Технологии в электронной промышленности №7'2007

Финишные покрытия печатных плат

Вольфганг Кюне

Андрей Новиков

Кристоф Ленбергер


В связи с переходом на бессвинцовую пайку технологи стали усиленно обсуждать вопрос, какие финишные покрытия печатных плат следует применять. Специальная рабочая группа «Проектирование электроники» организаций FED (Fachverband Elektronik-Design — Отраслевое объединение по проектированию электроники) и VdL (Verband der Leiterplattenindustrie — Союз производителей печатных плат) решила составить обзор по различным покрытиям печатных плат, технологиям изготовления, их свойствам и областям применения. Предлагаем вниманию читателей этот обзор.


Введение в финишные покрытия печатных плат

В зависимости от области применения электроники используют различные финишные покрытия печатных плат (табл. 1). При выборе необходимо учитывать технологии контактирования, а также затраты на реализацию покрытия. Чтобы найти подходящее покрытие для всех ходовых применений, можно остановиться на выборе из рекомендованных поверхностей: ImmSn, HAL и ENIG (они выделены в табл. 1).

Таблица 1. Обзор металлических финишных покрытий печатных плат
Обзор металлических финишных покрытий печатных плат

Описание отдельных покрытий печатных плат

Химическое олово

Покрытие химическим оловом (рис. 1) — альтернатива для покрытия HAL. Оно не содержит свинец и имеет ровную поверхность. Толщина покрытия должна превышать 1000 нм, так как печатная плата с данным покрытием уже в исходном состоянии содержит интерметаллические фазы толщиной от 100 до 200 нм, которые увеличиваются при температурной нагрузке или длительном хранении. Медь, которая проникает сквозь покрытие, быстро окисляется и препятствует надежному смачиванию припоем. Допустимый срок хранения составляет 6–12 месяцев и зависит в основном от количества и интенсивности запланированных процессов пайки. Решающим фактором для обеспечения паяемости является не только толщина слоя, но и чистота поверхности (контаминация, окисление).

Печатная плата с финишным покрытием из иммерсионного олова

Технология нанесения покрытия на печатные платы

В ходе химической реакции происходит обмен олова на медь на поверхности открытых проводников и контактных площадок:

Покрытия печатных плат

Это замещение более благородного металла оловом происходит за счет комплексирования меди. Вследствие этого уменьшается электрический потенциал ионов меди Cu+. При увеличивающейся толщине оловянного покрытия реакция замедляется и останавливается при уменьшении концентрации меди на поверхности и увеличении плотности слоя олова.

Свойства покрытия

Химическое олово обладает лучшей паяемостью, чем покрытие Ni/Au, прежде всего это касается растекания припоя по поверхности и заполнения им отверстий. По сравнению с покрытием HAL смачивание несколько хуже, так как олово из-за небольшой толщины покрытия расплавляется не полностью. Данное покрытие позволяет проводить многократные процессы пайки. Оно также подходит для изготовления Press-Fit соединений и для токопроводящих клеевых соединений.

Важным моментом является рост интерметаллических фаз соединения Cu/Sn. В связи с этим при хранении и обработке печатных плат уменьшается толщина покрытия из чистого олова. При достижении интерметаллической фазы поверхности покрытия она покрывается слоем оксидов, которые не могут быть удалены флюсом, и медная поверхность теряет паяемость.

В ходе изучения и обработки различных соответствующих источников информации была выведена формула для оценки скорости роста интерметаллических фаз:

В таблице 2 представлен расчет для температур от +20 до +330 °C.

Таблица 2. Уменьшение толщины оловянного покрытия
Уменьшение толщины оловянного покрытия на печатных платах

Так как покрытие уже изначально имеет интерметаллическую фазу Cu/Sn толщиной до 200 нм, то для обеспечения надежности многократного проведения процессов пайки при хранении печатной платы до 12 месяцев толщина оловянного слоя должна составлять как минимум 800 нм. Такая толщина подходит и для бессвинцовой пайки при обеспечении минимального роста интерметаллических фаз за счет таких факторов, как условия хранения, время между процессами пайки, мягкие температурные профили пайки и небольшая теплоемкость электронного узла.

Hot Air Leveling (HAL, Hot Air Solder Leveling, HASL, горячее облужение)

Горячее облужение — наиболее распространенное покрытие для пайки. Оно обладает наилучшей паяемостью и сохраняет свои свойства свыше 12 месяцев. В связи с запретом использования свинца горячее облужение проводится теперь с применением пайки бессвинцовыми припоями.

Слой припоя

Гальваническое осаждение SnPb (рис. 2), используемое в качестве слоя припоя, позволяет исключить процесс нанесения паяльной пасты, который считают критическим (особенно для миниатюрных компонентов) и может быть неравномерным.

Слой припоя SnPb на гибкой подложке

Химический никель/золото (Flashgold)

Покрытие печатных плат «химический никель/золото» обладает хорошими качествами, как для микросварки алюминиевой проволокой, так и для пайки, и потому является идеальной поверхностью при комбинировании этих двух технологий контактирования. При пайке слой золота толщиной 70–120 нм полностью растворяется в олове. Изготовление Press-Fit соединений затруднено из-за хрупкости никеля, хотя и возможно — согласно заявлениям производителей разъемов из золота. Позолоченные поверхности на гибких печатных платах не могут быть проложены на большие расстояния (например, на всей поверхности платы или на проводниках), так как при обработке печатной платы может быть разрушен слой никеля и тем самым поврежден весь проводник.

Срок хранения печатных плат с таким покрытием составляет больше 12 месяцев. Необходимо учитывать, что сцепление олова на никеле в два раза выше, чем сцепление олова на меди, и поэтому небольшие контактные площадки (Flip Chip) не могут быть подвержены более высокой механической и термомеханической нагрузке. Альтернативой в данном случае является покрытие «химическое олово». Покрытие печатных плат «химический Ni/Au» подвержено возникновению дефекта Black-Pad. Симптомы этого дефекта таковы: легкое отделение компонентов от контактных площадок после процесса пайки и их характерное почернение. Последние исследования показали, что причина возникновения данного дефекта заключается в нарушении процесса никелирования. Для более точного установления причины необходимы дальнейшие исследования.

Химический никель/редуктивное золото

Необходимая для процесса микросварки золотой проволокой толщина золотого покрытия 400–600 нм может быть достигнута без внешнего источника тока только с помощью редуктивного процесса осаждения золота. В процессе пайки золото растворяется в олове. При небольшом количестве припоя высокое содержание золота может привести к образованию интерметаллических фаз SnAu, которые оказывают влияние на надежность паяных соединений. Срок хранения этого покрытия составляет больше 12 месяцев. На данный момент существует определенный дефицит соответствующих ресурсов.

Гальванический никель/мягкое золото

Альтернативой покрытию «химический никель/редуктивное золото» для микросварки золотой проволокой является гальваническое покрытие. Для его нанесения необходимо электрическое подсоединение контактных площадок, которое может быть потом удалено. Проблемы надежности паяных соединений на золотых покрытиях с большой толщиной аналогичны описанным выше. Срок хранения этого покрытия составляет больше 12 месяцев.

Гальванический никель/твердое золото

Твердое золото, легированное кобальтом или углеродом (твердость 60–180 HV) применяется для поверхности разъемов (толщина слоя 0,8–2 мкм) и для скользящих контактов (толщина слоя 2–5 мкм) (рис. 3). Срок хранения этого покрытия составляет больше 12 месяцев. Данная поверхность считается не пригодной для процессов пайки.

Покрытие «гальванический никель/твердое золото» для двухрядного разъема

Химическое серебро

Серебрение медных контактов с последующей консервацией широко распространено в США в качестве покрытия для пайки. Расконсервация серебряного слоя требует особого внимания при многократных процессах пайки. Кроме того, серебро может мигрировать между соседними проводниками. Насыщение волны припоя серебром за счет его растворения также должно учитываться. Максимальный срок хранения данного покрытия вследствие подверженности серебра коррозии составляет 6 месяцев. Исследования показали, что микросварка алюминиевой проволокой на данном покрытии может проводиться лишь в узком окне процесса. Для высокочастотных применений серебро обладает наилучшими свойствами благодаря поверхностному эффекту.

OSP (Organic Solderability Preservative, органическая пассивация)

Органическая пассивация меди на печатных платах применяется практически исключительно в массовом производстве. Данная поверхность не обеспечивает надежного многократного процесса пайки, так как пассивация разрушается при первом нагреве выше 150 °C и при этом окисляется открытая поверхность меди. Срок хранения этого покрытия составляет не больше 6 месяцев.

Таблица 3. Оценка финишных покрытий печатных плат
Оценка финишных покрытий печатных плат

Примечание. Оригинал статьи опубликован в журнале PLUS (Produktion von Leiterplatten und Systemen, 2006, № 12. Германия).

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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

Квест виртуальная реальность
Виртуальная энциклопедия. Виртуальный клуб любителей Вольво
sintez.club