Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikai Technológia Tanszék
A Z ÚJRAÖMLESZTÉSES FORRASZTÁS ÚJSZERŰ SZEMPONTJAI AZ ELEKTRONIKAI GYÁRTÁSBAN
P H D T ÉZISFÜZET
Straubinger Dániel Témavezető: Dr. Géczy Attila
B U D A P E S T 2 0 2 3
2
Motiváció
Az elektronikai eszközök esetében legelterjedtebb tömeggyártási lépéssorozat a forraszanyag paszta formában történő stencilnyomtatása a hordozóra, az alkatrészek automatizált gépi beültetése, majd az ezt követő újraömlesztéses forrasztási folyamat, melynek során hőközlés révén a forraszpaszta megömlik (megolvad), és kialakul a mechanikai és elektromos forrasztott kötés. Az újraömlesztéses forrasztási technológia folyamatos fejlődésen megy keresztül, amik új kihívásokkal is járnak. A technológia előrehaladása a rutinszerű feladatok esetében is hozhat váratlan, megoldásra váró problémákat, és az alternatív irányvonalak is felerősödnek az előfejlesztések, kutatások területén.
A gőzfázisú forrasztási technológia (angolul Vapour Phase Soldering, VPS), vagy más néven kondenzációs forrasztás, egy a szokásos konvekciós megoldásoktól eltérő, alternatív, komplex hőátadási folyamaton alapul, aminek segítségével magas minőségi követelményeknek megfelelő újraömlesztéses forrasztással készülő forraszkötések érhetőek el, a szerelőlemezen kialakuló egyenletes melegítés mellett. Előnyös tulajdonságai miatt nem csak felületszerelési technológiához (angolul Surface Mount Technology, SMT), hanem olyan különböző alkatrészeket tartalmazó áramkörök esetében is használják, amik nagyteljesítményű elektromos alkatrészeket [1], elektrolit kondenzátorokat és tekercseket is tartalmazhatnak, a kisméretű felületszerelt alkatrészek mellett.
A felületszerelt alkatrészek (ahol a forrasztás nem furatokban, hanem forrasztási felületek között történik) területén történő méretcsökkenési trend új tervezési aspektusokat vizsgálatát teszi szükségessé a tokozási technológiában és az áramköri szereléstechnológiában egyaránt. Ez a gyártási oldalról is figyelmet érdemel annak érdekében, hogy megelőzhető és csökkenthető legyen a csökkenő méretekből fakadó hibajelenségek előfordulása és kockázata. A csökkenő méretek leggyakrabban együtt járnak az egységnyi felületre eső alkatrészszám növekedésével, valamint a funkciósűrűség növekedésével, illetve ezáltal gyakran az áramsűrűség növekedésével. A felületszerelt alkatrészek méretei nem csak azonban az alkalmazásokban csökken, ahol ezt a tervezési megkötések feltétlenül szükségesség teszik. Már nagymegbízhatóságú környezetben is elterjedté válnak a 0603 (1.6 x 0.8 mm), 0402 (1 x 0.5 mm), 0201 (0.6 x 0.3 mm) és a még kisebb 01005 (0.4 x 0.2 mm) méretkódú felületszerelt alkatrészek [2]. Ezek az áramkörök
3
tömegtermelés esetén leggyakrabban kényszerkonveciós újraömlesztéses forrasztási technológiát alkalmaznak az alkatrészek szerelőlemezhez történő forrasztásához [3][4][5].
Azonban a gőzfázisú forrasztás is megfelelő alternatívát nyújt [1][6], bizonyos megkötésekkel a forrasztási profilt illetően. Az újraömlesztéses forrasztás optimális körülményeinek biztosításához gyakran használt megoldás a forrasztási profil szimulációja a gyártást megelőzően az adott áramkör esetére. Az iparban elterjedten alkalmaznak hőelemeket (különösképp K típusút) a modellek és szimulációs vizsgálatok verifikációjára, illetve a forrasztási profil megmérésére is különböző alkatrészek esetében. A felmerülő vizsgálati kérdések esetében a kiemelkedő pontosságú mérések elengedhetetlenek, ilyen például egy szimmetrikus mérési elrendezés, amiben apró folyamatbeli eltéréseket szeretnénk megállapítani. Ezek ellenére még mindig vannak nyitott kérdések azt illetően, hogy a különböző hőmérséklet szenzorok (hőelemek) kialakítása hogyan befolyásolja használatuk során a mérési pontosságot. A régóta és széleskörűen ismert hibatípusokon kívül vannak olyan forrasztási folyamat után fennálló problémák, amik esetében a probléma kialakulása mélyebb megértést követel annak érdekében, hogy megelőzhető legyen, ilyen például a forraszgolyó képződés esete is bizonyos alkatrészek esetében. A felületszerelt alkatrészek méretcsökkenése azonban a már ismert problémák mellett új megbízhatósági problémákat is előidézhet, amik eddig nem voltak jellemzőek, ilyen például az elektromigráció jelensége kisméretű forrasztott kötésekben.
A doktori munkámban az újraömlesztéses forrasztásban levő hőátadásra, a folyamat optimalizálására és különböző hibamechanizmusok kutatására helyeztem a fókuszt.
Modellezést és szimulációt alkalmaztam különböző áramköri hordozók esetében kialakuló hőmérséklet eloszlás vizsgálatához, illetve vizsgáltam, hogy a különböző kialakítású hőelemek esetén a konstrukciós eltérések milyen módon hatnak a szenzor válaszára.
Megvizsgáltam egy olyan forraszgolyó hibajelenséget elektrolit kondenzátorok esetében, ami már régóta fennáll, és célként egy olyan megoldás kidolgozását tűztem ki, ami ennek előfordulási gyakoriságát csökkenti, illetve kiegészíti az irodalmat a hibajelenség részletes leírásával.
A csökkenő felületszerelt alkatrészméretek miatt a kötésekben kialakuló áramsűrűség jelentősen megnövekedhet, ami bizonyos peremfeltételek mellett a kötés megbízhatóságának csökkenését okozhatja. Szükséges ezért ezen alkatrészek esetén a nagy
4
áramsűrűség által indukált elektromigráció jelenségének vizsgálata, ami szintén egy nyitott pont az irodalomban.
A kutatási terület újszerű megoldásokat sürgető problémái
A kiemelkedő megbízhatóság számos területen, úgy, mint az autó-, repülőgép- valamint űrípar esetén, kritikus fontosságú. Ezen legszigorúbb követelményszinttel rendelkező területek esetében optimalizált folyamatok, köztük az újraömlesztéses forrasztás hőprofilja, hogy a megelőzhető legyen többek között például a forraszgolyó képződés [7], szükségesek. A forraszgolyó képződés számos alkatrészt érinthet, ugyanakkor az irodalom leginkább a chipméretű alkatrészek esetén érhető csak el. Az újraömlesztéses forrasztási folyamat során fontos a lehető legegyenletesebb hőmérséklet tartása, nem csak a nagyban különböző méretű alkatrészek között, de magában a szerelőlemezben is, hogy csökkenthető legyen a szerelőlemez zsugorodásból és vetemedésből fakadó hibajelenségek kockázata [8]
valamint hideg kötések és “head in pillow” [9] (elterjedt angol kifejezés, “fej a párnában”, BGA alkatrészek jellegzetes forrasztási hibája) hibajelenségek kialakulása. Az elektronikai ipari gyakorlatban a hőelemek használata a napi feladatok részét képezi az újraömlesztéses forrasztási profilok méréséhez különböző termékek esetében. A hőelemek különböző paraméterei, beleértve a rögzítési módszereket, korábban kutatás tárgyát képezték. Ennek ellenére az irodalomban a hőelemek bizonyos jellemzőit érintően még mindig vannak nyitott kérdések. Ilyen például, hogy az apróbb eltérések a hőelemek geometriáját illetően, úgy, mint a szigeteletlen kábelhossz a melegpont oldalán hogyan hat a mérésre. Előfordulnak a hőelemek használatakor olyan esetek a forrasztási technológiában, amikor másodperc alatti különbségek is nagy jelentőségűek lehetnek, ilyen például egy kétpólusú alkatrész sírkőképződése során a forrasztott kötések szimmetrikus hőprofil mérése).
A csökkenő felületszerelt alkatrészméretek együtt járnak a megemelkedett áramsűrűséggel, ezért különösen fontos az elektromigráció jelenségéből fakadó hibajelenségek vizsgálata. Elektromigrációs vizsgálatok nem készültek chipméretű alkatrészek esetére, a kutatások leginkább szilícium technológiára, BGA (Ball Grid Array) alkatrészekre és “flip-chip” forrasztott kötésekre fókuszálnak. Mindezek mellett a napjainkban elérhető SMD méretek esetében már kialakulhat olyan áramsűrűség érték, ami
5
esetén a megbízhatóságot már a tervezési időben is érdemes figyelembe venni és biztosítani [10]. Ezen okok miatt a terület további kutatásokat igényel.
Célkitűzés
Az általam végzett irodalomkutatás megmutatta a fent tárgyalt témák fontosságát, és az ezekből fakadó kérdéseket. Az alábbi pontokat és kérdéseket határoztam meg a kutatásom sarokköveiként:
• Különböző anyagösszetételű nyomtatott áramköri szerelőlemezek (beleértve a klasszikus FR4, kerámia és az újszerű biológiailag lebontható hordozókat) esetében kialakuló belső hőmérsékleteloszlás vizsgálatát annak érdekében, hogy meghatározzam, hogy a hőátadási együtthatóan alapúló explicit modellezés milyen megkötésekkel alkalmazható és hogy a szerelvények vastagsági paramétere mentén a hőeloszlás milyen profillal írható le. Az Ipar 4.0 (I4.0) szellemiségében ennek ismerete egy hatékony forrasztási profil predikciót eredményezhetne megfelelő modell rendszerben való alkalmazás esetén.
• Az újraömlesztéses forrasztás során használt mérőrendszerek hatásának vizsgálatát, különös tekintettel a hőelemek konstrukciós paramétereinek változásának hatását azok válaszára, az optimalizált mérési pontosság eléréséhez.
• A forraszgolyó képződés jelenségének vizsgálatát, felületszerelt elektrolit kondenzátorok esetére, különös tekintettel a megbízhatósági kérdések, a folyamat és alkatrész hatásának megismerésére, valamint ezek alapján a jelenség megelőzésének vagy csökkentésének lehetőségének meghatározását.
• Az elektromigráció jelenségének vizsgálatát kisméretű, passzív felületszerelt alkatrészek ólommentes forraszkötéseiben, feltárva a potenciális megbízhatósági problémákat amiket az egyre növekvő teljesítmény és áramsűrűség okozhat a felületszerelt alkatrészek technológiájában.
Alkalmazott módszerek
Kutatásomban vizsgáltam az újraömlesztéses forrasztás hőátadási aspektusait elektronikai szerelvények esetében. Modellezés és validációs mérések segítségével
6
meghatároztam az egytárolós modelből következő termikus válaszát és a kialakuló hőmérséklet különbséget különböző anyagösszetételű elektronikai szerelőlemezek és újraömlesztéses forrasztási technológiák esetére (kényszerkonveciós, VPS). Az elvégzett vizsgálatok túlnyomó részét egy kísérleti gőzfásizú forrasztókemencével végeztem, amihez Galden HT170 polimer folyadékot használtam, 170 °C forrásponttal. A hőmérsékletmérésekhez K típusú hőelemeket használtam PFA szigeteléssel. A szerelőlemezhez történő rögzítéshez SMD ragasztót használtam, ügyelve arra, hogy a hőelem a lehető legkevésbé befolyásolja VPS esetében a filmszerű kondenzációt. A mérésekhez egy ipari hőprofilméréshez használt adatgyűjtőt (V. MOLE) valamint myPCLab adatgyűjtőt használtam, az aktuális feladat követelményeinek megfelelően.
A modellezéshez analitikus, explicit és végeselem módszert (FEM) használtam, a feladat függvényében. Vizsgáltam a gyors futási idejű és egyszerűen alkalmazható modellek alkalmazhatósági tartományát. Szimulációs vizsgálatokat végeztem a folyamat mélyebb megértése érdekében és a komplex modellek alkalmazásának szükségességének meghatározásához az újraömlesztéses szereléstechnológia esetére.
A forraszgolyó képződés jelenségét felületszerelt elektrolit kondenzátorok esetében modern elektronikai gyártási környezetben végeztem ipari terepen, problémamegoldó módszertanok, valamint azt kiegészítő kísérleti úton történő laboratóriumi vizsgálatok használatával. Optikai és röntgenmikroszkópot, érintésmentes lézeres profilometriát, módosított újraömlesztéses forrasztókemence profilokat, valamint statisztikai módszerek együttesét használtam a forraszgolyó képződés jelenségének leírására, és ezek alapján meghatároztam az optimális alkatrész kialakítást, amivel az előfordulási gyakoriság jelentősen csökkenthető.
A kisméretű felületszerelt passzív alkatrészek esetében kialakuló elektromigráció jelenség vizsgálatához egy tesztáramkört terveztem. Az alkatrészeket terheléses vizsgálatnak vetettem alá (egyenáramú terhelés és izotermikus öregítés) mely során az áramkörök ellenállása monitorozásra került, röntgenmikroszkópos vizsgálattal nem-destruktív módon vizsgáltam a forrasztott kötések zárványosságát a folyamat során.
Keresztmetszeti csiszolatokat és nyírási szilárdság vizsgálatokat végeztem, amik kiértékeléséhez optikai mikroszkópiát és pásztázó elektronmikroszkópiát (SEM,
7
SEM-EDX) használtam, vizsgálva a nagy áramsűrűség értékek következtében kialakuló elektromigráció hatását a forrasztott kötések mikroszerkezetére.
8
Új tudományos eredmények
Tézis I:
Modellezéssel megmutattam, hogy a szerelőlemez termikus egytárolós taggal való közelítése az újraömlesztéses forrasztás hőátadásának explicit modellezése során elhanyagolható hibával alkalmazható FR4, poliimid, cellulóz-acetát (CA), BeO valamint Al2O3 áramköri hordozók esetében 2 mm vastagságig; az újszerű, biológiailag lebontható politejsav (PLA) hordozók esetében 1 mm vastagságig (az eltérés, ha a hordozó felülete és középvona közötti hőmérséklet különbségét hasonlítjuk össze az újraömlesztési forrasztási hőmérséklettel, 11% alatt marad a konvekciós és a gőzfázisú újraömlesztéses forrasztás során).
• Modellt alkottam különböző anyagú és vastagságú áramköri hordozókban kialakuló vastagságmenti hőmérsékleteloszlás vizsgálatára az egydimenziós hővezetési egyenlet felhasználásával. A modell segítségével meghatároztam különböző áramköri hordózók belsejében kialakuló hőmérsékleteloszlást FR4, poliimid (klasszikus polimer), cellulóz acetát (CA) és politejsav (PLA) (biológiailag lebontható), valamint BeO és Al2O3 kerámia áramköri hordozók esetére a 0,25 mm – 2 mm vastagság tartományban. Az áramköri hordozókban kialakuló hőmérsékleteloszlás ismeretében számos újraömlesztéses forrasztási hiba megelőzhető, mint például a vetemedésből származó hibajelenségek.
• A modell alkalmazásával bebizonyítottam, hogy a szerelőlemez melegedésének a Newton-egyenleten és hőátadási együtthatón alapuló explicit modellezése elhanyagolható hibával alkalmazható a vizsgált áramköri hordozó vastagságtartományában FR4, poliimid, CA, BeO valamint Al2O3 hordozók esetében. A szerelőlemez így egytárolós tagként közelíthehő. A modellezési módszer alkalmazásával jelentősen csökkenthető az újraömlesztéses forrasztás szimulációjához szükséges számítási teljesítmény. A modell alapján kiszámítható a maximálisan kialakuló hőmérsékletkülönbség a felszín és a középvonal között, ami körülbelül maximum 10 °C illetve 15 °C konvekciós- valamint gőzfázisú forrasztás esetében, az Sn58Bi ólommentes forraszanyag 138 °C olvadáspontjának elérése esetén, ami lehetővé teszi az explicit modellezést alacsony hibával a forrasztási
9
minőség szempontjából. A felület és középvonal közötti hőmérsékletkülönbség főképp az anyag hődiffúziós tényezőjétől, míg a forraszötvözet olvadáspontjának eléréséhez szükséges idő az anyag térfogati hőkapacitásától függ. Ezek a paraméterek a vizsgált anyagok esetében széles tartományt fednek le.
• Megállapítottam, hogy az újszerű, biológiailag lebontható politejsav alapú áramköri hordozók kivételt képeznek a fenti megállapítás alól 1 mm-es vastagság felett.
Ezekben az eseteben a hordozóban kialakuló hőmérséklet különbség, a hordozó felszíne és középvonala között, akár a 30 °C-ot is elérheti az olvadáspont elérésekor, ami jelentősen megnövelheti a zsugorodás, illetve vetemedéshez köthető hibajelenségeket, ezért az explicit modellezés alkalmazása ebben az esetben nem javasolt.
Kapcsolódó publikációk: [L1], [R1], [R2]
Tézis II:
Végeselem szimulációs módszer segítségével karakterizáltam a hegesztett melegpontú hőelemek konstrukciójának eltéréseiből származó válaszidő-különbségeket, amelyek
~100 ms nagyságrendjükkel az elektronikai forrasztástechnológiai alkalmazás során jelentősnek tekinthetőek.
• Megmutattam, hogy a szigeteletlen vezeték hossza a hőelem melegpontja körül jelentősen befolyásolja a hőelem mérési válaszidejét, ~100 ms nagyságrendben. A szigeteletlen vezeték a hőelem melegpontja körül gyorsabb választ eredményez, ahogy a szigeteletlen vezetékhossz nő. A vizsgált konstrukció esetén a szigeteletlen vezetékhossz ~3-4 mm nagysága kritikusnak adódott, ezen értéknél jelentős volt a változás. Az eltérő konstrukcióból fakadó eltérések kritikusnak adódhatnak szimmetrikus kivezetésű alkatrészek forrasztási profiljának mérése során.
• Megmutattam, hogy a nagyobb melegpont átmérő, nagyobb szigetelési vastagság és különböző nagy termikus tömegű szigetelés típusok lelassíthatják a hőelem melegedését és az ebből adódó időbeli válaszát, ~100 ms nagyságrendű időtartományban. Az eredményeket két különböző konstrukciójú, de azonos anyagösszetételű hőelem esetére validációs méréssel igazoltam, ~5-15% relatív
10
hibával. Újraömlesztéses forrasztási módszerek esetén, ahol a hőátadás nagyon intenzív, ez a hatás alacsonyabb. A munkatér validációjához használt hőelemek klasszikus gőzfázisú forrasztókemencék (vagy más intenzív hőátadású folyamat esetén, ahol a hőátadási együttható ~400 W/m2K) esetén konzisztens mérési eredményeket eredményeznek, a melegpont körüli geometriai variációk ellenére.
Kapcsolódó publikációk: [L2], [R3]
Tézis III:
Megmutattam, hogy az alaplemezzel szerelt felületszerelt elektrolit kondenzátorok alatt keletkező forraszgolyó hibajelenség esetén a forraszpaszta térfogatának csökkentése önmagában nem megfelelő a probléma megszüntetéséhez. Módosított alkatrész kialakítás esetén, a távtartó távolságát növelve (85 µm-ről 110 µm-re), valamint az alkatrész lábszélességét csökkentve (850 µm-ről 750 µm-re), a hibaarány szignifikánsan csökkent (13700 ppm-ről 500 ppm-re). Egy javasolt minimális távolság a szubsztrát és az alkatrész (400 µ, magasabb, mint a forraszpaszta magassága, figyelembe véve a forrasztás közbeni tágulást) között, egy módosított alaplemez segítségével, hatásosan megszüntette a hibajelenséget.
• Megmutattam, hogy az alkatrész aljára szerelt, az alkatrészlábakat körülfogó alaplemez (ami minden kommerciálisan elérhető felületszerelt elektrolit kondenzátoron megtalálható) kialakítása jelentősen befolyásolja a forraszgolyó képződés folyamatát. A forraszgolyó képződés előfordulása jelentősen csökkenthető a talp és szerelőlemez távolságának növelésével, valamint az alkatrészláb mellett kialakított nagyobb térrésszel, mert ezek lehetővé teszik a forraszpasztából a forrasztás során képződő gázok és gőzök egyenletesebb távozását, valamint csökkentik a forraszpaszta és az alkatrész közötti fizikai kontaktus előfordulásának esélyét, ami a paszta szeparációjához vezethet (módosított termikus profil és röntgenmikroszkóp használatával illusztráltam a forraszpaszta viselkedését a folyamat során). Megmutattam, hogy a forraszpaszta mennyiségének csökkentése
11
csökkenti a hiba előfordulási gyakoriságát, azonban a forrasztott kötés mechanikai megbízhatósága miatt ez csak korlátozott mértékben alkalmazható.
• Megmutattam, hogy az előző tulajdonságok figyelembevételével kiválasztott alkatrésszel jelentősen csökkenthető a hibajelenség előfordulása, és ezáltal a gyártási hibaköltségek is: az átlagos ~110 µm távtartójú és ~780 µm lábszélességű alkatrész
~500 ppm előfordulási gyakoriságot, míg a ~85 µm távtartójú és ~850 µm lábszélességű alkatrész ~13700 ppm forraszgolyó előfordulási gyakoriságot produkált.
Kapcsolódó publikációk: [L3], [R4]
Tézis IV:
Megmutattam, hogy passzív, chip-méretű felületszerelt ellenállások forrasztott kötéseiben a meniszkusz alakjának aszimmetriája miatt válhat hangsúlyossá az elektromigráció jelensége, ami a kétpólusú alkatrész forrasztott kötéseiben helyi és kétoldali szerkezeti aszimmetriát eredményez a réz és az intermetallikus rétegek vastagságában.
• Kísérleti úton megmutattam, hogy a nagy tűrésű kerámia-epoxi kompozit hordozóra szerelt 0402 és 0603 méretű passzív chipméretű alkatrészek Sn3Ag0.5Cu (SAC305) forraszkötéseiben 2 A illetve 2,5 A egyenáram terhelés hatására megváltozik a kötések mikroszerkezete, és kialakul az elektromigráció jelensége. Keresztmetszeti csiszolatokon vizsgáltam különböző terhelési idők elteltével a forrasztott kötések mikroszerkezetét, optikai mikroszkóppal, illetve pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) egyenáramú terhelésű valamint izotermikusan öregített mintákon. Az intermetallikus réteg vastagsága a terhelési idő növelésével növekedett. Az áramterhelés hatására az intermetallikus réteg vastagsága aszimmetrikus módon nőtt:
az alkatrészek áramirány szerinti anód oldalán nagyobb, míg a katód oldalán kisebb mértékű volt, míg a referenciaként használt izotermikusan öregített minták esetén nem volt különbség a két oldal között. A vizsgálatok megmutatták, hogy az elektromigráció által indukált zárvány növekedés nem alakult ki még 4000 órányi áramterhelés esetén sem. A forrasztott kötésben a nagy áramsűrűség réz beoldódást (angolul: “dissolution”) okoz, ami az elektronáram iránya szerinti, a forrasztási
12
felület felől az alkatrészfémezés és forrasz határfelületére történő anyagtranszportot, és nagyméretű Cu6Sn5 intermetallikus ötvözet kialakulását okozza, ami a forrasztott kötés megbízhatóságának csökkenésével jár.
• Az utóbbi vizsgálati konfigurációban vizsgáltam a forrasztott kötések nyírási szilárdságát. Az izotermikus öregítés és az áramterhelés hatására a nyírási szilárdság rendre körülbelül 22% illetve 24%-ot csökkent 4000 órányi terhelési idő elteltével.
A 4000 óra terhelésen átesett minták töretfelszín elektronmikroszkópos vizsgálata során, az izotermikusan öregített mintákkal ellentétben, az áramterhelt minták esetén törékeny töretfelszínt mutató, Cu6Sn5 intermetallikus ötvözet volt megfigyelhető nagy felületen, ami az elektromigráció által okozott anyagtranszport miatt megvastagodott az alkatrészfémezés és a tömbi forrasz határfelületén.
Kapcsolódó publikációk: [L4], [L5], [L6], [R5], [R6], [R7]
13
Az eredmények hasznosulása
Az I. Tézispont segítségével lehetőség nyílik az újraömlesztéses forrasztási profil optimalizálására. Az eredmények az mutatják, a leggyakrabban használt áramköri hordozók esetében (klasszikus FR4-től az újszerű biológiailag lebonthatókig), hogy szükséges-e rendkívüli figyelemmel lenni a forrasztás során a szerelőlemez belsejében kialakuló hőmérsékleti különbségekre. Az eredmények azt is mutatják, hogy egy, például a multifizikai megközelítéshez képest, kevésbé komplex és sokkal gyorsabb számítási módszer használható bizonyos esetekben (Newton-féle lehűlési törvényen alapuló explicit modellezés), amely közvetlenül felhasználható lehet a gyártósoron a forrasztási profil predikciójához a kemence beállításainál, az Ipar 4.0 szellemiségével egybevágóan.
A II. Tézispont esetén a szimuláció eredményei egy olyan ajánlás alapjait képezik, ami alapján elmondható, hogy a legprecízebb mérési eredmények érdekében érdemes újraömlesztéses forrasztási környezetben figyelembe venni a hőelemek kialakítását és válogatott geometriai kialakítás (pl. szórásból fakadó pontatlanságok) mentén alkalmazni azokat többes elrendezésben.
Az eredmények a III. Tézispontból hozzájárulhatnak a felületszerelt elektrolit kondenzátorok szerelésének optimalizálásához, olyan módon, hogy a forraszgolyó képződés kockázata csökkenjen, ezáltal a gyártásukra jellemző hibaköltség csökkenjen. Az alkatrészek javasolt szempontok szerint történő előzetes kiválasztásának eredményeképpen jelentősen csökkenthetők a hibaköltségek, valamint növelhető a termékek megbízhatósága.
A IV. Tézispont az elektromigráció jelenségét tárgyalja chip-méretű felületszerelt alkatrészek ólommentes forraszkötéseiben. Miközben az elektromigráció régóta ismert a tokozási technológiában, az SMD alkatrészek mérete a közelmúltban érte el azt a szintet, ahol a kialakuló áramsűrűség miatt az elektromigráció problémát okozhat. A kutatásom eredményei rávilágítanak a nagy áramsűrűség értékek lehetséges hatásaira és kiemelik a vizsgálatok fontosságát ólommentes forraszok esetére. A vizsgálatok azt mutatták, hogy zárvány növekedés szempontjából a vizsgált terhelési mérték nem okoz problémát, de a detektált elektromigráció által okozott réz forrasztási felület beoldódása megbízhatósági problémákhoz vezethet. A mikroszerkezeti aszimmetria vizsgálata alapját képezheti további
14
kutatásoknak, beleértve különböző ötvözetek, valamint nanokompozit forraszanyagok vizsgálatát.
15
Publikációk listája
Tézispontokhoz kapcsolódó publikációk
Lektorált, idegen nyelvű, külföldön megjelent folyóiratcikk
[L1] Straubinger, D., Bozsóki, I., Bušek, D., Illés, B. and Géczy, A. (2020), “Modelling of temperature distribution along PCB thickness in different substrates during reflow”, Circuit World, Vol. 46 No. 2, pp. 85-92., doi: 10.1108/CW-07-2019-0074., IF: 1.018
[L2] Straubinger, D., Illés, B., Busek, D., Codreanu, N., & Géczy, A. (2022), “Modelling of thermocouple geometry variations for improved heat transfer monitoring in smart electronic manufacturing environment”, Case Studies in Thermal Engineering, 33, 102001., doi:
10.1016/j.csite.2022.102001, IF: 6.258
[L3] Straubinger, D., Toth, A., Kerek, V., Czeczei, Z., Szabo, A., & Geczy, A. (2022),
“Investigation of solder beading phenomenon under surface-mounted electrolytic capacitors”, Soldering & Surface Mount Technology, doi: 10.1108/SSMT-06-2021-0039, IF: 1.552
[L4] Geczy, A., Straubinger, D., Kovacs, A., Krammer, O., Mach, P. and Harsányi, G. (2018),
“Effects of high current density on lead-free solder joints of chip-size passive SMD components”, Soldering & Surface Mount Technology, Vol. 30 No. 2, pp. 74-80., doi:
10.1108/SSMT-10-2017-0032., IF: 1.731
[L5] Straubinger, D., Géczy, A., Sipos, A., Kiss, A., Gyarmati, D., Krammer, O., Rigler, D., Bušek, D. and Harsányi, G. (2019), “Advances on high current load effects on lead-free solder joints of SMD chip-size components and BGAs”, Circuit World, Vol. 45 No. 1, pp.
37-44., doi: 10.1108/CW-11-2018-0088., IF: 1.383
[L6] Straubinger, D., Hurtony, T., Géczy, A. (2022), „Impact of electromigration and isothermal ageing on lead-free solder joints of chip-sized SMD components." Journal of Material Research and Technology, ISSN 2238-7854, https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.09.048., IF:
6.267
Referált, idegen nyelvű, nemzetközi konferencia-kiadványban megjelent előadás
[R1] Straubinger, D., Bozsóki, I., Illés, B., & Géczy, A. (2019). Analytical solution of heat distribution inside a printed circuit board during vapour phase soldering. In 2019 42nd
16
International Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE) (pp. 1-5). IEEE., doi:
10.1109/ISSE.2019.8810286.
[R2] Straubinger, D., Bozsóki, I., Gál, L., & Géczy, A. (2019). Scaling of Components for Explicit Modelling of Heat Transfer during Vapour Phase Reflow Soldering. In 2019 IEEE 25th International Symposium for Design and Technology in Electronic Packaging (SIITME) (pp. 155-159). IEEE., doi: 10.1109/SIITME47687.2019.8990884.
[R3] Straubinger, D., Illés, B., Berényi, R., & Géczy, A. (2020). Simulation of reflow-based heat transfer on different thermocouple constructions. In 2020 43rd International Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE) (pp. 1-6). IEEE., doi: 10.1109/ISSE49702.2020.9120968.
[R4] Straubinger, D., & Tóth, A. (2021). Extending Insight About Solder Beading Effect Under Surface-mounted Electrolytic Capacitors. In 2021 IEEE 27th International Symposium for Design and Technology in Electronic Packaging (SIITME) (pp. 205-209). IEEE., doi:
10.1109/SIITME53254.2021.9663607
[R5] Géczy, A., Straubinger, D., Hurtony, T., Krammer, O., & Kovács, A. (2017). Investigating current density in the lead free solder joints of surface mounted resistors with experimental approach. In 2017 40th International Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE) (pp.
1-6). IEEE., doi: 10.1109/ISSE.2017.8000930.
[R6] Straubinger, D., Rigler, D., Géczy, A., & Synkiewicz-Musialska, B. (2020).
Electromigration in lead-free solder joints on ceramic PCB substrates. In 2020 IEEE 26th International Symposium for Design and Technology in Electronic Packaging (SIITME) (pp.
52-56). IEEE., doi: 10.1109/SIITME50350.2020.9292158
[R7] Straubinger, D., & Géczy, A. (2021). Effect of highly increased current density in the microstructure of lead-free solder joints. In 2021 23rd European Microelectronics and Packaging Conference & Exhibition (EMPC) (pp. 1-5). IEEE., doi: 10.23919/EMPC53418.2021.9584980
Magyar nyelven megjelent folyóiratcikk
[M1] Géczy, A., Mohamed, A. A., Straubinger, D., Hantos, G., & Bozsóki, I. (2018). A gőzfázisú újraömlesztéses forrasztás megfigyelése újszerű alkalmazott szenzorikai módszerekkel.
Elektronikai Technológia és Gyártásinformatika, 1(2), 15-18., doi:
10.35403/etesgyi.2018.02.015.
17 További publikációk
Lektorált, idegen nyelvű, külföldön megjelent folyóiratcikk
[L7] Skwarek, A., Krammer, O., Hurtony, T., Ptak, P., Górecki, K., Wroński, S., Straubinger D., Witek, K., Illés, B. (2021). Application of ZnO nanoparticles in Sn99Ag0.3Cu0.7-based composite solder alloys. In Nanomaterials, 11(6), 1545., doi: 10.3390/nano11061545 [L8] Straubinger, D., Bozsóki, I., Illes, B., Krammer, O., Bušek, D. and Geczy, A. (2020), “Heat
transfer aspects of condensation during vapour phase soldering on aligned PCB-based surfaces”, Soldering & Surface Mount Technology, Vol. 32 No. 4, pp. 247-252., doi:
10.1108/SSMT-11-2019-0038.
Referált, idegen nyelvű, nemzetközi konferencia-kiadványban megjelent előadás
[R8] Alaya, M. A., Gál, L., Hurtony, T., Medgyes, B., Straubinger, D., Tareq, A. M., & Géczy, A. (2019). Wetting of different lead free solder alloys during vapour phase soldering. In 2019 42nd International Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE) (pp. 1-6). IEEE., doi: 10.1109/ISSE.2019.8810204.
[R9] Géczy, A., Szalmási, D., Straubinger, D., & Illés, B. (2019). Investigating shadowing and possible tombstoning caused by large SMD components during vapour phase reflow soldering. In 2019 IEEE 25th International Symposium for Design and Technology in
Electronic Packaging (SIITME) (pp. 343-346). IEEE.,
doi: 10.1109/SIITME47687.2019.8990744.
[R10] Illés, B., Skwarek, A., Krammer, O., Straubinger, D., Lakó, B., Harsányi, G., & Witek, K.
(2021). Soldering with SACX0307-(TiO 2/ZnO) nano-composite solder alloys. In 2021 44th International Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE) (pp. 1-6). IEEE., doi: 10.1109/ISSE51996.2021.9467652
[R11] Illés, B., Skwarek, A., Krammer, O., Hurtony, T., Straubinger, D., Ratajczak, J., & Witek, K. (2021). Properties of nano-composite SACX0307-(ZnO, TiO 2) solders. In 2021 23rd European Microelectronics and Packaging Conference & Exhibition (EMPC) (pp. 1-6).
IEEE., doi: 10.23919/EMPC53418.2021.9585015
[R12] Géczy, A., Alaya, M. A., Rozs, E., Straubinger, D., & Illés, B. (2021). Flow and Gauge Sensor Fusion in Vapour Phase Soldering Ovens for Optimized Process Control. In 2021
18
IEEE 23rd Electronics Packaging Technology Conference (EPTC) (pp. 111-114). IEEE., doi: 10.1109/EPTC53413.2021.9663870
[R13] Géczy, A., Csiszár, A., Rozs, E., Hajdu, I., Medgyes, B., Krammer, O., Straubinger, D., Gál, L. (2022, May). Novel PLA/Flax Based Biodegradable Printed Circuit Boards. In 2022 45th International Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE) (pp. 1-6). IEEE., doi: 10.1109/ISSE54558.2022.9812827
19
Hivatkozások
[1] Synkiewicz, B., Skwarek, A. and Witek, K. (2015), “Vapour phase soldering used for quality improvement of semiconductor thermogenerators (TEGs) assembly”, Materials Science in Semiconductor Processing, Vol. 38, pp. 346-351.
[2] Tao, Y., Ding, D., Li, T., Guo, J. and Fan, G. (2017), “Reflow of tiny 01005 capacitor/SAC305 solder joints in protective atmosphere”, Soldering & Surface Mount Technology, Vol. 29 No. 3, pp. 144-150.
[3] Illés, B. (2014), “Comparing 2D and 3D numerical simulation results of gas flow velocity in convection reflow oven”, Soldering & SurfaceMount Technology,Vol. 26No. 4, pp. 223-230.
[4] Illés, B. and Bako, I. (2014), “Numerical study of the gas flow velocity space in convection reflow oven”, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 70, pp. 185-191.
[5] Veselý, P., Horynová, E., Starý, J., Bušek, D., Dušek, K., Zahradník, V., Placˇek,M., Mach, P., Kucˇírek,M., Ježek, V. and Dosedla, M. (2018), “Solder joint quality evaluation based on heating factor”, Circuit World, Vol. 44 No. 1, pp. 37-44.
[6] Livovsky, L. and Pietrikova, A. (2017), “Real-time profiling of reflow process in VPS chamber”, Soldering & Surface Mount Technology, Vol. 29No. 1, pp. 42-48.
[7] Lee, N. C. (1999), “Optimising the reflow profile via defect mechanism analysis”, Soldering
& Surface Mount Technology, doi: 10.1108/09540919910254642
[8] Lau, Chun‐Sean; Abdullah, M.Z.; Che Ani, F. (2012). Three‐dimensional thermal investigations at board level in a reflow oven using thermal‐coupling method. Soldering &
Surface Mount Technology, 24(3), 167–182. doi:10.1108/09540911211240038
[9] H. Wohlrabe, K. Meier and O. Albrecht, “Influences of SMD Package and Substrate Warpage on Quality and Reliability –Measurement, Effects and Counteractions,” 2018 7th Electronic System-Integration Technology Conference (ESTC), Dresden, 2018, pp. 1-6, doi:
10.1109/ESTC.2018.8546438.
[10] Lienig, J., & Thiele, M. (2018), “The pressing need for electromigration-aware physical design”, Proceedings of the 2018 International Symposium on Physical Design (pp. 144- 151). doi:10.1145/3177540.3177560
20
Köszönetnyilvánítás
Köszönetemet szeretném nyilvánítani a tanszékvezetésnek, név szerint Dr. Illés Balázsnak és Dr. Harsányi Gábornak, akik lehetőséget biztosítottak a kutatásom végzéséhez.
Köszönet illeti témavezetőmet, Dr. Géczy Attilát, aki folyamatosan és elhivatottan támogatta a kutatásomat és publikációs munkáim. Az évek során egyaránt segített mind szakmailag, mind pedig személy értelemben. Pozitív példaként állt egyszerre előttem és mellettem, már a BSc tanulmányaimtől kezdve, szüntelenül ösztönözve mind a kutatásra, mind pedig személyes fejlődésre, amiért mélyen hálás vagyok.
Köszönet illeti Dr. Krammer Olivért és Dr. Hurtony Tamást az útmutatásukért, az egyaránt fontos személyes és szakmai beszélgetésekért, és nem utolsó sorban az elvégzett közös munkákért. Szeretném megköszönni továbbá Dr. Gál Lászlónak, Dr. Gordon Péternek valamint az EFI-labs csapatának, akik segítették a laboratóriumi munkámat.
Köszönet illeti Szabó Andrást, Kerek Viktort és Szabó Tibort, akik lehetőséget biztosítottak a kutatásom végzéséhez a Robert Bosch Elektronika Kft. Hatvani gyárában.
Végül, de nem utolsó sorban tisztelettel és szeretettel szeretném köszönetemet kifejezni családomnak, Szüleimnek és Bátyámnak, valamint páromnak Farkas Sophienak, hogy minden tőlük telhető módon támogatták ambícióimat és az ezzel együtt járó kihívásokat.
