NYÁK tervezési szempontok Design for Manufacturing A komplex tervezési folyamat felosztása részcélok szerint 1
Tervezés gyártásra DfM A megrendelő, tervező és a gyártó közötti együttműködés, tervezés, megrendelés a gyártási lehetőségek ismeretében Legfontosabb szempontok Terv formátuma: gerber Azonos mértékegység (mil vagy mm) Fő célok: Jobb minőség, rövidebb átfutási idő, alacsonyabb költség, kisebb környezetterhelés Költséget meghatározó tényezők Anyagköltség: hordozó, a technológia során használt anyagok Összetettség (komplexitási faktor) Furatok száma Nemesfém (arany) használat Kihozatal (selejt arány) Felület kikészítés típusa Környezetvédelmi költségek http://nyakaruhaz.hu/tudasbazis/ 2
Anyagválasztás Hordozó Általános: FR4, FR5 vastagság 1,55 mm Speciális igényekre: Nagyobb hőállóság Jobb nagyfrekvenciás tulajdonságok, számított impedancia Jobb hővezetés Hajlékony Különböző vastagság: 0,12 mm 10 mm Prepreg: hordozóval azonos anyagból, 0,05 mm 0,2 mm Rézfólia: 17,5µm -35µm függ: Terhelés Rajzolatfinomság, alámarás Környezetvédelem Vezetőcsík ellenállása A hordozó anyagai Követelmények: Villamos: Térfogati ellenállás Felületi ellenállás Dielektromos jellemzők (ε, tgδ) Mindezek hő és frekvencia-függése 2 P v = U ω C 0 ε tgδ Mechanikai: Szilárdság Megmunkálhatóság (darabolható, fúrható) Nem vetemedik Vízfelvétel a technológia és a használat során Termikus, hőállóság: Forrasztás, joule-hő Hőtágulási együttható (x,y,z) Hővezető képesség 6 A hordozó nagy hőtágulása miatt a furatok fémezése sérülhet: Függ a rétegek számától, a rézréteg vastagságától és a hordozó vastagságától 3
A réz és a polimer hőtágulása közti különbség következménye a forrasztás során. 7 A hordozó anyagai Műanyag Társító nélkül, flexibilis NYHL Társított, kompozit: merev NYHL BGA tokozású IC Kerámia különleges célokra Forraszgolyók 8 Üvegszál Epoxi Forraszlakk 4
Erősítő: Felelős a szilárdságért, rugalmasságért Javítja a hőállóságot, villamos jellemzőket. Papír, Üvegszál, Üvegszövet, Kerámiaszál -szövet Alapváz (mátrix): műgyanta Felelős a felületi, villamos, hőtani tulajdonságokért. Fenolgyanta (bakelit) hőállóság, nedvességfelvétel Epoxigyanták: tapadás, szigetelés Fejlesztés: poliimid, (polikarbonát), teflon, folyadékkristályos polimer 9 Hordozó típusok FR-2: papírvázas fenolgyanta Lágálló, jó mérettartás, sötétsárga FR-3: papírvázas epoxigyanta Jó el. tulajdonságok, ~furatfémezhető, krémszinű FR-4: üvegszövetvázas epoxi Jól megmunkálható, furatfémezhető, jó el. tulajdonságok, kis vízfelvétel, áttetsző zöld FR-5: mint FR-4, javított hőállóság, nagyobb T g CEM 1: papír, üvegszövet, epoxi FR: flame retardant, (még használható: TBBPA, tetrabróm-bisfenol A), környezeti követelmény: halogénmentes (foszfát-észter, kvarc) 10 5
Vizsgálati módszerek Villamos paraméterek: Térfogati ellenállás; R Felületi ellenállás; R Permittivitás;ε rel Veszteségi tényező;tgδ Átütési szilárdság Elektródaelrendezés az R és a felületi R mérésére 11 Vizsgálati módszerek Tapadásvizsgálat Késsel bevágás, lefejtés Forrszemre forrasztott rézhuzal szakítógép Hőállóság 120 o C - 30perc felhólyagosodás nélkül Lángállóság: bunsenlángba 10sec Forraszállóság: 250 o C 5sec Vízfelvétel: 24 óra tömegnövekedés A transzformációs hőmérséklet különböző hordozóanyagoknál (A hőtágulás is a Tg-nél változik) 12 6
Tulajdonság FR-3 FR-4 FR-5 R térf, Ωcm (40 o C) 4 10 12 8.10 14 8.10 14 R, Ω (40 o C) 4 10 12 3 10 12 3 10 15 ε rel, (1 MHz) 4,9 4,7 4,6 tgδ (1 MHz) (GHz) 0,04 0,02 0,015 Forrasztófürdő tűrés (sec) 25 >120 >120 Vízadszorpció (mg) na 15 na Tg, üvegesedési hőmérséklet 150 >165 Hőtágulás (z irány %) 25-275 C (Tg fölött) 5.5 13 BT: Bismaleimide-Triazine 14 7
Rogers cég hordozó választéka Rézfólia Vastagság: 17,5µm, 35µm, (70µm, 105µm,) féladditív: 5µm védőréteggel Speciális, (pl. autóipari 400 µm) Gyártás: galvanoplasztika elektrolizálás forgó acélhengerre, fél fordulat után lefejtés Ragasztás: ragasztófólia vagy oldószeres, melegre térhálósodó műgyanta 16 8
Rézfólia vastagsága: 17,5µm -35µm függ: Terhelés Rajzolatfinomság, Alámarás Környezetvédelem Vezetőcsík ellenállása A vezetőréteg terhelhetősége: a jelölt hőmérséklet az emelkedést jelenti a külső rétegek terhelhetősége kb. kétszerese a belsőknek R = 1,72 10 2 hossz( mm) ( Ω) szél( mm) vast( µ m) 35 µm terhelhetősége 18 µm terhelhetősége 105 µm terhelhetősége 9
A szigetelőcsík szélessége az alkalmazott feszültség függvényében 19 A rézfelületek szimmetrikus elosztása A réz és a hordozó különböző hőtágulása miatt deformáció, behajlás fordulhat elő Lehetőleg legyen szimmetrikus a felületeken és a rétegek között is 10
Gyártáselőkészítés lépései Kapott adatok áttanulmányozása (gyárthatóság?) Kapott tervek konvertálása a gyári tervező rendszerbe. Ennek részei: gyártófilmek fúróprogramok (átmenő, temetett, zsák) kontúrprogramok (átmenő, fenék, fémezett) mechanikai rajz (gyártás és vég MEO részére) rétegfelépítési utasítás optikai ellenőrző program (AOI) elektromos ellenőrző program (ATG) információk a termeléskövető rendszer számára technológia sor (összes művelete). Gyártáselőkészítés Terv teljes grafikus elemzése: Rajzolati rétegek esetén: szigetelési távolság, minimális vezetékszélesség, maradékgyűrű, hőcsapdák, biztonsági távolságok a kontúrhoz képest (ritzelés és marás esetén eltérő értékek) 11
Osztályba sorolás A rajzolatfinomság szerint A rajzolat különböző elemei: A besorolást a legkisebb méret dönti el Osztályok száma változó (IPC: 1-4, Eurocircuit: 1 9, furatra A - H) A furatok szerinti osztályba sorolás (Eurocircuit) A B C D E F Min PHD (mm) 0,65 0,45 0,35 0,25 0,20 < 0,20 Fémezve(mm) 0,50 0,35 0,25 0,15 0,10 < 0,10 PHD: fémezett furat átmérője Eurocircuit osztályba sorolási táblázata, rajzolat 3 4 5 6 7 8 9 10 min X mm min Y mm min Z mm 0,30 0,25 0,20 0,15 0,125 0,10 0,09 < 0,09 0,20 0,15 0,15 0,125 0,125 0,10 0,10 < 0,10 0,20 0,20 0,20 0,175 0,15 0,15 0,125 <0,125 X: Track to Pad = Vezető és forrszem közötti szigetelő távolság (TP) Pad to Pad = Két szomszédos forrszem közötti szigetelő távolság (PP) Track width = Vezető szélesség (TW) Y: Z: OAR = Külső réteg maradékgyűrű IAR = Belső réteg maradékgyűrű IPI = Belső réteg furat szigetelő távolság (Egy furat és a hozzá legközelebb eső vezető vagy telefólia távolsága) 12
Osztályba sorolás (komplexitási faktor) IPC szerint 1. osztály: Általános bonyolultságú tervezés. Az alkatrészek 2,54 mm-es (= 10 mil) raszteren helyezhetők el. A tervezett vezető és szigetelő sáv szélesség 0,18 mm (7 mil), vagy nagyobb. 2. osztály: Mérsékelten bonyolult tervezés. Az alkatrészek 1,27 mmes (= 5 mil) raszteren helyezhetők el. Legfeljebb két sáv vezethető el az IC lábak között. A tervezett vezető és szigetelő sáv szélesség 0,13 0,15 mm (5 6mil). 3. osztály: Nagy bonyolultságú tervezés. A felületszerelt alkatrészek lábtávolsága (pitch) 0,4-0,5 mm. Az alkatrészek 1,27 mm-es raszteren helyezhetők el. A tervezett vezető és szigetelő sáv szélesség 0,075 0,1 mm (3 4 mil). Ez a kategória különleges kezelést és folyamatellenőrzést követel meg. 4. osztály: Ez az osztály kívül van a gyárthatóság határán. Lehetőség szerint kerülni kell, hogy akár elemei is bekerüljenek a tervbe. Különleges mérnöki felügyelet mellett kísérelhető meg a gyártás, de a megfelelő kihozatal így sem várható el. Alámarás Kalkulálni kell, mennyi lesz a maradék vonalvastagság Alámarás függ a rétegvastagságtól. Ahol lehet, célszerű 18 µm-es panelt választani. Méretek az alámarás után Panelvastagság, furat fémezhetőség Aspect ratio: furat hossz/átmérő arány Többrétegű NYÁK-nál a vastagság változó, 1,5 3,2 mm (néha több). A legkisebb furatátmérőt úgy kell választani, hogy még biztonsággal fémezhető legyen. A.r. Határ: 6 8 gyártótól függően. 13
Forrasztásgátló bevonat Gépi forrasztásnál szükséges a pad-ek elválasztása, pad-ek, forrszemek körül szabad sáv Felületkikészítés OSP, Ag, ENIG, HASL Választás a forrasztási mód, a várható használat alapján várakozási idő újraforrasztás Tervezés hőterhelésre Fokozott hőterhelés: Nagy alkatrészsűrűség Nagy teljesítményű processzorok, IC-k Teljesítmény LED-ek Megoldási lehetőségek: Hordozó választás: Jobb hővezető Metal Core PCB, grafitszál erősítésű, kerámiaszál erősítésű Vékonyabb hordozó Termikus viák Termikus tervezés 14
Termikus tervezés, szimuláció Forraszthatóság biztosítása: nagy rézfelület jó hővezető, Föld és táp rétegeken kell a megszakítás Thermal relief Impedancia tervezés Nagyfrekvenciás áramköröknél Számítható Vezetősávok ellenállása (alámarás figyelembe vételével) Kapacitás: vezetősávok geometriája, elrendezése, szigetelőrétegek vastagsága, dielektromos állandója alapján Induktivitás: vezetősávok hossza, sűrűsége Veszteség: Mindegyik számolásához kalkulátorok, szimulációs programok. 15