Уважаемые пользователи! Приглашаем Вас на обновленный сайт проекта: https://industry-hunter.com/
Финишные покрытия. Часть II - ЭЛИНФОРМ
Информационный портал по технологиям производства электроники
Финишные покрытия. Часть II - ЭЛИНФОРМ
На главную страницу Обратная связь Карта сайта

Скоро!

Событий нет.
Главная » Техническая информация » Статьи » Финишные покрытия. Часть II
26 декабря 2007

Финишные покрытия. Часть II

Оглавление:
  1. Финишные покрытия печатных плат
  2. Финишные покрытия. Часть II

Иммерсионное серебро

Данный процесс вышел на рынок около 2000 года. Процесс нанесения иммерсионного серебра похож на ENIG, однако заметно проще него и может выполняться как в вертикальном, так и в горизонтальном варианте исполнения. Процесс, как правило, состоит из двойной предварительной очистки, предварительного погружения и серебряной ванны. Для предотвращения миграции серебра по печатной плате, серебро наносится совместно с органическим соединением, которое не только предотвращает миграцию серебра, но и предохраняет его от окисления, являясь консервирующим антиокислительным покрытием.

Толщина покрытия обычно составляет от 0,05 до 0,2 мкм, что достигается нахождением платы в серебряной ванне на протяжении от 1 до 4 минут. Малая толщина покрытия сокращает расходы на его нанесение. Толщина покрытия может быть измерена с применением рентгенофлуоресцентных методов и оборудования. В процессе пайки слой серебра полностью растворяется в паяном соединении, образуя однородный сплав Sn/Pb/Ag непосредственно на медной поверхности, что дает хорошую надежность соединения, в том числе для больших корпусов BGA-компонентов [2]. Весь процесс продолжается ~ 35 мин. [5]

Живучесть покрытия ImAg превосходит OSP, но меньше, чем у ENIG. В противоположность OSP, контрастирующие цвета серебра и меди облегчают нахождение дефектов покрытия. В процессе хранения платы, осуществления ее сборки и пайки данное покрытие зачастую желтеет, что является результатом загрязнения воздушной среды сульфатами и хлоридами либо неправильного обращения с платой после нанесения покрытия, вызвавшего разрушение защитного органического покрытия – перегрев, избыточное световое воздействие, жировые отпечатки пальцев [17]. Пожелтение не влияет на свойства покрытия ImAg, сказываясь лишь на его декоративности.

Усилие запрессовки контактов разъемов на платах, покрытых ImAg, превосходит Sn-Pb, однако при выборе подходящего покрытия штырьков, технология запрессовки при использовании иммерсионного серебра доказала свою жизнеспособность. Некоторую проблему может создать тонкий слой серебра, который еще более истончается вследствие износа, если штырьки разъема неоднократно вставляются в отверстия и вынимаются из них. Это может привести к окислению лежащего ниже слоя меди, которое, в свою очередь, вызовет потерю электрического контакта.

Иногда для иммерсионного серебра проявляется дефект образования микропустот, сходный по результатам своего воздействия – нарушению механической прочности паяных соединений – с черными контактными площадками [19].

Достоинства:
  • Хорошая плоскостность, подходит для установки компонентов с малым шагом выводов
  • Не содержит никель
  • Не влияет на размер металлизированных отверстий
  • Длительный срок хранения (при наличии барьерного подслоя – около года)
  • Достаточно простой процесс нанесения
  • Относительная дешевизна покрытия
Недостатки:
  • Высокий коэффициент трения, что не является оптимальным для монтажа элементов методом запрессовки
  • Возможное потускнение покрытия со временем

Иммерсионное олово

Процесс нанесения иммерсионного олова является еще одной альтернативой HASL и включает в себя одинаковые с ImAg этапы, за исключением более длительной выдержки в ванне для оловянирования (10 – 15 минут), что удлиняет конвейерную линию и удорожает процесс. Должна проводиться дополнительная отмывка для надежного удаления электролита оловянирования. Как и ванна для никелирования в ENIG-процессе, ванна для оловянирования представляет собой неблагоприятную среду для паяльных масок, тем не менее, покрытие не может быть нанесено перед нанесением маски. Подвергшееся окислению олово, которое является побочным продуктом реакции нанесения покрытия и находится в ванне, может нарушить целостность покрытия. Кроме того, медь достаточно легко мигрирует в слой олова, который обычно составляет 0,6 – 1,5 мкм. Кроме типового измерения толщины покрытия с помощью рентгенофлюоресцентного анализа, необходимы дополнительные тесты паяемости покрытия – в частности, старение в сочетании с тестом паяемости. Олово дает хорошую паяемую поверхность для поверхностно монтируемых компонентов, в частности, в корпусах BGA, однако количество циклов нагрева для данного покрытия может быть ограничена. Продолжительность процесса, как и у ImAg, составляет ~ 35 мин [5]. ImSn обеспечивает лучшую паяемость, чем ENIG, и создает хорошую скользящую поверхность для вставки штырьков разъема при запрессовке.

Проблемы олова

Для олово, применяемого в качестве финишного покрытия, характерны две основные проблемы – образование так называемых «усов» олова и интерметаллических соединений.

Усы олова

Усы олова – длинные (до 150 мкм) тонкие кристаллические нити разнообразной формы, растущие в различных направлениях из материала покрытия. Усы могут вызвать короткие замыкания проводящего рисунка платы как сами по себе, вследствие своего роста либо обламывания с последующим падением на поверхность ПП в процессе изготовления и/или эксплуатации изделия, так и создавая кратковременную электрическую дугу при пропускании большого тока и плавления уса. В этом случае может происходить кратковременный отказ изделия, а обломки усов, перемещающиеся по поверхности платы, вызывают как перемежающиеся, так и постоянные отказы изделия.

Процесс образования усов олова до конца не изучен, и не существует однозначных ответов на вопросы их возникновения и предотвращения появления. Отмечено, что основной причиной является сдавливающее напряжение в пленках олова, возникающее вследствие формирования интерметаллической структуры, окисления, коррозии, цикличного изменения температур или механических воздействий [27].

Рекомендации iNEMI Tin Whisker User Group сводятся, в целом, к использованию барьерных прослоек между медью и оловом, ограничивающих диффузию меди в олово и образование интерметаллидов. Также необходимо применять меры по предотвращению сильного окисления покрытия и конденсации влаги, ведущих к образованию коррозии.

Рекомендуется избегать нанесения олова поверх латуни, если при этом отсутствует барьерный никелевый подслой с минимальной толщиной 1,27 мкм, так как сочетание олово-латунь, как правило, приводит к образованию усов [27].

Также отмечено, что, если на покрытие воздействует продолжительное механическое сдавливающее усилие, то риск роста усов олова значительно увеличивается.

Более подробно с механизмом возникновения усов и прочими проблемами чистого олова можно ознакомиться в статье «Основные проблемы чистого олова» [27], опубликованной на нашем портале.

Образование интерметаллических соединений

Образование интерметаллических соединений CuXSnY может явиться причиной не только образования усов олова, но и ухудшения паяемости. В паяных соединениях интерметаллический слой играет роль механической связки. Но, так как толщина оловянного покрытия весьма невелика (до 1,5 мкм), в процесс формирования интерметаллидов CuXSnY этот тонкий слой олова быстро поглощается, интерметаллиды подвергаются окислению, и покрытие утрачивает способность к пайке. Из-за данного эффекта такое покрытие может потерять паяемость за две недели [17]. Для борьбы с такими последствиями наносят различные барь¬ерные подслои, например, металлоорганические, исчезающие при пайке, проводят осаж¬дение крупнокристаллического олова и др. [17]

Еще одним достоинством покрытия на основе ImSn является то, что оно хорошо подходит для выполнения соединений разъемов с платой методом запрессовки по технологии Press-Fit.

Достоинства:
  • Плоская поверхность, покрытие подходит для установки компонентов с малым шагом выводов;
  • Не содержит никель
  • Относительно дешевое покрытие
  • Не влияет на размер металлизированных отверстий
  • Можно использовать те же паяльные пасты, что и для плат с покрытием HASL
Недостатки:
  • Не выдерживает многократный монтаж/демонтаж элементов
  • Платы требуют осторожного обращения

Покрытия на основе иммерсионного серебра и олова уже получили широкое распространение в крупносерийном производстве, и продолжается процесс их дальнейшего исследования и усовершенствования.

Благодаря высокому контактному сопротивлению олово, тем не менее, не так хорошо подходит для операции электрического тестирования с помощью контактных пробников. Хотя пока не существует наилучшего покрытия для всех областей применения, исследователи обращают основное внимание на ImAg для использования при бессвинцовой пайке, как наиболее универсального из существующих альтернатив HASL [6].

OSP

В качестве альтернативного покрытия по отношению к металлическим применяются органические защитные покрытия (OSP – organic solderability preservative). Они состоят из органического слоя (на основе бензотриазола или имидазола), лежащего непосредственно на готовой к пайке медной поверхности и защищающего ее от окисления [5]. Процесс нанесения такого покрытия прост и легко химически контролируем, включает в себя две последовательно выполняемых операции очистки (отмывку и микротравление), а также операцию предварительного и основного нанесения покрытия с добавлением специальной добавки для предотвращения потускнения; достаточно гибок и может выполняться в горизонтальном и вертикальном варианте; при этом не повреждаются золотые немаскированные области, если они присутствуют на печатной плате. Перед нанесением OSP-покрытия отверждение паяльной маски должно быть полностью завершено. Покрытие довольно дешево, требует значительно меньших начальных инвестиций для своей реализации, чем HASL, и является более безопасным для окружающей среды. Толщина покрытия обычно составляет 0,2 – 0,6 мкм.

Измерение толщины органического покрытия производится посредством растворения покрытия на образце и последующего анализа раствора с помощью УФ-спектрометра. Вследствие этого, практически невозможно точно определить толщину покрытия на плате. Более того, так как покрытие является прозрачным, существуют трудности в обнаружении дефектов его нанесения, таких, как пропуски покрытия или небольшие частицы, оставшиеся на контактной площадке от предыдущих процессов. При наличии подобных дефектов, большинство из них проявляются в процессе пайки (непропаянные соединения, плохое смачивание припоем КП и пр.). Ранние покрытия OSP демонстрировали короткое время жизни и могли выдержать только 1-2 цикла пайки оплавлением, после чего начиналась деградация их свойств, однако процесс их совершенствования продолжался, и современные покрытия могут применяться для бессвинцовой пайки (выдерживают до 3-4 воздействий высоких температур при бессвинцовом оплавлении), обеспечивают паяемость более года, а также способны сохранять свои защитные свойства даже после многократных циклов пайки оплавлением с применением эвтектических припоев.

Так как OSP-покрытие по своей природе является неметаллическим и, следственно, непроводящим, для проведения внутрисхемного электрического тестирования крайне важно, чтобы тестовые пробники после пайки имели надежный контакт с тестовыми площадками, покрытыми OSP, в особенности для сборок, подвергающихся многократному оплавлению. В некоторых случаях может понадобиться применение более дорогостоящих многоточечных тестовых пробников, а также более частая очистка их контактов.

Не следует допускать непосредственного контакта поверхностей плат при их транспортировке, так как они могут подвергаться абразивному износу при трении друг о друга. Следует проложить между ними бумагу либо осуществлять транспортировку в специальной таре, исключающей соприкосновение плат.

Плоскостность поверхности, обеспечиваемая данным покрытием, крайне высока. Оно также прекрасно подходит для КП, расположенных с малым шагом.

Покрытие OSP совместимо с водосмываемыми (органическими) и RMA-флюсами, но может быть несовместимо с менее активными флюсами, такими, как канифольные флюсы, не требующие отмывки [5].

Платы, изготовленные с применением покрытия OSP, могут не подходить для применения в высокочастотных изделиях. Большинство плат для ВЧ-применений требуют припаивания металлического экрана, который механически контактирует с заземляющей шиной и обеспечивает тем самым необходимое экранирование. В случае органического покрытия достаточное экранирование может быть не обеспечено, так как не будет непосредственного контакта металлического экрана с металлом проводника, покрытым OSP [20].

Достоинства:
  • Плоская поверхность контактных площадок
  • Совместимость с бессвинцовыми техпроцессами
  • Хорошая прочность паяных соединений (по некоторым данным лучше, чем для плат с покрытием HASL и иммерсионным золотом)
  • Быстрый и относительно дешевый процесс
  • Отсутствие влияния на размер отверстий
  • Широкое окно процесса, хорошая контролируемость параметров
Недостатки:
  • Деградация при высокой температуре, ограниченное количество циклов пайки
  • Чувствительность к неправильному обращению, в частности, деградация покрытия под действием отпечатков пальцев
  • Чувствительность к выбору флюсов
  • Чувствительность к растворителям, которые применяются для удаления неправильно нанесенной паяльной пасты (спиртовые растворы удаляют до 75% покрытия, растворы на водной основе – около 15%) [20]
  • При проведении электрического теста платы, тестовые пробники прокалывают покрытие, что может привести к появлению участков открытой меди

Ниже в таблице 1 приведены различные параметры рассмотренных покрытий, касающиеся конструкции ПП и техпроцесса ее изготовления, сборки электронного изделия на такой палате и возникающих при этом проблем. Таблица составлена по данным [24, 25].

Таблица 1. Сводная таблица параметров покрытий HASL, ENIG, ImAg, ImSn и OSP по данным [24, 25]
Параметры Покрытия
HASL OSP ENIG ImAg ImSn
Параметры конструкции ПП
Компенсация диаметров отверстий Требуется, на 0.002 - 0.003” (0,050 – 0,076 мм) Стандартно Стандартно Стандартно Стандартно
Минимальный размер сквозного отверстия Максимальное отношение длины к диаметру отверстия 6:1 Нет ограничений Нет ограничений Нет ограничений Нет ограничений
Отверждение маски на металлизированных отверстиях (после нанесения финишного покрытия) УФ/Термическое УФ УФ/Термическое УФ УФ
Использование в качестве контактного покрытия Плохо Не рекомендуется Хорошо для контактов, подвергающихся небольшому износу Хорошо для контактов, подвергающихся небольшому износу Хорошо для контактов, подвергающихся небольшому износу
Установка электромагнитного экрана Нормально Не рекомендуется Нормально Нормально Нормально
Участки открытой меди Отсутствуют Участки, где после сборки нет паяных соединений Отсутствуют Отсутствуют Отсутствуют
Процесс изготовления печатной платы
Техпроцесс по характеру выполнения Конвейерный или вертикальный Конвейерный Только вертикальный Конвейерный или вертикальный Конвейерный или вертикальный
Температура процесса, °С 250 40 85 50 60
Степень опасности для человека и окружающей среды Высокая (свинец, температура) Низкая Средняя Низкая Высокая (присутствие тиомочевины)
Время выдержки между циклами оплавления Не имеет значения 24 часа Не имеет значения Не имеет значения 24 часа
Проблемы качества Перемычки между выводами ЭК с малым шагом/недостаточная плоскостность для μBGA Неправильное обращение с платами Пропуски покрытия/Лишнее покрытие Неправильное обращение с платами Негативное воздействие паяльной маски/Неправильное обращение с платами
Ремонтопригодность законченной сборки Зависит от конструкции (после разделения групповой панели) Хорошая Ограничена нанесением покрытий Ni и Au с помощью гальванического натирания Ограниченная Средняя
Частота технического обслуживания оборудования Часто Редко Обычный вертикальный процесс Редко Редко
Измерение толщины покрытия Рентгеновский флуоресцентный контроль изделия С помощью УФ-спектрофотометра по тестовому образцу Рентгеновский флуоресцентный контроль изделия Рентгеновский флуоресцентный контроль изделия Рентгеновский флуоресцентный контроль изделия
Технологичность Высокая Очень высокая Очень низкая Очень высокая Низкая
Производственные затраты по нанесению финишного покрытия 1X 0,3X 2X 1X 1X
Сборка
Паяемость Отличная Хорошая Отличная Отличная Отличная
Толщина нанесенного слоя 50 – 1500 микродюймов (~1,27 – 38,1 мкм) 0,2 – 0,5 мкм Au: 3 – 8 микродюймов (~0,08 – 0,20 мкм); Ni: 150 – 250 микродюймов (~3,81 – 6,35 мкм) 6 – 18 микродюймов (~0,15 – 0,46 мкм) Min 30 – 40 микродюймов (~0,76 – 1,02 мкм)
Расстояние между элементами проводящего рисунка Ограничено шагом КП для QFP-компонентов, равным 20 mil (~0,5 мм) Нет ограничений Для медных элементов: min. 4 mils (~0,1 мм) без перемычек паяльной маски Нет ограничений Нет ограничений
Установка BGA-компонентов Копланарность/ Интерметаллиды Sn-Cu Интерметаллиды Sn-Cu Интерметаллиды Sn-Ni Интерметаллиды Sn-Cu Интерметаллиды Sn-Cu
Неправильное нанесение отпечатков пасты Нормальная очистка с помощью протирки Снижает время промежуточного хранения между операциями оплавления Нормальная очистка с помощью протирки Согласно рекомендациям поставщика (ограничения на использование очищающих реагентов) Нормальная очистка с помощью протирки
Совместимость с бессвинцовыми техпроцессами Нет Да Да Да Ограничено числом циклов оплавления
Пригодность для выполнения соединений методом запрессовки Да Да Да Да Да
Пригодность для выполнения соединений трением/установка краевых разъемов Не рекомендуется Нет Не рекомендуется Не рекомендуется Нет
Пригодность для производства клавиатур/сенсорных панелей Не рекомендуется Нет Не рекомендуется Да Нет
Проблемы надежности
Прочность паяного соединения Хорошая Отличная Хорошая (проблемы могут возникать с большими BGA-корпусами)
Дефекты «черная контактная площадка» и охрупчивание паяных соединений
Отличная Хорошая
Долговечность покрытия Хорошая В зависимости от условий обращения Очень хорошая В зависимости от условий обращения и хранения Хорошая
*****
Дополнительные соображения Тепловой удар (предварительный нагрев и ванна с припоем) Время промежуточного хранения между операциями сборки Слой никеля для ВЧ-применений Хранения, воздействие серы и галоидов Ограниченное число циклов пайки
Хорошо подходит для коммутационных плат
Интерметаллический слой

 

Заключение

В данной статье рассмотрены покрытия, наиболее распространенные и хорошо зарекомендовавшие себя в настоящее время на операциях сборки электронных изделий. Процесс дальнейшего усовершенствования этих покрытий продолжается, также активно развиваются и пока менее распространенные их аналоги – различные покрытия на основе палладия, а также гальванически осаждаемые NiSn и SnAg и пр. За рамками рассмотрения данной статьи остались такие важные вопросы, как подробное рассмотрение ряда бессвинцовых покрытий, а также методы тестирования паяемости, измерения поверхностного сопротивления покрытия и прочности сдвига паяных соединений в соответствии с современными международными стандартами. Эти вопросы будут освещены в последующих статьях по данной тематике на нашем портале.

Список использованных источников

  1. ANSI/IPC-2221. Generic Standard on Printed Board Design/IPC – February, 1998.
  2. The Quest For The Ultimate Surface Finish/PRINTED CIRCUIT DESIGN – JUNE, 2002.
    www.merix.com
  3. Surface Finish Options/X-On Electronic Services.
    easypcb.xonelectronics.com
  4. Jon O'Connell, Agilent Technologies UK Limited. NO HASL - WHAT'S THE HASSLE?/SMTnet.
    www.smtnet.com
  5. Vern Solberg. Part 3: Specifying Base Materials for SMT Circuit Boards/SMT – September, 2005.
    smt.pennnet.com
  6. Vern Solberg. PCB Designers Notebook: Selecting the Right Surface Finish/SMT – January, 2004.
    smt.pennnet.com
  7. George Trinite. PCB Fabrication: Achieving solderable finishes/SMT – August, 2000.
    smt.pennnet.com
  8. George Trinite. PCB Fabrication: Achieving solderable finishes/SMT – August, 2000.
    smt.pennnet.com
  9. Hugh Roberts, Atotech USA, Inc. Nickel/Palladium/Gold - A Versatile Surface Finish/SMT – September, 2007.
    smt.pennnet.com
  10. Robert Rowland. Comparing Substrate Surface Finishes/SMT –- March, 2003.
    smt.pennnet.com
  11. Brian Toleno, PhD, Henkel. PCB surface finish options for lead-free manufacturing/EMSNow – Feb 23, 2005.
    www.emsnow.com
  12. Eric Stafstrom. Unraveling the Final Finishing Mystery/Circuits Assembly – NOVEMBER 2000.
    www.enthone.com
  13. Surface Finishes and Pb-Free PCB Fabrication/NexLogic Technologies, Inc.
    www.nexlogic.com
  14. Printed Circuit boards technology Resource. Surface Finishes/Multicircuits, Inc.
    www.multicircuits.com
  15. Joseph DeBiase. No More HASL. Organic Solderablility Preservatives Come on Age/Enthone Inc.
    www.enthone.com
  16. SMC-WP-005. PWB Surface Finishes. Surface Mount Council White Paper/IPC – April, 1997.
    www.ipc.org
  17. Технологии в производстве электроники. Часть II. Справочник по производству печатных плат/Под ред. П. Семенова – М.: ООО «Группа ИДТ», 2007.
  18. SaM Pepe. Tech tips… Black Pad/Empfasis – October, 2007.
    www.empf.org
  19. Duane Benson. Black Pad — And Then Some/SMT
    smt.pennnet.com
  20. Kermit Aguayo. SELECTION OF PWB FINISH/Process Sciences, Inc.
    www.process-sciences.com
  21. Selecting the right final finish for RoHS-compliant PCBs/Printed Circuit Design & Manufacture – March, 2007.
    www.enthone.com
  22. Материалы для производства печатных плат/RCM group.
    www.npf-abris.ru
  23. Финишные покрытия контактных площадок печатных плат/RCM group.
    www.rcmgroup.ru (1),
    www.rcmgroup.ru (2),
    www.rcmgroup.ru (3)
  24. Surface Finish Options/Merix Corporation.
    www.merix.com
  25. Surface Finish Cross Reference/Data Circuit Systems.
    www.datacircuits.com
  26. F. D. Bruce Houghton. Solving the ENIG Black Pad Problem: An ITRI Report on Round 2/PWBRC.
    www.pwbrc.org
  27. Основные проблемы чистого олова/Портал ЭЛИНФОРМ.
    elinform.ru
  28. ENTEK PLUS HT/ Enthone Inc.
    www.merix.com
  29. Lead-Free Printed Circuit Board Surface Finishes/Triangle Circuits.
    www.trianglecircuits.com
  30. Printed Circuit Board Technology Resource. Surface Finishes/Multicircuits, Inc.
    www.multicircuits.com
  31. Pb-free Impact On Fabrication/ NexLogic Technologies, Inc.
    www.nexlogic.com
Страницы статьи: 1  2 



Последние новости

АРПЭ провела практическую конференцию "Экспорт российской электроники"
подробнее
Портфельная компания РОСНАНО «РСТ-Инвент» разработала RFID-метки нового поколения WinnyTag Duo
подробнее
Научно-технический семинар «Электромагнитная совместимость. Испытательные комплексы для сертификационных и предварительных испытаний военного, авиационного и гражданского оборудования»
подробнее
Официальное представительство Корпорации Microsemi примет участие в выставке «ЭкспоЭлектроника» 2018
подробнее
Новое оборудование в Технопарке Зубово
подробнее
Избраны органы управления Технологической платформы «СВЧ технологии»
подробнее
«Рязанский Радиозавод» внедряет инструменты бережливого производства
подробнее
© “Элинформ” 2007-2021.
Информационный портал для производителей электроники:
монтаж печатных плат, бессвинцовые технологии, поверхностный монтаж, производство электроники, автоматизация производства