Финишное покрытие ГорПОС (HASL) плюсы и минусы
В технической документации нередко можно увидеть аббревиатуру HASL (HAL) от англ. Hot Air Solder Leveling (выравнивание припоя горячим воздухом).
Процесс горячего лужения состоит из следующих этапов:
Подготовительный этап: подготовка поверхности печатной платы (удаление загрязнения и окислов при помощи микротравления) и флюсование печатных плат (активация меди).
Горячее лужение: вертикальное или горизонтальное (конвейерное).
В первом случае заготовка погружается в рециркулируемую ванну с горячим припоем в вертикальном положении на несколько секунд (в зависимости от толщины заготовки и используемого материала), затем резко извлекается, при этом идет выравнивание покрытия горячим воздухом, а излишки припоя сдуваются.
Во втором случае печатные платы, перемещаясь по конвейеру под углом 45˚, погружаются на несколько секунд в ванную с горячим припоем. Данный способ горячего лужения не получил широкого применения нежели первый способ.
Охлаждение с последующей промывкой: после серьезного термоудара заготовке печатной плат необходимо остыть. Для процесса горячего лужения используется специальный водорастворимый флюс, который при промывке в теплой воде полностью удаляется.
При всей своей простоте финишное покрытие ГорПОС имеет свои недостатки и ограничения:
На фотографии «перемычки» из припоя между проводниками
Аналогичными достоинствами обладает расплавленный припой олово-свинец, осажденный на печатную плату гальваническим путем (процесс Оплавления), но он имеет свои технологические ограничения (например, не возможность использования для печатных плат с маской по меди). Но самое главное достоинство оплавления в том, что толщина покрытия равномерная, нет наплывов, сила поверхностного натяжения намного меньше, то есть это хорошая альтернатива ГорПОСу для печатных плат высокого класса точности.
Покрытия печатных плат
Покрытия площадок печатной платы
Рассмотрим, какие бывают покрытия медных площадок. Наиболее часто площадки покрываются сплавом олово-свинец, или ПОС. Способ нанесения и выравнивания поверхности припоя называют HAL или HASL (от английского Hot Air Solder Leveling — выравнивание припоя горячим воздухом). Это покрытие обеспечивает наилучшую паяемость площадок. Однако на смену ему приходят более современные покрытия, как правило, совместимые с требованиями международной директивы RoHS. Эта директива требует запретить присутствие вредных веществ, в том числе свинца, в продукции. Пока что действие RoHS не распространяется на территорию нашей страны, однако помнить о ее существовании небесполезно. Проблемы, связанные с RoHS, будут описаны нами в одном из последующих разделов, пока же давайте ознакомимся с возможными вариантами покрытия площадок МПП в таблице.
| Вид покрытия | Описание покрытия | Толщина покрытия, мкм |
| HASL, HAL | ПОС-61 или ПОС-63, оплавленный и выровненный горячим воздухом | 5. 25 мкм (не нормируется) |
| Immersion gold, ENIG | Иммерсионное золочение по подслою никеля (золото под пайку) | Au 0.05. 0.1 мкм/ Ni 4-5 мкм |
| Hard gold, gold fingers | Гальваническое золочение контактов разъема по подслою никеля (жесткое золото) | Au 0.2. 0.5 мкм/ Ni 4-5 мкм |
| Soft Gold | Мягкое золото под сварку золотой или алюминиевой проволокой | Au 0.5. 3.0 мкм/ Ni 4-5 мкм |
| OSP | Органическое покрытие, защищает поверхность меди до пайки при пайке полностью растворяется | 10. 15 мкм |
| Immersion Tin | Иммерсионное олово | |
| Immersion Silver | Иммерсионное серебро | |
| Lead-free HAL | Бессвинцовое лужение | 15. 25 мкм |
HASL применяется повсеместно, если нет иных требований. Иммерсионное (химическое) золочение используется для обеспечения более ровной поверхности платы (особенно это важно для площадок BGA), однако имеет несколько более низкую паяемость. Пайка в печи выполняется примерно по той же технологии, что и HASL, но ручная пайка требует применения специальных флюсов. Органическое покрытие, или OSP, защищает поверхность меди от окисления. Его недостаток — малый срок сохранения паяемости (менее 6 месяцев). Иммерсионное олово обеспечивает ровную поверхность и хорошую паяемость, хотя тоже имеет ограниченный срок пригодности для пайки. Бессвинцовый HAL имеет те же свойства, что и свинец-содержащий, но состав припоя — примерно 99,8% олова и 0,2% добавок. Контакты ножевых разъемов, подвергающихся трению при эксплуатации платы, гальваническим способом покрывают более толстым и более жестким слоем золота. Для обоих видов золочения применяется никелевый подслой для предотвращения диффузии золота.
Защитные и другие виды покрытий печатной платы
Рассмотрим функциональное назначение и материалы покрытий печатной платы.
— Паяльная маска — наносится на поверхность платы для защиты проводников от случайного замыкания и грязи, а также для защиты стеклотекстолита от термоударов при пайке. Маска не несет другой функциональной нагрузки и не может служить защитой от влаги, плесени, пробоя и т. д. (за исключением случаев применения специальных видов масок).
— Маркировка — наносится на плату краской поверх маски для упрощения идентификации самой платы и расположенных на ней компонентов.
— Отслаиваемая маска — наносится на заданные участки платы, которые надо временно защитить, например, от пайки. В дальнейшем ее легко удалить, так как она представляет собой резиноподобный компаунд и просто отслаивается.
— Карбоновое контактное покрытие — наносится в определенные места платы как контактные поля для клавиатур. Покрытие имеет хорошую проводимость, не окисляется и износостойко.
— Графитовые резистивные элементы — могут наноситься на поверхность платы для выполнения функции резисторов. К сожалению, точность выполнения номиналов невысока — не точнее ±20% (с лазерной подгонкой— до 5%).
— Серебряные контактные перемычки — могут наноситься как дополнительные проводники, создавая еще один проводящий слой при недостатке места для трассировки. Применяются в основном для однослойных и двусторонних печатных плат.
Если говорить о платах с поверхностным монтажом и компонентами с нижним расположением выводов, то покрытие HASL не подойдет. Изначально HASL был предложен еще во времена сквозных отверстий в середине 70-х годов, и это было долгожданное изменение по сравнению с методологиями, которые использовались раньше для нанесения оловянно-свинцового покрытия.
Но с широким распространением поверхностного монтажа и появлением компонентов с выводами в виде массива шариков обнаружилось, что в отличие от сквозных отверстий, большее беспокойство теперь вызывает топология и гладкость плат, особенно после того, как научились обращаться с компонентами с мелким шагом выводов. Насколько важны теперь такие параметры, как высота нанесения паяльной пасты и ее остатки после отмывки.
До сих пор бытует мнение, что бессвинцовый HASL более гладкий, чем оловянный HASL. Это не правда, но людей трудно переубедить. Даже если пользоваться вертикальной подачей горячего воздуха, будь то сплав SN100 или луженая медь, поверхность от этого не станет более гладкой. А какие могут быть альтернативы? OSP (Organic Solder Preservative)?
Сразу нужно помнить о сроке хранения. Не рекомендуется хранить платы с покрытием OSP более года, поэтому, если платы используются не часто и долго хранятся, то покрытие OSP следует сразу исключить.
Еще один вопрос — сборка проходит в один проход или в несколько? Как себя ведет покрытие, сохраняет ли оно свою надежность при повторном цикле нагрева? В частности, если у вас есть плата, на которой нужно оплавить обе стороны, а затем выполнить пайку волной или селективную пайку, сможете ли вы получить надежное заполнение отверстий после того, как стенки этих отверстий прошли два цикла оплавления?
Что касается иммерсионного серебра, то оно тоже имеет ограниченный срок хранения, конечно, дольше, чем OSP, но все-таки. Опять же нельзя забывать про проблемы с окислением и потускненеием.
И иммерсионное олово тоже не идеальный вариант. Во-первых, оно плохо паяется… В принципе, этого досточно. Некоторых в Европе это «устраивает», но не в США. Хотя для нопределенных приложений его применение вполне оправдано.
Но, конечно, если рассуждать о качестве финишных покрытий, то кто бы что ни говорил, но ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) практически вне конкуренции. Окисление — не такая уж проблема, главное, чтобы поставщих был надежный и качественный, а толщина золота и никеля соответствовала требованияем IPC.
Поэтому, если ENIG по каким-то причинам не подходит, то HASL правильный выбор. С оговоркой, если это не поверхностный монтаж, не компоненты с нижним выводом или BGA и шагом меньше 20 мил.
Комментарии
Я считаю, соотношение олово-свинец 63/37 — лучшее решение, и единственная проблема — экология. Но бессвинцовый процесс HASL устраняет и эту проблему тоже. ENIG, иммерсионное олово или OSP — с этими покрытиями при термообработке могут быть расслоения внутреннего слоя, разрывы проводников или короткие замыкания после сборки.
Quang Uong, Coatek Inc.
Робин Тейлор, Ричард Кинкейд и многие им подобные абсолютно правы; новые подходы, процессы и оборудование для нанесения HASL значительно упрощают и улучшают использование припоев SN100 и SN63 по сравнению с устаревшим оборудованием. Если на вашем предприятии есть подходящая машина HASL и правильный продукт HASL, вы можете получить качество финишного покрытия HASL лучше, чем если бы использовали ENIG или IAg для определенных приложений, и намного лучше, чем с покрытиями Immersion Tin или OSP. Так что подбирайте покрытие под свои задачи. Мнение о том, что HASL или SN100 устарело, больше не верно, это менталитет «динозавров». Идите в ногу со временем, братья!
Richard Stadem, Analog Technologies Corp.
Боюсь, ваши комментарии по поводу иммерсионного олова просто неверны. Оно широко используется в Азии, а также в Европе и отлично паяется. Для пресс фитов требуется именно иммерсионное олово при условии, что процесс стабилен и вы можете не беспокоиться из-за образования «оловянных усов». Также можно паять несколькими слоями олова толщиной 1,0 мкм. Рынок США не является таким уж продвинутым индикатором мировых тенденций, поскольку как и Европа это очень небольшая часть мирового производства печатных плат. Не существует универсального подхода к финишной отделке, что неоднократно обсуждалось в различных источниках.
Robin Taylor, Atotech Deutschland GmbH
Я хотел бы прокомментировать, почему я не согласен с вами по поводу бессвинцового HASL. У нас есть современная машина, с регулировкой воздушных ножей спереди и сзади. Мы получаем отличные результаты и все чаще переводим клиентов с Immersion Gold на бессвинцовую HASL. Сплав состоит из 93% олова, 0,07% меди, 0,05% никеля. Изменения в оборудовании позволило работать с компонентами с шагом выводов до 16 мил. Сейчас мы отслеживаем и обзваниваем клиентов, которые использовали покрытие HASL с компоненты с шагом меньше 16 мил. Они наверняка что-то скажут, если у них возникнут проблемы.
Richard Kincaid, K & F Electronics, USA
Говорят, что нет лучше припоя, чем припой, поэтому, если все сделано правильно, HASL бессвинцовый или обычный имеет лучший срок хранения по сравнению с другими покрытиями, иначе никто бы его не использовал (грязный процесс). Есть минусы. Ионное загрязнение и компланарность. Однако шаг 20 мил не должен быть проблемой. Что касается ENIG, помимо стоимости, я не часто слышу о возможной проблеме, заключающейся в том, что интерметаллический материал более хрупкий, чем любая другая отделка. Все виды отделки, кроме ENIG, интерметаллик — медь. Поэтому, если есть опасения по поводу растрескивания паяного соединения, это следует учитывать.
Glenn Sikorcin, Florida Cirtech, USA
ENIG — лучшее покрытие со сроком хранения до года и имеет ровную поверхность, которая отлично подходит для устройств BGA и мелкого шага. Мы использовали отделку ENIG, в частности, из-за срока годности и применении BGA. Компоненты с выводами на нижней стороне практически гарантированы в наших разработках, поэтому у нас есть большой опыт работы с ENIG.
Theresa Chartienitz, Doble Engineering, USA
Финишные покрытия под поверхностный монтаж современной элементной базы
В своих статьях мы уже неоднократно затрагивали тему финишных покрытий печатных плат, и до сих пор эта тема не теряет своей актуальности. Ни один другой этап в производстве печатных плат не менялся столько раз, сколько процесс осаждения финишных покрытий. Активное развитие электронной промышленности ставит новые задачи производителям печатных плат и предъявляет к финишным покрытиям еще более высокие требования, зависящие от многих факторов — экологических, технологических и технических вопросов, финансовых вопросов, производительности и причин отказов.
При становлении технологии изготовления печатных плат у специалистов была возможность припаивать компоненты непосредственно к меди, используя активные флюсы. Когда печатные платы стали выпускать большими партиями, были разработаны защитные покрытия для меди — органические и металлические. Среди методов нанесения финишных покрытий наибольшее распространение получили лужение, химическое и гальваническое осаждение. Лужение — достаточно простой способ, однако он теряет свою актуальность из-за сложности получения поверхностей с необходимой плоскостностью, а также из-за высоких температур процесса облуживания, что равносильно термоудару, отрицательно влияющему на надежность.
Гальваническое осаждение — быстрый и хорошо контролируемый процесс, но при нанесении финишного покрытия по сформированному металлическому рисунку он требует наличия электрического контакта между всеми поверхностями, что бывает сложно обеспечить. Для этого применяются технологические перемычки, соединяющие различные проводники и области в единое целое, которые потом удаляются, однако это 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 до травления меди, поэтому электрический контакт обеспечивается медной фольгой. Данное покрытие выполняет роль металлического резиста при травлении, а затем оплавляется. Основными недостатками метода являются отсутствие достаточной плоскостности, а также нанесение паяльной маски в местах проводников не на медную поверхность, а на поверхность, покрытую припоем. Этот припой, 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 покрытие в соответствующих местах удаляется механически до нанесения маски, однако такой 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 там, где не предъявляются требования по исключению свинца, и ширина проводников плат и зазоры между элементами рисунка составляют не менее
По этим причинам среди металлических покрытий все большее предпочтение отдается так называемым иммерсионным покрытиям (от англ. immersion — погружение). Действительно, 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 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 бóльшую часть поставленных задач.
Рассмотрим более подробно методы нанесения финишных покрытий.
Горячее лужение ПОС-63 (HASL)
Процесс горячего облуживания состоит в 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. Но при этом процессе наплывы припоя все равно остаются (РИС.1). Особенно много их на развитых металлических поверхностях. В последующей сборке наплывы мешают установке мелких компонентов, что и ограничивает применение HASL.
Иммерсионное золочение (Electroless Nickel / Immersion Gold — ENIG)
Толщина, мкм: Нанесение иммерсионного золота возможно как по чистой меди, так и по подслою химического никеля. Золото предотвращает окисление никеля и обеспечивает превосходную паяемость. 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 (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.
Иммерсионное серебро (ImmAg — Immersion Ag)
Процесс похож на процесс нанесения иммерсионного золота.
Толщина покрытия: 0,05 — 0,1 мкм
Органическая защита OSP (Organic Solderability Preservative)
Толщина покрытия: мкм
Альтернативой покрытию металлами является покрытие органическими защитными покрытиями. Они обеспечивают плоскую поверхность и не приводят к замыканию контактов элементов с большой степенью интеграции. Имеют меньшую стоимость, чем покрытие никелем или золотом. Применение OSP позволяет при пайке использовать смываемые водой или безотмывные флюсы. К тому же этот процесс экологически безопасен.
Тесты показали, что при нормальных условиях хранения печатные платы, покрытые OSP, сохраняют паяемость более одного года. Также органические покрытия разлагаются при пайке, тогда как металлические покрытия растворяются в сплаве, образующем паяное соединение.
Иммерсионное олово (Immersion Tin — ImmSn) с подслоем органического металла
Иммерсионное покрытие обеспечивает высокую плоскостность печатных площадок платы и совместимость со всеми способами пайки.
Процесс нанесения иммерсионного олова схож с процессом нанесения иммерсионного золота.
Иммерсионное олово имеет хорошую паяемость после длительного хранения, которая обусловлена введением подслоя органометалла в качестве барьера между медью контактных площадок и непосредственно оловом (РИС.3).
Барьерный подслой предотвращает взаимную диффузию меди и олова, образование интерметаллидов и рекристаллизацию олова. Нитевидные кристаллические усы не могут самопроизвольно образовываться из ImmSn, поскольку толщина покрытия недостаточна для их формирования.
Существует еще одно, едва ли не самое основное требование к финишным покрытиям ПП — надежность. Испытания образцов ПП с различными видами финишных покрытий показали, что свежеосажденные покрытия имеют характеристики, не уступающие характеристикам, полученным при горячем лужении (HASL), чего нельзя сказать о результатах после искусственного старения.
На примере одной из важнейших характеристик покрытий — смачиваемости припоем при пайке, мы видим ухудшение или полное отсутствие смачиваемости по сравнению с горячим лужением при следующих условиях искусственного старения:
1. Пары воды / 8 час:
2. Т = 85 °С / отн. влажность 85 % / 24 час:
Эти результаты значительно сокращают области применения ПП с указанными финишными покрытиями. Рейтинг паяемости бессвинцовых финишных покрытий представлен на РИС.4.
Далее рассмотрим два самых перспективных финишных покрытия: иммерсионного олова с подслоем органометалла и иммерсионного золота с подслоем никеля.
ООО «Остек-Сервис-Технология» совместно с компанией J-KEM International AB (Швеция) предлагает технологию осаждения иммерсионного олова нового поколения, позволяющую получить финишное покрытие, которое отвечает современным требованиям к покрытиям ПП и обеспечивает 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 металла (ОМ) в качестве барьерного слоя и последующего осаждения слоя иммерсионного олова (РИС.5).
Что же представляет собой органический металл?
Классические металлы окружены «электронными облаками» — это неограниченное перемещение электронов. Это свойство было обнаружено в веществе, которое не относится к группе классических металлов.
Органический металл — это полимер:
Предварительная обработка очищенной 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. Все это значительно снижает скорость процессов окисления и образования дендридов (РИС.6).
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 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 (РИС.7).
Основные стадии процесса:
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. Имеет технические характеристики покрытия, полностью отвечающие современным требованиями к ПП (РИС.8).
Покрытие ImmSn с подслоем органического металла прошло многочисленные испытания и хорошо зарекомендовало себя в производстве ПП. Это покрытие используется в России уже довольно давно. В настоящее время ImmSn с подслоем органического металла внедрено на 15 российских предприятиях и 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 «Печатные платы. Технические требования к технологии изготовления».
Также ООО «Остек-Сервис-Технология» и J-KEM International AB предлагают 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 не может быть большой — как только поверхность никеля будет закрыта золотом, ее взаимодействие с раствором для реакции замещения прекратится. Это значит, что все участки поверхности никеля будут обязательно покрыты золотом, пока они свободны для реакции замещения. Также это 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 тогда 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 процесс диффузии и потерю паяемости (РИС.9).
Последовательность процесса нанесения иммерсионного золота с подслоем химического никеля:
Кислый очиститель удаляет с медных поверхностей масла, окислы, отпечатки пальцев, 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 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 (РИС. ).
Печатные платы, защитное покрытие на которые нанесено с помощью ENIG-процесса, могут иметь характерный дефект, называемый «черная контактная площадка» («black pad»). Из-за данного дефекта образуются механически непрочные паяные соединения, 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-серого или черного цвета поверхности площадки, обнажающейся при отслоении паяного соединения.
Практика работы на одном из отечественных предприятий 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 (РИС.9), с большими межкристаллитными прослойками, как показано на РИС. 11, 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 (РИС. 12, РИС. 13).
Что провоцирует образование чрезмерно больших межкристаллитных прослоек?
Механизм, ведущий к возникновению черной контактной площадки, пока 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 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 бóльшем содержании фосфора, от 7 до 12 %, структура никелевого слоя приобретает аморфную форму и, соответственно, 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 возникает первая рекомендация: чтобы предотвратить образование «черной контактной площадки» при химическом никелировании следует обеспечивать максимальную концентрацию фосфора.
Подготовка поверхности под иммерсионное золочение — основная операция для обеспечения необходимой морфологии наносимых потом 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, коррозия никеля может стать преобладающей — и под золотом образуется черная, пока не заметная глазу, поверхность никеля. Предлагаемые рынком готовые процессы и растворы для иммерсионного золочения предусматривают в своем составе притормаживающие окислительно-восстановительный процесс компоненты. Третья рекомендация: нужно работать только с надежными и проверенными поставщиками химических процессов и материалов.
Общие рекомендации по обеспечению устойчивости процесса иммерсионного золочения таковы:
Иммерсионное золочение — процесс, требующий высокой технологической культуры, а приведенные рекомендации являются лишь частью особенностей использования технологии золочения.
Точное следование технологии нанесения иммерсионного золота и своевременная замена растворов гарантируют качество покрытия и отсутствие дефекта «black pad».
Заключение
В ряду современных финишных покрытий для пайки микросхем с малым шагом выводов и миниатюрных чип-компонентов типа 01005 наиболее целесообразно использовать иммерсионные покрытия. Они тонкие, плоские, длительное время 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, например, иммерсионного золота на иммерсионное олово. Но для этого он должен быть убежден в целесообразности своих действий. Цель данной статьи — показать разработчикам преимущества использования финишного покрытия на основе иммерсионного олова, которое не создает таких проблем, как иммерсионное золото.