Покрытия монтажных поверхностей под пайку

Поверхности, предназначенные для пайки, должны иметь способность к смачиванию припоем и длительно сохранять эту способность. Для успешной пайки электронных модулей покрытия компонентов и печатных плат (финишные покрытия) должны хорошо сочетаться, поскольку при пайке они находятся в одинаковых условиях и по припою, и по флюсу, и по температурно-временным режимам. Сложившиеся оценки покрытий под пайку сегодня приходится пересматривать в связи с возможным вторжением в производство бытовой аппаратуры бессвинцовых технологий пайки.

Большое разнообразие финишных покрытий говорит об отсутствии выбора в пользу какого-либо одного-двух, пусть трех, удовлетворяющих всем требованиям по стоимости, смачиваемости, долговременности и т.д. И перечень таких покрытий весьма широк:

  • OSP (Organic Solderability Preservative);
  • NiAu (ENIG — Electroless Ni & Immersion Gold — химический никель и иммерсионное золото);
  • ImmAg (Immersion Ag);
  • ImBi (Immersion Bi);
  • Pd (Electroplate or Electroless Pd — химический или гальванический палладий);
  • NiPd (Electroless Ni & Immersion Pd);
  • NiPdAu (Electroless NiPd & Immersion Au);
  • ImmSn (Immercion Sn);
  • NiSn (Electroplate Ni & Sn);
  • SnAg (Electroplate Sn & Ag);
  • HASL (Hot-Air Solder Leveling).

В этом ряду лидирующими финишными покрытиями печатных плат являются OSP, ENIG, ImmSn, ImmAg и HASL.

HASL-процесс

HASL-процесс горячего облуживания плат состоит в их погружении на ограниченное время в ванну с расплавленным припоем. Во время быстрой выемки плат их обдувают струей горячего воздуха, которая удаляет излишки припоя и выравнивает покрытие. Но, несмотря на старания, наплывы припоя остаются. Особенно много их на развитых металлических поверхностях. В последующей сборке наплывы мешают установке мелких компонентов, что ограничивает применение HASL. Тем не менее, с точки зрения качества и исключительной длительной способности к пайке это покрытие, безусловно, наилучшее. Поэтому там, где изготовление плат и сборка происходят в одном производстве, всегда стараются найти компромиссы, чтобы использовать HASL.

Еще один существенный недостаток HASLпроцесса — жесткий термоудар, который испытывают платы при погружении в расплавленный припой. Чем выше рабочая температура припоя, тем серьезнее проблема обеспечения надежности межсоединений. Ряд предприятий не использует HASL-процессы для многослойных плат, считая, что они уменьшают надежность внутренних межсоединений из-за таких термоударов. Приемлемые по качеству и относительно низкотемпературные бессвинцовые припои для HASLпроцессов сегодня отсутствуют.

Покрытие OSP

Покрытие OSP обеспечивает защиту медной поверхности от окисления в процессе хранения и пайки. В конце пайки этот слой, выполнив свою функцию, теряет способность обеспечивать последующие процессы пайки. В Японии это дешевое покрытие применяется более 20 лет. Но чтобы процесс пайки проходил в одну стадию группового нагрева, японские конструкторы изделий учитывают эту особенность в целях снижения себестоимости.

OSP — хорошая альтернатива HASL. Но OSP имеет короткий жизненный цикл, что негативно сказывается на технологической надежности. Это покрытие не обеспечивает многократную пайку, тем более при высоких температурах. Чтобы избежать этих затруднений, приходится использовать азот в качестве нейтральной среды пайки.

Покрытие ENIG

Покрытие ENIG (~4 мкм Ni + ~0,1 мкм Au) — другая альтернатива HASL-процессам. Оно свободно от ионных загрязнений и способно к многократной пайке при высоких температурах. Функция тонкого слоя золота — защищать никель от окисления, а сам никель служит барьером, предотвращающим взаимную диффузию золота и меди.

Характерный для покрытия ENIG дефект — черные контактные площадки, они появляются на поверхности из-за оголения никеля и выпотевания фосфора, если тонкий слой золота растворяется в припое раньше, чем припой смочит никель. Фосфор неизбежно внедряется в никель в процессе его химического осаждения. Припой скатывается с фосфорированной и окисленной поверхности никеля, из-за чего и проявляется эффект черной контактной площадки. Черные контактные площадки могут возникать также при передержке процесса пайки и при неправильном выборе флюса. Передержка интенсифицирует образование интерметаллидов олова с никелем и олова с фосфором, внедренным в никель. Выделение фосфора на поверхности никеля может вызвать также процесс золочения. Осаждение золота из нейтральных электролитов уменьшает вероятность этих явлений.

Для ENIG трудно подобрать флюсы, а его цена примерно на 25% выше, чем у OSP. Преимущества ENIG:

  • жизнеспособность более года;
  • плоская контактная поверхность;
  • хорошая смачиваемость припоем при правильном подборе флюса;
  • неокисляемая поверхность применительно к нажимным и скользящим контактам.

Иммерсионное олово

Иммерсионное олово (ImmSn) — еще одна альтернатива HASL-процессам. Популярность ImmSn растет за счет обеспечения хорошей смачиваемости и простоты процесса осаждения. ImmSn демонстрирует беспроблемную и лучшую паяемость, чем ENIG.

Раньше существовали ограничения для применения ImmSn из-за образования интерметаллических соединений CuXSnY. При этом способность к пайке исчезала через две недели, поскольку толщина иммерсионного олова не превышает 1 мкм и CuXSnY быстро поглощает этот тонкий слой. Но в последнее время возможность этого явления предотвращена введением барьерного подслоя различного содержания: органический металл и др. И способность к пайке ImmSn (0,5–0,8 мкм) с барьерным подслоем (0,08–0,1 мкм) сохраняется, по крайней мере, один год, если не больше.

Преимущества ImmSn с барьерным подслоем:

  • относительно низкая стоимость процесса осаждения;
  • хорошая и длительная паяемость;
  • плоская поверхность покрытия (в отличие от HASL);
  • хорошие условия для обеспечения беспаянных соединений Press-Fit (впрессовывание штырей-хвостовиков разъемов в металлизированные отверстия плат).

Подозрения на возможность образования самопроизвольных нитевидных кристаллических усов из ImmSn в данном случае не состоятельны, поскольку толщина покрытия (0,5 мкм) недостаточна для их формирования. А в результате пайки оно теряет самостоятельность для каких-либо неблагоприятных процессов, характерных для чистого олова.

Иммерсионное серебро

Толщина иммерсионного серебра ImmAg не превышает 200 нм, поэтому расходы на реализацию этого покрытия незначительны. Жизнеспособность ImmAg гораздо выше, чем OSP, но несколько меньше, чем ENIG. Изменение цвета покрытия в процессе хранения, сборки и пайки — результат загрязнения воздушной среды сульфатами и хлоридами. Пожелтение не сказывается на свойствах ImmAg, но декоративность покрытия при этом страдает. Консервирующие покрытия антиокислителей тормозят процесс пожелтения и продлевают жизнеспособность покрытия. ImmAg менее популярно в Европе, чем в США, где оно более доступно. Для гибких плат, если не задано иное, применяется покрытие олово-свинец с оплавлением.

Материал статьи взят из книги Джозефа Фельштада (Joseph Fjelstad «Flexible Circuit Technology»), выложенной на сайте Европейского Института Печатных Схем (www.eipc.org).

Материалы по теме монтажа печатных плат:

Написать ответ

Your email address will not be published. Required fields are marked *