Vypracovani otazek 2012

Základní materiály a výroba desek s plošnými spoji
1. Definice základního materiálu, definice výztuže a pojiva. Neohebné (min. 4 typy), ohebné (min.2 typy).
základní materiál ( substrát, nosná podložka ) – elektroizolační podložky tvořené buď dielektrickým materiálem nebo izolovaným kovovým jádrem. Používá se jako nosič vodivého motivu a slouží k montáži elektronických součástek a mechanických prvků. Jsou na organické, anorganické, případně kombinované bázi ( např. organický substrát s kovovým výztužným jádrem ).
výztuž – určuje mechanické vlastnosti DPS ( pevnost v tlaku, tahu, ohybu ), rozměrovou stálost v daném teplotním rozsahu, výrazně ovlivňuje elektrické, chemické a teplotní charakteristiky. Tvoří kostru laminátu. Druhy výztuže: skleněné vlákno, tvrzený papír, aramidové vlákno, křemenné vlákno, uhlíkové vlákno.
pojivo – zrovnoměrňuje působení vnějších vlivů na výztuž, chrání ji před mechanickým poškozením a účinky chemikálií. Pojiva jsou na polymerní bázi. Pro neohebné montážní a propojovací struktury se používají termosety ( reaktoplastové pryskyřice ), pro ohebné materiály se používají termoplasty. Pojivo musí mít výborné dielektrické vlastnosti s malou hodnotou relativní permitivity a ztrátového činitele.
Neohebné základní materiály
FR-2 – fenolformaldehydová pryskyřice + celulózový papír, nehořlavý
FR-3 – epoxidová pryskyřice + tvrzený papír
FR-4 – epoxidová pryskyřice + skleněná tkanina
FR-5
CEM-1 – výztuž – papír a skelná tkanina, pojivo – epoxidová pryskyřice
Ohebné základní materiály
PET ( polyethylentereftalát )
PEN ( polyethylennaftalát )
PI ( polyimid )
2. Hlavní rozdíly mezi základním materiálem FR-2 a FR-4 (min.6)
složení základního materiálu : FR-2 = fenolformaldehidová pryskyřice + celulózový papír, FR-4 = epoxidová pryskyřice + skleněná tkanina
vyšší cena FR4 zhruba 2x oproti FR2
několikanásobně větší teplotní odolnost FR4 (120s) oproti FR2 (20s) v pájecí lázni 260°C
až 7x menší navlhavost FR4 oproti FR2
použití FR4 na mnohem vyšších kmitočtech než FR2; to souvisí se ztrátovým činitelem: FR4=0,019 a FR2=0,047 na 1MHz
FR4 má větší povrchový odpor (4.1012 ohm) oproti FR2 (1.1010 ohm)
Vyšší teplota skelného přechodu u FR-4 105° resp.130°
FR-4 má mnohem menší teplotní roztažnost, zvlášť v ose Z
3. Hlavní rozdíly mezi korundovou keramikou a substrátovým materiálem FR-4 (min.6)
Korundová keramika má oproti FR-4 :
2x vyšší permitivitu
podstatně menší ztrátový činitel
menší teplotní roztažnost TCE
větší křehkost materiálu
velmi dobrou tepelnou a chemickou odolnost
4. Hl. trendy v oblasti základních materiálů (min.6)
ve větší míře se budou používat nové typy multifunkčních epoxidů s vyšší teplotou skelného přechodu Tg
bezhalogenidové typy pryskyřic
vhodnost pro laserové vrtání
kompatibilita s procesem bezolovnatého pájení
snaha o nižší hodnoty permitivity, ztrátového činitele, menší tloušťky substrátů
snižování průměrů VIA
5. Elektrické a tepelné vlastnosti sledované u plátovaných ZM, definice. Typické hodnoty pro FR4
ELEKTRICKÉ:
vnitřní a povrchová rezistivita (před a po klimatických zkouškách)
relativní permitivita – charakterizuje míru polarizace základního materiálu
ztrátový činitel – charakterizuje míru dielektrických ztrát v základním materiálu
průrazné napětí – charakterizuje míru schopnosti základního materiálu zachovávat svůj elektroizolační stav
TEPELNÉ:
tepelná roztažnost TCE – charakterizuje teplotní změny rozměrů plošného spoje
teplota skelného přechodu Tg – charakterizuje teplotu, při které dochází k výrazným změnám TCE, plošný spoj přechází z elastického do plastického stavu. Pokud se materiál nevyznačuje „zamrzlým pnutím“ je to vratný jev i s hodnotami TCE
odolnost při pájení – charakterizuje vhodnost k hromadnému pájení vlnou a odolnost proti delaminování
tepelná vodivost
hořlavost – jsou 4 základní úrovně:
- 94V-0 : dojde k uhašení plamene do 10s, po 10tinásobném zapálení dojde k samovolné uhašení za 50s
- 94V-1 : dojde k uhašení plamene do 30s, po 10tinásobném zapálení dojde k samovolné uhašení za 250s
- 94V-2 : dojde k uhašení plamene do 30s po 10tinásobném zapálení dojde k samovolné uhašení za 50s, ze vzorku mohou odpadávat hořlavé části.
- 94HB : horizontálně umístěný vzorek hoří rychlostí pod 38mm/min
Typické vlastnosti FR4:
povrchový izolační odpor: 4.1012 ohm
vnitřní izolační odpor: 8.1014 ohm.cm
permitivita: 4,7
ztrátový činitel: 0,019
teplota skelného přechodu Tg: 130°C
TCE xy/z: 13/60 ppm.K-1
6. Definice fotorezistu, dělení a zpracování. Do tabulky uveďte vhodné kombinace fotorezistu (neg, poz.) a filmové předlohy (neg., poz.) pro vytvoření vodivého motivu technologií pattern plating (s cínovým leptacím rezistem) a technologií panel plating (leptací rezist na bázi fotorezistu)
fotorezist : fotocitlivý materiál, který působením UV zářením definované délky změní své vlastnosti
základní požadavek – musí odolat pokovovacím a případně i leptacím lázním
dělení fotorezistu :
negativní – zpolymeruje a kryje, horší rozlišovací schopnost (360 – 420 nm), působením záření neexponované části polymerují a kryjí, používá se více, je levnější
pozitivní – polymerní vazby se naruší, ve vývojce se narušená struktura odplaví (380 – 405 nm)
dle skupenství dělíme fotorezisty na:
tuhý – nanáší se laminováním, sendvičová struktura
PET (nosná, krycí folie) - chrání rezist, odstraní se po neexponování fotorezistu
Fotocitlivá vrstva
PE (separační folie) – oděluje se při laminování
kapalný – levnější, nanáší se zpravidla navalováním mezi dvěma válci
ZPRACOVÁNÍ:
laminace na očištěnou desku (navalování)
prodleva 10min
expozice
prodleva 15min
vyvolání (ostřik, roztok 1% Na2CO3, teplota 30°C, oplach vodou )
sušení
7. Výhody (min.3) a nevýhody (min. 5) technologie HAL – porovnejte s NiAu. Proč HAL není vhodný pro pouzdra UFP (Ultra Fine Pitch) (min.2)
HAL ( Hot Air Levelling ) – metoda žárového nanesení pájky PbSn definované tloušťky na měděný podklad. Je stabilnější než Sn povlak, nanesená olovnatá pájka PbSn slouží jako ochrana mědi před oxidací.
VÝHODY :
ochrana mědi před oxidací
zajištění dlouhé doby skladovatelnosti
zajištění dobré pájitelnosti povrchu
umožňuje vícenásobný teplotní cyklus
velký rozsah tloušťky vrstvy ( 1 – 20 µm )
NEDOSTATKY:
nedostatečná rovinnost pájecích ploch krytých pájkou
horší spolehlivost procesu, deformace DPS
teplotní šok DSP
nemožnost kontaktování vodičů
přítomnost Pb v pájce
nevhodné pro tenké DPS (cca 0,4mm)
nevhodnost pro press-fit aplikace
nevhodnost pro HDI
NEVHODNOST PRO POUZDRA UFP:
nedostatečná rovnost pájecích plošek
deformace DPS
8. Typy povrchových úprav měděných ploch neosazených DPS a perspektivní typy. Uveďte minimální doby pájitelnosti
HAL ( Hot Air Levelling ) - metoda žárového nanesení pájky definované tloušťky na měděný podklad. Doba pájitelnosti DPS min. 12 měsíců.
OSP ( Organic Surface Protectives ) – chemická metoda nanášení organických inhibitorů oxidace mědi na odkrytý měděný povrch substrátu, zpravidla po tisku nepájivé masky. Nevýhodou jsou kratší garantované doby skladovatelnosti a problematická je i vícenásobná expozice. Doba pájitelnosti DPS min. 3 měsíce.
Sn, Ag, Ni – vytvoření vrstvy jednoho z těchto materiálů chemicky nebo galvanicky na měděný povrch DPS. Předností je rovinatost povrchu, nevýhodou je horší pájitelnost a malá doba skladovatelnosti.
Ni / Au – chemická nebo galvanická metoda nanášení vrstvy niklu a poté vrstvy zlata na odhalený měděný povrch DPS zpravidla po tisku nepájivé masky. Předností je rovinatost povrchu a možnost kontaktování, nevýhodou je výrazná difúze zlata z povrchu do spoje.
9. Porovnejte technologii HAL s OSP (organickými inhibitory oxidace mědi). Uveďte min. 8 rozdílů
HAL - Hot Air Levelling- metoda žárového nanesení pájky definované tloušťky na měděný podklad.
OSP (Organic Surface Protectives) - chemická metoda nanášení organických inhibitorů oxidace mědi na odhalený měděný povrch DPS, zpravidla po tisku nepájivé masky. Používají se často látky na bázi benzoimidazolů. Vrstvy jsou fixovány na povrch slabými Van der Vaalsovými silami. Upřednostňuje se na jednovrstvé DPS, výborná rovinnost povrchu FP, UFP, levnější o 25 – 50 % oproti HALu, vyhovuje i z hlediska dlouhodobých elektroizolačních vlastností začíná se používat i pro CSP aplikace kombinace chemického NiAu a OSP pro kontaktování vodičů. Spolehlivost pájených spojů je srovnatelná s HALem. Nevýhodou je kratší doba garantované skladovatelnost i rozdílné vlastnosti OSP povlaků od různých výrobců.
Srovnání parametrů:
10. Jaké typy nepájivé masky používáme pro výrobu neosazené DPS. Funkce permanentní nepájivé masky (min.5).
permanentní nepájivá maska
minimalizace tvorby můstků a zkratů pod nepájivou maskou
omezuje tvorbu můstků a zkratů na vodičích a pájecích ploškách DPS a mezi nimi
umožňuje snadnější optickou kontrolu zapájených i nezapájených DPS
částečně chrání DPS před klimatickými vlivy
zajišťuje mechanickou ochranu tenkých vodičů proti poškození
snižuje spotřebu pájky při strojním pájení
snímatelná nepájivá maska
11. Jaká výstupní data z návrhového systému DPS potřebujete pro výrobu a montáž desky s plošnými spoji s povrchovou montáží součástek
data pro vrtačku
filmová předloha
předloha pro nepájivou masku
předloha pro nanesení vodivé pasty
osazovací předloha
12. Definice montážní a propojovací struktury, hlavní kroky u subtraktivního a aditivního procesu výroby DPS.
na montážní a propojovací struktuře jsou namontovány elektronické součástky i mechanické prvky z jedné nebo obou stran.
propojovací struktura – tvořena vodivým motivem na nosném substrátu. Zahrnuje vodiče, plošky, signálové a součástkové otvory, chladiče i pasivní prvky. Liší se počty vrstev ( jednovrstvá, dvou a vícevrstvá ), hustotou propojení, způsoby propojení, druhy dielektrika, typy vymezujících jader, ohebností / neohebností aj.
subtraktivní proces – na měděné fólii je vytvořen vodivý motiv zpravidla krytý leptuodolonou vrstvou. Leptá se měděná fólie různé tloušťky.
aditivní proces – vodivé cesty i pokovení vývodů je vytvořeno jen chemickou mědí bez procesu leptání nebo sítotiskem.
13. Subtraktivní postup výroby jednovrstvé DPS, technologický postup
technologický postup ( různé modifikace ) závisí na sériovosti výroby, na vybavení technologickými zařízeními, na výrobních zvyklostech i na použitých materiálech
kritériem je zejména cena, požadavkem vyhovující kvalita
do výrobního procesu vstupuje jednostranně plátovaný materiál a data z návrhového systému – podklady pro vrtání otvorů zpravidla ve formátu Excellon a filmové předlohy ( vodivý motiv, nepájivá maska, servisní potisk ) se zpracovanou emulzí na diazo- nebo halidostříbrné bázi na polyesterovém nosiči ( mylar )
14. Subtraktivní postup výroby dvouvrstvé DPS (pattern plating), technologický postup
subtraktivní technologií je možno vyrábět všechny druhy DPS. Existuje mnoho různých druhů modifikací lišících se způsobem zesílení vodivých motivů i druhem leptuodolného rezistu ( organický nebo anorganický ).
hlavní typy subtraktivních postupů :
pattern-planting – materiál plátovaný Cu fólií, vodivé cesty a otvory jsou galvanicky zesíleny mědí, poté pokoveny Sn, ev. SnPb rezistem. Po odstranění fotorezistu je odhalená měď leptána. Nejrozšířenější technologie.
pettern-planting s diferenčním leptáním – plátovaný materiál s tloušťkou Cu fólie 5 µm, vodivé cesty a otvory zesíleny galvanickou mědí. Po odstranění fotorezistu je provedeno leptání.
panel plating, tenting – plátovaný materiál včetně otvorů je chemicky a galvanicky pokoven mědí. Galvanické zesílení se provede po celém povrchu. Po naneseni/vyvolání tuhého fotorezistu zůstanou otvory a vodivé cesty kryty fotorezistem, který slouží jako leptuodolná vrstva
postup výroby dvouvrstvé DPS technologií pettern-plating :
substrát
vrtání otvorů
chemická měď
laminace fotorezistu
vyvolání ( expozice ) fotorezistu
zesílení galvanickou mědí
galvanický cín
odstranění fotorezistu
leptání
stripování cínu
nanesení fotocitlivé nepájivé masky
expozice, vyvolání, vytvrzení
HAL
15. Subtraktivní postup výroby vícevrstvé DPS, technologický postup
vícevrstvé DPS se skládají střídavě z vrstev s vodivými obrazci a izolačních vrstev
základní stavební prvek zhotovený z jednostranně nebo oboustranně plátovaného materiálu. Deska má jeden nebo dva vodivé obrazce
lepící list ( bonding sheet ) nebo-li prepreg – lepící fólie určená ke spojení a zároveň odizolování dvou nebo více stavebních desek ve výslednou vícevrstvou desku. Je to neúplně vytvrzený materiál tloušťky 0,05 – 0,18 mm, jehož vytvrzení je dokončeno při procesu laminace, kdy získá požadované vlastnosti. Tvoří izolační vrstvu.
postup výroby :
plátovaný základní materiál ( neleptaný )
propreg
vodivý motiv
prepreg
plátovaný základní materiál ( neleptaný )
laminace
vrtání otvorů
pokovení chemickou a galvanickou mědí
laminace fotorezistu, expozice a vyvolání
galvanické pokovení SnPb
odstranění fotorezistu
leptání
16. Směry v počtu vrstev na DPS, důvody, HDI-definice, druhy a technologie výroby otvorů
trend vede k aplikacím HDMLB (High Density Multilayer Boards ) a HDI ( High Density Interconection ), aplikace u mobilních telefonů, videokamer, pagerů, noteboků, PCMCIA karet aj.
HDI – vícevrstvé DPS s vysokou hustotou propojení
základní charakteristikou je použití tzv. mikropropojení ( microvia ), což jsou propojovací cesty s průměrem menším než 150 μm
mikropropoje snižují velikost, hmotnost i počty vrstev na DPS
mikropropoje – slepé, vnitřní ( skryté ), průchozí
druhy otvorů :
součástkové – určeny pro vývod součástky a stěna je pokovena s dobrou pájitelností
propojovací ( signálové ) – otvory pokoveny a vyplněny vodivým materiálem
druhy propojovacích otvorů :
slepý ( blind via ) – propojuje vnitřní vrstvu s primární nebo sekundární vrstvou
vnitřní ( burried via ) – propoj mezi vnitřními vrstvami
průchozí ( through via ) – propojuje primární vrstvu se sekundární, často zhotoveny jako maskované
v HDI se zhotovují zejména slepé mikrootvory a to b