Elektronikai technológia labor
Segédlet
Fényképezte Horváth Máté Írta Kovács János Az OE-KVK-MTI hallgatói
0
Tartalom 1. alkalom: Felületkezelés és panelgalvanizálás 2. alkalom: Maszkolás, rajzolatgalvanizálás, maratás 3. alkalom: A forrasztásgátló lakk felvitele 4. alkalom: Szerelés, forrasztás
2. o 5. o 13. o 16. o
Előszó Az alábbi alternatív útmutatót két korábbi lelkes hallgató készítette, munkájukat ezúton is köszönöm. A cél az volt, hogy kicsit lazább fogalmazással, sok szép fotóval könnyítsék meg az utódok tanulását. Ugyanakkor nem helyettesíti a „hivatalos” laborútmutatót, nem javaslom kinyomtatását (csak a nagyon környezettudatlanoknak), és nyomatékkal kérem, hogy az önállóan megfogalmazandó „Technológiai összefoglaló” helyett ne az innen vett idézetekkel rongálják a gyakorlatvezetők idegeit. Minimális javítással adom közre ezt a segédletet, bízva abban, hogy az eredeti célon túl még nagyobb kedvet is hoz a hallgatóknak a NYÁK-gyártás megismeréséhez, a laborgyakorlatok elvégzéséhez. Gröller György
1
1. alkalom: Felületkezelés és panelgalvanizálás A gyártás-laborok kezdetén a csoportok megkapják a lemezeket, amiken a viák, furatok helyét előzőleg a mérésvezetők CNC fúrógéppel kialakították. Egy panel három áramkört, valamint egy furatokat és különböző szélességű sávokat magába foglaló mintát tartalmaz, ezért háromfős csoportokba célszerű rendeződni.
1. ábra Kétoldalas NYÁK lemez előre kifúrva A munkadarab egy kétoldalas NYÁK lemez, amit a csoportoknak javasolt reszelő segítségével rögtön az elején egyedi mintával a szélén megjelölni, hogy a későbbi laboralkalmak során megtalálják a saját paneljüket. A gyártás első fázisa a mechanikai tisztítás. Bár a munkadarab felülete nem kifejezetten koszos, a későbbi megfelelő tapadás biztosítása miatt hasznos dörzspapírral alaposan áttörölni nedvesítés után. Ezzel a nagyobb szennyeződéseket eltávolítjuk. A lemez egyik végén található egy vastagabb furat, ami arra szolgál, hogy egy drótot fűzzünk át rajta, amivel később könnyebben meg tudjuk ragadni a munkadarabot, és könnyebben át tudjuk emelni egyik kádból a másikba. A drót rögzítésénél gondoljunk arra, hogy a mérés végén le kell majd venni a lemezről, kerüljük a bombabiztos tengerészcsomókat! Laborunk hosszú időre elegendő mennyiséggel rendelkezik a Cleaner BuzzR nevű felületaktív anyagból, a zsírtalanítást ezzel oldjuk meg. A drót segítségével rövid időre a zsírtalanító oldat kádjába helyezzük a munkadarabunkat. Itt még nem kritikus, de néhányszor (kb. fél percenként) mozgassuk meg a lemezt a fürdőben furatirányban, hogy a viák fala is megtisztuljon. Ez a mozzanat a többi felületkezelő fázisban elengedhetetlen. 2. ábra A két maratófürdő között található Cleaner BuzzR kád 2
A zsírtalanítást, valamint az összes többi felületkezelő műveletet öblítés követi, ezúttal folyó csapvízzel. Ezt alaposan tegyük meg, mert a zsírtalanító hajlamos megtapadni a panel felületén. A Cleaner BuzzR lemosását jól ellenőrizhetjük a panel szaga alapján: mikor már nem érezzük rajta a szer jellegzetes illatát, jó munkát végeztünk. Ezt követi egytöbb lépéses felületkezelő sor, amelynek végső lépése a redukciós rézréteg leválasztása a furatok falára és a már rézzel bevont felületekre. Első a lemez felületének mikroérdesítéséhez. E művelet célja nagyobb tapadási felület létrehozása a panelen. Az erre szolgáló oldat kénsavat, valamint ammónium-perszulfátot tartalmaz. Utóbbi erős oxidálószer, ami a réz atomokból rézoxidot képez, ezt pedig a kénsav már könnyedén leoldja. Mivel a lemezen lévő rézfólia nem egykristály, abban szerkezeti hibák vannak, az oxidálás-lemarás a felület mentén nem egyenletesen zajlik, így válik érdessé a felület. A lemez körülbelül egy percig legyen ebben a kádban! Ezt a műveletet desztillált vízben való öblítés követi. Mivel a sav és az oxidálószer nem teljes összhangban dolgoztak, lesz olyan atom, ami már oxidálódott, de a még nem oldódott ki az érdesítő fürdőbe, emiatt szükség van a panel dekapírozására, oxidmentesítésére is. Ezt a következő, 10%-os HCl oldtatot tartalmazó kádban tehetjük meg. A sósav leoldja az oxidálódott atomokat, de a tiszta rezet nem bántja. Így elkerüljük, hogy a későbbiekben a nem vezető tulajdonságú rézoxid esetleg maszkolja panelünket a későbbiek során. A tisztítás körülbelül fél percig tart. Az öblítést csapvízben, majd desztillált vízben végezzük! Az ezt követő kezelés kritikus a későbbi műveletek sikerét nézve: a palládiumos aktiválás. Legelőször egy ún. pre-dip oldatba áztatjuk 3 percre a lemezt, aminek a szerepe, hogy előkészítse a panelünk felületét, de még ennél is fontosabb, hogy megvédje a Pd-os aktiválófürdőt. A palládium nemesfémnek számít (a fehérarany például 10% Pd-ot tartalmazó aranyötvözet), mindenkori értékét a tőzsde állása szabja meg, ezért az oldatának szakszerűtlen kezelésből fakadó tönkremenetele komoly anyagi kárt okozna. A megfelelő előkészítést követően a barna színű Pd-os fürdőbe helyezzük a lemezt, ahol 6 percet töltsön! Ez idő alatt kémiai palládiumréteg csapódik lemezünk falára. A galvanizálási eljárások között ismert az ún. direct plating eljárás. Ennek lényege, hogy a fent említett módon Pd-al aktivált lemezt egyből a galvanizáló medencébe helyezik, és az eljárás során fémezetté vált furatfalra (és az egész lemezre) már így felviszik a galvánrezet. A laborban található Pd-oldat elviekben olyan jó minőségű, hogy ezt is meg lehetne csinálni, de az elektronikai technológia átfogóbb megismerése érdekében kémiai úton a következőkben rezet fogunk felvinni a lemez furatainak felületére.
3. ábra A kádakat tartalmazó asztal (éppen a Pd-os aktiváló kádnál tart a folyamat)
3
4. ábra A palládiumos kád Az aktiválást követően 3 percre 3%-os sósav oldatba helyezzük a lemezt, hogy eltávolítsuk róla az aktiválófürdő védőkolloidjait. Ezt a szokásos öblítés követi, csapvízzel. Végül rezező fürdőbe helyezzük a lemezt. Ez egy jellegzetes, kék színű lúgos oldat, amiben a Pd gócokról kiindulhat a réz leválasztása, amivel folytonos (a furatfal nem vezető felületére is kiterjedő!) bevonatot érhetünk el. Ezt az eljárást az iparban electroless platingnek nevezik. Láthatjuk, ahogy az oldatba helyezett réz felületén buborékok képződnek. Ez a reakció zajlását jelzi. 5. ábra A kémiai rezezés Az oldatból kiemelve mikroszkóp alatt meggyőződhetünk róla, hogy a rezezés sikeres volt-e. 6. ábra A háttérben a galvanizálásra szolgáló tápegység, középen a felületkezelő oldatokat tartalmazó kád (a jobb szélén található a dekapír fürdő), bal oldalon a réz galvanizálására szolgáló kád A laboralkalom utolsó nagy feladata a panelgalvanizálás. A lemezekről eltávolítjuk a drótokat, majd hármasával 4
befogjuk a galvanizáló szerszámba, csapvízben leöblítjük, és utána fél percre dekapírozó fürdőbe merítjük őket. A dekapírozó fürdő eltávolítja az esetleg a felületen maradt réz-oxidokat, amik később esetleg nehezítenék a galvanizálást. Innen öblítés nélkül áttesszük a galvanizáló kádba, és a szerszám fülein átdugjuk a katódot, így a lemezeink a fürdőben pozitív töltésű réz ionok céltáblájaként fognak viselkedni, megvastagítva a rézburkolatukat.
7. ábra Fémezett falú furatok
2. alkalom: Maszkolás, rajzolatgalvanizálás, maratás Ez a laboralkalom több munkafolyamatot is magába foglal. Az első technológiai rész a lemez maszkolása, amit a reziszt idő előtti exponálódását megakadályozandó, a pincében végzünk el. Az alagsori helység direkt e célra van kialakítva, piros, illetve sárga színű fénycsövei nem bántják a sárga fény alatti hullámhossztartományra érzékeny negatív rezisztünket. A mérésvezető ekkorra mindenkinek a lemezére laminálógép segítségével felapplikálta a szilárd fotorezisztet, ami esetünkben Riston-fólia. Bár használhatnánk folyékony rezisztet is, a szilárdnak számos előnye van: többek közt nem folyik bele a furatokba, így nem kell külön az onnan történő eltávolítására is odafigyelni, valamint felülete végig egyenletes, így a homogén megvilágítás minden négyzetcentiméterén ugyanannyi idő alatt ugyanannyira fogja exponálni. Mikor a gyakorlatvezető kiosztja a lemezeket, látható lesz, mennyire jó ötlet volt reszelővel megjelölni a lemezek széleit, hiszen máskülönben esélytelen lenne megtalálni azt a lemezt, amivel előző alkalommal annyit dolgoztunk! A maszkolás első lépése a maszkok festett oldalának megtalálása. Ez talán abszurdan hangzik, de a fény hullámtani tulajdonságai miatt amennyiben nem a 5
fotó emulziós oldala néz a lemez felé, úgy a rajzolat vékonyodik, kontrasztossága csökken. Ebben a feliratok nyújtanak segítséget, amelyik oldalról olvasható, az nézzen felénk! Vágjuk le a reziszt lelógó széleit úgy, hogy csak 1-1 centit hagyjunk a széleken! A maszk elhelyezése komoly körültekintést igényel, de a sarkain vannak direkt pozícionálásra szolgáló segédpontok, amikre, ha ügyelünk, hogy a lemez megfelelő furatai fölé kerüljenek, pontos lesz a maszk elhelyezése.
A maszkot még az asztalon celluxszal rögzítsük a panelra, majd ezután szigetelő szalaggal fedjük el a lemez két végét. Ez azért lesz hasznos, mert így a reziszt a lefedett területeken nem kap fényt, és leoldható lesz. Amikor a galvanizáló szerszámba befogatjuk a lemezt, ennek majd hasznát vesszük.
A megvilágítógép tálcájára vákuummal rögzítjük a paneleket, természetesen (?) ezt a gépet a mérésvezető kezeli. A lámpatérben nagy teljesítménnyel világítjuk meg a lemezeket Hg-gőz lámpákkal mindkét oldalról, az exponálási idő lejártáról hangos csengő értesít. Az exponálás végeztével a lemez mindkét oldaláról eltávolítjuk a védő mylar fóliát, majd teljesen levágjuk a reziszt szélét, hogy megkezdhessük a rajzolat előhívását.
6
Bár még nem oldottuk le a fényt nem kapott rezisztet, ám az a terület, amit fény ért, és az, ami a maszk alatt volt, szabad szemmel is jól elkülöníthető.
A megvilágítatlan reziszt szerves oldószerekben, és gyenge lúgokban oldódik. Mi 2%-os nátrium-karbonát oldatot használunk, addig áztatjuk a lemezt ebben, míg szemmel láthatóan leoldódik róla minden, aminek le kell oldódnia. A folyamatot ecsettel, fogkefével gyorsíthatjuk, pótolván a lemezeket az iparban érő mechanikai hatásokat (pl. permet nyomása).
Amikor úgy érezzük, kész van, folyó csapvíz alatt lemossuk a panelt, és szemrevételezéssel ellenőrizzük a munkánkat. Akkor kész, ha a rajzolat teljesen fémtiszta lett.
7
Az előhívott rajzolat fehér fényben.
Ha a képet előhívtuk, kezdődhet a rajzolat galvanizálása. Ehhez először is be kell fogatni a lemezeket – az előző alkalomhoz hasonlóan – hármasával a galvanizáló szerszámba. Ügyeljünk rá, hogy a szerszám fülei egy vonalban legyenek (a katódsín könnyebb behelyezése érdekében), valamint, hogy a három lemez legfelső széle is a kád oldatának szintje alatt legyen!
A jobb felület biztosítása érdekében mindhárom kádba belemerítjük a lemezeket: jobbról balra haladva a mikromaratóba, az öblítőbe, végül a dekapírba.
8
A rajzolatgalvanizálás lényege, hogy csak a reziszt által nem fedett részen vastagítjuk meg a réz rétegét. Ez a terület nem más, mint a huzalozás helye, a galvanizáló fürdőben körülbelül 20-25 um galvánréz kerül erre. A galvanizálás idejét könnyen kiszámolhatjuk az ismert képletből.
A galvánfürdőből kivéve jól látható a rárakódott rézréteg, amiből még a galvanizáló szerszámra is bőven jutott. A réz galvanizálását az ón maszk felvitele követi, amit hasonló módon teszünk meg. A réz anódos kádtól jobbra az asztal túloldalán található az ón galvanizálására szolgáló kád. Ennél a lépésnél fokozottan kell ügyelni a hidrolízis jelenségére: galvanizáláskor nemcsak a galvanizálni kívánt anyag, de más elem, pl hidrogén atomjai is landolnak a katód felületén. A hidrogénatomok először is rideg, matt színű bevonatot képezhetnek a lemezen, ami sok szempontból kellemetlen tulajdonságú, ráadásul buborékokat alkothatnak, amik, ha a körülöttük tovább gyarapodó ónréteg tovább növekszik, zárványokként az anyagban ragadhatnak. Ez rendkívül kedvezőtlen fejlemény lehet később, az újraömlesztéses, vagy a hullámforrasztásnál, ezért a gyártók az Sn-maszkot a maratás után, a lötstopplakk felvitele előtt el szokták távolítani.
9
Hidrogénbuborékok az Sn galvanizálásakor.
A galvanizált ónréteg a lemezen. A rézhez képesti különbség szemmel látható.
Mivel a rajzolatot megvastagítottuk, valamint Snmaszkkal is elláttuk, nincs más hátra, mint eltávolítani az előhívott rezisztet.
10
Mivel az elég stabil polimer vegyület, ezért 5%-os NaOH-t alkalmazunk, ami igen erős lúg, ezért körültekintően engedjük a mérésvezetőt végezni ezt a műveletet! A lemezt pár percre az oldatba tesszük, a leoldást egy kis kefével segíthetjük. A nátrium-hidroxid nem egyszerűen leoldja, sokkal inkább egyben lemossa a rezisztet, ami nyálkás hulladékként az oldatban marad a továbbiakban is, amíg a mérésvezető le nem szűri (azután az oldat ismét használható). Nincs más dolgunk hátra, mint eltávolítani az ónmaszk által nem védett rezet a lemezről. Ez az előző mérés során már látott maratófürdőben történik, amibe egy műanyagkosárra dróttal rögzítve kerülnek a panelek. A rögzítésre azért van szükség, mert az iparban maratásra alkalmazott nyomást most bugyborékoltatással igyekszünk pótolni, ami könnyen kimozdíthatja a lemezeket a kosárból, és abból a maró oldatból igen nehéz lenne kipecázni a lemezeket. Ha kész a maratás, a lemezt a berendezés másik edényében lezuhanyozzuk, majd a mosogatóban további öblítés közben kivesszük a hálóból. Az ónréteg matt felszínét a rajzolat felületéről csiszolópapírral eltávolítjuk. 11
A második labor eredménye: a fotókon látszanak a hibák is, a tesztábrán az összefolyt pad-ek a fotó hibái, a nem elég szép egyenes kontúrok a Riston fólia hiányos tapadásából származnak.
12
3. alkalom: A forrasztásgátló lakk felvitele A rajzolat kész, következő dolgunk forrasztásgátló lakkal bevonni a lemezünket. Mivel a technológiában egyre nagyobb alkatrészsűrűség az elvárás, értelemszerűen egyre nagyobb lesz a rajzolatfinomság is, egyre közelebb lesznek a huzalok egymáshoz. A forrasztásgátló lakk (lötstopplakk) feladata az, hogy megvédje ezt a finom rajzolatot, egyrészt a külső mechanikai hatásoktól, másrészt azt is megakadályozza, hogy a forraszanyag esetleg összefolyjon két huzal, vagy egy pad és egy huzal között, ami – figyelembe véve, hogy az iparban nem ritka a pár miles (néhány tized mm-es) nagyságrend – valós veszély. A forrasztásgátló lakk felvitelére több megoldást alkalmaznak az iparban. Van, hogy – a negatív reziszthez hasonlóan – szilárd fóliaként laminálják a panelre, de szitázva közvetlenül a védőlakkot is nyomtathatjuk a kívánt területre, hogy aztán beégethessük. Ezzel az eljárással szoros rokonságban áll a mostanság egyre inkább előtérbe kerülő ink jet-es, tintasugaras megoldás is (ennek térhódítása a NYHL gyártás számos területére igaz). Mi szitázással fogjuk felvinni a folyékony lakkot, amit fotózás után égetünk bele. A szita alatt lemezünk számára ki van alakítva a hely, kétszeres alátámasztással. Az alsó (a képen vörösesbarna) arra szolgál, hogy a panelt az egyik oldal festése után megfordíthassuk, ne essen kár a friss festésben. A felső (zöldesszürke) réteg a szita védelmét szolgálja, hiszen így egy közel homogén felületen húzhatjuk végig a késünket, nem nyomjuk a vékony szálú szitát a panel éles sarkaihoz.
13
A képen látható, hogy a szitán csak épp egy panelnyi helyet hagytak szabadon nekünk, amin a lakk át tud majd hatolni, így fontos a lemez pozícionálása. Ügyeljünk rá, hogy a lötstopplakk ténylegesen a lemezt érje szitázáskor, mert a panel megfordításakor könnyen változhat a rajzolat és az ablak viszonya! A lötstopplakk kétkomponensű keverék, hő hatására is megszilárdul. Ezért hűtőben tartják, növelve az ún. fazékidejét (a felhasználhatóság időhatárát). Speciális tulajdonsága még, hogy mechanikai nyomásra veszít viszkozitásából, könnyebben átfolyik a szitán, míg nyugalmi állapotában igen sűrű anyag (tixotrop). Ezért fontos, hogy húzáskor minden ujjunkkal egyenletesen tartsuk a szitázó kést (németül Rakel, angolul squeegee, ipari elnevezése a cég orientációjától függ), egyenletes nyomást gyakorolva a lakkra, hogy mindenhol ugyanannyira hatoljon át a szitán. A panel oldalanként két-két réteg lakkot kap, ez azért fontos, mert ennek a szárítása oldható meg úgy, hogy ne fussunk ki a labor idejéből.
14
A lakk hő hatására gyorsabban szilárdul, ezért speciális sínre tesszük a lemezeket, majd a mérésvezető szárítószekrénybe helyezi ezeket, ahol a lötstopplakk 80°C-on 25 perc alatt kikeményedik.
A paneleket a száradás után ismét maszkoljuk, ezúttal azonban olyan maszkokat helyezünk el rajtuk, amik a forrasztó padeket, valamint a furatokat takarják el. A lakk negatív fotorezisztként viselkedik megvilágításkor, ezért a megvilágító készülékben exponáljuk.
Az előhívás híg lúgos oldatban történik, csakúgy, mint a rajzolat kialakítása esetében.
Munkánk végeredménye. 15
4. alkalom: Szerelés, forrasztás Elérkeztünk a gyártás labor utolsó alkalmához, ami nem más, mint eddigi munkánk betetőzése, az áramkör összeszerelése, forrasztása, kipróbálása!
A reflow kemence tálcája szabvány panelméretekre lett kialakítva, ezért, valamint amiatt, hogy a háromfős csoportban mindenki megkapja saját áramkörének alapját, lemezolló segítségével méretre vágjuk a lemezeket. A vágást úgy igyekezzük megejteni, hogy a lemezen jól látható párhuzamos kereteket képző egyenesek közé essen!
16
Az iparban a forrasztópaszta felvitelére alkalmazhatnak acélstencilt, vagy diszpenzeres eljárást. Mi a gyártás kis méreteire való tekintettel utóbbit használjuk. A gépek pedáljára lépve épp egy forrpadre való paszta kerül a diszpenzer hegyére, amit – ügyelve, hogy a padek közepét találjuk el – a pad felületéhez érintve felviszünk a lemezre. Azért fontos a paszta helyes pozícionálása, mert a jól elhelyezett paszta a kemencében a kissé ferde alkatrészt is helyére „rántja”, ellenben a pontatlanul felvitt paszta a jól elhelyezett alkatrészt is magával húzhatja.
Paszta a padek közepén. Ugyanez közelebbről. Láthatjuk a paszta szemcsés szerkezetét; az ugyanis nem más, mint mikroszkopikus méretű forraszanyag golyók és folyasztószer (angolul flux) keveréke.
17
Az igen apró (pár mm-nyi) SMT alkatrészeket nem szabadkézzel fogjuk a panelra helyezni, hanem ún. vákuumpipetta segítségével. A pipetták csövének hátsó vége előtt egy kompresszor levegőt fúj, így a pipetta hegyénél alacsonyabb lesz a nyomás, ami szívóhatást kelt. Ezzel az eljárással a morzsányi SMT ellenállásokat is könnyűszerrel megragadhatjuk. A szívóhatást egy asztalon lévő lyuk eltakarásával lehet „bekacsolni”.
A vákuumpipettán lévő érdesített gyűrű forgatásával állíthatjuk az alkatrész állását. A beületési rajz alapján helyezzük a megfelelő értékű elemeket a jelölt helyekre!
18
Felhelyezett SMT ellenállások a panelen.
Ha minden SMT alkatrészt megfelelően elhelyeztünk a paneleken, az újraömlesztéses kemence tálcáira helyezzük azokat. A kemence programozott hőprofilú, infralámpákkal melegíti automatikusan a megfelelő hőfokra belsejét. Az oldalán lévő kijelzőn nyomon követhetjük mind a szabályozás hatékonyságát, mind a hőprofil végigjárását. A program végeztével a mérésvezető kihúzza a
19
lemezeket a reflow kemencéből, és egy ventilátor segítségével végrehajtódik az intenzív hűtés folyamata is.
Az áramkör az újraömlesztéses forrasztás után. A most következő rész a furatszerelt alkatrészek beforrasztása, amit pákával végzünk.
Az áramkörünk a furatszerelt alkatrészek beforrasztása után.
20
Működés közben az áramkör. Jelzi, ha a telefon épp nincs vonalban…
…vagy épp foglalt.
21
Jó munkát az építéshez!
22
