В статье описана методика и результаты испытаний основных типов финишных покрытий печатных плат с целью исследования их смачиваемости и способности сохранять ее после различных вариантов искусственного старения. Предложен порядок предпочтительности покрытий по их способности сохранять качества, необходимые для пайки.
УДК 621.3.049.75, 621.793.3
ВАК 05.11.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.169.8.184.188
УДК 621.3.049.75, 621.793.3
ВАК 05.11.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.169.8.184.188
Теги: electronic devices finishing coatings printed circuit boards printed-circuit wiring solderability solder coating soldering пайка паяемость печатные платы печатный монтаж покрытия под пайку финишные покрытия электронные устройства
В мировой практике производства электронных устройств используется большое разнообразие финишных покрытий для обеспечения процессов пайки. Это говорит об отсутствии предпочтительности в пользу какого-либо одного из них. Для оценки финишных покрытий печатных плат были проведены сопоставительные испытания на паяемость и сохранение паяемости в экстремальных условиях эксплуатации аппаратуры, в частности – аппаратуры авионики.[1]
Испытания проводились в Trace Labs (США), Ormecon Chemie (Германия) и Tele and Radio Research Institute (Польша), а также на российских предприятиях, в частности, в лаборатории Московского авиационного института [1–3].
Для сопоставительных испытаний были выбраны:
• горячее лужение (HASL) припоем 63%Sn, 37%Pb, толщина покрытия 10–15 мкм;
• покрытие, еще не получившее значительного распространения, обозначенное как OM-ImSn – иммерсионное олово толщиной 0,5–0,8 мкм с барьерным подслоем из органического металла толщиной 0,08 мкм;
• иммерсионное золото с подслоем никеля (ENIG), Ni 3–5 мкм, Au ~0,1 мкм; • традиционное иммерсионное олово (ImSn), Sn 0,8–1,0 мкм;
• иммерсионное серебро (ImAg), Ag 0,2–0,4 мкм;
• органическое защитное покрытие (OSP – organic solderability preservatives) на основе сложных органических кислот, толщина 0,2–0,5 мкм.
В последнее время в России отмечено применение покрытия ENEPIG (химический никель – химический палладий – иммерсионное золото), в частности, на заводе компании "Связь инжиниринг КБ" (г. Дубна, МО). Это покрытие позволяет полностью избавиться от иногда случающегося эффекта "черной монтажной площадки", свойственного покрытию ENIG. Распространению технологии ENEPIG препятствует сложность аппаратного оснащения, необходимого для ее реализации. К моменту начала работ она была недоступна для коллективов, проводивших испытания; однако, поскольку рабочей поверхностью покрытия ENEPIG является иммерсионное золото, можно считать, что его свойства с точки зрения паяемости аналогичны свойствам покрытия ENIG.
Образцы для испытаний были изготовлены по стандартным процессам в соответствии с технологическими требованиями по каждому типу финишного покрытия [4, 5]. Характеристики паяемости финишных покрытий контролировались на начальном этапе сразу после нанесения, на втором этапе – после проведения процедуры ускоренного (искусственного) старения в каждом из трех вариантов:
• атмосфера воздушная сухая: температура 155 °С, время выдержки 4 ч;
• атмосфера водяного пара, время выдержки 8 ч;
• атмосфера влажная: температура 85 °С, относительная влажность 85%, время выдержки 24 ч.
Уровень паяемости образцов покрытий, прошедших искусственное старение, оценивался двумя способами [1, 6]:
• по заполнению отверстий в ходе пайки волной припоя (контроль по микрошлифам, рис.1);
• путем определения баланса смачиваемости по стандарту ANSI/J-J-STD‑003 на стандартных образцах (рис.2).
Результаты тестирования по заполнению отверстий представлены в табл.1.
Метод баланса смачивания состоит в прямом измерении сил смачивания и работы адгезии путем погружения образца в ванну с припоем и извлечения из нее. Испытания проводятся при помощи специального прибора – менискографа. Основные этапы процесса показаны на рис.3, качественная оценка смачиваемости по кривым, построенным менискографом, – на рис.4.
Параметры смачиваемости, определяемые методом баланса смачивания, регламентируются международным стандартом ANSI/J-J-STD‑003, их требуемые значения приведены в табл.2.
При испытаниях на баланс смачивания применялась ванна с эвтектическим сплавом 63% олова и 37% свинца при температуре 250 °C и слабоактивированным флюсом с низким содержанием сухого остатка. Использовались следующие флюсы: для покрытий ENIG – TZ‑3/ITR (на основе сложных органических эфиров дикарбоксилида, активированный дикарбоксилом и органической солью), а для покрытий Sn-Pb HASL, ImSn и OSP – TN/4A/ITR (на основе сложных органических эфиров дикарбоксилида, активированный смесью дикарбоксилидов).
Для тестирования паяемости использовался соединенный с компьютером менискограф типа MK6A. Результаты тестирования паяемости представлены в табл.3.
Результаты тестирования паяемости показали, что:
• практически все покрытия обеспечивают высокий уровень паяемости, показывая во всех случаях P > 120 мН/м, tZ < 2 c. Визуальный контроль показывает, что поверхности покрыты широким, гладким, непрерывным и блестящим слоем припоя, как в исходном состоянии, так и после ускоренного старения;
• исключение составляют покрытия OSP и ImAg. В исходном состоянии они демонстрируют отличную паяемость, но неустойчивы к длительному воздействию высокой температуры (155 °C, 4 ч), после которого платы, защищенные OSP или ImAg, полностью теряют паяемость;
• в исходном состоянии покрытия HASL (Sn-Pb), ImSn и OSP продемонстрировали сопоставимо высокий уровень паяемости – выше, чем у покрытия ENIG и чистой поверхности меди;
• естественное и ускоренное старение снижает паяемость всех тестированных покрытий, однако в разной степени; для покрытий HASL, OM-ImSn и ENIG эффект снижения паяемости существенно зависит от типа воздействия, примененного в процессе ускоренного старения;
• покрытие ImSn по меди, будучи очень тонким, быстро (в течение двух недель) прорастает интерметаллоидами (SnxCuy), что приводит к потере паяемости. Именно поэтому в комбинацию покрытия OM-ImSn ввели барьерный подслой, предотвращающий диффузию меди в олово, но не препятствующий процессу иммерсионного оловянирования [6];
• покрытия HASL и OM-ImSn показали лучшие результаты после всех видов испытаний на старение;
• смачиваемость покрытия ENIG существенно ухудшается после старения в атмосфере пара;
• покрытие ImAg в процессе пайки растворяется в припое и поэтому не проявляет своей склонности к миграции [7]. Но если платы до пайки находятся в ненадлежащих условиях хранения (в частности, в среде с повышенной влажностью, что часто бывает летом), миграция серебра в электроизоляционные зазоры может сказаться на работоспособности аппаратуры.
Полученные данные тестирования приводят к следующему порядку предпочтительности покрытий по их способности сохранять качества, необходимые для пайки:
1. Горячее лужение (HASL-процесс),
2. Иммерсионное олово с барьерным подслоем из органического металла (OM-ImSn),
3. Иммерсионное золото с подслоем химического никеля (ENIG),
4. Иммерсионное серебро (ImAg),
5. Органическое защитное покрытие (OSP).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Многим предприятиям все еще приходится готовить трудоемкую многостраничную отчетность по расходу драгметаллов, в данном случае золота, – несмотря на то, что иммерсионное золото при толщине слоя в доли микрона расходуется в мизерных количествах. Эта отчетность ложится лишним бременем не только на производителей печатных плат, но и на потребителей, которым нужно утилизировать драгметаллы. Использование золотосодержащих покрытий ENIG и ENEPIG может оказаться единственным приемлемым выбором для высокочастотных устройств, на работоспособности которых критически сказывается скин-эффект [8]. В других же случаях покрытие OM-ImSn может рассматриваться как перспективный вариант, избавляющий от потерь времени, труда и средств на составление отчетов по использованию драгметаллов, обеспечивая при этом необходимый уровень паяемости печатных плат.
Автору известно более 20 российских предприятий, успешно использующих покрытие OM-ImSn. Среди них такие серьезные производители ответственной электроники, как АО "Завод Компонент" (Зеленоград); АО "ОмПО "Иртыш" (Омск); АО "ЦПТА" (Москва); АО РКС (Москва); ООО "Технотех" (Йошкар-Ола); ОАО "Марийский машиностроительный завод" (Йошкар-Ола); ФГУП "НПЦ АП им. Пилюгина" (Москва). Тем не менее, можно констатировать, что потенциал этого покрытия пока недооценен и оно заслуживает гораздо более широкого распространения, чем это наблюдается на настоящий момент.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ефимов А., Моравска С. Финишные покрытия контактных площадок печатных плат // Компоненты и технологии. 2003. № 1. С. 68–65.
2. Boyd B. Specialty Coating Systems, Indianapolis, IN, USA. Advanced coating technologies for lead-free solders. www.globalsmt.net.
3. Васильев Ф. В., Медведев А. М., Можаров В. А. Сопоставительные испытания финишных покрытий под пайку // Проектирование и технология электронных средств. 2016. № 1. С. 3–7.
4. Медведев А., Шкундина С. Иммерсионные финишные покрытия под пайку // Производство электроники. 2010. № 3. С. 1–7.
5. Медведев А. Финишные покрытия под пайку // Гальванотехника и обработка поверхности. 2012. № 4. C. 47–57.
6. Медведев А. М., Шкундина С. Е. Иммерсионное олово. Прошлое и будущее // Технологии в электронной промышленности. 2010. № 3. С. 22–27.
7. Терешкин В., Григорьева Л., Мусихин Ю. Финишное покрытие иммерсионным серебром в процессе производства печатных плат // Технологии в электронной промышленности. 2017. № 5. С. 35–39.
8. Медведев А. Перспективный материал для изготовления печатных плат устройств СВЧ-диапазона // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2017. № 5. С. 184–187.
Испытания проводились в Trace Labs (США), Ormecon Chemie (Германия) и Tele and Radio Research Institute (Польша), а также на российских предприятиях, в частности, в лаборатории Московского авиационного института [1–3].
Для сопоставительных испытаний были выбраны:
• горячее лужение (HASL) припоем 63%Sn, 37%Pb, толщина покрытия 10–15 мкм;
• покрытие, еще не получившее значительного распространения, обозначенное как OM-ImSn – иммерсионное олово толщиной 0,5–0,8 мкм с барьерным подслоем из органического металла толщиной 0,08 мкм;
• иммерсионное золото с подслоем никеля (ENIG), Ni 3–5 мкм, Au ~0,1 мкм; • традиционное иммерсионное олово (ImSn), Sn 0,8–1,0 мкм;
• иммерсионное серебро (ImAg), Ag 0,2–0,4 мкм;
• органическое защитное покрытие (OSP – organic solderability preservatives) на основе сложных органических кислот, толщина 0,2–0,5 мкм.
В последнее время в России отмечено применение покрытия ENEPIG (химический никель – химический палладий – иммерсионное золото), в частности, на заводе компании "Связь инжиниринг КБ" (г. Дубна, МО). Это покрытие позволяет полностью избавиться от иногда случающегося эффекта "черной монтажной площадки", свойственного покрытию ENIG. Распространению технологии ENEPIG препятствует сложность аппаратного оснащения, необходимого для ее реализации. К моменту начала работ она была недоступна для коллективов, проводивших испытания; однако, поскольку рабочей поверхностью покрытия ENEPIG является иммерсионное золото, можно считать, что его свойства с точки зрения паяемости аналогичны свойствам покрытия ENIG.
Образцы для испытаний были изготовлены по стандартным процессам в соответствии с технологическими требованиями по каждому типу финишного покрытия [4, 5]. Характеристики паяемости финишных покрытий контролировались на начальном этапе сразу после нанесения, на втором этапе – после проведения процедуры ускоренного (искусственного) старения в каждом из трех вариантов:
• атмосфера воздушная сухая: температура 155 °С, время выдержки 4 ч;
• атмосфера водяного пара, время выдержки 8 ч;
• атмосфера влажная: температура 85 °С, относительная влажность 85%, время выдержки 24 ч.
Уровень паяемости образцов покрытий, прошедших искусственное старение, оценивался двумя способами [1, 6]:
• по заполнению отверстий в ходе пайки волной припоя (контроль по микрошлифам, рис.1);
• путем определения баланса смачиваемости по стандарту ANSI/J-J-STD‑003 на стандартных образцах (рис.2).
Результаты тестирования по заполнению отверстий представлены в табл.1.
Метод баланса смачивания состоит в прямом измерении сил смачивания и работы адгезии путем погружения образца в ванну с припоем и извлечения из нее. Испытания проводятся при помощи специального прибора – менискографа. Основные этапы процесса показаны на рис.3, качественная оценка смачиваемости по кривым, построенным менискографом, – на рис.4.
Параметры смачиваемости, определяемые методом баланса смачивания, регламентируются международным стандартом ANSI/J-J-STD‑003, их требуемые значения приведены в табл.2.
При испытаниях на баланс смачивания применялась ванна с эвтектическим сплавом 63% олова и 37% свинца при температуре 250 °C и слабоактивированным флюсом с низким содержанием сухого остатка. Использовались следующие флюсы: для покрытий ENIG – TZ‑3/ITR (на основе сложных органических эфиров дикарбоксилида, активированный дикарбоксилом и органической солью), а для покрытий Sn-Pb HASL, ImSn и OSP – TN/4A/ITR (на основе сложных органических эфиров дикарбоксилида, активированный смесью дикарбоксилидов).
Для тестирования паяемости использовался соединенный с компьютером менискограф типа MK6A. Результаты тестирования паяемости представлены в табл.3.
Результаты тестирования паяемости показали, что:
• практически все покрытия обеспечивают высокий уровень паяемости, показывая во всех случаях P > 120 мН/м, tZ < 2 c. Визуальный контроль показывает, что поверхности покрыты широким, гладким, непрерывным и блестящим слоем припоя, как в исходном состоянии, так и после ускоренного старения;
• исключение составляют покрытия OSP и ImAg. В исходном состоянии они демонстрируют отличную паяемость, но неустойчивы к длительному воздействию высокой температуры (155 °C, 4 ч), после которого платы, защищенные OSP или ImAg, полностью теряют паяемость;
• в исходном состоянии покрытия HASL (Sn-Pb), ImSn и OSP продемонстрировали сопоставимо высокий уровень паяемости – выше, чем у покрытия ENIG и чистой поверхности меди;
• естественное и ускоренное старение снижает паяемость всех тестированных покрытий, однако в разной степени; для покрытий HASL, OM-ImSn и ENIG эффект снижения паяемости существенно зависит от типа воздействия, примененного в процессе ускоренного старения;
• покрытие ImSn по меди, будучи очень тонким, быстро (в течение двух недель) прорастает интерметаллоидами (SnxCuy), что приводит к потере паяемости. Именно поэтому в комбинацию покрытия OM-ImSn ввели барьерный подслой, предотвращающий диффузию меди в олово, но не препятствующий процессу иммерсионного оловянирования [6];
• покрытия HASL и OM-ImSn показали лучшие результаты после всех видов испытаний на старение;
• смачиваемость покрытия ENIG существенно ухудшается после старения в атмосфере пара;
• покрытие ImAg в процессе пайки растворяется в припое и поэтому не проявляет своей склонности к миграции [7]. Но если платы до пайки находятся в ненадлежащих условиях хранения (в частности, в среде с повышенной влажностью, что часто бывает летом), миграция серебра в электроизоляционные зазоры может сказаться на работоспособности аппаратуры.
Полученные данные тестирования приводят к следующему порядку предпочтительности покрытий по их способности сохранять качества, необходимые для пайки:
1. Горячее лужение (HASL-процесс),
2. Иммерсионное олово с барьерным подслоем из органического металла (OM-ImSn),
3. Иммерсионное золото с подслоем химического никеля (ENIG),
4. Иммерсионное серебро (ImAg),
5. Органическое защитное покрытие (OSP).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Многим предприятиям все еще приходится готовить трудоемкую многостраничную отчетность по расходу драгметаллов, в данном случае золота, – несмотря на то, что иммерсионное золото при толщине слоя в доли микрона расходуется в мизерных количествах. Эта отчетность ложится лишним бременем не только на производителей печатных плат, но и на потребителей, которым нужно утилизировать драгметаллы. Использование золотосодержащих покрытий ENIG и ENEPIG может оказаться единственным приемлемым выбором для высокочастотных устройств, на работоспособности которых критически сказывается скин-эффект [8]. В других же случаях покрытие OM-ImSn может рассматриваться как перспективный вариант, избавляющий от потерь времени, труда и средств на составление отчетов по использованию драгметаллов, обеспечивая при этом необходимый уровень паяемости печатных плат.
Автору известно более 20 российских предприятий, успешно использующих покрытие OM-ImSn. Среди них такие серьезные производители ответственной электроники, как АО "Завод Компонент" (Зеленоград); АО "ОмПО "Иртыш" (Омск); АО "ЦПТА" (Москва); АО РКС (Москва); ООО "Технотех" (Йошкар-Ола); ОАО "Марийский машиностроительный завод" (Йошкар-Ола); ФГУП "НПЦ АП им. Пилюгина" (Москва). Тем не менее, можно констатировать, что потенциал этого покрытия пока недооценен и оно заслуживает гораздо более широкого распространения, чем это наблюдается на настоящий момент.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ефимов А., Моравска С. Финишные покрытия контактных площадок печатных плат // Компоненты и технологии. 2003. № 1. С. 68–65.
2. Boyd B. Specialty Coating Systems, Indianapolis, IN, USA. Advanced coating technologies for lead-free solders. www.globalsmt.net.
3. Васильев Ф. В., Медведев А. М., Можаров В. А. Сопоставительные испытания финишных покрытий под пайку // Проектирование и технология электронных средств. 2016. № 1. С. 3–7.
4. Медведев А., Шкундина С. Иммерсионные финишные покрытия под пайку // Производство электроники. 2010. № 3. С. 1–7.
5. Медведев А. Финишные покрытия под пайку // Гальванотехника и обработка поверхности. 2012. № 4. C. 47–57.
6. Медведев А. М., Шкундина С. Е. Иммерсионное олово. Прошлое и будущее // Технологии в электронной промышленности. 2010. № 3. С. 22–27.
7. Терешкин В., Григорьева Л., Мусихин Ю. Финишное покрытие иммерсионным серебром в процессе производства печатных плат // Технологии в электронной промышленности. 2017. № 5. С. 35–39.
8. Медведев А. Перспективный материал для изготовления печатных плат устройств СВЧ-диапазона // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2017. № 5. С. 184–187.
Отзывы читателей
