Dispozitivele (componentele) Electrice Smd (surface Mounted Device)

Introducere

Dispozitivele (componentele) electrice SMD (surface-mounted device) se folosesc în electronică și reprezintă clasa componentelor montate direct pe suprafața plăcii cu cablaj imprimat folosindu-se micile lor suprafețe lipibile cu cositor. Sunt cele mai răspândite componente electrice, și datorită dimensiunilor lor mici fac să crească calitate electrică a întregului circuit, mai ales la frecvențe mari și să se economisească mult spațiul necesar pentru plantarea componentelor pe placa de cablaj imprimat. Acest tip de componente nu prezintă pini (piciorușe) de inserție în placă. Componentele SMD se lipesc direct, pe una din fețele plăcii cu cablaj imprimat,(sau pe ambele) cu ajutorul cositorului. Tehnologia de lipire folosită, de "montare la suprafață" poartă în engleză denumirea: Sourface-mounted technology.

Staniul sau cositorul este un element chimic din grupa a IV-a a tabelului periodic al elementelor.

Aparținând grupei metalelor, cositorul are o temperatură de topire scăzută, motiv pentru care este folosit în industria electrotehnică în aliaje de lipire a altor elemente metalice. Staniul este foarte maleabil, putând fi ușor laminat în foi subțiri (staniol). Se întrebuințează la protejarea altor metale (de ex.: fierul, tablă albă) contra coroziunii; de asemenea, în multe aliaje: fludor, bronz, etc.

Tabelul 1.1 Caracteristicile staniului

Componentele electronice lipite (montate) pe suprafața placilor se numesc SMC-uri (Surface Mount Components).

Tipuri de SMC-uri

Ca și în cazul componentelor electronice folosite în tehnologia prin inserție (THT), și la tehnologia SMT avem aceleași dispozitive, doar că au o altă geometrie și, evident, arată altfel. SMC-urile pot fi împărțite după mai  multe criterii (de exemplu: statice și dinamice), însă cel mai simplu este să le împărțim după tipul lor:

Condensatoare SMD

Condensatoarele SMC, la fel ca orice alte condensatoare, au rolul de a înmagazina energie electrică și de a alimenta sistemul pentru scurte perioade de timp, astfel că acestea sunt folosite pentru majoritatea tipurilor de circuite, de la oscilatoare la filtre (unde reținând energie din sistem, condensatoarele pot să rețină și energia semnalului parazit, de exemplu).

Din punct de vedere mecanic, un condensator este asociat unui resort (arc), iar unitatea de măsură a capacității electrice se numește Farad (de la Faraday, fizicianul care a conceput primul condensator), deși în practică mai toate condensatoarele au capacități mici, de ordinul miimilor sau milionimilor de Farad.

Rezistențe SMD

Rezistențele SMC au același rol ca și rezistențele THC, și anume atenuează semnalul electric. Acest lucru este dorit, de exemplu, la adaptarea electrică a două circuite electrice aflate unul după celălalt, sau la filtre.

Din punct de vedere mecanic, o rezistență este asociată unui robinet (valvă) – cu mențiunea că un astfel de robinet nu este niciodată complet închis sau complet deschis, sau unui racord cu dimensiuni de ieșire mai mici decât la intrare. Unitatea de măsură a rezistenței electrice este Ohm-ul.

Diode SMD

Diodele SMC, ca și suratele lor THC, au roluri și funcții multiple, de la redresare la detectare (a prezenței unui semnal). Constructiv, o diodă SMC este construită dintr-o așchie de siliciu (numite cipuri) cu proprietăți electrice puțin diferite, numite joncțiuni p (pozitiv, de la lipsa unor electroni – sau: exces de protoni) și n (negativ, de la excesul de electroni), luate împrenuă: p – n și n – p.

Din punct de vedere mecanic, o diodă poate fi asimilată unei supape cu un singur sens de trecere. 

Tranzistorii SMD

Una dintre cele mai mari invenții umane, tranzistorul a fost inventat în 1947. Acesta este o combinație între două diode, la nivel cristalului din substrat, având joncțiuni p – n – p sau n – p – n. Interesant este că, prin controlul proprietăților electrice ale joncțiunii din mijloc (p sau n) se poate controla funcționarea joncțiunilor periferice (n sau p), după mai multe legi. Dacă până acum, la celelalte componente, legea electrică era una unidimensională, la tranzistor legea electrică este  bidimensională, adică poți varia cel puțin doi parametri.

Din punct de vedere mecanic, un tranzistor poate fi asociat cu o varietate mai largă de dispozitive complexe, de la valve controlate extern, la ansambluri pneumatice.

Circuite integrate SMD

Evident, circuitele integrate sunt de diferite forme și dimensiuni, cu roluri și funcții diverse. Actualmente pare firesc ca un ciruit integrat să fie lipit direct pe o față a plăcii. În trecut și actualmente doar pentru aplicații mai speciale (militare, medicină, etc) pinii circuitelor integrate erau trecuți prin placa din fibră de sticlă a cablajului, pentru o mai bună rezistență mecanică.

Prezentare utilaje department SMD

LOADERUL – liftul utilizat pentru încărcarea placilor.

Figura II.1. Loader.

CONVEIORUL – masina care ajută la transportarea plăcilor dintr-o masina în alta.

Figura II.2. Conveior

DEK – masina care printează placile. In componența sa mai fac parte:

squeegees (lame de printare)

screen (sită de printare)

ramă screen

push-ups sau gridlock-uri (pini de susținere)

Figura II.3. DEK

Figura II.4. Squeegees

Figura II.5. Gridlock Figura II.6. Push-ups

Figura II.7. Screen.

PICK AND PLACE

Mașini automate sau semiautomate realizează preluarea componentelor de pe ambalajul lor și plantarea pe circuitul imprimat cu ajutorul unor capete de plantare. În linii mari, acestea sunt pensete cu vacuum, care "sorb" componenta și o plantează în locul descris cu exactitate de programul mașinii. În fapt, capetele de plantat se configurează ca unități de plantare care includ una sau mai multe pensete.

Parametrii operației de plantare sunt: secvențialitatea și simultaneitatea, combinarea și realizarea acestora fiind specificăfiecărei mașini. Capacitatea de plantare, direct dependentă de configurarea unității de plantare, variază de la câteva sute la zeci de mii de componente pe oră.

Masina care extrage componentele de pe role și le montează pe placă. Pot fi de mai multe tipuri:

AX-501, pentru funcționare are nevoie de “cărucioare” în care se introduc feedere, dispozitive inteligente cu ajutorul cărora se manipulează componentele de pe rolă (fig. II.9) conform fiecărui program, numite trolee(fig. II.10). Această mașină are 10 module „pick and place” (PM – placement module).

Figura II.8. AX-501.

Figura II.10 Trolley.

Figura II.11 Feeder.

Figura II.13 Placement module

Fiecare din cele 10 module au în componență câte o “tăviță”, denumită TEU, toolbit exchange unit (fig. II. 15), în care se așează și din care robotul își extrage dispozitivele cu ajutorul cărora se extrag componentele din rolă. Acest dispozitiv se numește TOOLBIT (fig. II. 14) și este predefinit din program pentru fiecare componentă în parte, în funcție de tipul acesteia.

Figura II.15 TEU

Figura II.14 Toolbit

AX-201

Modulul “pick and place” AX-201 (fig. II.16) este format din 2 head-uri (PH-HA placement head high accuracy). Acest tip de mașină folosește nozzle (dispozitiv cu ajutorul căreia se extrag componentele din rolă, baretă „stick” sau tăviță); în cazul nostru acest nozzle poate fi format din două toolbit-uri (inner + outer sau poate fi numai outer), figura II. 17.

Figura II.16. AX-201

Figura II.17. Nozzle

Spre deosebire de mașina AX-501, aceasta prezintă în plus dump reuse unit (dispozitiv pe care se așează temporar componentele care nu pot fi montate dar pot fi reutilizate); alături de „dump reuse unit” se află și stația de test cu ajutorul căreia se verifica „vacuum-ul” de la nozzle-uri. (Figura II.18)

Figura II.18. Dump Reuse Unit

HELLER sau cuptor este mașina utilizată pentru solidificarea respectiv lipirea componentelor pe placă. Procesul de lipire prin retopire cu utilizarea metodelor prin radiație și/sau convecție are loc în cuptorul SMD structurat pe zone funcționale de preincalzire, activare, retopire și răcire. În acest moment se utilizează trei produse, adică 3 profile pentru solidificare:

Lipici

Pastă lead free (fără plumb)

Pastă lead containing (cu plumb)

Figura II.18. Heller

Fazele tehnologiei de lipire prin retopire

În principiu procesul de lipire prin retopire constă în execuția unor operații structurate pe faze specifice:

Zona SETUP

Zona PCB MARKING

DEK

PICK & PLACE

Zona de Setup este responsabilă cu pregătirea proiectului pe feedere. Lista de setup (fig. III.1) este scoasă cu ajutorul software-ului PPS PRO sau VALOR, care optimizează programele pentru liniile AX.

Figura III.1. Exemplu de setup

Proiectul ajunge in zona de pregătire în cutii (Fig. III.3) sau pe car (Fig. III.3), de unde va fi sortat proiectul. Componentele sunt pregătite pentru fiecare trolley în parte (Fig. III.4).

Figura III.4 Sortarea

Figura III. 2. Car Figura III.3. Cutia

Toate HU, Handling Unit-urile sortate vor fi asezate pe feedere cu ajutorul sistemului LU – Loading Unit(fig. III.5). Feederul va fi introdus cu rola corespunzătoare la poziția specificată în lista de setup.

Figura III.5. Loading Unit

În zona „PCB MARKING” mașina „PICK & PLACE”, montează eticheta 2D, care ulterior este scanată cu ajutorul celor 3 camere(fig.III.6) și este introdusă în baza de date prin aplicația „Datalogging”.

Figura III.6. Montarea etichetei 2D

DEK-ul va fi setat conform cerințelor fiecărui proiect în parte. Responsabilul în cauză cu setarea acestei mașini va introduce în DEK: screen-ul/sita, aferent fiecărui proiect si pasta sau lipiciul (fig. III.7.). Pentru o printare a plăcii cât mai bună trebuiesc avute în vedere mai mulți factori:

Viteza de printare: Viteza standard este de 70 mm/s.

Presiunea squeegees-urilor: 2kg/100mm squeegees.

Print Gap: distanța dintre PCB și screen.

Viteza de separare: viteza cu care PCB-ul se desprinde de screen (2mm/s pentru pastă și 0.2 mm/s pentru lipici).

Figura III.7. Procesul de printare.

Pentru zona de Pick and Place se va încărca în mașini programul aferent proiectul (fig.III.8.) ce rulează și se vor introduce troleele conform liste de setup și a programului (fig.III.9.). Se va monta o primă placă asupra căreia se va face controlul de calitate, pentru a verifica dacă placa este montată conform documentației.

Figura III.8. Interfața grafică AX-501 Figura III.9. AX-501

După primirea acceptului de la calitate, placa se va introduce în cuptor (în prealabil setându-se profilul cuptorului pentru lipici sau pasta), fig. III. 10. și urmând apoi să se verifice dacă solidifcarea componentelor s-a produs corect, fig. III.11 .

Figura III. 10. Heller

Figura III.11. Placa în urma solidificării

Daca nu sunt probleme, va avea loc rularea propriu-zisa, placa va trece prin DEK (masina de printat) -> AX (masina pick and place) -> OVEN ( cuptor). Figura III. 12.

Figura III. 12. Exemplu de linie SMT

Tombstoning sau Efectul Manhattan

Introducere

Tehnologia de lipire prin retopire (reflow / double reflow soldering) este unul dintre cele mai cunoscute mijloace de asamblare a componentelorpe una sau ambele fețe ale plăcilor (pcb). Asigură conectarea terminalelor componentelor prin retopirea aliajului de lipit din structura pastei de lipit depusă anterior potrivit suprafeței cablajului imprimat. Pasta de lipit este o suspensie de pudra din aliaj de lipit într-o masă lichidă de flux cu vâscozitate ridicată. În timpul procesului de reflow, între suprafețele terminalelor componentelor și a padurilor, particulele de aliaj se topesc, având ca rezultat în urma răcirii, aliajul topit, care prin solidificare formează lipitura.

Temperatura necesara retopirii are loc în cuptoare specializate prin utilizarea unor principii fizice diferite: convectie sau în condensare, radiatie (irnfrarosu, ultraviolet, laser). Cuptorul (smt oven / reflow oven) este structurat în cel puțin 3 zone în care poate fi controlată precis temperatura, pentru preîncalzire, încalzire și răcire.

Tehnologia de lipire prin retopire poate fi utilizată pentru asamblarea componentelor cu terminale prin gaura (pin in paste). Pentru asamblarea componentelor cu terminale prin gaură (pin in paste), se utilizează tehnologia de lipire prin retopire. Pentru aceasta se așterne pasta prin aperturi corespunzătoare padului, asigurând volumul de pastă necesar unei anumite suprafețe pentru realizarea lipiturilor, (over print). Componenta este plasată pe zone precise și corespunzătoare și este introdusă în cuptor unde va fi supusă procesului de solidificare. Există restricții cu privire la temperatura maximă admisibilă în procesul de lipire, iar pentru aceasta componentele trebuie sa îndeplinească aceste condiții.

Operațiile complexe derulate pemit considerarea fiecărei fază ca un proces complex, independent. Aceste procese se realizează cu mașini/roboți specializați. Pentru prododucerea de prototipuri sau în cazul producției de serie mică aceste mașini funcționează independent (OFF-Line), iar pentru producuția de serie medie și mare acestea sunt interconectate într-o linie tehnologică de lipire smt (ON-Line) automatizată. Soluția ON-Line de configurare a unei linii tehnologice de lipire a componentelor, presupune utilizarea unui sistem de transport de tip conveior, pentru conectarea serială a mașinilor pentru depunerea pastei pe suprafața plăcilor (printer), plantarea componentelor (pick and place), lipirea prin retopire (cuptor smt), a unor sisteme de alimentare cu plăci a printerului si de colectare a plăcilor asamblate la ieșirea din echipamentul de lipire și a cărui viteză de deplasare poate fi controlată,. La configurarea liniei se are în vedere numarul mare de componente pasive de mici dimensiuni (chip) în raport cu cele active. Pentru asigurarea producției în parametrii optimi liniei smt se utilizează minim două mașini pick and place, una fiind folosită pentru plantarea componentelor chip.

Depunerea adezivului sau pastei de lipit

Procesul de depunere a pastei de lipit pe linia smt este principalul factor din punct de vedere al calității produsului final. Se estimează că din totalul defectelor înregistrate la asamblarea plăcilor pe linia smt, un procent de 30% din acest total provine din procesul de printare. Pentru eliminarea lor este necesar să fie sub control parametrii și varabilele procesului.

Depunerea pastei de lipit pe suprafața padurilor se poate face prin următoarele metode:

– cu șablon (stencil). Această metodă presupune utilizarea unui șablon realizat din metal sau din plastic. În șablon sunt perfectate deschideri corespunzatoare padurilor componentelor. Șabloanele realizate din plastic au o rezistență mecanică mult mai redusă și necesită măsuri de evitare a încărcării electrostatice. Grosimea sabloanelor este între 100 – 200 μm pentru depunerea pastei și 250 – 300 μm pentru depunerea adezivului de lipire a componentelor smd pe pcb.

– serigrafie (screen). În acest caz se folosește o sită din material textil special pe care se realizează prin metode fotografice mascarea cu exceptia zonelor prin care se depune pasta prin intindere cu o lamă de cauciuc. Pentru aceasta se utilizează o mașina care să mențină sita la o înălțime determinată în raport cu suprafața plăcii. Metoda nu tolerează utilizarea pe scara largă și prezintă limitări în ceea ce privește precizia. Costurile de fabricație sunt însă reduse.

– dispensare (dispenser). Distribuția pastei se face într-un număr variabil de picaturi/puncte, în funcție de dimensiunea padului, prin utilizarea unui dispozitiv tip seringă. Metoda poate fi utilizată prin montarea dispozitivului în mașina de plantare componente și prezintă avantajul costurilor reduse, deoarece nu necesită dipozitive auxiliare. Metoda nu poate fi utilizată pentru componente mici, deoarece volumul de pasta depus nu poate fi controlat suficient de precis și trebuie luat în considerare prețul pastei speciale, mai mare în raport cu al pastei pentru site și șabloane.

Pentru depunerea optimă a pastei este importanta relația între geometria padului, și geometria deschiderii șablonului, datorită forțelor de tensiune superficială care apar la suprafețele de separație pad – șablon. Forța de tensiune superficială a pastei din deschidere trebuie să fie mai mare decât tensiunea superficială a pastei relativ la pereții deschiderii. Se pot identifica 3 etape la depunerea pastei prin utilizarea șabloanelor metalice. În primă fază pasta este direcționată cu ajutorul unei lame metalice (squegees) poziționate cu un unghi determinat fix, între 45 – 50s determinând formarea unui cilindru de pasta, ce are o mișcare de rotație în timp ce este deplasat pe suprafața șablonului (Fig. IV.1.). În această etapă, etapa de transport, pasta umple aperturile șablonului, ajungând în contact cu suprafața padului. Pasta va fi complet depusă complet în următoarea etapă, etapa de separare a șablonului de suprafața plăcii.

Figura IV.1. Depunerea pastei.

Se definesc coeficientii: Raport de Aspect  ( Aspect Ratio) și Raportul de Arie (Area Ratio): 

Raportul de Aspect = lățimea deschiderii/ grosime șablon = W / T (IV.1)

Raportul de Arie = Aria deschiderii/aria pereților laterali ai deschiderii =

= L x W / 2 x (L+W) x T (IV.2)

Pentru o depunere de calitate a pastei se recomanda:

Raportul de Aspect > 1.5 si Raportul de Arie > 0.66 (IV.3)

Etapa finală a procesului este curățirea suprafeței inferioare a șablonului.

            Procesul de depunere a adezivului este asemănător cu procesul de depunere a pastei singurele diferențe găsindu-se în geometria diferită a deschiderilor. În general sunt deschideri relativ mari, care nu ridică probleme de depunere.

Procesul de plantare componente

  Plantarea componentelor se poate face atât manual cât și automat, cu mașini specializate. Tendința generală este de miniaturizare și impune sisteme optice auxiliare. Actualele masini de plantare prezintă viteze de plantare de 0.05 secunde/componentă în condiții de precizie a poziției sub 100μm.

Procesul de lipire prin retopire

Procesul de lipire prin retopire se realizează cu ajutorul echipamentelor specializate care permit obținerea temperaturilor de activare a fluxurilor și de topire a aliajelor din componența pastelor conform unor profile termice bine determinate. Sunt utilizate mai multe soluții tehnice de obținere a temperaturii înalte necesare procesului, prin convecție cu aer sau gaz inert încălzit la temperatura necesară procesului sau prin utilizarea vaporizării unui lichid cu punct de fierbere ridicat, metoda denumită retopire în fază de vapori (vapor phase reflow sau vapor phase soldering – VPS ), cu radiație infraroșie (IR),. Metodele ce utilizează convecția sau radiația au dezavantajul „umbririi” relative între componentele cu diferențe mari de gabarit, fenomen care are drept consecință diferențe mari de temperaturi.

  Procesul de lipire prin retopire cu utilizarea metodelor prin radiație și/sau convecție are loc în cuptorul smt structurat pe zone funcționale de preîncălzire, activare, retopire și răcire (fig. IV.2.).  S-au stabilit trei clase de sisteme ce utilizează radiație infraroșie:

– sistem radiant dominant (Class I IR);

– combinație între convecție și sistem radiant dominant (Class II IR);

            – sistem convecție dominant (Class III IR).

Oricare ar fi sistemul folosit, temperatura pe zone permite activarea fluxului și lipirea prin asigurarea stării lichide pentru pasta depusă între paduri și terminalele componentelor asigurând lipirea prin solidificare la răcire.

SMEMA (Surface Mount Equipment Manufacturers Association), sunt cei care au identificat cele 3 clase de sisteme ce utilizează IR.

Figura IV. 2. Parametri procesului de lipre prin retopire

Preheat Zone este zona de preîncălzire, în această zonă PCB-ul este încălzit cu o panta de creștere  a temperaturii între 1.0 °C și 3.0 °C pe secunda, pentru egalizarea temperaturii plăcii în scopul evitării șocului termic. O creștere prea puternică a temperaturii poate duce la distrugerea componentelor prin șoc termic și împrăștierea pastei. O panta prea redusă de creștere a temperaturii reduce activarea chimică a pastei și afectează eliminarea prin vaporizare a solventului din pasta.

            Zona de îmuiere a biluțelor de aliaj din pastă (Thermal Soak Zone), asigură uniformizarea temperaturii în placă și componente. Temperatura este crescută cu o panta foarte redusă, aproape plată, aproape de punctul de topire a bilelor de aliaj din structura pastei. Solvenții fluxului sunt eliminați, este activată pasta, care începe să elimine oxizii de pe suprafața padurilor și terminalelor. Placa este menținută între 60 și 120 secunde. Se folosesc mai multe zone dedicate, în vederea asigurării unui control foarte precis pe aceasta secțiune.

            Aceste zone sunt specifice cuptoarelor care utilizează IR.

            Asigurarea și menținerea temperaturii necesare stării lichide a aliajului din pastă are loc in zona de retopire (Reflow Zone). Durata stării lichide pentru aliajul de lipit (time above reflow sau time above liquidus – TAL) este numele sub care se mai gasește această zonă. Fluxul activ chimic, reduce tensiunea superficială la joncțiunea dintre metalele din compoziția terminalelor și a padurilor permitând lipirea. Se recomandă pentru TAL, ca placa să fie menținută între 30 si 60 secunde. Un timp mai scurt poate genera lipituri reci și discontinuități în structura lipiturilor (void), iar o durată prea mare poate provoca distrugerea unor componente.

            Zona de răcire Cooling zone sau zona de răcire este utilizată pentru solidificarea lipiturilor. O pantă accentuată de scădere a temperaturii optimizează structura lipiturii, asigură creșterea rezistenței lipiturii la solicitări mecanice în timp și blocheaza formarea stratului intermetalic în structură. Temperatura în zona de răcire este în domeniul 30–100 °C.

           Un calculator de proces va asigura funcționarea automată a cuptorului astfel încât să asigure desfășurarea procesului de lipire prin retopire conform cerințelor pe zone cu posibilitatea de reglare a parametrilor și va urmării realizarea temperaturilor și duratelor pe zone prin controlul încălzirii, vitezei conveiorului și a ventilației conform unei reprezentări grafice numita profil termic (thermal profile sau solder profile, fig. IV.2.).

            În funcție de pasta utilizată, masa termică, atmosfera în care are loc procesul și tehnologia de realizare a plăcii plantate ce urmeaza să fie lipită se diferențiază profilele termice. Pentru reglarea precisă a profilului termic funcție de variabilele prezentate, în mod specific produsului ce urmează să fie lansat în producție, se utilizează un dispozitiv specializat  (profiler) de achiziție a temperaturilor masurate cu termocuple amplasate în diferite zone pe placă. Dispozitivul urmeaza placa pe traseul urmat în cuptor și transmite  radio datele privind temperaturile măsurate către o interfață specializată conectată la un calculator în scopul afișării și înregistrării rezultatelor.

Fenomenul TOMBSTONING

Dezechilibrele între toleranțele capsulelor componentelor tip cip, variabilitatea dimensiunilor pad-urilor, variația depozitelor de pastă de lipit depuse, disiparea diferită a căldurii în viauri sau straturile interne sunt mult mai supărătoare în cazul lipirii în atmosferă de vapori: ele provoacă dezechilibre ale forțelor de tensiune de suprafață la cele două capete ale componentei atunci când aliajul de lipit este în stare lichidă, care sunt amplificate de rata de încălzire mai rapidă. Acest dezechilibru declanșează ridicarea componentei de pe pad. O dată început procesul de ridicare forțele cresc producând fenomenul tombstoning (cunoscut și ca efect Manhattan sau bridgestone, (Figura IV.3.a,b)

El apare la componentele tip cip constă în ridicarea unuia din terminale de pe pad (uneori însoțit și de răsucire,), figura IV.4.a.. Dar eliminarea tombstoningului se poate face prin mai multe metode, atât prin proiectare, cât și prin process. O noutate pentru mașinile IBL o constituie sistemul rapid de răcire (Rapid Cooling System, RCS) alcătuit dintr-o baterie de ventilatoare care se deplasează deasupra plăcii asamblate după lipire pentru a realiza un control mai bun al pantei de răcire. Sunt posibile trei cicluri de răcire rapidă, însă pentru asamblări standard se recomandă utilizarea unuia singur.

Figura IV. 3.a. Defect tip Tombstoning.

FiguraIV.4.a. Tombstoning cu răsucire.

Tombstoning-ul este tot o defectiune datorata udarii, si anume diferentei de umectare intre cele doua lipituri (joints) care determina tensiuni superficiale diferite. Un alt factor determinant este masa termala a celor doua lipituri, care e la randul ei determinata tolerantele dimensiunilor padurilor, al metalizarii componentelor,al volumului pastei de lipit depuse. Azotul, prin actiunea sa antioxidanta, contribuie la micsorarea timpului initial de umectare si, in consecinta, suprafetele curate de oxizi se vor uda mai repede. Lipsa defectelor de acest tip e o consecinta cumulata a utilizarii azotului, a alegerii unui profil termic al procesului de lipire care asigura un ∆T minim, cat si a alegerii volumului de pasta depus.

Figura IV. 4.a. Defect tip Tombstoning. Figura IV.4.b. Tombstoning cu răsucire.

Un profil termic modificat in sensul maririi duratei fazei de preancalzire si micsorarii pantei variatiei de temperatura pe aceasta faza in scopul asigurarii temperaturii optime de lipire pentru placa cu masa termica mare duce la o scadere drastica a defectelor tombstoning, dar au aparut defecte de indoire a terminalelor tranzistorilor (fig. IV.5.a,b) si de umectare la lipire (fig. IV.6.). Din analiza profilului termic utilizat se observa o durata mare de mentinere a temperaturii de lipire de 230°C, ceea ce a dus la o deformari ale terminalelor.

Figura IV.5. a,b. Indoirea terminalelor

Pot exista mai multe cauze ale apariției efectului de tombstoning (fig.IV.6.). Apariția acestui fenomen poate fi cauzată de designul plăcii, de pasta de solidifcare, de procesul de printare, de procesul de plasare a componentelor, de procesul de reflow.

Figura IV.6. Formarea fenomenului tombstoning.

Proiectarea plăcii și a traseelor – în momentul proiectării unui nou design de placă, în general producătorii ignoră considerentele de fabricație. Cunoscându-se dezechilibrul de umectare ce cauzează acest fenomen, una dintre cauzele primare de dezechilibru este diferența de temperatură și respectiv diferența de timp în momentul solidificării între cele 2 pad-uri pe care componenta este așezată. De exemplu, daca pad-ul 1 este legat la un traseu mai lung sau la un via, iar pad-ul 2 este legat de un traseu mai scurt, acesta se va încălzi și solidifica mai repede decat primul. Aceste diferențe de temperatura duc la timpi de solidificare diferiți. Atunci când pad-ul 2 este umectat primul, tensiunea superficială ce apasă asupra pad-ului 2 poate fi îndeajuns de mare încât să copleșească tensiunea ce apasă asupra pad-ului 1, rezultând astfel fenomenul de tombstoning.(Figura IV.6).

Figura IV.6. Design placă.

Designul pad-urilor – Diferenta de marime dintre pad si component poate duce de asemenea la apariția efectului. Cu cat padul este mai mare decat componenta în sine cu atât efectul de tip “pârghie” va fi mai mare. Când un pad este prea mare se va produce un dezichilibru între parțile laterale ale componentei, ducând la montarea și solidificarea acesteia oblic. Cu alte cuvinte dacă într-o parte componenta are contact pe o suprafață mai mare a padului, decât în partea opusă aceasta în urma solidificării se va ridica, ducând la apariția defectului tombstoningului. Padurile componentelor cip nu ar trebui să fie mai mari decât este necesar pentru a îndeplini cerințele mecanice și de inspecție.

Figura IV.7. Design pad

Oxidarea componentelor sau a plăcilor – oxidarea fie a padurilor, fie a componentelor duc la mici întârzieri a solidificării. Aceste diferențe de solidificare de la un pad la altul pot cauza tombstoning. Produse de calitate și depozitarea în condiții optime ajută la eliminarea acestui factor.

Geometria componentei – statistic, condesatoarele, bobinele și alte componente groase sunt mult mai predispuse la apariția defectului, decât rezistențele sau alte componente subțiri. Riscul de apariție a tombstoningului e mai mare din același motiv cu supradimenisonarea padurilor.

Pasta de lipit – este defapt formată din 2 materiale independente: flux și aliaj. Este necesară compararea a pastelor pentru a identifica diferențe de performanțe. În ceea ce privește aliajul, există o diferență de performanță între aliajele eutectice. Aliajele eutectice își schimbă starea de agregare dintr-o dată, dezvoltând brusc o tensiune pe întreaga suprafață. Aliajele non-eutectice își schimbă starea de agregare treptat pe o gamă de temperaturi mai largă și dezvoltă tensiune de suprafață doar într-o anumită măsură.

Tabelul IV.1. Comparație între diferite tipuri de pastă de lipit

Designul stencilului – Cuprinde 2 elemente: designul aperturilor și tehnologia de fabricație. Designul aperturilor stencilului determină două lucruri: volumul de pastă printat și locația depunerii pastei. Un design bun al stencilului va duce la depunerea pastei doar în masura în care este nevoie. Un design bun plasează pasta în locuri care asigură suprapunerea componentei pe pastă. O suprapunere prea mică duce la insuficiență, iar un exces de pastă duce la formarea biluțelor de cositor.

Procesul de printare – factor ce reduce drastic apariția efectului tombstoning il reprezintă calitatea printării. O printare perfectă a plăcii, atât ca așezare cât și a depunerii uniforme a adezivului reduc subtanțial apariția oricărui tip de defect.

Procesul de implantare – Dacă componenta nu este plasată pe placă cu o presiune sufficient de mare de-wetting, iar o presiune prea mare duce la împrăștirea pastei.

Procesul de solidifcare – Această etapă influențează poate în cea mai mare măsura apariția efectului tombstoning. Pentru a minimiza apariția acestui defect este necesar un profil la cuptor astfel încât solidificarea să se producă uniform

Figura IV.8. Mecanismul de formare a tombstoningului

Defecte specifice tehnologiei de lipire prin retopire

Bile de aliaj (Solder ball- Fig. V.1)

Pot apărea lângă pad (Solder balling) datorită excesului de pastă, între paduri (Mid chip balling) sau împrăștiate (Spattering) datorită oxidării particulelor din pastă sau datorită explodării solventului din pastă.

Umectare redusă (Poor wetting / de-wetting – Fig. V.2)

Apare datorită suprafețelor oxidate pe paduri, oxidării padurilor înainte de topirea aliajului, conținut ridicat de oxizi în pastă.

Aspectul lipiturilor, reziduri (Cosmetic Appearance- Fig. V.3.a,b,c)

Este determinat de calitatea pastei și de parametrii profilului termic. Se caracterizeaza prin aspect brânzos al lipiturii și/sau reziduri aparente. Pot ascunde lipituri reci.

Figura V.2. De-wetting

Figura V.1. Solder ball Figura V.2. Umectare redusă

Figura V.3.a,b,c Aspectul lipiturilor, reziduri.

Deplasarea componentelor chip (Chip Movement / Tomb Stoning / Draw bridging)

Se datorează unui dezechilibru al forțelor ce acționează în lipitura care apare datorită unor diferențe de temperatura sau de geometrie a padului și/sau a componentei.

Lipitura rece (Cold joint)

Apare datorită temperaturii coborâte în faza de retopire.

Discontinuități / incluziuni în structura lipiturilor (voids- Fig. V.4.)

Apare datorită unei durate reduse a aliajului în stare lichidă ce nu poate elimina fluxul rămas în aliajul topit. Are o importanță majoră creșterea tensiunii superficiale determinată de oxidarea la suprafață a lipiturii.

Efect de perna, cu zonă redusă de lipire (Pillow- Fig. V.5.)

Fisuri/deteriorari (popcorn cracking, delamination- Fig. V.6.)

Filamente (Whickers- Fig. V.7.)

Este un fenomen de creștere a unor filamente de staniu pur la aliajele cu o concentrație mare de staniu. Apare în special la padurile acoperite cu staniu pur.

Figura V.4. Voids

Figura. V.5. Efect de pernă, cu zonă redusă de lipire (Pillow), Mecanism de apariție

Figura V.6. Fisuri/deteriorări

Figura V.7. Filamente (Whickers)

Concluzii

Cunoscut și sub numele de “efectul Manhattan”, este fenomenul în care o component pare să se ridice la unul dintre capete, în timpul procesului de lipire. Există mai multe variabile de proces care contribuie în mod activ la fenomenul Tombstoning.

Printre acestea sunt:

proiectare placă și trasee;

proiectare pad;

componente și placă oxidate;

geometria componentei;

pasta de solidificare;

proiectare aperturi stencil;

procesul de printare;

proces de plasare a componentelor;

procesul de reflow;

Modificarea corespunzatoare a unuia sau a mai multora dintre aceste variabile de proces, va reduce sau diminua efectul tombstoning.