Охрупчивание золота в паяных соединениях

Что вы думаете об удалении золотого покрытия для улучшения пайки? Я считаю, что в прошлом золотое покрытие было достаточно толстым (>50 микродюймов), что могло вызвать охрупчивание золота в паяных соединениях. Однако сегодня, когда золото наносится методом осаждения из паровой фазы (<50 микродюймов), проблем с охрупчиванием быть не должно, вы согласны?

Охрупчивание золота в паяных соединениях всегда было вызвано процентным соотношением веса золота к весу припоя, и общее количество золота на протяжении многих лет составляло примерно 3% от общего веса припоя.

Причина изменения критерия в стандарте J-STD-001 заключалась в решении проблемы, с которой столкнулась промышленность. Эта задача, как определено, заключалась в отсутствии турбулентности в металлизированном сквозном отверстии во время пайки волной припоя. При скорости подачи 5 футов в минуту и ширине контакта платы с волной 1 дюйм плата находится в припое в течение 1 с, что довольно быстро, поскольку припой вымывается из покрытых металлом сквозных отверстий в процессе пайки. При этом золото растворялось только в припое внутри сквозного отверстия, что могло привести к более высокому процентному содержанию золота, чем необходимо.

Во-вторых, если компоненты припаяны вручную, количество припоя, добавляемого в паяное соединение или наносимого через отверстие, минимально из-за физического объема отверстия за вычетом объема свинца, что позволяет создать богатую золотом среду, которая будет подвержена образованию трещин в металлизированном сквозном отверстии.

В-третьих, если компоненты предназначены для поверхностного монтажа, количество паяльной пасты, добавленной к контактным площадкам, меньше по объему, чем любое из сквозных отверстий, а способность золота растворяться в этой расплавленной паяльной пасте действительно увеличивает количество золота на контактную площадку в заданном объеме пасты. И в этом случае опять «золотые» дендриты в паяном соединении будут катализатором распространения трещин в них.

Поэтому, чтобы быть в безопасности, удалите золото и перестаньте беспокоиться о точном количестве золота на выводах и клеммах.

Leo Lambert, Vice President, Technical Director, EPTAC Corporation

Наличие риска охрупчивания зависит от нескольких переменных:

  • Количество золота, которое предполагается выщелачивать (площадь пайки*толщина золота)
  • Объем припоя в полученном соединении
  • Поступает ли припой из «бесконечного источника», такого как волна, или просто из паяльной пасты
  • Есть ли какой-либо дополнительный источник поступления золото от финишного покрытия, такого как ENIG или ENIPIG

В худшем случае мы можем предположить, что все золото будет выщелачено (обычно это точное предположение) и что источник припоя конечен и равен объему соединения (верно для оплавления, консервативно для волны). Если мы сделаем эти предположения, я действительно видел случаи, когда толщина золота в компонентах менее 30 микродюймов все еще приводит к предельным или неприемлемым уровням золота в конечном соединении.

Там, где толщина золота действительно сведена к минимуму, т.е. ниже 10 микродюймов, я лично не видел конкретных случаев, когда концентрация золота становится неприемлемой. В конце концов, каждая конфигурация соединения уникальна и должна анализироваться как таковая.

Fritz Byle, Process Engineer, Astronautics

Насколько мне известно, золочение в электронике на уровне корпуса или сборки до сих пор не наносится методом осаждения из паровой фазы. Однако если в процессе используется иммерсионная технология, то охрупчивание золота маловероятно.

Dr. Craig D. Hillman, CEO & Managing Partner, DfR Solutions

Во-первых, хочу уточнить, что здесь мы говорим только о позолоченных выводах компонентов, а не о золотом покрытии поверхности печатной платы (например, ENIG и ENEPIG и золоте для проводников), нанесенном на контактные площадки печатной платы. Поверхностные покрытия, такие как ENIG, содержащие всего около 4 мкм золота, не способствуют охрупчиванию.

Во-вторых, хочу отметить, что существует множество различных типов позолоченных выводов компонентов и множество различных геометрических конфигураций позолоченных клемм, выводов, припойных колпачков и т.д., а также множество методов пайки этих выводов, которые являются причинами охрупчивания золота.

В дополнение к различным типам покрытия золотом (химическое, гальванопокрытие, сплавление и т.д.) существует множество различных типов основных металлов и барьерных покрытий, включая медный основной металл с барьерной пластиной из фосфатной бронзы или никеля (сплав 42) или ковар с прямым золотым гальванопокрытием и др.

Охрупчивание золота вызвано явлением, называемым образованием точек роста (nucleation). Все силы в природе стремятся к равновесию, и инженерия — это не что иное, как разработка методов управления этими силами. В гидродинамике горячая и холодная вода под давлением стремится достичь комнатной температуры или контрольной температуры, вызывая охлаждение и пар, в электрических и электронных схемах электроны и дырки «хотят» рекомбинировать, создавая электрическую энергию и ток и т. д. Магнитные поля являются еще одним примером сил, пытающихся достичь равновесия.

В металлургии между различными сплавами происходят аналогичные реакции, которые приводят к гальванизации, коррозии, окислению и т. д., а образование точек рочта — это не что иное, как попытка золота в паяном соединении достичь равновесия с другими сплавами в том же месте припоя.

Формирование молекул золота в паяных соединениях происходит даже при комнатной температуре и представляет собой изменяющееся во времени явление, при котором молекулы золота проходят прямо через паяное соединение к интерметаллическим образованиям припоя и медной площадки, а также припоя и выводов компонента. Во время пайки молекулы золота легко и быстро растворяются, распределяются в расплаве однородно по всему паяному соединению.

После формирования паяного соединения начинается образование ядер роста золота, а скорость и концентрация агломерации молекул золота на интерметаллической границе или вблизи нее определяются процентным содержанием золота, геометрией поверхности, которое может вызвать агломерацию. быть более концентрированным в определенных точках паяного соединения, а скорость образования точек роста зависит от основных металлов и их барьерного покрытия. Когда мы припаиваем к золоту, мы припаиваем не к самому золоту, а интерметаллидное образование происходит между сплавом припоя и барьерным металлом под золотом, или, если барьерного металла нет, то непосредственно к основному металлу.

Чаще всего позолоченные выводы компонентов на самом деле представляют собой основной металл из меди с барьерной металлизацией из никеля или другого барьерного покрытия под золотом. Золото наносится на никель в качестве средства покрытия никеля, потому что голый никель окисляется почти за ночь и становится непригодным для пайки (расплавленный припой не может образовывать интерметаллическую связь с каким-либо оксидным слоем, поэтому для удаления оксидов используется флюс).

Мой собственный опыт образования точек роста золота, приводящего к охрупчиванию, включает случаи, когда предварительно луженые многожильные провода впаивались в позолоченные припойные клеммы пайкой сопротивлением еще в 1960-х годах. Да я знаю, что это было давно.

Так или иначе, эти провода использовались для соединения точка-точка. Пайка сопротивленем осуществляется путем пропускания электрического тока через золотую заготовку для расплавления припоя. Толщина золота на золотых наконечниках не очень хорошо контролировалась, и у некоторых было гораздо больше золота, чем у других, потому что в то время не было хороших методов обеспечения правильной толщины золота; у нас не было XrF или любого другого более продвинутого метода определения толщины золота (или любой другой толщины покрытия в этом отношении).

В результате требовалось (и по-прежнему требуется в соответствии с J-STD-001F), чтобы золото было удалено перед пайкой, чтобы снизить процентное содержание золота до менее 3%. Однако даже при наличии всего лишь 1% золота в припое может произойти охрупчивание золота. В проволочных заготовках, о которых я упоминал, фактическое золотое покрытие было химически вытравлено, и было обнаружено, что его содержание составляет менее 2% по объему, но из-за цилиндрической формы золото имело тенденцию образовываться между многожильным проводом и внутренней поверхностью ближайшей к ней заготовки к проводу.

Поскольку операторы имели тенденцию вставлять провода и прокладывать их наружу и обратно, почти все золото зарождалось в точке около верхних 25% заготовки между многожильным проводом и краем заготовки, ближайшим к тому месту, где провода изгибались назад, и именно там переломы происходили примерно в 95% случаев. Переломы начали проявляться только через год после того, как провода были припаяны. Я лично по своему опыту считаю, что ограничение в 3% слишком либерально, что максимально допустимый процент золота должен быть ближе к 1% или меньше.

Но именно поэтому J-STD-001F также содержит требования, согласно которым, если вы не хотите удалять золото путем лужения в первую очередь, вы должны представить объективные доказательства того, что не произойдет охрупчивания, ведущего к разрушению, и объективные доказательства того, что означает демонстрацию отсутствия охрупчивания в течение длительного периода времени.

Испытание образцов на растяжение или изгибание выводов припоя сразу после пайки НЕ является объективным доказательством; переменная времени и изменение температуры во времени также должны быть частью оценки. Процедуры испытаний на охрупчивание золота предусмотрены как в стандарте IPC-TM-650 (бесплатная загрузка с сайта www.ipc.org), так и в стандартах ANSI.

Резюме: охрупчивание золота в паяных соединениях класса 3 (высокая надежность) по-прежнему вызывает серьезную озабоченность, потому что даже осаждение из паровой фазы может привести к выделению более 1 или 2% золота, если оно не выполнено должным образом. Лучше отмазаться, чем пережить кучу дорогостоящих неудач в полевых условиях, или, по крайней мере, пройти требуемую квалификацию и предоставить как минимум объективные доказательства.

Richard D. Stadem, Advanced Engineer/Scientist, General Dynamics

Подробнее в Обсуждении. Еще статьи по теме монтажа и изготовления печатных плат: