Projekt:
ODBORNÝ VÝCVIK VE 3. TISÍCILETÍ
Téma:
MEII - 1.3 MODERNÍ VÝROBA DPS
Obor:
Mechanik elektronik
Ročník:
2.
Zpracoval(a): Jiří Kolář Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010
Projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Obsah 1. Moderní výroba DPS.............................................................................................3 ..............................................................................................................................3 1.1 Současný stav výroby DPS.............................................................................4 1.2 Osazování DPS...............................................................................................4 1.3 Pájení DPS......................................................................................................4 1.4 Kontroly a testování DPS................................................................................5 2. Výroba DPS fotocestou.........................................................................................5 Použitá literatura ..................................................................................................11
1. MODERNÍ VÝROBA DPS Moderní elektronika je vyráběna plně automaticky na výrobních linkách složených z modulárních automatů pro osazování, pájení a testování desek plošných spojů a z nich vzniklých modulů. Výrobu dnešní elektroniky nezajišťuje jediný výrobce. Jeden se zabývá vývojem elektronického zařízení, druhý návrhem desek plošných spojů a případně i jejich výrobou, další desky osazují a zkoušejí. Pro zcela jednoduchou spotřební elektroniku jsou DPS jednostranné nebo dvoustranné, pro složitější moduly pak DPS vícevrstvé se vzájemně propojenými vodiči mezi jednotlivými vrstvami laserem vrtanými, a pak pokovenými otvory – HDI (DPS s vysokou hustotou propojení - microvia). Dnešní DPS skrývají ve svých vrstvách nejen pasivní součástky, nýbrž i aktivní prvky a integrované obvody speciálně upravené pro vkládání do DPS.
Obr. 2 Řez vícevrstvou DPS v provedení HDI
1.1 SOUČASNÝ STAV VÝROBY DPS Poklesla výroba DPS. Důvodem poklesu výroby v Evropě je hromadná a velkosériová výroba jednoduchých DPS, která se přesunula do východních zemí s nízkou mzdovou úrovní a zdražení výchozích materiálů. Do budoucna se počítá s vývojem nových a složitých multifunkčních DPS, které ještě východní konkurence neumí vyrobit. Miniaturizace v mikroelektronice vede ke zmenšování vnitřních struktur integrovaných obvodů, a tím související pouzdření těchto obvodů tak, že se umístí více čipů do jednoho pouzdra, nezapouzdřené čipy namontují na základní desku nebo se čipy vloží do desky plošných spojů. Pro budoucí výrobu elektroniky, optoelektroniky, mikroelektroniky a mikrooptiky byly komplexní výrobou multifunkčních DPS zvoleny vhodné technologické postupy, zejména pro vkládané pasivní součásti zhotovené tenkými vrstvami a pro aktivní součásti vzniklé metodou čipů v polymeru CiP (Chip in Polymer). Obr. 3 CIP Integrovaná elektrooptická deska se i přes mnohaletý výzkum stále ještě nevyrábí (jen pokusné vzorky), ale začínají se vyrábět DPS s integrovaným panelem z organických světelných diod OLED. Novinkou ve výrobě desek je patentovaný způsob uložení měděných vodičů do DPS. Tyto masivní vodiče přesahují desku a tvoří současně silnoproudé přívody (až 800A).
1.2 OSAZOVÁNÍ DPS Každé DPS se označuje jednoznačným kódem pro zajištění zpětné sledovatelnosti do datového souboru přiřazeného k DPS. Slouží k optimalizaci výrobního procesu, zmenšení počtu chyb a ke zvýšení kvality vyráběné elektroniky. Plošný kód se vypaluje laserem do krycího laku, do mědi plošných spojů nebo přímo do základního materiálu desky. DPS vyráběné osazovacími automaty, se součástkami SMD, jsou osazovány rychlostí, která se i přes neustálou miniaturizaci SMD každoročně zvyšuje, až na 120 000 součástek za hodinu.
1.3 PÁJENÍ DPS Pájení se při výrobě moderní elektroniky provádí buď přetavením v průběžných pecích nebo v parách tekutiny, pájením vlnou tekuté bezolovnaté i olovnaté pájky. Nevýhodou je mít součástky s olovnatými a bezolovnatými pájecími ploškami. Mechanické prvky a
mechanicky náročné součástky např. konektory spínače, relé, apod. se pájí automaty pro selektivní pájení minivlnou speciálními roboty.
1.4 KONTROLY A TESTOVÁNÍ DPS Průběžně se provádí nedestruktivní zkoušky (optické). Po osazení SMD jde nejprve o optickou kontrolu úplnosti (osazení všech součástek a jejich správných hodnot). Pak následují zkoušky rentgenové, elektrické a funkční. Kontroly jsou prakticky za každým výrobním krokem. Posouzení kvality zapájení viditelných i neviditelných pájecích míst, vnitřní vady vícevrstvých spojů se provádí bondováním a rentgen. Novinkou je současná optická (AOI) a rentgenová (AXI) prostorová, tedy třírozměrná (3D) kontrola. Pro elektrické zkoušky jsou zpravidla na DPS vytvořeny plošky pro měření, ale miniaturizace neumožňuje vytváření měřicích plošek na DPS, proto se dostává do popředí zájmu pro kontroly elektrické a funkční již dříve vyvinutý boundary system JFAG {Joint Test Action Group).
2. VÝROBA DPS FOTOCESTOU •
Připraví se předloha motivu plošného spoje. Předloha DPS se navrhne na počítači v některém z grafických programů pro návrh a kreslení plošných spojů, např. v Eaglu. Předloha se vytiskne na laserové tiskárně s vysokým krytím toneru na pauzák nebo na obyčejný kancelářský papír ve správné orientaci. Inkoustová tiskárna motiv rozpíjí.
•
Podle rozměrů plošného spoje se ustřihne cuprextitová deska. Na šířku i výšku se přidá 2 až 10mm navíc, protože Pozitiv rád ulpívá v okrajích DPS a vytváří tak silnou vrstvu špatně prosvítitelnou
UV
zářením.
Po
vyleptání se DPS zastřihne na přesný rozměr. •
Cuprextitová deska se řádně očistí od měděnky např. práškem na nádobí a odmastí acetonem, nebo lihem. Takhle připravenou
cuprextitovou
desku
co
nejméně chytáme prsty. Na cuprextitovou
desku se nanese z patřičné vzdálenosti vrstva fotocitlivé emulze Positivu 20. Raději méně než více. Aby se vrstva emulze po desce dobře roztekla je dobré Positiv skladovat v chladničce. Stříkání se provádí v čisté bezprašné místnosti a desku těsně před stříkáním zbavíme čerstvě napadaného prachu. Částečky prachu způsobí na hotové DPS mikrozkraty. Vrstva Pozitivu se musí nastříkat na jeden zátah. Vrstva musí být rovnoměrná se stejným odstínem po celé ploše, tzn. dodržet stejnou tloušťku vrstvy. Špatně nastříknutou vrstvu je lépe umýt a znova nastříkat. Pokud se nepodařilo pokrýt emulzí nějaký kousek plochy desky musí se opravit ihned, protože dodatečné vylepšování nepomůže. Za 1 – 2 min se vrstva fotocitlivé emulze slije v jednolitou plochu. Pozitiv 20 je málo citlivý na žárovkové světlo, takže je možné s ním pracovat za běžného umělého osvětlení žárovkou 25W. Pozitiv 20 je velmi citlivý na přímé světlo a zářivkové osvětlení (obsahují UV složku). Pozitiv 20 i Transparent 21 jsou zdraví škodlivé, proto je nutné dodržovat bezpečnost práce a návod k použití s těmito přípravky. Při práci se musí pracovat v dobře větraném prostředí s odsáváním rozprášené fotoemulze a vyvarovat se potřísnění oděvu, těla a očí. •
Fotoemulze nanesená na cuprextitové desce se musí nechat vytvrdit. Emulze po nastříkání zavadá za několik minut, zasychá do 1 hodiny a vytvrzena je do 24 hodin po nastříkání. Aby se tento proces urychlil, vytvrzuje se deska zahřátím na teplotu 600C po dobu 15 min. v horkovzdušné troubě. Nevytvrzená emulze se při vyvolávání prakticky hned smyje z celé plochy cuprextitové desky.
•
Po vytvrzení se na desku přiloží předloha plošného spoje vytištěná na obyčejný nebo pauzovací papír v laserové tiskárně v poměru 1:1 ve správné stranové orientaci. Vytiskne-li se motiv na obyčejný papír, musí se papír těsně před přiložením na cuprextitovou desku zprůhlednit přípravkem zvaným Transparent 21. Při pokládání cuprextitové desky na papír s předlohou plošného spoje postříkaný Transparentem nesmí vzniknout bubliny mezi deskou a předlohou plošného spoje. Je dobré pokládat vytištěnou předlohu potiskem na vrstvu emulze desky. Zabrání se podsvícení a vznikne
ostřejší kresba motivu. Osvícená DPS se pozná proti světlu podle obrysu motivu plošného spoje ve vrstvě Pozitivu. Jako zdroj UV záření k osvitu desky se použije profesionálních UV osvitek, nebo amatérsky vyrobených osvitek. Délka osvitu desky je závislá od použitého zdroje UV záření (UV zářivka, rtuťová výbojka) a vzdálenosti desky od zdroje UV záření. Když je motiv dostatečně kontrastní, delší doba osvitu ničemu nevadí – nedojde k podsvícení. Doba osvitu bývá zpravidla v jednotkách až desítkách minut, nutno konkrétně vyzkoušet pro dané zařízení. POZOR:
Nikdy se nedívat do zdroje UV záření. Zejména do výkonnějších
rtuťových výbojek bez luminoforu v bílých baňkách. Hrozí poranění oční sítnice. •
Oboustranná DPS se vyrobí tak, že se vytiskne předloha z horní (TOP) i spodní (BUTTON) strany ve správné orientaci. Předlohy se přiloží k sobě, sesouhlasí a na jedné straně se spojí lepící páskou. Mezi předlohy se vloží oboustranně fotoemulzí nastříkaná a vytvrzená deska, vycentruje se s předlohami a na všech stranách se zafixuje proti pohybu špendlíkem a lepící páskou. DPS je jakoby v kapse. DPS se osvítí se pod oboustrannou osvitkou nebo z jedné a druhé strany na jednostranné osvitce.
•
Osvícená DPS se vyvolá v roztoku hydroxidu sodného (NaOH) v 1% koncentraci. Roztok vznikne rozpuštěním 10g NaOH v 1l destilované vody. Neosvětlené části vývojce vzdorují. Plocha fotoemulze chráněná černým motivem NaOH odolává, světlá místa motivu se osvětlená UV zářením se v roztoku NaOH rozpustí. Roztok NaOH se musí skladovat v plastových dobře uzavřených nádobách, sklo mírně leptá. Nesmí se namíchaný dlouho skladovat v nedokonale uzavřených nádobách, protože jímá ze vzduchu vodu a CO 2, a tím klesá jeho účinnost. Podle velikosti DPS se zvolí velikost plastové misky, do které se nalije asi 1cm roztoku NaOH a deska se položí do misky fotoemulzí nahoru. S miskou se kvedlá tak dlouho, dokud se nezobrazí motiv plošného spoje. Deska s plošným spojem se na závěr pod vodou opláchne. Nesmývá-li se osvícená emulze sama, lze použít jemného štětce a opatrně emulzi z DPS odstranit. Občas se stává, že osvícená emulze se z desky nesmyje. Může to být způsobeno malou koncentrací vývojky, hodně vytvrzenou emulzí, silnou vrstvou emulze, krátkou dobou osvitu, zvětralá nebo vyčerpaná vývojka, anebo zprůhledňovačem napuštěný obyčejný papír s předlohou, který odpuzuje roztok
vývojky. Před vyvoláním je třeba desku od Transparentu omýt nebo alespoň otřít do sucha. Vytvrzené a osvícené cuprextitové desky se musí skladovat potmě a doba skladovatelnosti je docela velká. Lze je bez problému vyvolat, ale musí se zvýšit koncentrace vývojky. POZOR: Louh je silnou žíravinou, zejména v podobě granulí. Poleptání vyvolávacím roztokem vyvolává sloupnutí kůže v místě poleptání. Louh je zdraví škodlivý, proto je nutné dodržovat bezpečnost práce a návod k použití. Při práci vyvarujte se potřísnění oděvu, těla a očí. •
Po vyvolání se někdy motiv plošného spoje musí opravit (retušovat). Na osušené desce se opraví drobné chyby v motivu plošného spoje pomocí lihového fixu nebo pera naplněným leptuvzdornou kapalinou. V některých místech mohou zbývat tenké neviditelné zbytky fotoemulze. Projeví se až po naleptání desky, kdy v těchto místech nedojde ke změně barvy mědi, protože je stále chráněna fotoemulzí. Desku je nutné umýt a dovyvolat anebo emulzi seškrabat. Taky se seškrábe nahromaděná fotoemulze po okrajích DPS.
•
Operace jako leptání, vrtání, osazení a čištění jsou shodné s ruční výrobou DPS.
•
Pozitiv má dobrou krycí a leptacímu roztoku odolávající schopnost. Někdy při leptání v chloridu železitém je pro zamezení podleptání DPS v místech chráněných fotoemulzí nutné přidat do chloridu železitého trochu kyseliny chlorovodíkové (cca 20ml na 1l), pak je leptací roztok více kyselý než zásaditý. Tím chlorid železitý na povrchu leptací misky méně oxiduje, je čerstvější, rychleji a lépe leptá. Fotoemulze se odstraní běžnými rozpouštědly (líh, aceton).
•
Kvalita čištění přímo určuje pájitelnost desky. Profesionální výroba používá ultrazvuku a speciálních čistících prostředků na bázi organických rozpouštědel a vody. Finální mytí se provádí destilovanou vodou. Elektronice voda nevadí, pokud je čistá a zařízení není pod proudem.
•
Nepájivá maska – chrání plošné spoje, a tím i celou desku před mechanickým poškozením, klimatickými vlivy a oxidací mědi. Nepájivou maskou se minimalizuje tvorba můstků a zkratů pod nepájivou maskou, pájecích ploškách a mezi nimi, umožňuje snadnější optickou kontrolu zapájených i nezapájených DPS, chrání tenké vodiče před poškozením.
•
Pájecí plošky se pro lepší pájitelnost součástek různě povrchově upravují. Buď se jen mechanicky zdrsní, žárově pocínují, chemicky nebo galvanicky pokoví povrch pájecích plošek. HAL (Hot Air Levelling) - žárového nanesení pájky určité tloušťky na pájecí plošky . OSP ( Organic Surface Protectives ) - chemické nanášení organických inhibitorů oxidace mědi na pájecí plošky po tisku nepájivé masky. Sn, Ag, N – nanesení jednoho z těchto materiálů chemicky nebo galvanicky na pájecí plošky. Předností je rovinný povrch, nevýhodou je horší pájitelnost. Ni / Au - chemické nebo galvanické nanášení niklu a poté zlata na pájecí plošky po tisku nepájivé masky. Předností je rovinný povrch a možnost kontaktování, nevýhodou je výrazný odliv zlata z povrchu do spoje.
•
Servisní potisk – umožňuje lepší orientaci při opravách DPS. Může být jen ze strany součástek nebo i ze strany spojů. Nanáší se na nepájivou masku sítotiskem nebo fotoprocesem při malých výrobních sériích. Obsahuje obrys osazovaných součástek a jejich polaritu, kód a pořadové číslo dle rozpisky součástek a testovací a napájecí body. V amatérských podmínkách lze servisní potisk zhotovit metodou napaření toneru na DPS. Z návrhového a kreslícího programu pro plošné spoje se vygeneruje příslušná vrstva s předlohou potisku, vytiskne se na speciální modrou nažehlovací fólii (lze použít i lesklý papír např z letáků, katalogů) na laserové tiskárně ve správné stranové orientaci. Předloha plošného spoje se přiloží na očištěnou cuprextitovou desku a zabalí se do obyčejného kancelářského papíru. Dále se postupuje jako při žehlení oblečení. Na žehličce se nastaví teplota na vlnu (dva černé puntíky) a střídavě se prohřívá po dobu 1 min. Nažehlená deska se i s předlohou ve vodě odmočí, případné nedostatky v motivu se opraví lihovým fixem.
•
Pro lepší manipulaci, testování a efektivitu práce s malými DPS o rozměru do 10cm x 10cm se tyto DPS spojují do velkých desek složených z jednotek až desítek malých DPS a tvoří tzv. multipacky.
Obr. 4 Multipack
POUŽITÁ LITERATURA 1. HÁJEK, J.: Výstava SMT 2007. Automatizace, 50 (2007), č. 4, str. 312. 2. HÁJEK, J.: Trendy v integraci mikroelektronických systémů. Automatizace, 2004 (47), č. 10, str. 600–601. 3. STARÝ, J., ŠANDERA, J., KAHLE, P.: Plošné spoje a povrchová montáž. Skriptum VUT- FEKT, PC-DIR 1999. 4. SKOČIL, V., HAMÁČEK, A., STEINER, F., ŠTRUNC, J.: Nové materiály, nové technologie, nová elektronika. Západočeská univerzita, Plzeň.
