zda data nejsou závislá na pořadovém čísle (tedy obvykle na čase – nutnost použití jiných metod).

7.1 Klasifikace chyb měření Měření patří mezi základní způsoby získávání kvantitativních informací o stavu sledované veličiny. Výsledkem každého měření je náhodná veličina, která obsahuje kromě informace také šum, tj. chyby měření. Velikost chyb měření je kritériem kvality procesu měření nebo měřícího přístroje. Chyby měření mohou být způsobeny řadou faktorů. Podle místa vzniku v měřícím řetězci lze chyby rozdělit do čtyř základních skupin:

A) Instrumentální chyby jsou způsobeny konstrukcí měřícího přístroje a určují jeho kvalitu. U řady přístrojů jsou známy a garantovány výrobcem. B) Metodické chyby souvisejí s použitou metodikou stanovení výsledků měření, jako je odečítání dat, organizace měření, eliminace vnějších vlivů atd. C) Teoretické chyby souvisejí s použitým postupem měření, Jde zejména o principy měření, fyzikální modely měření, použité parametry, fyzikální konstanty atd. D) Chyby zpracování dat jsou chyby numerické metody a chyby způsobené užitím nevhodných metod statistického vyhodnocení. Podle příčin vzniku lze chyby rozdělit do tří skupin:

a) Náhodné chyby, které kolísají náhodně co do velikosti i znaménka při opakování měření, nedají se předvídat a jsou popsány určitým pravděpodobnostním rozdělením. Jsou rozděleny řadou příčin, které lze jen obtížně odstranit, popř. jejich vliv alespoň omezit. b) Systematické chyby působí na výsledek měření předvídatelným způsobem. Bývají funkcí času nebo parametrů měřícího procesu. Mívají stejná znaménka. Konstantní systematické chyby snižují nebo zvyšují numerický výsledek všech měření o konstantní hodnotu. Často se navenek neprojevují a lze je odhalit až při porovnání s výsledky z jiného přístroje. Dělí se na: • aditivní - chyba nastavení nulové hodnoty, • multiplikativní - chyba citlivosti. c) Hrubé chyby, označované jako vybočující, resp. odlehlé měření, jsou způsobeny výjimečnou příčinou, náhlým selháním měřící aparatury, nesprávným záznamem výsledku. Způsobují, že se dané měření výrazně liší od ostatních.

Kontrolní otázky: 45) Jaké jsou čtyři základní typy chyb v měřícím řetězci ? 46) Jak se dělí chyby podle příčiny vzniku ?

98


7.2 Matematický přístup k výpočtu hodnoty ppm Sledování poruch v technologickém procesu montáže elektronických celků je nezbytným krokem, který slouží jednak k vyhodnocení jakosti výrobního procesu, ale také potvrzuje, zda ze všeobecného pohledu probíhá výroba v časovém sledu za stejných podmínek. Přitom mohou být sledovány a vyhodnocovány různé parametry, ať už výrobku nebo procesu. Úroveň hladiny poruch je možné využít jako ukazatel dalšího zlepšování jakosti. To se týká nejen celého výrobního procesu, ale i jeho dílčích částí. Naopak jejich sledování a zlepšování pak má v důsledku využívání získaných informací pozitivní vliv na výslednou jakost. Poruchy se běžně vyjadřují v procentech, nebo hodnotou ppm (parts per million). Ta je obecně definována následovně : počočskutečkute poruch v souboru × 10 6 ppm = ( 7.1 ) celkový počočmožných poruch v souboru Pro vzájemný převod hodnoty ppm a hodnoty udávané v % platí, že veličina udávaná v ppm je vyjádřena 10000× větším číslem než tatáž hodnota vyjádřená v % a naopak. Hodnota ppm není chápána jen jako označení jednotky vybrané veličiny, ale je to veličina sama o sobě. V našem případě vyjadřuje hodnota ppm počet poruch (nebo vadných prvků) přepočtený na milión vyrobených prvků v daném procesu výroby. Tedy např. tvrzení, že jakost výrobního procesu je 100 ppm, je totožné s tvrzením, že hodnota ppm výrobního procesu je 100. Někdy se používá odlišné označení dpm (defects per million), případně ppb (parts per billion), což jsou jen jiná označení významově stejného pojmu (1 ppm = 1000 ppb). Zpracovávání výsledků získaných v průběhu výrobního procesu sestává ze dvou částí: • Zjišťování a sledování poruch. • Registrace a zpracování údajů o poruchách. Smyslem sledování jakosti je poruchy nejen zjišťovat, ale také identifikovat jejich příčiny a učinit opatření k jejich odstranění jinými slovy řečeno je třeba poruchám předcházet. Pro registrace neboli záznam poruch v elektronické montáži se používají následující pravidla : • rozlišení se provádí s ohledem na dobrý/špatný s následujícím záznamem do protokolu, • počet poruch je vztažen k úrovni počtu pájených spojů, • sběr dat se provádí okamžitě po skončení procesu nebo jeho dílčí části před opravami. Registrované poruchy jsou rozděleny do skupin odpovídajících jejich původu. Jsou to např. : • použité materiály, • aplikace pájecí pasty na pájecí plochy, • součástky, • osazování součástek, • pájecí proces (ať už vlnou nebo přetavením), • různé kombinace a další příčiny.


99

Analýzou zaznamenaných dat pak můžeme dospět k dalšímu dělení poruch na jednotlivé součástky, jednotlivé dílčí části výrobního procesu apod. Výsledné hodnoty jsou obyčejně vztaženy k následujícím celkům : • na plošný spoj, • na výrobní dávku, • na denní výrobu, • na určitý typ výrobku. V praxi mohou být data získávána v různých fázích procesu a analyzována z různých hledisek. V našem případě to je podle typu poruchy, podle typu součástky a podle příčiny poruchy. Poslední případ je významný z toho důvodu, že ukazuje, do jaké míry jsou poruchy způsobeny vlastním technologickým procesem (interní poruchy) a jak se podílí vstupní položky procesu (externí poruchy). Pro zpracování dat a sledování výrobního procesu pak zpravidla postačují tři protokoly, jak naznačuje Obr. 7.1.

Obr. 7.1 Znázornění postupu zaznamenávání dat o poruchách ve výrobě

Zjišťování a sledování poruch probíhá podle předem stanovených kritérií. Ty jsou v technologickém procesu montáže elektronických součástek zaměřeny na následující oblasti: a. jakost pájených spojů, b. součástky, jejich poloha a nepoškozený vzhled, c. substrát resp. DPS. K tomu přistupují ještě kontrolní operace před samotným zahájením výrobního procesu (kontrola pájitelnosti) a dále mezioperační kontrolní operace, po nanesení pájecí pasty (kontrola umístění, tvaru a množství nanesené pájecí pasty), případně kontrola po nanesení lepidla (kontrola umístění, tvaru a množství lepidla). Při smíšené montáži se provádí obyčejně také kontrola osazených desek před pájením vlnou. Zařazení nebo vypuštění dílčích kontrolních operací se provádí na základě analýzy poruch pro daný typ výroby, výrobku apod. Mezinárodní elektrotechnická komise IEC vydala k této problematice následující normy : IEC 1192-1 Požadavky na zpracování pájených elektronických zařízení. IEC 1192-2 Požadavky na zpracování povrchově montovaných elektronických zařízení. IEC 1192-3 Požadavky na zpracování vlnou /montáží do otvorů/ pájených zařízení. IEC 1192-4 Požadavky na zapájené spoje - drátové a SMD součástky. Jakost pájených spojů je hodnocena na základě optického posouzení, přičemž nejdůležitější jsou tři aspekty :

100


1. Smáčivost povrchu ( plynulý přechod pájky ze spoje na substrát). 2. Množství pájky ve spoji ( spoj musí být kompaktní, s dostatečným ale ne přebytečným množstvím pájky). 3. Stav povrchu zapájeného spoje ( bez narušení a anomálií - hledáme odpověď na otázku zda je spoj „zdravý“ a hladký). Správný a spolehlivý pájený spoj musí zajistit jak mechanickou, tak i elektrickou funkci po dobu životnosti zařízení. Je skutečností, že v řadě případů právě pájené spoje rozhodují o životnosti zařízení. Posuzování jakosti polohy pájených součástek na substrátu vychází z teoretického předpokladu, že všechny součástky mohou být v ideálním případě umístěny ve středu pájecích ploch. Avšak vzhledem k tomu, že pájecí plochy jsou větší než kontakty součástek, existuje vždy určitá pravděpodobnost, že součástka bude z ideální (centrální) polohy vychýlena. Obecně lze přijmout zásadu, že vždy musí být minimálně 50 % plochy kontaktu nebo vývodu součástky na kontaktní ploše umístěné na substrátu. Toto rozhodnutí nabízí řadu praktických výhod, jakými jsou: • jednotný přístup k posuzování akceptovatelné polohy u různých součástek, • snadná vizuální kontrola v průběhu výroby, • relativně dostatečný možný posuv ve výrobním procesu („process freedom“), • shoda s praktickými zkušenostmi renomovaných výrobců. Na Obr. 7.2 jsou uvedeny přípustné polohy pro součástky kvádrového typu (R, C, L) pro posuv ve směru osy x, y a rotace. a b

w

d

a ≥ h/3

b ≥ w/2

d ≥ w/2

( h je výška součástky ) (a)

(b)

(c)

Obr. 7.2 Znázornění maximálních akceptovatelných posuvů čipových součástek

a) max. posuv v ose x

b) max. posuv v ose y

c) max. posuv rotací

U součástek s velmi krátkými vývody (SOT-23) je důležité považovat za součást vývodu i meniskus pájeného spoje. Tento požadavek je kompenzován skutečností, že kontaktní plochy pro tyto součástky jsou dostatečně široké. Akceptovatelné vychýlení je znázorněno pro posun v osách x, y a pro rotaci ∅ na Obr. 7.3.


101

Obr. 7.3 Akceptovatelné posunutí součástky SOT-23

a) ve směru os x, y

b) ve směru osy rotace

Součástky s větším počtem krátkých vývodů (např. SOIC) jsou hodnoceny z hlediska polohy podle nejméně příznivého vývodu, jak je patrné z Obr. 7.4b. Posuzování pootočení je obtížné a většinou bývá hodnoceno podle posunutí nejméně příznivého vývodu v ose x (Obr. 7.4). a

(a)

a

š

a ≥

1 š 2

(b)

š

Obr. 7.4 Znázornění akceptovatelného posuvu u součástek SOIC

a) posuv v osách x, y

b) posuv rotací

Součástky s delšími ohebnými vývody (QFP, VSO) nedávají příliš možnost k posuvu, avšak určité odchylky jsou i v tomto případě možné. Při vychýlení ve směru osy x je důležité, aby alespoň polovina plochy vývodu byla umístěna na kontaktní ploše, jak je patrné z Obr. 7.5a. Posuv ve směru osy y je kritický z hlediska nutnosti vytvoření menisku na vnitřní části vývodu, přičemž tři čtvrtiny podélné plochy musí být umístěny na kontaktní ploše. Na Obr. 7.5b je znázorněno akceptovatelné posunutí v ose rotace.

102


a

a

š

(a)

š

a ≥

1 š 2

(b)

Obr. 7.5 Znázornění akceptovatelných posuvů u součástek s delšími ohebnými vývody

a) posuv v ose x

b) posuv v ose rotace

Na Obr. 7.3 až Obr. 7.5 jsou znázorněny akceptovatelné posuvy různých typů součástek. Při optické kontrole je však třeba posuzovat také vlastní tvar pájeného spoje, především pak množství pájky a meniskus spoje. Základní kritéria na tvar pájeného spoje jsou shodná jak pro pájení vlnou, tak pro pájení přetavením. Avšak podmínky, při kterých spoj vzniká, jsou u obou způsobů odlišné. Při pájení vlnou sehrává důležitou roli směr pohybu desky po vlně a především pak existence zastíněných ploch (tzv. „shadows“), což může do jisté míry ovlivnit jak množství pájky, tak i tvar spoje. V případě pájení přetavením pak může být množství pájky a především tvar spoje ovlivněn především smáčivostí okolního povrchu, která způsobuje únik pájky ze spoje. Existuje obecně platné pravidlo, že jsou akceptovatelné všechny odchylky od ideálního tvaru spoje, které neovlivní jeho spolehlivost. V Tab. 7.1 jsou uvedeny optimální, akceptovatelné a nevyhovující tvary spojů pro nejpoužívanější typy součástek.


103

Tab. 7.1: Optimální, akceptovatelné a nevyhovující tvary pájených spojů Součástka Kvádrový tvar ( R, C, L )

Optimální

Akceptovatelný

délka spoje h výška spoje

Vývody tvaru Gull wing ( SO a podobné typy ) Vývody tvaru Gull wing (QFP,VSO)

Nevyhovující

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

meniskus

Vývody tvaru J ( PLCC )

7.3 Systém řízení jakosti v povrchové montáži Zakladatel teorie i praktické aplikace statistického řízení jakosti Edwards Deming, postavil hlavní myšlenku této činnosti na sledování a řízení jakosti jako komplexního systému. To znamená, že nezbytným předpokladem je fakt, že “někdo” musí být schopen pojmout a analyzovat širší okruh souvislostí – v prvé řadě technologických, ale také ekonomických. Jeho pohled na statistické řízení jakosti vycházelo z aplikace nástrojů matematické statistiky, avšak vždy zdůrazňoval nezastupitelný význam každého jedince jako subjektu zúčastněného v procesu výroby a řízení jakosti. Systém řízení jakosti je třeba chápat jako logickou činnost vedoucí k neustálému zlepšování výrobního procesu. Je založená na implementaci činností nebo operací, jež eliminují možnosti vzniku chyb resp. jež vedou ke zvyšování kvality a snižování nákladů. Sestává z celé řady logických kroků, jak je znázorněno na Obr. 7.6. Jedná se o rámcově předem stanovený postup a jeho dobrá účinnost závisí resp. je podmíněna subjektivním přístupem každého jedince zúčastněného v činnosti tohoto systému.

104


Obr. 7.6 Postup při analýze výrobního procesu aplikací statistického řízení jakosti

Jak je patrné z Obr. 7.6, proces statistického řízení jakosti výrobního procesu lze rozdělit do osmi základních kroků, z nichž každý má svůj opodstatněný význam. Přitom ale každý z nich je neméně důležitý i přes to, že jejich časová i obsahová náročnost je rozdílná. Na počátku akce ve smyslu statistického řízení jakosti je vlastní zjištění stavu a definování požadavků resp. problémů které vychází z používání výrobku. Tyto mohou být způsobeny jak v průběhu procesu (systémovou či náhodnou chybou), nebo mohou vycházet z měnících se požadavků a poznatků při jejich využívání. V závěru se pak proces působení statistického řízení jakosti dostává do uzavřeného cyklu s částečnou zpětnou vazbou, jež působí jako nástroj nejen kontrolní ale i neustále zlepšující daný výrobní proces. Z toho je zřejmé, že systém statistického řízení jakosti je s ohledem nejen na sledování kvality výrobků, ale i na minimalizování nákladů na výrobu nezbytnou skutečností. a) Stanovení cíle – je prvním základním krokem jehož posláním je definování parametrů, jež mají být ve výrobním procesu zlepšeny. V elektronických a elektrotechnických výrobách bývá cíl zaměřen obyčejně na jednu ucelenou část (často na kompletní výrobní operaci). Přitom musí být předem známo, co se od výrobku očekává a co tím zákazník získá resp. co to zákazníkovi přinese. b) Definování parametrů (faktorů) – je důležitým krokem, v němž se rozhoduje o tom, jakým způsobem bude posuzováno resp. sledováno předpokládané zlepšení v procesu. V elektrotechnických a elektronických výrobách jsou používány především čtyři následující parametry: • výrobní kapacita - propustnost resp. průchodnost představující možný počet výrobků za časový úsek (throughput) • využití - zapojení zařízení do procesu v čase neboli výkonnost (utilization) • odpady - nevyužitý nebo zničený materiál (scrap) • jakost - výrobek musí odpovídat předem zvolené specifikaci (quality)


105

c) Identifikace operace – bezprostředně musí být určena operace, která způsobuje resp. zapříčiňuje změnu parametru. Jedná se o tzv. kritickou operaci, jež může ovlivnit vytyčený cíl. d) Měření procesu – potom co dojde k určení operace která ovlivňuje definovaný cíl, může dojít k měření stanoveného parametru. Měření vychází logicky ze samotného procesu a někdy stačí jednoduché manuální metody, jindy se musí provádět monitorování informačním systémem. Výstupem zde může být např. čas, měřená veličina, přesnost, změna, odezva, schopnost pracovníka reagovat na změny v procesu nebo i proces samotný. e) Výběr nástroje – je dalším stěžejním krokem ovlivňujícím efektivitu resp. rychlost získávání informací z procesu, a současně se jedná o minimalizaci možných chyb. Dominující metodou je zde statistické řízení jakosti (SPC), známy jsou však i další, jako např. interaktivní optimalizační proces (Interactive Process Optimization) používané především pro sledování propustnosti procesu. Pro sledování resp. měření využití zařízení se používají metody DSM (Dynamic Set Management), CVT (Component Verification and Tracking) nebo LM (Line Managers). Feeder Management (FMS) a Component Management Systems (CMS) se používají pro stanovení velikosti resp. míry odpadů. Nejdynamičtější vývoj probíhá v oblasti odhadu, sledování a dokumentování jakosti. Zde se jedná nejen o popis samotného výrobního procesu, ale i o vytvoření postupů a pravidel (v rámci ISO) včetně logistických, jež slouží pro sběr, zpracování a vyhodnocování dat z výrobního procesu. Jsou úzce spjaty s řešením pohybu materiálů, ať už vstupních, nebo výstupních. Tyto nástroje se prakticky tvoří již od okamžiku započetí samotného návrhu, a dynamicky se pak rozvíjí s postupem času v celém průběhu výroby. Takto lze eliminovat nebo alespoň minimalizovat neefektivní úkony které mohou v procesu nastat. V Tab. 7.2 je znázorněna struktura nástrojů pro řízení výrobního procesu. Tab. 7.2: Přehled nástrojů pro řízení výrobního procesu v technologii povrchové montáže Výrobní kapacita

Statistické řízení jakosti

Využití (výkonost)

dynamické nastavení zařízení vstupní součástek jejich toku

Interaktivní optimalizace procesu

Chyby, odpady

vstupní kontrola součástek definování jejich toku

kontrola statistické definování jakosti

Jakost

dokumentace

řízení průběžný management

průběžný management

management zásobníků

výchozí komunikace

výchozí komunikace

management součástek

kontrolovat

Analýzu výrobního procesu lze shrnout do následujících kroků: A) Stanovení cíle musí jasně definovat parametry, jež mají být ve výrobním procesu zlepšeny (např. jedna nebo více operací výrobního procesu).

106


B) Definování parametrů je to rozhodování o způsobu posuzování resp. sledování toho, co má být v procesu zlepšeno. C) Identifikace operace určení operace jež způsobuje změnu parametru, tj operaci jež ovlivňuje vytyčený cíl. D) Měření procesu je krok k zajištění měření stanoveného parametru. Výstupem obyčejně je měřená veličina, např. čas, změna či odezva. E) Výběr nástroje je dalším důležitým krokem, jenž je řešen ve většině případech prostřednictvím aplikace SPC. F) Sběr dat se provádí na základě stanoveného cíle v určených místech procesu (operace) některým ze známých způsobů měření, což vlastně představuje popis výrobního procesu na základě získávaných dat z jeho průběhu. G) Změny ve výrobním procesu se provádí s cílem zlepšení parametrů a eliminování chyb a odchylek parametrů od stanovených hodnot. Účinnost tohoto kroku je závislá na schopnosti analyzovat výrobní proces a vytvořit jeho schéma zachycující všechny kroky. H) Vyhodnocení změn je posledním krokem jehož účelem je posouzení dosaženého efektu a jeho srovnání s předpokládaným cílem. Z tohoto kroku je zavedena zpětná vazba do oblasti, kde se rozhoduje o způsobu měření na jehož základě se provádí příslušné zásahy a změny. Právě ten kdo dokáže efektivním a rychlým způsobem aplikovat získané výsledky, získá výhody oproti svým konkurentům, což se promítá do výsledků na samotných trzích. Jednotlivé kroky zachycují základní filosofii postupu při aplikaci statistického řízení jakosti. Je zřejmé, že jednotlivé kroky je třeba dopracovat a adaptovat na konkrétní typ výroby. To vyžaduje samozřejmě určitý rozhled a všeobecnější manažerské schopnosti. Řízení jakosti je proces tvořící nedílnou součást vzniku informačního systému. Informační systém v rámci firmy, společnosti nebo jakékoliv instituce musí sloužit k řízení takovým způsobem, aby příslušná činnost dávala výstupy uspokojující poptávku na trzích, tj. v případě elektronického průmyslu konkurenceschopné výrobky. Konkurenceschopným výrobkem se rozumí takový výrobek, který je cenou a jakostí srovnatelný nebo lepší než výrobky stejného charakteru od konkurence.

7.4 Způsobilost technologického procesu V průběhu každého výrobního procesu je nutné kontrolovat zda výroba probíhá v souladu s požadavky, tj. podle předem stanovených technologických postupů. Toto je hodnoceno způsobilostí neboli stabilitou procesu. Způsobilost (stabilita) výrobního procesu je posuzována na základě dvou údajů: A) Odchylky v průběhu výrobního procesu. B) Tolerance v parametrech výrobního procesu. Hodnocení způsobilosti výrobního procesu se provádí na základě určení koeficientů Cp a Cpk. Index způsobilosti cp je nejjednodušším vyjádřením míry dodržování regulačních mezí procesu (Obr.7.7): UCL − LCL cp = ( 7.2 ) 6σ


107

Proces vykazuje nezpůsobilost pro (cp < 1), střední způsobilost pro (1 < cp < 1.3) a způsobilost (cp > 1.3). Nevýhodou je, že index hodnotí pouze variabilitu procesu vzhledem k předepsaným mezím a nebere v úvahu posunutí střední hodnoty proti předepsané úrovni. P řípustná tolerance

Přípustná tolerance

a)

b)

Obr. 7.7 Definice parametrů způsobilosti výrobního procesu a) tolerance procesu pro parametr cp b) tolerance procesu pro parametr cpk

Proto se dále používá indexu cpk (Obr. 7.7), který je vždy menší (a tedy přísnější) než cp. V čitateli je menší ze vzdáleností střední hodnoty procesu od LCL, resp. UCL. Je-li střední hodnota procesu mimo regulační meze, může být cpk dokonce záporný. Tento index je použitelný také v případě, že LCL a UCL jsou asymetrické. V limitním případě, kdy průměr procesu je přesně roven předepsané hodnotě T, může cpk vyjít stejně jako cp. Koeficient cpk lze vyjádřit vztahem:

 UCL − µ µ − LCL  , c pk = min  3σ   3σ

( 7.3 )

Vždy je třeba také stanovit interval spolehlivosti těchto indexů. Protože není možné určit přesnou hodnotu indexů (z důvodu odhadu střední hodnoty a směrodatné odchylky), je třeba počítat s tím, že může mít libovolnou hodnotu mezi spodní a horní hranicí spolehlivostního intervalu. Tzn., že index může být při nejpesimističtějším odhadu roven spodní hranici tohoto intervalu. Vyjde-li tedy cp=1.18 s intervalem spolehlivosti (0.88, 1.48), je třeba prohlásit proces za nezpůsobilý. Šířku intervalu spolehlivosti lze však značně ovlivnit počtem dat n, kterých použijeme k výpočtu směrodatné odchylky. Např. interval spolehlivosti cp na hladině významnosti α lze odhadnout pomocí rozdělení χ2, kde χ2α(n) je α-kvantil χ2 rozdělení s n stupni volnosti  χ (21−α / 2 ) (n − 1)  χ α2 / 2 (n − 1) ;c ⋅ c p ⋅ (n − 1)  (n − 1) p 

( 7.4 )

108


Jak bylo řečeno, šířku intervalu lze ovlivnit počtem dat n. Šířka intervalu je nepřímo úměrná odmocnině z (n-1). Shrnutí: Jakost je dnes neoddělitelnou součástí každé činnosti a v budoucnu bude sehrávat stále důležitější roli. Existují různé způsoby řízení jakosti, z nichž v elektrotechnických a elektronických výrobách nejrozšířenější jsou statistické metody. Základní přístup a některé z nich jsou popsány v této kapitole.

Otázky: 47) Jaké jsou dva základní vlivy působící v průběhu výrobních procesů ? 48) Jaký je základní postup při řízení jakosti v povrchové montáži ? 49) Co vyjadřují koeficienty Cp a Cpk ?

Řešený příklad

Příklad 7.1 Zadání: Vytvořte tabulku pro záznam poruch v procesu povrchové montáže pro soubor desek plošných spojů. Jedná se o soubor 100 desek plošných spojů, na každé z nich je 100 součástek a 1000 pájených spojů. Celkový počet poruch je 200. Řešení: Tab. 7.3: Příklad analýzy poruch ze tří různých hledisek __________________________________________________________________________________ Analýza druhu poruchy: Chybějící pájka Zkrat Součástka mimo pájecí plochu Celkem poruch Počet poruch 70 110 20 200 (%) 35 55 10 100 __________________________________________________________________________________ Analýza vadné součástky: PLCC SOIC QFP R/C Celkem poruch Počet poruch 20 50 105 25 200 (%) 10 25 52,5 12,5 100 __________________________________________________________________________________ Analýza příčiny poruchy: Návrh Materiál Proces Celkem poruch Počet poruch 30 80 90 200 (%) 15 40 45 100 __________________________________________________________________________________

Bez ohledu na to, které hledisko sledujeme, lze získat hodnotu ppm následovně : 200 ppm vyroby = × 10 6 = 2000 1000 × 100


109

Neřešený příklad

Příklad 7.2 Zjistěte hodnotu ppm pro poruchy zjištěné v souboru 80 000 kusů rezistorů, u něhož byly měřením zjištěny 4 poruchy. Neřešený píklad

Příklad 7.3 Vypočtěte hodnotu teplotního součinitele odporu u rezistoru 100Ω, dojde-li při změně teploty o 20 oK ke změně jmenovité hodnoty odporu o 2Ω. Neřešený příklad

Příklad 7.4 Jaká je hodnota odporu vodiče délky 1 mm a šířky 0,02 mm, jehož vrstvový odpor je 15 mΩ na čtverec ?

8 O životním prostředí Cíl: Péče o životní prostředí je nezbytná v každém výrobním procesu. Specifika přístupu v elektrotechnických a elektronických výrobách jsou popsána v této kapitole [ 1 ], [ 2 ]. V souvislosti s rozvojem nových technologií a nových badatelských aktivit vystupují do popředí otázky ochrany životního prostředí a jeho trvale udržitelného rozvoje. Počátek těchto aktivit se klade do r. 1972, kdy se ve švédském Stockholmu pod záštitou OSN konala konference o životním prostředí. Výsledky této konference vedly v r. 1987 ke vzniku dokumentu nazvaném Naše společná budoucnost (Our Common Future). Tento dokument vyzývá průmyslové organizace, aby v rámci "udržitelného rozvoje" vybudovaly účelný systém řízení životního prostředí zkráceně zvaný EMS (Environmental Management System). (Česká terminologie pro EMS se zatím nesjednotila vedle termínu Systém řízení životního prostředí se používají i termíny Systém ekologického řízení a Systém environmentálně orientovaného řízení a Systém environmentálně orientovaného managementu.) Jedním z výsledků těchto mezinárodně pojatých snah byl i vznik britské normy BS 7750 Environmental Management Systems, kterou technický výbor TC 207 mezinárodní organizace pro normalizaci (International Organization for Standardization ISO) dále rozvinul do současného souboru norem ISO 14 000. Představu o náročnosti záměru poskytují následující dvě data: V červnu 1993 TC 207 poprvé zasedal v kanadském Torontu a v září 1996 publikoval konečnou verzi normy ISO 14 001 Systémy managementu životního prostředí: Specifikace a směrnice pro jejich užití. Systémem managementu životního prostředí se rozumí: organizační struktura, rozdělení odpovědností, postupy, procesy a zdroje sloužící k zavedení a udržování funkčního systému řízená ochrany životního prostředí. V Evropském společenství bylo přijato nařízení Rady ES č. 1936/93 s názvem Eco Management and Audit Scheme, které vstoupilo v platnost již v roce 1995. Cílem tohoto

110


nařízení bylo dobrovolně zavést postupy, jejichž dodržování vytváří v podniku předpoklady pro neustálé zlepšování péče o životní prostředí. Cestou k realizaci má být:

• •

Vypracování a zavedení podnikové politiky ochrany životního prostředí, programů systémů řízení v příslušných oblastech. Systematické, pravidelné a objektivní vyhodnocování výsledků péče o životní prostředí v podniku.

8.1 Poskytování informací veřejnosti V této souvislosti je zajímavé tvrzení pracovníků americké Environmental Protection Agency, kteří v roce 1995 při své pracovní návštěvě v ČR opakovaně zdůrazňovali (viz: ANDRŠT, M.: Ekologické audity a systémy ekologicky orientovaného řízení podniků. Svět jakosti, 1996 prosinec, str. 19 - 21.), že v USA se největších pozitivních výsledků změn ve vztahu podniků k životnímu prostředí dosáhlo po r. 1986 zřízením Registru toxických úniků (Toxic Release Inventory) jako části zákona o havarijním plánování a o právu společnosti na informace (Emergency Planning and Community Right to Know Act). Výrobní podniky každoročně sestavují hlášení o únicích stanovených látek do všech složek životního prostředí (ovzduší, půda, povrchová voda, podzemní voda). Všechny údaje jsou zcela veřejné. Údaje využívají nejen novináři a občané, ale i konkurence a tak se vytváří neustálý a silný tlak na zavádění technologií stále více přijatelných pro životní prostředí. Tato oblast se stává každým dnem více aktuální, neboť rostoucí množství odpadů, nejen ve formě pevných odpadových surovin ale i ve formě plynů, kapalin a také záření, ovlivňuje naše životní prostředí a tím také i naše zdraví. To souvisí s ekologickým vývojem na naší planetě, jež se týká bez výhrady všeho lidstva a také budoucích generací. Veřejná informovanost podložená legislativou se ukazuje jako jeden z nejúčinnějších způsobů kontroly dodržování ekologické legislativy.

8.2 Legislativa v ČR Legislativa České republiky, popřípadě dřívějšího Československa, věnovala bezpečnosti a ochraně zdraví pracovníků vždy nemalou pozornost, avšak ne vždy tomu tak bylo v otázce životního prostředí. V posledním desetiletí se však i zde situace změnila a i zde došlo k výraznému posunu v monitorování životního prostředí včetně prosazování opatření na jeho ochranu. S výsledky zlepšujícího se životního prostředí v posledním desetiletí koreluje i prodlužování střední délky života občana ČR (viz Statistická ročenka MŽP, Praha 1989). K zákonům posledního desetiletí patří následující zákony popřípadě vyhlášky Sbírky zákonů číslo:

• • • • •

20/89 o Úmluvě o bezpečnosti a zdraví pracovníků a o pracovním prostředí. 238/91 o odpadech (povinnost třídit podle druhů). 282/91 o České inspekci životního prostředí 309/91 o ovzduší ve znění zákona 218/92 a 158/94. 388/91 o Státním fondu Životního prostředí ČR ve znění z č. 334/92.


• • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

111

389/91 o státní správě ochrany ovzduší a poplatcích za jeho znečišťování, ve znění č.212/94, č. 86/95. 401/91 o odpadovém hospodářství. 17/92 o životním prostředí. 92/92 o ekologickém auditu. 119/92 o ochraně přírody a krajiny. 458/92 o státní správě ve vodním hospodářství. 123/93 o ekologických škodách (podzemní vody, půda, skládky škodlivých odpadů). 205/93 o ochraně ovzduší. 211/94 o ochraně ovzduší. 18/97 (atomový zákon) o mírovém využívání jaderné energie a ionizujícího záření. 117/97 vyhláška MŽP, kterou se stanovují emisní limity a další podmínky provozování stacionárních zdrojů znečišťování a ochrany ovzduší. 125/97 o odpadech ve znění č. 167/98. 337/97 katalog odpadů. 338/97 vyhláška MŽP o podrobnostech nakládání s odpady. 339/97 vyhláška MŽP o hodnocení nebezpečných vlastností odpadů. 123/98 o právu na informace o životním prostředí. 157/98 o chemických látkách a chemických přípravcích. 301/98 vyhláška, kterou se stanoví seznam chemických látek a chemických přípravků, jejichž výroba, uvádění na trh a používání je omezeno ve znění 390/00. 25/99 nařízení vlády, kterým se stanoví postup hodnocení nebezpečnosti chemických látek a chemických přípravků, způsob jejich klasifikace a označení. xx/99 ze dne 9.12.1999 o prevenci závažných havárií způsobených vybranými chemickými látkami a chemickými přípravky.

Úsilí řídit výrobní procesy a jejich vstupy tak, aby se minimalizovaly technologické odpady a minimalizovaly se náklady na odpadové hospodářství se promítá nejen do norem ISO 14 001 a 14 004, ale i do upravených norem řízení jakosti ISO 9000, jakými jsou normy QS 9000 vybraných automobilek USA. Výsledkem tlaku auditorů QS 9000 je neustálá snaha firem nižovat technologické odpady a snižovat škodlivost odpadů. Shrnutí: S rozvíjejícími se novými materiály a také novými technologickými postupy je třeba stále více dbát na kontrolu životního prostředí. To vše je znásobeno ještě rostoucím objemem průmyslových výrob. Proto vznikly v jednotlivých zemích organizace a také ministerstva, jejímž cílem je uplatňovat různé normy, které jsou zaměřeny na ochranu životního prostředí. Řeší a doporučují jak postupovat při práci s nebezpečnými látkami, jak likvidovat odpady apod. V případě olova dokonce došlo k zákazu jeho používání v elektronice a elektrotechnice od roku 2006.

Otázky: 50) Co znamená pojem ISO a co obnáší ?

112


9 Seznam cizích zkratek a výrazů Know how (vědět jak – výraz pro označení technologického vědění) CM – Contract Manufacturer (výrobci na zakázku, dodávající výrobky pro koncové zákazníky) SMT – Surface Mounted Technology (technologie povrchové montáže) SMD – Surface Mounted Device (součástky pro povrchovou montáž) ASIC - Application Specific Integrated Circuit (zákaznické obvody) OEM – Original Equipment Manufacturer (výrobci koncových zařízení) SOP – System on Package (systém v pouzdře) SOC – System on Chip (systém na čipu). Arrays – seskupení, pole prvků Networks - sítě ROM – Read Only Memory (paměti bez možnosti záznamu) DRAM – Direct Randoom Access Memory (paměť RAM s přímým přístupem) SRAM – Static Random Access Memory (statická paměť RAM) CACHE (vnitřní, vyrovnávací paměť mikroprocesoru) CMOS – Complementar Metal Oxide Semiconductor (logické obvody realizované unipolárními tranzistory) DIL - Dual in Line (pouzdra s páskovými vývody po obou delších stranách) DIP - Dual In-line Package (další označení pro pouzdra DIL) SOIC – Small Outline Integrated Circuit (integrované obvody v zmenšených pouzdrech DIL v provedení pro povrchovou montáž) VSO – Very Small Outline (pouzdra s velmi malými rozměry) TSOP – Thin Small Outline Package (Pouzdra SO s velmi nízkým profilem určená pro povrchovou montáž) QFP - Quad Flat Pack (pouzdra s páskovými vývody na všech čtyřech stranách) CC - Chip Carrier (pouzdra čtvercového nebo obdélníkového tvaru s vývody pro povrchovou montáž ve tvaru plošek nebo s páskovými vývody) PLCC - Plastic Leaded Chip Carrier (CC v plastovém provedení s páskovými vývody) CLCC - Ceramic Leaded Chip Carrier (CC v keramickém provedení s páskovými vývody) PGA - Pin Grid Array (pouzdra s kolíkovými vývody umístěnými ve vertikálním směru na spodní části pouzdra) BGA - Ball Grid Array (pouzdra s kulovými vývody umístěnými na spodní straně pouzdra) CGA - Column Grid Array (pouzdra se sloupkovými vývody umístěnými na spodní straně pouzdra) LGA – Land Grid Array (jiné označení pouzder BGA a CGA) J Lead (tvar vývodu pouzdra podobný písmenu J) Gull Wing (tvar vývodu podobný křídlu racka) Flip Chip (provedení polovodičového čipu s kulovými vývody) TAB – Tape Automated Bonding (provedení polovodičových čipů uložených na páskový nosič určený pro automatické osazování) Wire Bonding (drátové propojování čipů na substrát)


113

Packaging and Interconnection (nová oblast mikroelektroniky zabývající se pouzdřením a propojováním elektronických systémů) MCM – Multi Chlip Module (elektronické moduly obsahující více polovodičových čipů v jediném integrovaném celku) Fine Pitch (obecné označení pro pouzdra s roztečí menší než 1 mm) DCA - Direct Chip Attach (přímé připojení čipu na nosný substrát) CSP – Chip Scale Package (označení pro pouzdření, kde plocha pouzdra nepřevyšuje více než 1,5x plochu čipu) ASIC - Application Specific Integrated Circuit (zákaznické integrované obvody) MIPS - Mega Instructions per Second (elektrický výkon udávaný u výpočetních a řídících systémů v milionech instrukcí za vteřinu) 3D – Three Dimensional (označení pro třírozměrná pouzdra) Lead Frame (soubor kovových vývodů určených pro plastová nebo keramická pouzdra) Throughput (propustnost, průchodnost) Yield, ( výtěžnost) Utilization (využití) Scrap (výmět, zmetky) DSM -Dynamic Set Management (dynamický management, řízení) CVT -Component Verification and Tracking (sledování a kontrola součástek) LM -Line Managers. (řadoví manažeři) FMS -Feeder Management (dodávkový, podávací management) CMS - Component Management Systems (systém součástkového managementu) SPC – Statistic Process Control (statistické řízení jakosti) ISO - International Organization for Standardization (mezinárodní organizace pro standardizaci a normování)) EMS - Environmental Management Systém (systém řízení životního prostředí) Flip Chip (polovodičový čip s bradavkovými vývody na lícní straně určený pro montáž lícní stranou dolů) TCR -Temperature Coefficient of Resistivitrty (teplotní součinitel odporu) TCC -Temperature Coefficient of Capacity (teplotní součinitel kapacity kondenzátoru) TCE -Temperature Coefficient of Expansion (teplotní součinitel délkové roztažnosti materiálu) Underfill (výplň mezi lícní stranou Flip Chip a substrátem) UMTS -Universal Mobil Telecommunication System (Telekomunikační systém další generace umožňující komplexní přenos informací) Just in Time (právě včas, výraz používaný pro výrobu na zakázku s ideálním logistickým tokem) ppm - part per million (pomocný výraz používaný pro vyjádření malých hodnot) popcorn effect – výraz pro vznik trhlinek v pájeném spoji Solder Pad (pájecí plocha) Solder Resist Pattern (nepájivá maska) Solder Paste Pattern ( plocha nanesené pájecí pasty) Shadow effect (zastíněná místa na DPS s nedostatečným množstvím pájky) Solder bridges (zkraty mezi pájenými spoji)

10 Odpovědi na otázky 1) Neustále se větvící řetězec informací o technologiích, jež se odvíjí od počátečního průzkumu trhu, přes vývoj a návrh, výrobu, užívání, servis, až po likvidaci každého výrobku.

114


2) Výzkum, vývoj, návrh, konstrukce, výroba, prodej, likvidace. 3) Spotřebovávají energii a nezesilují ani negenerují signál (rezistory, kondenzátory, indukčnosti). 4) Podle technologie: tenkovrstvé, tlustovrstvé apod,. podle materiálů: keramické uhlíkové, křemíkové apod., podle provedení: diskrétní, integrované, maticové, sítě. 5) 0805 vyjadřuje rozměry součástky kvadrátového tvaru v setinách palce. 6) Jsou tvořeny kombinací odporů, kondenzátorů a cívek. 7) Tlusté vrstvy, tenké vrstvy, polymerní materiály a polovodiče. 8) Je to křemíková deska na níž jsou vytvořeny v několikanásobné podobě struktury polovodičových prvků resp. obvodů. Dnes má průměr až 150 mm a v budoucnu se očekává 200 mm a více. 9) V roce 1971 10 µm, v roce 2001 0,13 µm a v roce 2007 se očekává 0,07 µm. 10) Oxidace je způsob dotování polovodičů (Si) s pomocí teploty, iontová implantace s pomocí energie a naprašování je způsob nanášení materiálů s pomocí elektrického napětí. 11) Pouzdra DIL, SOIC, QFP, vývody tvaru „gull wing“ nebo „J“, jsou plastová nebo keramická, čip je propojen drátovými spoji s vývodovým systémem. 12) Na součástce jsou vývody ve formě pokovených plošek, jejichž tvar definuje i tvar pájeného spoje (souvisí s množstvím pájky). 13) Kulový vývod vynikne přetavením pájky, bump je obecnější pojem a může být ešen např. jako pahýl vytvořený termokompresí. 14) BGA má oproti DIL kratší vodivé dráhy mezi čipem a nosným substrátem. 15) Jsou keramická nebo plastová 16) Propojování a pouzdření elektronických součástek, obvodů a systémů. 17) Pouzdření je řešení komplexních oblastí související se zajištěním spolehlivé funkce elektronických systémů (ochrana, chlazení, vedení signálu atd.). 18) Ball Grid Array – součástky s polem vývodů uspořádaných na spodní straně pouzdra. 19) Jsou to pouzdra jejichž velikost nepřesahuje 1,5 násobek velikosti čipu. 20) MCM – L (materiál substrátu je laminát), C (keramika) nebo D (křemík). 21) Protože je snížen počet pájených spojů.


115

22) Efektivita pouzdření, počet vývodů, rozteč vývodů, těsnost (hermetická a nehermetická). 23) Je to poměr velikosti čipu ku velikosti pouzdra (v ideálním případě je 1). 24) Pájené, lepené, připojené termokompresí. 25) Na čipu je pokovená vrstva a na ní je vytvořen pájkový vývod. Pájka může být nahrazena vodivým lepidlem, nebo vývod může být ve formě pahýlu realizovaného např. Au drátkem (termokompresí). 26) Vyšší efektivita pouzdření a lepší elektrické parametry (menší parazitní vlivy – Lp, Cp). 27) Tepelný odpor je nižší, což zaručuje lepší odvod tepla. Výplňový materiál přispívá ke zlepšení odvodu tepla. 28) Stupeň smáčivosti a rychlost smáčení. 29) Před ponořením, okamžitě po ponoření (smáčení ještě nezačalo, ale začaly působit kromě povrchového napětí také kapilární síly), počátek smáčení (povrchové napětí je nulové, působí pouze kapilární síla), dochází k zakřivení menisku směrem nahoru (povrchové napětí působí dolů), vytahování (způsobí zvětšení povrchového napětí), vzorek je vytažen, jeho hmotnost je v důsledku pocínování větší. 30) V prvním dochází k mírnému zhoršení, v druhém oxidační povlak udržuje konstantní podmínky a ve třetím dochází k prudkému zhoršení. 31) Ponorem nebo meniskografem při určité teplotě a za určitý čas. 32) Je to vnitřní úhel který svírá meniskus přetavené pájky se substrátem. 33) Jsou to chemické sloučeniny, v pájkách mezi Cu a Sn. 34) odstranit oxidové vrstvy a další nečistoty z povrchu pájené kovové plochy a případně i ze samotné pájky, zabránit přístupu reakčních prvků do oblasti vytváření pájeného spoje, chránit očistěné kovové plochy před vznikem oxidů během ohřevu, přispět k rovnoměrnému rozložení a dosažení teploty tavení na ploše celé pájené plochy, vytvořit prostředí s nízkým povrchovým napětím rozhraní pájka – tavidlo. 35) Bezolovnaté pájky mají vyšší teplotu tavení, navíc mohou nastat problémy se smáčivostí, ale jejich mechanické vlastnosti jsou většinou lepší. 36) Minimální nutný přesah kontaktů součástky na plochu určenou pro nanesení pájecí pasty, minimální nutné překrytí pájecích ploch součástky a substrátu, minimální nutné izolační mezery mezi kontakty a sousedními vodiči, dostatečné množství požadované pájky. 37) Nutnost definovat nanášení lepidel potřebných k přichycení součástek, omezení možnosti vytváření míst s nedostatečným množstvím pájky, omezení možnosti tvoření

116


zkratů. 38) Informační systém resp. jeho modul slouží ke sledování jakosti ve výrobě a tím i k zajišťování spolehlivosti výrobků. Nejdříve se sledovala spolehlivost, pak statistické řízení jakosti a dnes se používají stále více komplexní informační systémy. 39) Musí mít jednoduchou obsluhu a vysokou vypovídací schopnost.

CV 2 ⋅f 2 41) Je mírou teplotní závislosti délkových rozměrů pevného tělesa α (K–1; oC-1)

40) Ztrátový výkon lze obecně vyjádřit vztahem: P =

42) Spolehlivost elektronických součástek je definována poruchovostí, která je přímo úměrná generovanému teplu a je popsána Arrheniusovou rovnicí 43) Vedením (Conduction), prouděním (Convection) a sáláním (Radiation) 44) Je to tepelný tok W, jehož jednotkou je (W) 45) Instrumentální, metodické, teoretické a chyby zpracování dat. 46) Náhodné, systematické a hrubé. 47) Náhodné (předpověditelné) a systémové (nepředpokládané), mající většinou katastrofální dopad. 48) Stanovení cíle, definování parametrů, identifikace operace, měření procesu, výběr nástroje, provedení měření, vyhodnocení výsledků, zásah do technologického procesu. 49) Koeficient Cp vyjadřuje způsob vykonání procesu a definuje relativní velikost odchylky v procesu. Koeficient Cpk vyjadřuje zda proces probíhá v předpokládané absolutní hodnotě, resp. zda není odchýlen od střední hodnoty. 50) Je to zkratka mezinárodní organizace pro standardizaci a jsou pod ní zahrnuty systémové normy pro jakost, včetně péče o životní prostředí, jež zahrnuje i řešení otázek zdraví a bezpečnosti.

11 Výsledky neřešených příkladů 3.3 3.4 4.2 4.3

(Relativní úspora místa bude v poměru 1 : 9) (∆T = 10 oC) (0,5 x 0,5 mm a 0,9 x 3,8 mm) (0,8 x 0,8 mm)

MIKROELEKTRONIKA A TECHNOLOGIE SOUČÁSTEK 6.3 6.4 7.2 7.3 7.4

117

(10 oC) ( 2,6 oC.s-1 ) (ppm poruch = 50) (TKR = 10 ppm . K–1) (R = 750 mΩ)

12 Literatura [1]

Szendiuch,I.: Mikroelektronické montážní technologie, Nakladatelství VUT v Brně, VUTIUM, 1997, ISBN 80-214-0901-0

[2]

Szendiuch,I. A kol.: Technologie mikroelektronických obvodů a systémů, Nakladatelství VUT v Brně, VUTIUM, 1997, ISBN 80-214-2072-3

[3]

Oppert,T., Teutsch,T., Zakel,E.: A Low Cost Bumping Process for 300 mm Wafers, 1999, International Symposium on Microelectronics, IMAPS´99, p.34 - 38, Chicago, 1999

[4]

Flip Chip Suus Technical Bulletin, Karl Suss 1999 by the Media Group, Inc.

[5]

Tummala, R., Conrad,L.: Status and Challenge in Microsystems Packaging Education in USA, Proc. of the 5th International Academic Conference on Electronic Packaging Education and Training, Dresden, March 20-21, 2002, ISBN 3-934142-07-9

[6]

Lau J.,H.: Low Cost Flip Chip Technologies, McGraw-Hill, New York, 2000, ISBN 0-07-135141-8

[7]

Hassdenteufel, J. a kol.: Elektrotechnické materiály, SNTL/ALFA, Praha/Bratislava, 1971

[8]

Hoft,H.: Pasivní součástky pro elektroniku,SNTL, Praha, 1983

[9]

Donnelly,J.,H. a kol.: Fundamentals of Management, Business Publications, INC, Texas, ISBN 0-256-03682-9

[ 10 ] Wassink,R.J., Verglund,M.F.: Manufacturing Techniques for Surface Mounted Assemblies, Isle of Man, Elchem. Publ., 1995, ISBN 0-901150-30-4 [ 11 ] Piňos,Z., Szendiuch,I.: Elektrotechnologie, SNTL, 1992, ISBN 80-03-00558-2 [ 12 ] Blackwell,G.r.. the Electronic Packaging Handbook, CRC/IEEE Press, ISBN 0-84938591-1, Boca Raton, Florida 33431, 2000 [ 13 ] Brown,,W.,D.: Advanced Electronic Packaging, IEEE Press, ISBN 0-7803-4700-5, New York, NY 10016-5997, 1999 [ 14 ] Voves,J., Kodeš,J.: Elektronické součástky nové generace, GRADA Publishing 1995, ISBN 80-7169-142-9 [ 15 ] Harper, Ch., A.: Electronic Packaging and Interconnection Handbook, McGraw Hill, ISBN [ 16 ] Kunzel, G.: Matematické modely sdílení tepla v konstrukcích elektroniky, Academia Praha, 1990 [ 17 ] Kos,A., DeMey,G.: Thermal Modeling and Optimisation of Power Microcircuits, Electrochemical Publications, ISBN 0 901150 36 3, Isle of Man, 1997

118


[ 18 ] Horák, Z., Krupka, F.: Fyzika, SNTL/ALFA, Praha, 1966 [ 19 ] Dean,D., J.: Thermal Design of Electronic Circuit Boards and Packages, Electrochemical Publications, Isle of Man, 1985 [ 20 ] Malý,Z., Simerský,M.: Elektrotechnologie, elektrotechnické materiály, SNTL, Praha, 1985

Doc. Ing. Ivan Szendiuch, CSc. Mikroelektronika a technologie součástek

Recommend Documents