Piirilevyjen ABC

Piirilevy

Piirilevy on lähes kaikkien elektroniikkatuotteiden perusrakenne. Piirilevylle kiinnitetään erilaisia komponentteja, kuten mikroprosessoreita ja muita integroituja piirejä, vastuksia, kondensaattoreita ja muita vakio- tai erikoiskomponentteja. Piirilevyn tehtävänä on siis toimia liitäntä- ja kytkentäalustana eri komponenteille ja moduleille. Piirilevy johtaa signaaleja ja käyttöjännitettä komponenteille ja niiltä pois. Lisäksi piirilevy johtaa hukkalämpöä, toimii mekaanisena tukirakenteena ja suojaa sähkömagneettisilta häiriöiltä.

Piirilevylaminaatit

Piirilevyjen valmistamiseksi käytettävää levyä nimitetään laminaatiksi.Laminaatteja on paljon erilaisia tyyppejä riippuen käyttötarkoituksesta. Lisäksi on eri paksuuksia, ja erilaisilla kuparivahvuuksilla. Erikoisimpiin sovelluksiin saatetaan käyttää esim. matallipohjasta levyä, tai taipusaa polyimideä (flex), tai kiinteän FR4:n ja taipuisan yhdistelmää (flex-rigid)

Yleisimmät laminaatti tyypit ovat mm. FR4, CEM, FR2

Yleisimmät laminaattien paksuudet ovat esim normaalilla FR4:llä 0.5 , 0.8 , 1.0 , 1.2 , 1.6 , 2.0 , 2.4 ja 3.2 mm . Nämä pätevät 1 ja 2 kerroslevyihin.

Monikerroslevyjä on mahdollinen rakentaa erilaisia ”liuskoja” eli prepreg:jä käyttäen niin että loppupaksuus voi olla edellä mainitusta poikkeavia. siten esim. 1,5 mm tai vaikkapa 2,1 mm paksuus kerroslevyssä on mahdollinen, se riippuu siitä millaisista osista (core + prepreg + kuparit) levy on prässätty kasaan.

Useimpia laminaatteja on saatavana erilaisilla lähtö- (alku)kupareilla. Yleisimmät ovat 18u, 35u, 70u, 105u ja 140u. Muitakin on, mutta piirilevyvalmistajat käyttävät muutamia yleisimpiä laminaattivariaatioiden minimoimiseksi. Kaikilla laminaattipaksuuksilla ja kaikilla kuparivaihtoehdoilla laminaattivarasto kasvaisi valtaviin mittasuhteisiin.

Laminaattivalmistajat tekevät suuria noin 2 x 2 metrisiä paloja. Piirilevytehtaat pilkkovat niitä pienemmiksi, omaan tuotantoon sopiviksi ns,. tuotantoaihioiksi. Tyypillisesti tehdas sijoittelee omaan tuotantoaihioonsa useita loppuasiakkaan paneeleita, pyrkien mahdollisimman pieneen hukkaprosenttiin.

Piirilevyn loppupinnoitteet

Yleisimmät loppupinnat ovat HAL, LF HAL, Kemiallinen tina ja kemiallinen kulta. Loppupinnoitteella tässä yhteydessä tarkoitetaan juotosmaskista vapaiden kuparialueiden pinnoittamista. Jos juotettavat pinnat jätettäisiiin suojaamatta ihna kupariksi, ne hapettuisivat nopeasti ilman kanssa kosketuksissa ollessaan juotoskelvottomiksi.

HAL (kastotinaus)

HAL tulee sanoista Hot air level. Kyseisessä prosessissa muutoin lähes valmis piirilevy kastetaan fluxin (=juoksutteen) läpi nopeasti sulaan 250-270 C asteiseen tinaan. Nostetaan välittömästi ylös ja puhalletaan kovalla kuumalla paineilmalla ylimääräiset tinat pois. Mitä tasaisempi pinnasta tulee, sen parempi. Jos tinaa jää paljon, se saattaa haitata tinapastan levittämistä ja komponenttien latomista kokoonpanovaiheessa. Yleisesti käytetty tinaseos on 60% tinaa ja 40% lyijyä. RoHs direktiivi joka tulee voimaan 07/2006 käytännössä kieltää useimmissa tuotteissa tämän seoksen käytön. Säilyvyys juotettavana on melko hyvä, 1 vuosi ei vanhenna kuivissa oloissa levyjä käyttökelvottomiksi.

LF HAL (lead free HAL) .

Prosessi on aivan sama kuin edellä mainittu, mutta tinaseos on vapaa lyijystä. Eräs paljon käytetty seos on Sn100C , jossa on tinaa 99,3% , loppu on kuparia ja nikkeliä. Täyttää RoHs direktiivin edellytykset. Säilyvyys suunnilleen samaa luokkaa kuin lyijyllisellä kastotinalla. Nostaa jonkin verran hintaa.

Kemiallinen tina (chemical tin) , Immersiotina (Immersion tin)

Kemiallinen tina on nimensä mukaisesti erilaisin kemiallisin kylvyin levyn pintaan aikaansaatu tasainen , hieman himmeähkö tinapinta. Täyttää RoHs vaatimukset. Säilyvyys (juotettavuus) ei ole kovin pitkä, ei pitäisi varastoida kuukausia ennen käyttöä. nostaa hintaa enemmän kuin LF HAL, mutta vähemmän kuin kemiallinen kulta.

Kemiallinen kulta (chemical gold), Immersio kulta ( immersion gold)

Käytetään myös nimitystä ENIG (electroless nickel gold) tai myös AuNi

Kemiallisesti aikaansaatu pinta, joka koostuu kuparin päälle ensin kasvatettavasta nikkelistä, ja sen päälle kasvatettavasta kullasta. Prosessina vanha, koettu ja paljon käytetty. Vaatii silti valmistajalta hyvää osaamista, jos prosessi ei ole hetkittäin ihan kohdallaan, voi tulla esim. juotosongelmia. Hyvänä puolena on tasainen pinta, josta on hyötyä juotosvaiheessa sellaisten komponenttien kanssa jotka edellyttävät tasaisuutta. Säilyvyys normaalioloissa ja oikeaoppisella käsittelyllä hyvä. Kultakin tummuu ajan myötä varastossa jos on käpälöity juotospintoja rasvaisin sormin. Kustannusvaikutukseltaan kallein vaihtoehto. Sopii tuote-eriin, joissa pinnan tasaisuus on tärkeää ja joissa pitkähkö juotettavuuden säilyvyyskin on plussaa.

Kemiallinen hopea

Kemiallinen tina on tietyillä kemiallisilla kylvyillä aikaansaatu hopeapinta.

Hyvä puoli on tasainen pinta. Huono puoli lyhyehkö juottuvuuden säilyvyys. Kustannusvaikutukseltaan kutakuinkin kemiallisen kullan tasoa.

OSP (Organic Solderability Preservative)

Orgaanisesti kuparin pinnalle aikaansaatu hapettumista estävä pinta. Prosessina vuosikausia käytetty. Ollut yleinen mm. kulutuselektroniikassa 1 ja 2 kerroslevyillä. Hyvä puoli on tasainen pinta. Ja aaltojuotoksessa, sen tarkastusvaiheessa juottumattomat padit erottuvat hyvin, koska juottumaton pinta on kuparin värinen.Huonoja puolia on heikohko juotettavuuden säilyvyys. Jos on ns. sekatekniikkalevy (top puolella reflow , bottom puolella aaltojuotos) niin OSP:n suojavaikutus huononee merkittävästi 1. lämmityskerran (reflow vaihe) jälkeen juottamattomalla puolella. Sattaa vaatia normaalia agressiivisempia flukseja juottuvuuden takaamiseksi. Kustannusvaikutukseltaan edullinen.

Sanastoa , mittatietoja ja ja käsitteitä

1u (micrometri) on metrin miljoonasosa eli 0,000001 m , eli 0,001 millimetriä

1 mils on 1 tuuman tuhannesosa. Jenkkipohjaiset ohjelmat käyttävät milsejä yksikkönä.

½ oz on 18 um. 1 oz (otz) on 35um. 2 oz on 70 um. 3 oz on 105 um.

Fiducial merkit (=fiducial marks, kohdistusmerkit)

Fiducial merkit ovat tyypillisesti paneelin kulmissa, usein ns. hukkareunoilla olevat pienet kuparitäplät. Niitä käytetään SMD (pintaladottavien) komponenttien ladonnassa hyväksi, ladontakone käy ensin kameralla kurkkimassa nuo fidut, ja pystyy siten latomaan huomattavasti tarkemmin osat juuri oikeille paikoilleen. Ilman merkkejä ladonnan tarkkuus kärsii. Merkkien koko ja sijoittelu vaihtelee, käytännössä melko toimivaksi on osoittautunut 1mm pyöreä kuparitäplä aihion kolmeen nurkkaan , maski avattuna (siis vihreää maskia ei painetä täplän päälle). Kolmeen nurkkaan mm. siksi että jos aihio menee ladontakoneeseen kulkusuunnassa 180 ast väärinpäin, kone pysähtyy koska se ei löydä fiduja niistä kulmista joista etsii. Sijoittelussa kannattaa muistaa ettei laiteta ihan reunaan, kuljettimet , ohjaimet ladontakoneessa vaativat hieman tilaa. Jos fidu jää ohjaimen alle, kone ei sitä pysty tunnistamaan.

Stensiili (stencil)

Stensiili on komponenttien kokoonpanossa käytettävä ohut peltinen väline, jonka avulla levitetään tahnamainen juotospasta piirilevyn juotettaville kuparitäplille. Käytännössä se on ohut 0,1…0,25mm paksu pelti johon on tehty syövyttämällä tai laserleikkaamalla aukkoja kaikkiin niihin kohtiin joihin halutaan pastan levylle menevän. Käytännössä stensiili keskitetään tarkasti piirilevyn päälle jotta aukot osuvat halutuille kohdille, ja sitten vedetään ns. raakkelilla pastamössöä levyn yli. Kun pelti nostetaan levyn päältä pois jää levylle aukkojen kohdalle matalia pasta ”kakkuja” . Ladontakone latoo seuraavassa vaiheessa komponentit päälle, ne pysyvät levyllä höllästi kiinni koska tahmea pasta pitää ne paikoillaan. Ladonnan jälkeen levy menee uuniin , joka sulattaa pastan , ja siis siten juottaa komponentit lopullisesti piirilevyyn kiinni. Stensiilin tilaamisessa on äärimmäisen tärkeää että stensiilitiedosto on paneloitu täsmälleen samoin kuin piirilevy. Jos heittoa on, ei pastaus eikä ladonta onnistu.

EMS (Sopimusvalmistus)

Electronics Manufacturing Services. Alkuperäisvalmistajien (OEM:ien) ulkoistama elektroniikan valmistus ja kokoonpano näihin erikoistuneille yhtiöille.

HDI-teknologia

Erittäin tiheä kytkentäalusta (HDI=High Density Interconnections). Piirilevy, jossa on pieniä reikiä, niin kutsuttuja mikroläpivientejä (< 0,15 mm), sekä ohuita johtimia ja eristevälejä (< 0,1 mm).

Mikrovia-teknologia

Mikroläpivientireikä on pieni reikä (< 0,15 mm) ohuen eristekerroksen (< 0,1 mm) läpi. Metalloinnin jälkeen ne yhdistävät johdinkerrokset toisiinsa. Mikroläpivientireiät ovat yleensä piirilevyn uloimmissa kerroksissa yhdessä tai useammassa kerroksessa. Mikroläpivientien valmistukseen on useita menetelmiä, kuten laserporaus, plasmaetsaus ja fotomekaaninen työstö.

Monikerrospiirilevy

Piirilevy, joka muodostuu useista, toisistaan eristävillä tukirakenteilla erotetuista johdinkerroksista.

OEM

Alkuperäislaitteen valmistaja (Original Equipment Manufacturer) myy laitteita jälleenmyyjille ja/tai loppuasiakkaille. Termi viittaa myös jälleenmyyjään. OEM-tuotteiden ostajat joko lisäävät tuotteen arvoa kehittämällä sitä edelleen ennen sen jälleenmyyntiä, merkitsevät sen omalla tuotemerkillään ja/tai sisällyttävät sen omiin tuotteisiinsa.

Paksukalvohybridi

Elektroniikkakomponentti, jossa johdinpiirit painetaan keraamiseen alustaan sähköä johtavalla pastalla. Hybridejä käytetään mm. lääke-, tietoliikenne- ja autoteollisuudessa.

Metallipohjaiset piirilevyt

Piirilevy on mahdollinen tehdä myös metallipohjalle. Tätä erikoisratkaisua voidaan käyttää esim. voimakkaasti lämpöä tuottavissa ratkaisuissa. Metallipohja (usein alumiini) toimii samallä jäähdytyslevynä.