TECHNOLÓGIAI FOLYAMATOK ÉS

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM VILLAMOSMÉRNÖKI KAR ELEKTRONIKAI TECHNOLÓGIA TANSZÉK

TECHNOLÓGIAI FOLYAMATOK ÉS MINŐSÉGELLENŐRZÉSÜK LABORATÓRIUM BMEVIETA333

MÉRÉSI ÚTMUTATÓK

Mikroelektronika és elektronikai technológia szakirány BSc képzés

Budapest, 2008. február

BMEVIETA333 - Technológiai folyamatok és minőségellenőrzésük laboratórium

A tantárgy célkitűzése: Laboratóriumi gyakorlatokon az elektronikai, mikroelektronikai gyártási és szerelési eljárások tanulmányozása, a gyártás és szerelés során lejátszódó fizikai-kémiai folyamatok tanulmányozása, a kapott félkész vagy végtermék anyagtulajdonságainak elemzése, szerkezeti és funkcionális paramétereinek ellenőrzése, a minőségellenőrzés kiértékelési módszereinek gyakorlati megismerése. Megszerezhető készségek, képességek: Hordozólemezek rétegfelviteli és rajzolatkialakítási technológiái és vizsgálatai, elektronikai szerelési eljárások: stencilnyomtatás, alkatrész-beültetés, forrasztás anyagtulajdonságok vizsgálati módszereinek alkalmazása, szerkezeti tulajdonságok optikai, akusztikus, illetve röntgen mikroszkópos vizsgálata, áramköri hordozók és összeköttetés rendszerek számítógéppel segített tervezése, gyártás-előkészítése és ellenőrzése Rövid tematika: Nyomtatott huzalozású mintázatok készítése, minősítő mérések felületi profilmérővel és digitális mikroszkóppal. Nyomtatott huzalozású lemezek rétegfelviteli technológiái és felületi bevonatai, forraszthatósági vizsgálatok, forrasztások és mikrohuzal-kötések készítése és vizsgálata. Forrasz- vagy ragasztó paszták stencilvagy szitanyomtatása, automatikus optikai ellenőrzés, röntgenes és akusztikus mikroszkópos vizsgálatok, a beültetési folyamat vizsgálata, alkatrészek automatikus beültetése. Flexibilis nyomtatott huzalozású hordozók készítése lézeres ablaknyitással, háromdimenziós, flexibilis hordozójú áramkörök szerelése, számítógéppel segített elrendezés- és huzalozás-tervezés és gyártás-előkészítés, áramkörépítés: hordozólemez készítése, automatikus szerelés és ellenőrzés. 1.a. Nyomtatott huzalozások rajzolatfinomságának vizsgálata 1.b. Nyomtatott huzalozások rajzolatfinomságának ellenőrzése 2.a. Nyomtatott huzalozású lemezek rétegfelviteli technológiái és felületi bevonatai 2.b. Forraszthatósági vizsgálatok, forrasztások és mikrohuzal-kötések készítése és vizsgálata 3.a. Finom raszterosztású alkatrészek szereléstechnológiája 3.b. Röntgenes és akusztikus mikroszkópos vizsgálatok 4.a. A beültetési folyamat vizsgálata, alkatrészek automatikus beültetése 4.b. Automatikus optikai ellenőrzés 5.a. Flexibilis nyomtatott huzalozású hordozók fedőrétegének lézeres szelektív megmunkálása 5.b. Háromdimenziós, flexibilis hordozójú áramkörök lézeres forrasztása 6.a. Számítógéppel segített elrendezés- és huzalozás-tervezés és gyártás-előkészítés 6.b. Áramkörépítés: hordozólemez készítése, automatikus szerelés és ellenőrzés

A mérési útmutatókat kidolgozták: Dr. Pinkola János, Gordon Péter, Dr. Gál László, Illés Balázs, Krammer Olivér, Kovács Róbert, Dr. Ruszinkó Miklós, Janóczki Mihály, Berényi Richárd, Balogh Bálint

1


1.a. mérés

1.a. Nyomtatott huzalozások rajzolatfinomságának vizsgálata Dr. Pinkola János A mérés célja: a nyomtatott huzalozású hordozókon megvalósítható rajzolatfinomság és az alkalmazott technológia közötti összefüggések vizsgálata. A mérési feladat: különböző technológiákkal teszt-rajzolatok készítése. A mérés során három teszt-lemez készül különböző technológiákkal, melyeket az 1. táblázat tartalmaz. 1. táblázat 1. Szubtraktív technológia alapanyag: 1x35 µm FR4

2. Féladditív technológia fémmaszkkal alapanyag: 1x5 µm FR4

tisztítás (csiszolás)

3. Féladditív technológia differenciálmaratással alapanyag: 1x5 µm FR4

tisztítás (a védőfólia eltávolítása)

negatív maszk készítése szilárd fotoreziszttel Sn galvanizálás (~ 10 µm)

Cu galvanizálás (~ 25 µm)

Cu galvanizálás (~ 35 µm)

Sn galvanizálás (~ 10 µm) maszkeltávolítás maratás

differenciálmaratás

A teszt-rajzolat (1. ábra) különböző (2…9 mil, azaz kb. 0,05…0,23 mm) vezeték- és résszélességű, a lemez szélével 0°-os, 45°-os és 90°-os szöget bezáró vezetékeket tartalmaz. (A különféle szögek a 2.b. mérésnél a filmkészítés – fotoplotter – minőségének ellenőrzését teszik lehetővé.)

1. ábra. A teszt-rajzolat

A mérés elvégzésével megszerezhető képességek: a technológiai lehetőségek, illetve korlátok megismerése révén ismeretek és tapasztalatok szerzése a nyomtatott huzalozások tervezése

2


1.a. mérés

során alkalmazható rajzolatfinomságról; alapvető technológiai paraméterek meghatározásának módja. A mérés során felmerülő fogalmak rövid meghatározása: Rajzolatfinomság: a huzalozáson előforduló minimális vezeték- és résszélesség. Az alkatrészek méreteinek, lábkiosztásának csökkenésével és ennek következtében a technológia fejlődésével ezek az értékek csökkennek. Az általánosan elfogadott („hagyományos”) értékek a 2. ábrán láthatók, megjegyezve, hogy korszerű technológiákkal akár az 0,05 mm-es rajzolatfinomság is elérhető.

2. ábra. Rajzolatfinomság

Szubsztraktív, additív, féladditív technológia: ld. Elektronikai technológia (VIETA302) 502_NYHL_gyártás c. tételt. Egyoldalas lemezek technológiája: 01_NYHL_gyártás c. tételt.

ld.

Elektronikai

technológia

(VIETA302)

5-

Maratás: a felesleges réz kémiai úton való eltávolítása. Az alkalmazott maratószer enyhén lúgos komplex rézvegyület, mely a maratandó rezet oxidálja és oldatba viszi: Cu → Cu + + e −

A lúgos kémhatás miatt fotoreziszt maszk – mely lúgban oldódik – nem, vagy csak igen gondosan ellenőrzött technológiai paraméterek mellett használható. Ezért az 1. és 2. mintáknál a fotorezisztből kialakított maszk által meghatározott helyekre felvitt ón szolgál maratásálló maszkként. A differenciálmaratásnál értelemszerűen nincs maratásálló maszk. Differenciálmaratás: ld. Elektronikai technológia (VIETA302) 5-02_NYHL_gyártás c. tételt. Maratási sebesség meghatározása: A rézréteg eltávolítása során a minimális alámaródásra kell törekedni. Ennek érdekében ismerni kell a maratószer pillanatnyi állapotától (rézkoncentráció, pH-érték, hőmérséklet stb.) függő maratási sebességet. A maratási sebességet a munkadarab maratózónában eltöltött idejéből (maratózóna hossza/konveyorsebesség) és a próbalemez tömegének csökkenéséből határozzuk meg:

vmar =

∆m × vkonv × 10 2 [µm / min] A× ρ × s 3


1.a. mérés

ahol: • • • • •

∆m ∼ a próbalemez tömegének csökkenése [g] vkonv ∼ a marató-berendezés konveyor-sebessége [m/min] A ∼ a próbalemez felülete [dm2] ρ ∼ a réz sűrűsége [8,96 g/cm3] s ∼ a maratózóna hossza [0,6 m]

A maratási sebesség ismeretében a d = 5 µm, illetve d = 35 µm vastagságú rézréteg lemaratásához szükséges konveyor-sebesség: vkonv =

s × vmar [m / min] d

Elektrokémiai rétegfelvitel (galvanizálás), a technológiai paraméterek meghatározása: A galvanizálás elvi vázlata a 3. ábrán látható (Me ∼ metal: fém).

3. ábra. A galvanizálás

A folyamat redukció, amihez a szükséges elektronok egy áramforrásból származnak:

Me n+ + ne − = Me Ebből következik, hogy galvanizálással csak vezető felületre lehet fémréteget felvinni. (Az elektronoknak „el kell jutniuk” a munkadarab felületének minden pontjára, a felületnek ekvipotenciálisnak kell lennie.) Látható, hogy a levált fém mennyisége (azaz a rétegvastagság) arányos az elektroliton átfolyt töltés mennyiségével. A töltés egy része esetenként gázképződésre fordítódik, ennek mértékét a hatásfok (áramkihasználás, η) ismeretében vehetjük figyelembe. (Esetünkben – réz- illetve ón-galvanizáláskor – ez elhanyagolható, azaz a hatásfok ∼100%.) A töltés mennyiségét az adott idő alatt átfolyt áram ismeretében határozhatjuk meg. Az áram értéke azonban nem lehet tetszőleges. Mivel az áramerősség – és ezen keresztül a rétegkiépülés sebessége – nagymértékben befolyásolja a bevonat kristályszerkezetét és ezáltal a bevonat tulajdonságait, csak az adott technológiára optimalizált árammal dolgozhatunk. Ezt a felületegységen átfolyó árammal, az optimális áramsűrűséggel (j, A/dm2) adjuk meg. Fentiekből következik, hogy adott technológia esetében a rétegvastagság a galvanizálási időtől függ és az alábbiak szerint határozható meg meg: A dm2 felületre d µm vastag bevonat előállítása ρ sűrűségű anyagból: Szükséges tömeg: m = A× d × ρ Mólnyi mennyiséghez szükséges töltés: Ar ⇒ 6 × 10 23 × n × 1,6 × 10 −19 [ As]

4


1.a. mérés

Az m tömegű anyag leválasztásához Q mennyiségű töltésre van szükség: m = A× d × ρ ⇒ Q Az aránypárból: Q = 6 × 10 23 × n × 1,6 × 10 −19 ×

A× d × ρ [As ] . Ar

Mivel

Q = I × t = j × A× t , a szükséges galvanizálási idő (tg) a hatásfokot is figyelembe véve: tg =

Q . j × A ×η

Fentiekből tg =

6 × 10 23 × 1,6 × 10 −19 × n × A × d × ρ 10 −2 [min] , × Ar × j × A × η 60

a galvanizáló áram (Ig) pedig

I g = j × A[ A]

ahol

Ar ~ 6x1023 ~ 1,6x10-19 ~ n ~ j ~ η ~ t ~

relatív atomtömeg Avogadro-féle szám egy elektron töltése [As] vegyérték (oxidációs szám) áramsűrűség [A/dm2] hatásfok (áramkihasználás) [%] galvanizálási idő 100 % áramkihasználásnál [min]

A mérés menete A mérés során az 1. táblázatban ismertetett teszt-lemezeket készítjük el: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

lemezek tisztítása, negatív maszk készítése fotoreziszttel (laminálás, megvilágítás, előhívás), az ón- és a különböző vastagságú rézbevonatok elkészítéséhez szükséges technológiai paraméterek (tg, Ig) meghatározása, galvanizálás, maratási sebesség (vmar) és konveyorsebesség (vkonv) meghatározása, maszkeltávolítás, maratás, a teszt-lemezek rajzolatának vizuális ellenőrzése.

Ellenőrző kérdések 1. 2. 3. 4.

Hasonlítsa össze a szubsztraktív, additív és féladditív technológiával készült huzalozásokat! Mi a rajzolatfinomság és milyen csoportokba soroljuk azokat? Hogyan határozzuk meg a maratási sebességet (csak a gondolatmenet, egyenletek nélkül)? Mi a galvanizálás? Hogyan határozzuk meg a technológiai paramétereket (csak a gondolatmenet, egyenletek nélkül)?

5


1.b. mérés

1.b. Nyomtatott huzalozások rajzolatfinomságának ellenőrzése Gordon Péter A mérés célja: bemutatni a technológiai fejlesztőmunka és a gyártás két alapvető minőségellenőrzési módszerét, a mikroszkópos vizsgálatot és a keresztmetszeti csiszolatkészítést. A mérési feladat: a korábban elkészített nyomtatott huzalozáson – szabványban rögzített módszerekkel – ellenőrizni a vezetőmintázat minőségét. A mérés elvégzésével megszerezhető képességek: a technológiai szabványok megfelelő értelmezése, mikroszkópok használata különböző jellegű minták esetén, keresztmetszeti csiszolatok elkészítése. A mérés során felmerülő fogalmak rövid meghatározása: Optikai mikroszkópos vizsgálatok: Az alkatrészek és áramkörök vizsgálatának egyik alapvető eszköze az optikai mikroszkóp. Az utóbbi évtizedben használatos alkatrészméretek, huzalozási sűrűség és hordozó rétegszám mellett mind a technológiai fejlesztés, mind a gyártási minőség-ellenőrzés, hibaanalízis során gyakorlatilag elengedhetetlen optikai mikroszkópos felvételeket készíteni és azokat kiértékelni. A sztereo-mikroszkóp és az ún. fémmikroszkóp [upright vagy compound microscope] a két legelterjedtebben használt berendezésfajta. A felhasználás szempontjából a leglényegesebb különbségeket az alábbi táblázat foglalja össze. Sztereo-mikroszkóp Általános nagyítási tartomány Mélységélesség nagyságrendje

Fémmikroszkóp

Inverz fémmikroszkóp

10-100x

50-1000x

milliméter

mikrométer

Olympus SZX9 Olympus BX51 Olympus GX71 A két mikroszkópfajta többnyire könnyen megkülönböztethető, mivel a sztereo-mikroszkópok általában egy darab nagyobb objektívlencsével rendelkeznek, míg a fémmikroszkópon több objektívet is találunk egy revolverfejen. Utóbbi mikroszkópok – a komplexebb megvilágítási rendszer és optika miatt – zömökebb felépítésűek is. Az említett kis mélységélesség esetén könnyen előfordulhat, hogy normál fémmikroszkóp esetén egy kép két szélét nem lehetséges egyszerre élesre állítani, mivel magasságuk, vagyis az objektívtől való távolságuk is eltérő. Sokszor nehezen garantálható ugyanis, hogy a minta „aljának” és a vizsgált felületének síkjai párhuzamosak legyenek. Anyag és szerkezetvizsgálati laboratóriumokban ezért gyakran használják a fémmikroszkópok inverz változatát is, amelynek lényege, hogy a mintát a vizsgálandó felületével lefelé teszik a mintatartóra, az objektív pedig alulról, egy kis lyukon keresztül kémleli. Így az egész vizsgált felület a meghatározott fókuszsíkba kerül.

6


1.b. mérés

A mikroszkóptípusok a minta-megvilágítás elvében is különböznek. Sztereo-mikroszkópok esetén külső fényforrás biztosítja a kellő megvilágítást, legtöbbször optikai kábelen keresztül, bár már léteznek LED-es közvetlen fényforrások is. Fémmikroszkópoknál a megvilágítás az objektíven keresztül történik, többfajta módban is (pl. világos- vagy sötétlátóterű). Mindkét mikroszkóptípusnál természetesen lehet átmenő világítást is alkalmazni, bár áramkörök, készülékek esetén erre ritkán van szükség.

1. ábra Világos- [brightfield, BF] és sötétlátóterű [darkfield, DF] világítással készült felvételek rézvezetékek keresztcsiszolatáról, 200x-os nagyítás mellett. A két fotó ugyanarról a mintáról készült.

Az ábrán látható, hogy a BF és DF megvilágítási módokkal egészen más információtartalmú képek készíthetők. (Csalóka, hogy a vizsgált minta esetén a világoslátóterű kép tűnik sötétebbnek. Természetesen nem a kép tónusa alapján nevezték el a megvilágítási módokat.) A BME-ETT a táblázatban bemutatott Olympus SZX9-es és BX51-es mikroszkópokkal rendelkezik. A sztereo-mikroszkóp 9.5-85.5x-ös, a fémmikroszkóp 50-1000x-es nagyítással bír. Az optikai mikroszkópok kezelése: A mikroszkópok kezelésének pár alapszabályát betartva egyrész elkerülhető, hogy kárt tegyünk a berendezésben, vagy akár a mintában, másrészt könnyen dokumentálható, prezentálható felvételeket készíthetünk. • Elsősorban a fémmikroszkópra érvényes, hogy a berendezést a fényforrás minimálisra állított állapotában kapcsoljuk be és ki. (Ezzel a fényforrás élettartamát tudjuk növelni.) • A mikroszkóp nagyítását a minta betétele előtt és kivétele előtt is minimálisra állítjuk. Ennek oka egyrészt, hogy a mintán keresett területet kisebb nagyításnál gyorsabban megtaláljuk, ráadásul ilyenkor a mélységélesség is nagyobb. Másrészt fémmikroszkópok esetén a munkatávolság (az objektív legalsó síkja és a minta felülete közötti távolság) csak pár milliméteres, nagyobb nagyítású objektívek esetén milliméter alatti, így könnyen megsérülnének a minta mozgatásánál. • A minta behelyezésénél, az élesség állításánál sose használjunk hirtelen mozdulatokat és a megszokottnál nagyobb erőt. Ha a szokott erőnél nagyobb ellenállást érzünk, akkor keressük meg, mi ütközött akadályba, előbb-utóbb biztos megtaláljuk. Ellenkező esetben valamit el fogunk törni. (Jobb esetben csak az üveg tárgyasztal törik el párszáz forint veszteséget okozva, rosszabb esetben egy objektív, ami már százezer forintos nagyságrend. A két mikroszkóp összértéke 5 millió forint felett van.) • Törekedjünk arra, hogy ismétlődő minták fényképezésénél a minta a képnek mindig ugyanazon részénél helyezkedjen el és az élei párhuzamosak legyenek a kép éleivel. Ez sok kellemetlenségtől óvhat meg, amennyiben a felvételeket be kell illeszteni egy dokumentumba. • A felvétel készítése után mindig „égessünk” méretvonalat a fotóba. Ehhez először be kell állítani, hogy a felvétel milyen nagyításnál készült. Keresztmetszeti csiszolatok [cross-section, micro-section, X-section] készítése: A vizsgálandó anyagot először műgyantába öntjük. A műgyanták jellemzői (szilárdulási idő, keménység stb.) széles skálán mozognak. A műgyantába ágyazott vizsgálandó mintát ezután a megfelelő mélységig becsiszoljuk,

7


1.b. mérés

egyre nagyobb finomságú csiszolóanyagokkal. (Ezeket a felületegységre eső szemcsék száma vagy a szemcsék mérete jellemezi.) Az egyre finomodó csiszolóanyagokkal a csiszolási sebesség csökken, viszont az előző fázis karcait eltüntetik és kevésbé mély karcokat vájnak a csiszolat felületébe. Az elkészített csiszolatot ezek után optikai mikroszkóppal elemezzük. A keresztcsiszolatok készítése során – főleg a napjainkban vizsgált struktúrák mérete mellett – számos probléma merülhet fel: pl. a kiöntőanyag megkötése közbeni zsugorodása miatt a gyanta és a minta között pár mikronos rés alakulhat ki, vagy többrétegű struktúrák vizsgálatánál egyes puhább rétegek csiszolás közben a másik rétegre kenődhetnek, ezzel nehezítve a kiértékelést. Hibás választás esetén a kiöntőanyag akár fel is oldhatja a minta egyes rétegeit, így a minta tönkremegy. Ha a kiöntőanyag és a minta keménysége jelentősen eltér, akkor a csiszolás és polírozás egyes lépései során ezek eltérő sebességgel fognak „fogyni”, így a csiszolat felülete nem lesz sík, bemélyedések és kitüremkedések nehezítik a kiértékelést. Előfordul, hogy a csiszolóanyag szemcséi felgyülemlenek, beleragadnak a minta puhább rétegébe egy keményebb réteg határánál. Ezért finomabb szemcsézetű csiszolóanyagra való áttérés előtt érdemes a csiszolatról a nagyobb szemcsézetű szennyeződést ultrahangos tisztító berendezéssel eltávolítani. Keresztmetszeti csiszolatok készítésének gyakorlata: A BME-ETT-n többféle kiöntőanyag, csiszolóanyag és két csiszoló-polírozó gép áll rendelkezésre. A laborgyakorlat keretében az alábbi kiöntőanyagot használjuk: Típus: Technovit 4006. Jellemzés: kétkomponensű (por és folyadék), gyorsan köt (~15 perc), nyomás alatti (~2 bar) kötés után áttetsző, színtelen, buborékmentes.

2. ábra A Technovit 4006-os típusú kiöntőanyag két komponense és egy kiöntött minta

A minta kiöntése: A mintadarabot a megfelelő méretűre vágjuk vagy csiszoljuk, ügyelve arra, hogy a vizsgálandó területet ne sértsük meg. Egy mintatartó klipszbe, majd a megfelelő méretű kiöntő formába helyezzük. A kiöntőanyagot az alábbiak szerint keverjük ki a használt kiöntőforma esetén: darabonként másfél mérőkanál port teszünk a keverőedénybe (kis pohár), majd hozzáadunk egy mérőkanál folyadékot. A két komponenst „csomómentesre” keverjük, majd a kiöntő formákba töltjük úgy, hogy a mintát teljes magasságban elfedje. A kiöntő formákat 2 bar nyomás alá helyezzük. 15-20 perc elteltével a kiöntőanyag megköt, a minta csiszolható. Az alábbi szabályok betartásával elkerülhető, hogy akár magunkban, akár a mintában vagy a berendezésben kárt tegyünk. • Mindig nézzünk körül és gondolkodjunk még egyszer, mielőtt bekapcsolunk egy berendezést, vagy a forgó csiszolótárcsához érintjük a mintát. • A papír alapú csiszolókorongokat bevizezve, bevizezett forgótárcsára tegyük fel. (Ezzel elkerülhető, hogy a papír „csúszkáljon” a tárcsán.)

8


• • • •

1.b. mérés

A csiszolópapírokat használat után levesszük és lemossuk. Használat után a berendezést is lemossuk, letöröljük. Papír alapú csiszolást mindig vízzel végzünk. A csiszolás első lépéseként a kiöntött minta hátsó oldalának élét körbe csiszoljuk le. Mindig győződjünk meg róla, hogy a mintánk csiszolt lapjának éle is le legyen csiszolva. (Így nem fogja elvágni sem a csiszolópapírt, sem a bőrünket, ha a gép kirántaná a kezünkből.)

A csiszolás menete: 1. 80-as (szemcseszám/inch2) csiszolópapírral eltávolítunk 2-3 millimétert a csiszolatból, hogy eljussunk a vizsgálandó keresztmetszeti síkba. A mintát folyamatosan ellenőrizzük, hogy rossz irányú nyomás miatt nem csiszoljuk-e ferdén. Ellenőrzés után a mintán forgatunk. 2. 240-es papírral – egy kiválasztott irányban – csiszoljuk a mintát. Amikor a felület karcai mind egy irányúak, továbblépünk a következő papírra. 3. 500-as papírral – az előzőhöz hasonló módon – csiszoljuk a mintát. 4. A csiszolást automata csiszológéppel folytatjuk. Az itt alkalmazott kompozit csiszolótárcsák esetén már a tárcsára spriccelt oldatban (szuszpenzióban) levő szemcsék méretével azonosítjuk az egyes fázisokat. A csiszológépet az alábbiak szerint állítjuk be a következő három lépéshez: Lépés

Tárcsa neve

Időtartam [perc:mp]

Erő [N]

Fordulatszám [fordulat/perc]

9 µm-es csiszolás

MD Largo

DiaPro Largo

02:00

25

200

3 µm-es polírozás

MD DAC

DiaPro DAC

01:00

18

100

1 µm-es polírozás

MD NAP

DiaPro NAP

01:00

15

100

Szuszpenzió neve

Az egyes fázisok között a mintát vízzel le kell mosni és megtörölni. A csiszolókorong cseréjénél a mintabefogót is le kell törölni száraz ruhával.

3. ábra 5 miles vezeték keresztcsiszolati képe 9 µm-es, 3 µm-es és 1 µm-es szemcseméretű csiszolás/polírozás után, 1000x-es nagyításnál. A réz és a forraszanyag vastagsága 3 µm-es polírozás után válik kiértékelhetővé.

9


1.b. mérés

A mérés menete: A gyakorlaton az 1.a mérésen elkészített panelek vizsgálatát és minősítését kell elvégezni. A háromféle technológiával (szubtraktív, feladditív ónmaszkkal, féladditív differenciálmaratással) készült panelek technológiájának elemzése előtt azonban meg kell vizsgálni a gyártófilmet is, amelyet mind a három technológiában felhasználtunk. Az alábbi feladatokat kell elvégezni: 1. A gyártófilm vizsgálata és minősítése mikroszkóppal, koncentrálva a gyártófilm készítéséhez felhasznált lézerberendezés pásztázási irányára. 2. A három panel mikroszkópos vizsgálata. A technológia legkisebb vezeték és szigetelőszélességének meghatározása a felvételek és a vonatkozó szabványok ajánlása alapján. (Az IPC szabványosító testület IPC-A-600F – Acceptability of Printed Boards szabványa segítségével.) 3. Keresztmetszeti csiszolatok készítése mindhárom panel egy-egy mintaábrájáról. A csiszolatok alapján értékeljük az 1.a mérésen meghatározott és alkalmazott technológiai paraméterek helyességét, ha szükséges, javaslatot teszünk a változtatásra. Az alábbi ábrán látható – maratás előtti és utáni – panelek a féladditív technológia ónmaszkos változatával készültek. A fényképezett mintaábra 2, 3, 4 és 5 miles vezetékeket tartalmaz.

4. ábra Felülnézeti kép a maratás előtti panelről (jobbra), és a megjelölt területről készült keresztmetszeti csiszolati kép (balra). Jól kivehető a hordozón levő 5 µm-es rézfólia, és a rágalvanizált réz (30 µm) és ón (10 µm) rétegek.

5. ábra Felülnézeti kép a maratás utáni panelről (jobbra), és a megjelölt területről készült keresztmetszeti csiszolati kép. A maratás utáni keresztcsiszolati képen (balra) erős alámaródás látható, a 2 miles vezeték teljesen eltűnt.

10


1.b. mérés

Ellenőrző kérdések: 1. Milyen, az alkalmazást meghatározó különbségek vannak a sztereómikroszkópok és a fémmikroszkópok között? 2. Milyen megvilágítási módokat használunk a sztereómikroszkópok és a fémmikroszkópok esetén? 3. Miért fontos a megfelelő kiöntőanyag kiválasztása keresztmetszeti csiszolatok esetén? 4. Hogyan kell biztonsággal eljárni mikroszkópok kezelése és keresztmetszeti csiszolatok készítése közben?

11


2.a. mérés

2. a. Nyomtatott huzalozású lemezek rétegfelviteli technológiái és felületi bevonatai Dr. Gál László A mérés célja: a nyomtatott huzalozások direkt galvanizálási, valamint szelektív rétegfelviteli technológiáinak megismerése. A mérési feladat: A direkt galvanizálási technológia tanulmányozása, tesztlemez készítése és a furatfalra leválasztott vezető bevonat ellenállásának mérése, az eredmények értékelése. Az immerziós ezüstözési eljárás vizsgálata, a kötési vizsgálatokhoz kísérleti lemezek készítése. Immerziós ezüst, galván ón és réz felülettel rendelkező tesztábrákat tartalmazó rajzolat kialakítása. Az így elkészített nyomtatott huzalozású áramkört, melynek előállításában a hallgatók is részt vesznek, az Elektronikai Technológia Tanszék más mérésein is fel fogják használni. A gyakorlatvezető irányításával a hallgatók elvégzik a nyomtatott huzalozású lemezek gyártásának megfelelő technológiai lépéseit. A mérés elvégzésével megszerezhető képességek: az alkalmazott berendezések működését és működési elvét, a technológiák gyakorlati alkalmazását valamint a környezetvédelmi ismereteket tanulmányozzák a hallgatók. A mérés során felmerülő fogalmak rövid meghatározása: Direkt galvanizálás: a furatfémezési technológiák azon változata, amikor a furatfalra közvetlenül galván rézbevonatot készítenek, anélkül, hogy előtte kémiai rézbevonatot készítettek volna. Ezt a furatfalra a galvanizálást megelőzően leválasztott vezető vegyület bevonat teszi lehetővé. A direkt galvanizálásnak van olyan változata is, amikor a panelgalvanizáláskor csak a vezető vegyület réteget készítik el, a rézbevonat leválasztása rajzolatgalvanizáláskor történik. Elektrokémiai és árammentes bevonat készítési technológiák: ld. Elektronikai technológia (VIETA302) 13. tétel (Elektronikai technológia segédlet 15505, 53. oldal) Alkalmazott technológiák: − − −

Nedveskémiai rétegfelviteli technológiák: galvanizálás Rétegeltávolítási technológiák: ónleoldás Immerziós ezüst bevonat készítési technológiák

A mérés menete 1. Furatfémezés direkt galvanizálással A direkt galvanizálás vizsgálatához a Rohm and Haas cég CRIMSON technológiáját használjuk. A direkt galvanizálási technológia lépései: • Érzékenyítés (Sensitizer 5100): A művelet célja a furatok falának előkészítése, az adszorpció növelése a későbbiekben következő aktíválás során. A különböző anyagú hordozókkal egyaránt jó eredmények érhetők el. • Vizes öblítés: A vizes öblítések célja a vegyszer áthordás megakadályozása. Kétlépéses kaszkád öblítés, vagy szóró öblítés egyaránt alkalmazható, az utóbbi takarékosabb vízfelhasználást tesz lehetővé. • Előaktiválás (Pre-Activator 5300): A művelet célja, hogy megakadályozza az aktiváló oldatba a szennyeződések bevitelét, ezáltal növeli az aktiváló élettartamát és hozzájárul annak optimális körülmények közötti működéséhez. • Aktiválás (Activator 5300): A művelet során kolloid palládium-ón rendszerből olyan magok jönnek létre a szigetelő furatfal felületen, amelyek később, megfelelő kémiai átalakítás után a rézkiválás gócpontjai lesznek. 12


• • • • • • •

• • •

2.a. mérés

Vizes öblítés Konverter (Converter 5400): A felületen megkötődött palládium-ón kolloid részecskéket úgy módosítja, hogy azok a soron következő kémiai reakcióra alkalmasak legyenek. Vizes öblítés Enhancer (Enhancer 5500): Az oldat javítja a furatfalon adszorbeálódott bevonat vezetőképességét és kémiai ellenálló képességét. Stabilizátor (Stabilizer 5600): Semlegesíti az előző műveletben a furatfalon kialakult bevonat részecskéit, ezáltal a következő műveleteknél megakadályozza a szennyeződést. Vizes öblítés Mikromaratás (Micro-Etch 5700): Fellazítja az előző műveletek során a rézfelületen kialakult bevonatot, így jó tapadást biztosít a rézfólia és a későbbiekben galvanizált rézbevonat között. Működését az teszi lehetővé, hogy a CRIMSON vezető bevonat pórusos, így a rézfelület a pórusokon keresztül elérhető a mikromarató számára. Nagynyomású vizes öblítés: Feladata a mikromaratáskor fellazított CRIMSON vezető bevonat mechanikus eltávolítása a vízsugár energiájával a rézfelületről. Oxidmentesítés: A rézfelületet kénsav oldattal oxidmentesítjük. Réz galvanizálás: Kénsavas rézelektrolitból kb. 5 mikrométer vastag rézbevonatot készítünk a lemezek teljes felületére, beleértve a vezetővé tett furatfalat is.

2. A CRIMSON tesztlemez kialakítása A gyakorlat során az 1. ábrán látható tesztábrát tartalmazó lemezt galvanizáljuk 30 ill. 60 másodpercig. A tesztlemezen a gyakorlatot megelőzően elvégeztük a CRIMSON technológia lépéseit a stabilizátoros kezeléssel bezárólag. A tesztlemezen az A B C D mezők szigetelő téglalapok, melyek szélénél galvanizáláskor rézbevonat épül a mezők közepe felé haladva. A rézbevonat épülésének sebessége alkalmas a technológia minősítésére. Minél nagyobb felületet borít be a rézbevonat adott idő alatt (30 ill. 60 másodperc), annál jobb vezetőképességre tett szert a hordozó a CRIMSON technológia lépései során. Az A-D ill. B-C mezők azonos méretűek, viszont elhelyezkedésük az anódokhoz képest eltér, ezért galvanizáláskor nem azonos áramsűrűség alakul ki a mező pároknál. Ez befolyásolja a rétegépülés sebességét is. A tesztlemez középső részén furatok, furatcsoportok ill. azokhoz tartozó forraszszemek vannak. A furatok falának érdessége optimális fúrási paraméterek esetén jóval kedvezőbb a CRIMSON technológia működése szempontjából, mint a hordozó felületén lévő A B C D szigetelő felületeké. 3. A CRIMSON tesztlemez vizsgálata 1. Mérje meg a tesztlemezen a CRIMSON technológiával vezetővé tett furatfalakon lévő bevonat ellenállását! Vizsgálja meg a mért értékek átmérő függését. 2. Keressen összefüggést a furatátmérő (furatfal felület) és a mért ellenállás értékek között! 3. Galvanizálja a tesztlemezeket 30 ill. 60 másodpercig 2A/dm2 áramsűrűséggel! 4. Határozza meg a rétegnövekedési sebességet az A B C D mezők széleinél!

13


2.a. mérés

1. ábra. A CRIMSON direkt galvanizálás vizsgálatának tesztábrája, ill. a lemez furatképe 4. STERLING SILVER immerziós ezüst bevonat készítése Az immerziós ezüst bevonat készítéshez a MacDermid cég STERLING SILVER technológiáját használjuk. A kémiai ezüst bevonat készítésekor a réz atomok ezüst atomokkal való helyettesítése megy végbe a szabadon hagyott fém felületeken. Mind horizontális, mind vertikális technológiát alkalmaznak az iparban, a Tanszéken a vertikális eljárást alkalmazzuk. A technológia lépései: •

•

Savas tisztítás (Final Finish Acid Cleaner): A savas tisztítás során eltávolítunk minden zsiradékot, oxidot és organikus maradványt, ami a forrasztásgátló maszk felvitele során keletkezett. Tiszta, egyenletes réz felületet biztosítunk, hogy a maratás egyenletes lehessen. Vizes öblítés: A vizes öblítések célja a vegyszer áthordás megakadályozása. Kétlépéses kaszkád öblítés, vagy szóró öblítés egyaránt alkalmazható, az utóbbi takarékosabb vízfelhasználást tesz lehetővé.

14


• • •

•

2.a. mérés

Mikromaratás (Final Finish Surface Prep ): Az oldat egyenletesen marja a szabadon maradt réz felületeket, ezzel eltávolítva minden kémiai szennyeződést és oxidot. Ionmentes vizes öblítés Előezüst (STERLING2 Predip): A maratott rézfelületről eltávolít minden oxidot, ami a megelőző öblítési fázisban keletkezett. Az előfürdő kád oldata kémiailag hasonló a kémiai ezüstéhez, ezzel biztosítható, hogy a szennyezők áthordása minimális legyen. Ezüst (STERLING2 Silver):A pH semleges oldatból kb. 0,15-0,6 mikrométer vastag ezüst réteg válik le a réz felületeken. A bevonat létrejöttekor az ezüst ionok helyet cserélnek a réz réteg felső atomjaival, a standard potenciál különbség miatt, így réz ionok kerülnek az ezüstfürdőbe, míg ezüst atomok válnak ki a réz felszínén. A folyamat képlete:

2 Ag + + Cu → 2 Ag + Cu + + • • •

Ionmentes vizes öblítés Meleg ionmentes vizes öblítés Szárítás: A nedvesség eltávolítása után a lemezeket légmentesen kell becsomagolni, hogy elkerüljük az ezüst bevonat elszíneződését, és a vele járó rosszabb forraszthatóságot.

5. A STERLING SILVER tesztlemez kialakítása A tesztlemez rajzolatát a 2. ábra szemlélteti. A lemezt úgy kell elkészíteni, hogy az a 2.b. forraszthatósági vizsgálatok gyakorlaton felhasználható legyen. A lemezen lévő 3 egyforma tesztábra különböző felületi kikészítést kap: galván ón, réz, illetve immerziós ezüst bevonatot.

2. ábra. A STERLING SILVER tesztlemez 6. A STERLING SILVER tesztlemez elkészítése 1. 2. 3. 4.

A megfelelően előkészített tesztlemezre készítsen maszkot ragasztó szalag alkalmazásával, hogy az immerziós ezüst bevonat csak a megfelelő tesztábrára váljon le. Készítse el az immerziós ezüst bevonatot. Távolítsa el a maszkoló szalagot, majd tisztítsa meg a felületet az esetleg ottmaradt ragasztó maradványoktól. Vákuumfóliázó berendezéssel légmentesen csomagolja be az elkészült tesztlemezt.

Ellenőrző kérdések 1. 2. 3. 4. 5.

6.

Mi direkt galvanizálás? Ismertesse a direkt galvanizálás lépéseit! Miképpen minősíthető a direkt galvanizálás technológiája? Ismertesse az immerziós ezüst bevonat készítés lépéseit! Hasonlítsa össze az immerziós, az árammentes és a galván bevonat készítési technológiákat! Jellemezze az immerziós technológiákkal készített bevonatokat!

15


2.b. mérés

2. b. Forraszthatósági vizsgálatok, forrasztások és mikrohuzal-kötések készítése és vizsgálata Illés Balázs A mérés célja: különböző felületi bevonattal rendelkező nyomtatott huzalozású lemezek (NYHL) forraszthatósági és mikrohuzal-kötési (bondolási) tulajdonságainak vizsgálata és az ehhez szükséges eljárások megismerése.

A mérési feladat: előre elkészített különböző felületi bevonattal rendelkező tesztpanelekre forrasztott és bondolt kötések létrehozása, majd a kötések elektromos vezetőképességének és mechanikai szilárdságának vizsgálata, valamint a panelek szigetelési ellenállásának meghatározása. A mérés elvégzésével megszerezhető képességek: a kézi stencilnyomtató, a félautomata „pick & place” berendezés, az alagút reflow kemence, a félautomata bondoló, a szigetelési ellenállásmérő berendezés, valamint a nyíró (push off) és húzó (pull) teszterek felépítésének és működtetésének gyakorlati megismerése.

Elméleti összefoglaló Forrasztás A forrasztás során két fémet kötünk össze egy harmadik, alacsonyabb olvadáspontú ötvözet (a forraszanyag) segítségével villamosan, kémiailag és mechanikailag egyaránt. A kémiai kötés diffúzióval jön létre, és egy ún. intermetallikus réteg kialakulását jelenti. Ez a réteg biztosítja a kapcsolatot a két összekötendő fém között. A forrasztás az idegen anyaggal záródó, üzemszerűen bonthatatlan kötések csoportjába tartozik. 1. Forraszthatósági és kötésminősítési vizsgálatok Az NYHL-eken található réz huzalozási pályákon, védelem nélkül már szoba hőmérsékleten is néhány nap alatt vastag oxid réteg növekszik, amely nagyban rontja a forraszthatóságot. Ezért az NYHL-eket a gyártásuk során különféle (az alkalmazási területüktől függő) felületi bevonattal látják el. Ezek a következők lehetnek: OSP (Organic Surface Preservative), passzivált réz ENIG (Electorless Nickel/Immersion Gold), kémiai nikkel/immerziós arany Immerziós ezüst Kémiai ezüst Immerziós ón Galván ón HASL (Hot Air Solder Leveling), tüzi ón A forraszthatósági és kötésminősítési vizsgálatok egyik célja a különböző felületi bevonatok minősítése és összehasonlítása, a következő paraméterek szerint: nedvesítési paraméterek (nedvesítési erő, idő és szög), kontaktellenállás, mechanikai szilárdság (erőmérés nyíró vagy húzó feszültség mellett). Nedvesítési paraméterek mérése: a nedvesítési paraméterek (erő, idő, szög) az egyik legfontosabb forrasztás jellemzők, mivel a nedvesítési hiányában nem jöhet létre forrasztott kötés. A nedvesítés egyszerűen fogalmazva a megolvadt forrasz terülését jelenti a forrasztandó felületen. A nedvesítési vizsgálatok mérési módszer alapján két csoportra osztható, a „wetting balance” (nedvesítési erő és idő mérés) és a „wetting angle” (nedvesítési szög mérés), melyek közül az előbbi az elterjedtebb így csak ezt tárgyaljuk részletesebben (a mérési feladatok között egyik sem szerepel).

16


2.b. mérés

A „wetting balance” mérés menete a következő (1. ábra): az előre fluxozott és előmelegített mintát az olvadt forraszba mártjuk, és eközben egy precíziós mérleg segítségével mérjük a rá ható eredő erőt, amely a gravitációs, a felhajtó és a nedvesítési erő együttese. A mérés közben a berendezés egy nedvesítési erő-idő diagrammot rögzít, amelyről a nedvesítési erő (4. szakasz) és a hozzátartozó idő érték leolvasható. A nedvesítési erő tulajdonképpen az az erő, amely a mintadarabot a forraszkádba húzza. A cél a minél nagyobb nedvesítési erő elérése a lehető legrövidebb idő alatt.

1. ábra: A „wetting balance” elvű mérés menete. A görbe szakaszai a következők: 1. bemerítés előtt, előmelegítési fázis, 2. „non-wetting”, a bemerítés után néhány pillanatig még nem indul meg a nedvesítés, a mintára csak a felhajtó erő hat (a gravitációs erőt a mérleg kikompenzálja), 3. „zero-wetting”, a nedvesítési erő egyenlő a felhajtó erővel, 4. „wetting”, a nedvesítési erő eléri a maximumát (ezt 4-6 másodpercig tartania is kell különben a „de-wetting” jelenségről beszélhetünk) 5. a mérés vége. A laborgyakorlat során a az előzőeknél jóval egyszerűbb módszerrel vizsgáljuk nedvesítési tulajdoságokat, egy ún. nedvesítési (wetting) tesztábrát segítségével (2. ábra). A vizsgálat lényege, hogy különböző vastagságban nyomtatunk pasztacsíkokat a tesztpanelen a nedvesítési tesztábrára, majd optikailag megvizsgáljuk, hogy melyik bevonaton fut messzebb a forrasz.

2. ábra: Nedvesítési tesztábra. Kontaktellenállás mérés: a forrasztott kötések kontaktellenállása valamint a huzalozási pályák ellenállása „parazita” hatásként jelentkezik áramköreinkben. Egy forrasztott kötés kontaktellenállása két részre osztható: a forraszanyagra ellenállására és a forraszanyag és a forrasztott felület között kialakult intermetallikus réteg ellenállására. Az intermetallikus réteg: a forrasztandó felület és a forraszfém között, diffúzió útján létrejövő néhány mikron vastagságú réteg (3. ábra). Az intermetallikus réteget különféle réz és ón ötvözetek

17


2.b. mérés

alkotják (Cu6Sn5, Cu3Sn, stb…), amelyek ugyan fémekből épülnek fel, de tulajdonságaik nagyban eltérnek azoktól (sokkal alacsonyabb vezetőképesség és mechanikai szilárdság, stb…).

3. ábra: Intermetallikus réteg [Martin Tarr: Intermetallics, www.aim.ac.uk]. A félreértések elkerülése végett fontos hangsúlyoznunk, hogy az intermetallikus réteg a forrasztott kötések fontos része, mivel ez tartja össze a forraszt és a forrasztandó felületet. Ideális vastagsága 16 µm. Az intermetallikus réteg vastagsága ugyan közel 2 nagyságrenddel kisebb a kötés vastagságánál, viszont rosszabb villamos paraméterei miatt, ellenállásuk közel azonos súllyal szerepel a kötés kontaktellenállásában. (A kötések felületén található oxid réteget most hanyagoljuk el.) Az intermetallikus réteg növekedése (a diffúzió) nem ér véget a forrasztás befejeztével, bár sokkal kisebb ütemben de folytatódik, amely nagyban függ a környezeti hatásoktól (főleg a hőmérséklettől). Így a forrasztott kötések minősége és megbízhatósága az idő múlásával egyre csökken, ezek viszont a kontaktellenállás értékével és annak változásával vizsgálhatók. Őnamgában 1db forrasztott kötés kontaktellenállásának meghatározása komplikált feladat, így a kontaktellenállás mérését általában több egymással sorba kötött „null” ellenálláson szokták elvégezni. Ebben az esetben viszont tudni kell, hogy a kötések kontaktellenállása mellett a huzalozási pálya és a „null” ellenállások értéki is szerepelni fognak a mérési eredményben. Ez azonban összehasonlító vizsgálatok során nem jelent gondot. A kontaktellenállás mérés egyik legelterjedtebb eszköze a 4-vezetékes módszer, amelynek lényege, hogy a méréshez szükséges gerjesztést (2 db vezeték) és a mérő vezetékékeket (2 db) szétválasztjuk, kiküszöbölve ezzel a hozzávezetések hibáját a mérési eredményeinkből (4. ábra). Ezzel a módszerrel igen kicsiny mΩ nagyságrendbe eső ellenállások értéke is meghatározható.

4. ábra: A 4-vezetékes mérés elvi elrendezése. Mechanikai szilárdság mérés: annak az erőnek a meghatározása, amelyet egy forrasztott kötés még sérülés nélkül képes elviselni (valójában csak azt az erőt tudjuk meghatározni, amelynél a kötés már

18


2.b. mérés

megsérül). A mérés eredménye nagyban függ attól, hogy milyen gyorsan bocsátjuk az adott erőt a kötésre és az erő irányától (nyíró vagy húzó feszültséget kelt). A forrasztott kötések minősítésére általában a nyírófeszültséggel működő ún. „push off” vagy más néven „shear” tesztereket alkalmazzák. (A bondolások minősítésénél használnak húzó feszültséget, „pull” teszter). A nyíró teszt során az ellenállások oldalára - egy szerszám segítségével – egyenlő sebesség mellett egyre nagyobb erőt bocsátunk, amíg a kötés el nem törik (5. ábra), a közben mért erő-idő diagrammról a maximális erőérték leolvasható. Nagyon fontos megvizsgálnunk, hogy valóban a kötés szakadt-e fel, vagy pedig a teljes kontaktus felület. Az utóbbi eset a nyomtatott áramkör huzalozásának gyenge minőségéről árulkodik.

5. ábra: Nyíró teszt. Így tulajdonképpen nem egy, hanem kettő kötést minősítünk egyszerre. Ahogy a kontaktellenállást úgy a mechanikai szilárdságot is, nagymértékben az intermetallikus réteg vastagsága határozza meg. Minél vastagabb az intermetallikus réteg (a kötés öregedése folytán) annál jobban csökken a mechanikai szilárdság. Ezért ahogy a kontaktellenállás úgy a mechanikai szilárdság is minőségi és megbízhatósági paraméter is egyben. Szigetelési ellenállás mérés: ez az eljárás nem tartozik szervesen a forraszthatósági vizsgálatok közé, mivel nem a felületi bevonatokat, hanem a inkább forrasztásgátló lakkot minősíti. Azonban némileg hatással lehet rá a forrasztás miatt bekövetkező hőterhelés valamint a forrasztás után visszamaradó folyasztószer szennyezések. Éppen ezért ezt az eljárást is elvégezzük a laborgyakorlat során. A szigetelési ellenállás (SIR – Surface Insulation Resistance) vizsgálatára egy fésűs tesztábra szolgál (6. ábra). A mérések során a nagy ellenállás értékek miatt MΩ mérőt alkalmazunk.

6. ábra: Szigetelési ellenállás mérésére alkalmas tesztábra

19


2.b. mérés

Mikrohuzal-kötés A mikrohuzal-kötés során két áramvezető felületet (nem feltétlenül fémet) kötünk össze egy vékony (10-500µm) vastagságú fémhuzal segítségével. A mikrohuzal-kötés más néven „bondolás” három technológiai csoportra osztható melyek: a termokompressziós, ultrahangos és termoszónikus. A laborgyakorlat során csak az ultrahangos kötéssel ismerkedünk részletesebben. Ultrahangos kötés: Az ultrahangos vagy ékes kötés a kötőszerszám alakjáról kapta a nevét, a szakirodalom ék-ék (wedge-wedge) kötésként is gyakran hivatkozik rá. A kötőszerszámként használt ék szerepe a megfelelő kontaktus kialakítása. Az ultrahangos kötésnél az egymással szembeni felületek transzverzális rezgőmozgásának segítségével, súrlódás közben jön létre a kötés. Emiatt viszonylag kis nyomóerőt kell kifejteni, hiszen ezzel a kis nyomóerővel is el tudjuk érni az oxidréteg feltörését és a felületek egyenetlenségeinek megszűntetését. A termokompressziós kötéssel szemben itt semmiféle hőközlés nem történik. Habár sokfajta fém köthető ezzel a technológiával (alumínium, arany, réz, nikkel, palládium stb.), leginkább még is az alumínium mikrohuzalok kötésére alkalmazzák. A huzalt a vízszintes kötési síkhoz képest 3-60° szögben adagolják az éken kialakított furaton keresztül. Első lépésben a szerszámot az első kontaktusfelület fölé irányítják (7/a ábra). Az éket az integrált áramkör kontaktusfelületéhez közelítve, a huzalt a kontaktusfelülethez nyomják, majd az éket a kontaktusfelületre merőleges irányban ultrahanggal rezgetve kötést létesítenek (7/b ábra). Az ultrahangos rezgetés hatására a felületi oxidréteg feltörik, atomi erők lépnek működésbe, ezáltal a két anyag „összetapad”. A szerszámot ezt követően felemelik (7/c ábra), a következő kötésnek megfelelő irányba mozgatják, mozgásának pályája pedig a kívánt hurokformának megfelelő alakot ír le. A hordozó oldalán az ék ismét leereszkedik, és létrejön a második kötés (7/d ábra). A huzalbefogó zárásával lehet a huzalt elszakítani (7/e ábra). Mivel a huzalok kötése vízszintesen történik, a kötés irányfüggő, ezáltal a huzalcsatlakoztatási szabadság korlátozott. Szerszám

Huzalfogó nyitva

Huzalfogó

Fejmozgás pályája

Huzal Kontaktus felület

Hordozó

Fejmozgás pályája

Huzalfogó zárva

7. ábra. Az ékes kötés folyamata A szilárd fázisban történő kötésképződés folyamata három stádiumra osztható. Az első stádium közben a két anyag olyan távolságra közelíti meg egymást, amelynél lehetséges a fizikai kölcsönhatások lefolyása, a van der Waals erők hatékonnyá válása. A két összekapcsolni kívánt anyag egyikének a másik anyag felületén bekövetkező deformációja következtében diszlokációk keletkeznek, és ezzel aktiválódik a plasztikusan deformálódott anyag érintkezési felülete. A két anyag érintkezési felületeinek zónájában gyenge kémiai kötések jönnek létre. A második stádiumban

20


2.b. mérés

megkezdődik a szilárd kötések képződése. Ebben a szakaszban az elektronok közötti kölcsönhatás kvantum-folyamatai játsszák a döntő szerepet. A második stádium lezárását az aktív központok létrejötte jelenti. Az aktív központok szétroncsolják a telített kémiakötéseket és előkészítik az anyagfelületeket a szilárd fázisban végbemenő kölcsönhatásra. A harmadik stádiumban kölcsönhatás lép fel az összekapcsolni kívánt anyagok között az érintkezési síkban és az érintkezési zónában egyaránt. A rácshibák mellett számos egyéb tényezőnek is befolyása van a kölcsönhatás kinetikájára. 2. Bondolhatósági vizsgálatok A bondolhatóság vizsgálatára általában kétféle módszert alkalmaznak, ezek a fentebb említett konaktellenállás mérés és a kötések mechanikai szilárdságának mérése. Az előbbi ugyanazzal a módszerrel végezhető, mint a forrasztott kötések esetében, az utóbbihoz pedig az ún. húzó (pull) teszt módszert alkalmazzuk. A húzó teszt során bondolt hurok közepére egy kampó segítségével fejtünk ki vertikális húzó erőt (8. ábra). Az erő nagyságát egyenletes sebességgel növeljük, amíg a kötés el nem szakad. (A mérés eredménye itt is nagyban függ attól, hogy milyen gyorsan bocsátjuk az adott erőt a kötésre.)

Mérőfej

Kampó

Tárgyasztal

Minta

8. ábra: Húzó tesztberendezés Nagyon fontos megvizsgálnunk, hogy valóban a kötés szakadt-e fel, vagy pedig a teljes kontaktus felület. Az utóbbi eset a nyomtatott áramkör huzalozásának gyenge minőségéről árulkodik.

21


2.b. mérés

A mérés menete: 1. A tesztpanelek előkészítése A laborgyakorlat során 4 db eltérő felületi bevonattal rendelkező panelt vizsgálunk: 1 db galván Sn, 1 db Cu és 2 db immerziós Ag (technológiai különbséggel készült). Az Sn és Ag bevonatú paneleken a forraszthatósági, míg a Cu és Ag bevonatúakon a bondolhatósági tulajdonságokat vizsgáljuk. Első lépésként a paneleken szemrevételezéssel megvizsgáljuk a bevonatok közötti optikai különbséget. Ezek után a bondolásra szánt részeket, egy csípőfogó segítségével eltávolítjuk. 2. Forraszpaszta felvitel stencilnyomtatással A forraszthatósági tesztekhez kialakított felületekre a forraszpaszta felvitel kézi stencilnyomtató berendezéssel történik, amelynek menete a következő: 2.1, tesztpanel pozícionálása a nyomtató tárgyasztalán, 2.2, forraszpaszta felkeverése és felhelyezése a stencilre, 2.3, a paszta végiggörgetése a stencilen egy nyomtatókés segítségével, 2.4, a tesztpanel eltávolítása a berendezésből és a nyomtatás ellenőrzése szemrevételezéssel. 3. Alkatrész beültetés A 2. lépésben felnyomtatott forraszpasztába 0805 méretű chip ellenállásokat (R = 0Ω) ültetünk félautomata (DIMA) pick-and-place készülékkel. A beültetés során ügyeljünk az alkatrészek pontos pozíciójára, mivel ez nagyban befolyásolja a kötések mechanikai szilárdságát. 4. Folyasztószer felvitele a SIR teszt felületre. Minden panelen található ún. SIR teszt felület, amelyek közül az egyikre egy ecset segítségével folyasztószert kenünk. A művelet célja, hogy megvizsgálhassuk, hogyan befolyásolják a visszamaradt folyasztószer maradványok a szigetelési ellenállást. 5. Forrasztás A forrasztott kötések létrehozása egy alagút reflow kemence (DIMA SMT) segítségével történik. A kemence előre beállított és felfűtött. A művelet időtartama 4-5 perc. 6. Szigetelési ellenállásmérés A SIR teszt felületeken szigetelési ellenállásmérővel (Agilent 4339B típusú) megvizsgáljuk a 4. pontban végzettek eredményeit. 7. Kontaktellenállás mérés a forrasztott kötéseken 4 vezetékes ellenállás mérés segítségével megmérjük az 5. pontban elkészült forrasztott kötések kontaktellenállását. A tesztpanelen erre a célra külön mérőpontokat helyeztünk el. A vizsgálat célja annak megállapítása, hogy befolyásolja-e a felületi bevonat a kontaktellenállást. 8. Mechanikai szilárdság mérés Első lépésben a kötéseket tartalmazó részeket egy csípőfogó segítségével eltávolítjuk tesztpanelből és csíkokra vágjuk a mechanikai tesztekhez. Minden egyes panel 3 csíkot tartalmaz, melyeken 5 db ellenállás található. Ezek után a csíkokat a nyíró (push off) teszter mintatartójába helyezzük, és egyesével megmérjük a kötések mechanikai szilárdságát azaz a kötések „letolásához” szükséges erőt. 9. Bondolt kötések elkészítése Első lépésben, a bondolási felületeket tartalmazó részt egy csípőfogó segítségével eltávolítjuk a Cu és Ag bevonatú tesztpanelekből, majd a (Orthodyne MODEL 20, félautomata) bondoló berendezés tárgyasztalára helyezzük. (A bondolási időt és erét a gépen előre beállítottuk.) A művelet során, minden ékelt kötést egyesével készítünk: 9.1 az alumínium huzalt (d=0.3mm) befűzzük a bondolófejbe és egy csipesz segítségével visszahajtjuk a horonyba,

22


2.b. mérés

9.2 a bondolófejet a kívánt pozícióba hozzuk és elkészítjük az első kötést, 9.3 a művelet végeztével a huzalt rögzítő csipesz kiold, így a fejet a következő kötés fölé mozgathatjuk, 9.4 elkészítjük a második kötést, majd a fej felemelése közben eltépjük az alumínium huzalt. 10. Kontaktellenállás mérése a bondolt kötéseken 4 vezetékes ellenállás mérés segítségével megmérjük a 9. pontban elkészült bondolt kötések kontaktellenállását. A tesztpanelen erre a célra külön mérőpontokat helyeztünk el. A vizsgálat célja annak megállapítása, hogy befolyásolja-e a felületi bevonat a kontaktellenállást. 11. Tapadási erőmérés Az elkészült kötéseket tartalmazó panelt a (Dage Microtester BT22 típusú) húzó (pull) teszter tárgyasztalára helyezzük. A mérőkampót a bondolt hurok közepére pozícionáljuk, majd elindítjuk a mérést, ami a kötés felszakadásáig tart. (A húzóerő növelésének sebessége előre beállított.) Nagyon fontos, hogy a kampót minél pontosabban a hurok középvonalába helyezzük, mivel ellenkező esetben hamis eredményt kapunk. 12. Az eredmények kiértékelése és a mérési jegyzőkönyv elkészítése A mérésekről, minden mérőcsoport 1 db közös jegyzőkönyvet készít a laborgyakorlat végén. Az eredmények kiértékelésénél fektessünk különös hangsúlyt a labor gyakorlat legfőbb céljára, a különféle kontaktus bevonatok forraszthatósági és bondolhatósági paramétereinek összehasonlítására! Ellenőrzőkérdések: 1. Mi a kontaktusfelület bevonatok szerepe és milyen típusait ismeri? 2. Mi az intermetallikus réteg szerepe a forrasztás során és mik a kötési paraméterekre gyakorolt hatásai? 3. Írja le és vázolja fel a nyíró (push off) teszt elvi működését. 4. Ismertesse a mikrohuzal-kötések típusait, és a kötési folyamat három fő fázisát! 5. Írja le és vázolja fel a húzó (pull) teszt elvi működését! 6. Írja le és vázolja fel a 4 vezetékes mérés elvi működését! 7. Ismertesse a „wetting balance” elvű mérést, és rajzoljon egy nedvesítési erő-idő görbét, melyen jelölje a görbe fő szakaszait!

23


3.a. mérés

3.a. Finom raszterosztású alkatrészek szereléstechnológiája Krammer Olivér

A mérés célja: az finom raszterosztású alkatrészek elhelyezési folyamatának megismerése, illetve a forraszpaszta felvitelhez alkalmazott automata stencilnyomtatási folyamat beállításának elsajátítása.

A mérési feladat: forraszpaszta felvitele az előzetesen elkészített kísérleti lemezre stencilnyomtatással, illetve finom raszterosztású BGA tokozású alkatrésze elhelyezése, és forrasztása.

A mérés elvégzésével megszerezhető képességek: a félautomata stencilnyomtató berendezés programozásának- és a fineplacer berendezés működésének elsajátítása.

A mérés során felmerülő fogalmak rövid meghatározása BGA tokozású alkatrész Olyan tokozású felületszerelt alkatrész, melynél a kivezetések formája általában gömb, és azok a tok alján mátrix rácspontjaiban helyezkednek el (1. ábra).

a.)

b.)

1. ábra BGA tokozású alkatrész: a.) keresztmetszeti illusztráció, b.) alulnézeti példakép

Finom raszterosztású alkatrész Olyan tokozású alkatrész, melynél a kivezetések osztása kisebb, mint 0,63 mm, illetve a BGA tokozású alkatrésze esetében a kivezetések osztása kisebb, mint 1,25 mm. Stencil A stencil keretre feszített vékony lemez, melyen az alkatrészek forrasztására szolgáló felületeknek megfelelően ablakokat (apertúrákat) alakítanak ki. A forraszpaszta nyomtatásához használt stencilek általában 75-200 µm vastagságú fémfóliák. Stencilnyomtatás A stencilnyomtatás forraszpaszta-felviteli eljárás, amikor a hordozóra a pasztát nyomtatókés segítségével préseljük át a stencil apertúráin.

24


3.a. mérés

Újraömlesztéses forrasztás Az újraömlesztéses forrasztás forrasztott kötések létrehozására szolgáló technológia, amikor a forraszanyag paszta formájában kerül a hordozóra, majd az alkatrészek elhelyezése után a forraszfémet melegítéssel megömlesztve alakítják ki a forrasztott kötéseket.

A méréshez alkalmazott eszközök, berendezések A DEK 248 stencilnyomtató A DEK248 stencilnyomtató (2. ábra) félautomata berendezés a forraszpaszta felvitelére, melynél a hordozó pontos illesztését a stencilhez kamerák segítik.

2. ábra A DEK 248 stencilnyomtató

A berendezés műszaki adatai a következők: • nyomtatható terület: 432 x 405 mm, • nyomtatási pontosság: ±25 µm (stencil és hordozó illesztésének átlagos hibája), • nyomtatási ismétlési képesség: ±10 µm (stencil és hordozó illesztési hibájának szórása), • legkisebb raszterosztású alkatrész, melyhez felvihető a paszta: • 0,3 mm QFP tokozású alkatrész, • 0402 méretkódú (1 x 0,5 mm) chip alkatrész, • alkalmazható stencilkeret méret: 508 x 508 mm, • nyomtatási sebességtartomány: 10-70 mm/s, • nyomtatókés maximális hossza: 440 mm (jelenleg 300 mm), • nyomtatási erő tartománya: 0-150 N (kés leszorító ereje). A DEK Vectorguard stencilkeret A Vectorguard gyorsrögzítő keretben rugók feszítenek alumínium profilokat (3. ábra – a.), amelyek belekapaszkodnak a fólia széleire rögzített hornyokba (3. ábra – b.), így feszítve a stencilt.

25


3.a. mérés

a.)

b.) 3. ábra A VectorGuard gyorsrögzítő keret: a.) extrudált alumínium keretben a feszítő profilok, b.) stencilfólia szélére rögzített horony

A rugókkal feszített profilok előtt elhelyezkedő szilikoncsövet sűrített levegővel felfújva lehet a keretet nyitni. A nyitás után kell a stencilt elhelyezni a keretbe, majd a levegőt kiengedve visszazárnak a profilok és megfeszül a stencil. A Fineplacer berendezés A fineplacer berendezéssel finom raszterosztású BGA tokozású alkatrészek helyezhetők el; a berendezés 45 °-os prizmát tartalmaz, melyen keresztül egyszerre látszik a szerelőlemez és a függőlegesen rögzített alkatrésztok alsó oldala (4. ábra). Az alkatrész megfogása fix, a szerelőlemez mikrométer orsó segítségével pozícionálható a pontos helyére. Az alkatrész elhelyezésének lépései a következők: • • • •

alkatrész elhelyezése a munkaasztalra (5. ábra – a.), alkatrész felvétele a forgatható vákuumos karral (5. ábra – b.), szerelőlemez pozícionálása a mikrométer orsóval (6. ábra – a.), alkatrész elhelyezése a hordozóra (6. ábra – b.).

4. ábra A fineplacer berendezés

26


a.)

3.a. mérés

b.)

5. ábra Az alkatrész-elhelyezés első két lépése a fineplacer berendezéssel

a.)

b.)

6. ábra Az alkatrész-elhelyezés harmadik-negyedik lépése a fineplacer berendezéssel

A laboron alkalmazott kísérleti lemez A laborhoz alkalmazott kísérleti lemez hordozója 1,55 mm vastagságú FR4 osztályú, üvegszállal erősített epoxi nyomtatott huzalozású lemez. A forrasztási felületek bevonata immerziós (kémiai) ezüst. A szerelőlemezt a 7. ábra mutatja. A lemezen több tesztmintázat is elhelyezkedik az ábrán jelzett módon.

7. ábra A méréshez alkalmazott kísérleti lemez terve

27


3.a. mérés

1. tesztmintázat – BGA tokozású alkatrészek számára kialakított forrasztási felületek Az 1-es tesztmintázaton 196 kivezetős, 1 mm raszterosztású BGA tokozású alkatrészek számára kialakított forrasztási felületek vannak. A labor keretében a forrasztási helyekre kétoldalas ragasztófóliába kell helyezni a BGA tokozású alkatrészeket a fineplacer berendezéssel. A helyezési pontosságot a hallgatók a 3.b. labor keretében röntgenmikroszkópiával ellenőrzik. 2. tesztmintázat – a nyomtatási hatékonyság mérésére kialakított mintázat A sablonnyomtatásnál a forraszpaszta nyomtatási hatékonysága az elvi paszta térfogat (sablon apertúra térfogata) és a nyomtatott paszta térfogatának a hányadosa. A forraszpaszták nyomtatási hatékonyságát négy paraméter befolyásolja: • paszta-nyomtatógép képessége, • forraszpaszta nyomtathatósági tulajdonsága, • stencilapertúra mérete, • a stencil készítési technológiája (kémiai maratás, lézerrel vágás, galvanoplasztika). A forraszpaszta stencilről való leválásának, a nyomtatási hatékonyságnak, befolyásoló tényezője tehát az apertúra mérete, amelyet az apertúra területi aránya (area ratio) alapján jellemzünk. Az apertúra területi aránya a stencilnyílás területének és az apertúra falfelületének az aránya (8. ábra, 1. képlet). W⋅L (1) TA (Területi arány) = 2(L + W ) T • • •

W – az apertúra szélessége, T – a stencil vastagsága, L – az apertúra hossza.

8. ábra Stencil apertúra geometriai méretei

A nyomtatási hatékonyság mérésére a 2. tesztmintázat szolgál, melyen a forrasztási felületek mérete rendre 0,75x0,75 mm (30x30 mil), míg a stencil apertúrái folyamatosan csökkenek 610 µmről 203 µm-re 25,4 µm-es lépésekben (24 mil…8mil, 1 mil-es lépcső) (9. ábra).

b.)

a.)

9. ábra A nyomtatási hatékonyság méréséhez használt tesztmintázat: a.) a forrasztási felületek, b.) a stencil apertúrái

A szakirodalom szerint a pasztafelvitel akkor elfogadható, ha a nyomtatási hatékonyság meghaladja a 75 %-ot. Ezt az értéket a forraszpaszták lézerrel vágott stencil alkalmazása esetén rendszerint akkor haladják meg, amikor az apertúra területi aránya nagyobb 0,66-nál. A kísérleti stencil apertúráinak területi arányát 125 µm vastagságú fóliára az I. táblázat tartalmazza.

28


3.a. mérés

I. táblázat A kísérleti mintán alkalmazott stencil-apertúrák területi aránya

Apertúra mérete

Területi arány

Apertúra mérete

Területi arány

203 µm (8 mil)

0,4

406 µm (16 mil)

0,8

229 µm (9 mil)

0,45

432 µm (17 mil)

0,85

254 µm (10 mil)

0,5

457 µm (18 mil)

0,9

279 µm (11 mil)

0,55

483 µm (19 mil)

0,95

305 µm (12 mil)

0,6

508 µm (20 mil)

1

330 µm (13 mil)

0,65

533 µm (21 mil)

1,05

356 µm (14 mil)

0,7

559 µm (22 mil)

1,1

381 µm (15 mil)

0,75

584 µm (23 mil)

1,15

610 µm (24 mil)

1,2

3. tesztmintázat –BGA tokozású alkatrészek forrasztott kötéseinek vizsgálatára A harmadik tesztmintázatra egy BGA tokozású alkatrészt, és tizenhat 0805 méretkódú (2 x 1 mm) chip ellenállást kell elhelyezni a felvitt forraszpasztába, majd a kötéseket kell létrehozni újraömlesztéses kemencében. A BGA tokozású alkatrész számára a forrasztási felületek mérete 0,45 mm (18 mil). Ugyanehhez az alkatrészhez a stencil-apertúrák méretei 0,75 mm-től 0,3 mm-ig változnak 75 µm-es lépéssel (30 mil …12 mil / 3 mil lépésköz), ezzel vizsgálva a hiányos pasztafelvitel-, illetve a stencilnyomtatás utáni forraszpaszta többlet hatását a forrasztott kötések minőségére (10. ábra – b.).

a.)

b.)

10. ábra Tesztmintázat a BGA tokozású alkatrész forrasztott kötéseinek vizsgálatára: a.) az alkatrészek számára kialakított forrasztási felületek, b.) a hozzá tartozó stencil-apertúrák

29


3.a. mérés

A mérés menete A mérés során forraszpasztát csak a 2.-es és 3-as tesztmintázatra kell felvinni, ezért az 1-es tesztmintázathoz kialakított stencil-apertúrákat ragasztófóliával ki kell takarni (maszkolás). Forrasztani csak a 3.-as tesztmintázatot kell. A mérés menete ennek megfelelően: 1. stencilfólia feszítése a Vectorguard gyorsrögzítő keretbe, 2. az 1-es tesztmintázathoz kialakított stencil-apertúrák maszkolása ragasztófóliával, 3. DEK 248 stencilnyomtató programozása (sebesség: 30 mm/s, késerő 95 N, stencil-elválasztási sebesség 95%), és ólommentes forraszpaszta felvitele a kísérleti lemezre, 5. BGA tokozású alkatrészek elhelyezése kétoldalas ragasztófóliába az 1-es tesztmintázat alkatrészhelyeire a fineplacer berendezéssel, 6. BGA tokozású alkatrész és a tizenhat darab 0805 méretkódú chip ellenállás elhelyezése a 3.-as tesztmintázaton kialakított alkatrészhelyekre, 7. a 3-as tesztmintázat kísérleti lemezének forrasztása újraömlesztéses eljárással. Ellenőrző kérdések 1. Mekkora kivezető-távolságtól számít egy felületszerelt alkatrész finom raszterosztásúnak BGAés nem BGA tokozású alkatrészek esetén? 2. Ismertesse röviden a Vectorguard gyorsrögzítő keret működését! 3. Melyik négy paraméter befolyásolja a forraszpaszta nyomtatási hatékonyságát? 4. Hogyan lehet kiszámítani a stencil-apertúra területi arányát?

30


3.b. mérés

3.b. Röntgenes mikroszkópos vizsgálatok Kovács Róbert A mérés célja: bemutatni az elektronikai gyártásban egyre jobban elterjedt röntgensugaras átvilágító berendezést és szemléltetni az alkalmazási lehetőségeit. A mérési feladat: forraszpaszta-felvitel nyomtatási hatékonyságának meghatározása, BGA tokozású alkatrészek beültetési pontosságának, valamint forrasztott kötéseinek ellenőrzése, minősítése több szempont szerint (hibamentesség, átmérő, gömbszerűség, zárványosság). A mérés elvégzésével megszerezhető képességek: az elektronikai áramkörök röntgensugárral átvilágított képének értelmezése, a vizsgálati lehetőségek, korlátok megismerése. A szerelési technológián belüli alkalmazási lehetőségek megismerése. A mérés során felmerülő fogalmak rövid meghatározása: Röntgensugárzás: Frekvenciája a

1,5 ⋅ 1016 Hz ≤ f ≤ 3 ⋅ 10 20 Hz (1) tartományba, hullámhossza pedig a

10 −12 m ≤ λ ≤ 2 ⋅ 10 −8 m (2) c m intervallumba esik, közöttük a fénysebesség ( c = 299792452 ) teremt kapcsolatot ( λ = ), mivel s f a röntgensugárzás fénysebességgel terjed. Megkülönböztetünk: • lágy sugárzást: 2 ⋅ 10 −10 m ≤ λ (3) • közép-kemény sugárzást:

10 −11 m ≤ λ < 2 ⋅ 10 −10 m (4) •

kemény sugárzást:

λ < 10 −11 m (5) A röntgensugárzás áthatolóképessége a röntgenfotonok energiájától függ, ami az E = υ ⋅ h (6) képlettel (ahol υ a frekvencia, h = 6,62606891 ⋅ 10 −34 Js a Planck-állandó), a megadott hullámhosszakból meghatározható ( υ =

c

λ

(7), ahol c a fénysebesség). Ez alapján megállapíthatjuk,

hogy minél kisebb a hullámhossz, annál nagyobb fotonok energiája és így a röntgensugárzás áthatolóképessége. Röntgensugárzás előfordul a természetben is, pl. a kozmikus sugárzásban. Röntgencső: A röntgensugárzás ipari, orvosi és egyéb felhasználási területeire un. röntgencsövet fejlesztettek ki. A röntgensugárzás keletkezésében két különböző fizikai folyamat játszik szerepet: • a fékezési sugárzás: folytonos spektrumot hoz létre. Ennek oka, hogy az anódhoz érkező elektron az anód anyagában lassul, az anód anyagában lévő elektronok által létrehozott fékező tér hatására. Ekkor a beérkező elektron fokozatosan veszíti el az energiáját, ezért keletkezik folytonos spektrum. Ahogyan nő a gyorsító feszültség úgy jelennek meg egyre nagyobb frekvenciájú (egyre kisebb hullámhosszú) sugárzási komponensek, a folytonos spektrum eltolódik a rövidebb hullámhosszak felé. • a karakterisztikus sugárzás: ha a csőre kapcsolt feszültség egy meghatározott szintet elér, akkor a térerősség hatására felgyorsított elektronok energiája elég ahhoz, hogy az anód atomjai körül keringő elektronok közül egy belső pályán levő elektront kimozdítsanak. Ennek hatására az atom instabil állapotba kerül, ami úgy stabilizálódik, hogy egy magasabb energiaszinten lévő elektron leugrik és betölti az üressé vált helyet, miközben a két állapot közötti energiakülönbséget elektromágneses sugárzás (foton) formájában kisugározza. Mivel az egyes atomi állapotok energiája jól meghatározott és az illető atomra jellemző, a

31


3.b. mérés

karakterisztikus röntgensugárzás is csak jól meghatározott hullámhosszúságú összetevőket tartalmaz: a spektruma vonalas. Ezek a hullámhosszak jellemzőek a sugárzást kibocsátó anyagra. (1. ábra: röntgensugár-spektrum).

1. ábra. Jellegzetes röntgensugár-spektrum különböző gyorsítófeszültségeknél

A röntgensugárzás detektálása az anyagok sugárzás elnyelési tulajdonságainak eltérésén alapszik. A sugárzás elnyelése az alkotóelemek atommagjainak méretével arányos. A nagyobb rendszámú elemek jobban, míg a kisebb rendszámúak kevésbé nyelik el a sugárzást, s így – ezen az „árnyékhatáson” alapuló – elnyelődési mintázat alapján egy test belső felépítése felderíthető. Mivel a röntgenfelvételen egy képpont nem csak a felületről közöl információt, hanem a vizsgált minta teljes keresztmetszetéről (szummációs képalkotás), ezért háromdimenziós leképezés illúzióját kelti. Röntgensugaras vizsgálat elve (fizikai alapjai): A röntgencsöveknél a röntgensugárzást egy elektronágyú céltárgya bocsátja ki. Az elektronok vákuumban elhelyezett izzószálból (izzókatódból) lépnek ki. Az izzószál és a gyűrűkialakítású anód közé kapcsolt nagyfeszültség az elektronokat felgyorsítja majd ezek az anód mögé helyezett céltárgyba becsapódnak (2. ábra). A röntgencső egyik legfontosabb paramétere az emittált sugárzás teljesítménye P = cU 2 IZ ahol U az elektronok gyorsítási feszültsége, I a röntgencsőben folyó áram, Z a céltárgy anyagának rendszáma, míg c egy konstans. Látható, hogy a gyorsítófeszültség és az áram beállításával szabályozható a teljesítmény. Minél nagyobb a sugárzási teljesítmény, annál intenzívebb a kilépő röntgensugárzás.

32


3.b. mérés

2. ábra. Röntgensugaras vizsgálat elvi rajza

A céltárgyba csapódó elektronok mozgási energiájának nagy része hővé alakul, a fennmaradó részből pedig röntgensugárzás keletkezik. A kilépő elektronok sebességét az Einstein-egyenlet segítségével határozhatjuk meg:

m ⋅ v2 (8) 2 ahol e : az elektronok töltése ( e = −1,6021917 ⋅ 10 −19 C ), m : az elektronok nyugalmi tömege ( m = 9,109558 ⋅ 10 −31 kg ), v : a kilépő elektronok sebessége, U : a csőfeszültség. Az összefüggés szerint tehát a katódból kilépő elektronok mozgási energiája a csőfeszültséggel ( U ) egyenesen arányos. A keletkező röntgensugár energiája ( E r ) legfeljebb akkora lehet, mint a beérkező elektron kinetikus energiája ( E e ): Ee ≥ E r (9) e ⋅U =

A csőből kilépő röntgensugárzás hullámhosszának meghatározásához a (6),(7),(9) egyenletek felhasználásával juthatunk

m ⋅ v2 c ⋅ h (10) ≥ 2 λ ahol c : a fénysebesség ( c = 299792452m / s ), λ : a sugárzás hullámhossza, h : a Planck-állandó ( h = 6,62606891 ⋅ 10 −34 Js ). A (8) és (10) összefüggések alapján a kilépő sugárzás hullámhossza: c⋅h λ≥ (11) e ⋅U (30kV-os gyorsító feszültségnél a λ min = 4,13 ⋅ 10 −11 m , 160kV-os gyorsító feszültégnél λmin = 7,75 ⋅10 −12 m .) Anyagvizsgálati célokra a röntgensugárzást azon tulajdonsága miatt lehet felhasználni, hogy valamely tárgyon való áthaladásakor a sugárzás intenzitása csökken, mivel a tárgy a sugárzás egy részét elnyeli. Ha tehát a csőből kilépő sugárzás I 0 intenzitású, akkor a d vastagságú tárgyon áthaladva I 1 intenzitásúra csökken:

I 1 = I 0 ⋅ e − µd (12) ahol µ : a gyengülési együttható, d : a vizsgált tárgy vastagsága. Ugyanakkor azon sugarak intenzitása, melyek az x vastagsági mérettel jellemzett, a vizsgált tárgytól eltérő elnyelési tulajdonságú részen haladnak át I 0 -ról I 2 -re csökken. A tárgy ellentétes oldalán elhelyezett detektoron tehát az eltérő intenzitású sugárzások jól megkülönböztethetően észlelhetőek.

33


3.b. mérés

Detektor: A detektor konvertálja a röntgensugarakat számítógép által feldolgozható video jellé. Kialakítása szerint lehet direkt és indirekt. A direkt detektornál a röntgenfotonok energiáját elektromos töltéssé alakítják, az elnyelő réteget amorf szelén alkotja. A félvezető detektorréteget két oldalról körülfogó két elektródamező közül az alsó vékonyréteg tranzisztorokra oszlik (TFT). A röntgenfotonok hatására keletkező elektron-lyuk pár az elektródákra merőleges elektromos térben szétválik, és a legközelebbi kiolvasó elektronikán töltés formájában felhalmozódik. Az indirekt detektornál a röntgenfotonokat látható fénnyé alakítják, amit fotoelektronok létrehozásához használnak fel. A fotoelektronokat gyorsítják, és fókuszálják majd újra látható fénnyé alakítják. Az így kapott képet CCD kamerával továbbítják. A kép minőségére és a nagyítás mértékére befolyással van: • Az anyag minősége • A röntgencső feszültsége és a fűtőáram nagysága • A detektor felbontóképessége • A sugárforrás mérete (fókuszpontjának mérete) • A sugárforrás és a detektor egymástól való távolsága • A vizsgált tárgy és a detektor távolsága A Dage XiDAT (X-ray Integrated Digital Acquisition Technology) 6600 készülék: A Dage XiDAT 6600 készülék kialakítása szerint laboratóriumi vizsgálatokra alkalmas berendezés, tehát nem gyártósorba helyezhető. Méretei: 1600x1930x1910 mm. Tömege 1950kg (3. ábra: a készülék belső felépítése).

3. ábra. A Dage XiDAT 6600 készülék belső felépítése

A készülék fő részei a képalkotás szempontjából (lásd 3. ábra): • Röntgencső

34


3.b. mérés

Dage-MediXtec UR160 típusú nyitott (transzmisziós target) röntgencső. Az izzószál és az anód (az elektronok céltárgya, vagyis a „target”) egyaránt volfrám. A targetnél 0,25mm vastagságú berillium ablakon keresztül, 150o-os szögben jut az előállított röntgensugár a vizsgálótérbe. • Detektor Az indirekt detektor helyzete változtatható, mozgása közben automatikusan a röntgensugarak forrása felé néz. • Mintatartó, pozícionáló egység A mintapozícionáló egység mozgatja a mintatartó egységet a vizsgálat során. A vízszintes mozgatással vizsgálhatjuk a minta különböző területeit, a függőleges mozgatással pedig a geometriai nagyítás mértékét változtathatjuk. A pozícionáló egység a minél jobb képalkotás megvalósítása érdekében vibrációtól mentes. • Vezérlő (fő) számítógép A vezérlő számítógép három fő feladatot lát el: Ezen fut a vezérlő szoftver Feldolgozza a detektor által küldött videojelet Tartalmaz egy mozgatás vezérlő kártyát, mellyel a különböző egységek pozícionálása történik A speciális videokártyától és a mozgatás vezérlő kártyától eltekintve teljesen hétköznapi PC, Windows XP operációs rendszerrel. A vizsgálható panel maximális mérete 508x444 mm, azonban a maximálisan döntött detektorral vizsgálható terület 458x407 mm-re csökken. A minta megengedhető legnagyobb tömege 5kg. A detektor 50o-ban dönthető és 360o-ban mozgatható. A detektor egy 4”-es nagy felbontóképességű digitális image intesifier-ból és egy 1,45 millió pixeles CCD kamerából áll. 16384 szürkeségi szint, és 0,5% érzékelhető intenzitáskülönbség jellemzi ezt a típusú detektort. Így lehetővé válik a fémekhez képest jelentősen alacsonyabb tömegszámú, sűrűségű anyagok (például a kaucsuk) vizsgálata is. A röntgensugaras vizsgáló berendezéssel jól ellenőrizhetőek BGA (4. ábra), micro-BGA, CSP (Chip Scal Package) tokok eltakart kötései. A vezérlő program több része támogatja az ilyen jellegű vizsgálatokat. Jól ellenőrizhetőek az integrált áramkörökön belüli mikroméretű huzalkötések (bondolások)(5.ábra) és a többrétegű hordozók belső rétegeinek vezetőpályái (6.ábra). Ezek vizsgálatainál nélkülözhetetlen a döntött nézet. Csak különböző döntésekkel tudunk következtetni, mi melyik rétegen található. Vizsgálhatók továbbá a hőátadás miatt kritikus helyek érintkezései, tokozások megbontása nélkül különböző alkatrészek, mechanikai szerkezetek állapota (relék, tekercselések, rugók, érintkezők stb.) (7.ábra).

4. ábra. BGA kötés zárványainak vizsgálata

5. ábra. Processzor szakadt huzalkötései

35


6. ábra. Többrétegű hordozó vezetőpályáinak zárlata

3.b. mérés

7. ábra. 20A-es kismegszakító vizsgálata

Mérési feladat: A mérés során az előre beültetett BGA alkatrészek ültetési pozícióját, valamint forrasztott kötéseit vizsgáljuk meg. Az eltérő nyomtatási körülményekkel felvitt forraszpaszta kiterjedését, vastagságát megvizsgáljuk és képkezelő program segítségével kiértékeljük. A mérési feladat részletes leírása: 1. a beültetési pozíció ellenőrzése: a vizsgálat során a hordozón kialakított rajzolathoz képest megvizsgáljuk a felhelyezett alkatrész kivezetőinek eltérését. A röntgensugaras vizsgáló berendezés mintabehelyezési ablakát kinyitjuk a vezérlő programban erre kialakított ikon segítségével. A vizsgálandó mintát a mintatartó tálcára helyezzük. Bekapcsoljuk a röntgencsövet, majd beállítjuk a vizsgálathoz szükséges intenzitást a gyorsítófeszültség (100 – 110 kV) és a katódfűtő teljesítmény (1 – 1,2 W) helyes megválasztásával. A nagyítás változtatásával beállítjuk a vizsgálathoz szükséges nagyítást. Ellenőrizzük az alkatrész kivezetőinek pozícióját a hordozón kialakított rajzolathoz képest. Ha szükségesnek tartjuk, a detektor döntött, elforgatott pozícióba állításával is meg vizsgáljuk a mintát.

36


3.b. mérés

8. ábra. A Dage XD6600 kezelőfelülete 2. a forrasztás ellenőrzése: a vizsgálat során a beforrasztott alkatrész kötéseit vizsgáljuk, átmérő, folytonosság, zárványosság, gömbszerűség, meglévő kötési felületek szempontjából. A mintatartó, pozícionáló asztal mozgatásának segítségével megkeressük a beforrasztott alkatrészt. Beállítjuk a vizsgálathoz szükséges intenzitást a röntgencső gerjesztésének változtatásával (~130 kV, ~1,4 W). A megfelelő nagyítás és detektor döntések megválasztásával megvizsgáljuk a kialakult kötéseket a korábban leírt szempontok szerint. 3. forraszpaszta-felvitel nyomtatási hatékonyságának meghatározása: a vizsgálat során felhasználjuk, hogy a vastagabb, illetve sűrűbb anyagrészek helyén a kapott kép sötétebb árnyalatú, mert a röntgensugár energiájának nagyobb része elnyelődik, míg vékonyabb, illetve kevésbé sűrű anyagrészek helyén világosabb. Ezáltal lehetőség nyílik a vastagság mérésére, ha egy adott vastagsághoz, egy adott árnyalatot rendelünk, amennyiben az anyag sűrűségét homogénnek tekintjük. A tanszéki DAGE6600 röntgengép szürkeárnyalati karakterisztikáját már előzetesen felvettük, így az már ismert, hogy forraszpaszta esetében milyen árnyalathoz, milyen vastagság tartozik, a karakterisztikát az 9. ábra mutatja.

37


3.b. mérés

9. ábra. A DAGE Xidat 6600 transzmissziós röntgengép szürkeárnyalati karakterisztikája

A felvitt paszta térfogatának mérése két lépésből áll, a röntgenképen egyrészt meg kell mérni a felvitt paszta területét, másrészt az átlagos szürkeárnyalati értékét, melyből a karakterisztika alapján meghatározható az átlagos vastagság. Az átlagos vastagság és a terület szorzata a felvitt paszta térfogata. A röntgenképeken a méréséket az Adobe Photoshop CS3 program végezzük a következőek szerint: 1.) a röntgenképen a skála hosszának mérése, annak érdekében, hogy megtudjuk, hogy 1 pixel hány mikrométert jelent: - a téglalap kijelölő eszközzel kijelöljük szélességben a skálát, és az információs ablakon leolvassuk, hogy hány pixel a kijelölés hossza (10. ábra).

38


3.b. mérés

10. ábra. A skála mérése a Photoshop CS3 programmal

A példában az 1 mm hosszúságú skálát 293 pixel reprezentálja, tehát 1 pixel egyenlő 3,4 µmel. 2.) a felvitt paszta területének és átlagos szürkeárnyalati értékének mérése - a sokszög lasszó eszközzel körbejelöljük a felvitt paszta képpontjait, majd az információs ablakon a hisztogram fület kell kiválasztani, amelyben leolvasható az átlagos szürkeárnyalati érték, illetve a körbejelölt pixelek száma (11. ábra). A példában a körbejelölt pixelek száma 10911, az átlagos szürkeárnyalati érték 111,78 (0…255 skálán). Az átlagos szürkeárnyalati értéket korrigálni kell még az intenzitáscsökkenéssel, melyet a szerelőlemez okoz, ennek értéke az előzetes mérések alapján 63, így tehát a felvitt paszta szürkeárnyalati értéke 111,78+63≈172 (a mérési jegyzőkönyvhöz csatolt excel táblázat tartalmazza a korrekciós értéket). A példánál maradva a felvitt paszta területe a körbejelölt pixelek száma (10911) szorozva egy pixel mikrométer értékével (3,4 µm): 37097 µm2. A karakterisztikából kiolvasott átlagos magassággal megszorozva megkapjuk a felvitt paszta térfogatát, melyet, ha elosztunk az apertúra térfogatával, akkor eredményül megkapjuk a nyomtatási hatékonyságot.

39


3.b. mérés

11. ábra. A felvitt paszta szürkeárnyalati értékének mérése

Ellenőrző kérdések 1. 2. 3. 4. 5.

Sorolja fel a röntgensugárzás néhány tulajdonságát! Hogyan működik a röntgencső? Mi a fékezési és a karakterisztikus röntgensugárzás? Vázolja fel a röntgensugaras átvilágítás elvét! Minek segítségével és hogyan dolgozzuk fel az eltérő intenzitású sugárzás által hordozott információt? 6. Milyen tényezők befolyásolják a képminőséget és a nagyítást? 7. Ismertesse a röntgensugaras vizsgálat alkalmazási lehetőségeit az elektronikai gyártásban!

40


4.a. mérés

4. a. A beültetési folyamat vizsgálata, alkatrészek automatikus beültetése Dr. Ruszinkó Miklós

A mérés célja: a beültetőgép és az automatikus beültetési folyamat megismerése. A mérési feladat: a felületszerelési technológia megismerése, felületszerelt áramkör beültetése automata beültetőgéppel, a beültetés eredményeinek ellenőrzése

A mérés elvégzésével megszerezhető képességek: az automata beültetőgép felépítésének és működtetésének, a beültetés során felmerülő problémák és ezek megelőzési-elhárítási módszereinek megismerése.

A felületszerelési folyamat alapeszköze, a beültetőgép Napjainkban a felületszerelési technológia térhódításával egyre fontosabb egy elektronikai termékeket előállító gyárban elhelyezkedett villamosmérnök számára a beültetési sor berendezéseinek ismerete. Ezek közé tartozik a beültetőgép is. A beültetőgép a programjának megfelelően az előre meghatározott alkatrésztárolóból felveszi az alkatrészt valamilyen befogófej segítségével, beméri a helymeghatározó rendszerével, a mért adatok alapján meghatározza az alkatrész lerakási pozícióját, és ha szükséges az alkatrész szögelfordulási hibáját is korrigálja az alkatrész forgatásával, végül beülteti a forraszpasztával ellátott hordozóra. A gyakorlat során, a tanszéken található TWS QUADRA LASER kis-, és közepes sorozatgyártásra tervezett félautomata pick-and-place rendszerű beültetőgép működését ismerjük meg.

2.1.1. A TWS QUADRA LASER beültető tulajdonságai A berendezés egy hordozóállványon elhelyezett X-Y irányba mozgó fejjel rendelkezik, amelyen két beültető egység (nozzle) kapott helyet. A két beültető egység nem egyforma. A nagyobb méretű valamint a nagyobb pontosságot igénylő alkatrészeket a jobb a felbontóképességű 1-es egység képes kezelni. A beültetőgép alapvetően különböző méretű szalagtárakból, rúdtárakból és a munkaasztalon elhelyezett tálcákból képes felvenni a kívánt alkatrészeket. A berendezésen maximum 120 db 8 mm széles szalagtárat lehet elhelyezni. Ezt a számot a szélesebb alkatrésztárolók és a rúdtárak csökkentik. A beültetőgép meghatározott munkaterülettel rendelkezik (440*360mm), amely méretét a tálca tárazású alkatrészek csökkentik. A kisebb alkatrészek bemérését lézer központozású vizuális egység végzi, míg a nagyobb – 20 mm-nél szélesebb – alkatrészek felismerését külső kamera egység hajtja végre. A berendezés beültetési teljesítménye elérheti a 4000 alkatrész/óra sebességet is optimális programozás és alkatrésztároló elhelyezés esetén. A berendezéssel beültethető legkisebb méretkódú alkatrész a 0402-es. A legkisebb raszterosztású SO, QFP/BGA tokozású integrált áramkör 0,5 mm raszterosztású lehet. A beültetés pontossága ±0,1 mm X-Y irányban, és 0,18° az egyes, 0,36° a kettes beültető egység esetén a szögirányú beültetési hiba (gépkönyvi adat). A beültetőgép a nyomtatott huzalozású hordozón elhelyezett referencia (fiduciális) jeleket a külső kamerás egységével megvizsgálja, pozíciójukat meghatározva képes a hordozó pontatlan lehelyezéséből adódó elfordulási-, elmozdulási hiba automatikus korrigálására.

41


4.a. mérés

2.1.2. A QUADRA LASER felhasználói felülete A beültetőgépet működtető program DOS („real time”) operációs rendszert használ. A programban fellelhető funkciókat a billentyűzet segítségével a menükből vagy a gyorsbillentyűkkel érhetjük el. A felhasználói felületen a gyorsbillentyűk nem minden ablak esetén jelentenek azonos funkciót, ezért ezek használata kellő rutint igényel. Az oldalt nyíló menük (a nyitóképernyő kivételével) minden szinten elérhetők a TAB billentyű megnyomásával. A menükben a felhasználói felület minden pontján a nyilak segítségével mozoghatunk, s egy szint visszalépésére az Esc billentyű használható. Egy parancs vagy adat az ENTER billentyű lenyomásával véglegesíthető. A cellákban szereplő adatok, az F2 funkcióbillentyű lenyomása után válnak szerkeszthetővé, kivétel a szürke háttérrel rendelkezők, melyeket csak a megfelelő táblák segítségével lehet módosítani. A használandó gépvezérlő utasítások sorozatát a Master Program tartalmazza. Minden „Felhasználó”-hoz (Customers) tartozik legalább egy program. Az utoljára használt „programot” a berendezés automatikusan betölti, ha nem erre van szükség, akkor a munkát az új felhasználó és program betöltésével kell kezdeni (1. ábra)

1. ábra Felhasználói felület menürendszere

Az aktuális vezérlőprogram (Master Program) betöltése után az adott munkához tartozó információkat tartalmazó alkatrésztároló tábla (Feeder Table) betöltése következik. A helyes működéshez a berendezésnek még szüksége van a használt alkatrészek fizikai méreteire, amelyeket a Packages library tartalmaz, mely tartalmát az F11-es funkcióbillentyűvel jeleníthetünk meg. A gyakorlat során a legtöbb feladat a Master Program-hoz kötődik (a főmenüből a Programing and assembling főmenü azonos nevű almenüjével jeleníthető meg), ezért felépítésének ismerete elengedhetetlen a sikeres mérés elvégzéséhez. Szinte minden fontos információt tartalmaz a beültetés elvégzéséhez, ez köti össze a program többi elemét, a Feeder táblát és a Packages library-t. Az oldalt nyíló menük közül a legtöbb és a legfontosabb funkcióval a Master Programból nyitható (TAB) menü rendelkezik. Ezek közül a legfontosabb funkciók (a hozzájuk tartozó funkcióbillentyűkkel) a következők: F2 – Szerkesztés (Edit), F3 – Referencia jel tanítás (Board reference points teaching), F4 – Elhelyezési pozíció tanítás (Placement position teaching), F5 – Alkatrész tároló tábla megjelenítése (Feeder table), F6 – Többszörözött áramköri lemez tanítás (Multiple circuit panel), F7 – Szerelés (Assembling), F8 – Beültetési tábla rendezés (Mounting table sorting), F11 – Tokozási paramétereket tartalmazó tábla (Packages table), F12 – Váltás a Master Program és a Beültetési tábla között (Table: Assembly/Master), SHIFT + F4 – IC elhelyezési pozíció tanítás (I.C. placement position teaching), SHIFT + F6 – Soros alkatrész elhelyezési pozíció tanítás (Placement position sequential teaching), SHIFT + F7 – Feeder tábla és a Master program összerendelése (Feeder congruence verification), SHIFT + F12 – A lemezhez tartozó egyéb adatok (Program data).

42


4.a. mérés

A Master Program tartalma (2. ábra): egyedi alkatrész azonosító (Comp.Cod), a beültetendő alkatrész típusa (Comp.Type), az adott alkatrészhez rendelt tokozási név (Package), az alkatrész szögelfordulása (ROT), az alkatrész beültetésének engedélyezése (M), forraszanyag vagy ragasztó diszpenzálásának engedélyezése (D), az alkatrész pozíciója a lemez origójához képest (X MOUNT, Y MOUNT), az alkatrész helye az alkatrésztárolókban (FDR). A Master Program legtöbb adata szerkeszthető, ez alól kivételt képez a Package és az FDR, amelyek csak a különböző táblák segítségével módosíthatók.

2. ábra A Master program felépítése

A Master Program-ból a hordozó valódi pozíciójának meghatározása után készül a Mounting program. Ez az alkatrészek korrigált x-y elhelyezési koordinátáit és elforgatási tartalmazza nem szerkeszthető formában. Többszörözött (montírozott) panel esetén az beültetendő alkatrész szerepel benne, így az alkatrész azonosítók is többször szerepelnek (az csak a beültetés koordinátáiban van).

pontos szögét összes eltérés

A beültetőgép alkatrésztárolóiban különböző értékű, méretű és fajtájú alkatrész szerepelhet, melyek adatait, felvételi pozíciójukat az alkatrésztároló tábla (Feeder table) tartalmazza. Itt van lehetőség az adott programsorban található alkatrész valós tulajdonságainak megadására (itt rendeljük össze a különböző értékű elemeket a fizikai, valós paramétereikkel). Ebben a táblában tárolódik az egyes feederekben szereplő alkatrészek felvételi pozíciója, szalagtárak esetén a szalagok továbbléptetési ideje. Három továbbléptetési idő közül lehet választani, a normál méretű alkatrészekhez (0603-1206-os méretkódú chip-alkatrészek, illetve ezekkel azonos méretű egyéb tokozású szalagtárban tárolt alkatrészek) a [C], a 0402-es méretkódú chip-alkatrészhez a [D] lépésköz tartozik, illetve a nagyobb méretű alkatrészekhez az [L].

43


4.a. mérés

Az alkatrésztároló tábla a következő adatokat tartalmazza (3. ábra):

az alkatrésztároló kódja, sorszáma (Fdr), a beültetendő alkatrész típusa (Comp.Type), az adott alkatrészhez rendelt tokozási név (Package), szalagtároló továbbléptetési ideje (Act).

3. ábra A Feeder table felépítése

A beültetőgép programozása, kezelése során adódhat olyan helyzet, mikor a beültető fej kezdő (0,0 koordinátája) és vég helyzete között kell mozgatni. Ezt a Ctrl+Home és a Ctrl+End billentyűkombinációkkal tehetjük meg.

2.1.3. A TWS QUADRA LASER beültetőgép felprogramozása Mint az összes automata-, félautomata beültetőgép, a TWS QUADRA LASER is előre megírt program alapján végzi az alkatrészek beültetését. Ezt a programot megírhatjuk soronként a beültetőgépen (a kezelői felület segítségével), de van lehetőség CAD program által létrehozott beültető-program importálására is. A gyakorlat folyamán CAD beültetési fájlt használunk.

2.1.4. Beültetési program importálása A beültetési programot OrCAD segítségével hozzuk létre. A huzalozás tervezés utolsó lépéseként a kész huzalozási tervből állítjuk elő a beültető fájlt. 1. Az OrCAD Layout Plus program Auto főmenüjében található Creat Reports utasítás használandó. Az előugró ablakban állítható be a kívánt kimeneti fájlt, esetünkben alkatrészoldali (egyéb esetben forrasztás-oldali) beültetési fájl szükséges. 2.1. Az OrCAD által generál beültetési fájlt a beültetőgép közvetlenül nem képes feldolgozni. A beültetőgéphez adott konvertáló program segítségével a CAD program által készített *.txt fájlból *.asq fájlt készít (a gyakorlat során a laborban kapott segédlet alapján). 2.2. A kész *.asq fájlt a beültetőgéphez tartozó számítógép merevlemezén található \Qlaser\Impexp könyvtárba kell bemásolni!

44


4.a. mérés

3.1. Ezután következhet a felhasználói felület elindítása, a QLASER begépelésével. 3.2. A felhasználói felületen töltendő be az elkészített beültetési fájl. Első lépésként be kell tölteni a „LABOR_4” felhasználót! Programming and assembling → Files Management → Customers → Load 3.3. A konvertált fájl betöltése (4. ábra): Programming and assembling → Cad Downloading → ASCII-Q File Importation Az előugró ablakba az általunk létrehozott beültetési fájl neve (max. 8 karakter) írandó kiterjesztés nélkül. 3.4. A programhoz rendeljük az előre elkészített „LABOR_4” megnevezésű Feeder táblát és Packages library-t Programming and assembling → Files Management → Feeders Configuration → Load Programming and assembling → Files Management → Packages Library → Load

4. ábra A CAD fájl importálása

2.1.5. Beültetési program beállítása 4.0. A mérés során használt lemez behelyezése a munkaterületre. 4.1. Belépés a Master programba. Programming and assembling → Programming and assembling 4.2. A beültetőgép számára szükséges a lemez origójának (0,0 pontjának) valós helyzete, mert az importált adatok ehhez a ponthoz viszonyítva vannak megadva, s ennek ismerete nélkül nem helyezné jó pozícióba az alkatrészeket (természetesen az itt megadott origó megegyezik a CAD tervező programban beállított pozícióval). Ennek megadása a következő módon történik: Menu → Multiple circuit panel Menu → Master board teaching Az előugró ablakok utasításait követve először megadjuk a berendezés számára a lemez origóját, majd az ellentétes sarokban elhelyezett másik referencia jelet, végül az áramköri rajzolat elfordulását határozzuk meg két azonos y koordinátájú pont megadásával. A tanítás során (és hasonló beállítások esetén is) az adott pontok megadását a képernyőn megjelenő célzókereszt segítségével tehetjük meg, amit a fej megfelelő mozgatásával érünk el. A beültetőfejet a nyilak segítségével tudjuk mozgatni. 4.3. A beültető a már előzőkben említet módon a megadott két referencia jel segítségével határozza meg a munkaterületen elhelyezett lemez helyzetét. Ezért szükséges a kezelői felület segítségével a programban beállítani ezeknek a referencia jeleknek a pozícióját. Ez a főprogramban (Master Program) állítandó be az F3 → F3 billentyűlenyomásokkal. Az utasításokat követve először a lemez origóját kell megadni a célzókereszt segítségével, majd a referencia jelről egy képet készíteni, végül a másik (ellentétes sarokban lévő) referencia jelet hasonló módon rögzíteni. 5.1. Ezután az esetlegesen rossz alkatrész-pozíciók elkerülésére szükséges egy ellenőrzés, a Menu → Plac.position sequential teach segítségével, illetve meg kell vizsgálni, hogy az alkatrészeket megfelelő pozícióba forgatva helyezi-e le a beültetőgép (csak szúrópróbaszerűen). 5.2. Alkatrésztároló tábla beállítása a.) Ki kell választani a használni kívánt feeder-t, s megkeresni a kódját (Fdr). Ezután ki kell tölteni a tárolóban lévő alkatrész típusával a Comp.Type-cellát. Figyelem!! A Master programban csak az itt definiált alkatrész típusokat lehet használni! b.) Az F11-es billentyűvel előhívjuk a Packages table-t, majd hozzárendeljük az alkatrész típusához a valós alkatrész-paramétereket. c.) Kiválasztjuk a megfelelő alkatrész továbblépési időt.

45


4.a. mérés

5.3. Utolsó lépésként össze kell rendelni a valós alkatrészeket az alkatrésztároló program soraival. Menu → Feeder congruence association Hibaüzenet nélkül kezdhető a beültetés.

2.1.6. Félautomata beültetés indítása 6.

Az előkészített mintadarab beültetése a védő fedél visszacsukása után indítható az F7 → F8 billentyűkombinációval, vagy az oldalsó menü igénybevételével a (TAB) Assembling → Total Assembling kombinációval.

Újraömlesztéses forrasztás Egy forrasztási hőprofil négy fázisból áll: előmelegítés, hőntartás, megömlesztés és hűtés. A négy fázisban a profilnak megfelelően kell beállítani nem csak a zóna hőmérsékletet, hanem a hűtési, szállítási sebességet, és konvekciós kemence esetén a ventilátor sebességét is. Az alábbiakban röviden nézzük a négy fázist (5. ábra): Előmelegítés Az előmelegítési fázisban az oldószer elpárolog a forraszpasztából. Ez a szakasz 100 - 150 °C-ig (néhány esetben magasabb hőmérsékletig) tart, mely alatt a hőmérsékletváltozás kb. 2 - 4 °C/sec. Hőntartás Ebben a szakaszban a hőmérséklet lassan emelkedik. Ekkor aktiválódik a folyasztószer, ami megtisztítja a kontaktus felületeket, továbbá ekkor egyenlítődik ki a hőmérséklet a NYÁK (nyomtatott áramköri lap) teljes felületén és az alkatrészeken. Ez a szakasz kb. 180 - 200 °C-ig tart. Megömlesztés A hőmérséklet növekedésével a forrasz megolvad (általunk használt ólommentes paszta esetén kb. 220 °C), megnedvesíti a felületet, majd a hőmérséklet még kb. 30 °C-ot emelkedik. Ezután a hőmérsékletet egy ideig (30 – 60 sec.) állandó értéken tartjuk, majd elkezdjük hűteni. Ezen fázis alatt jön létre a forrasztott kötés. Hűtés: Ez az utolsó fázis, ami szintén fontos a kész kötés tulajdonságainak kialakulásában. Itt a hőmérséklet jelentősebb mértékben (3 – 4 °C/sec) csökken. A már létrejött kötés az alkatrésszel és a NYÁK-kal együtt hűl.

5. ábra Egy jellegzetes hőprofil ólommentes forrasztáshoz

46


A mérés menete 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Vezérlőprogram készítése az OrCAD rendszerben, a beültetőgép számára A vezérlőprogram konvertálása A felhasználó, a program és a hozzá tartozó táblák betöltése A lemez origójának hozzárendelése a programhoz, és a „fiduciális” jelek megadása A beültetési program ellenőrzése az optikai kamerával, alkatrésztároló tábla kitöltése Beültetés Ellenőrzés mikroszkóppal Forrasztás újraömlesztéses kemence segítségével

Ellenőrző kérdések I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII.

A beültetőgép szerepe és helye az elektronikai technológiai gyártásban. Milyen lehetőségek léteznek beültetési program készítésére? Miért kell konvertálni a tervező-program által generált vezérlő-fájlt? Miért fontos a használni kívánt lemez origójának pontos megadása? Mi a „fiduciális” jel és mire használják? Milyen információkat tartalmaz a „Master Program”? Milyen információkat tartalmaz, és miért fontos a „Feeder table”? Rajzoljon fel egy tipikus ólommentes hőprofilt, és nevezze meg a szakaszait!

47

4.a. mérés


4.b. mérés

4. b Automatikus optikai vizsgálat (Automatic Optical Inspection - AOI) Janóczki Mihály

A mérés célja: az automatikus optikai vizsgálat megismerése. A Viscom 6034 típusú automatikus optikai vizsgáló berendezés, illetve a Viscom SI szoftver, azon belül az EasyPro kezelőfelület megismerése, ezek alapszintű használati ismereteinek megszerzése.

A mérési feladat: Vizsgáló algoritmus optimalizálás; a korábbi laboron előkészített pasztába ültetett alkatrészek pozícióvizsgálata; elkészült, szerelt nyomatott huzalozású lemezek teljes automatikus optikai vizsgálata. A mérés elvégzésével megszerezhető képességek: az automatikus optikai vizsgáló berendezések általános működési elvének, felépítésének megismerése. A Viscom SI szoftver, azon belül az EasyPro kezelőfelület kezdő szintű gyakorlati alkalmazásának elsajátítása.

A mérés során felmerülő fogalmak rövid meghatározása Automatikus optikai vizsgálat (Automatic Optical Inspection – AOI) Objektív eredményeket szolgáltató, a digitális gépi látás és képfeldolgozás módszereit alkalmazó, szerelt és szereletlen nyomatatott huzalozású lemezek automatizált optikai ellenőrzése. Gyorsabb, pontosabb és olcsóbb, mint a manuális ellenőrzés, így kiváltotta azt. Az áramköri gyártástechnológia összes lépésének (panelazonosítás vonalkód, DMC (Data Matrix Code – kétdimenziós adat kód) segítségével, stencilnyomtatás, ragasztó felvitel, alkatrész beültetés, újraömlesztéses-, parciális-, hullámforrasztás) minősége, megfelelősége vizsgálható a segítségével. Optikai fej egység (Optical head unit) Az optikai fej egység alatt a kamerák és a megvilágító rendszer együttesét értjük. Feladata a megfelelő megvilágítás biztosítása, illetve a digitális képkészítés. Panelmozgató mechanizmus és pneumatikus rendszer (Motion & Pneumatics System) A tárgyasztal, illetve a panel mozgatását és rögzítését végző sűrített levegős rendszer. Digitális gépi látás (Digital machine vision) A modern CCD (charge coupled device – töltéscsatolt eszköz) érzékelők lehetővé tették az analóg képkészítés kiváltását digitálissal. A töltéscsatolt eszköz analóg jelét erősítik és digitalizálják, így számítógépek által feldolgozható, tárolható, matematikailag leírható (mátrix) adathalmazként kezelhetjük az elkészített képeket. Képfeldolgozás (Image processing) A digitális kép matematikai reprezentációján (mátrix) történő, adott feladatokat ellátó matematikai műveletek végzése. A cél a kép szegmentálása, megváltoztatása, átalakítása az adott feladatnak megfelelően. Képfeldolgozási lépések az alulmintavételezés, invertálás, binarizálás, különféle szűrések, él-, kör-, ellipszisillesztés, szegmentálás, szegmens eltávolítás stb. Binarizálás (Binarizing) A binarizálás során a színes, vagy szürkeárnyalatos képet, meghatározott binarizációs szint alapján(1. ábra) kizárólag fekete és fehér pixelekből álló képre redukáljuk. A binarizálás célja, hogy a binarizált képen, az előre meghatározott vizsgálóablakban található fekete, és fehér pixelek arányának illetve számának meghatározásával egyszerű és gyors döntést tudjunk hozni a képrészlet (pl. forrasztás) megfelelőségéről, ezért a binarizálás során beállított határérték alapvetően befolyásolja illetve meghatározza a az értékelés megbízhatóságát.

48


4.b. mérés

1.ábra A binarizálás szemléltetése szürkeárnyalat hisztogram segítségével

Szegmens eltávolítás (Segment elimination) A binarizált képen a kiértékelést zavaró, összefüggő, adott pixelszámú területek eltávolítása (2. ábra).

2. ábra A szegmens eltávolítás

Kép szűrés (Image Filtering) Ha a kép bizonyos részét meg akarjuk változtatni, akkor szűrőt használunk. Sokféle szűrőt alkalmaznak a digitális képfeldolgozásban: átlagérték szűrő, gradiens szűrő, alul áteresztő szűrő, medián szűrő, Wiener szűrő stb. Ezeket alkalmazzák az AOI berendezések is. A szűrők segítségével csökkenthető a kép zajszintje (3. ábra), élet kereshetünk (4. ábra), vagy bizonyos szélességű fényes csíkot. Leggyakoribb feladat a zajcsökkentés és az élkeresés. Utóbbi gradiens szűrővel (, vagy Laplace szűrővel – divgrad művelet) hatékonyan megoldható.

49


4.b. mérés

3. ábra Zajszűrés hatásai

4. ábra Élkeresés második derivált segítségével

2.2. Konvolúciós szűrés (Convolution filtering) 2.3. Az ún. konvolúciós szűrések során a kép minden egyes pontjához egy új intenzitásértéket rendelünk, figyelembe véve az adott pont környezetét. Hogy ezt milyen mértékben tesszük, azt az ún. konvolúciós mátrix határozza meg. A konvolúciós mátrix „végiglépked” a kép összes pixelén, vagyis végigpásztázza a képet. Ennek megértéséhez szükséges definiálni a kétdimenziós konvolúciót. 2.4. Konvolúció két dimenzióban [1] A kétdimenziós konvolúció teljesen hasonlóan képzelhető el az egydimenziós esethez. Itt is adott egy impulzus, és egy súlyfüggvény, a különbség csak annyi, hogy ezek kétváltozós függvények. Egy kétváltozós függvény is felbontható impulzusok összegére, és a rendszernek az egyes impulzusokra adott válaszait összegezve előáll a kimenőjel. Tehát az elv ugyanaz. Nézzük a részleteket. Egy impulzus két dimenzióban a következőképpen definiálható:

A kétdimenziós függvények a mi esetünkben képeket jelentenek, így ha egy impulzusokra való felbontásáról beszélünk, akkor az egyes impulzusok értéke a kép

50

képnek az -edik sorában


4.b. mérés

-edik oszlopában álló pixel fényességértéke (az egyszerűség kedvéért szürkeárnyalatos 256 és színű képekre gondoljunk, ahol minden képpont fényességét egy-egy byte tartalmazza). A kép indexű pont éppen a kép indexelésénél szokásos negatív indexek használata is, azért hogy a közepén legyen. Ennek azért van jelentősége, mert ha egy egységimpulzust (egy darab egy értékű pixel egy kép közepén, ahol minden más pixel nulla értékű) adunk egy rendszer bemenetére (valahogyan feldolgozzuk), akkor a rendszer viselkedésétől függően a kép megváltozik, mégpedig oly módon, hogy az egyetlen pont valahogyan szétterjed a képen (tetszőleges irányokban). Az egységimpulzusra adott válasz, mint azt már tudjuk a rendszer súlyfüggvénye, ezt a kétdimenziós súlyfüggvényt szokás PSF–nek (Point Spread Function) nevezni. Esetünkben ez a konvolúciós mátrix. Az egydimenziós változattal analóg értelmezés alapján, a kétdimenziós konvolúciót definiáló összefüggés:

A kettős összegzést minden olyan

pontpárra el kell végezni, ami az eredményként keletkező

képen szerepel. Az összegzések indexhatárai pedig a gyakorlatban, az és függvények közül a kisebb „területű” függvény határai. A képfeldolgozásban a PSF a legtöbb esetben sokkal kisebb, mint a feldolgozandó kép, és majdnem mindig szimmetrikus, így az indexek legtöbbször a PSF-et futják be. Ez egy méretű PSF esetében:

méretű PSF esetében egy pixel új Az alábbi ábrán a összefüggés alkalmazása látható. Egy értékének kiszámítása úgy történik, hogy a mindkét dimenziója mentén tükrözött PSF-et ráillesztünk a képre, és az „egymás alá” kerülő értékeket összeszorozzuk, majd a szorzatokat összeadjuk. Az így kapott érték a PSF által lefedett pixelmátrix középső helyére kerül (5. ábra).

5. ábra. A kétdimenziós konvolúció. A mátrixokban szereplő értékek az adott mátrixelem indexei[1]

51


4.b. mérés

Mintaillesztés (Pattern fitting) Képfeldolgozási eljárás, amely során a képet, mint mátrixot kezelve (általában binarizálás után – 6. ábra), az általunk létrehozott minta mátrix-szal (ennek tulajdonságait mi határozzuk meg, de általában ez is bináris – 7. ábra) konvoláló szűrjük. Ekkor a minta a konvolúciós mátrix.

6. ábra A bináris kép, mint mátrix

7. ábra Egy adott minta (konvolúciós mátrix) meghatározott geometriai és keresési értékekkel

A hasonlóság mérésére normálatlan kereszt-korrelációt alkalmazunk:

, ahol: f – kép, w – minta, (r,c) – lokális pozíció. Ennek értéke nagy, ha nagy az illeszkedés.

a.,

b.,

8. ábra 8a., Egy chip kondenzátor szürkeárnyalatos képe 8b., Binarizált kép és illesztett minta

52


4.b. mérés

Vizsgáló makró, algoritmus (Inspection macro, algorithm) A vizsgáló makró írja le a vizsgálat módját. Meghatározza a használandó kamerákat, a megvilágítást, a vizsgálat geometriai paramétereit, a képfeldolgozási lépéseket, a vizsgálandó jellemzőket, a kiértékelés küszöbértékeit. Alapvető részei az AOI-nak. A Viscom AOI-ok esetében funkcionális elnevezésük van: pl. MENI 9 – meniszkusz vizsgálat, POSC 11 – pozíció vizsgálat, BRDG 5 – rövidzár vizsgálat stb. Tárolásuk a CLI könyvtárban .mac kiterjesztésű fájlban történik. Vizsgáló minta (Inspection pattern) A vizsgáló minták ritkább esetben egy makróból, általában több makróból álló alkatrész specifikus eljárások (9. ábra). Az adott alkatrészre vonatkozó makrók geometriai és pozíció értékeit, illetve egymáshoz való kapcsolódásukat írják le. Alapvető részei az AOI-nak. Viscom AOI-ok esetében tárolásuk a CLI könyvtárban .cle kiterjesztésű fájlban történik.

9. ábra Egy vizsgáló minta

Vizsgáló program (Inspection program) A vizsgáló programot a gép automatikusan tudja generálni a CAD és a beültető gép működtetéséhez szükséges fájlokból továbbá az alkatrész adatbankból. A vizsgálandó panelekhez tartozó összes adatot könyvtárban őrzi az AOI berendezés, például a panel adatait, a referencia, a fiduciális pontok koordinátáit. Az egy panelon található minden egyes alkatrészhez tartozó adatot eltárolják, például a méreteit, a vizsgált alkatrész kivezetőinek darabszámát, ezek elhelyezkedését és formáját, továbbá a rá jellemző vizsgálati paramétereket (az adott alkatrésznél milyen jellegű hibákra, milyen szigorúsággal végezzék el a vizsgálatot). A felhasználó természetesen bővítheti a könyvtárat. Valódi hiba (Real failure) Az AOI által is detektált és a gyártó minőségügyi leírása szerint is hibának tekintett jelenség. Az AOI feladata ezek 100 %-os detektálása. Átcsúszott hiba (Slipped through failure) Az AOI által nem detektált, de a gyártó minőségügyi leírása szerint hibának tekintett jelenség. Rendeltetésszerű használat és normál működés esetén az AOI által elkövethető legsúlyosabb hiba. Az átcsúszásokat későbbi vizsgálatok (ICT - in circuit test, funkcionális teszt, manuális szemrevételezés) mutatják ki. Pszeudó hiba (Pseudo failure) Az AOI által detektált, de a gyártó minőségügyi leírása szerint hibának nem tekintett jelenség. Az AOI termelékenységét csökkenti. Makró optimalizálás (Macro optimization) A vizsgáló makrók minden esetben valamekkora mértékű pszeudó hibát generálnak, illetve előfordul átcsúszás is. A makró optimalizálás célja, hogy az átcsúszások és a pszeudó hibák számát csökkentse. Az átcsúszásokat azonnal ki kell küszöbölni, vagyis a makró paramétereit úgy kell módosítani, hogy észlelje a hibát. Ezzel egyidejűleg a pszeudó hibák száma nem növekedhet. Az átcsúszott hibák száma lényegesen kisebb, mint a pszeudó hibáké. A pszeudó hibák csökkentése szintén makró paraméter változtatással történik, de átcsúszást nem okozhat a változtatás. Az optimalizálás hatásait SPC (statistical process control – statisztikus folyamat ellenőrzés) segítségével értékelhetjük.

53


4.b. mérés

Forrasz meniszkusz (Solder meniscus, fillet) A forrasztás során létrejövő homorú, görbült fémfelület. A panelon található kontaktusfelület és az alkatrész-kivezetés között jön létre (10. ábra).

10. ábra A forrasz meniszkusz

A forrasztás minőségét teljes mértékben ezen felület optikai tulajdonságai alapján vizsgálhatjuk. A homorú fémfelület szórja a fényt és az irány karakterisztika nem a kamera felé mutat, így sötét felületként látszik a szürkeárnyalatos képen (11. ábra).

11. ábra Különféle forrasz meniszkuszok által létrehozott sötét felületek

Viscom SI szoftver A Viscom gyártmányú AOI berendezések kezelését, vezérlését lehetővé tevő univerzális program. Az AOI és a felhasználó között teremt kapcsolatot (SI – software interface). EasyPro kezelői felület Az SI felhasználóbarát, jól áttekinthető könnyebb és gyorsabb kezelést lehetővé tevő kezelői felület.

54


4.b. mérés

A mérés menete 1. A tanszéken található Viscom 6034 típusú automatikus optikai vizsgáló berendezés és az SI, illetve az EasyPro kezelői felület megismerése A mérésvezető a labor első részében részletesen bemutatja a továbbiakban használt berendezést és programot (12. ábra).

12. ábra A Viscom 6034 AOI berendezés és annak EasyPro kezelői felülete

A labor során a hallgatók „offline” (nem AOI-hoz csatlakoztatott) munkaállomásokon dolgoznak, így a feladatokat virtuálisan oldják meg. Az SI képes szimulálni a funkciókat, melyeket AOI berendezés végez, annak jelenléte nélkül. A mérésvezető az AOI berendezést kezeli, így folyamatosan láthatják a hallgatók a munkájuk valós hatásait is. 2. Vizsgáló makró optimalizálás Miután a hallgatók megismerték az SI és EasyPro programokat, saját makró optimalizálási feladatot kapnak. Ezeket a labor első részében megszerzett ismeretek alapján kell elvégezniük. Mind átcsúszott, mind pszeudó hibát okozó makrót kell optimalizálni. A feladat megoldását a mérésvezető figyelemmel kíséri, és amennyiben szükséges segítséget nyújt. 3. A korábbi laborok alkalmával elkészített beültetett, valamint forrasztott nyomtatott huzalozású lemezek automatikus optikai vizsgálata A labor ezen részében már minden résztvevő az AOI berendezés működését tanulmányozza. Először a hallgatók által már korábban elkészített beültetett nyomtatott huzalozású lemezen a beültetési minőség vizsgálatát végzik a hallgatók a mérésvezető segítségével. Majd a szerelt (forrasztott) nyomtatott huzalozású lemez teljes automatikus optikai vizsgálatát is elvégzik.

55


Ellenőrző kérdések 1. Mi az automatikus optikai vizsgálat? 2. Mit takar a digitális gépi látás? 3. Mi a képfeldolgozás? 4. Mi a kép szűrés? 5. Mit jelent a minta illesztés? 6. Mire alkalmasak a vizsgáló makrók? 7. Mi a vizsgáló minta? 8. Mi a vizsgáló program? 9. Mi a pszeudó-, valódi- és átcsúszott hiba? 10. Mit jelent a makró optimalizálás?

Felhasznált irodalom

[1] http://e-oktat.pmmf.hu/kepeshang_4_fejezet, 2008. 02. 11.

56

4.b. mérés


5.a. mérés

5.a. Flexibilis nyomtatott huzalozású hordozók fedőrétegének lézeres szelektív megmunkálása Berényi Richárd

A mérés célja: lézeres technológia megismerése és alkalmazása. A mérési feladat: flexibilis nyomtatott huzalozású áramkörökön hajlítási vágatok és nyílások kialakítása lézerrel.

A mérés elvégzésével megszerezhető képességek: lézeres megmunkáló állomás

kezelése,

alkalmazása, felületszerelés előkészítése.

A mérés során felmerülő fogalmak rövid meghatározása: Flexibilis áramkör: olyan, a kívánt mintára kialakított nyomtatott huzalozás, mely kihasználja a hordozóanyag flexibilis tulajdonságát, és rendelkezhet védőbevonattal. Ez általában valamilyen polimer anyagon létrehozott réz vezetékrendszer, kiegészülve különböző bevonatokkal, merevítésekkel. A hordozóanyagra a rézréteget ragasztással, vagy ragasztó nélküli megoldással viszik fel. A nemzetközi gyakorlatban szokás a flexible printed circuit (FPC), flexible circuit, flexible printed wiring (FPW) használata is. 2.5. Polimerizáció: A polireakciók azon fajtája, ahol olyan monomer vegyületek, amelyek molekulái reakcióképes kettős kötéseket vagy gyűrűket tartalmaznak, iniciátorok, vagy hő, fény, illetve ionizáló sugárzás hatására polimerré alakulnak át. A polimerizáció a lépcsős reakciók különleges fajtája, amelyben az egyes reakciólépcsők rendszerint olyan kevéssé különböztethetők meg, hogy azok láncreakciónak tekinthetők, primer reakcióval (iniciálás), növekedési, vagy terjedési reakcióval (láncnövekedés), láncátadással és láncletöréssel (lánczáródás). A polimerizációs reakciókban nem hasadnak le kismolekulájú vegyületek, illetve a molekulák alkotórészei nem vándorolnak és nem rendeződnek át a láncnövekedési reakcióban. Tehát nem keletkezik melléktermék. Más definíció szerint pedig olyan reakció sorozat, amiben csak az első lépéshez kell külső energia befektetés, a következő lépéssorozatot a rendszer képes megismételni 1000-szer, 10000-szer anélkül, hogy külső energiát kéne befektetni, sőt energiát ad le, exoterm. Az etilén (H2C=CH2) polimerizálásával különféle eljárások szerint gyártott (-CH2-CH2-)n általános képletű, műszakilag és gazdaságilag igen fontos poliolefin. Az etilén nagynyomású polimerizácóját 1933-ban az ICI kutatói fedezték fel. A nagyipari termelése 1939-ben kezdődött. Nyersanyaga a szobahőmérsékleten légköri nyomáson gázhalmazállapotú etilén. Az etilénből oxigénkatalizátor jelenlétében már légköri nyomáson, 100 °C alatti hőfokon képesek polietilént előállítani. A polietilén kémiai-fizikai tulajdonságait a részlegesen kristályos szénhidrogén jellege határozza meg. 60°C-ig szokványos oldószerekben oldhatatlan. Vízre, lúgokra, sóoldatokra, valamint szervetlen savakra - erősen oxidáló savak kivételével - teljesen közömbös. Vízgőzáteresztő képessége csekély.

57


2.6.

• • • • • •

5.a. mérés

Flexibilis áramkörök típusai Egyoldalas (single-sided) Hátoldalas (back-sided, back-bared) Változó vezetővastagságú (Sculptured) Kétoldalas (double-sided) Többrétegű (multilayer) Merev-flexibilis (rigid-flex)

Hordozóanyagok tulajdonságai A legfontosabb flexibilis áramköri alapanyagok közé az alábbi anyagok tartoznak: PET (Polietilén tereftalát) aramid, PEN (Polietilén naftalát), FEP (Fluoros etilén propilén), poliimid. Néhányuk legfontosabb tulajdonságait az alábbi táblázatban foglaltuk össze, ahol az elterjedten alkalmazott merev hordozó (FR4) tulajdonságaival is összevethetjük:

mért. egys.

poliimid

poliimid (ragasztó nélkül)

poliészter

FR4

nedvszívás

%

2,9

0,8

<0,8

<0,25

hőtartomány

°C

(-200 ... +300)

(-200 … +300)

ppm/ °C

20

20

27

(12 … 16)

MPa

170

350

240

350

hőtágulás szakítószilárdság

(-60 … +105) -100.. +500

2.7. Flexibilis áramkörök tulajdonságai A flexibilis áramkörök legfontosabb tulajdonságait a következőképpen foglalhatjuk össze: • Méret és tömegcsökkenés (akár 75%) érhető el a hagyományos FR4 technológiához képest. • Mechanikailag terhelhető • Nagyobb szabadság a tokozás területén • Egyszerűbb behelyezés és kivétel • Jobb hőleadás az FR4 hordozóhoz képest • Hosszabb élettartam szélsőséges körülmények között • Dinamikus hajlékonyság • 3D struktúra • Kedvező villamos tulajdonságok Persze mindezek mellett meg kell jegyezni, hogy a gyártásuk bonyolultabb, és ennek következtében drágább is. Hátránya, hogy bár alkalmas SMD hordozására, túl súlyos alkatrész hordozására továbbra is a hagyományos merev hordozó a megfelelőbb. Szintén nem alkalmas olyan felhasználásra, ahol a hordozó elsődleges feladata az alkatrészek mechanikai rögzítése. Miden felhasználás más, egyedi megoldást igényel, így nem lehet katalógusból kiválasztott, előre gyártott típusokkal operálni. Javítása nagyon bonyolult. Olyan alkalmazásokban pedig, ahol extrém nagy áramokkal dolgozunk, vagy kevés számú, de hosszú vezeték kell, továbbra is a kábeles megoldás az optimális.

58


2.8.

5.a. mérés

Flexibilis hordozók felhasználási területei

A flexibilis hordozók rugalmassága, és az ebbő l fakadó előnyök miatt, illetve amiatt, hogy egy flexibilis hordozó egyszerre töltheti be hordozó és más egységekkel való vezetékezés szerepét, egyre több elektronikus készülékben alkalmazzák őket. Gépjárművek Műszerfal, kijelzők Motorvezérlés ABS Fogyasztói cikkek Digitális és videokamerák Számológépek Szórakoztató elektronika Egészségügy Hallókészülékek Pacemakerek Defibrillátorok Repülés és űreszközök Műholdak Radar rendszerek Hajtóművezérlők Éjjellátó készülékek

Számítógépek és perifériák Merevlemez vezérlés Tintapatronok Telekommunikáció Mobiltelefonok Nagysebességű adatátvitel RFID kártyák Műszertechnika Röntgen berendezések Infravörös érzékelők Részecskeszámlálók Hadiipar Torpedók Lézer giroszkóp Rakéták

Egyoldalas flexibilis hordozókat olyan készülékekben alkalmaznak, ahol a részegységek közötti összeköttetést szűk helyen kell átvezetni, folyamatos hajlítások mellett, illetve ha a szükséges vezetékezések száma nem túl sok. Olyan részegységeket kötnek be velük a készülékekhez, mint: CD, DVD olvasók optikai fejei, mobiltelefonok rezgető motorjai, kamerák motorjai, kisebb kijelzők. Sok vezetékezést igénylő összeköttetésekre, illetve nagyobb bonyolultságú áramkörök esetén kétoldalas flexibilis hordozókat alkalmaznak. Leginkább LCD kijelzők, CD és DVD írók optikai fejeinek, merevlemez olvasófejek bekötésére használják őket. Többrétegű flexibilis illetve merev flexibilis hordozókra általában kamerák, fényképezőgépek és telefonok áramköreit nyomtatják, mivel így ráhajlíthatóak a készülékek belső vázára, amivel sok hely megtakarítható.

59


5.a. mérés

A mérés menete 1. A lézer alapbeállításainak tesztelése A lézerparaméterek beállításai az erre alkalmas program kezelőfelületén keresztül fogjuk végrehajtani. A program a lézerparaméterek beállíthatóságán kívül alkalmas a pontos x-y-z irányú asztalmozgások beállítására is. x-y-z pozíciók beállítása

Lézerparaméterek alapbeállításai

2. Kontaktusfelületek tisztítása szelektív anyageltávolítással 3. Hajlítási bevágások mélységének és darabszámának számítása. 4. Lézeres bevágások készítése Az áramkör működőképességének a vizsgálata. Az esetlegesen fellépő hibák meghatározása és javítása.

12. ábra. Gyakorlaton felhasználandó flexibilis áramköri hordozó

60


13. ábra. Szelektív anyageltávolítás és hajlítási bevágások helyei

14. ábra. Hajlítási fázis utáni állapot

2.9. Ellenőrző kérdések 1. Sorolja fel a flexibilis áramkörök főbb típusait (ábrával)! 2. Mi a polimerizáció lényege? 3. Sorolja fel a flexibilis áramkörök főbb tulajdonságait! 4. Sorolja fel a flexibilis áramköri hordozó főbb tulajdonságait! 5. Ismertesse a flexibilis áramkörök felhasználási területeit!

61

5.a. mérés


5.b. mérés

5. b. Háromdimenziós, flexibilis hordozójú áramkörök lézeres forrasztása Balogh Bálint A mérés célja: megismertetni a lézeres szelektív forrasztás technológiáját, alkalmazhatóságát, technológia optimalizálását. A mérési feladat: merev-flexibilis összeköttetés létrehozása lézeres forrasztással valamint merev hordozón felületszerelt alkatrészek lézeres forrasztása. A mérés elvégzésével megszerezhető képességek: egyedi forrasztott kötések készítése lézeres technológiával. A lézeres forrasztás technológiai paramétereinek optimalizálása. A mérés során felmerülő fogalmak rövid meghatározása: Flexibilis áramkörök: A merev nyomtatott huzalozású lemezek mellett egyre elterjedtebben használnak flexibilis hordozókat összeköttetések vagy akár teljes áramkörök megvalósítására. A két legelterjedtebben alkalmazott flexibilis hordozóanyag a poliészter és a poliimid. A poliésztert alacsony ára miatt egy-, illetve kétoldalas formában, számológépekben, billentyűzetekben, gépjármű műszerfalakban elterjedten alkalmazzák. A furatok kialakításához egyszerűbb esetben mechanikus lyukasztást, kisebb furatoknál azonban a CO2 lézeres fúrást alkalmaznak. Flexibilis áramköröket hordozható készülékekben (digitális fényképező, kamera, discman) is alkalmaznak a jobb helykihasználás érdekében. A miniatürizálás jelenlegi mértéke 100 µm alatti mikroviák készítését is szükségessé teszi, amik csak speciálisan lézeres megmunkáláshoz tervezett poliimidek (Upilex™, Kapton™) és frekvenciaháromszorozott Nd:YAG lézer alkalmazásával valósíthatók meg. A merev nyomtatott huzalozású hordozóknál alkalmazott forrasztásgátló bevonattal szemben a flexibilis nyomtatott huzalozású lemezeknél általában a hordozófilm anyagával és vastagságával megegyező fedőréteget használnak, melyen mechanikus lyukasztással, fúrással vagy fotolitográfiával illetve lézeres anyageltávolítással alakítják ki a forrasztási felületek feletti nyilásokat. A flexibilis nyomtatott huzalozások esetében a rézréteg tapadása a flexibilis hordozóanyaghoz elmarad az üvegszálerősítésű epoxi hordozóknál tapasztalt értékektől. A fedőréteg alkalmazása a rézréteg tapadását és a hordozó hajlíthatósági tulajdonságait is javítja. A forrasztási felületek ajánlott kialakítási módja valamint a fedőréteg szerepe a rézréteg hajlítással szembeni védelmében az 1. ábrán látható. megnyúlt flexibilis anyag semleges réz összenyomódott flexibilis anyag

semleges szál

a.)

b.)

15. ábra. Flexibilis hordozók fedőrétegének szerepe: a.) forraszszemek hordozóhoz való tapadásának javítása érdekében ajánlott forrasztási felület és fedőréteg nyilás kialakítás változatai, b.) a szimmetrikus struktúra eredményeként a hajlítás során a rézréteget érő mechanikai feszültség alacsonyabb, mint fedőréteg használata nélkül. forrás: Joseph Fjelstad – Flexible Circuit Technology, 3. kiadás, 2006, BR Publishing Inc

Flexibilis NYHL-ek csoportosítása felhasználás szerint: a flexibilis áramkörök csoportosíthatók alapanyag vagy felépítés szerint, mint azt az 5.a. mérési útmutatóban is láttuk. Egy másik megközelítés a felhasználás során fellépő hajlítási igénybevétel szerinti csoportosítás, ilyenkor a következő kategóriákat különböztethetjük meg: • dinamikus hajlítás, az élettartama során akár 100.000-es nagyságrendbe eső hajlítás számot kell elviselnie (pl: merevlemezes háttértárak olvasófejénél) • flexibilis összeköttetés, élettartama során néhány ezer hajlítást kell elviselnie (pl: lap-top, mobiltelefon kijelzőknél)

62


•

5.b. mérés

„bend-to-fit”, csak az összeszerelés során hajlítják meg, hogy a kívánt 3D struktúrát elérjék (pl: digitális kamerák flexibilis összeköttetései)

a.) forrás: www.suframa.gov.br

b.) forrás: www.dupont.com

c.) forrás: Fuji

16. ábra. Flexibilis nyomtatott huzalozások csoportosítása alkalmazások szerint a.) dinamikus igénybevétele a merevlemez olvasófejénél b.) néhány ezer hajlítás „flip”-es mobiltelefonoknál c.) csak az összeszereléskor hajlítják a szükséges 3D formára a digitális fényképezőknél

Merev-flexibilis összeköttetés: a merev és a flexibilis nyomtatott huzalozások előnyeinek ötvözésére gyakran alkalmaznak merev-flexibilis áramköröket, melyekben az alkatrészeket merev hordozókra szerelik, de a mozgó részegységekkel való összeköttetést vagy a háromdimenziós struktúrák kialakítását flexibilis nyomtatott huzalozás segítségével oldják meg. A merev flexibilis kapcsolat megvalósítása történhet csatlakozón keresztül vagy a flexibilis hordozónak a többrétegű merev nyomtatott huzalozású hordozóba történő laminálásával galvanizált furatokon keresztül. A csatlakozós megoldás előnye, hogy a szerelési folyamatnak akár késői fázisában is létrehozható a kapcsolat, gondoljunk csak például egy kijelző bekötésére. Hátránya, hogy a csatlakozó alkalmazása ronthatja a helykihasználást és a megbízhatóságot. A galvanizált furatokon keresztül csatlakoztatott merevflexibilis nyomtatott áramkörök kiváló megbízhatósággal és helykihasználással rendelkeznek, azonban gyártás és szereléstechnológiájuk a hagyományos merev hordozókhoz képest jelentősen bonyolultabb. A merev-flexibilis összeköttetés megvalósítása lézeres forrasztással is lehetséges, mely bár még nem túl elterjedten alkalmazott, de ötvözi a két előző módszer előnyeit. Nd:YAG lézer: a legelterjedtebben alkalmazott szilárdtestlézerek aktív anyaga a neodímium ritkaföldfémmel adalékolt YAG (Y3Al5O12 - yttrium aluminium garnet) kristály, amelyeket alkalmazástól függően félvezetőlézerdiódákkal vagy kripton villanó vagy ívlámpákkal gerjesztenek. Gerjesztés alatt, amit lézerek esetén pumpálásnak nevezünk, a neodímium ionok alapenergiaszintről a gerjesztési sávba vitelét értjük. A részecskék gerjesztés után visszatérnek alacsonyabb energiaszintre, eközben egy fotont emittálhatnak. A keletkező foton energiája az érintett energiaszintek különbségéből adódik, hullámhossza pedig azzal fordítottan arányos (E=h·c·λ-1) és Nd:YAG lézerek esetében λ=1064 nm. A visszatérés és ezzel együtt az emisszió egyrészt történhet spontán módon, azaz az adott energiaszintre jellemző idő elteltével. Történhet másrészről indukáltan, azaz „vezérelve” is, amelynek során – még a spontán emisszió megtörténte előtt – egy fotonnal emisszióra késztetjük az adott részecskét. Ennek feltétele viszont, hogy a kiváltó foton azonos hullámhosszúságú legyen azzal a fotonnal, ami az adott energiaszintek közötti átmenet során keletkezne. Az indukált emisszióval létrejött új foton minden tulajdonsága megegyezik az azt kiváltó fotonéval. A hullámhosszuk és az energiájuk azonossága természetes, de egyezik még az irányuk, a fázisuk, a polarizáltságuk is. (Ebből adódik, hogy a lézerfény monokromatikus és koherens.) Az indukált emisszió tehát azonos fotonok sokszorozását teszi lehetővé. A lézerek esetében az indukált emissziót egy optikai rezonátorban, pl. két párhuzamos tükör között bírjuk munkára, így létrejöhet a fényerősítés. (Ebből adódik a lézersugár „párhuzamossága”, azaz kis divergenciája, széttartása.) Indukált emisszió természetesen csak gerjesztett állapotú részecskék esetében lehetséges, így gondoskodni kell arról, hogy a fotont kibocsátó és ezzel alacsonyabb energiaszintre kerülő részecskék újból gerjesztve legyenek. (Bővebben ld. Elektronikai Technológia Laboratóriumi Gyakorlatok Mérési Útmutató) A laboron kripton ívlámpával pumpált berendezést használunk, mely az alacsony hatásfok miatt intenzív vízhűtést igényel. A lézerfény ki/bekapcsolását a forrasztás során egy mechanikus retesz (shutter) segítségével valósítjuk meg, a fókuszálást egy egyszerű fókuszáló lencse, míg a minta mozgatását léptetőmotorokkal mozgatott asztal biztosítja.

63


5.b. mérés

Szelektív forrasztás: bár a forrasztott kötések túlnyomó részét tömeges forrasztási technológiával valósítják meg, bizonyos esetekben szükség van az áramkörön néhány kötés, többnyire utólag történő egyedi létrehozására. Ilyen esetek lehetnek: kábelek, csatlakozók, különleges kontrukciójú, magas hőmérsékletet nem elviselő alkatrészek beforrasztása. Szelektív forrasztás elterjedt formái: minihullám, bélyeg, kézi és a lézeres forrasztás. Lézeres forrasztás: ennél a szelektív forrasztási eljárásnál a lézerfény energiája közli a folyasztószer aktiválásához és a forraszanyag megolvasztásához szükséges hőt. A fénnyel való hőközlés nagy előnye, hogy a többi szelektív forrasztási eljárással ellentétben mechanikai behatás nem éri a hordozót illetve az alkatrészeket, valamint a lézerfény fókuszálhatósága rendkívül koncentrált hőközlést jelent, azaz a környező területek hőmérséklet emelkedése a többi eljáráshoz képest minimális. Lézeres forrasztással akár a forraszanyag olvadáspontjánál alacsonyabb hőmérséklettűrésű hordozókon is létrehozható forrasztott kötés. Néhány áramköri hordozó (pl. poliimid) alacsony abszorpciója lehetővé teszi a transzmissziós forrasztást, azaz a forraszanyag hordozón keresztül történő melegítését, ahogyan az a 3. ábrán látható. Az eljárás hátránya, hogy a forrasztott kötéseket egyenként kell létrehozni, így tömeges forrasztásra nem érdemes alkalmazni, azonban a cél legtöbbször nem is ez, hanem néhány, speciális kötés létrehozása, melyre sok esetben versenyképes megoldás lehet a többi szelektív forrasztási eljárással szemben.

Nd:YAG lézernyaláb

réz forrasztási felületek poliimid flexibilis NYHL

flexibilis hordozó flexibilis fedőréteg

forrasz

FR4 merev NYHL

17. ábra. Merev-flexibilis összeköttetés létrhozása transzmissziós lézeres forrasztással Az újraömlesztéses forrasztókemencékben történő technológiáknál megszokhattuk, hogy a forrasztási folyamat több percig tart és jelentős előmelegítési, hőntartási szakaszokkal. Ezek célja elsősorban az hogy a panelen található jelentősen eltérő hőkapacítású alkatrészek közel azonos hőmérsékleten legyenek. Ezzel szemben lézeres forrasztással egy-egy kötés létrehozása csak néhány másodpercet, vagy akár csak néhány tized másodpercet igényel. Ennek oka, hogy itt csak egyetlen kötésnél kell elérni, hogy a forrasz megömöljön és nedvesítse a felületet, míg egy összetett panelnél a legkisebb ellenállásnál és a legnagyobb BGA alkatrésznél is el kell érni ugyanezt. Vezérlő programutasítások: a mintát mozgató léptetőmotorok vezérlését és a lézer be/kikapcsolását egy egyszerű programnyelven megírt fájllal tudjuk megvalósítani. Ennek főbb utasításai a következők: • 7: retesz nyitása • 8: retesz zárása • $n: ismételhető szubrutin kezdete • $e: ismételhető szubrutin vége • $r: szubrutin hívása • %vel: asztal mozgási sebesség megadása • %w: várakozás • +/-: mozgató utasítások

64


5.b. mérés

Például egy az Y tengellyel párhuzamosan elhelyezett 1,5 mm hosszú alkatrész két kivezetése közötti oda-vissza mozgást és a kivezetéseket 0,3 másodpercig megvilágítást megvalósító programrészlet a következőképpen néz ki: $n: SMD0603forr 7 //shutter nyitása %w 0.3 //0,3 s várakozás 8 //shutter zárása +0+1.5 //1,5 mm mozgás az Y tengely mentén pozitív irányban, X tengely mentén 0 elmozdulás 7 //shutter nyitása %w 0.3 //0,3 s várakozás 8 //shutter zárása +0-1.5 //1,5 mm mozgás az Y tengely mentén negatív irányban $e: SMD0603forr Mérési feladat: Az 5.a. mérésen előkészített flexibilis áramkört lézeres forrasztással merev nyomtatott huzalozású lemezhez rögzítünk, majd a merev hordozóra, szintén lézeres forrasztással felületszerelt alkatrészeket forrasztunk. Az elkészült áramkört optikailag és villamosan is ellenőrizzük.

a.)

b.)

18. ábra. A mérésen használt flexibilis (a.) és merev (b.) nyomtatott huzalozású lemezek rajzolata

A mérési feladat részletes leírása: 1. Forraszpaszta felvitele a merev nyomtatott huzalozású lemezre 2. Flexibilis és merev nyomtatott huzalozású hordozók összeillesztése 3. Felületszerelt alkatrészek kézi beültetése 4. Forrasztáshoz szükséges vezérlő program megírása, kipróbálása 5. Lézeres forrasztó állomás bekapcsolása 6. Forrasztási paraméterek optimalizálása 7. Forrasztott kötések létrehozása 8. Optikai és elektromos ellenőrzés Ellenőrző kérdések 1. Ismertesse a flexibilis nyomtatott huzalozások alkalmazási területeit és a fedőréteg szerepét? 2. Csoportosítsa a flexibilis nyomtatott huzalozásokat a felhasználás során fellépő hajlítási igénybevétel szerint! 3. Milyen esetekben alkalmazunk szelektív forrasztási eljárásokat? Mit értünk transzmissziós lézeres forrasztás alatt? 4. Írjon programot, mellyel egy 1 cm oldalhosszúságú négyzet négy sarkában 0,5-0,5 másodpercig világít a lézerrel!

65

TECHNOLÓGIAI FOLYAMATOK ÉS

Recommend Documents