Industriell produktion, NE 015 Industriell Elektronik TNE020 Amir Baranzahi amiba@itn.liu.se Tel: 011-363337 Adress: Täp

1. Mönsterkort, ytmontering och lödning Industriell produktion, NE 015 Industriell Elektronik TNE020 Amir Baranzahi amiba@itn.liu.se Tel: 011-363337 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-inch=0.0254 mm= 25.4 m

4. Krav på basmaterial • Elektriskt isolerande • värmetålig • mekaniskt hållfast • dimensionstabilt • Icke hygrokopiskt (absorbera ej fukt) Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

5. Vanliga Basmaterial FR2 Fenolpapper, Pappersark ihoppressade med fenolbartslim, dåliga mekaniska och elektriska egenskaper. FR4 Glasfiberarmeradepoxi, (Epoxi = härdad polymer) Tg=125 till 135ºC, Arbetstemp. -40 till +85ºC, r=2.5-5 BT-epoxi Bismaleimide-Triazine; Härdad epoxi, Tg= +180 till +200ºC, r=3.7 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 Flexibla 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 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

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 ochnegativ 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 • Cu+kemisk Sn 1 månad • Bar Cu med lödlack 1-3 månader Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

18. Flerlagerkort 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 Sony’s 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 • Basfilm:bärare 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 • Fotomask:Fotolitografisk film • FR: Fire retardant, flamskyddande. • Hygroskopisk: vatten/fukt absorberande Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

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: tusendelstum=0.0254 mm mikrovia: via med diameter<0.2mm 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. Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

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. komponent Före smältning 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