Diagnostika DPS na katedře technologií a měření FEL ZČU v Plzni

Mikroskopie

V roce 2006 byla na Katedře technologií a měření Fakulty elektrotechnické Západočeské univerzity v Plzni založena referenční mikroskopová laboratoř, která se zabývá diagnostikou materiálů a struktur, přičemž se specializuje převážně na diagnostiku plošných spojů, součástek a pájených spojů. Kromě metod klasické světelné mikroskopie laboratoř využívá i nové metody laserové konfokální mikroskopie, fluorescenční mikroskopie a AFM mikroskopie.

Obr. 1 Možnosti zvětšení a rozlišení typů mikroskopů

Laboratoř disponuje laserovým konfokálním měřicím mikroskopem Olympus LEXT OLS3000, AFM mikroskopem Bruker Nanos, metalografickými mikroskopy Olympus a Arsenal, fluorescenčním mikroskopem Leica a stereomikroskopy Olympus a Intraco. Všechny mikroskopy jsou vybaveny kamerami pro záznam obrazu a softwarem pro měření geometrických rozměrů a další analýzu obrazu. S tímto vybavením je možné pozorovat objekty se zvětšením od cca 30× do 150 000×. V rozsahu zvětšení od 120× do 150 000× je navíc možné provádět 3D analýzu sledovaných povrchů.

Obr. 2 Výbrus pájeného spoje SMD součástky

Široké pole zvětšení je nezbytné pro zajištění komplexní diagnostiky objektů. Malá zvětšení jsou vhodná pro diagnostiku procesu osazování součástek, hodnocení kvality pájení, lepení a bondování součástek, pro vyhledávání defektů a určování míst pro detailnější analýzu. Velká zvětšení jsou naopak nezbytná pro diagnostiku polovodičových čipů, pro hodnocení kvality fotolitografie a zobrazení detailní struktury materiálů.

V mnoha případech je nezbytné diagnostikovat strukturu uvnitř materiálu. K tomuto účelu je laboratoř vybavena diamantovou mikrometrickou pilou, metalografickou bruskou, leštičkou a zařízením pro zalévání vzorků pod tlakem. S tímto zařízením je možné vytvářet precizní výbrusy všech materiálů.

Obr. 3 Výbrus trhliny v pokovení otvoru

Mezi nejčastější diagnostikované procesy v elektronice patří procesy pájení součástek na substrát. Mezi nejčastější chyby patří nesprávné osazení součástky, nedostatečně smáčivé pájené plochy, nerovnoměrné nebo nevhodné množství pájky a tavidla, dutiny a trhliny v pájce. Pro diagnostiku většiny z popsaných defektů je nezbytné vytvoření vhodného materiálografického výbrusu.

Další často diagnostikovanou částí elektronických zařízení jsou substráty, nejčastěji pak plošné spoje. Běžně se pomocí mikroskopie měří geometrické rozměry motivů, zejména pak tloušťky vodivých a dielektrických vrstev. Jedním z problematických míst plošných spojů jsou propojovací otvory. Příkladem mikroskopové diagnostiky propojovacích otvorů jsou trhliny v pokovení. Tyto trhliny jsou při menším zvětšení (méně než cca 1 000×) velice obtížně rozpoznatelné. Pro zobrazení tohoto defektu je opět nezbytné správné vytvoření materiálografického výbrusu.

Jiným příkladem mikroskopové diagnostiky může být stanovení kvality vrstev povrchu vodivých motivů plošných spojů. Měděné kontaktní plochy jsou často chráněny proti oxidaci tenkými vrstvami Sn nebo Ni/Au. Kvalita ochranné vrstvy a její tloušťka má pak velký vliv na pájitelnost kontaktních ploch.

Kromě uvedených příkladů jsou v laboratoři diagnostikovány defekty pasivních a aktivních součástek, měřeny parametry vrstev, vlastnosti povrchů materiálů a studovány nové anorganické a organické materiály.

Pomocí nových metod a kvalitního přístrojového vybavení laboratoře je možné odhalit naprostou většinu defektů vznikajících při výrobě a provozu elektronických zařízení a díky kvalifikované obsluze a zkušenostem pracovníků je navíc možné rozpoznat i příčiny vzniku těchto defektů.

Diagnostika pájení

Mezi klíčové operace při výrobě elektronických zařízení patří proces připojování součástek. Z důvodu vyšší integrace a působení vnějších vlivů (zejména u mobilních zařízení) je výsledná kvalita a hlavně spolehlivost elektronických zařízení ovlivněna zejména touto technologií.

Obr. 4 Tester pájitelnosti MUST

Diagnostika v oblasti připojování součástek je zaměřena na testování pájitelnosti nových povrchových úprav vývodů součástek i desek plošných spojů a testování nových pájecích slitin a tavidel. Uvedené testy jsou prováděny také v dusíkovém zákrytu (v inertní atmosféře). Tento zákryt je využíván, aby bylo možné testovat ve srovnatelných podmínkách jako ve výrobě. Z důvodu přechodu na bezolovnaté technologie bylo totiž nutné zvýšit teplotu během procesu pájení. To má za následek rychlejší oxidaci pájených povrchů a vznik strusky na pájecí slitině. Tento negativní efekt lze odstranit nebo alespoň redukovat právě využitím inertních atmosfér.

Klimatické a mechanické zkoušky

Laboratoř disponuje také zařízeními pro testování klimatické a mechanické odolnosti materiálů, součástek a funkčních celků. Pro klimatické testování je vybavena programovatelnými klimatickými komorami s rozsahem teplot od –70 °C do 180 °C s možností nastavení relativní vlhkosti prostředí 10 % až 99 % RH. Pro testování při vyšších teplotách pak programovatelnou pecí až do teploty 1 350 °C. Pro měření mechanických vlastností disponuje pracoviště mikrotrhačkou a zařízeními pro testování vibracemi.

Obr. 5 Klimatická komora

Katedra věrna svému názvu se specializuje obecně na technologie jak pro elektroniku, tak pro elektrotechniku obecně a na elektrická i neelektrická měření široké škály parametrů a veličin. V současné době byla zahájena také výstavba Regionálního inovačního centra elektrotechniky, jehož jedním z hlavních cílů je rozvoj diagnostických metod s akcentem na potřeby českých i zahraničních zákazníků zejména v oblasti elektroniky a elektrotechniky.

Další informace lze získat na adrese poptavka@fel.zcu.cz.