Проблемы с финишным покрытием HASL


Представьте ситуацию. Нужно было отремонтировать неисправную печатную плату. Это потребовало удаления компонента SOIC с платы. Нам удалось без нагрева просто снять SOIC с помощью пинцета и небольшого механического усилия. Под контактными площадками на печатной плате обнаружилась "чистая" медь. Для финишного покрытия изначально использовался HASL. И SOIC был припаян оловянно-свинцовым припоем.

Начнем с того, что печатная плата с HASL — это плохая печатная плата. Покрытие HASL (Hot Air Solder Level) было одним из самых надежных покрытий на протяжении многих лет, до такой степени, что даже имея проблемы, связанне с недостаточной плоскостностью контактных площадок, люди все еще цепляются за него, потому что оно так хорошо паяется.

И причина, по которой оно так хорошо паяется, заключается в том, что вы фактически припаиваете покрытие HASL к меди, образуя медный интерметаллид на плате.
То есть, вы на самом деле и не паяете вовсе (по словам Howard Manko), потому что интерметаллид уже сформирован. Вы просто оплавляете припой. Именно наличие покрытия HASL или его преобладание и привело к появлению термина «оплавление».

Но суть в том, что на плате после оплавления (или какой-либо другой методики, используемой для монтажа SOIC) все покрытие HASL «уходит» с площадки, обнажая медь. Это и есть проблема в HASL-процессе. Потому что что такое HASL? Вы берете чистую плату, очищаете медь, покрываете ее флюсом и бросаете в емкость для припоя, а затем выдуваете лишний припой.

Это процесс, который существует с середины 70-х годов,и можно с уверенностью сказать — уже «зрелый» процесс. Довольно сложно облажаться. Но, видимо, ваш производитель плат облажался. По крайней мере, это кажется наиболее вероятным.

Из того, что можно предположить в качестве причины — отпечатки пальцев. Поскольку, перед нанесением финишного покрытия HASL первое, что делает фабрика, — это тщательно очищает и протравливает поверхность, чтобы удалить тонкий слой меди, а вместе с ним и все загрязнения. То есть, перед покрытием мы имеем абсолютно чистую медь.

Получается, что загрязнения могло прийти с выводов или с корпуса этого SOIC. Кто-то между процессом очистки и процессом нанесения флюса касался плат без специальных средств защиты, оставил следы и загрязнение от рук. Следовательно, не плохо бы проверить другие платы. Часть из этой партии уже может быть отправлена клиенту.

Флюс не может «очищать» масляные поверхности. Идет процесс, покрытие HASL немного загрязнено, это не очень заметно, но даже такая «малость» может привести к значительным проблемам при пайке…

Комментарии

Это не обязательно проблема HASL. Это может быть и проблема пайки, называемую иногда повторным оплавлением. Так часто происходит, когда для поверхностного монтажа используется пайка волной припоя и припой проходит через отверстия для выводов. Джордж Вегнер (George Wegner) исследовал эту проблему еще в 90-х годах. Трещины возникают, когда паяные соединения на верхней стороне достигают точки плавления припоя. Прочность припоя при температуре плавления равна нулю и близка к нулю по мере приближения к точке плавления. Несоответствие КТР платы и компонента создает достаточную нагрузку на интерметаллический слой, чтобы привести к трещине стенок. После образования трещина будет расширяться. Поищите больше информации в архивах Technet, там должны быть еще дискуссии по этому поводу.

Donald Vischulis, Woodward

Согласен, это был какой-то тип загрязнения и оно вполне могло случиться из-за отпечатков пальцев. На самом деле, скорее всего, так оно и было.

Что касается комментариев о проблеме с цепочкой поставок, то почти у всех производителей плат время от времени появляются сообщения о дефекте, и этот, безусловно, относится к категории «необнаруживаемых». Я бы не стал винить менеджера по поставкам из-за одной единственной дефектной платы. Любой, у кого есть опыт утилизации несоответствующей продукции, знает, что иногда случаются странные единичные инциденты. Хотя HASL обычно довольно надежен, ENIG также очень хорошее покрытие со своими собственными конструктивными преимуществами (особенно для высокоскоростных схем или сборок с низкими потерями), но только если покрытие выполнено опытным и надежным производителем. ENIT также очень устойчив к коррозии. ENIG требует больше времени для оплавления, потому что скорость растворения никеля в расплавленном припое в 10 раз больше, чем у меди. Никто ничего не сказал о BGA, поэтому я не уверен, о чем этот комментарий. Да, была замечена чистая медь, но почему причиной был «толстый, хрупкий слой IMC»?

Слой IMC — это очень самоограничивающееся явление, в основном полностью формирующееся в процессе первого оплавления. В дальнейшем рост IMF будет совсем небольшой, даже во время последующих операций пайки, ремонта или просушки.

А зачем вообще надо было пытаться удалить неисправный SOIC пинцетом?

Richard Stadem, General Dynamics Mission Systems

Каждый производитель плат делает все возможное, чтобы после процесса HASL площадки былиа как можно более плоские для SMT монтажа. Проблема заключается в том, что при подаче горячего воздуха, чтобы получить эту плоскую площадку, с нее фактически сдувается весь припой, и в основном остается интерметаллический слой Cu6Sn5. Этот слой не паяется и не может быть речи о том. чтобы создать надежное соединение. Если вы посмотрите на плату под микроскопом с большим увеличением, вы заметите, что покрытие HASL имеет медный блеск. Возможно, производители «предоставили» вам плоскую контактную площадку, но при этом сделали финишное покрытие, на котором невозможно создать хорошее паяное соединение.

По моему опыту, паяное соединение в основном прочно держится на контактной площадке за счет флюса и небольшого количества мелких точек припоя. Это, конечно, не обеспечивает достаточной механической прочности и электрического соединения. Я также обнаружил, что эти соединения имеют повышенный импеданс, значение которого увеличивается со временем.

Меньшее из двух зол — иметь выступ на одной стороне площадки и оплавлять этот припой с помощью паяльной пасты, а не плоскую площадку, которая не принимает припой. Если вы нашли хоть один SOIC, который так легко снимается, вся партия плат будет подозрительной.

Les Watts, Testerion

Я согласен с первоначальным анализом, но сначала я бы исключил следующее. Вы проверяли, можно ли удалить другие компоненты тем же способом? Вы проверили сам компонент, чтобы увидеть, есть ли на его контактных площадках голая медь. Подозреваю, что возможной причиной могла стать проблема адгезии медного ламината к гальванической меди, т.е. отслаивание меди.

Ed Uslar, TriTech, USA

Основываясь на том факте, что пользователь четко заявляет, что площадки были «голыми медными» после снятия SOIC, должен согласиться с оценкой экспертов. Это явно случай, когда производитель печатной платы не сделал качественное покрытие HASL в этой конкретной области по какой-либо причине (скорее всего, местное загрязнение). Но что могло быть истинной «первопричиной» использовать небольшое, малоизвестное предприятие по продаже печатных плат вместо известных марок с надежной и длительной историей бренда, для которых такое событие большая и непозволительная редкость?

По поводу «хрупкости IMC». На самом деле IMC, сформированный с помощью HASL, является довольно прочным, не хрупким типом олово/медь по сравнению с действительно хрупким IMC типа олово/никель, образующимся при финишной отделки ENIG! Я на собственном опыте убедился в этом различии на печатной плате с двусторонним оплавлением и BGA. Эта печатная плата подвергалась изгибу во время установки, и при работе с прототипами, сделанными с поверхностной обработкой ENIG, у 60% плат BGA-соединения выходили из строя именно из-за изгиба.

Когда я затем порекомендовал перейти на SnPb HASL (и в данном случае вертикальный) для производства, отказы, вызванные изгибом, упали до нуля. Фактически, я провел эксперимент по изгибу, сравнивая типы финишного покрытия между собой. С покрытием ENIG отказы начнут происходить при прогибе PCBA около 1 мм (на PCBA размером с кредитную карту). Тестирование печатной платы с покрытием HASL прошло на 5 мм (в обоих направлениях на одной печатной плате) без каких-либо сбоев (не то, чтобы я рекомендовал допускать такую ​​величину изгиба в реальном продукте)! Конечно, это крайний уровень изгиба, что-то вроде подхода к HALT-тесту, но он ясно показал значительное улучшение с HASL по сравнению с ENIG. Более хрупкая природа IMC олова/Ni по сравнению с IMC олова/Cu хорошо известна и признана в отраслях производства печатных плат.

Обычно печатная плата с HASL поступает от поставщика с толщиной IMC около 0,5 мкм, и до тех пор, пока она покрыта хотя бы тонким слоем припоя, не содержащего IMC, ее можно паять. И сам слой IMC на самом деле паяется, пока он не окисляется (чему препятствует слой припоя над ним в течение некоторого времени, так как скорость поглощения кислорода довольно низкая). И, конечно же, IMC — самая важная часть соединения, так как это фактический критический «клеевой слой», который скрепляет все соединение! Итак, IMC по своей сути не «плохой», а скорее «очень хороший».

После обработки двухсторонней платы SMT оплавлением с надлежащим контролем температуры и процесса пайки селективной волной (RoHS или не RoHS) нормальный и ожидаемый рост интерметаллидов должен привести к уровням толщины IMC в диапазоне до 1,50 мкм. На каждом этапе процесса толщина IMC будет немного увеличиваться. Но это также то, почему каждый процесс оплавления следует оптимизировать, чтобы подвергать печатную плату только минимальному уровню прогрева, необходимому для создания всех соединений, и не более! Следует использовать Temp Moles, и определенно не следует просто использовать один общий профиль SMT Reflow Profile, особенно если он был разработан для печатных плат с поверхностной обработкой ENIG (которые требуют больше тепловой энергии)!

Таким образом, вы получите некоторый рост IMC в процессе первого оплавления, а затем еще немного во время второго процесса. Но если вы правильно контролировали температуру и использовали специальный профиль оплавления HASL или Pb-HASL, нет причин, по которым вы не можете достичь полностью приемлемых соединений IPC Class 3 (даже на 2-й стороне) и с высоконадежными Олово/Cu IMC!

В зависимости от количественных показателей нагрева, размеров площадок и объема пасты, при поверхностном монтаже время от времени вы можете видеть небольшие участки «несмачивания/повторного смачивания» по внешнему периметру контактных площадок. При повторном оплавлении из-за небольших площадей IMC выходит на поверхность в более тонких областях покрытия HASL. Но они «полностью приемлемы» даже для IPC класса 3, если фактическое соединение SMT соответствует требованиям IPC в отношении угла смачивания и % периметра.

Как я уже сказал, исследование выполнялось большой и опытной командой экспертов по вопросам производства печатных плат, оно было очень тщательным и включало: сотни поперечных сечений, 5D-рентгеновские снимки и CSAM через множество паяных соединений, имеющие «проблемные» области по периметру контактных площадок. Пришли к выводу, что указанная проблема не вызывает беспокойства. Под собственно паяными соединениями «голых» участков не обнаружено. И если подумать, есть несколько, вероятно, веских логических причин того, почему это так, и почему паяное соединение под корпусом и по его периметру формируется до того, как какой-либо рост IMC на поверхности становится проблемой.

Как только вы создали «приемлемый слой IPC» и действительно хорошее паяное соединение с покрытием HASL, даже если у вас есть небольшие видимые несмачивыемые участки по периметру контактных площадок на обратной стороне оплавления, эти соединения будут приемлемо работать в любом последующем процессе необходимой тепловой обработки. Это связано с тем, что припой над IMC в фактической области соединения теперь намного толще из-за добавления всего припоя из паяльной пасты. В ходе доработки этот припой будет оплавлен, а также будет применена любая дополнительная паяльная паста. И в целом, и многие другие выразили это, доработка соединения HASL — гораздо более надежная штука, чем обработка печатной платы с ENIG (и факт, что некоторые эксперты даже считают ENIG «не подлежащим переработке» финишным покрытием поверхности плат для своих продуктов).

Подводя итог, можно сказать, что если вы пользуетесь услугами высококачественного специализированного поставщика печатных плат, контролируете такие параметры, как температура при доставке и при хранении, используете соответствующие специализированные/оптимизированные профили оплавления HASL/Pb-HASL и понимаете правильные требования к проверке IPC, у вас не должно возникнуть проблем с чрезмерным ростом IMC, и у вас также не должно возникнуть проблем с участками без HASL или плохой адгезией HASL из-за загрязнения до HASL! Как гласит старая пословица, ничто не паяет лучше припоя! Хотя использование HASL, не относящегося к RoHS, будет продолжать сокращаться, по мнению крупных поставщиков высококачественных печатных плат, использование бессвинцового HASL уже является значительным и продолжает существенно расти.

Steven R. McLaughlin, ABB, Switzerland

По материалам с портала www.circuitinsight.com. Еще некоторые заметки об отмывке и монтаже печатных плат:

Написать ответ

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