Финишные покрытия под поверхностный монтаж современной элементной базы


PDF версия

Появление новых методов пайки, электроконтроля и сборки привело к повышению требований к качеству финишных покрытий ПП. В статье рассмотрены технологии осаждения качественно новых финишных покрытий, обеспечивающих способность к пайке при высоких температурах в течение длительного времени и допускающих несколько перепаек.

Развитие электронной промышленности постоянно ставит новые задачи перед производителями печатных плат (ПП). Миниатюризация конечных изделий требует, с одной стороны, значительно снижать размеры самих ПП, с другой — повышать плотность монтажа.

Появление новых методов пайки, современные методы электроконтроля и сборки, а также переход на бессвинцовые технологии привели к повышению требований к качеству финишных покрытий ПП.

Финишное покрытие должно обеспечить сохранение паяемости печатных плат в течение достаточно длительного времени, возможность нескольких перепаек, плоскую и ровную поверхность, надежный монтаж электронных компонентов и паяных соединений.

Среди методов нанесения финишных покрытий наибольшее распространение получили лужение, химическое и гальваническое осаждение. Лужение — достаточно простой способ, однако он постепенно теряет свою актуальность из-за сложности получения поверхностей с высокой плоскостностью, а также высоких температур процесса, отрицательно влияющих на надежность.

Гальваническое осаждение — быстрый и хорошо контролируемый процесс, но в случае нанесения финишного покрытия по сформированному металлическому рисунку он требует наличия электрического контакта между всеми поверхностями, что бывает достаточно сложно обеспечить. Для этого применяются технологические перемычки, соединяющие различные проводники и области в единое целое, которые потом удаляются, однако это в любом случае снижает технологичность процесса.

Гальваническое оловянно-свинцовое покрытие (гальванический ПОС) — это «побочный эффект» комбинированного позитивного метода изготовления печатных плат. Олово и свинец в пропорциях, близких к эвтектическому сплаву, наносятся гальваническим методом под маску до травления меди, поэтому электрический контакт обеспечивается медной фольгой. Данное покрытие выполняет роль металлического резиста при травлении, а затем оплавляется. Основными недостатками данного метода являются отсутствие достаточной плоскостности, а также нанесение паяльной маски в местах проводников не на медную поверхность, а на поверхность, покрытую припоем, который, расплавляясь при пайке оплавлением, а часто и при ручной пайке вблизи контактных площадок, приводит к отслаиванию маски и появлению эффекта апельсиновой корки паяльной маски. Для устранения эффекта отслаивания, данное покрытие в некоторых случаях в соответствующих местах удаляется механически до нанесения маски, однако этот способ снижает технологичность и надежность платы. В настоящее время это покрытие применяется в некоторых изделиях, где отсутствует паяльная маска и/или указанные недостатки не играют большой роли, а также не предъявляется требований по исключению свинца, и ширина проводников плат и зазоры между элементами рисунка составляют не менее 0,25…0,3 мм.

В силу этих причин среди металлических покрытий все больше и больше отдается предпочтение т.н. иммерсионным покрытиям (от англ. immersion — погружение). Действительно, для этого процесса достаточно погрузить деталь в раствор из менее электроотрицательного металла, чтобы начался процесс иммерсионного осаждения.

Иммерсионные процессы — это контактное восстановление металлов из их растворов на электроотрицательных поверхностях. Происходит реакция замещения металла основы на металл из раствора. После образования плотной пленки процесс останавливается, поскольку прекращается контактный обмен. Поэтому иммерсионные процессы образуют принципиально тонкие покрытия — порядка десятых долей микрона. Но и при такой толщине в осаждаемой пленке не может быть непрокрытий, поскольку контактный процесс восстановления продолжится до тех пор, пока поверхность основы не закроется.

Этот метод химического осаждения обеспечивает достаточно тонкие и однородные покрытия именно тех участков, где имеется открытая медь, т.е. благодаря реакции замещения процесс является самоуправляемым.

Известные в настоящее время технологии финишных покрытий — иммерсионное золочение с подслоем химического никеля, иммерсионное оловянирование, химическое серебрение, осаждение органической защиты (OSP) — позволяют получить плотное и идеально ровное покрытие, не содержащее свинец. Эти технологии являются альтернативой широко распространенной технологии горячего лужения (НАSL) и довольно успешно решают большую часть поставленных задач.

Горячее лужение ПОС-63 (HASL)

Толщина: 12…20 мкм.

Процесс горячего облуживания основан на погружении платы на ограниченное время в ванну с расплавленным припоем и быстрой выемке ПП с обдувкой струей горячего воздуха, убирающей излишки припоя и выравнивающей покрытие.

Рис. 1. Наплывы припоя на внутренней поверхности переходного отверстия

Но, несмотря на все старания, наплывы припоя остаются (см. рис. 1). Особенно много их на развитых металлических поверхностях. В последующей сборке наплывы мешают установке мелких компонентов, что ограничивает применение HASL.

Плюсы:

– наиболее хорошо известный и традиционно применяющийся метод покрытия; технология его нанесения и практика дальнейшего использования плат, покрытых HASL, хорошо отработана;

– хорошая прочность паяного соединения;

– выдерживает множество циклов пайки.

Минусы:

– значительная неплоскостность контактных площадок;

– содержит свинец, вреден для окружающей среды и обслуживающего персонала;

– затруднено применение для плат с большим соотношением толщины платы и диаметра металлизированного отверстия;

– значительная тепловая нагрузка на плату, что может вызвать ее коробление;

– жесткий термоудар, который испытывают межслойные соединения многослойной платы при погружении в расплавленный припой;

– возможны замыкания контактных площадок компонентов с малым шагом; не рекомендуется применять данный метод для компонентов с шагом менее 0,5 мм.

Иммерсионное золочение

 (Electroless Nickel/Immersion Gold — ENIG)

Толщина: 3…6 Ni; 0,05…0,1 Au мкм.

Нанесение иммерсионного золота возможно как по чистой меди, так и по подслою химического никеля. При этом золото предотвращает окисление никеля и обеспечивает превосходную паяемость, а никель служит барьером между медью и слоем золота, предотвращая взаимную диффузию золота и меди и увеличивая время хранения печатной платы. Слой иммерсионного золота — ровный, компактный и мелкокристаллический (см. рис. 2). Он имеет хорошее сцепление с подслоем химического или электрохимического никеля и хорошо паяется с малоактивными флюсами. Эти характеристики особенно важны при сборке печатных плат.

Рис. 2. Покрытие иммерсионного золота

Плюсы:

– плоская поверхность, равномерная толщина покрытия;

– подходит для установки компонентов с малым шагом;

– не влияет на размер металлизированных отверстий;

– выдерживает многократное термоциклирование;

– длительный срок хранения;

– хорошая паяемость;

– хорошая смачиваемость припоем при правильном подборе флюса.

Минусы:

– возможно появление дефектов типа «черные площадки»;

– несовместимость многих паяльных масок с высокотемпературной ванной никелирования;

– не оптимально для плат с высокоскоростными сигналами;

– паяемость сильно зависит от правильного выбора очистителей, флюса и режимов пайки;

– содержит никель, который считается канцерогеном;

– относительно высокая стоимость.

Иммерсионное серебро

(ImmAg — Immersion Ag)

Технологический процесс нанесения похож на процесс получения слоя иммерсионного золота.

Толщина покрытия: 0,05…0,1 мкм.

Плюсы:

– плоская поверхность, равномерная толщина покрытия;

– подходит для установки компонентов с малым шагом;

– не влияет на размер металлизированных отверстий;

– длительный срок хранения;

– дефекты типа «черные площадки» отсутствуют;

– достаточно простой процесс нанесения;

– сравнительно недорогое покрытие.

Минусы:

– высокий коэффициент трения, не оптимально для монтажа элементов методом запрессовки (press-fit);

– покрытие может тускнеть со временем;

– высокая миграционная способность серебра приводит к росту дендридов и волосяных мостиков, что, в свою очередь, приводит к короткому замыканию.

Органическая защита OSP

(Organic Solderability Preservative)

Толщина покрытия: 0,2…0,6 мкм.

Альтернативой покрытия металлами выступают органические защитные покрытия. Эти покрытия обеспечивают очень плоскую поверхность и не приводят к возможности замыкания контактов элементов с большой степенью интеграции, при стоимости гораздо меньшей, чем покрытие никелем или золотом. Применение OSP позволяет в дальнейшем при пайке использовать флюсы, смываемые водой, или безотмывные флюсы. К тому же, этот процесс экологически более безопасен. Тесты показали, что при нормальных условиях хранения печатные платы, покрытые OSP, сохраняют паяемость более одного года.

Органическое покрытие разлагается при пайке, тогда как металлические покрытия растворяются в сплаве, образующем паяное соединение.

Плюсы:

– плоская поверхность;

– не влияет на размер металлизированных отверстий;

– быстрый, достаточно недорогой процесс нанесения;

– не содержит никель;

– хорошая прочность паяных соединений.

Минусы:

– не способно к повторной пайке;

– может потребоваться переналадка сборочной линии;

– после сборки могут оставаться места с открытой медью (например, тестовые точки);

– ограниченное термоциклирование;

– чувствительно к растворителям, которые применяются для удаления неправильно нанесенной паяльной пасты;

– при электротестировании платы тестовые щупы прокалывают покрытие, что может привести к появлению участков открытой меди.

Иммерсионное олово (Immersion Tin — ImmSn) с подслоем органического металла

Толщина: 0,5…0,8 Sn мкм.

Это иммерсионное покрытие обеспечивает высокую плоскостность печатных площадок платы и совместимо со всеми способами пайки, нежели ENIG. Процесс нанесения иммерсионного олова схож с процессом нанесения иммерсионного золота.

Иммерсионное олово обеспечивает хорошую паяемость после длительного хранения, что достигается введением подслоя органометалла (0,08…0,1 мкм) в качестве барьера между медью контактных площадок и непосредственно оловом (см. рис. 3). Барьерный подслой предотвращает взаимную диффузию меди и олова, образование интерметаллидов и рекристаллизацию олова. В данном случае подозрения, что из ImmSn самопроизвольно могут образоваться нитевидные кристаллические усы, несостоятельны, поскольку толщина покрытия недостаточна для их формирования. А в результате пайки оно теряет самостоятельность для каких-либо неблагоприятных процессов, характерных для чистого олова.

Рис. 3. Ровное покрытие иммерсионного олова

Плюсы:

– отличная паяемость;

– плоская поверхность, покрытие подходит для установки компонентов с малым шагом выводов;

– можно использовать те же паяльные пасты, что и для плат с покрытием HASL;

– полная совместимость с бессвинцовыми припоями;

– способность к многократной перепайке;

– простота эксплуатации;

– стабильный процесс;

– простые анализы;

– хорошие условия для обеспечения соединений типа Press-Fit (Пресс-фит) (запрессовывание штырей-хвостовиков разъемов в металлизированные отверстия плат);

– не влияет на размер металлизированных отверстий;

– сравнительно недорогое покрытие;

– допускается нанесение покрытия как по маске, так и до нанесения маски.

Минусы:

– платы требуют осторожного обращения;

– не пригодно для производства клавиатур/сенсорных панелей.

Но существует еще одно, едва ли не самое основное требование к финишным покрытиям ПП: НАДЕЖНОСТЬ. И вот тут-то испытания образцов ПП с различными видами финишных покрытий показали, что свежеосажденные покрытия имеют характеристики, не уступающие характеристикам при горячем лужении (HASL), чего нельзя сказать о результатах после искусственного старения.

На примере одной из важнейших характеристик покрытий — смачиваемости — мы видим ухудшение или полное отсутствие смачиваемости по сравнению с горячим лужением при следующих условиях искусственного старения:

1. Пары воды/8 час:

– HASL — смачиваемость 1,07;

– химический Ni/иммерсионное Au — смачиваемость 0.

2. Т = 85°С/отн. влажность 85%/ 24 час:°С

– HASL — смачиваемость 1,0;

– химическое Ag — смачиваемость 0,9;

– иммерсионное Sn (традиционный процесс) — смачиваемость 0,9.

3. Т= 155°С/4 час:

– HASL — смачиваемость 1,0;

– иммерсионное Sn (традиционный процесс) — смачиваемость 0,69;

– органическая защита (OSP) — смачиваемость 0.

Эти результаты приводят к значительному уменьшению области применения ПП с указанными финишными покрытиями.

В итоге рейтинг паяемости бессвинцовых финишных покрытий можно выстроить, как показано на рисунке 4.

Рис. 4. Улучшение характеристик паяемости в зависимости от финишных покрытий

Далее остановимся на рассмотрении двух самых перспективных финишных покрытиях: иммерсионное олово с подслоем органнометалла и иммерсионное золото с подслоем никеля.

ООО «Остек-Сервис-Технология» совместно с компанией J-KEM International AB (Швеция) предлагает к использованию технологию осаждения иммерсионного олова нового поколения, которая позволяет получить финишное покрытие, отвечающее современным требованиям к покрытиям ПП и обеспечивающее высокую надежность.

Производителям ПП хорошо известны проблемы традиционных финишных покрытий иммерсионным оловом. Это миграционные процессы, связанные с диффузией меди и олова, образование интерметаллидов на границе медь/олово, рекристаллизация олова и, как следствие, рост дендридов, потеря паяемости после непродолжительного хранения.

Разработанная технология осаждения иммерсионного олова нового поколения — это комбинация двух технологий: осаждения на медь Органического Mеталла (ОМ) в качестве барьерного слоя и последующего осаждения слоя иммерсионного олова.

Рис. 5. Механизм электронной проводимости органического металла

Что же представляет собой так называемый органический металл?

Атомы классических металлов окружены «электронными облаками», обеспечивающими неограниченное перемещение электронов. Но это же свойство было обнаружено в веществе — полимере! — которое не относится к группе классических металлов (см. рис. 5):

– соединение чисто органическое, содержит C, H, O, N, S;

– не имеет металлических добавок;

– проводит электрический ток;

– имеет потенциал «благородного металла» (серебро);

– обладает каталитическими свойствами;

– может быть окислено и восстановлено без видоизменений;

– полностью нерастворимо и может использоваться только в виде дисперсии.

Предварительная обработка очи-
щенной медной поверхности в растворе органического металла значительно снижает скорость диффузионных процессов, препятствует образованию интерметаллидов и рекристаллизации олова, позволяя получить покрытие с высокими техническими характеристиками. Присутствие органического металла оказывает прямое влияние на структуру последующего осадка иммерсионного олова. Создается более совершенная и менее напряженная структура олова, что дает возможность получить более плотную, гладкую поверхность. Это приводит к значительному снижению скорости процессов окисления и образования дендридов (см. рис. 6 и 7).

Рис. 6. Покрытие иммерсионного олова на медь без использования органического металла (мелкие четкие кристаллы, поверхность шероховатая, структура пористая)

Рис. 7. Покрытие иммерсионного олова на медь с использованием органического металла в качестве барьерного слоя (кристаллическая структура более совершенна, поверхность гладкая, структура плотная)

Результаты испытаний образцов ПП, на которые в качестве финишного покрытия было нанесено иммерсионное олово с барьерным слоем органического металла, показали, что смачиваемость поверхности (среднее значение — 1,28) даже несколько лучше, чем при горячем лужении (среднее значение — 1,08). Паяемость покрытия сохраняется до нескольких лет без консервации.

Процесс прост в эксплуатации, легко контролируется, экономичен, может проводиться как в вертикальных, так и в горизонтальных линиях (см. рис. 8).

Основные стадии процесса:

– кислая очистка;

– микротравление;

– осаждение органического металла;

– осаждение иммерсионного олова.

Рис. 8. Осаждение иммерсионного олова на линии горизонтального типа

Кислый очиститель удаляет окислы с поверхности меди.

Микротравитель — это стабилизатор для травильного раствора меди, основанного на серной кислоте и перекиси водорода. Воздействуя химически на медную поверхность, микротравитель создает топологию поверхности, обеспечивающую хорошую адгезию с последующими химическими и электрохимическими покрытиями.

Финишное покрытие иммерсионным оловом с подслоем органического металла, при толщине 1 мкм, имеет ровную, плоскую поверхность, сохраняет паяемость и возможность нескольких перепаек даже после длительного хранения, имея технические характеристики покрытия, полностью отвечающие современным требованиями к ПП (см. рис. 9).

Рис. 9. Иммерсионное олово с подслоем органического металла

Покрытие ImmSn с подслоем органического металла прошло многочисленные испытания и хорошо закрепилось в производстве ПП. Это покрытие используется в России уже около восьми лет. В настоящее время ImmSn с подслоем органического металла внедрено на 15 российских предприятиях, где успешно работает. На все растворы, составляющие процесс осаждения иммерсионного олова с подслоем органического металла, выпущены российские ТУ, а сам процесс введен в действующий стандарт отрасли ОСТ 107.460092.028-96 «Печатные платы. Технические требования к технологии изготовления».

Также компания ООО «Остек-Сервис-Технология» совместно с фирмой J-KEM International AB предлагает технологию нанесения иммерсионного золота.

Само золотое иммерсионное покрытие представляет собой композицию из меди контактной площадки, подслоя химически осажденного никеля и иммерсионно осажденного золота. Тонкий слой золота толщиной 0,05…0,1 мкм несет единственную функцию — защитить никель от окисления для последующей пайки. При пайке оно быстро растворяется в припое и обнажает свежую поверхность никеля для смачивания припоем.

Всякий иммерсионный процесс состоит в реакции замещения одного металла другим из раствора. Поэтому толщина иммерсионного золота в данном случае принципиально не может быть большой — как только поверхность никеля будет закрыта золотом, ее общение с раствором для реакции замещения прекратится. Это значит, что все участки поверхности никеля будут обязательно покрыты золотом, пока они свободны для реакции замещения. Это еще значит, что несмотря на чрезвычайно малую толщину иммерсионно осажденного золота, его сплошность гарантируется самим механизмом процесса.

Иммерсионное золото можно было бы осаждать и прямо на медь контактной площадки, но их взаимная диффузия приводила бы к быстрой потере паяемости из-за превращения тонкого слоя золота в интерметаллоид CuXAuY, не растворимый в припое. Барьерный подслой никеля толщиной 3…6 мкм предотвращает этот процесс диффузии и потерю паяемости (см. рис. 10).

Рис. 10. Покрытие никель-фосфор, полученное из раствора химического никелирования КЕМ НИ 6000. Увеличение 10000

Рассмотрим последовательность процесса нанесения иммерсионного золота с подслоем химического никеля:

– кислая очистка;

– микротравление;

– активация;

– химическое осаждение подслоя никеля;

– нанесение иммерсионного золота.

Кислый очиститель удаляет масла, окислы, отпечатки пальцев с медных поверхностей. Он не оказывает воздействия на паяльную маску, краски, эпоксифенольные подложки. Микротравитель равномерно подтравливает медную поверхность, что дает отличную адгезию с последующим осаждением никеля.

Коллоидный палладиевый активатор полностью катализирует медную поверхность, не затрагивая диэлектрики. Использование активатора гарантирует получение плотного никелевого осадка при обработке в последующей ванне химического никелирования. Раствор химического никелирования дает качественное полублестящее покрытие сплавом никель-фосфор с хорошей пластичностью и отличной адгезией к медной поверхности контактной площадки.

Из раствора иммерсионного золочения должен получаться плотный, мелкокристаллический, блестящий золотой осадок 24-каратного золота (см. рис. 11).

Рис. 11. Плотное 24 каратное покрытие золотом, полученное из раствора иммерсионного золочения КЕМ А 3000

Печатные платы, защитное покрытие на которые нанесено с помощью ENIG-процесса, могут иметь характерный дефект, называемый «черная контактная площадка» («black pad»). Данный дефект приводит к образованию механически непрочных паяных соединений, которые могут треснуть и/или отслоиться даже под действием минимальной нагрузки. Дефект наиболее отчетливо проявляется для корпусов с матричным расположением выводов вследствие большей жесткости — BGA, QFP, QFN. Название дефекта произошло от темно-серой или черной поверхности площадки, обнажающейся при отслоении паяного соединения.

Практика работы на ПТК ПП ГРПЗ показала, что явление «черная контактная площадка» связано с чрезмерной коррозией никеля в процессе иммерсионного осаждения золота. Если кристаллическая структура осажденного никеля имеет вид, отличный от нормального (см. рис. 10), с большими межкристаллитными прослойками, как показано на рисунке 12, это означает, что не вся поверхность никеля участвует в обменных реакциях с раствором золочения, а сами инородные прослойки, не покрытые золотом, являются причиной зарождения очагов коррозии (см. рис. 13, 14).

Рис. 12. Кристаллическая структура химически восстановленного никеля с большими межкристаллитными прослойками

Рис. 13. Черная поверхность никеля при увеличении

Рис. 14. Примеры образования дефекта «черная контактная площадка» для корпусов BGA и QFP: а) треснувшее паяное соединение с участием шарикового вывода BGA-компонента; б) посадочное место для BGA-компонента с одной черной контактной площадкой; в) припаянный компонент QFP с треснувшим и смещенным выводом; г) черные участки на КП под QFP-компонент после снятия компонента и удаления избыточного припоя

Что провоцирует образование чрезмерно больших межкристаллитных прослоек?

Механизм, ведущий к возникновению черной контактной площадки, в настоящее время еще окончательно не изучен, однако проведенные исследования свидетельствуют, в частности, о влиянии на его появление содержания фосфора в ванне, а также остаточного фосфора в покрытии после его нанесения. Фосфор выделяется в процессе восстановления никеля на поверхность медной площадки; при пайке и растворении золота в припое этот поверхностный слой фосфора обнажается. Он имеет плохую паяемость — припой не смачивает его поверхность и скатывается с нее.

Известно, что при образовании кристаллической структуры все инородные для кристалла компоненты вытесняются в пространство между кристаллами — в межкристаллитные прослойки. В данном случае фосфор, сопровождающий реакцию химического восстановления никеля, может образовывать с никелем твердый раствор, а может и вытесняться в межкристаллитное пространство. Мелкокристаллическая структура никеля с межкристаллитными прослойками образуется при содержании фосфора до 7%. При большем содержании фосфора — от 7 до 12% — структура никелевого слоя приобретает аморфную форму и, значит, не имеет кристаллической структуры и межкристаллитных прослоек. В этом случае реакция замещения никеля золотом происходит равномерно по всей поверхности с хорошей укрывистостью, что предотвращает процессы окисления никеля. Из этого следует первая рекомендация — чтобы предотвратить образование «черной контактной площадки» при химическом никелировании следует обеспечивать максимальную концентрацию фосфора.

Подготовка поверхности под иммерсионное золочение является основополагающей операцией обеспечения необходимой морфологии наносимых затем покрытий никеля и золота. Гарантированные результаты дают растворы микротравления. При микротравлении поверхность меди активируется за счет удаления верхнего «отравленного» слоя и получает микрошероховатость, обеспечивающую хорошую адгезию никеля. Равномерная активация поверхности меди способствует равномерному осаждению палладия за счет реакции замещения, а это, в свою очередь, обеспечивает равномерное осаждение никеля. Важно, что за этим должна следовать тщательная отмывка металлизируемой поверхности для предотвращения попадания палладия в раствор никелирования, что привело бы к разрушению раствора.

Отсюда вторая рекомендация — поверхности, подлежащие иммерсионному золочению, должны быть максимально сглажены, что достигается выполнением операции микротравления.

Процесс восстановления золота сопровождается растворением никеля, т.е. это процесс коррозии никеля. При больших скоростях реакции процесс замещения может оказаться несбалансированным, и коррозия никеля может стать преобладающей, и под золотом уже образуется черная, пока не заметная глазу, поверхность никеля. Предлагаемые на рынке готовые процессы и растворы для иммерсионного золочения предусматривают в своем составе компоненты, притормаживающие окислительно-восстановительный процесс. Третья рекомендация — нужно использовать надежных проверенных поставщиков химических процессов и материалов.

Перечислим общие рекомендации по обеспечению устойчивости процесса иммерсионного золочения:

1. Большинство производителей используют комбинированный позитивный метод, предусматривающий применение металлорезиста в виде олова для избирательного травления меди. Для последующего нанесения маски и иммерсионного золочения его удаляют. Важно, чтобы его удаление и последующая промывка были полными, иначе остатки металлорезиста могут стать причиной локальной коррозии меди с распространением ее на последующие слои никеля.

Для тентинг-метода нужно предусмотреть тщательное проявление и отмывку фоторезиста, не допуская наличия вуали.

2. При осаждении никеля важно предотвратить высокие скорости осаждения, которые порождают толстые и глубокие межкристаллитные образования — причины коррозии. Для этого в первую очередь необходимо точно поддерживать рН раствора в пределах ±0,1. То же относится к точности поддержания температуры раствора: ±1°С при общей температуре раствора в пределах 85…90° С. В процессе работы раствор никелирования требует постоянного пополнения никелем и восстановителем. Поэтому ванны никелирования целесообразно оснастить системой автоматического дозирования и управления рН и температурой.

3. Для обеспечения стабильности процесса никелирования в составе раствора предусмотрено наличие стабилизатора. Контроль содержания стабилизатора должен являться частью ежедневного обслуживания ванны химического никелирования.

Активное перемешивание раствора способствует доставке стабилизатора к металлизируемой поверхности, компенсирующей его дефицит.

4. Равномерность и скорость осаждения золота обеспечивается поддержанием его концентрации в растворе и температурой раствора. Слишком высокая температура ведет к неравномерному осаждению золота и нежелательному ускорению окислительно-восстановительных реакций. Слишком низкая температура замедляет процесс осаждения.

Низкая концентрация золота обуславливает неоднородность покрытия с непрокрытиями, под которыми никель не получает защиты от окисления и коррозии.

Время погружения плат в ванну золочения должно быть достаточным для получения сплошной пленки, но не более. Излишнее пребывания плат в ванне золочения несущественно увеличивает толщину золота, но за счет неизбежных диффузионных процессов приводит к коррозии никеля.

5. Иммерсионное золочение производится на монтажных поверхностях — в окнах паяльной маски. Нужно добиваться полного проявления, отмывки и отверждения маски, чтобы в окнах не было ее остатков, которые будут потом нарушать морфологию осадков. Не до конца отвержденная маска будет разрушаться в агрессивных горячих растворах химического никелирования и осаждаться на поверхности контактных площадок. Адгезия покрытий будет ослаблена.

6. Некоторые поставщики паяльных масок не гарантируют их устойчивость к горячим растворам никелирования, поэтому они рекомендуют использовать иммерсионное золочение до нанесения паяльной маски. Это не правильно!

Открытая поверхность диэлектрического основания плат, имеющего значительную пористость, впитывает ионногенные продукты растворов, которые не могут быть полностью удалены даже тщательной промывкой. Их остатки в виде ионов металлов и галогенов приводят к существенному снижению качества электрической изоляции плат и потере их надежности. Не до конца отмытые ионогенные остатки растворов снижают сопротивление изоляции в условиях повышенной влажности. Остатки химических загрязнений в условиях повышенной влажности провоцируют осмотические явления, приводящие к отслоению паяльной маски и влагозащитного покрытия. Ионогенные загрязнения создают на поверхности платы под маской электролит, в котором развиваются электрохимические процессы, завершающиеся образованием электропроводящих мостиков — «дендритов» и, соответственно, — коротких замыканий. Повышенные потери в диэлектрике платы, обусловленные присутствием химических загрязнений, снижают уровни СВЧ-сигналов (Стандарт IPC 4252).

Кроме того, обработка открытой поверхности плат в агрессивных растворах приводит к разрушению адгезионного слоя фольги и, как следствие, отслоению тонких проводников и образованию под ними пазух, в которых скапливаются загрязнения.

Адгезия паяльной маски к проводникам, покрытым иммерсионным золотом, намного ниже, чем к медным проводникам. В процессе эксплуатации маска может отслаиваться. Поэтому паяльная маска должна наноситься только на развитую поверхность медных проводников (IPC-SM-839), получаемую с помощью механической обработки или микротравления, но не на тонкий блестящий слой золота.

В процессе нанесения паяльной маски на иммерсионное золото и ее термодубления поверхность золота «отравляется» парами органических соединений, входящих в состав паяльной маски, что ухудшает смачиваемость монтажной поверхности контактных площадок припоем и снижает надежность паяного соединения.

7. На завершающей стадии обработки плата должна быть тщательно отмыта с контролем качества отмывки и высушена с последующей вакуумной упаковкой.

Иммерсионное золочение — процесс, требующий высокой технологической культуры. Приведенные выше рекомендации — лишь часть особенностей использования технологии золочения.

Точное следование технологии нанесения иммерсионного золота и своевременная замена растворов гарантируют качество покрытия и отсутствие дефекта типа black pad.

Заключение

В ряду современных финишных покрытий для пайки микросхем с малым шагом выводов и миниатюрных чип-компонентов размером 01005 наиболее целесообразно использовать иммерсионные покрытия. Они тонкие, плоские, длительно сохраняют паяемость. Проектировщикам аппаратуры наиболее знакомо покрытие золотом по никелю (ENIG), и они его вписывают в конструкторскую документацию, а производители плат выполняют это требование. В этих условиях другие, более эффективные, покрытия остаются за бортом, не получая распространения. Конечно, смелый производитель может оформить разрешение на замену, предположим, иммерсионного золота на иммерсионное олово. Но для этого он должен быть убежден в целесообразности своих действий. Цель данной статьи в этом и состоит — в переубеждении разработчиков и технологов в сторону использования финишного покрытия на основе иммерсионного олова, которое не создает таких проблем как иммерсионное золото.

Литература

1. А. Медведев. Бессвинцовые технологии монтажной пайки. Что нас ожидает?//Электронные компоненты, 11/2004.

2. The Black Pad Failure Mechanism — From Beginning to EndRonald A.Bultwith, Michael Trosky, Louis Picehione, Darlene Hug/Cookson Electronics Assembly Materials Group  — Alpha Metals, Global SMT and Packaging Journal, Sept. 2002.

3. А. Медведев. Требования к материалам и технологиям печатных плат при бессвинцовой пайке//Производство электроники: технологии, оборудование, материалы, 2/2006.

4. Advanced coating technologies for lead-free solders, Bill Boyd, Specialty Coating Systems, Indianapolis, IN, USA www.globalsmt.net

5. iNEMI Updates Tin Whisker Recommendations, Joe Smetana www.globalsmt.net

6. Иммерсионное олово как финишное покрытие. Надежность — прежде всего!//Технологии в электронной промышленности, №4, 2007

7. Салтыкова В. Финишные покрытия. Проблемы и решения//Технологии в электронной промышленности. 2008. № 1.

8. Review EIPC WINTER CONFERENCE, TOULOUSE, FRANCE, 28TH & 29TH January 2010.

9. IPC-4552. Specification for Electroless Nikel/Immersion Gold (ENIG) Plating for Printed Circuit Boards. July 2002.

10. С. Шкундина. Новые процессы и материалы в производстве печатных плат//Технологии в электронной промышленности, 4/2009.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *