Tehnologia circuitelor pe suport de aluminiu

2 MARTIE 2017

Aluminiul este un material atractiv pentru utilizarea în fabricarea ansamblurilor electronice datorită costului său redus, proprietăţilor termice bune, stabilităţii dimensionale, neagresării mediului şi a marii răspândiri în natură. Din păcate, datorită conductivităţii sale termice foarte bune nu este uşor de a fi utilizat atunci când este necesară lipirea cu aliaj pentru a face interconexiuni cu componentele. Acest articol descrie modalităţi de fabricare a ansamblurilor electronice având aluminiul ca bază şi eludând utilizarea aliajului de lipire.

Introducere
Restricțiile RoHS cu privire la materialele utilizate în procesul de fabricație electronică au conferit provocări semnificative asupra industriei electronice de la introducerea lor în 2006. Cele mai mari impacturi au fost resimțite de elimi­narea obligatorie a plumbului din contactarea electronică, urmată de cererea pentru eliminarea compuşilor halogeni din materialele care nu întreţin arderea utilizate în laminatele PCB tradiționale. Începând cu anul 2006, industria electronică a fost asaltată de o nouă serie de provocări în efortul său de a se conforma. Mecanisme de defectare, atât noi, cât și vechi, au ieșit la suprafață necesitând soluționare, iar furnizorii industriali și tehnologii din producție au lucrat cu sârguință pentru a remedia aceste defecte supărătoare prin dezvoltarea unei game largi de noi materiale și echipamente, atât pentru fabricația suportului, cât și pentru asamblare, împreună cu modificările în procesele utilizate la fabricarea și asamblarea plăcilor de circuite imprimate.

CETTI_EA0217_Fig-1

Figura 1: Aluminiul este o alternativă viabilă la obișnuitele produse laminate care nu utilizează aliaj pentru a face interconexiuni între componente și circuite. Aluminiul este unic prin faptul că suprafața sa poate fi anodizată, creând un strat izolator de alumină, care poate fi colorată și marcată. Toate componentele prezentate au un pas de contact intenționat selectat de 0.5mm pentru motive abordate în text.

Cele mai multe dintre problemele cu care s-a confruntat industria producătoare de electronice au legătură cu procesul de asamblare cu aliaje de lipire. Aliajele de lipit fără plumb fuseseră anterior anunțate ca un înlocuitor pur și simplu al aliajelor de lipit tradiționale staniu plumb; cu toate acestea, experiența din teren a dovedit că nu asta e realitatea. Aliajele bogate în staniu, împreună cu temperaturile mai ridicate cerute de asamblare, au determinat industria să lupte pentru soluții la probleme cum ar fi golurile tip șampanie, de umectare săracă, lipituri fragile, dizolvarea cuprului, mustăți de staniu, cap-pe-pernă, o mai mare vulnerabilitate la daune cauzate de degazarea explozivă a umezelii absorbite în capsule, printre altele, inclusiv curățarea reziduurilor coapte ale fluxurilor rezultate în urma procesului de asamblare la temperaturi ridicate. Lipirea fără plumb a avut, de asemenea, efecte de contagiune asupra materialului PCB laminat însuși deoarece producătorii au fost confruntați cu delaminări și degradări ale rășinilor utilizate în construcția circuitului tradițional. O problemă mai recent întâlnită este fenomenul denumit crater în pad, în care rășina de sub zona de cupru la care o componentă este atașată este de fapt desfăcută din rășina înconjurătoare prin ruperea depunerii de cupru și provocând o întrerupere.
În acest mediu, a fost concepută o abordare alternativă a fabricării modulelor electronice care este în prezent în curs de dezvoltare. Foarte pe scurt, noua metodă este una care elimină utilizarea aliajului de lipire și care este bazată pe utilizarea de substraturi din aluminiu care găzduiesc componente complet testate și încercate pentru a crea ceea ce poate fi cel mai bine descris ca fiind o componentă placă în care terminațiile componentelor sunt coplanare în imediata apropiere a suprafaței aluminiului. La prelucrarea ulterioară, componenta placă din aluminiu este acoperită cu un material izolant, iar apoi circuistica de interconectare a componentelor este realizată folosind tehnologii aditive. Un exemplu al unui ansamblu de demonstrare fără aliaj de lipire este prezentat în figura 1.
În cadrul acestui articol, vor fi descrise mai detaliat procedeele utilizate la fabricarea unui astfel de produs și se vor enumera numeroasele beneficii care pot fi obținute prin simpla inversare a procesului de fabricație. Aceea de plasare a circuitelor de interconectare pe plăci de componente, mai degrabă decât a componentelor pe plăci cu circuite imprimate.

CETTI_EA0217_Fig-2

Figura 2: Etapele de bază ale procesului de asamblare față-verso a circuitul de aluminiu și interconectare fără lipire sunt ilustrate în figura din stânga sus; materia­lul de aluminiu este pregătit cu cavităţi prin frezare (așa cum este ilustrat), corodare sau embosare, în care componentele sunt plasate și apoi acoperite cu un material izolant. Găurile sunt forate și umplute cu material izolant, apoi re-forate. În același timp, găurile de trecere sunt formate pentru a avea acces la terminalele componentelor. Modelul de circuit este apoi placat și circuitele sunt închise după ce ultimul strat este completat, lăsând deschisă o zonă necesară pentru interconectare și putere (zona deschisă nu este ilustrată). Miezul de metal poate servi atât ca distribuitor de căldură, cât și ca strat de putere sau de masă.

Conceptul de bază al fabricației
Un nou procedeu de fabricare a unui PCB care este compus în principal din aluminiu este descris în continuare. Noul proces elimină complet procesul de lipire cu aliaj în conformitate cu preceptele compatibile cu ceea ce este cunoscut sub numele de procesul Occam [1, 2]. Procesul Occam este un subset de tehnologii care intră sub umbrela termenului general de SAFE, un acronim care derivă fie de la “solderless assembly for electronics” (“asamblare fără lipire pentru electronică”), fie de la “Solder Alloy-Free Electronics” („electronice fără aliaj de lipire”). Fabricația SAFE este relativ simplă comparată cu circuitele tradiționale, iar costul ar trebui să rezulte substanțial mai mic.
Pe scurt, procesul se realizează prin plasarea componentelor electronice testate electric și încercate pe o placă/carcasă din aluminiu. Aceasta poate fi realizată utilizând tradiționalul echipament pick and place. Structura rezultată este în mod fundamental o componentă placă. După plasarea în siguranță a plăcilor se pot aplica metode utilizate în mod tradițional pentru fabricarea plăcilor cu interconexiuni de înaltă densitate (HDI) în scopul realizării pe suprafața componentei placă portantă din aluminiu a tiparului de interconectare a componentelor electronice; modelul este realizat prin cuprare și este constituit din trasee de circuit și din găurile de trecere care conectează terminalele componentelor la acele trasee în locațiile dorite. Un avantaj de notat în acest moment este faptul că, spre deosebire de dispozitivele care nu necesită lipire, numai acele terminale ale componentelor care necesită o conexiune trebuie să fie prevăzute cu găuri de trecere. În plus, găurile sunt mai mici decât padurile de lipire tradiționale, astfel încât o suprafață mai mare este disponibilă în plan.
Aluminiul este o alegere atractivă ca substrat de circuit datorită unei combinații de diferite proprietăți, printre care coeficientul de dilatare termică destul de apropiat de cel al cuprului, stabilitatea dimensională care o depășește pe cea a lui FR-4, greutatea relativ mică, capabilitatea de difuzie termică bună și un cost redus (aluminiul este aproximativ 2$ pe kilogram, în timp ce FR-4 în cantități de 2000 kg venind din China ajunge la circa 6$ pe kilogram[3]). De asemenea, este demn de remarcat faptul că aluminiul constituie 8,3% din scoarța terestră și este extrem de reciclabil poziționându-l printre cele mai durabile dintre toate alegerile pentru substratul de circuit.
Îndreptându-ne atenția înapoi la etapele din proces, o foaie de aluminiu este pregătită cu cavități în care vor fi plasate componentele.

Deoarece substratul este din metal solid, cavitățile pot fi create prin oricare dintr-un număr de metode, inclusiv prelucrarea chimică, prelucrare mecanică, tăiere cu laser și ștanțare. Dacă se dorește, substratul poate fi, de asemenea, în relief sau turnat cu cavități.
Aluminiul este un metal deosebit care poate fi anodizat convertindu-i suprafața în oxid de aluminiu cunoscut și sub denumirea de alumină. Fiind material conductiv, aluminiul poate fi totodată acoperit prin electroforeză cu un material izolant făcându-i suprafețele neconductoare.
Aceste tehnici sunt folosite uzual pentru acoperirea unei game largi de metale utilizate în produse de orice tip imaginabil de la jucării și aplicații casnice, la automobile și vehicule spațiale. Cavitățile care primesc componentele sunt formate în mod ideal, astfel încât adâncimile să se potrivească cu înălțimea componentelor, pentru ca atunci când componentele sunt plasate în cavitățile atribuite lor cu terminalele în sus, extremitățile terminalelor să fie la același nivel cu suprafața, pentru a facilita prelucrarea ulterioară. Figura 2 ilustrează pașii de bază care urmează și care vor fi discutați mai detaliat.
Deși utilizarea directă a pastilelor de siliciu este posibilă, componentele de tip circuit integrat care trebuie să fie folosite sunt asamblate ideal (CSP sunt foarte potrivite) deoarece capsulele dispozitivelor CI sunt mult mai ușor de testat și încercat și pentru că acestea au modele de terminale standardizate și contururi fizice care fac procesul de proiectare mai simplu, mai ales dacă este utilizat un singur pas între terminale pentru toate componentele (de exem­plu: 0,5mm). În plus, aproape toate capsulele componentelor folosesc cupru ca metal de bază pentru interconexiuni, ceea ce este avantajos din mai multe puncte de vedere, așa cum va fi arătat.
După ce componentele sunt aplicate în mod permanent pe una sau pe ambele fețe ale plăcii suport din aluminiu, straturile de izolație sunt aplicate pe una sau pe ambele suprafețe ale foii de metal care acoperă componentele. În acest moment, ansamblul poate fi procesat ca și cum ar fi un circuit de tip rigid, imprimat cu înaltă densitate de straturi pe una sau pe ambele părți, folosind lasere pentru a fora găuri în adânc pentru a accesa terminalele componentelor și, practică obișnuită în procesele de placare și de formare a imagi­nii, pentru crearea circuitelor. O diferență este aceea că poate fi necesară o etapă de umplere cu un material izolant în cazul găurilor străpunse care au metalul expus. Cu toate acestea, dacă sunt acoperite cu epoxi, acest lucru poate să nu fie necesar. O precizare pentru acei constructori de circuit care ar lua în considerare explorarea procesării circuitelor de acest tip este că, în cazul în care aluminiul este netratat, marginile trebuie să fie protejate pentru a preveni contaminarea ulterioarelor procese chimice care vor fi utilizate în procesul de fabricație. În timp ce etapele suplimentare de prelucrare pot fi realizate, dacă se dorește și/sau dacă este necesar, acest ansamblu ar putea fi în unele aplicații considerat complet. Este evident că numărul total de etape de prelucrare este redus în mod semnificativ față de cele necesare pentru prelucrarea tradițională a ansamblurilor de circuite imprimate.
Dacă în cele de mai sus a fost descrisă o structură relativ simplă, potențialul pe termen lung al acestor noi structuri de circuit din aluminiu este impresionant și limitat mai mult în imaginația mea decât în tehnologie.

– va urma –

Referințe
[1] Fjelstad, J. “Reversing the Electronic Assembly Process,” Semiconductor International, Vol 32 No. 13 pp 24–28, December 2009.
[2] Fjelstad, J. “Environmentally friendly assembly of robust electronics without solder,” Circuit World, Vol. 34 Iss: 2, pp.27–33 2008.
[3] W. Callister and D. Rethwisch, Appendix C, Fundamentals of Materials Science and Engineering, an Integrated Approach. 3rd Edition. Wiley (2007).

Autor: Joseph Fjelstad, Verdant Electronics
Articolul a aparut în luna Septembrie, 2014 în revista “The PCB Magazine”.

(traducere şi adaptare: Gaudenţiu Vărzaru)


Fondator și presedinte al firmei Verdant Electronics Joseph (Joe) Fjelstad are peste 40 de ani de experiență internațională în domeniul interconectării electronice și tehnologia de packaging într-o varietate de capacități de la chimist la inginer de proces și de la consultant internațional la CEO.
Dl. Fjelstad este, de asemenea, un bine cunoscut autor care a scris pe tema tehnologiilor de interconectare în electronică Înainte de a fonda Verdant, dl Fjelstad a fost co-fondator la SiliconPipe, un lider în dezvoltarea tehnologiilor de interconectare de mare viteză. El a fost, de asemenea, anterior la Tessera Technologies, lider mondial în packaging la nivel de chip, unde el a fost desemnat pentru prima bursa corporativă pentru inovațiile sale. El are 150 de brevete din SUA la activ.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *