Industriell produktion, NE 015

1
Mönsterkort, ytmontering och lödning
Industriell produktion, NE 015 Industriell
Elektronik TNE020 Amir Baranzahi amiba_at_itn.liu.se
Tel [phone] Adress Täppan, Rum 6168
2
Mönsterkort, MK, (PCB, PWB)
Historia

• 50-talet Första MK, enkelsidiga
• 60-talet Genompläterade hål, dubbelsidiga
• 70-talet Flerlagerkort
• 80-talet Fine line, mindre hål
• 90-talet Blinda och gömda vior
• 00-talet Passiv integrering, laser borr, ny
  teknologi?

3
Mönsterkortets funktioner, Terminologi
Funktioner

• Elektriskt förbindning
• Mekaniskt bärande
• Isolator (Dielektrisk funktion)
• Värmeavledande

Terminologi Mönsterkort (kort med lednings
mönster utan komponenter), PCB Printed Circuit
Board, PWB Printed Wiring Board (USA) Kretskort
(Kort med komponenter), PBA Printed Board Assembly
Den vanligaste enheten mil mili-inch0.0254 mm
25.4 ?m
4
Krav på basmaterial

• Elektriskt isolerande
• värmetålig
• mekaniskt hållfast
• dimensionstabilt
• Icke hygrokopiskt (absorbera ej fukt)

5
Vanliga Basmaterial
FR2 Fenolpapper, Pappersark ihoppressade med
fenolbartslim, dåliga mekaniska och elektriska
egenskaper. FR4 Glasfiberarmerad epoxi, (Epoxi
härdad polymer) Tg125 till 135ºC, Arbetstemp.
-40 till 85ºC, ?r2.5-5 BT-epoxi
Bismaleimide-Triazine Härdad epoxi, Tg 180
till 200ºC, ?r3.7 Teflon, Polytetrafluoureten,
svårt att få kopparfolie och annat att fästa
Polyimide, för flexibla kort, Tg 260 till
270ºC (FR4 Fire Retardant Flamskyddande, klass
4) Tg glasomvanlingsomvandlingstemperaturen Flex
ibla kort Polyimide flex Polyester (tål inte
lödtemperaturen, användbar endast tillsammans med
ledande lim) Rigid flex polyimid flex för
kontaktering av rigida kort men också del av
rigida kort strukturer
6
Andra typ av mönsterkort
Tjockfilm Mönstret trycks med ledande pasta på
keramik Tunnfilm Förångning/sputtring av tunna
metallskikt på glas eller keramik
7
Tillverkning av mönsterkort, fotolitografi

• Innerlager
• Kopparfolie pressning
• Fotomask
• Fotoresist plätering
• Exponering och framkallning
• Etsning
• Borttagning av fotoresist
• Borra hål
• Kem(isk)koppar (elektroless koppar)
• Ytbehandling
• Löd mask

Observera att beroende av antal lager kommer de
olika stegen i lite olika ordning t.ex. borrning
av genomvior och gömdavior
8
Tillverkningsmetoder

• Additionsmetoden, utgår från basmaterial
  (glasfiberarmerad epoxi) och lägger mönstret på
  önskad yta.
• Subtraktionsmetoden är den vanligaste metoden,
  Material läggs över hela laminatet och etsar bort
  det man inte vill ha, kvar blir mönstret.
• I subtraktions metoden finns det vissa steg som
  är hämtade från additionsmetoden

9
Börja med basmaterialet (kärnan) och lägg på Cu
folie
Kopparfolie, av önskad tjocklek (?m) fästs på
laminatet och pressas (valsas)
Laminatet är en glasfiberarmerad epoxi.
Kopparfolien är försett med lim på ena sidan,
folien fästs på laminatet och valsas. Foliens
tjocklek kan väljas från 15 ?m och uppåt. För
fina ledarbanor ska tunnare folier väljas.
10
Lägg fotoresist på folien
Applicering av fotoresist på koppar ytan
Positiv och negativ fotoresist Torr och våt
fotoresist Torrfilm resist består av bärfilm,
resist och skyddsfilm Torrfilm valsas i
torrfilmslaminatorn Våtresist appliceras genom,
valsning, ridålackering (spurtas genom ett
långsamt munstycke) Screentryck,
laminat under en finmaskig duk, resist
trycks från andra sidan av duken Spray
lackering Våtfilm torkas vid cirka 80 grader
eller lägre
11
Fotomask
Mönstret förs över till Laminatet mha en
fotomask, Fotomasken tillverkas i en så kallade
fotoplotter. Fotomaskfilmen kallas för Lithfilm
och består av en plastfilm och en ljuskänslig
skikt (jfr, vanlig fotografering). Mönstret ritas
mha en laserstråle eller en vanlig ljuskälla som
passerar genom ett litet hål och får en liten
fläckdiameter. Filmen framkallas, de delar som
exponerades för ljus blir svarta, man har fått en
negativ. Det finns positiv fotomask också
(Filmen är redan härdad, de delar av filmen som
träffas av ljus löses i framkallningsvätskan).
12
Exponering genom fotomask
Fotoresisten exponeras för ljus genom en
fotomask.
Fotomasken placeras över fotoresisten, det är
viktig att masken sitter tät mot resisten så att
bara väldefinerade områden exponeras (Använd
vakuum sug) Ämnet exponeras för UV ljus och
framkallas. Fotoresist som utsattes för ljus
härdas (polymeriseras), icke exponerade partier
tvättas bot i framkallningen (negative resist).
13
Framkallning, Etsning
Fotoresisten framkallas, de delar av resisten
som exponerades för ljus sitter kvar medan
framkall- ningen tvättar bort resten (negativ
resist)
Nu läggs kortet i en etsvätska (en lösning som
attackerar metallen men påverkar inte
fotoresisten)
Observera att etsning tar i sidled också
(underetsning)
14
Strippning av fotoresisten

• Fotoresisten som nu har gjort sitt tas bort,
  Strippning, genom att tvätta ämnet i en resist
  borttagare, t.ex. natriumkarbonat.
• Nu har vi fått en positiv mönster av koppar på
  basmaterialet.
• Notera att negativ mask och negative resist ger
  en positiv mönster.
• Pss. Positiv mask och positiv resist ger en
  positiv mönster.

15
Borra hål, genomplätera
Hål borras (vanligen med en precisions
borrmaskin, laser borrning börjar användas allt
mer)
Kemisk koppar (Elektroless koppar) pläteras
genom hålet
Ytan skyddas gen att lägga ni/Au, Tenn eller OSP
(Organic Solderability Presevatives)
16
Lödmask
När kortet är färdig skyddas den med en så
kallade lödmask. Lödmaskens uppgift är att bara
lödytorna ska vara tillgängliga för lodet att
fästa samt att undvika lödbryggor mellan
närliggande banor Tekniken är mycket likt
fotoresistens, torrfilmsmask, våtmask, exponering
framkallning, strippning (öppning i lödmasken)
17
Förvaring

• Luftens syre, fuktighet och föroreningar
  försämrar lödbarheten därför bör korten användas
  så fort som möjlig. Papper och kartonger
  innehåller svavel, förvara inte direkt i
  kartonger utan låt original förpackningen av
  plast vara kvar.
• SN/Pb 12 månader
• Ag/Au 12 månader
• OSP 6 månader
• Cukemisk Sn 1 månad
• Bar Cu med lödlack 1-3 månader

18
Flerlager kort
Flerlager kort tillverkas enligt samma principer
som enkel kort i flera steg. Ett 4 lager kort med
båda genom vior och gömda vior
Glasfiber armerad substrat Koppar Ytbehandling
(vanligen ni/Au eller Sn) Epoxi Lödmask
Färg förklaring
19
Olika typ av vior
Blind via
Burried (gömd) via
Tvärrsnitt av Sonys Videokamera kort Källa
Prismark
20
Ett åtta lager mobiltelefonkort
21
En del av ett mobiltelefonkort
22
En del av ett mobiltelefonkort
23
Lödmask täcker också epoxins svampighet och
minskar risken för fukt absorbtion
Epoxi
Koppar bana
24
Viktiga uttryck och termer

• Basfilmbärare av ledningsfolie
• Basmaterial Mönsterkortlaminat,
• Bindningsmaterial material som binder samman
  innerlager, kopparfolie etc.
• Blind via ej genomgående metalliserade hål
• Bärfilm bärare av torr fotoresistfilm
• Elektroplätering applicering av metall via
  elktrokemisk metod
• Epoxi Härdplast, polymer material
• Emulsion benämning för ljuskänslig skikt.
• Etsning Process som avlägsnar överflödig
  material (oftast i en lösning)
• Flexkort böjbart mönsterkort
• Fotolitografi metod att föra över ett mönster
  till ett ljuskänsligt skikt
• FotomaskFotolitografisk film
• FR Fire retardant, flamskyddande.
• Hygroskopisk vatten/fukt absorberande

25
Viktiga uttryck och termer forts.

• Kemisk koppar, Kemkoppar Elektroless beläggning
  av koppar på en yta, kemisk fällning av koppar ur
  en vätska.
• Laminat Material av sammanfogade tunna skikt
• ledningsbanor Ledningsmönster mellan lödytorna
• Lithfilm litografiskfilm
• Lödmask Maskerar ytor/banor som inte är lödytor.
• Mil tusendelstum0.0254 mm
• mikrovia via med diameterlt0.2mm
• OSP organic soldeability presevatives
• Pad löd-ö
• Panel Laminat/kort i standard format rymmer
  flera mönsterkort
• Resist ytskikt som motstår t.ex. ets, plätering
  eller kemikalier
• Strippning avlägsning av t.ex. fotoresist
• Underetsning etsning i sidled

26
Förbindningsteknik
En elektronisk produkt består av flera delar
(komponenter) för att få alla delar ihop behöver
man En bärare (mönster kort, Eng. Printed Circuit
(Wiring) Board, PCB (PWB). Komponenter ska
förbindas med varandra enligt vis mönster
(konstruktion svengelska design) och förbinda
komponenterna med varandra Förbindning sker på
flera olika sätt Lödning (Soldering) Tråd
bondning (wire bonding) Ledande lim (conductive
epoxy) Glidkontakter, kontakt don, skruv och
mutter etc.
27
Lödning
Lödning är centralt i elektronikproduktion. En
mobiltelefon, t.ex. har 2-5000 löd punkter. En
process som gör ett fel på 1000 medför att alla
tillverkade mobiltelefoner blir
felaktiga. Lödningsfel av mer än ett fåtal per
miljon är inte accepterade. (felen räknas i ppm ,
parts per million)
28
Lod
Material som används för att löda ihop två
metaller kallas för lod. Notera terminologin
Lodpasta men lödtråd

• Lod har flera funktioner
• Elektrisk förbindning mellan komponenterna
• Hålla komponenterna på deras respektive plats på
  mönster kortet, därmed måst den vara tillräcklig
  stark.
• Leda bort värme.

29
Lödbarhet (solderability)
För att kunna löda måste vissa krav vara uppfyllda
Värme Måste vara möjlig att värma lödområdet
(inom rimlig tid) utan att förstöra kort eller
komponenter. Vätbarhet Komponentben/termineringar
måste ha en yta som väts av smält lod. Hållbara
och stabila material i komponent ben och
termineringar. Komponentben ska inte lösas in i
smält lod.
30
Vätning
Terminering (metalliserade kontakt)
Lodpasta
Löd-pad
Bra vätning
Icke-vät
komponent
Efter smältning
31
vätbarhet
Lod
Oxid
Ingen vätning
koppar
Lod
Väter bra
koppar
Lod väter endast på rena metall-ytor (dock olika
vätningsgrad på olika metaller)
32
Perfekt lödd
33
Dålig lödning
34
Lödning
Lod smälter gradvis från fast till flytande och
omvänt, stelnar det gradvis. Temperaturintervallet
mellan fast och flytande kallas för smält-
respektive stelningsintervall. Smält- och
stelningsintervall beror på lodets
sammansättning Blandningen 63/37 (63 tenn, 37
bly) kallas eutektisk lod och saknar smält- och
stelningsintervall. Eutektisk lod (kallas också
mjuklod) Önskvärt att stelningen går fort
(mindre risk att detaljerna rubbas). - Mindre
bra att ta upp mekaniska krafter
35
Lodpasta, lödtråd
Vid ytmontering används lodpasta. Små partiklar
av tenn-bly med viss diameter som är uppblandade
med lösningsmedel, bindemedel och
flussmedel. Diametern av Sn/Pb är viktig, liten
diameter betyder mera ytoxid och mera fluss går
åt. Stor diameter kan göra det svårt att
stenciltrycka genom små öppningar. Tråd, används
framförallt i reparation och småskalig manuell
produktion, tråden är ihålig där hålet är fylld
med flussmedel.
36
Lodpasta