Valkoinen kirja: Painetekniikan perusteet
PAINEVALUALUE KESTÄVÄNÄ VAIHTOEHTOINA JUOTOSTECHNIIKALLE
JOHDANTO
Paineasennustekniikka on kehittynyt sen käyttöönoton jälkeen televiestinnän alalla vakiintuneeksi avainteknologiaksi auto- ja teollisuuselektroniikassa. Nykyisten suuntausten, kuten sähköistymisen, autonomisen ajamisen ja Teollisuus 4.0:n, myötä luotettavia ja kestäviä liitäntäjärjestelmiä koskevat vaatimukset kasvavat jatkuvasti.
Erityisesti vaativissa käyttöolosuhteissa, joissa esiintyy tärinää, lämpötilanvaihteluita, kosteutta ja mekaanista rasitusta, puristustekniikka vakuuttaa korkealla prosessivarmuudellaan ja pitkäaikaisella vakaudellaan. Erilaisista puristusvyöhykkeen malleista huolimatta kaikilla ratkaisuilla on sama tavoite: kestävästi mekaanisesti lujat ja sähköisesti luotettavat liitokset piirilevyn ja kontaktin välillä.
Tämä saavutetaan suunnittelemalla puristusvyöhyke piirilevyn reikää suuremmaksi ja puristamalla se määritellyllä voimalla. Näin syntyy kaasutiivis, sähköisesti vakaa ja mekaanisesti kestävä liitos, jonka kontaktivastus on jatkuvasti alhainen.
Erityisesti vaativissa käyttöolosuhteissa, joissa esiintyy tärinää, lämpötilanvaihteluita, kosteutta ja mekaanista rasitusta, puristustekniikka vakuuttaa korkealla prosessivarmuudellaan ja pitkäaikaisella vakaudellaan. Erilaisista puristusvyöhykkeen malleista huolimatta kaikilla ratkaisuilla on sama tavoite: kestävästi mekaanisesti lujat ja sähköisesti luotettavat liitokset piirilevyn ja kontaktin välillä.
Tämä saavutetaan suunnittelemalla puristusvyöhyke piirilevyn reikää suuremmaksi ja puristamalla se määritellyllä voimalla. Näin syntyy kaasutiivis, sähköisesti vakaa ja mekaanisesti kestävä liitos, jonka kontaktivastus on jatkuvasti alhainen.
PERUSTEET
Paineistamistekniikassa muodostetaan sähköinen yhteys liittimen ja piirilevyn välille painamalla liittimen nasta (pin) läpivientireiän läpi.
Paineistamistekniikka perustuu yksinkertaiseen periaatteeseen:
liittimen nastan paineistusalueen poikkileikkauksen diagonaali on suurempi kuin metalloidun piirilevyn reiän. Paineistuksen aikana syntyvä muodonmuutos vaimennetaan kontaktin joustavalla alueella, jolloin piirilevyn holkki muodonmuuttuu vain vähän. Tällöin kontaktin ja metallisoidun piirilevyn reiän välille muodostuu kylmähitsaus: kaasutiivis, korroosiovarma, matalaresistanssinen ja sähköisesti erittäin johtava liitos. Se pysyy pysyvästi vakaana myös suurissa mekaanisissa ja lämpökuormituksissa – kuten tärinässä, taivutuksessa ja voimakkaissa lämpötilanvaihteluissa.
Suosittelemme prosessin seurantaa puristusprosessin aikana. Voima-liike-analyysit sekä kamerapohjaiset järjestelmät mahdollistavat liitoksen laadun luotettavan arvioinnin.
Tunnettujen puristustekniikoiden ja Tcom press® -puristusalueen lisäksi ept tarjoaa myös muita liitäntätekniikoita, kuten juotettuja läpivientiliitoksia, THR- tai SMT-tekniikoita – kukin sovitettuna käyttökohteeseen.
Paineistamistekniikka perustuu yksinkertaiseen periaatteeseen:
liittimen nastan paineistusalueen poikkileikkauksen diagonaali on suurempi kuin metalloidun piirilevyn reiän. Paineistuksen aikana syntyvä muodonmuutos vaimennetaan kontaktin joustavalla alueella, jolloin piirilevyn holkki muodonmuuttuu vain vähän. Tällöin kontaktin ja metallisoidun piirilevyn reiän välille muodostuu kylmähitsaus: kaasutiivis, korroosiovarma, matalaresistanssinen ja sähköisesti erittäin johtava liitos. Se pysyy pysyvästi vakaana myös suurissa mekaanisissa ja lämpökuormituksissa – kuten tärinässä, taivutuksessa ja voimakkaissa lämpötilanvaihteluissa.
Suosittelemme prosessin seurantaa puristusprosessin aikana. Voima-liike-analyysit sekä kamerapohjaiset järjestelmät mahdollistavat liitoksen laadun luotettavan arvioinnin.
Tunnettujen puristustekniikoiden ja Tcom press® -puristusalueen lisäksi ept tarjoaa myös muita liitäntätekniikoita, kuten juotettuja läpivientiliitoksia, THR- tai SMT-tekniikoita – kukin sovitettuna käyttökohteeseen.
PAINETUSTEKNIIKAN EDUT
Paineasennustekniikka tarjoaa perinteiseen juotostekniikkaan verrattuna lukuisia etuja laadun, taloudellisuuden, toiminnallisuuden ja ympäristöystävällisyyden kannalta. Se erottuu erittäin korkeasta luotettavuudestaan ja mekaanisesta kestävyydestään, ja se kestää erityisen hyvin iskuja ja tärinää. Lisäksi vältytään tyypillisiltä virheiltä, kuten kylmiltä juotoskohdilta tai oikosulkuilta.
Myös taloudellisesti puristustekniikka on vakuuttava korjattavuutensa ja kustannustehokkaan asennuksensa ansiosta. Toiminnallisesti se mahdollistaa prosessivarmuuden ilman piirilevyn lämpökuormitusta, mikä säästää komponentteja. Samalla liittimien koskettimet pysyvät juotosmetallittomina.
Lisäksi puristustekniikka tarjoaa ekologisia etuja, koska siitä ei synny juotoshöyryjä eikä juotosainejäämiä, ja ylimääräisiä puhdistusprosesseja ei tarvita. Se täyttää siten nykyiset ympäristövaatimukset ja -direktiivit, kuten RoHS ja WEEE.
Myös taloudellisesti puristustekniikka on vakuuttava korjattavuutensa ja kustannustehokkaan asennuksensa ansiosta. Toiminnallisesti se mahdollistaa prosessivarmuuden ilman piirilevyn lämpökuormitusta, mikä säästää komponentteja. Samalla liittimien koskettimet pysyvät juotosmetallittomina.
Lisäksi puristustekniikka tarjoaa ekologisia etuja, koska siitä ei synny juotoshöyryjä eikä juotosainejäämiä, ja ylimääräisiä puhdistusprosesseja ei tarvita. Se täyttää siten nykyiset ympäristövaatimukset ja -direktiivit, kuten RoHS ja WEEE.
PAINETEKNIIKAN HAITAT
Monista eduistaan huolimatta puristustekniikalla on joitakin rajoituksia juotostekniikkaan verrattuna. Se asettaa korkeat vaatimukset piirilevyjen laadulle, erityisesti reikien halkaisijoille ja toleransseille, ja vaatii erityisiä työkaluja sekä laitteistoja, mikä nostaa investointikustannuksia.
Lisäksi puristusprosessissa syntyy mekaanisia rasituksia, jotka voivat aiheuttaa vaurioita, jos tekniikkaa käytetään väärin. Myös miniatyrisointi on osittain rajoitettua juotostekniikkaan verrattuna.
Lisäksi puristusprosessissa syntyy mekaanisia rasituksia, jotka voivat aiheuttaa vaurioita, jos tekniikkaa käytetään väärin. Myös miniatyrisointi on osittain rajoitettua juotostekniikkaan verrattuna.
VALINTAPERUSTEET PURISTUSTEKNIIKKA
Luotettava puristusliitos perustuu useiden laatuominaisuuksien optimaaliseen yhteisvaikutukseen. Ratkaisevia tekijöitä ovat erityisesti puristusalueen suunnittelu, käyttökohde, piirilevyn ominaisuudet sekä valmistusprosessi.
Vasta kun nämä tekijät on sovitettu toisiinsa, puristustekniikka voi saavuttaa täyden potentiaalinsa ja taata kestävän, mekaanisesti kestävän sekä sähköisesti turvallisen liitoksen.
Vasta kun nämä tekijät on sovitettu toisiinsa, puristustekniikka voi saavuttaa täyden potentiaalinsa ja taata kestävän, mekaanisesti kestävän sekä sähköisesti turvallisen liitoksen.
I. Piirilevyn valintaperusteet
Taulukossa verrataan erilaisia piirilevyjen pintakäsittelyjä kerrosten paksuuden ja puristustekniikkaan soveltuvuuden suhteen.
| Pinta | |||||
| Immersion Sn | ENIG | Upotus Ag | OSP | HAL lyijytön | |
| Päällysteen paksuus | 0,8–0,2 µm | 5 µm Ni 0,1 µm Au | 0,1–0,2 µm | 0,1–0,5 µm | <5–50 µm |
| Soveltuvuus puristustekniikkaan | erittäin hyvä | rajoitetusti* | rajoitetusti* | hyvä | rajoitetusti* |
Upotettu tina sopii parhaiten, OSP:tä pidetään hyvänä vaihtoehtona, kun taas ENIG, upotettu hopea ja lyijytön HAL sopivat vain rajoitetusti – sovelluksesta riippuen.
Lisäksi esitetään tyypillisiä upotusalueita, jotka koostuvat useimmiten tinasta tai tinaseoksista nikkelikerroksen päällä. Yleisesti ottaen esite osoittaa selvästi, että pinnan valinta vaikuttaa ratkaisevasti painotekniikan laatuun ja luotettavuuteen ja että se on tehtävä huolellisesti käyttötarkoituksen mukaan.
Lisäksi esitetään tyypillisiä upotusalueita, jotka koostuvat useimmiten tinasta tai tinaseoksista nikkelikerroksen päällä. Yleisesti ottaen esite osoittaa selvästi, että pinnan valinta vaikuttaa ratkaisevasti painotekniikan laatuun ja luotettavuuteen ja että se on tehtävä huolellisesti käyttötarkoituksen mukaan.
II. Puristusalueen valintaperusteet
Painatusalueella voidaan käyttää seuraavia pinnoitteita: mattapintaiset tina-, tina-lyijy-, hopea-tina- tai tina-hopea- sekä indiumkerrokset, jotka kaikki on levitetty nikkelikerroksen päälle.
| Pinnat | ||
| 0,30–1,50 µm Sn matta | päällystetty | 1–3 µm Ni matta |
| 0,30–1,50 µm SnPb 92/8–97/3 matta | päällystettynä | 1–3 µm Ni matta |
| 0,35–1,50 µm AgSn tai SnAg | yli | 1–3 µm Ni matta |
| 0,30–1,50 µm In | päälle | 1–3 µm Ni matta |
Oikeanlainen pinta on ratkaiseva tekijä luotettavan puristusliitoksen kannalta. Se vaikuttaa puristusvoimiin ja sen on muovaututtava kuormituksen alaisena vahingoittumatta. Samalla se varmistaa vakaan sähköisen kosketuksen, suojaa korroosiolta ja vähentää siirtovastusta. Sopiva pinnoite auttaa lisäksi ehkäisemään piirilevyn vaurioitumista ja varmistamaan turvallisen, toistettavan prosessin.
REIKÄRAKENNE
Laadukkaan puristusliitoksen aikaansaamiseksi piirilevyjen valmistuksessa on kiinnitettävä erityistä huomiota porausreiän halkaisijaan, loppureiän halkaisijaan, kupariholkin paksuuteen ja piirilevyn pintaan.
Oikea reikärakenne on ratkaisevan tärkeä, koska se vaikuttaa suoraan liitoksen mekaaniseen vakauteen ja sähköiseen luotettavuuteen. Vain oikein sovitetuilla reikä- ja holkkimitoilla saadaan aikaan tarvittava puristusistuvuus, joka takaa turvallisen pidon ja tasaisen kosketuksen. Poikkeamat voivat johtaa liian suuriin puristusvoimiin, läpivientiliitosten vaurioitumiseen tai riittämättömään kosketukseen. Lisäksi sopiva reiän rakenne auttaa tasoittamaan valmistustoleransseja ja varmistamaan prosessin tasaisen laadun.
Seuraava reiän rakenne on esimerkki toteutuksesta.
Oikea reikärakenne on ratkaisevan tärkeä, koska se vaikuttaa suoraan liitoksen mekaaniseen vakauteen ja sähköiseen luotettavuuteen. Vain oikein sovitetuilla reikä- ja holkkimitoilla saadaan aikaan tarvittava puristusistuvuus, joka takaa turvallisen pidon ja tasaisen kosketuksen. Poikkeamat voivat johtaa liian suuriin puristusvoimiin, läpivientiliitosten vaurioitumiseen tai riittämättömään kosketukseen. Lisäksi sopiva reiän rakenne auttaa tasoittamaan valmistustoleransseja ja varmistamaan prosessin tasaisen laadun.
Seuraava reiän rakenne on esimerkki toteutuksesta.
| LP-materiaali | FR4 | |
| Nimellinen reikä | Ø 1,0 mm | |
| A | Piirilevyn paksuus | vähintään 1,44 mm |
| B | Päätereikä | Ø 1,0 +0,09 / -0,06 mm |
| C | Perusreikä | 1,15 ±0,025 mm |
| D | Cu-kerros | vähintään 25 µm |
| E | Pinta | kem. Sn-kerros, 0,5–1,5 µm |
| F | Jäännösrengas | vähintään 0,1 mm |
VALMISTUS
Hallittu puristusprosessi on ratkaisevan tärkeää kestävän ja mekaanisesti sekä sähköisesti luotettavan liitoksen aikaansaamiseksi. Ylämuotin ja vastapidikkeen käyttö on ehdottomasti välttämätöntä.
Ylämuotti siirtää puristimen voiman kosketuspisteeseen, kun taas vastapidike tukee piirilevyä ja suojaa sitä mekaanisilta jännityksiltä. Liittimestä riippuen käytetään litteitä tai kammioituja työkaluja.
Jos työkalut eivät ole optimaalisesti sovitettuja toisiinsa, piirilevyyn voi kohdistua ei-toivottuja voimia, jotka voivat vahingoittaa jo asennettuja komponentteja. Painamisvoima tulisi siirtyä kokonaan alatyökalulle.
Piirilevyjä, joihin on painettu liittimiä, ei tulisi lämmittää yli 125 °C:n lämpötilaan.
Ylämuotti siirtää puristimen voiman kosketuspisteeseen, kun taas vastapidike tukee piirilevyä ja suojaa sitä mekaanisilta jännityksiltä. Liittimestä riippuen käytetään litteitä tai kammioituja työkaluja.
Jos työkalut eivät ole optimaalisesti sovitettuja toisiinsa, piirilevyyn voi kohdistua ei-toivottuja voimia, jotka voivat vahingoittaa jo asennettuja komponentteja. Painamisvoima tulisi siirtyä kokonaan alatyökalulle.
Piirilevyjä, joihin on painettu liittimiä, ei tulisi lämmittää yli 125 °C:n lämpötilaan.
Yhteenveto
Paineistustekniikka on tehokas ja tulevaisuudenkestävä vaihtoehto perinteiselle juotostekniikalle. Se vakuuttaa korkealla prosessivarmuudellaan, erinomaisella mekaanisella lujuudellaan ja kestävällä, luotettavalla sähköliitoksellaan – jopa vaativissa käyttöolosuhteissa.
Erityisesti sähköistymisen lisääntyessä, teho tiheyden kasvaessa sekä kestävyyttä ja käyttöikää koskevien vaatimusten kiristyessä paineistustekniikka tarjoaa ratkaisevia etuja. Optimaalisen suorituskyvyn edellytyksenä on kuitenkin puristusalueen, piirilevyn ja prosessin tarkka yhteistoiminta.
Keskeinen menestystekijä on optimaalisesti suunnitellun puristusalueen valinta. ept GmbH:n puristusalueet – erityisesti Tcom press® -tekniikka – erottuvat erittäin hyvin hallittavasta puristuskäyttäytymisestä, piirilevyyn kohdistuvasta vähäisestä rasituksesta ja prosessivälin suuresta vakaudesta. Tämä minimoi läpivientiliitosten vauriot ja takaa kestävän, vakaan sähköisen kosketuksen. Lisäksi ept:n puristusalueen geometria mahdollistaa luotettavan prosessoinnin myös tiukkojen toleranssien ja vaativien piirilevyrakenteiden yhteydessä.
Kokeneena liitostekniikan asiantuntijana ept GmbH tarjoaa räätälöityjä ratkaisuja puristustekniikan alalla. Innovatiivisten teknologioiden, kuten Tcom press® -puristusalueen, kattavan sovellusosaamisen ja korkean valmistusosaamisen avulla ept tukee asiakkaitaan luotettavien ja taloudellisten liitosratkaisujen toteuttamisessa vaativiin sovelluksiin.
Erityisesti sähköistymisen lisääntyessä, teho tiheyden kasvaessa sekä kestävyyttä ja käyttöikää koskevien vaatimusten kiristyessä paineistustekniikka tarjoaa ratkaisevia etuja. Optimaalisen suorituskyvyn edellytyksenä on kuitenkin puristusalueen, piirilevyn ja prosessin tarkka yhteistoiminta.
Keskeinen menestystekijä on optimaalisesti suunnitellun puristusalueen valinta. ept GmbH:n puristusalueet – erityisesti Tcom press® -tekniikka – erottuvat erittäin hyvin hallittavasta puristuskäyttäytymisestä, piirilevyyn kohdistuvasta vähäisestä rasituksesta ja prosessivälin suuresta vakaudesta. Tämä minimoi läpivientiliitosten vauriot ja takaa kestävän, vakaan sähköisen kosketuksen. Lisäksi ept:n puristusalueen geometria mahdollistaa luotettavan prosessoinnin myös tiukkojen toleranssien ja vaativien piirilevyrakenteiden yhteydessä.
Kokeneena liitostekniikan asiantuntijana ept GmbH tarjoaa räätälöityjä ratkaisuja puristustekniikan alalla. Innovatiivisten teknologioiden, kuten Tcom press® -puristusalueen, kattavan sovellusosaamisen ja korkean valmistusosaamisen avulla ept tukee asiakkaitaan luotettavien ja taloudellisten liitosratkaisujen toteuttamisessa vaativiin sovelluksiin.