THD design og loddeprosess 15/ Prosess og design for lodding av hullmonterte komponenter. Grunde Gjertsen 16.juni 2015

Transkript

1 THD design og loddeprosess 15/ Prosess og design for lodding av hullmonterte komponenter Grunde Gjertsen 16.juni 2015

2 Temaer Trender Hva gjør IPC? Prosesskapabilitet Relevant standard for utførelse Relevante publikasjoner for design Relevant eksempel på design for manufacturing Loddeprosesser

3 Trender og observasjoner Økende antall lag Class 3 design har blitt mer komplekse, HDI, high- layercount, etc, medfører kompromisser mot producability level Krever ofte flere run som prototype for å optimalisere resultat, spesielt der andre utfordringer enn oppflyt må prioriteres ved lodding Økende antall plan i PCB stackup Utfylling av kopper i alle lag, ofte med tilkopling til pinner/jord Blanding av teknologi i samme design, f eks kretser med kompleks fan out i kombinasjon med power 2 sidig SMD ekskluderer bølgelodding og dikterer loddeprosesser med dårligere kapabilitet enn tradisjonell bølgelodding PCB laminater tåler vesentlig høyere temperatur enn tidligere, noen komponenter mindre.

4 Trender og observasjoner Mekanisk design og andre ytre forhold dikterer fortsatt bruk av PTH komponenter Optimalisering mot elektrisk design bryter mot designregler og gir dårligere produserbarhet

5 Hva gjør IPC? Vanskeligheter med oppflyt er ikke noe unikt for oss i Norge, har vært debattert i vår norske IPC gruppe, og lang tid internasjonalt Endringene i revisjon E til F av IPC-A-610 innebærer i realiteten en skjerping av kravene til Class 2 og har ingen relevans i forhold til de prosesstekniske utfordringene. Revisjon av kravene til hole fill var tema for en lang diskusjon på IPC-APEX EXPO i San Diego i år men forslaget om igjen å revidere kravene til hole fill for hull koplet til plan ble inntil videre nedstemt

6 IPC-A-600E

7 IPC-A-600F

8 IPC-A-600F

9

10 Hva gjør IPC? IPC standardene må brukes systematisk gjennom hele kjeden fra design, råvarer, prosess og akseptansekrav for å nå oppnå ønsket kvalitetsnivå på sluttprodukt.

11 Termisk avkopling fra loddepunkt

12 Termisk avkopling fra loddepunkt

13 IPC

14 IPC

15 IPC

16 IPC

17 IPC

18 IPC

19 IPC

20 IPC Hva er minimum pad diameter?

21 IPC Hva er minimum pad diameter?

22 IPC Hva er minimum pad diameter?

23 IPC Hva er minimum pad diameter? (0,8-1,6mm, level 2) Fabrication allowance: 0,25mm Min. annular ring: 0,1mm Hole tolerance: 0,1mm (+ toleranse) Sum 0,45mm Tommelfinger regel: Minimum pad = ferdig hull + 0,5mm (I realiteten kapabilitets avhengig, varierer fra 0,35 til 0,6mm over hulldiameter avhengig av kapabilitet og kompleksitet)

24 IPC

25 IPC Kopling til flere lag øker varmeavledningen fra loddepunktet gjennom hullet. Forsøk viser at 1 til 2 lag er robust, 3-4 lag kan skape problemer, spesielt for selektiv lodding og håndlodding (Økt tid per loddepunkt og dårligere yield) Dersom et PTH loddepunkt er koblet til mange plan må planene kobles med vias og overflødige forbindelser fjernes manuelt i utlegget.

26 Alternativ kopling til plan Lee Ritchey: Right the first time (speedingedge.com)

27 Hvor mange webs?

28 IPC-A-600 Break out er ikke tillatt for Class 3, men hva om designregler ikke er overholdt? (Annular ring)

29 Hvor mange webs? 2 webs sikrer fortsatt elektrisk forbindelse i tilfelle break out

30 Eksempel, thermal relief i plan Hulldiameter 1,1mm Pad Diameter = 1,7mm Web bredde = 0,3x4 = 1,2mm Web = 71% av Pad Er dette akseptabelt?

31 Eksempel, thermal relief i plan Padstack Lag Kopper Thermal relief Top 38 Mangler Int1 17 NA Int2 17 1,2mm Int3 33 NA Int4 33 1,2mm Int5 33 1,2mm Int6 33 NA Int7 17 1,2mm Int8 17 NA Bottom 38 Mangler

32 Eksempel, thermal relief i plan Minimum Pad diameter = 1,1+2x0,05+0,25=1,45mm Total Web bredde = 0,6x1,45= 0,87mm Faktisk pad diameter 1,7mm Diff = 17,2% Total tillatt web bredde per hull = 0,87-17,2%= 0,72mm Total tillatt bredde per web = 0,18mm Web bredde brukt i design = 0,3mm

33 Resultat Vil disse loddingene møte kravene i IPC-A-610 klasse 2? Hva med klasse 1?

34 Eksempel, thermal relief i plan Hva med thermal relief for SMD komponenter? Hva med thermal relief for microvia target pad?

35 Loddeprosesser og kapabilitet Hot gas convection reflow Bølgelodding, delta/chip wave Selektiv bølgelodding (fountain) Håndlodding Gamle teknikker, hot iron, vapour phase, loddepotte Nye teknikker, f.eks laser, light beam

36 Alternative teknikker Pressfit Pressfit forbindelser har høy pålitelighet sammenlignet med lodding og brukes mye i for eksempel automotive, også på enheter som står i motor rom og på motor/drivverk. Tyco Action pin og tidligere Siemens multispring tåler 36A per pinne og operating temp 140 C Designet for HASL, kvalifisert for OSP og ImmSn men også i utstrakt bruk på ENIG Pin in Paste Intrusive Reflow (Through hole reflow) Kan løse mange problemer men må være tilpasset formålet (materialer, forpakning, PCB utlegg etc)

37 Teknologi statement Kitron har en moderne prosess for lodding av hullmonterte komponenter og prosessene har en generelt god kapabilitet Kitron anser ikke kravene til utførelse i IPC-A-610 som absolutt gyldige for produkter som fraviker IPCs design standarder eller produsentens anbefalinger Kitron observerer at dagens prosesser ligger i grenseland til å klare utførelseskravene i IPC-A-600, spesielt for blyfri lodding, der hull er koplet til mer enn 4 lag eller tykt kopper og designregler ikke er fulgt.

38 Hva gjør Kitron? Investert i retrofit av ny forvarme modul til selektiv loddemaskin Økt prosessteknisk support til operatør Startet program for å evaluere og forbedre loddeprosess for selektiv lodding RoHS på Ersa Versaflow Vurdering av leverandører for laserloddingsutstyr som supplement til selektiv bølgelodding er satt i gang men vil ikke bli ført videre før resultatet av prosessforbedringene med selektiv lodding er klart Laget mal for mer systematisk DFM analyse av kretskort underlag Startet samarbeid med mønsterkortleverandører for å kunne tilby fullstendig DFM analyse av PCB underlag før release og bestilling Investert i verktøy for å kunne evaluere 3D filer (Solidworks)

39 Selektiv lodding, testkort

40 Test matrix, fase 1

41 Resultater, forsøk med testkort

42 Test av koppertap SAC305 6sek dwell

43 Sjekk for laminatskader 6s dwell, 310 C

44 Test matrix, fase 2

45 Hvordan kan vi bli bedre? Fokus på design review på tvers av fag grupper og supply chain Implementere standarder og aktivt bruke disse i design, produksjon og forbedringsarbeid Aktivt forfølge og vurdere alternative løsninger der eksisterende teknikk presses på kapabilitet (design og prosess) Kompetanse, kurs og sertifiseringer (IPC-A-600/610,CID, CID+ etc) Delta i nettverk (Technet, DNU, IPCErfa etc)

46