Kétoldalas, furatfémezett nyomtatott huzalozású lemez készítése Ebben a jegyzetben a Nyomtatott Áramköri Kártyák előállításának főbb műveletei olvashatók úgy, hogy az elméleti ismertetés kapcsolódik a laboron elvégzett műveletekhez. Így remélhetőleg könnyebben tanulható, jobban rögzül az anyag. Itt csak a laborban elvégzett, a kétoldalas NYÁK gyártásához tartozó lépések elméleti alapjai találhatók, sok, elsősorban a többrétegű, HDI technológiák az elméleti anyagban maradtak, és a vizsgára mindkettőből fel kell készülni.
1. Gyakorlat: Panelgalvanizálás. A fő cél a két oldal közötti galvanikus kapcsolat biztosítása a. Először lyukakat kell fúrni, majd ezek falát rézréteggel bevonni. Kb. 5 μm elérése után már csak a rajzolatot vastagítjuk tovább, ez lesz a rajzolat-galvanizálás.
Elméleti alapok Furatkialakítási eljárások Furatok szükségesek a lemezek mechanikai rögzítésére, a rétegek illesztésére, pozícionálására, a furatba szerelhető alkatrészek beültetésére. A két és többrétegű kártyákon a rétegek közötti összeköttetést vezető furatok, viák biztosítják. A furatoknak a kialakításának módjai:
Gépi furás
Lézeres furatkialakítás
Plazmamarás
Kémiai marás
Lyukasztás
A lézeres eljárást a többrétegű szekvenciális kártyák gyártásánál ismertetjük, a három utolsó kevéssé elterjedt. Gépi fúrás Ez a legelterjedtebb eljárás. Az átmenő viák készítése így történik. A folírozott lemezek fúrása több szempontból különbözik a hagyományos fúrási eljárásoktól. A lemez anyaga nem homogén, a viszonylag lágy műgyanta mellett a kemény, erősen koptató hatású üvegszövet található, kívül pedig a réz. A furatok átmérője igen kicsi, az alsó határ ~0,2 mm alatt van, de 0,8 - 1 mm-
Maró és fúrófejek
nél szinte soha nem nagyobb. Az átlagosan 0,5 - 1 m nagyságú táblán tartani kell a közel 0,1 mm-es pontosságot, méghozzá sok táblán egymás után is. A fúrófej anyaga wolfram karbid. Ez kellően kemény, kopás- és hőálló anyag, de meglehetősen rideg. Célunk egyenletes és sima falú furat létrehozása. Ennek feltétele az éles fúró, a nagy fordulatszám, és az, hogy a műanyag a felületén ne melegedjen fel annyira, hogy meglágyuljon, kenődjön. Egy epoxi-üveg hordozó esetében a hőmérséklet nem haladhatja meg a 110Co-ot. A jobb hőelvezetést a kártyák fölé helyezett alumínium fóliával lehet biztosítani.
1
Általában több panelt raknak egymásra, és egyszerre fúrják át. Az egyszerre fúrható rétegek számát a furat hossz/átmérő arány (aspect ratio) szabja meg, ami a korszerűbb gépeknél 7 - 10 között van. Tehát, ha a legkisebb furat pl. 0,6 mm, akkor a panelek össz. vastagsága kb. 5mm lehet, azaz pl. három 1,5 mm-es hordozójú panelből készülhet egy pakett. A pakett a fúráshoz illesztő furatokon keresztül összeszegecselt lemezekből összeállított egység. A legalsó réteg egy vékony pozdorja lemez, amely megakadályozza a sorja képződést, legfelül pedig az említett Al fólia található. Az alsó kimeneti lapnak természetesen még az is a szerepe, hogy a fúrófej ne a fém munkaasztalba érkezzen a művelet végén. A szükséges pontosság és termelékenység CNC fúrógépekkel érhető el. A tervezéskor a rajzolat mellett külön elkészíthető a furatok terve is, amely alapja a gépet vezérlő programnak (Excellon fájl). A fontos paraméterek: a furat koordinátái, a mérete, mélysége és esetleg a fúrás sebessége. A munka során a gép automatikusan cseréli a fúrófejeket. Fontos a törés észlelése; egyszerűbb esetben ez úgy történik, hogy az adott méretből utoljára a lemez szélére fúr egy lyukat, csak ennek meglétét kell ellenőrizni. A korszerűbb gépekben a A fúráshoz összerakott pakett (nem méretarányos)
fejcsere során kamerával ellenőrzik a régi épségét és az új méretét. Léteznek egy és többfejű fúrógépek is.
Fúrógép működés közben, és a kifúrt lemez részlete Lézeres és plazmamarásos fúrást a mikroviák készítésére használnak. Az eljárásokat a többrétegű NYÁK gyártás során ismertetjük. Lyukasztás: A lyukasztás a legegyszerűbb mód. Szükség esetén nem csak kör, hanem négyszögletes, vagy ovális formában tudunk így lyukakat készíteni. Illesztő, pozícionáló, szerelő lyukak készítésére alkalmas módszer. A furatfal alkalmatlan a fémezésre, ezért via így nem készíthető.
2
A felület előkészítése A fúrást követő lépés a furatfémezés. Ennek során a furatok falára valamint a teljes panelre rézréteget választunk le. Mint minden rétegfelviteli eljárásnál, itt is kulcsfontosságú a felület tisztaságának, egyenletességének biztosítása, mert ez az új réteg egyenletes tapadásának feltétele. Ezek a műveletek részben kémiai, részben mechanikai eljárásokat foglalnak magukba. (Ezek a lépések a gyártás során többször ismétlődhetnek, ezért itt összefoglaljuk a fontosabb felülettisztítási módszereket.)
Mechanikai tisztítás
A kefés tisztítás a leginkább használatos felülettisztítási eljárás. Miközben a réz felületét is alakítja, érdesíti, a felületi szennyeződést is eltávolítja. Ezek a tisztítógépek általában párokban lévő forgó hengerekből állnak, hogy egyszerre tudjuk tisztítani a paneljeink alsó, és felső felületét. A hengerek két fő fajtája a nylon sörtés kefe, és a tömör kefe. A sörtés kefe hengeréről nagyon sűrűn nylon szálak állnak ki
A felülettisztító gépekben használt kefék körbe. A dörzsölő anyag ezeknél a keféknél általában szilícium különböző méretűek és keménységűek karbid (SiC), amit a szálak anyagába impregnáltak bele. A tömör kefék anyaga pedig koptató, kötő és szálas anyagokból álló kompozit. A hengerekre vizet permeteznek, ami hűti a forgó keféket, és kimossa, továbbszállítja az eltávolított szennyeződést és rezet a szűrők felé. A víz tisztaságát és pH-ját rendszeresen ellenőrizni kell. Az elfolyó víz rezet, rézoxidot is tartalmaz, ezért csatornába nem engedhető. Jó megoldás, ha ülepítés után a vizet visszaforgatjuk, a maradékot pedig a réztartalom kinyerésére továbbadjuk. Tisztítás habkővel, alumíniumdioxiddal A habkő egy szilikát ásvány, porózus, nem túl kemény anyag, egyéb felhasználás mellett kiváló koptató hatású tisztító anyag. Szemcsés, pórusos szerkezete látható az ábrán. A szemcsék átlagos mérete 60 µm. Habköves mosást végezhetünk:
kézzel, egy kefe segítségével,
géppel, amelyben a dörzshengerhez hasonló, de lágyabb sörtéjű kefék között tisztul meg a NYÁK felülete
habkősugár géppel, amelyben habkövet tartalmazó vízsugár takarítja le a felületet
Egy habkő szemcse csiszolata
és egy kefés felülettisztító gép
3
Kémiai felületkezelések Zsírtalanítás: Bármilyen következő réteg fotoreziszt fólia, galvanizált fém egyenletes tapadásának feltétele, hogy a felület zsírtalanított legyen. Korábban szerves oldószereket használtak, azonban ezek nagyobb környezetterhelése, egészségkárosító hatása és tűzveszélyessége miatt zömében tiltottak. Ma leggyakrabban lúgos zsírtalanítókat alkalmaznak. Ez lehet híg nátrium-hidroxid (NaOH), vagy szóda (Na2CO3). A felületaktív anyagok szintén jó zsírtalanító hatásúak. Ezek mosószer jellegű anyagok, lehetnek savas és lúgos kémhatásúak, manapság inkább a savas a népszerűbb. A zsírtalanító fürdőt alapos öblítés követi. Mikromarás: Elsődleges cél a felület finom érdesítése, ezáltal a következő réteg jobb tapadásának elősegítése. Az érdesedés azért következik be, mert a marás gyorsabban halad a szemcsehatárokon, mint a krisztallit belsejében. (A félvezetőgyártásban a hasonló marási eljárás másik nagyon fontos célja, hogy a néhány atomnyi vastag felületi réteg eltávolítsák, amely szennyezettebb, több hibát tartalmaz, mint a tömbi kristály.) A mikromarásra elvileg ugyanazok a maratószerek alkalmasak, mint a rajzolat marására, leggyakrabban ammónium-perszulfátot ((NH4)2S2O8) vagy nátrum-perszulfátot (Na2S2O8) használnak. A kisebb marási sebességet a hígabb 10 - 15%-os oldat biztosítja. Oxidmentesítés (dekapírozás): A réz felületén könnyen képződik egy vékony oxidréteg, akár a levegő hatására, még inkább a mikromarató maradványainak eredményeképp. Ha pl. erre visszük fel a fotoreziszt fóliát, és így egy savas fürdőbe tesszük, akkor az oxidot fel tudja oldani a híg savas oldat is. Megszűnik a tapadás a két réteg között, és a következő lépésben pl. a galvánfürdő, vagy a maratószer juthat be a reziszt által lefedett területre, ami rövidzárat vagy szakadást is okozhat. Ezért a dekapírozás a mikroérdesítést kötelezően követő lépés. Leggyakrabbak 10%-os kénsavval történik, ritkábban sósavval.
Fémbevonatok A NYÁK technológiában gyakorlatilag csak vizes oldatból történő rétegkészítést alkalmaznak, azaz valamilyen oldott fémvegyületből redukálják a fémet. A fém ionos formában van a vízben, ebből redukcióval – elektron felvételével – válik semleges fémmé:
Men+ + ne- → Me Me (metall) általában egy fém, n db pozitív töltéssel. Attól függően, hogy milyen módon kapja meg a fém a hiányzó elektronokat, háromféle módszert különböztethetünk meg:
Galvanizálás (elektrolizálás, galvanic plating): villamos áram biztosítja a szükséges töltést,
Redukciós fémezés (kémiai fémezés, elektroless plating): kémiai reakcióban egy redukálószer adja át a szükséges elektron(ok)at,
Immerziós fémezés (immersion plating): egy csere-reakcióban egy másik fémtől kapja meg a hiányzó elektron(ok)at.
4
Mindhárom eljárást használják a NYÁK technológiában, úgyhogy ismerkedjünk meg velük, felkészülve arra is, hogy egy kevés kémiai ismeret is szükséges lesz.
Galvanizálás: A legismertebb, széles körben használható eljárás, gyakorlatilag minden technikai fémből lehet így réteget készíteni. Egyetlen feltétel, hogy a bevonandó felület vezessen A sematikus ábrán látható, hogy a bevonandó fémet katódként kapcsoljuk, az oldat (elektrolit) a bevonó fém vegyületét tartalmazza, és az anód anyaga pedig általában (de nem kötelezően) szintén a bevonó fémből van. Az elektrolit pozitív fémionjai a villamos tér hatására vándorolnak a katód felé, a felülethez érve pedig megkapják a hiányzó elektronokat, semleges atommá alakulnak és beépülnek a felületi rétegbe. A cellán átfolyó töltéssel arányos mennyiségű fém tud semlegesítődni, tehát ezzel szabályozható a rétegvastagság. Ezt írja le a Faraday törvény:
m=kIt
a k elektrokémiai állandó helyett M/zF és az m tömeg helyett ρ A d kifejezéseket használva kapjuk a:
𝝆𝑨𝒅=
𝑴𝑰𝒕 𝒛𝑭
összefüggést, ahol: ρ: a fém sűrűsége
A: a felület nagysága
d: a rétegvastagság
M: a fém móltömege
I: áramerősség
t: idő
z: a fémion töltésszáma (1, 2, 3)
F: Faraday állandó = 96500C/mól
Ebből számolható a rétegvastagság vagy a kívánt rétegvastagsághoz szükséges áramerősség és idő. Galvanizáló berendezés: Az ipari gyakorlatban galvanizáló sorokat állítanak össze, amelyben az előkezelő, galvanizáló és öblítő fürdők együtt megtalálhatók. A panelokat keretekre rögzítve egy konvejor rendszer szállítja a gyártóprogram szerint.
A galvánsor és a sorról kijött munkadarabok. A bal oldali az ónozás, a jobb oldali a réz galvanizálás után. A kék területeken a Riston fólia van.
5
A galvánfürdők fő alkotói a következők:
a felvinni kívánt fém sója (általában szulfát, pl. CuSO4, SnSO4)
kénsav (pH savasan tartása és a vezetőképesség növelése)
adalékanyagok (fényesítő, szemcsefinomító, depasszivátor az anód védelmére, stb.)
nemesfémeknél megengedett a lúgos, cianidos fürdők alkalmazása, mert csak így lehet a kellő töménységű oldatot elkészíteni.
A fürdők rendszeres karbantartást igényelnek, meghatározott (Ah-ban mért) terhelés után ellenőrizni kell, és ha szükséges, pótolni a hiányzó komponenseket. A jól gondozott fürdő több éven keresztül használható. Az anód anyaga tiszta fém, néha speciális ötvözet (pl. a NYÁK rezezéséhez foszfor tartalmú anódot használnak), és a nemesfémek esetében valamilyen olcsóbb, nem oldódó fémet választanak (pl. aranyozáshoz titánt). A fürdő élettartamát növeli, ha az esetleg elporladó anyag felfogására műszálas szövetből anódzsákot készítünk. Az elektronikai iparban leggyakoribb galvánbevonatok:
réz:
NYÁK panel, rajzolat és furatgalvanizálás, vezetőréteg
„hízlalás”. Így készül maga a fólia is, egy forgó hengerre épül a réteg, az áramsűrűséget és a forgási sebességet úgy állítják be, hogy egy fél fordulat alatt pont a szükséges (35, 18, 70 m) vastagságú réteg készüljön.
ón:
NYÁK maratásálló maszk készítés
nikkel:
NYÁK felületkikészítés, kontaktusfémezés, átmeneti
réteg aranyozás alá, rétegellenállás
arany:
kontaktusfémezés
Néhány galvántechnológiai fogalom: Áramkihasználás: a valóságban kivált hasznos anyag tömege és a Faraday törvényből számított tömeg hányadosa. Amennyiben jelentősen kisebb 1-nél (100%-nál), annak oka általában az, hogy nagyobb galvanizáló feszültség, nagyobb áramsűrűség alkalmazása esetén nem csak a kívánt anyag válik ki a katódon, hanem más is. Ez leggyakrabban hidrogén, mivel az vizes oldatban mindig jelen van, és kiválasztásához nem kell nagy többletfeszültség. A hidrogénkiválás fő baja nem is az áramhasznosítás csökkenése, hanem a bevonat minőségének romlása. Porózus, matt, néha fekete lesz a felület, a tapadása romlik, beépülve a fémszerkezetbe pedig rideggé teszi azt.
6
A fürdők adott áraműrűség-tartományban tudnak szép, egyenletes bevonatot produkálni, ez általában 1 – 5 A/m2. Túl kicsinél szemcsedurvulás valószínű és lassú a folyamat, túl nagynál pedig más ionok együttleválása rontja a réteg minőségét. Szóróképesség: a galvánfürdőknek azon tulajdonsága, hogy mennyire képesek elsimítani a katód áramsűrűségének helyi ingadozásból származó bevonat-egyenetlenségeket. Megkülönböztetünk makro- és mikro áramszóróképességet. Makroszórás vagy primer szórás: Akkor alakul ki, ha az anód és a katód felülete nem párhuzamos, így az áramsűrűség sem lesz egyenletes. Ez a helyzet pl. alakos katód esetében és a folírozott lemez furataiban is. A fürdő makroszórását helyes anód-elrendezéssel és vezetősó alkalmazásával lehet javítani. Mikroszórás vagy szekunder szórás: Az áramsűrűség ingadozást a bevonandó tárgy felületi egyenetlenségei okozzák. Lyukak, karcolások mentén csökken, élek, kiemelkedések közelében a csúcshatás miatt jelentősen megnő az áramsűrűség. Ennek hatására itt gyorsan megindul a fémkiválás, de ettől hamar kiürül a csúcs közvetlen környezete a leválasztandó fémionból. Ennek következtében helyileg megnő a leválási potenciál (polarizációs potenciál). A rétegépülés ezért itt leáll, és csak ott folytatódik, ahol a leválási potenciál alacsonyabb, azaz a mélyedésekben, sík felületen. Tehát a jó mikroszórású fürdő csökkenti a felületi érdességet, sima, esetleg fényes bevonatot hoz létre. A mikroszórást azok az adalékok javítják, amelyek a túlfeszültséget növelik. Ilyenek a komplexképzők (pl. ammónia, cianid, de utóbbit mérgező volta miatt ma már csak néhány nemesfém fürdőben használják), felületaktív anyagok, glicerin. Polarizációs potenciál: Ha egy galvanizáló cellát készítünk, azzal egy galvánelemet is készítettünk. Ennek elektromotoros ereje a két elektród elektródpotenciáljának különbsége. Ha galvanizálni akarunk, ellentétes irányú áramot kell a cellán átbocsátani. Ehhez nyilván legalább akkora ellentétes feszültséget kell a cellára kapcsolni, mint annak az elektromotoros ereje. Ezt nevezzük a cella bomlásfeszültségének. (Lehet 0V is, ha mindkét elektród ugyanaz a fém, és a katód- anódtér nincs elválasztva) Egyensúlyi esetben végtelen kis áram folyhat át a cellán. Ha növeljük az áramerősséget, a határrétegek állapota is megváltozik, az ionok kiválásához többlet munkavégzés szükséges, ami abban nyilvánul meg, hogy többlet feszültség kell az elektrolízishez. (W = QU ismeretében ez könnyen belátható) Ezt a jelenséget (elektród)polarizációnak nevezzük, az egyensúlyi potenciálhoz képest mérhető növekményt túlfeszültségnek (). Upol = E + Általában a katódon mindig az a pozitív ion válik ki, amelyik kilépéséhez a legkisebb munkavégzés (=polarizációs potenciál) szükséges. Előfordulhat, hogy a túlfeszültség annyira megnő, hogy eléri a polarizációs potenciál az oldatban levő más ion polarizációs potenciálját, és ettől kezdve azonos eséllyel válhat ki a két ion. Vizes elektrolitokban leggyakoribb, hogy a hidrogén követi a fémet a kiválási sorban. Érdemes megjegyezni, hogy a makroszórásnál említett vezetősó azért alkalmazható, mert a szokásosan használt Na2SO4, MgSO4–ben levő fémionok leválási potenciálja olyan magas, hogy soha nem fognak kiválni a katódon, miközben a fürdő ellenállását hatásosan csökkentik.
7
Redukciós fémezés: Ennek az eljárásnak a legfontosabb előnye, hogy szigetelőanyagokra is készíthető így fémbevonat, ami szükség esetén galvanikusan tovább vastagítható. Egy oldatban kell összehozni a kiválasztandó fémet és egy közepesen erős redukálószert (leggyakrabban formaldehid) és egy stabilizátort, ami az idő előtti reakciót megakadályozza. A fémkiválásnak csak akkor szabad megindulni, ha az előkezelt, aktivált munkadarabot behelyeztük a fürdőbe. Az anyagválaszték elég szerény, csak néhány fémből készíthető réteg kémiai redukcióval:
réz:
a furatfémezés legelterjedtebb módja, formaldehides oldatból szobahőmérsékleten, 5 -10 perc
alatt 1 - 2µm vastag réteg épül, ami már elegendő alap a galvanizáláshoz
nikkel:
felületkikészítő eljárásoknál az arany alá elválasztó rétegként használjuk, illetve régebben kerámia
hordozóra leválasztva diszkrét rétegellenállást készítettek így
ezüst:
palládium:
a tükrök bevonata is így készül, a NYÁK gyártásban inkább immerziós ezüstöt használnak a redukciós réz alá, a felület aktiválására választják le, nem is összefüggő rétegként, de a
folyamat itt is hasonló, a redukálószer Sn2+. A teljesség kedvéért meg kell említeni, hogy a furatfal vezetővé tételére (making hole conductiv) az említett kémiai rezezésen kívül más eljárások is ismertek és használatosak: „Black hole”: a furatokon grafit szuszpenziót préselnek át, és a falra rászárított grafit már elegendő vezetőképességgel rendelkezik a galvanizáláshoz
A furatfémezés lépései: 1. Fúrás, felület előkészítés, aktiválás, 2. Vezető réteg felvitele, 3. Réz galvanizálása a furatfalra (és a panelre is) jobbra: fémezett falú furat „Direct plating”: a redukciós rezezés alá használt Pd bevonatot vastagabbra, összefüggőre készítik, így ez a réteg már galvanizálható Vezető epoxi: a falon vékony epoxi réteget hoznak létre és ezt forró kénsavas kálium-permanganát oldattal kezelve vezetővé válik.
Immerziós fémezés: Ez mindig egy csere reakció; egy kevésbé nemes fémet (negatívabb elektródpotenciálút) egy nemesebb fém oldatába merítjük. Az oldatban levő megkapja a szükséges elektronokat, redukálódik és semleges fémként kiválik a felületre. Leginkább a forraszthatóságot biztosító felületkikészítő rétegek készülnek így:
8
közvetlenül a rézzel cserél: 2Ag+ + Cu → 2 Ag + Cu2+
Ezüst:
Jól forrasztható, viszonylag olcsóbb bevonatot ad. Vastagsága 0,15 – 0,45 µm
Arany:
az alá rétegezett nikkellel cserél helyet. 0,05 – 0,2 µm vastagságban készíthető, többször
forrasztható, hosszú ideig stabil réteget képez.
1. laborgyakorlat Alapanyag: 2 oldalas, 18μm rézzel folírozott lemez Fúrás
(méretre vágott, kifúrt lemezekkel indulunk)
Furatfémezés Cél, a folírozott lemez lyukainak falára vezető, jól forrasztható réteg felvitele. A furatok falára felvitt fémréteg biztosítja a két réteg közötti galvanikus összeköttetést. A rétegnek jól tapadónak és elegendően vastagnak kell lenni. A tapadást a bevonandó felület gondos előkészítésével és a finomszemcsés galvánréteggel érhetjük el, míg a megfelelő rétegvastagságot a jó szóróképességű fürdőben a kellő ideig végzett galvanizálással biztosíthatjuk. A furatfémezést több szakaszban végezzük, ezek a következők:
Redukciós rezezés:
A szigetelő felületre (furat belső fala) kémiai redukcióval nagyon vékony, (0,5 -
1m) rézréteget választunk le
Panelgalvanizálás:
A már vezető felületen (és a panel teljes felületén) galvanikusan vastagítjuk a
rézbevonatot, kb. 5 - 8m-ig
Rajzolatgalvanizálás:
Negatív maszkolás és előhívás után csak az áramköri ábra és a furatok maradnak
szabadon, ezen a területen tovább vastagítjuk a fémréteget, kb. 15 m réz és kb. 5 – 10m ónréteg galvanizálásával
A redukciós rézleválasztás lépései a következők:
A lépés neve Mechanikai tisztítás
Célja
A művelet leírása
Ideje
Öblítés Mikroérdesítés Öblítés Dekapírozás
Szükség esetén finom dörzspapírral, csiszolóporral végezzük Lehet szárazon és nedvesen is Az egyenletes tapadás Cleaner BuzzR felületaktív anyag vizes oldatában, kb 2 perc biztosítása 30°C Itt és minden további kezelőoldatban biztosítani kell, hogy az új oldat átmossa a furatokat, ezért a lemezek gyakori furatirányú mozgatása szükséges Folyó csapvízzel, alaposan Nagyobb tapadási felület Kénsavas ammóniumperszulfát oldatban 1 perc létrehozása H2SO4 + (NH4) 2S2O8 Desztillált vízben Oxidréteg eltávolítása 0,5 perc 10%-os HCl oldatban
Öblítés
A következő oldatok védelme
Zsírtalanítás
Durva szennyezés, oxid eltávolítása
Csapvíz majd desztvíz
9
Aktiválás
A felület előkészítése, a Pre dip oldatban palládiumos fürdő védelme, Sn 2+ ionok megkötése a felületen
Kolloid méretű Pd gócok leválasztása a felületre Kolloid bontás Az aktiválófürdő védőkolloidjának eltávolítása Öblítés Kémiai réz A Pd gócokról kiindulva Cu leválasztása, folytonos bevonat képezése
Öblítés
3 perc
Pd-os aktiváló oldatban
6 perc
3% HCl oldatban
3 perc
Desztvíz Rezező fürdőben 8 – 10 Az oldat lúgos, a Cu komplex vegyület formában van perc jelen. A redukálószer formaldehid, de a stabilizátor miatt a reakció csak akkor indul be, ha az aktivált felülettel találkozik Csapvízzel majd bő folyóvízzel
Az elkészült panelt szemrevételezéssel ellenőrizzük, elsősorban azt, hogy a furatokban megtörtént-e a fémleválás.
Panelgalvanizálás: Megmérjük a lemez oldalait és kiszámítjuk a panel felületét. A lemezt befogjuk a galvanizáló szerszámba, csapvízben leöblítjük és utána fél percre a dekapírozó fürdőbe merítjük. Innen öblítés nélkül áttesszük a galvanizáló kádba és katódként kapcsolva 1 A/dm2 áramsűrűség mellett 25 percig galvanizálunk. (A galvanizálás alatt is előírás a folyamatos katódmozgatás, ezt a laborban alkalmanként kézzel kell pótolnunk) Számítsuk ki a valós beállított értékekkel a rétegvastagságot! Számolhatunk 100%-os áramkihasználással. Adatok:
M: 63,5 g/mol,
Emlékeztetőül a Faraday törvény:
= 8,9 g/cm3,
m
F = 96500 As/mol, z = 2
MIt kIt zF
10
2. Gyakorlat: Fotolitográfia, rajzolatgalvanizálás, maratás Elméleti alapok Fotolitográfia Azok az eljárások tartoznak ide, amelyekben a képi információ, az ábra átvitele valamilyen fényérzékeny réteg segítségével, fototechnikai úton történik. A fényérzékeny anyagot itt fotorezisztnek nevezzük, ami arra utal, hogy megvilágítás hatására megváltozik az oldhatósága, ellenálló-képessége valamilyen oldószerrel (előhívóval) szemben. A legáltalánosabb rajzolat kialakítási technológia, ami elsősorban a szinte korlátlan felbontóképességének köszönhető.
Alkalmas
a
100
µm
alatti
finomságú NYÁK rajzolattól kezdve a 10 nm közeli
félvezető
maszkolására.
áramköri
elemek
A két kulcstényező a reziszt
anyaga és az optikai rendszer. Ahogy csökken a jellemző
méret,
egyre
rövidebb
hullámhosszúságú fény szükséges, ahhoz pedig új fényérzékeny anyagokat és új megvilágító rendszereket kell alkalmazni. Ez különösen az IC technológiában nagy kihívás, hiszen itt a fejlődés egyik kritériuma a méretek folyamatos csökkentése. Működési módjuk szerint lehetnek pozitív és negatív rezisztek, aszerint, hogy az eredeti ábrát vagy
annak
ellentettjét
kapjuk
a
megvilágítás után.
A pozitív és negatív fotorezisztek működési elve
Pozitív Működés
Fényérzékenység Exponálás Előhívás Sztrippelés
Negatív
A megvilágítás hatására a polimer A megvilágítás hatására láncmolekulák molekulák feltöredeznek, ezeknek a összekapcsolódnak, térhálósodnak, ezeknek a területeknek az oldhatósága jelentősen területeknek az oldhatósága jelentősen megnő lecsökken UV-ra érzékeny, a látható tartományban UV-ra és a rövidebb hullámhosszú láthatóra nem érzékeny (~540 nm alatt) Bármilyen UV lámpával, de ajánlott a nagynyomású Hg-gőz lámpa (365 nm) Híg NaOH oldat (5 g/l) Túlhívásra érzékeny Szerves oldószer (pl töményebb NaOH
alkohol),
1 - 2%-os Na2CO3 oldat Túlhívásra nem érzékeny vagy 5%-os NaOH
11
A fényérzékenység pontosabban jellemezhető a hullámhossz szerinti (spektrális) érzékenységgel. Az ábrán egy hagyományos negatív reziszt görbéje látható. Fontos megjegyezni, hogy a megvilágítás hatására
a
felület
gyorsabban
és
lassabban oldódó területekre oszlik, nem pedig oldható és nem oldható részekre. Azaz mindig gondolnunk kell a túlhívás veszélyére, ami jobban fennáll a pozitív rezisztek esetében, míg a negatívoknál valóban elég nehezen oldódik le az exponált terület.
Folyékony és szilárd rezisztek Kezdetben folyékony anyagokat használtak. Ezeknél fontos az egyenletes rétegfelvitel. Jó eredményt ad a centrifugálás, némi gyakorlattal a porlasztás. Újabban terjedt el a szitanyomtatás (részletesen később), amelyhez nagyobb viszkozitású alapanyag kell. A legnagyobb termelékenységű, és egyben a legjobb bevonatot is a folyadékfüggönyös eljárás adja.
A folyadékfüggönyös bevonatkészítés és a szilárd rezisztfólia rétegei
A folytonos függönyt képező folyadékon keresztül nagy sebességgel átlövik a lemezeket, miáltal egy adott vastagságú egyenletes bevonat keletkezik. Minden rétegfelvitelt szárítás követ. Ha a gyártó nem ír elő más paramétereket, a szokásos szárítás 80°C-on 10 percig tart. A szilárd reziszteket a kétoldalas technológia igényei miatt kellett kifejleszteni. Legfontosabb előnyei:
Egyenletes rétegvastagság, ha kell, vastagabb, mint amilyent folyékonyból meg lehet valósítani. Rajzolatgalvanizáláskor az ónnal együtt 25 – 30 µm-es réteget visznek fel, ennél kell a szilárd rezisztnek vastagabbnak lenni, hogy a „gombaképződést” megelőzzük.
Kétoldalas NYÁK esetében nem folyik be a furatokba.
12
Kevesebb technológiai lépésből megvalósítható.
A rétegelvitel laminálással történik. A panelt tisztítás, zsírtalanítás és finom érdesítés után a lamináló gép hengerei közé tolják, ott két oldalról rásimul a fólia. A fűtött hengerek felmelegítik a fóliát, rányomják a felületre, és a kicsit meglágyult reziszt jól rátapad a NYÁK felületére. A hengerek hőmérséklete kb. 100 - 115°C, segíti a tapadást, ha a lemezt is előmelegítjük. A jó rétegfelvitelt befolyásoló paraméterek:
A lamináló hengerek, a panel hőmérséklete
A hengerek nyomása
Sebesség
A fólia vastagsága
A panel tisztasága
A rossz tapadás eredménye, hogy ellapult, alig észrevehető légbuborékok (void) maradnak a fólia alatt. A túlbiztosítás is kockázatos, nagyobb nyomás, főképp magasabb hőmérséklet hatására úgy térhálósodhat az anyag, mintha exponáltuk volna, és ezáltal már nem lehet előhívni a rajzolatot.
Laminátor
Kétoldalas, 5kW-os megvilágító
Levilágítás (exponálás) A leggyakoribb a kontakt levilágítás, ez esetben a rajzolatot tartalmazó filmet pozícionáló jelek (fiducial) segítségével rögzítik a panelhez, behelyezik a megvilágító gépbe, vákuummal rászorítják a filmet, megelőzendő az alávilágítást. Így tolják be a lámpák közé, ahol a beállított ideig exponálódik. A szokásos reziszteknek viszonylag kicsi a fényérzékenységük, így a megvilágítási idő perc nagyságrendű, több kW-os lámpák mellett. Az újabb levilágítási rendszerek fejlesztésével a következő célokat szeretnék elérni:
A pontosság, kihozatal javítása; a maszk illesztése ne kézi munkával történjen
A termelékenység, a berendezés áteresztő-képességének növelése
A felbontóképesség megtartása vagy javítása
13
Mindezeket a lézeres vetítős levilágító berendezésekkel lehet elérni. Itt már nem érintkezik közvetlenül a maszk és a panel. A hagyományos fotorezisztek használhatók, a panel befogásával a pontos illesztés is biztosítható.
A lézeres vetítős és a lézeres közvetlen levilágító(direct imaging) rendszer sematikus képe A következő lépés a maszk teljes elhagyása (közvetlen levilágítás). Ez esetben a lézernyalábot a rétegrajz terve szerint modulálják és vetítik a panelre. A módszer előnye a pontosság és a rugalmasság, ezért kis sorozatok gyártására is alkalmas. Ugyanakkor, mivel a nyaláb végigrajzolja a vonalakat, az áramkör bonyolultságától fog függni a műveleti idő. Továbbá, hogy mégis elég gyorsan tudjon rajzolni, a szokásosnál jóval érzékenyebb fotoreziszt szükséges hozzá. Előhívás Az előhívási fázisban, a negatívan működő fóliánk esetében, eltávolítjuk a nem kívánatos, meg nem megvilágított részeket (pozitívnál a megvilágítottat). Kritikus lesz az előhívási idő, mivel különösen a pozitív rezisztek esetében elég szűk a mezsgye az alul és a túlhívott állapot között. Alulhíváskor egy alig látható fátyol marad a rézen, ami miatt nem tapad a következő galvánréteg. Természetesen, ha túlhívjuk, onnan is lejön a maszk, ahol még védeni kellene a felületet, szakadás lesz, ha pozitív anyagot használtunk, vagy rövidzár, ha negatív a reziszt és utána galvanizálunk. Mivel a negatív rezisztek kevéssé érzékenyek a túlhívásra, ezért az ipari gyártásban úgy állítják be a hívási időt, hogy kb. 60%-nál már gyakorlatilag kész legyen az előhívás, a maradék idő már csak biztonsági rátartás. Az előhívó oldatot 1,5 – 2 bar nyomással porlasztják a felületre. Utána öblítés következik, vízzel vagy híg savval. Utóbbi gyorsabban leállítja a hívást. Sztippelés A technológiai sorban nem ez a következő lépés, az előhívott rajzolatra vagy galvanizálunk, vagy lemarjuk a szabadon hagyott rézfelületet. Csak ezután következik a maradék reziszt eltávolítása (sztrippelés). Erősen lúgos oldat alkalmas erre, pl. 5%-os NaOH.
14
Maratás A maratással kémiai úton távolítjuk el azokról a helyekről a rézréteget, ahol nincs rá szükségünk. Így a maratás után már csak a vezetőpályákon és a furatokban található réz a kártyán. A kémiával szembeni tartózkodás sokakat késztetett arra, hogy más megoldásokat keressenek. A mechanikus marás minőségileg megfelelő, de inkább csak prototípusoknál célszerű, ugyanis a művelet ideje függ az ábra bonyolultságától. Ez sorozatgyártás esetén igen nagy előny a kémiai marás oldalán, így az ipar még ezt használja. Ez mindig egy oxidációs folyamat, az elemi rézből vegyületet kell készíteni, ilyenkor egy vagy kétszeresen pozitív ion keletkezik (elektronleadás = oxidáció). A keletkezett vegyületnek még oldhatónak is kell lenni, mert el kell távoznia a felületről, hogy a következő réteghez is hozzáférhessen a maratószer. A réz sók savas közegben Cu++ ion formában jól oldódnak, lúgos közegben pedig akkor, ha ammónia jelenlétében komplex iont képezhetnek Cu[(NH3)4]++ (réz-tetrammin ion). Tehát a jó maratószernek elég erélyes oxidálószernek kell lenni, mert a réz elég stabil fém, ezen kívül pedig savas vagy lúgos pH-júnak kell lenni. Számos lúgos és savas maratószer is létezik. Ezek közül a legelterjedtebbek:
Vas (III) klorid Ammónium perszulfát Réz klorid Kénsav - hidrogén peroxid Réz tetrammin (lúgos)
FeCl3 (NH4)2S2O8 CuCl2 H2SO4 – H2O2 [Cu(NH3)4](OH)2
A maratás folyamata A maratás sebességét, és a maratott kártyák minőségét is az alkalmazott eljárás, és a felszerelés is nagymértékben meghatározza. A két legelterjedtebb maratási módszer a merülő, és a szállítószalagos maratás. A merülő megoldás az egyszerűbb. Itt egy tartályban tárolt melegített maratószerbe merítjük a kártyákat. A szállítószalagos eljárás során egy zárt gép belsejében szállítjuk egy futószalagon a kártyákat, miközben maratószer permeteződik a felületükre. A NYÁK iparban ez az elterjedtebb, mivel gyorsabban lehet lemaratni a kártyákról a rézréteget, ezáltal jobban alkalmazható a nagy szériás gyártásokban. Permetező maratógép: A gép aljában található egy elzárt rész, ahol a maratószert tárolja és melegíti a kívánt hőmérsékletre. A maratószer motoros szivattyú segítségével jut el a permetezőkarokig, amik a maratókamra teljes hosszában és szélességében képesek szétszórni az oldatot. A permetezőkarokat a szállítószalag fölött és alatt is elhelyeznek, hogy a kártyák mindkét oldalát egyszerre lehessen maratni. Miután a kártyákat lemarattuk, átkerülnek az öblítő kamrákba. Itt lemossuk kisebb koncentrációjú maratószerrel, illetve vízzel a kártyákon maradt maratószert. Általában kétkamrás gépekkel dolgoznak a gyártók. Az első kamrában mossuk le a rézréteg nagy részét egy kisebb koncentrációjú maratószerrel. Ez azért fontos, mert az itt összegyűlt folyadékot visszaforgatják a maratószerbe, ezzel töltjük fel/pótoljuk a maratókamrában használt oldatot. Egy kaszkád rendszerben sorba kapcsolt kádakat kell elképzelni. Egy adagoló segítségével a kívánt mennyiségű maratószer folyamatosan utánpótlásra kerül. Miután már a réz nagy része lemosódott, jön a vizes tisztítás. Környezetvédelmi, és hulladékkezelési szempontból is fontos, hogy az öblítővíznek ne legyen nagy réztartalma.
15
Maratógép: A gép elején behelyezzük a kártyákat, amik görgőkön haladnak tovább. Látható, hogy egymástól elkülönített kamrákban történnek a technológiai lépések. Kritikus változók Hogy állandó, és kiszámítható eredményt kapjunk az összes kritikus változót szükséges folyamatosan mérni, és kontrollálni. Koncentráció: A maratószerek koncentrációja nagyban befolyásolja a maratási teljesítményt. Figyelni kell az állandó pótlásra. Hőmérséklet: A hőmérséklet változtatásának közvetlen ráhatása van a végeredményre. Ha növeljük a maratószer hőmérsékletét, felgyorsítjuk vele a folyamatot, de egy bizonyos pont után ez már a minőség romlásával is jár. A maratószerek nagy része elkezd bomlani (réztetramin, hidrogénperoxid), másrészt a szerkezeti anyagok (pl. PVC) is károsodnak. Nyomás: Általában 1,5 -2 bar nyomás az ideális. A túl magas nyomás megváltoztathatja a kártyák egyenletes mozgását a szállítószalagon. (Túl nagy nyomás alulról megemelheti a kártyát.) A permetezőkarok nyílásait időként tisztítani kell, mert ha eltömődnek a kimenetei, akkor egyeletlen lehet a maratása a kártyáknak. Sebesség: A szállítószalag sebességét úgy kell beállítani, hogy a „töréspont” a maratókamra 80%-ánál legyen. Ez azt jelent hogy ennél a pontnál már le kell jöjjön a rézréteg majdnem egésze. Ha ennél alacsonyabb a töréspont, akkor alámarást eredményezhet, ami elvékonyítja a vezetőpályákat. Alámarás Alámarásnak nevezzük, amikor a maratási eljárás során a vezetőpályák falai nem teljesen függőlegesek, hanem
keskenyednek.
Az
alámarás
mértékét meghatározhatjuk a maratási faktorral. A maratási faktor a maratási mélység (a rézréteg vastagsága) és az alámarás mértékének aránya (X/V). A maratási faktor egy fő szempont a minőség meghatározásakor, főleg a
16
finom rajzolatú kártyáknál. Például egy 100 µm vastagságú vezetőpályánál, ha 25 µm -es az alámarás mindkét oldalon, akkor a vezetőpálya fele lemaródik. Az alámarást a marási faktorral jellemezhetjük, ami a felületre merőleges és a párhuzamos marás sebességének hányadosa. Átlagosan 3 körüli érték. Függ a maratószer anyagán kívül annak frissességétől, koncentrációjától és a marató berendezés típusától is; az erősebben permetező, gyorsabb folyamatban kisebb az alámarás. Tervezéskor tudnunk kell a használandó maratófürdő alámarását, és ha kritikus, annyival szélesebb vezetőcsíkot kell tervezni, amennyi várhatóan elfogy. Környezetvédelmi szempontok: a maratás a NYÁK gyártás leginkább környezetterhelő lépése. Meglehetősen agresszív anyagokat használ, a kimerült maratószer pedig rezet, azaz nehézfémet tartalmaz, tehát mindenképp veszélyes hulladék. Ezért, ha lehet meg kell akadályozni a hulladékká válást, tehát
regenerálni a fürdőt, a lemart rezet hasznosítható állapotban kivonni
a fürdő pH-ját és oxidáló-képességét (redox potenciálját) visszaállítani.
Elvileg minden maratószerre létezik regenerálási eljárás, de nem egyformán egyszerűek, van, hogy a cégeknek a gyűjtés – lerakás jobban megéri, pl. a rézteramminos marató esetében.
2. laborgyakorlat Maszkolás Az áramköri rajzolatot két maszkolási lépéssel alakítjuk ki. Először egy negatív fotoreziszt maszkot készítünk, ekkor a rajzolat és a furat marad szabadon. Erre a szabad területre további rézréteget galvanizálunk, ezzel érjük el a szükséges vezető-vastagságot. A rajzolat védelmére egy tömör, fényes ónréteget galvanizálunk, ez fogja megvédeni az alatta levő rajzolatot a maratáskor. Szilárd fotoreziszt felvitele: A fotoreziszt anyagok nagyobb részben folyékony halmazállapotúak, ilyenkor felvitelük permetezéssel, hengereléssel, centrifugálással esetleg szitanyomtatással történhet. A szilárd rezisztek gyakorlatilag ugyanazokat a fényérzékeny anyagokat tartalmazzák egy lágy fólia hordozóban. Az általunk használt anyag neve: Riston
fólia.
Három
fontos
előnyük
van
a
folyékonyakkal szemben:
Elegendően vastag réteg vihető fel, ezáltal a későbbi galvánréteg nem nő túl a reziszten
A szilárd reziszt nem folyik be a furatokba, a rajzolat-galvanizálásnál nem jelent akadályt
A
bevonat
„gyárilag”
egyenletes
vastagságú
17
Műveletek:
A felület előkészítése: A jobb tapadás érdekében a galvanizált panelt kb. 400-as csiszolóporral finoman érdesítjük, majd gondosan portalanítjuk. Ezután 100°C-os szárítószekrényben a lemezeket előmelegítjük.
Bekapcsoljuk a laminátort és a fólia fűtését szintén 100°C-ra állítjuk be. Ezt a műveletet és a továbbiakat, egészen az előhívás befejeztéig csak sárga világítás mellett végezhetjük. (Általában a negatív reziszt anyagok a látható spektrum 540 nm-nél rövidebb hullámhosszúságú tartományára érzékenyek.)
Laminálás: Beindítjuk a laminátor motorját és a lemezeket cérnakesztyűvel fogva folyamatosan tesszük fel a gép tálcájára. Ügyelni kell, hogy a lemezek vízszintesen tartsuk, az esetleges begyűrődések megelőzésére a kiadó oldalon lehet enyhén húzni a fóliát.
A bevont lemezeket körbevágjuk úgy, hogy kb. 0,5 – 1 cm fólia maradjon körben. A felvitt fóliát legalább fél órát pihentetni kell. (Idő hiányában a fenti lépéseket a gyakorlatvezetők a két labor között elvégzik)
Maszk illesztése: Az áramköri rajzolatról készített pozitív filmet az illesztő furatok segítségével nagyon pontosan felhelyezzük a lemezre és egy kis ragasztócsíkkal rögzítjük. Ugyanígy járunk el a másik oldalon is. Ellenőrizzük, hogy ezután egyetlen furatot sem szabad látnunk.
A technológiai foto két oldala. Egy panel három áramkört és egy tesztábrát tartalmaz. Pozitív ábra, a fekete részeken marad meg a réz. A furatok helyén tele pötty van, mert így válik szabaddá a furat a galvanizálás számára. A film három sarkán az illesztést segítő pontok vannak (fiducial).
Exponálás: A berendezés egyszerre mindkét oldalt megvilágítja. Nagynyomású Hg-gőz lámpákat használunk, ezek zömmel a közeli UV tartományban (365nm) sugároznak. Mivel kisülőlámpák, folyamatosan bekapcsolva maradnak, ki– be kapcsolgatni nem lehet. Ezért egy kihúzható keretbe helyezzük el a lemezünket, majd vákuummal szorosan a reziszthez szorítjuk a filmeket. Ha ez kész, betoljuk a lámpatérbe a keretet és ezzel kezdődik az exponálás. Elindítjuk az időzítőt. A megvilágítási idő 1 perc, ennek végét csengő jelzi. Kihúzzuk a keretet, megszüntetjük a vákuumot és kivesszük a lemezünket. Ezután újabb 15 perc pihentetés szükséges.
Előhívás: Óvatosan megpróbáljuk a poliészter védőfóliát lefejteni a rezisztről, ha ez sikerült, teljesen levágjuk a szélét, és úgy helyezzük az előhívóba. A megvilágítatlan reziszt szerves oldószerekben és gyenge lúgokban is oldódik. Mi 2%-os Na2CO3 oldatot használunk. Az ipari gyakorlat permetező előhívás, mert a vastagabb, viszkózusabb anyag eltávolításához kell egy kis mechanikai hatás. Ezt a laborban egy puha ecsettel
18
helyettesítjük. Kb. 1 percre hagyjuk az oldatban a lemezt majd csipesszel megemeljük és az ecsettel mossuk le a reziszt oldható részét. Ha közelítőleg jónak látjuk, bő csapvízzel lemossuk, ha szükséges, még visszatesszük a hívóba. Akkor kész, ha a rajzolat teljesen fémtiszta lett. A negatív rezisztek egyik előnye, hogy kevésbé kell tartanunk a túlhívástól, a megvilágított részek csak jóval később kezdenének el leoldódni, így inkább kicsit tovább tartson az előhívás, hogy megvilágítatlan helyeken semmiképp se maradjon védőréteg maradvány.
Rajzolat galvanizálás Most csak ott folytatjuk a rézréteg vastagítását, ahol a vezetőpályák lesznek, a többi területet eltakarja a galvanizálásálló bevonat. A művelet ugyanúgy zajlik, mint a panelgalvanizálás, csak arra kell vigyázni, hogy a szükséges áramerősséget a szabad felület ismeretében kell kiszámítani. Az új bevonat felvitele előtt a felületet meg kell újítani, azaz egy mikromaró – öblítő – dekapírozó sor után tesszük a mukadarabokat a galvánfürdőbe. Annyi ideig kell a galvanizálást folytatni, hogy a leválasztott rézréteg 20 – 25 m vastag legyen. Ón galvanizálás: A rézbevonat elkészültével rövid szemrevételezés után folytatjuk a galvanizálást az ónfürdőben. Természetesen a felületkezelés itt sem maradhat el, 1 perc mikroérdesítés, fél perc dekapírozás ugyanazokban a fürdőkben, mint a réz-galván előtt. Vizes öblítés nélkül tesszük az ón-fürdőbe és 1 A/dm2 áramsűrűség mellett kb 10m rétegvastagságig elektrolizálunk. Adatok: M: 119 g/mol, = 7,2 g/cm3, z = 2 A galvanizálás befejeztével kivesszük a fürdőből, lecsepegtetjük és híg kénsavoldatban öblítjük le,mert az oldat hajlamos a hidrolízisre. Utána folyóvízben lemossuk. Az ónbevonatnak hármas funkciója van:
Ez védi meg a rajzolatot a maratószerrel szemben
Könnyebben forraszthatóvá teszi a felületet
Védi a rezet az oxidációtól
A laboratóriumi gyártásban mindezen tulajdonságokat kihasználjuk, a mai ipari gyakorlat számára azonban csak a maszkolás megfelelő, ezért a maratás után azonnal leoldják az ónréteget is. Az okok: a galvanikus ón szerkezete nem elég tömör, a forrasztásgátló bevonat alatt magas hőmérsékleten (pl. hullámforrasztáskor) felpúposodhat. Emellett az ólommentes forraszanyagokhoz sem tapad mindig megfelelő mértékben, ahhoz ezüst, nikkel vagy arany fedőréteget kell használni. Reziszt eltávolítás: A polimerizálódott reziszt csak erősen lúgos közegben oldódik, ezért 5%-os NaOH-t alkalmazunk. A lemezt pár percre az oldatba tesszük, esetleg a leoldást egy kis kefével segítjük. A fólia nem is oldódik fel teljesen, hanem kisebb darabokban leúszik a lemezről. Az oldat szűrés után többször használható. Végül folyóvízben alaposan lemossuk a munkadarabot.
Maratás Ebben a lépésben eltávolítjuk a maszk által nem védett felületről a rézbevonatot. A maratás kémiailag alapvető fázisa az oxidáció: Cu = Cu2+ + 2eTehát a maratószernek kell tartalmazni v.milyen elegendően erős oxidálószert, hiszen a réz közismerten az oxidációnak jobban ellenálló fémek közé tartozik. Ez azonban még nem elég, a rézionokat oldatban is kell tartani.
19
Vizes oldatban ugyanis könnyen keletkezhet réz-hidroxid (Cu(OH)2) csapadék, ami lerakódva a rézfelületre tulajdonképpen maszkolna, megakadályozná a maratószert a réz felszínéhez való hozzájutásban. Alapvetően két mód van a réz oldatban tartására, elegendően savas közegben hidratált Cu2+ ionok maradnak, lúgos közegben pedig réz-tetrammin komplex ion: [Cu(NH3)4]2+ keletkezik, természetesen akkor, ha van az oldatban ammóniumhidroxid. Ennek megfelelően használnak savas és lúgos maratókat is. Az ón-maszk esetében un. szelektív maratószert kell találnunk, tehát olyant, ami a két fém között különbséget tud tenni. Ezek általában a lúgos maratók, mert az ón nem tud amminkomplexet képezni, tehát, ha kicsit oxidálódna is, nem kerül oldatba, önmagát is maszkolja. A laborban réz-tetramminos maratót használunk: [Cu(NH3)4]2+ , amelyben maga a Cu2+ ion az oxidálószer. A panel rézatomjait Cu+ ionná oxidálja, elvesz egy elektront, miközben maga is Cu+ ionná alakul. A fürdőn levegőt buborékoltatva a Cu+ oxidálódik Cu2+-vé. A szükséges ammóniát pótolva így egyre több maratószerünk lesz. A túltermelést a réz galvanikus úton történő visszanyerésével fékezhetjük meg. Jó állapotban a marási idő néhány perc, a fürdő hajlamos az un fehérmarásra, azaz az ammóniatartalom fogyásakor Cu(OH)2 fehéres lepedék keletkezik és a marás leáll. Ha kész a maratás, a mintát először a maratókád zuhanyoztatójában mossuk, majd bő csapvízzel. Ha matt az ónréteg, finom vizes csiszolópapírral (mosogatószivaccsal) polírozhatjuk.
20
3. Gyakorlat: Forrasztásgátló lakk felvitele, szitanyomtatás Szitanyomtatás Szitanyomtatással viszonylag egyszerű módon, olcsó berendezésben, tudunk ábrát készíteni. Az eljárás eredetileg nyomdai technológia, de szívesen alkalmazzák a nyomtatott áramköri gyártásban és a vastagréteg IC-k készítésénél. A szitanyomtatás lényege, hogy a kifeszített szitaszövetnek a rajzolat szerinti területét hagyjuk szabadon, a többit egy maszkkal átjárhatatlanná tesszük. Így a szitára felrakott festéket egy kenőkéssel áthúzva, a festék a szabad lyukakon átjut, és a minta átkerül a hordozóra. Az eljárás nagyon könnyen gépesíthető, de viszonylag nagyobb sorozatokat is gyakran kézzel nyomtatnak. A főbb alkalmazások a következők:
maratásálló, galvanizálás-álló maszk
forrasztópaszta
forrasztásgátló maszk (lötstoplakk) felvitele
feliratok készítése
fotoreziszt, fényérzékeny forrasztásgátló lakk egyenletes rétegként való felvitele
vastagréteg áramköri passzív elemek nyomtatása
A szitaszövetet egy megfelelően merev és sík keretre feszítik. A keretet úgy kell megválasztani, hogy mérete kb. háromszorosa (de minimum kétszerese) legyen a nyomtatandó ábrának. A szövetet vagy ragasztással rögzítik, vagy egy önfeszítő mechanizmus fogja és húzza a szükséges feszességűre.
A szitaszövet anyaga poliészter vagy acél lehet. A legtöbb tulajdonságban az acél felülmúlja a műanyag szálat. A fontos jellemzők a következők:
szakítószilárdság: az erősebb anyagból
vékonyabb szál is elég, tehát finomabb szita szőhető
kopásállóság:
a
szövet
élettartamát
határozza meg. A forraszpaszta, a vastagréteg paszták olyan kemény szemcséket is tartalmaznak, amelyek a lágyabb
poliészter
tönkretennék,
szálakat
ezért ezek
csak
nagyon
hamar
acélszitán vagy
acélstencilen (ld. később) nyomtathatók.
rugalmasság: a poliészter szövet kifeszítve is mutat némi rugalmasságot, ezért ezt nyomtatáskor el
lehet emelni a hordozótól és csak a kenőkés nyomja a felületre. Az acélszitának közvetlenül érintkezni kell a nyomtatandó felülettel, ezért másféle berendezést kell használni.
kémiai ellenálló-képesség: A festékhígítók, oldószerek, tisztításhoz használt anyagok között több
eléggé agresszív anyag is található, de ezeket mindkét anyag elég jól tűri.
geometriai jellemzők: a szitafinomságot, az elérhető felbontóképességet az angolszász hagyományos
mértékegység szerint „mesh”-ben adják meg, ami az egy inch-re jutó csomók száma. A NYÁK rajzolatokhoz
21
általában 100 – 150 mesh-es szita megfelelő. Emellett fontos jellemző még a szabad felület aránya is, különösen akkor, ha a nyomtatandó réteg vastagsága is fontos paraméter. Maszk: A nyomtatandó ábrát általában fototechnikai úton viszik fel a szitára. Attól függően, hogy a fényérzékeny anyag felvitele és a fotózás hogy követik egymást, megkülönböztetünk direkt és indirekt (közvetlen és közvetett) maszkot. A direkt maszk készítésekor először a teljes szitafelületet bevonják egy fényérzékeny anyaggal (bemerítik a folyékony emulzióba, majd a rátapadt réteget beszárítják), és erre fotózzák rá a kívánt rajzolatot. A megvilágítás kontaktmásolással történik, a filmet rászorítják a szitára, és ezen keresztül UV fénnyel exponálják a szitát. Leggyakrabban poli-vinilalkohol alapú negatív fényérzékeny anyagot használnak, ebből következően pozitív filmet kell használni, és így a meg nem világított területek maradnak oldhatóak. Az „előhívó” ez esetben meleg víz. Végül szárítás után a szitán a rajzolatnak megfelelő területek lesznek átjárhatók, a többi nem. Az indirekt maszknál a fényérzékeny anyagot fólia formában használják, először exponálnak és előhívják, majd még nedvesen belepréselik a szitaszövetbe. Száradás után a szita maszkon kívüli felületét tömítő festékkel ki kell kenni.
Indirekt és direkt emulziós szitamaszk A két eljárás közül a direkt maszk valamivel erősebben kötődik a szövetbe, ezért ez tartósabb, 10 – 15 ezer nyomtatást kibír. Ezzel szemben az indirekt maszk készítése könnyebb, gyorsabb és kevesebb anyagot használ. A rajzolat pontosságában nincs számottevő különbség. A direkt maszk készítésénél lehetőség van többszöri bemártással a rétegvastagság növelésére, és ezzel a nyomtatandó réteg vastagságának növelésére. Ennek elsősorban a vastagréteg passzív elemek nyomtatásánál van jelentősége. Nyomtatás A lemezt a szitaasztalon rögzíteni és nagyon pontosan pozícionálni kell, hiszen legtöbbször a nyomtatott ábra más rajzolatokhoz illeszkedik. Az ábra pontossága, reprodukálhatósága a nyomtatási paraméterek pontos betartásától, a szitamaszk és a festék tulajdonságaitól függ.
22
Nyomtatási paraméterek:
Kenőkés nyomóerő: Az erőnek legalább akkorának kell lenni, hogy a szitát lenyomja a bevonandó felületre. Nagyobb nyomóerő hatására több festék jut a felületre, részben azért is, mert a gumi deformálódása miatt a kés dőlésszöge is csökken. A túl nagy nyomóerő károsíthatja, torzíthatja a maszkot.
Kenőkés sebessége: A sebességet alapvetően a festék viszkozitásához kell igazítani, hogy a kés egy nyílás fölött annyi ideig tartózkodjon, amíg azon a festék átpréselődik és eljut a hordozóig. A túl kicsi sebesség okozhat egyenetlen rétegvastagságot, esetleg aláfolyást, de nagyobb nyomással párosulva a szilikon kés éle behajlik a nyílás közepén és elvékonyítja a réteget. A túl nagy késsebesség elvékonyodást, hiányos nyomtatást eredményez. Általában csökkenteni kell a sebességet, ha nagyobb viszkozitású, esetleg tapadós a festék, ha finomabb rajzolatot nyomtatunk, ha vastagabb maszkot használunk.
A kés dőlésszöge: ennek változtatásával széles tartományban szabályozhatjuk a maszk lyukain átpréselt festék mennyiségét. A szög meghatározásánál figyelembe kell venni azt is, hogy a nyomás hatására a kés kicsit meghajlik. 60°-nál kisebb szög esetén már egyenetlenné válhat a réteg, míg 90°-hoz közelítve elvékonyodik, hiányossá válik a nyomtatás.
Szita – hordozó távolság (eltartás): lényege az, hogy a szita kiemelése a nyomtatott festékrétegből gyorsan és azonnal a kés elhaladása után megtörténjen, mert így a legkisebb az esélye a festék elkenődésének. Ez csak a poliészter sziták esetében lehet, mert annak van elegendő rugalmassága. A kés nyomja le a maszkot a hordozó felületére, és ahogy a kés tovább halad, a szövet felemelkedik, és a szitaszálak kiemelkednek a lenyomtatott festékből, úgy, hogy nem húznak szálat maguk után. A távolság konkrét értéke elsősorban a szita feszítettségétől és a méretétől függ, általában 2 – 3 mm. (Ugyanezt az eltartást nem lehet megvalósítani a nem nyújtható acélszitákkal és stencillel. Ez esetben a hordozó gyors süllyesztésével próbálnak hasonló hatást elérni.)
Festék A felhasználás szerint többféle anyag nyomtatható, maratás-, galvanizálás-álló festék, fotoreziszt, forrasztásgátló lakk, jelölő festék, de a vastagréteg áramkörök esetében a vezető, ellenállás és dielektrikum
23
paszták is. Ez alapján vannak speciális anyagtulajdonságok, de a jó szitázhatóságnak vannak általános követelményei is. Ezek a megfelelő felületi feszültség és a viszkozitás.
A szitanyomtatás menete rugalmas szitaszövet (poliészter) esetén
A felületi feszültségnek elég nagynak kell lenni ahhoz, hogy szita lyukain átjutott festék felülete rövid idő alatt kisimuljon, de ne legyen olyan nagy, hogy a hordozó nedvesítését, így a festék tapadását csökkentse.
A viszkozitásnál is két ellentétes igény jelentkezik, a nyomtatás során kis viszkozitás az előnyös, hogy a festék könnyen átjusson a szitanyílásokon, a szálak könnyen ki tudjanak szakadni a festékből, vastag anyag utánhúzása nélkül. A kinyomtatott festéknek viszont nagy viszkozitásúnak kell lenni, nehogy szétfolyjon. A megoldást az un. tixotróp anyagok biztosítják, amelyek akkor, ha áramlanak (pl. nyomtatáskor), kicsi, míg nyugalomban nagy viszkozitásúak. (Ez a tulajdonság a festékhez adott mikroszkópos méretű lemez vagy pálcika alakú részecskéknek köszönhető, amelyek áramlás közben rendeződnek a kisebb ellenállás irányába, nyugalomban viszont rövid idő alatt megszűnik ez a rend és megnő a viszkozitás.)
Kenőkés Anyaga legtöbbször kemény szilikongumi, ennek kopásállósága, vegyszerállósága kiváló, rugalmassága megfelelően beállítható, és nem terheli nagyon a szitaszövetet. Az élét általában 90°-osra alakítják ki, ritkábban kisebbre.
24
3. gyakorlat Ellenőrzés
Most szükséges a rajzolat gondos ellenőrzése, a javítható hibák kijavítása, mert a következő lépésben gyakorlatilag hozzáférhetetlenné tesszük a panel legnagyobb részét. Szemrevételezéssel, sztereomikroszkóp segítségével vizsgáljuk meg, van-e szakadás, rövidzár, a furatokban egyenletes fémbevonat. Ha szükséges, javítunk.
Forrasztásgátló lakk felvitele Az egyre finomabb rajzolat, az egyre közelebbi forrasztási felületek (pad-ek) mellett biztosítani kell, hogy a két vezetősáv között biztosan megmaradjon a szigetelő csík is. Ezt biztosítja a forrasztásgátló bevonat. Meggátolja, hogy a megolvadt forraszanyag összefolyjon a két forrasztási pont között, akár hullámforrasztásnál, akár reflow forrasztásnál. Jól tapadó, jó szigetelő, kemény, de rugalmas védőlakkot kell képezni, amely csak a forrasztási felületeket hagyja szabadon. Felvitelére három módszer is kínálkozik:
Szitázva közvetlenül a védőlakkot nyomtatjuk a kívánt területre, majd ezt beégetjük
A szitanyomtatás folyamata
Szilárd fóliaként lamináljuk, fotózással alakítjuk ki a fennmaradó ábrát
Folyékony fényérzékeny lakkot viszünk fel a felületre, ezt beszárítjuk, fotózzuk, előhívjuk.
A laborban ez utóbbi megoldást alkalmazzuk. A védőlakk kétkomponensű, összekeverve 3 napig használható. Negatív működésű, ugyanúgy sárga megvilágítás mellett kell vele dolgozni, mint a Riston fólával. A lakkréteg egyenletes vastagságú felvitelét szitanyomtatással valósíthatjuk meg. A szitán a panelnél kevéssel kisebb ablakot hagyunk szabadon, a többit tömítőfestékkel kikenjük. A nyomtatás során kevés festéket a szita egyik szélére öntünk, majd a kenőkés (rakel) segítségével végighúzzuk a maszk felett. Kb. 450-ban döntve, egyenletes nyomóerővel és sebességgel végezzük a nyomtatást. Ha a festék viszkozitása is megfelelő, a szükséges vastagságú réteg kerül a rézfólia felületére. Pár percig hagyjuk, hogy a sűrű folyadék felszíne elsimuljon, majd a lemezeket szárítószekrénybe helyezzük, ahol 800C-on 25 perc szükséges a festék kikeményedéséhez. Lehűlés után következik a maszk illesztése, az exponálás és az előhívás. Ezek a műveletek gyakorlatilag megegyeznek a rajzolat fotolitografálásánál alkalmazottakkal. Természetesen külön foto készül a védőlakkhoz, hiszen más területeket hagyunk szabadon. A lakk fényérzékenysége is más, kb 6 perces expozíciós idő kell. Az előhívó azonos.
25
A forrasztásgátló maszk fotója. A fekete területek helyén maradnak szabadon a pad-ek és a furatok
4. Gyakorlat: Alkatrészek beültetése, forrasztás A teljes szereléstechnológia sorból itt csak a forrasztás alapjait ismertetjük, a többi lépés az előadáson kerül sorra. A Forrasztás két fém összekötése egy harmadik, alacsonyabb olvadáspontú fémmel úgy, hogy a kötés során csak a forraszanyag olvad meg, de olvadt állapotában valamennyit felold a kötendő fém felületi rétegéből, azzal egy új fázist, egy intermetallikus réteget hoz létre. A kötés erősségét ennek az alapfém – intermetallikus réteg – forraszfém kapcsolatnak a kialakulása, szerves egymásba épülése biztosítja. Az elektronikában döntő réz – forrasztóón kötés is így jön létre
Flip chip kivezetős IC forraszgolyóján kialakult intermetallikus réteg. A lassúbb hűtés miatt Ag3Sn dendritkristályok is nőttek. Forraszanyag: SnAg3,8Cu0,7.
Ugyanezen a határfelület SEM (pásztázó elektronmikroszkópos) felvétele. (Ti/W a Si és a Cu közé felvitt diffúziót gátló réteg)
Általában adott összetételű fémközi vegyületek keletkeznek (Cu6Sn5, Cu3Sn, Ag3Sn), amelyek eltérő fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a két fém, pl. hőtágulásuk más. Ezért vékony rétegben még rugalmas összeköttetést biztosítanak, de megvastagodva már rideggé, törékennyé válik a forrasztás. A vastagodás a
26
hőmérséklet emelésével és a hőntartás idejével arányosan nő, tehát, ha vékony, megbízható intermetallikus réteget akarunk, akkor rövid idejű, kevéssel az olvadáspont feletti forrasztást kell végeznünk. (Hamarosan megismerünk további szempontokat, amelyek más optimális paramétereket kívánnak.)
Forraszanyagok A bádogos szakma kezdeteitől egészen az ezredfordulóig szinte egyeduralkodó lágyforrasz volt az eutektikus (vagy ahhoz közeli) összetételű ón – ólom ötvözet: Sn63Pb37. Az elektronikai ipar is ezt használta, azonban az ólom egészségkárosító hatása miatt ki kellett váltani. Az ólom elsősorban a vesét és fiatal korban az idegrendszert károsítja. Az Európai Unió az un. RoHS direktíva (Directive on the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment) 2006-os felül vizsgálatakor tiltotta meg ólomtartalmú elektronikai termékek forgalomba hozatalát. A folyamat nem ment zökkenők és ellenállás nélkül, mert az új forraszanyagokkal sok minőségi és technológiai probléma adódott, de pár év alatt a világ átállt az ólommentes elektronikára. Az új forraszanyagok alapja az ón, szinte mindig 90 – 95% feletti koncentrációban. Az alábbi ábra mutatja a legfontosabb két és három összetevős rendszereket. A forrasztási feladattól függően más és más használható; kézi és reflow forrasztáshoz az ezüst tartalmúak váltak be legjobban (SAC = SnAgCu), a hullámforrasztáshoz a réz tartalmú. A fejlesztés, a jobb, megbízhatóbb anyagok keresése nem fejeződött be, a cél az alacsonyabb olvadáspont mellett a jó nedvesítés és a nagy szilárdság elérése. Ezért a bizmut tartalmú rendszerek feljavítása néhány más fémmel (pl. mangánnal), az egyik bíztató irány.
Az
ón-ezüst
(balra)
fázisdiagram ón felőli oldala. A sárga kiemelés mutatja, hogy a szokásos 1 – 3,5%-os Ag tartalom egy eutektikus összetétel közelében van. Hasonlóan hármas
az
Sn-Ag-Cu
fázisdiagram
(jobbra) 3,8Ag-0,8Cu pontja is eutektikus ötvözet.
27
Nedvesítés: A jó forrasztás legfontosabb kritériuma, hogy a forrasztandó fém felületét jól nedvesítse a megolvadt forraszanyag. Ez fizikailag a felületi feszültséggel írható le, és a nedvesítési szöggel jellemezhető. Jónak mondható, ha a nedvesítési szög 30°alatt van, ekkor a forraszanyag jól terül pad-en, befolyik a furat és az alkatrész láb között, jó kontaktust alakít ki. A jó nedvesítés feltételei:
Tiszta, zsírtalan, oxidmentes felületek: a gondos tisztításon és tisztán tartáson kívül erről a folyasztószer gondoskodik. Ezt külön tárgyaljuk.
Megfelelő hőmérséklet és idő: az olvadáspont fölött az anyag viszkozitásától függő idő kell a forrasz szétterüléséhez. Ha nem eutektikus összetételt használunk, van egy átmeneti tartomány, ahol pasztaszerű, csak részben olvadt az anyag, ez is növeli a nedvesítési időt. Általában az ólommentes forraszoknál az opnál kb 20°C-al magasabb hőmérséklet és pár sec-os idő szükséges. Felső korlát is van, túl magas hőmérsékleten, hosszú forrasztási időnél a folyasztószer kiég, az ón és a réz is gyorsan oxidálódni kezd, ezáltal rohamosan romlik a nedvesítés (dewetting).
Jó anyagpárosítás: a nedvesítési szög anyagfüggő, tehát minden párosításra más az értéke. Sajnos, az ólommentes forraszokra magasabb, annyira, hogy tiszta réz felületen a legtöbb anyag 30°-nál nagyobb értéket mutat. Ezért a forrasztási felületeket pad-eket, furatokat valamilyen jobban nedvesíthető anyaggal kell bevonni. Ez a gyakorlatilag kötelező felület kikészítő lépés, a bevonó anyag lehet arany, ezüst, ón, néha szerves védőréteg (készítésük, tulajdonságaik az elméleti anyagban lesznek).
Folyasztószerek (fluxok): feladatuk, hogy megtisztítsák a forrasztandó felületet, eltávolítsák az oxidréteget. A forrasztásnál alacsonyabb hőmérsékleten megolvadnak, kifejtik a tisztító hatásukat és vékony folyadékfilmet képeznek a forrasztási terület és az olvadt ón fölött, megvédve azokat az oxidálódástól. Egy részük elpárolog, maradékuk a forrasztási területet fedi le. Léteznek un. „no clean” fluxok, ezek nem rontják a villamos paramétereket és a forrasztás kinézetét sem, ezeket nem kell eltávolítani. A „clean” fluxokat azonban a lehűlés után le kell mosni, mert szivárgást okozhatnak vagy korrozívak. A folyasztószerek aktív alkotója nagyrészt fenyőgyanta, vagy ahhoz hasonló szintetikus anyag. Ez 70°C fölött elkezd olvadni és 120°c-ig teljesen megolvad. Így könnyen eltávolítja a rézoxidot, javítja a hőátadást és beborítva a forrasztási területet, védi az oxidálódástól. Lehűlve a szilárd maradék elég jó szigetelő. Egyre több szintetikus gyantát használnak, egyrészt a nagyobb mennyiségi igények, másrészt a természetes anyag érthető minőségigadozása miatt. A gyanta hatásának fokozására lehet aktivátorokat adni a fluxhoz. Fő hatásuk a nedvesítési idő lerövidítése. Ezek vagy klór-tartalmú szerves anyagok, vagy amin vegyületek. Főképp az előbbiek maradéka korrozív, tehát mindenképp el kell távolítani a forrasztás után. A környezetvédelem azt ajánlja, hogy halogénmentes anyagokat használjunk az elektronikai iparban, ez is az amin alapú aktivátorok terjedését segíti. A folyasztószerek általában szerves oldószerekben oldódnak, de a maradékuk, főképp annak ionos tartalma nagyobbrészt már vízben is. Így ionmentes vízben általában a káros maradékok eltávolíthatók. Mindenesetre a
28
használt folyasztószerről fontos tudnunk, hogy le kell-e mosni forrasztás után, és ha kell, mivel. A leggyakoribb jelölések:
RMA (Rosin Mildly Activated): Enyhén aktivált, általában halogénmentes, nem szükséges a lemosása
RA (activated rosin): Erősebb aktivátorokkal, a maradéka korrozív lehet, ezért le kell mosni. Ezt már kevéssé használja az elektronikai ipar
SRA (superactivated rosin): nagyon korrozív, szervetlen alapú, nem használja az elektronikai ipar
A jó forrasztás műveleti ablaka: A két legfontosabb paraméter tűrését mutatja, azt a tartományt, amin belül még jó a forrasztás. Bal oldalon a forraszanyag viselkedése: a piros tartományban még nem olvad meg, nem nedvesít, a szürkében pedig már túlég, elpárolok a flux, újraoxidálódik a felület. A jobb oldalon az alkatrészek hőtűrését látjuk, középen pedig a két szempont együttes ábrázolását. Megfelelő forrasztást csak a zöld területre eső hőmérséklet-idő párosítások adnak. Különösen a gépi forrasztás és az ahhoz tartozó szigorú ellenőrzés hozott felszínre egy sor forrasztási hibát. Ezek elemzésével vissza lehet következtetni a hiba eredetére, viszonylag gyorsan lehet a hiba okát megszüntetni. Ezekről részletes katalógusok készülnek. Pl. két elérhető: http://www.smtonline.com/pages/zone.cgi?a=60049 http://defectsdatabase.npl.co.uk/defectsdb/defects_query.php
Elégtelen reflow forrasztás: feltehetően az egyenlőtlen hőmérséklet-eloszlás miatt a 2. láb már nem forradt meg.
29
4. gyakorlat
Szerelés A nyomtatott áramkör gyártás második fázisa az alkatrészek beültetése és beforrasztása a panelbe. Szerelési szempontból kétféle alkatrész típus van, a huzalkivezetéses (furatba szerelhető, Through Hole Device – THD) illetve a felületszerelhető (Surface Mount Device - SMD) A jól automatizálható szerelés, a kisebb, olcsóbb alkatrészek, a megbízhatóbb működés miatt ma már szinte egyeduralkodó a felületszerelt technológia (SMT)
Huzalkivezetéses ellenállás,
felületszerelhető ellenállás, tranzisztor és integrált áramkör
Technológiai lépések, ha csak SM alkatrészeket használunk egyoldalas lemezen: 1.
forrasztópaszta felvitele a hordozóra;
2.
felületszerelhető alkatrészek beültetése;
3.
újraömlesztéses (reflow) forrasztás a paszta kikeményítésére.
Forrasztópaszta felvitele Az
újraömlesztéses
technológia
során
forrasztópasztát
alkalmazunk az alkatrészek és a hordozón található pad-ek (kontaktus-felületek) létrehozására,
közötti
valamint
a
elektromos felületszerelhető
kontaktus alkatrészek
mechanikai rögzítésére. A
felületszerelt
forrasztópaszták folyasztószerből
gyártástechnológiában összetételüket
és
különböző
tekintve szerves
alkalmazott fémporból,
adalékanyagokból
tevődnek össze. Utóbbiak biztosítják a paszta megfelelő viszkozitását, és azt, hogy a beültetett alkatrész a forrasztásig a helyén maradjon. Felvitelük egyszerre történik az összes pad-re. Elterjedtebb és termelékenyebb módja a szitanyomtatás, stencilnyomtatás, kisebb sorozatoknál az
30
un. diszpenzeres felhelyezés. (A stencilmaszk annyiban különbözik a szitától, hogy itt egy vékony acélfólián vágják ki a rajzolatnak megfelelő nyílásokat. Tartósabb, pontosabb, drágább.) Igen kis mennyiségű paszta elegendő. Igyekezzünk a pontos, a pad közepére történő felhelyezésre, mert ez határozza meg később az alkatrész helyzetét. (Utóbb, ha pontosan rakjuk is fel az alkatrészt, az olvadt forrasz elhúzza a saját középpontja felé. Fordítva is igaz, a kicsit ferdén felrakott alkatrészt a jó helyen lévő forrasz beigazítja a helyére.) Az alkatrészek beültetése Az alkatrészeket a beültetési rajz alapján ráillesztjük a forraszpaszta pöttyökre. A kis méretek miatt vákuumos megfogó fejet használunk.
Az áramkör beültetési rajza és kapcsolási rajza
Újraömlesztéses forrasztás A forrasztópaszta felvitele, majd az alkatrészek felhelyezése után a forraszanyag megömlesztése következik. Lényegében a forraszanyagot újból megolvad, ezért nevezik az eljárást „reflow” forrasztásnak. Itt is sok egyedi forrasztás helyett egyszerre készül el az összes kötés a panelon. Ezt úgy lehet elérni, hogy a teljes panelt felmelegítjük az ötvözet olvadáspontja fölé úgy, hogy a forrasztás a kontaktusokon, a kivezetőkön és a pasztában átalakuljon homogén szerkezetté. A folyamat megbízhatósága attól függ, hogy milyen eredményesen lehet a fűtést irányítani és a fűtési variációkat a különböző panelekre alkalmazni. Ezt az irányított főtést hőprofilnak nevezzük. A hőprofil A tipikus hőprofil folyamatában előfűtési, (szárítási) vagy aktiválási és ömlesztési vagy csúcszóna szerepelnek.
31
Az előfűtési zóna célja az, hogy a paneleket egyenletesen, és viszonylag rövid idő alatt felfűtse. Az előfűtési zóna megkezdi azon oldószerek egy részének a felszabadítását, amelyeket a kenhetőség érdekében adagoltak.
A második zóna folytatja az oldószerek kiszárítását, hogy megelőzzék a paszta gázosodását és esetleges fröcskölését. Itt megtörténik a panel hőmérsékleti kiegyenlítődése, hogy a megolvadási hőmérsékletet is lehetőleg egyszerre érje el minden forrasztandó kötés. Ezt a zónát a szakirodalomban néha aktiválási zónának nevezik, ahol a folyasztószer elkezdi a kontaktusok, kivezetések és magában a pasztában lévő oxidréteg feloldását. A gyanták és/vagy más magasabb forráspontú oldószerek megmaradnak fedőrétegként, hogy megelőzzék az újraoxidációt, amely azonnal jelentkezne magas hőmérsékleten.
Az ömlesztési vagy csúcszónában a hőmérséklet gyorsan 20-40
C-kal az ötvözet olvadáspontja fölé
emelkedik. Ekkor a forraszanyag benedvesíti a felületeket, és fémes kötést biztosít. Az ömlési zónában általában 30- 60 másodpercet tartózkodik a panel; ezt ömlesztési időtartamnak nevezzük. Ez időtartam alatt kell elérni, hogy az összes érintkezési kontaktus elérje a kívánt hőmérsékletet, és kötést biztosítson.
Gyors lehűtés: A rétegnedvesítés és a rétegbeoldódás folytatódik mindaddig, amíg a forraszanyag hőmérséklete az olvadáspont felett van. A forraszanyag a forrasztandó felületbe néhány m rétegmélységig beoldódik. A beoldódás folytatódik nagy hőmérsékleten, még az olvadáspont alatt is
A forrasztópaszta megömlesztését jól kézbetartott hőprofillal végzik. A megömlesztés során biztosítani kell a szükséges időt és hőmérsékletet a folyasztószer dezoxidáló hatásához, a forrasztópaszta megolvadásához és a forrasztandó felületek jó nedvesítéséhez. Az időt és hőmérsékletet az alkatrészek és a rétegek károsodása korlátozza. Túlságosan magas hőmérsékleten, hosszú hőntartási idő alatt károsodnak az alkatrészek műanyag tokjai, a hőérzékeny félvezető elemek és beoldódnak
a
vezetőrétegek,
ill.
elszenesednek a folyasztószer maradványok. Az ipari reflow kemencék általában sokzónás berendezések, amelyben egy – egy zónát egy adott hőmérsékletre állítanak be, és a panel haladása során jut a szükséges hőmérsékletű zónákba. A laborban egy egyzónás, programozható kályhában történik a forrasztás. A kemencék fűtése általában infralámpákkal történik, intenzív légkeveréssel.
A furatszerelt alkatrészek beforrasztása:
a panelt úgy terveztük, hogy lehetőség legyen pár alkatrész
erejéig a kézi forrasztás gyakorlására is. a lépések:
Alkatrészek beültetése, a lábak kihajlítása. Ügyeljünk a polaritásra, a LED, a tranzisztor és a Graetz híd is csak polaritás-helyesen ültethető be. Az alkatrészek alja és a panel között hagyjunk pár mm rést a jobb hővédelem érdekében.
32
Forrasztás: a meleg pákával először az alkatrészlábat melegítjük meg, majd ezután érintjük a forró zónához a forraszhuzalt. Addig tartjuk, míg az olvadt ón észrevehetően befolyik a furatba. Elvéve a pákát, megvárjuk, míg lehűl, megszilárdul a kötés.
A forrasztási oldalon kilógó lábakat csípőfogóval eltávolítjuk.
A kész munkadarabot egy vonalas telefonkészülék segítségével ellenőrizzük.
Egy film a kézi forrasztásról: https://www.youtube.com/watch?v=IpkkfK937mU
Technológiai összefoglaló I Mérést végezte
Laborcsoport:
Gyakorlatvezető
Érdemjegy:
Dátum:
A technológiai összefoglaló, hasonlóan a szokásos jegyzőkönyvekhez, az elvégzett munka dokumentálására szolgál. Azaz részletesen és alaposan szerepeljen benne:
Az elvégzett műveletek rövid leírása
A folyamathoz tartozó paraméterek (hőmérséklet, idő, áramsűrűség, pH, stb.) feljegyzése.
Emellett azonban hasonlóan fontos a hallgatók „technológiai szemléletének” fejlesztése érdekében minél több:
Megfigyelés, tapasztalat leírása (mit látott, hallott, szagolt) a művelet során, hogy változott a munkadarab.
És mindezek értékelése, magyarázata, különösen, ha nem a várt eredmény született
33
