Выпуск #6/2006
Давид Ормерод, Юнг-Хернг Яу, Джо Винсченк.
Устранение дефектов покрытия иммерсионным серебром
Устранение дефектов покрытия иммерсионным серебром
Просмотры: 1521
Недавно разработанный компанией Enthone процесс иммерсионного серебрения AlphaSTAR удовлетворяет требованиям мировой индустрии печатных плат в отношении паяемости, надежности и безопасности. Процесс соответствует директиве RoHS, и получаемое паяемое финишное покрытие не содержит свинца.
Все расширяющееся применение иммерсионного серебрения в качестве финишного паяемого покрытия печатных плат (ПП) предоставляет большой объем данных о влиянии этого покрытия на рабочие характеристики изделия как на этапе изготовления ПП, так и на этапе сборки печатных узлов. Недавно в течение года в 93 ведущих компаниях Азии, использующих финишное иммерсионное серебрение (64 изготовителя ПП и 29 сборщиков), были проведены исследования, направленные на обнаружение распространенных причин отказов и брака серебряного покрытия. В результате идентифицировано шесть основных технических причин (см. таблицу).
Причины отказов финишного серебряного покрытия
Очевидно, что с точки зрения "цены брака" наиболее убыточен брак, вызываемый наличием микропустот, поскольку в этом случае печатный узел уже собран и больше неремонтопригоден. Отмечается он в основном сборщиками, хотя в восьми случаях упоминается и изготовителями.
О дефектах паяемости изготовители не сообщают совсем, и неточные сведения получены от трех сборщиков, которые квалифицируют их как основные причины отказов серебряного покрытия. Этот дефект связан с плохой смачиваемостью сквозных отверстий высокого аспектового отношения в толстых платах, содержащих большие внутренние теплоотводящие пластины. Анализ исходных причин брака
Благодаря анализу исходных причин брака эти отказы несомненно можно минимизировать, если не устранить совсем, совершенствуя процесс и оптимизируя его параметры.
Гальваническая коррозия вызывается реакцией задержанного в трещине электролитического раствора с ограниченным количеством ионов серебра (размер трещины физически ограничен), в результате которой происходит травление меди. Образующиеся электроны сокращают количество серебра на медной поверхности снаружи трещины. Объем коррозии находится в прямой зависимости от количества нанесенного серебра, т.е. толщины серебряного слоя.
Образование трещины может произойти благодаря одному из следующих механизмов: подтравливание/перепроявление, плохая адгезия паяльной маски к медным проводникам, неравномерное медное покрытие (тонкие участки, особенно на стенках отверстий), глубокие царапины на поверхности меди под паяльной маской.
Потускнение возникает из-за взаимодействия серы или кислорода, находящихся в воздухе, с металлической поверхностью. В случае серы продукт реакции Ag2S образует желтую пленку, которая при большом количестве серы становится почти черной. Загрязнение серебра серой может происходить несколькими путями: из атмосферы, как в приведенном примере, или из безобидных, на первый взгляд, источников, таких как оберточная бумага для ПП.
Кислород ведет себя по-другому. Обычно O2 вступает в реакцию с нижележащей медью, образуя темно-коричневые соединения Cu2O и CuO. Это происходит при очень быстром осаждении покрытия с образованием рыхлого слоя, структура которого становится пористой, что позволяет воздуху легко проникать к лежащей под ним меди. Из-за свободно расположенных на расстоянии друг от друга серебряных гранул необходимо наносить многослойные покрытия, чтобы обеспечить достаточную плотность. Это ведет к повышению стоимости металла, росту ионного загрязнения и увеличению проблем паяемости, таких как микропустоты и хрупкие соединения.
Обнажение меди обычно связывается с проблемами химических процессов. Это явление проявляется сразу после процесса нанесения серебра и обычно вызывается остающейся от предыдущих технологических этапов барьерной пленкой, которая взаимодействует с серебряным покрытием. Пленка мешает высвобождению электронов с медной поверхности, препятствуя травлению, в результате чего не происходит снижения количества ионов серебра в этом месте. Причинами появления голых мест в медном покрытии могут быть и особенности механической обработки. Так, геометрия ПП может препятствовать полному контакту раствора с поверхностью. Недостаточное, как и чрезмерное перемещение/перемешивание, тоже могут помешать созданию однородного серебряного покрытия.
Ионное загрязнение – это наличие ионов на поверхности ПП, которые могут помешать функционированию платы. Чаще всего они приходят из электролитического раствора серебра (захваченного в серебряном покрытии или в паяльной маске).
В зависимости от состава ингредиентов ванны в процессе покрытия могут также осесть некоторые органические компоненты, что приведет к образованию побочных продуктов реакции, затрудняющих промывку. В некоторых процессах делается пополнение ионов серебра в виде органических серебросодержащих комплексов, и после обеднения серебра органическая часть комплекса остается в растворе, что еще больше затрудняет ополаскивание.
Микропустоты по определению меньше 25 мкм в диаметре и, если присутствуют, то всегда находятся только на стыке паяного соединения и подложки над любым интерметаллическим слоем. Образуя планарную группу "пустых пузырьков" в паяном соединении, они значительно ослабляют его прочность. Пока не удалось установить основную причину их возникновения, но несколько важных факторов выявить удалось. Хотя почти все случаи появления микропустот в ImAg относятся к толстым серебряным пленкам (более 0,4 мкм), не все толстые покрытия имеют микропустоты. Они больше характерны для случаев, когда нижележащий медный слой имеет очень грубый рельеф. Другими факторами могут быть избыток или специфический состав органического вещества, осевшего вместе с серебром. Основываясь на подобных наблюдениях, несколько производителей электронного оборудования (OEMs) и электронных компонентов, изготовителей ПП и поставщиков химикатов разработали теории, но никто из них не смог стимулировать микропустоты и затем удалить их.
Превентивные меры
Усилиями специалистов были определены превентивные меры, позволяющие устранить дефекты и одновременно повысить производительность процесса.
Возможность гальванической коррозии можно проследить в технологической цепочке от стадии нанесения меди. Равномерное распределение толщины в сквозных отверстиях с большим аспектовым отношением и в переходных микроотверстиях избавит от значительной доли проблем. Однако самая большая опасность гальванической коррозии исходит от проблем с паяльной маской. Большинство отказов связано с ее подтравливанием или вздутием. Для плат с высокоплотными межсоединениями использование УЗ-техники и эжекторов для растворов предварительной обработки и электролитических растворов на практике доказали свою пригодность. Ванна серебрения не должна быть агрессивна (коррозионно активна), должна иметь слабый рН и управляемую скорость осаждения, что позволит образовывать упорядоченную зернистость и тем самым устранит тусклость при минимальной толщине покрытия.
Потускнение можно минимизировать максимальным увеличением плотности покрытия, устранением пористости. Используя для корпусирования материалы, не содержащие серу, и герметизируя корпуса печатных узлов, можно предотвратить непрерывный обмен воздуха внутри корпуса. В результате не будет допущено внесение серы из воздуха на поверхность серебра. Кроме того, рекомендуется хранить корпусированные узлы при температуре ниже 30°C и относительной влажности 40%.
Открытые участки меди – потенциальный вид брака, который можно снизить или устранить, если отнестись внимательно к процессам, предшествующим электролитическому осаждению серебра. Для этого после микротравления необходимо проверить поверхность меди на стекание воды. Чистая медная поверхность должна удерживать пленку воды не менее 40 с. Периодически надо контролировать равномерность движения раствора в оборудовании.
Ионного загрязнения можно избежать снижением концентрации ионов в растворах финальных процессов. Для этого низкую концентрацию ионосодержащих материалов в ImAg-ванне необходимо поддерживать без воздействия на функциональность ванны. Нужно всегда использовать деионизованную воду для заключительной отмывки продолжительностью не менее одной минуты. Периодический отбор проб на концентрацию ионов (как анионов, так и катионов) гарантирует соответствие требуемым ТУ и поможет выявлению источников основных загрязнений.
Труднее всего предотвратить возникновение микропустот, поскольку их феномен полностью не изучен. Однако некоторые условия, которые, по-видимому, вызывают или сопровождают их появление, известны. Если убрать или по крайней мере минимизировать эти условия, можно уменьшить или полностью избавиться от появления микропустот. Поскольку толщина осажденного слоя занимает первое место в этих условиях, нанесение серебряного покрытия минимально возможной толщины, соответствующей ТУ, – очевидная мера. Микротравление и скорость осаждения необходимо отрегулировать таким образом, чтобы получить гладкое и равномерное покрытие. Концентрацию органических веществ в покрытии можно контролировать путем проверки чистоты серебра в разные моменты срока службы электролитической ванны.
Технология AlphaSTAR
Параметры так называемого идеального процесса иммерсионного серебрения должны соответствовать вступившим в силу после 1 июля требованиям к электронной промышленности по безопасности, надежности и сохранению окружающей среды.
В 1994 году компания Enthone представила первый запатентованный и принятый промышленностью производственный процесс иммерсионного серебрения ПП. Теперь компания разработала третье поколение ImAg-технологии и представила новый процесс, названный AlphaSTAR. Он содержит семь технологических этапов, три из которых – промывка водой (не содержащей ионы).
На первых четырех этапах проводится предварительная обработка: подготовка поверхности, промывка водой, микротравление, промывка водой. Реагент подготовки поверхности имеет очень низкое поверхностное натяжение, чтобы смачивать все медные поверхности. Это предотвращает любой открытый медный участок и облегчает покрытие сквозных металлизированных отверстий и микроотверстий. Раствор с уникальным составом для микротравления создает микрошероховатую полуматовую поверхность, которая способствует образованию упорядоченных кристаллов в первичном слое осажденного серебра. В результате формируется высокоплотное, без пор, серебряное покрытие даже при очень малой толщине. Это значительно повышает устойчивость к потускнению.
Осаждение серебра проводится в ходе трех последних этапов: предварительное погружение в раствор, не содержащий серебра, иммерсионное серебрение и заключительная очистка водой. Предварительное погружение преследует три цели. Прежде всего, раствор (химически аналогичный раствору для осаждения, за исключением серебра) используется для предотвращения загрязнения ванны серебрения медью и другими посторонними веществами, оставшимися от операции микротравления. Он также готовит чистую медную поверхность для реакции замещения в ванне серебрения. В ванне единственным расходуемым ингредиентом являются ионы серебра.
Поверхностная структура серебряного покрытия
Покрытие серебром происходит путем реакции замещения ионов меди и серебра. Микрошероховатя поверхность, которая формируется в травильном растворе AlphaSTAR, обеспечивает равномерность первичного покрытия, наносимого медленно под соответствующим контролем. В результате образуются высокоплотные слои из крошечных серебряных зерен. Это плотно скомпонованное покрытие относительно невысокой толщины (0,15–0,30 мкм) не только устойчиво к потускнению, но и имеет чрезвычайно высокую электропроводность. Раствор очень стабилен и выдерживает несколько десятков циклов перехода металлов до замены и не чувствителен к свету. Дополнительные выгоды для пользователей: значительное сокращение времени простоя, отсутствие пористости покрытия, очень низкий ионный показатель, самое дешевое оборудование.
Давид Ормерод (David Ormerod), Юнг-Хернг Яу (Yung-Herng Yau), Джо Винсченк (Jo Wynschenk) – специалисты компании Enthone.
Литература
Y-H Yau et al. Production Experience and Performance Characterization of a Novel Immersion Silver. – IPC/APEX, Anaheim, CA, 2006.
F. van der Pas. New Highest Reliable Generation of PWB Surface Finishes for Lead-Free Soldering and Future Applications. – EIPC, Stockholm, June, 2005.
R. Aspandiar. Voids in Solder Joint. – IPC/CCA PCB Assembly and Test Symposium, May 2005.
Y-H. Yau et al. The properties of Immersion Silver Coating for Printed Wiring Boards. – IPC/APEX, Anaheim, CA, 2005.
Y-H.Yau et al. The Chemistry and Properties of a Newly Developed Immersion Silver Coating for PWB. – IPC/APEX Anaheim, CA, 2004.
MacDermid Inc. Excessive Galvanic attack in the Sterling™ Silver Process. – Technical report no 211, revision 1, September 2003.
Причины отказов финишного серебряного покрытия
Очевидно, что с точки зрения "цены брака" наиболее убыточен брак, вызываемый наличием микропустот, поскольку в этом случае печатный узел уже собран и больше неремонтопригоден. Отмечается он в основном сборщиками, хотя в восьми случаях упоминается и изготовителями.
О дефектах паяемости изготовители не сообщают совсем, и неточные сведения получены от трех сборщиков, которые квалифицируют их как основные причины отказов серебряного покрытия. Этот дефект связан с плохой смачиваемостью сквозных отверстий высокого аспектового отношения в толстых платах, содержащих большие внутренние теплоотводящие пластины. Анализ исходных причин брака
Благодаря анализу исходных причин брака эти отказы несомненно можно минимизировать, если не устранить совсем, совершенствуя процесс и оптимизируя его параметры.
Гальваническая коррозия вызывается реакцией задержанного в трещине электролитического раствора с ограниченным количеством ионов серебра (размер трещины физически ограничен), в результате которой происходит травление меди. Образующиеся электроны сокращают количество серебра на медной поверхности снаружи трещины. Объем коррозии находится в прямой зависимости от количества нанесенного серебра, т.е. толщины серебряного слоя.
Образование трещины может произойти благодаря одному из следующих механизмов: подтравливание/перепроявление, плохая адгезия паяльной маски к медным проводникам, неравномерное медное покрытие (тонкие участки, особенно на стенках отверстий), глубокие царапины на поверхности меди под паяльной маской.
Потускнение возникает из-за взаимодействия серы или кислорода, находящихся в воздухе, с металлической поверхностью. В случае серы продукт реакции Ag2S образует желтую пленку, которая при большом количестве серы становится почти черной. Загрязнение серебра серой может происходить несколькими путями: из атмосферы, как в приведенном примере, или из безобидных, на первый взгляд, источников, таких как оберточная бумага для ПП.
Кислород ведет себя по-другому. Обычно O2 вступает в реакцию с нижележащей медью, образуя темно-коричневые соединения Cu2O и CuO. Это происходит при очень быстром осаждении покрытия с образованием рыхлого слоя, структура которого становится пористой, что позволяет воздуху легко проникать к лежащей под ним меди. Из-за свободно расположенных на расстоянии друг от друга серебряных гранул необходимо наносить многослойные покрытия, чтобы обеспечить достаточную плотность. Это ведет к повышению стоимости металла, росту ионного загрязнения и увеличению проблем паяемости, таких как микропустоты и хрупкие соединения.
Обнажение меди обычно связывается с проблемами химических процессов. Это явление проявляется сразу после процесса нанесения серебра и обычно вызывается остающейся от предыдущих технологических этапов барьерной пленкой, которая взаимодействует с серебряным покрытием. Пленка мешает высвобождению электронов с медной поверхности, препятствуя травлению, в результате чего не происходит снижения количества ионов серебра в этом месте. Причинами появления голых мест в медном покрытии могут быть и особенности механической обработки. Так, геометрия ПП может препятствовать полному контакту раствора с поверхностью. Недостаточное, как и чрезмерное перемещение/перемешивание, тоже могут помешать созданию однородного серебряного покрытия.
Ионное загрязнение – это наличие ионов на поверхности ПП, которые могут помешать функционированию платы. Чаще всего они приходят из электролитического раствора серебра (захваченного в серебряном покрытии или в паяльной маске).
В зависимости от состава ингредиентов ванны в процессе покрытия могут также осесть некоторые органические компоненты, что приведет к образованию побочных продуктов реакции, затрудняющих промывку. В некоторых процессах делается пополнение ионов серебра в виде органических серебросодержащих комплексов, и после обеднения серебра органическая часть комплекса остается в растворе, что еще больше затрудняет ополаскивание.
Микропустоты по определению меньше 25 мкм в диаметре и, если присутствуют, то всегда находятся только на стыке паяного соединения и подложки над любым интерметаллическим слоем. Образуя планарную группу "пустых пузырьков" в паяном соединении, они значительно ослабляют его прочность. Пока не удалось установить основную причину их возникновения, но несколько важных факторов выявить удалось. Хотя почти все случаи появления микропустот в ImAg относятся к толстым серебряным пленкам (более 0,4 мкм), не все толстые покрытия имеют микропустоты. Они больше характерны для случаев, когда нижележащий медный слой имеет очень грубый рельеф. Другими факторами могут быть избыток или специфический состав органического вещества, осевшего вместе с серебром. Основываясь на подобных наблюдениях, несколько производителей электронного оборудования (OEMs) и электронных компонентов, изготовителей ПП и поставщиков химикатов разработали теории, но никто из них не смог стимулировать микропустоты и затем удалить их.
Превентивные меры
Усилиями специалистов были определены превентивные меры, позволяющие устранить дефекты и одновременно повысить производительность процесса.
Возможность гальванической коррозии можно проследить в технологической цепочке от стадии нанесения меди. Равномерное распределение толщины в сквозных отверстиях с большим аспектовым отношением и в переходных микроотверстиях избавит от значительной доли проблем. Однако самая большая опасность гальванической коррозии исходит от проблем с паяльной маской. Большинство отказов связано с ее подтравливанием или вздутием. Для плат с высокоплотными межсоединениями использование УЗ-техники и эжекторов для растворов предварительной обработки и электролитических растворов на практике доказали свою пригодность. Ванна серебрения не должна быть агрессивна (коррозионно активна), должна иметь слабый рН и управляемую скорость осаждения, что позволит образовывать упорядоченную зернистость и тем самым устранит тусклость при минимальной толщине покрытия.
Потускнение можно минимизировать максимальным увеличением плотности покрытия, устранением пористости. Используя для корпусирования материалы, не содержащие серу, и герметизируя корпуса печатных узлов, можно предотвратить непрерывный обмен воздуха внутри корпуса. В результате не будет допущено внесение серы из воздуха на поверхность серебра. Кроме того, рекомендуется хранить корпусированные узлы при температуре ниже 30°C и относительной влажности 40%.
Открытые участки меди – потенциальный вид брака, который можно снизить или устранить, если отнестись внимательно к процессам, предшествующим электролитическому осаждению серебра. Для этого после микротравления необходимо проверить поверхность меди на стекание воды. Чистая медная поверхность должна удерживать пленку воды не менее 40 с. Периодически надо контролировать равномерность движения раствора в оборудовании.
Ионного загрязнения можно избежать снижением концентрации ионов в растворах финальных процессов. Для этого низкую концентрацию ионосодержащих материалов в ImAg-ванне необходимо поддерживать без воздействия на функциональность ванны. Нужно всегда использовать деионизованную воду для заключительной отмывки продолжительностью не менее одной минуты. Периодический отбор проб на концентрацию ионов (как анионов, так и катионов) гарантирует соответствие требуемым ТУ и поможет выявлению источников основных загрязнений.
Труднее всего предотвратить возникновение микропустот, поскольку их феномен полностью не изучен. Однако некоторые условия, которые, по-видимому, вызывают или сопровождают их появление, известны. Если убрать или по крайней мере минимизировать эти условия, можно уменьшить или полностью избавиться от появления микропустот. Поскольку толщина осажденного слоя занимает первое место в этих условиях, нанесение серебряного покрытия минимально возможной толщины, соответствующей ТУ, – очевидная мера. Микротравление и скорость осаждения необходимо отрегулировать таким образом, чтобы получить гладкое и равномерное покрытие. Концентрацию органических веществ в покрытии можно контролировать путем проверки чистоты серебра в разные моменты срока службы электролитической ванны.
Технология AlphaSTAR
Параметры так называемого идеального процесса иммерсионного серебрения должны соответствовать вступившим в силу после 1 июля требованиям к электронной промышленности по безопасности, надежности и сохранению окружающей среды.
В 1994 году компания Enthone представила первый запатентованный и принятый промышленностью производственный процесс иммерсионного серебрения ПП. Теперь компания разработала третье поколение ImAg-технологии и представила новый процесс, названный AlphaSTAR. Он содержит семь технологических этапов, три из которых – промывка водой (не содержащей ионы).
На первых четырех этапах проводится предварительная обработка: подготовка поверхности, промывка водой, микротравление, промывка водой. Реагент подготовки поверхности имеет очень низкое поверхностное натяжение, чтобы смачивать все медные поверхности. Это предотвращает любой открытый медный участок и облегчает покрытие сквозных металлизированных отверстий и микроотверстий. Раствор с уникальным составом для микротравления создает микрошероховатую полуматовую поверхность, которая способствует образованию упорядоченных кристаллов в первичном слое осажденного серебра. В результате формируется высокоплотное, без пор, серебряное покрытие даже при очень малой толщине. Это значительно повышает устойчивость к потускнению.
Осаждение серебра проводится в ходе трех последних этапов: предварительное погружение в раствор, не содержащий серебра, иммерсионное серебрение и заключительная очистка водой. Предварительное погружение преследует три цели. Прежде всего, раствор (химически аналогичный раствору для осаждения, за исключением серебра) используется для предотвращения загрязнения ванны серебрения медью и другими посторонними веществами, оставшимися от операции микротравления. Он также готовит чистую медную поверхность для реакции замещения в ванне серебрения. В ванне единственным расходуемым ингредиентом являются ионы серебра.
Поверхностная структура серебряного покрытия
Покрытие серебром происходит путем реакции замещения ионов меди и серебра. Микрошероховатя поверхность, которая формируется в травильном растворе AlphaSTAR, обеспечивает равномерность первичного покрытия, наносимого медленно под соответствующим контролем. В результате образуются высокоплотные слои из крошечных серебряных зерен. Это плотно скомпонованное покрытие относительно невысокой толщины (0,15–0,30 мкм) не только устойчиво к потускнению, но и имеет чрезвычайно высокую электропроводность. Раствор очень стабилен и выдерживает несколько десятков циклов перехода металлов до замены и не чувствителен к свету. Дополнительные выгоды для пользователей: значительное сокращение времени простоя, отсутствие пористости покрытия, очень низкий ионный показатель, самое дешевое оборудование.
Давид Ормерод (David Ormerod), Юнг-Хернг Яу (Yung-Herng Yau), Джо Винсченк (Jo Wynschenk) – специалисты компании Enthone.
Литература
Y-H Yau et al. Production Experience and Performance Characterization of a Novel Immersion Silver. – IPC/APEX, Anaheim, CA, 2006.
F. van der Pas. New Highest Reliable Generation of PWB Surface Finishes for Lead-Free Soldering and Future Applications. – EIPC, Stockholm, June, 2005.
R. Aspandiar. Voids in Solder Joint. – IPC/CCA PCB Assembly and Test Symposium, May 2005.
Y-H. Yau et al. The properties of Immersion Silver Coating for Printed Wiring Boards. – IPC/APEX, Anaheim, CA, 2005.
Y-H.Yau et al. The Chemistry and Properties of a Newly Developed Immersion Silver Coating for PWB. – IPC/APEX Anaheim, CA, 2004.
MacDermid Inc. Excessive Galvanic attack in the Sterling™ Silver Process. – Technical report no 211, revision 1, September 2003.
Отзывы читателей
