Фазлутдинов К.К.

12.07.2018 (обновленно 12.07.2018)

4384 просмотров

Покрытия под пайку

Содержание: 

1. Общие сведения

2. Нанесение органических веществ

3. Горячие процессы

4. Химические процессы

5. Гальванические процессы

6. Комбинированные процессы

1. Общие сведения.

Паяемость - это способность материала смачиваться расплавленным припоем и образовывать с ним прочное соединение. Кроме того, чтобы хорошо смачивать поверхность, припой должен легко растекаться и проникать во все зазоры.

Обеспечение паяемости является необходимым условием при производстве ряда изделий в электротехнике, электронике, приборостроении. При производстве печатных плат вопрос паяемости - первостепенный. 

Рисунок 1 - Пример готовых печатных плат.

Паяемость является природным свойством материалов. Так, известно, что медь паяется гораздо лучше, чем стать. В рамка одного и того же материала паяемость можно улучшить, например, зачисткой поверхности от загрязнений и оксидов. Но если это не решает проблему низкой паяемости, то возникает необходимость применения покрытий под пайку. К ним относятся как традиционные гальванические покрытия типа олово-висмута, олово-свинца или никеля, так и более экзотичные.

Все процессы нанесения покрытий под пайку можно разделить на шесть категорий: 

Нанесение органических веществ:

• OSP (Organic Solderability Preservative); 

Горячие процессы:

• HASL (горячее олово-свинцовое покрытие, выровненное горячим воздухом).

Химические процессы:

• Хим.Н (химическое никелирование);
• Хим.О (химическое оловянирование);
• Хим.Ср (химическое серебрение);
• Хим.З (химическое золочение);
• Хим.Пд (химическое палладирование).

Гальванические процессы:

• О, О-Ви (оловянирование, олово-висмут);
• О-С (олово-свинец);
• Н (никелирование);
• Н.О (никель + олово);
• Пд (палладирование);
• Ср (серебрение);
• З (золочение);
• Н.М.Ср (никель + медь + серебро). 

Иммерсионные процессы:

• ImmSn (иммерсионное олово);
• ImmBi (иммерсионный висмут);
• ImmAu (иммерсионное золото).
• ImmAg (иммерсионное серебро); 

Комбинированные процессы:

• ENIG (Electroless Ni + Immersion Gold (химический никель + иммерсионное золото));
• NiPd (химический никель + иммерсионный палладий);
• NiPdAu (химический NiPd + иммерсионное золото); 

Столь широкий спектр покрытий говорит о невозможности сделать однозначный выбор в пользу одного из них. Выбор определяется производственной необходимостью и условиями эксплуатации готовых изделий.

2. Нанесение органических веществ.

2.1 OSP (Organic Solderability Preservative).

При хранении и пайке медные проводники и площадки окисляются, что ухудшает качество паянного соединения. Для защиты меди от окисления успешно применяют покрытия органическими соединениями. Среди них можно выделить две главных группы: бензотриазолы и имидазолы. Эти вещества обладают важным свойством сорбироваться только на меди. Ни на паяльной маске, ни диэлектрике после обработки их не остается.

Бензотриазолы сорбируются на меди тончайшим слоем толщиной в одну молекулу. Этот слой легко разрушается при нагреве. Бензотриазолы способны эффективно, но одноразово защищать медь от окисления.

Имидазолы реагируют с медью и образуют более толстые покрытия. Поведение их при пайке аналогично бензотриазолам. Имидазолы также дают одноразовую защиту, которая разрушается при пайке, если она выполнялась не в инертной среде, например, в токе азота.

OSP наносится из водного раствора алкилимидазола. В Японии этот способ защиты меди применяется более 35 лет. 

3. Горячие процессы.

3.1 HASL-процесс (Hot-Air Solder Leveling).

Рисунок 2 - Установка для горячего лужения HASL: нанесение флюса, общий вид установки, ванна с припоем и гидравлический захват для покрываемых плат.

Метод широко распространен и безусловно заслуживает внимания. HASL - горячее лужение печатных плат с обдувкой горячим воздухом. Он состоит в их флюсовании, монтаже на специальный гидравлический захват и автоматическом погружении на несколько секунд в ванну с расплавленным припоем (рисунок 2,3). При контакте с припоем образуются прочные интерметаллические соединения между ним и медными проводниками. 

Рисунок 3 - Ванна с припоем крупным планом.

При поднятии платы из расплава производится сдувание излишков припоя потоком горячего сжатого воздуха через специальные воздушные ножи (рисунок 4). 

Рисунок 4 - Воздушные ножи для установки HASL.

В качестве расплавленного припоя применяется, например, ПОС-63 (олово 63%, свинец 37%) с tпл = 183-225 °С или сплав Розе (олово 25%, свинец 25%, висмут 50%) с температурой плавления 93 °С. Толщина покрытия начинается со значений 10-15 мкм.

При использовании ПОС 63 годным по составу является припой, температура плавления которого не более 265 °С. Превышение температуры плавления (свыше 265 °С) свидетельствует о чрезмерном накоплении меди в расплаве. В этом случае необходимо полностью обновить ванну с припоем. В случае отсутствия блеска либо увеличивается время погружения, либо увеличивается температура лужения на 5 °С.

После лужения платы очищаются смесью воды с чистящими веществами для обеспечения полного удаления флюса и масел. Это делается для того, чтобы исключить на готовых платах ионогенные загрязнения, источником которых являются остатки активных флюсов. Эти соединения могут вызвать в условиях повышенной влажности сильную коррозию.

При позитивном методе изготовления печатных плат перед нанесением расплавленного припоя после операции травления удаляется металлорезист со всех металлизированных поверхностей. Далее паяльная маска наносится на чистые медные проводники. Потом формируется рисунок защитного слоя, и вся печатная плата окунается в расплавленный припой, который наносится на все поверхности, свободные от паяльной маски.

При тентинг-методе после травления рисунка все проводники чисто медные. Поэтому одно из преимуществ этой технологии и лужения HASL в том, что уменьшается количество шагов обработки. Другое преимущество заключается в том, что припой не подвергается дополнительной химической обработке, которая могла бы загрязнить поверхность или изменить состав сплава.

Несмотря мощную обдувку, наплывы припоя на монтажных элементах могут все-таки формироваться. При последующей сборке эти наплывы мешают установке мелких компонентов, что затрудняет применение HASL-процесса.

Второй существенный недостаток HASL - сильный термоудар, который испытывают платы при погружении в расплавленный припой (особенно это сказывается на надежности многослойных печатных плат). Удовлетворительные по качеству и относительно низкотемпературные бессвинцовые припои для HASL на сегодняшний день отсутствуют.

Третий большой недостаток - при выравнивании паяльного покрытия плата подвергается также воздействию высокого давления горячего воздуха во время выхода из бака с припоем. Воздушный поток воздействует на поверхность платы и при ударе о поверхность вызывает динамические нагрузки.

А вот с точки зрения качества и сохранения способности к пайке во времени это покрытие наилучшее.

4. Химические процессы.

Принципиальное отличие химического процесса от иммерсионного заключается в использовании веществ-восстановителей для перевода металла из ионной формы в металлическую (покрытие).

К химическим покрытиям под пайку относятся:

• химическое никелирование;
• химическое оловянирование;
• химическое серебрение;
• химическое золочение;
• химическое палладирование. 

По ссылкам выше можно посмотреть более подробную информацию о механизмах и технологиях нанесения этих покрытий. 

5. Гальванические процессы.

Как понятно из названия, гальваническим способом наносят покрытия под пайку с применением внешнего электрического тока (постоянного или переменного асимметричного).

К гальваническим покрытиям под пайку относятся:

• оловянирование, олово-висмут;
• олово-свинец;
• никелирование;
• палладирование;
• серебрение;
• золочение.

Возможно нанесение многослойных гальванических покрытий:

• олово с подслоем никеля.
• серебрение с подслоем меди и никеля.
• золото с подслоем никеля. 

Серебро, золото и палладий могут осаждаться также в виде сплавов с другими металлами.

По ссылкам выше можно посмотреть более подробную информацию о механизмах и технологиях нанесения этих покрытий. 

6. Комбинированные процессы.

Комбинированные процессы позволяют получать многослойные покрытия из разных классов, например, химическое + иммерсионное (в чем и состоит их отличие от многослойных гальванических). Рассмотрим в качестве примера процесс ENIG. 

6.1 ENIG.

ENIG (4 мкм химникеля + 0,05-0,1 мкм иммерсионного золота) обладает неплохой смачиваемостью и способностью к многократной перепайке при больших температурах. Роль тонкого слоя Au в ENIG - защищать никель от окисления, а никель в свою служит барьером, предотвращающим взаимную диффузию золота и меди. При пайке золото быстро растворяется в припое и припоем смачивается чистая неокисленная поверхность никеля.

Иммерсионное золото можно было бы осадить и прямо на медь, но его диффузия приводила бы к быстрой потере паяемости из-за превращения тонкого слоя золота в интерметаллид состава CuxAuy. Защитный подслой никеля толщиной 3-6 мкм предотвращает этот процесс диффузии и потерю паяемости.

ENIG обладает весьма важной особенностью, которая называется "черная контактная площадка". Возникновение этого явления приводит к потере смачиваемости и непрочным паяным соединениям (припой скатывается). Суть черной контактной площадки заключается в том, что на поверхности никеля выделяется слой фосфора (т.к. в химического никелевого покрытия входит и фосфор). Когда иммерсионное золото растворяется в припое, слой фосфора обнажается. Другой причиной появления черных контактных площадок является передержка пайки (когда активно образуются интерметаллиды SnхNiy и SnnPm). И, наконец, сам процесс золочения может приводить к образования черных контактных площадок. В этом случае происходит сильная коррозия Ni в процессе иммерсионного осаждения Au. Если кристаллическая структура осажденного Ni имеет большие межкристаллитные прослойки (рисунок 11), то не вся поверхность Ni сможет участвовать в реакции золочения. Покрытие тогда будет осаждаться сплошным, но в полостях под ним создадутся очаги коррозии за счет сильной гальванопары "золото-никель", где никель будет выступать анодом (рисунок 12). 

Рисунок 5 - Кристаллическая структура химически восстановленного Ni с большими межкристаллитными прослойками. 

Рисунок 6 - Черная контактная площадка.

В последнем случае хорошим решением может быть либо использование нейтральных растворов иммерсионного золочения, либо использование никелевого покрытия с аморфной структурой. Мелкокристаллическая структура Ni с межкристаллитными прослойками образуется при содержании P до 7%. При большем содержании P - от 7 до 12 % - структура никелевого слоя приобретает аморфную форму и не имеет границ зерен. И тогда реакция замещения никеля золотом происходит равномерно по всей поверхности, что в дальнейшем предотвращает процессы окисления никеля.

Несмотря на явление "черных контактных площадок" ENIG имеет явные преимущества:

• жизнеспособность более года;
• хорошая смачиваемость припоем при правильном подборе флюса;
• плоская неокисляемая контактная поверхность;
• хорошая коррозионная стойкость;
• длительно сохраняемый декоративный вид.

Недостатки:

• капризно в выборе флюсов;
• цена примерно на 25% выше, чем у OSP;
• характерный дефект - черные контактные площадки.

Читайте втрую часть этой статьи:

Покрытия под пайку (ч.2) - Иммерсионные процессы и результаты сравнительных испытаний