Технологии в электронной промышленности №5'2010

Сеть компетенции по экологичным технологиям производства электроники

Андрей Новиков

Матиас Новоттник (Mathias Nowottnick)

С конца 2006 года Институт схемотехники и приборостроения Университета г. Росток сотрудничает с российскими компаниями в области развития и применения экологичных технологий производства электроники. Этот проект финансируется Министерством образования и науки Германии и призван укрепить сотрудничество между Россией и Германией в сфере образования, научных исследований и инноваций. Первые два этапа проекта NEFEAT (Network for Environmental Friendly Electronic Assembly Technologies — Сеть компетенции по экологичным технологиям производства электроники) принесли успех, и c апреля этого года начался третий этап работы.

Успех первых двух этапов проекта был во многом определен партнерством с российской стороны с профессором Аркадием Максимовичем Медведевым, представляющим Московский авиационный институт (МАИ) и Гильдию профессиональных технологов приборостроения. С 2007 по 2009 год было проведено несколько совместных образовательных мероприятий, таких как семинар по бессвинцовым технологиям вместе с компанией «Остек» в Москве и научно-технический симпозиум «Совершенствование производства радиоэлектронной аппаратуры с использованием смешанных и бессвинцовых технологий пайки» на базе ОАО «Авангард» в Санкт-Петербурге. А также состоялись двусторонние визиты с посещением ведущих профильных выставок и конференций, проведением гостевых лекций и ознакомлением с уровнем оснащенности лабораторий технических вузов и партнерских институтов.

В качестве важного инструмента для достижения поставленных в этом проекте целей были использованы двусторонние публикации в специализированном журнале «Технологии в электронной промышленности» российского издательства «Файнстрит» и в журнале PLUS немецкого издательства “Leuze Verlag”. С начала проекта было опубликовано более 50 статей, в первую очередь — с результатами научных исследований в области производства электроники и испытаний надежности электронных узлов. В рамках проекта сотрудники Института схемотехники и приборостроения получили возможность принять участие в ряде семинаров и конференций в России, таких как конференция «Нанофорум» в 2008-м и симпозиум «Асолд» в 2009 году. В рамках второй части проекта было проведено два обширных маркетинговых исследования по российскому рынку печатных плат и доступности бессвинцовых паяльных материалов в России. Результаты этих исследований будут представлены широкому кругу специалистов в виде докладов на семинарах, публикаций в периодических изданиях и отдельных книг.

В третьей части проекта NEFEAT со сроками проведения с 01.04 по 31.12.2010 была поставлена дополнительная цель регионального расширения сети за счет привлечения к активному сотрудничеству российской Ассоциации производителей электронной аппаратуры и приборов (АПЭАП). На данный момент ассоциация объединяет более 50 предприятий электронной промышленности, а также профилирующие колледжи и вузы и обладает потенциалом для того, чтобы стать ведущим органом, способствующим развитию российской электронной промышленности. Также планируется расширение сети компетенции такими темами, как ресурсосберегающие технологии производства и эксплуатация электронных модулей и технически правильная вторичная переработка электронных модулей после окончания срока эксплуатации (recycling) в соответствии с европейской директивой WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment).

Учитывая краткосрочность проекта, в самом его начале был запланирован и проведен семинар на тему «Рынок и потенциал электронной промышленности в России и в Восточной Европе». Семинар проводился 18 мая в Университете г. Росток с целью представления возможностей российского рынка для немецких компаний.



Рис. 1. Профессор Новоттник во время доклада

Открыл этот семинар руководитель проекта NEFEAT — профессор Матиас Новоттник (рис. 1). В своем вступительном докладе он представил Университет г. Росток и Институт приборостроения и схемотехники. Далее участники семинара узнали о деятельности института в рамках проекта NEFEAT за последние 3 года, а также о целях актуальной части проекта. Более подробно были представлены результаты недавно завершенного маркетингового исследования «Доступность припоев без свинца и кадмия с температурой плавления от 250 до 350 °C на российском рынке», проведенного профессором Клаусом Виттке (Институт надежности и микроинтеграции им. Фраунгофера, Берлин). Для заданного температурного интервала была показана перспективность припоев на основе цинка и висмута, а также реакционных припоев, конечный сплав которых формируется в самом процессе пайки. В завершение доклада немецким специалистам была предоставлена информация о ведущих российских выставках и конферециях в области производства электроники, которые могут быть эффективно использованы немецкими компаниями для ознакомления с российским рынком электроники и установления деловых контактов.

Семинар был продолжен докладом представителя Технического университета Дрездена г-на Ральфа Риске на тему «Наноскалированные материалы для системной интеграции электроники». После представления Технического университета Дрездена и Института технологий монтажа и контактирования были описаны проекты института по сотрудничеству с Восточной Европой. Начиная с 2007 года ведется активное сотрудничество с Политехническим институтом в Киеве в рамках программы двойного магистерского образования по специальности «Электротехника» со специализацией «Микроэлектроника». Студенты имеют возможность прохождения научной практики и написания магистерской работы, а также продолжения образования в аспирантуре в партнерском институте. В подготовке находится проект EuMiNaS, финансируемый Европейским Союзом по программе TEMPUS IV. Цель этого проекта заключается в разработке программы образования магистров по специальности «Системная интеграция микро- и наноэлектроники».

Согласно Болонской декларации в последние годы в европейских странах осуществляется переход на двухступенчатую систему высшего образования. Однако для унификации высшего образования недостаточно разработать программы лишь с одинаковым количеством пунктов. Особое внимание должно быть уделено содержанию программы образования. В проекте задействованы высшие учебные заведения Германии, Польши, Австрии, Чехии и Украины. В заключение доклада было представлено новое направление исследований Института технологий монтажа и контактирования — наноскалированные материалы для системной интеграции электроники. Одной из перспективных тем, по которым ведутся исследования, является использование углеродных нанотрубок (рис. 2) в электронике, например целенаправленное выращивание углеродных нанотрубок на интерфейсе активных компонентов с целью повышения эффективности отвода тепла.



Рис. 2. Углеродные нанотрубки на поверхности кремниевой пластины

В докладе Хартмута Пошманна (рис. 3) были представлены выборочные результаты исследования российского рынка печатных плат. В начале доклада была подробно рассмотрена структура российской электронной промышленности. Количество российских компаний, занятых в этой отрасли промышленности, было оценено примерно в 3500. Однако отмечено, что точная оценка практически невозможна в связи с недостаточными статистическими данными по электронной промышленности в России. Далее было показано распределение компаний по регионам, размеру и капиталу, разделение на ОПК и частные компании. Потенциал и потребности российского рынка были представлены с помощью соотношения экспорта и импорта. Экспорт электроники по отношению к общему экспорту России составляет всего 0,1%, в то время как экспорт сырья и энергоносителей — 68,6% (данные на 2008 год). При оценке развития отрасли относительно персонала были выделены две основные тенденции: сокращение персонала в целом (примерно на 3% за год при сравнении 2008 и 2009 года) и увеличение среднего возраста специалистов, занятых в этой отрасли: более трети специалистов уже старше 60 лет.



Рис. 3. Хартмут Пошманн во время доклада

При рассмотрении рынка печатных плат отмечено, что потребности российского рынка могут быть примерно лишь на 30% покрыты внутренним производством, около 2/3 импортируется (состояние на 2007 год). В качестве причин были названы: моральное и физическое устаревание производства, несоответствие современным стандартам, длительные сроки поставки и т. д. Первоочередная задача отрасли — осознание и анализ имеющихся проблем и последующая реструктуризация производства с использованием новейших систем организации и технического оснащения. В конце доклада были рассмотрены государственные программы поддержки развития отрасли с ключевыми направлениями и показаны возможности для сотрудничества между немецкими и российскими компаниями. Учитывая ценность и актуальность результатов этого исследования, планируется опубликовать их в ближайшее время в полном объеме (более 100 страниц) в виде отдельной книги.

Доклад профессора Михаэля Раушера, представляющего экономический факультет Университета г. Росток, был посвящен теме повышения конкурентоспособности компаний за счет внедрения экологически чистых технологий производства. Согласно классической теории экономики считается, что введение строгих экологических стандартов экономически невыгодно, однако последние исследования доказывают обратное, что было продемонстрировано на примере таких стран, как Германия, Япония и Швеция. Введение экологических стандартов в отдельных компаниях может повысить их конкурентоспособность в случае, если, во-первых, экологической продукции отдается предпочтение на рынке, во-вторых, если ведущая компания предвосхищает введение подобных стандартов и тем самым может увеличить затраты конкурирующих компаний, и в-третьих, если экологические инновации ведут к повышению эффективности производства (рис. 4).



Рис. 4. Эффект экологического регулирования

Вторая часть семинара была посвящена докладам с российской стороны. В ходе подготовки этого мероприятия ассоциацией АПЭАП был проведен конкурс на лучшую работу в области прикладных исследований в приборостроении. Для участия в конкурсе были разосланы приглашения в более чем 40 профильных институтов во всей России. В итоге совместно с Институтом приборостроения и схемотехники были выбраны две работы, авторы которых получили возможность представить результаты своих исследований в Германии за счет финансирования в рамках проекта NEFEAT.



Рис. 5. Антон Нисан во время доклада

В первом докладе Антон Нисан (рис. 5), представляющий Московский институт электроники и математики (МИЭМ) и компанию Остек, познакомил немецких специалистов с деятельностью российской Ассоциации производителей электронной аппаратуры и приборов. Так как эта ассоциация была образована всего три года назад, для успешного развития на данном этапе особенно важно ее представление как в России, так и на международном уровне. Были описаны отдельные комитеты ассоциации, их цели и задачи, а также активные шаги, предпринимаемые для их достижения. Далее была вкратце представлена российская электронная промышленность, показаны предпосылки для дальнейшего развития отрасли и эффективность инвестиций в производство электроники в России. В качестве основных направлений развития электроники, которые поддерживает ассоциация АПЭАП, были названы энергосберегающие технологии, системы безопасности, телекоммуникационная техника, медицинское оборудование, автомобильная и промышленная электроника.

Далее с докладом на тему «Исследование ресурса надежности паяных соединений» выступил Николай Павлов (Московский авиационный институт, МАИ). После введения в Европе директивы RoHS, ограничивающей применение свинца в электронике, многие российские производители столкнулись с проблемой ограниченной доступности компонентов со свинецсодержащей металлизацией и вынуждены применять бессвинцовые компоненты в комбинации со свинецсодержащими припоями, что особенно критично для компонентов с шариковыми контактами (BGA, CSP). В докладе было указано на актуальность вопроса надежности подобных смешанных паяных соединений на примере отдельного исследования. Также были рассмотрены проблемы, характерные для бессвинцовых паяных соединений, и в заключение представлены модели, описывающие надежность паяных соединений.



Рис. 6. Сквозное соединение, заполненное припоем после термоциклической нагрузки

В своем втором докладе Антон Нисан продемонстрировал результаты рентгеноскопического анализа готовых электронных модулей. Учитывая возрастающую сложность электронных узлов, этот метод становится все более популярным, так как он позволяет проводить контроль скрытых дефектов (рис. 6), многие из которых не могут быть обнаружены с помощью оптической микроскопии и электрического тестирования, например поры в паяных соединениях, трещины в металлизации сквозных соединений многослойных печатных плат, плохое смачивание контактных площадок и пр. Подобные дефекты, хотя, как правило, и не оказывают влияния на фунцкионирование узла в исходном состоянии, значительно снижают надежность соединений и срок службы готовых электронных модулей. В качестве ограничений эффективности метода рентгеноскопии были названы невысокая повторяемость результатов и затраты времени (рис. 7), которые связаны с недостаточным уровнем квалификации персонала, отсутствием системы сертификации и использованием этого метода без дополнительного электрического контроля.



Рис. 7. Содержание пор (в процентах от площади) в паяных контактах BGA в зависимости от параметров рентгеноскопии

19 мая состоялся семинар по технологиям пайки, организованный Институтом схемотехники и приборостроения. Этот семинар проводится ежегодно с 2008 года и является своего рода платформой для обмена опытом в области разработки технологий пайки и монтажа и надежности паяных соединений. После того как профессор Матиас Новоттник представил университет, описав последние результаты исследований, полученных в институте, выступил г-н Хартмут Пошманн, который в несколько сокращенном виде сообщил присутствующим результаты исследования российского рынка печатных плат.

Дирк Шаде, представляющий голландскую компанию XYZtec, сделал доклад на тему механического тестирования бессвинцовых электронных модулей. Наряду с такими классическими тестами механической прочности соединений, как испытание на срез паяных соединений и испытание на растяжение микросварных соединений, компания постоянно разрабатывает новые методы тестирования в соответствии с запросами производства. Одна из последних разработок компании — испытание на отслаивание отдельных элементов солнечных батарей (рис. 8), соединенных в процессе пайки. На данный момент отсутствует стандарт, в котором были бы четко описаны требования к испытанию на отслаивание элементов солнечных батарей и к параметрам его проведения (угол приложения усилия, скорость отрыва). Было отмечено, что для правильной интерпретации результатов испытания важны не только измеренные величины, но и анализ характера разрушения. В конце доклада было рассказано об установке для испытания на срез медных контактов силовых электронных модулей, применяемых в новом поколении автомобилей и в установках альтернативных источников энергии.



Рис. 8. Установка для испытания на отслаивание элементов солнечных батарей

Один из спонсоров этого семинара, ведущая немецкая компания — производитель шаблонов для нанесения паяльной пасты и клея Christian Koennen GmbH, представила свои последние разработки в двух докладах. Сначала Ральф Вебер подробно описал технологию трафаретной печати и требования к современному производству трафаретов на примере компании Koennen. В качестве последних ее разработок были названы Trampolinsieb и HotScreen. Так, например, в трафарет HotScreen были специально интегрированы структуры для поддержания постоянного значения температуры (30…100 °C с точностью ±3 °C по площади всего трафарета) для улучшения процесса нанесения и точности контуров печати. Далее была продолжена тема предыдущего доклада и показано новое применение технологии трафаретной печати — нанесение паяльной пасты на модули солнечных батарей. Для производства панелей солнечных батарей ее отдельные модули соединяются методом пайки (рис. 9). Припой может быть нанесен в виде узких полосок с шириной от 20 до 100 мкм, что делает необходимым модификацию паяльной пасты, трафарета и процесса нанесения.



Рис. 9. Паяное соединение между отдельными модулями панели солнечной батареи

Второй доклад руководителя отдела прикладных исследований компании Koennen Харальда Грумма был посвящен технологии шаблонной печати. Согласно статистике около 60% дефектов связаны с процессом нанесения паяльной пасты. Целью является бездефектное производство. Были показаны шаги, предпринимаемые для предотвращения дефектов, связанных с шаблоном. К ним относятся: соблюдение правил при определении формы и размеров отверстий, специальная обработка поверхности шаблонов (обработка плазмой, электрополировка, специальные покрытия). Одна из тенденций в производстве шаблонов — производство многоуровневых шаблонов (рис. 10), которые позволяют наносить различные объемы пасты на рельефные платы и осуществлять компенсацию неровностей платы, например слоя паяльной маски. В заключение были показаны возможности отдела прикладных исследований компании Koennen, в котором разрабатываются индивидульные решения для клиентов.



Рис. 10. Многоуровневый шаблон

Андрей Новиков из Университета г. Росток сообщил о результатах исследований наноскалированого припоя, при помощи которого можно значительно снизить температуру пайки. Переход на бессвинцовые припои, обусловленный директивой RoHS, требует поиска альтернативных материалов. Наиболее часто используемым бессвинцовым припоем в настоящий момент является SnAgCu, который по сравнению с эвтектическим припоем SnPb имеет более высокую температуру плавления и температуру обработки. Более высокая температура пайки ведет к более высокому потреблению энергии во время процесса монтажа, а также может вызвать повреждения некоторых чувствительных электронных компонентов. При использовании наноскалированного припоя (рис. 11) особое внимание должно быть уделено защите от окисления.



Рис. 11. Слой припоя толщиной 20 нм

В заключение Йорг Тродлер из компании Heraeus прочел доклад о низкотемпературных процессах пайки с использованием эвтектического припоя SnBi. Компания Heraeus разработала паяльную пасту и провела испытания параметров печати, процесса пайки на различных финишных металлизациях и исследования надежности паяных соединений. При пайке компонентов BGA с шариками припоя SnAgCu с пастой припоя SnBi практически исключено образование пор в паяном соединении, так как SnAgCu в процессе пайки не расплавляется (рис. 12). Первые испытания надежности проводились нагрузкой термоциклированием –40…+125 °C с 1000 циклов. Применение припоев системы SnBi дает много преимуществ, например уменьшение температурной нагрузки на печатные платы и компоненты, экономию энергии и более долгий срок эксплуатации печей оплавления, возможность проведения многоуровневой пайки, облегчение процесса ремонта. При использовании припоя SnBi следует избегать присутствия свинца для предотвращения образования сплава Розе с температурой плавления 96 °C, а также необходима оптимизация процесса пайки на финишной поверхности с никелем.



Рис. 12. Паяное соединение компонента BGA: шарик припоя SnAgCu, паяльная паста SnBi, металлизация платы OSP

После дискусии в конце семинара участникам было продемонстрировано оборудование нескольких лабораторий университета: растровый электронный микроскоп, установка измерения силы смачивания припоя, установка для измерения усилия на срез паяных соединений, ремонтный центр, установка для монтажа шариков припоя для компонентов BGA и установка для вакуумной пайки.

20 мая для российских участников была организована экскурсия в ведущий институт прикладных исследований в области системной интегрции и технологий корпусирования — Институт надежности и микроинтеграции (IZM) имени Фраунгофера в Берлине. Российские специалисты посетили лаборатории испытаний надежности электронных модулей, технологий пайки и микромеханического анализа материалов. Особым пунктом программы был осмотр новой линии химических процессов производства печатных плат (рис. 13), которая используется для разработки новых технологий, таких как производство растяжимых или гибких плат, разработка процессов производства печатных плат с особо высокой плотностью соединений и производство субстратов для трехмерной интеграции активных компонентов. Максимальный размер плат, обрабатываемых на этой линии, составляет 610×456 мм. Производственная линия может быть использована как для разработки и прямого трансфера новых технологий по заказу промышленных компаний, так и для научных целей за счет быстрой перенастройки ее отдельных модулей.



Рис. 13. Линия производства печатных плат

В третьей части проекта NEFEAT запланировано участие немецких специалистов в подготовке и проведении международного симпозиума «Асолд» на тему «Ключевые факторы повышения эффективности производств электроники», в котором будут рассмотрены вопросы обеспечения качества и надежности электронных узлов и представлены передовые технологии производства электроники. Симпозиум состоится в рамках «Российской недели электроники» в конце октября 2010 года. Маркетинговое исследование российского рынка печатных плат, начатое во второй части проекта, будет расширено: добавлены новые темы — электронные компоненты и модули.

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо

Продажа VW: фв поло седан комплектации и цены в автосалоне Москва.
Свадебный фотограф нижний новгород
Свадебный портал. Новости Нижнего Новгорода и области
kuzin-art.com
Детская верхняя одежда оптом
Стильная трикотажная одежда для детей и подростков от производителя
klyu-kva.com
Атрибутика футбольная
Интернет-магазин спортивной атрибутики. Футбольный портал. Футбольный клуб
fanstrit.ru