MIKROELEKTRONIK KONSULT AB

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Dagens svenska elektronikindustri ur tillverkningssynpunkt. Företag med egen tillverkning Ericsson Microwave Saab-Ericsson Space Diverse andra Kontraktstillverkare/Legotillverkare Ericsson Flextronics,Kitron etc Mindre legotillverkare (mycket stort antal) Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB • Tillverkningsteknik som används i Sverige i dag: • Ytmonteringsteknik (>99 % av alla företag i dag använder denna teknik) • Teknik med trådbondade chips (EMW,Kitron, ) • Total användning av halvledare i världen fördelad på olika marknadssektorer • Sektor av marknaden Ökning 2003-2004 Totalt 2004 Andel 2004 • Telekommunikation 13,7 %36,4 x 109 $ 41,4 % • Bilelektronik 13,4 % 5,1 x 109 $ 5,8 % • Data (PC etc) 11,8 % 28,4 x 109 $ 32,3 % • Industrielektronik 9,8 % 4,1 x 109 $ 4,6 % • Konsumentelektronik 9,2 % 12,9 x 109 $ 14,7 % • Militärt/Rymd 7,7 % 0,97 x 109 $ 1,1 % • Telekommsektorn är den i särklass största marknadssektorn vars behov ”styr” mycket av vad som kommer att hända inom elektronikområdet i en nära framtid! Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Geometrisk storlek på diskreta R-och C-komponenter Som framgår av bildem är i dag storlek 0603 dvs 1,6 x 0,8 mm den vanligaste komponentstorleken 2001,men snart är 0402 dvs 1x0,5 mm mest använd.Observera också hur 0201 dvs 0,5 x 0,25 mm är under snabb tillväxt! Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Förbindningsmetoder inom elektronikbyggsätt(hur man förbinder elektronikkomponenter till elektroniksystem) Lödning (Ytmontering) Trådbondning Flip Chip Au-eller Al-tråd,25 µm i diameter IC-chips Laminat eller substrat Små metall-eller lodkulor IC-chips Laminat eller substrat Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Ytmonterad IC-kapsel Hålmonterad IC-kapsel Hålmonteringstekniken var allmänt använd under 1960-1985.Därefter har ytmonteringstekniken gradvis tagit över och utgör i dag mer än 95 % av all tillverkad elektronik i Sverige. Det finns dock också en s.k. Blandteknik,där man har blandat ytmonteringskomponenter och hålmonteringskomponenter Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Lödfog som avsvalnat snabbt Lödfog som avsvalnat långsamt Detta visar att man får olika struktur på en lödfog som är ansluten till ett jordplan dvs avsvalnar långsamt och en lödfog som är ansluten till en kort signalledare som ligger på utsidan av ett mönsterkort Samma lödpunkter som i bilden ovan men efter åldring 300 timmar vid 155 °C Av detta framgår att lödningarna erhåller en grövre mikrostruktur efter åldring i hög temperatur dvs efter säg några års drift vid 80-100 °C.Den grövre strukturen medför att lodet får sämre förmåga att motstå påkänningar i form av temperaturändringar eller vibration! Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Litenkapsel Storkapsel • Av ovanstående framgår att de inbyggda krafterna i lödningarna (hörnbenen)blir större ju större avståndet är till mellan hörnbenen och centrum på kapseln. • Lödningarna till geometriskt stora kapslar får kortare livslängd än lödningarna till geometriskt små kapslar • Eutektiskt PbSn-lod (Smältpunkt 183 °C) ger mindre krafter i lödningarna än blyfria lod som har smältpunkter omkring 220 °C Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Lodets krypegenskap • Även en liten kraft som verkar under lång tid medför att lödningen går sönder • Ett mönsterkort som är vågigt och som skruvas fast mot någonting plant innebär att vissa av lödningarna känner av stora krafter,som verkar under lång tid.Detta innebär att dessa lödningar går sönder tidigare än vad de skulle ha gjort om mönsterkortet ”var fritt” (i samma miljö) Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Intermetaller mellan koppar och tenn Intermetaller ”låter inte bra” men att lodet väter på t.ex koppar innebär att koppar legerar sig med tennfasen (Sn) i lodet.I en bra lödning måste lodet ha ”vätt” vilket tar en viss tid beroende på lödbarheten hos det man skall löda =Cu6Sn5  =Cu3Sn Intermetallers tjocklek t=tid x e/T t mäts i sekunder,T i °K (°K=temperaturen i °C+273) Av detta framgår att ju längre en lödning varit i drift desto mera intermetaller (mellan Cu och Sn och mellan Sn och Ni t.ex) bildas.Dessa intermetaller är spröda och hårda och det uppstår ofta sprickor mellan olika intermetaller med elektriskt avbrott i lödningen som följd. En lödning ändras hela tiden dels i sin mikrostruktur dels i form av olika intermetaller. Dörför kan man säga att en lödning har ”liv”. Allt som har liv har också en ”död” Det är inte frågan OM en lödning går sönder utan NÄR den går sönder! Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Lödbarhet mellan olika material som ”skall lödas ihop” En av de viktigaste parametrarna,som kraftigt påverkar yielden (utbytet) i lödningen är lödbarheten hos de material som skall lödas ihop Lödbarheten påverkas om detaljerna som skall lödas är oxiderade.Sådana detaljer har dålig lödbarhet. I lodpastan finns flussmedel som skall ta bort oxider,men är oxiderna för tjocka ”orkar inte ” flusset ta bort dem.Då blir lödbarheten dålig Av bilden ovan framgår att detaljer som har lötts ihop och ”hade dålig lödbarhet” ökar i kontaktresistans med tid i driftmiljö.En lödning som från början har en resistans av 10 m (=0,010) kan öka sin resistans med en faktor 105 vilket gör att resistansen blir 1x10-2x 105=1000 .Eftersom denna resistansökning sker gradvis kommer den att ge upphov till ”lömska” svårhittade fel! Även de mekaniska egenskaperna hos hos lödningar med dålig lödbarhet blir sämre än om lödbarheten var god.Detta påverkar långtidstillförlitligheten negativt! Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Lödningar vid temperaturcyklingar Bilden ovan visar att om man ändrar temperaturen på en lödfog SNABBT tål lödfogen 10 gånger fler temperaturändringar (temperaturcyklingar) än om temperaturändringarna sker LÅNGSAMT.Anledningen är att lodet hinner ”krypa” dvs plastiskt deformeras vid långsamma temperaturändringar. Ex.Elektronik monterad på motorn i en bil upphettas snabbt till 80-110 °C.Då motorn stängs avtar temperaturen på elektroniken mycket långsamt,det tar kanske 4-5 timmar innan omgivningstemperatur uppnås. Leverantörer av elektronik vill helst utföra snabba temperaturcyklingar,dels stoppar lödfogarna bättre då,dels går det fortare att utföra. Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Varför går lödningar sönder fortare vid långsamma tempcykler än vid snabba? Krypning I lod är en irreversibel plastisk deformation av lodet Som man ser av figuren,ju längre tid som lasten ligger på,desto längre tid har lodet på sig att krypa och ju större blir den irreversibla plastiska deformationen.Därför går en lödning sönder fortare under en långsam temperaturcykling än under en snabb Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Lödningars livslängd som funktion av temperaturen. Av bilden till vänster framgår att (A och C) klarar 1300 böjningar vid 20 °C temperatur 1000 böjningar vid 60 °C temperatur Och 300 böjningar vid 100 °C temperatur innan lödningarna går sönder Hur många böjningar vid 125 °C???? Detta visar att lödningars livslängd är mycket starkt beroende av temperaturen.Vid arbetstemperaturer över 80-100 °C måste största möjliga försiktighet vidtagas! Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Anm. 1 mil=0,001 ”=25,4 µm ”Pitch”=centrumavstånd mellan närliggande ledare 10 mil=0,25 mm ,15 mil=0,38 mm,20 mil=0,5 mm,25 mil=0,63 mm Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Tillverkningsflöde vid normal ytmontering. Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Tryckning av lodpasta Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Viktigt.Lodpastan krymper ca 50 volyms- % vidomsmältningslödning.Detta beror på att lodpastan har lösningsmedel och andra kemiska substanser för att ge lodpastan rätt viskositet vid tryckning Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Tryckning av lodpasta är mycket mer komplicerat än det ser då man studerar en produktionslina Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Stenciler för tryckning av lodpasta är MYCKET VIKTIGA för en hög yield i produktionen Etsade stenciler Laserformade stenciler Elektroformade stenciler Fotomask definierar storlek CAD-data definierar öppningars läge Fotomask definierar storlek Då det gäller fotomasker framställs de via CAD-layout i ett s.k. Fotoplotterrum.Dessa rum har mycket välkontrollerad LUFTFUKTIGHET och TEMPERATUR.Varför? Fotomaskernas dimensioner påverkas starkt av både luftfuktighet och temperatur.Kan bli X % större eller mindreVad är det för kontroll hos en tillverkare av stenciler i det utrymme där stencilplåtarna exponeras. Åtgärd:Lägg in i stencilen punkter med kända avstånd så att stencilen kan kontrollmätas innan den börjar att användas! Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Toleranser vid montering av komponenter P= pitch W=lödpaddens bredd Wl=bredden på komponentbenet ID=isolationsavståndet O=benets överlapp på padden F=Felbudget F=Wl +(PCB)+ (Montering)+ + (Hantering) P=1/2 W + 1/2 Wl + ID + F Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Föregående ekvation kan skrivas: ID=P-1/2 W –1/2 Wl –F F=Wl +(PCB)+ (Montering)+ + (Hantering) Typiska värden på toleranser är Wl=0,1 mm, (PCB)=50-100 µm, (Montering) =50-75 µm dvs F=100µm+(50-100 µm)+ (50-75 µm) dvs F(tot)=200-300 µm P=0,63 mm=630 µm W=350 µm,Wl=300 µm, ID=630-175-150 -F=305 –F(µm) medför ID=305-(200 till 300µm) P=0,5 mm = 500 µm W=250 µm,Wl=200 µm ID=500-225 -(200 till 300µm) ID=275-(200 till 300)µm P=0,4 mm=400 µm W=200 µm,Wl=150 µm ID=400-175-(200 till 300 µm) ID=225-(200-300)µm Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Reliability of Components (IC and R-and C-chips) and solder joints to them versus time in operation When a system is old the system failures are dominated by failures in the Solder Joints to R-and C-chips Solder Joints to IC-leads are no reliability problem IF the leads are weak and flexible When a system is ”new” solder joint failures are NOT dominating (IPC-SM-785) Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB This statement could not have been done without careful failure analyses on ALL failures.The US Military have done this on some airborne system.Normally when a “normal” failure analyze is done,a “faulty” IC is replaced.The system works OK with the new component,however the “real” failure is most often in the solder joint to the replaced component.Resoldering make the solder joint OK again! Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Beräkning av antalet temperaturcykler med T som krävs för att lödningarna till en BENLÖS komponent blir X % = Tmax-Tmin i temperaturcykling, Weibullkonstant = 4 för benlösa komponenter Tsj = medeltemperatur för lödpunkterna under temperaturcykling TD = Tid i extremtemperatur (i minuter), dvs. den tid som lodet hinner ”krypa” på, Weibull statistik: c blir negativ (ca – 0,4 till-0,5) vilket gör att exponenten –1/-c blir positiv (+2 till +2,5) Om X=50 % blir Weibullfaktorn (den högra faktorn)= 1 Alltså är den vänstra faktorn ett utryck för hur många temperaturcykler med T som krävs för att felrisken till lödningarna för komponenten i fråga skall vara 50 % N(x) = Antalet temperaturcykler med som krävs för att lödpunkterna till komponenten skall uppstå felrisken x, notera x anges ej i procent utan c = utmattningskoefficient hos lodet, F = empirisk faktor, för eutektisk eller nära eutektisk lod (Sn/Pb, 63/37), h = det stelnade lodets höjd LD = halva avståndet mellan centrum på lödpunkterna skillnad mellan termisk utvidgningskoefficient mellan komponent och substrat (mönsterkort) Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Betydelsen av  Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB • Exempel på beräkningar av antal cykler till olika felrisknivåer för olika R-chips. • Utgångsvärden: h=125 µm vilket indikerar en stenciltjocklek på 250 µm! •  =15 – 7 ppm/°C (Fr-4 laminat=15 ppm/°C,R-chip =7 ppm/°C) T=60 °C • TS =50 °C, tD= 60 min medför att c= - 0,4281 vilket i sin tur ger att exponenten-1/-c =2,2886 • Chipresistans typ 1206 lödd mot FR-4 N(50%)= 18193 cykler • LD = 1,7 mm N (1%) =6313 cykler • N(0,1%)=3546 cykler • Chipresistans typ 0805 lödd mot FR-4 N(50%)=43400 cykler • LD=1,15 mmN( 1 %)=15060 cykler • N(0,1 %)=8460 cykler • Chipresistans typ 0603 lödd mot FR-4 N(50%)=77692 cykler • LD=0,9 mmN( 1 %)=26979 cykler • N(0,1%)=15142 cykler • Resistanschip typ 0402 lödd mot FR-4 N(50%)=202780 cykler • N( 1 %)=70364 cykler • N(0,1 %)=39522 cykler • N(0,01 %)=22225 cykler Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Observera: Om felrisken för lödningarna till en viss komponent är säg 0,1 % (R-eller C-chips) är funktionssannolikheten för denna komponent (1-felrisken)=(1-0,1 %)=(1-0,001)=0,999 Funktionssannolikheten för 10 sådana komponenter är då (0,999)10=0,9900.Detta innebär att felrisken för ett elektroniksystem med 10 sådana komponenter är (1-0,9900)=0,01=1% Om elektroniksystemet i stället har 50 sådana komponenter blir på samma sätt systemets funktionssannolikhet = (0,999)50=0,9512.Detta innebär att felrisken för systemet (enbart beroende på lödningarna till dessa komponenter) blir (1-0,9512)=0,0488=4,88% Om i stället felrisken till en komponent ät 0,01% blir komponentens funktionssannolikhet (1-0,01%)= (1-0,0001)=0,9999 Om ett elektroniksystem har 95 sådana komponenter blir systemets funktionssannolikhet (0,999)95=0,9906 dvs systemets felrisk blir (1 - 0,9906)=0,0094=0,94% Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Lodpastestencilens tjockleks inverkan på lödningarnas långtidstillförlitlighet. Av ovanstående framgår: Ju tjockare stencil desto längre livslängd på lödningarna till geometriskt stora benlösa komponenter. Dilemma om både geometriskt stora R-och C-chip på samma kort som ”Fine Pitch” IC-kretsar: Elektronikkonstruktören väljer komponenter,även geometrisk storlek,utan att tänka på olika stenciltjocklekar och vilka konsekvenser detta får för systemets långtidstillförlitlighet. Produktionsingenjören väljer en tunn stenciltjocklek för att få högsta yield på kortet (tunn stencil ger bättre resultat för komponenter med liten pitch),vilket gör att lödningarna till stora R-och C-chip får dålig långtidstillförlitlighet Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Verifiering av lödfogars långtidstillförlitlighet. Tag den geometriskt största komponentyp som finns i ett elektroniksystem.Gör ett testkort och montera 10 komponenter per testkort.Testa kontinuerligt för avbrott (< 1 µs ).Gör 10 sådana testkort dvs testa 100 komponenter.OBS!Testkortet måste ha samma antal lager som det ”produktionskortet! Testa i temperaturcykling säg T=60 °C. Testkortet bör ha ”tomma” lödpaddar med tryckt och omsmält lodpasta.Detta gör att man kan mäta vilken stenciltjocklek som har använts vid tillverkning av testkortet. Plotta i ett Weibulldiagram så att 1:a felet ger 1% fel efter X1 temperaturcykler.2:a felet ger 2 % etc.Man får då en (förhoppningsvis) rät linje.Då kan man extrapolera och se efter hur många temperaturcykler man uppnår ett felutfall av 0,1 %,0,01 % etc Om exempelvis ett bilelektroniksystem skall ha en livslängd av 20 år,kommer detta system i värsta fallet se 2x365x20=14600 temperaturcykler under sin livstid.Säg att T=60 °C Om man då börjar se felutfall efter säg 2000 temperaturcykler,kan man konstatera att byggtekniken i fråga INTE på långa vägar klarar kraven Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Ytmontering är en seriell process (Ytotal=Ytryck x Ymontering x Ylödning x Yel test (R-C ,IC) ) Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Ytmonteringsteknikens höga komplexitet Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB 1.Föroreningskällor vid chipshantering 2.Yield vid lödning (Kapitel 5) 3.Kvalitetsnivåer på nakna chips Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB