Финишные покрытия контактных площадок печатных плат

С разрешения Исследовательского института телевидения и радио (Tele and Radio Research Institute) (Польша).

Для сохранения паяемости печатных плат после длительного хранения необходимо защищать медную поверхность контактных площадок паяемым поверхностным покрытием. Наиболее распространенным покрытием до сих пор является эвтектический сплав олово-свинец (Sn-Pb), выравниваемый воздушным ножом (HASL - Hot Air Solder Leveling), поскольку такое покрытие наилучшим образом соответствует «идеальной» поверхности печатной платы. К сожалению, такое покрытие не удовлетворяет условиям плоскостности контактных площадок для монтажа микросхем с очень высокой степенью интеграции и содержит свинец - один из наиболее токсичных металлов.

Альтернативой для HASL покрытий олово-свинец могут быть копланарные, экологически чистые покрытия: химический никель/иммерсионное золото (Ni/Au), химически чистое олово (Sn), органические защитные покрытия (OSP - organic solderability preservatives). Все эти бессвинцовые покрытия были испытаны в институте, а результаты тестирования печатных плат с покрытиями Ni/Au, Sn Omercon CSN и OSP EnthoneTM Entek Plus проведенного в сравнении с покрытием олово-свинец (HASL), мы публикуем в этой статье. Паяемость, поверхностное сопротивление изоляции (SIR) и прочность на сдвиг припаянных чип-резисторов 1206 были тестированы в состоянии «как получено» и после ускоренного «старения» печатных плат.

1. Введение

Получение правильных и надежных паяных соединений в электронном оборудовании зависит от многих конструктивных и технологических факторов, включая должный уровень паяемости соединяемых элементов, таких как компоненты и печатные проводники.

Наиболее распространенным методом защиты паяемости печатных плат является покрытие медных контактных площадок слоем сплава олово-свинец. Большинство изготавливаемых печатных плат защищены методом HASL. Это покрытие доминирует в течение нескольких последних лет, несмотря на его серьезные технические ограничения. Платы, выпущенные таким способом, хотя и хорошо сохраняют паяемость в течение всего периода хранения, непригодны для некоторых применений. Высокоинтегрированные элементы, используемы в SMT требуют идеальной планарности контактных площадок печатных плат. Традиционные покрытия HASL не соответствуют требованиям планарности.

Технологии нанесения покрытий, использующие данные методы, гарантируют превосходную планарность контактных площадок без повреждения печатных плат. Ni/Au покрытие с тонким золотым слоем (0.1...0.15 мкм) обеспечивает достаточную прочность паяных соединений, выполненных припоями на основе олова. Их главный недостаток - высокая себестоимость производства. Химическое олово Sn Omercom CSN - экономичная, экологичная и недорогая технология. Органические покрытия теперь используются все больше и больше в производстве печатных плат. Процесс OSP - самый дешевый из технологий нанесения защитного слоя.

Кроме упомянутых достоинств, органические покрытия обесчпечивают одинаково хорошую паяемость как непосредственно после изготовления, так и после хранения. Кроме того, эти покрытия должны быть совместимы с припоями и флюсами, применяемыми в электронно промышленности.

Целью исследования было получение ответов на вопросы:

Гарантируют ли покрытия Ni/иммерсионное Au, Sn OmerconaCSN и OSP EnthoneTM Entek Plus уровень паяемости, удовлетворяющий требованиям электронной промышленности?
Так же хороша их паяемость как паяемость при обычном Sn-Pb покрытии?
Являются ли упомянутые покрытия хорошей альтернативой покрытию
Sn-Pb?

2. Тестирование паяемости

2.1. Метод тестирования и спецификация

Тестирование паяемости проводилось методом весового смачивания в соответствии с ANSI/J-J-STD-003. Этот метод, как один из самых динамичных, позволяет наблюдать процесс смачивания поверхности расплавленным припоем в присутствии флюса. Образец, покрытый флюсом, взвешивается на чуствительных весах и опускается боком на установленные глубину и время в ванну с расплавленным припоем с контролируемой температурой.

Результирующая силы выталкивания и поверхностного натяжения, действующих на образец, определяется с помощью датчика и преобразуется в сигнал, который непрерывно записывается как функция времени. Типичный вид процесса смачивания представлен на рисунке 1.

Тестирование паяемости было проведено на тестовых образцах, как это показано на рисунке 2.

Образцы были изготовлены из стеклотекстолита FR-4 толщиной 1.5 мм с двухсторонним нанесением медной (18мкм) фольги. Затем они были покрыты защитным покрытием:

выравнивание припоя (63 %Sn37%Pb) горячим воздухом (Sn-Pb HASL), 10 мкм - 15 мкм
химический никель/иммерсионное золото (Ni/Au), Ni 3 - 5 мкм, Au ~ 0.1 мкм
органическое покрытие OSP EnthoneTM Entek Plus, 0.2 мкм - 0.5 мкм
химически чистое олово Sn Ormecon 0.5 мкм - 0.8 мкм с органической подложкой 0.08 мкм.

Для тестирования применялась ванна с эвтектическим сплавом 63% олова и 37% свинца при температуре 250° С и неочищенным, слабоактивированным флюсом с низким содержанием сухого остатка. Были выбраны следующие флюсы - для Ni/Au покрытий - TZ-3/ITR (на основе сложных органических эфиров дикарбоксилида, активированный дикарбоксилидом и органической солью), а для покрытйй Sn-Pb HASL, Sn Ormecon и OSP EnthoneTM Entek Plus - TN/4A/ITR (на основе сложных органических эфиров дикарбоксилида, активированный смесью дикарбоксилидов).

Для тестирования паяемости использовался соединенный с компьютером менискографический тестер паяемости типа MK6A. Тестер паяемости строил диаграмму, показанную на рисунке 3.

Образец погружался на 5 мм глубину и оставался в таком положении 10 с. Тестируемая печатная плата проверялась в следующих условиях:

«как получена»
после обработки:
- однократным пропусканием через систему ИК-нагрева,
- сухим прогревом в течение 4 часов при температере
  155° С плюс-минус 2° С, тест Б
- влажным равномерным прогревом - 10 дней при температуре
  40° С плюс-минус 2°С, тест Ca, естественным «старением» в лабораторных условиях.

С целью сравнения была также протестирована «чистая» медная печатная плата непосредственно после пемзовой очистки.
2.2. Критерии и требования к паяемости

Критерии и требования к паяемости печатных плат представлены в табл.1

Табл.1.

Критерий	Требование
Время смачивания	не более 2 с.
Максимальная сила смачивания	не менее 120 мН/м
Качество паяемой поверхности	неравномерность покрытия менее 5% относительнообразцовой металлической поверхности, погруженной в ванну с припоем

Время смачивания tz (c)- время, от момента первого контакта образца и ванны с припоем до момента, когда угол контакта эквивалентен 90 градусов.

Максимальная сила смачивания Pmax (мН/м) - измеряемая сила смачивания Fmax на печатном проводнике (только металлическая часть) между образцом и припоем. Качество защитного покрытия погруженной поверхности определяется визуально после извлечения образца из ванны с припоем.

2.3. Результаты тестирования паяемости

Результаты тестирования: время смачивания и максимальная сила смачивания представлены в таблице 2.

Примеры кривых смачивания образцов в состоянии «как получено» показаны на рисунке 4. Диаграммы на рисунке 5 (максимальная сила смачивания Pmax) и рисунке 6 (время смачивания tz) иллюстрируют изменение паяемости при различных условиях.

Рисунок 4.

Рисунок 5.

Рисунок 6.

Качество паяемой поверхности тех частей образца, которые были погружены в ванну с припоем, было проверено визуально. Было выявлено, что все тестируемые платы, независимо от типа покрытия и состояния печатной платы, были покрыты широким, гладким, непрерывным и ярким Sn63/Pb37 слоем припоя без осушки. Чуть хуже повело себя покрытие OSP Enthone Entek Plus. После четырехчасовой просушки при 155° С несмоченная и осушенная поверхность составляла более 90%.

Результаты тестирования паяемости показали, что:

все покрытия обеспечили высокий уровень паяемости, поскольку
Pmax > 120 мН.м, tz < 2 c и поверхности покрыты широким, гладким, непрерывным и ярким слоем припоя без осушки как в состоянии «как получено», так и после натурального и ускоренного «старения»,
исключение составляет OSP Enthone Entek Plus; это покрытие неустойчиво при длительном высокотемпературном воздействии (155° С, 4 часа), поскольку после этих испытаний платы, защищенные данным покрытием полностью потеряли паяемость
(Pmax.= -438 мН/м),
в состоянии «как получено» Sn-Pb HASL, Sn Omercon и OSP Enthone Entek Plus продемонстрировали сопоставимый высокий уровень паяемости, выше чем у покрытия Ni/Au и «чистой» (непокрытой) меди,
естественное и ускоренное «старение» снижает паяемость всех тестированных покрытий, однако в разной степени,
для покрытий HASL, Sn Omercon и OSP существует эффект снижения паяемости в зависимости от типа условий:
- 10 дневный Ca > 4 часового 1550С> 3-х месячного естественного дисперсионного твердения>1 прохода через инфра-красную систему,
другое соотношение между паяемостью и типом условий для покрытий Ni/Au:
- > 3-х месячное естественное дисперсионное твердение>10 дневного Ca>1 прохода через инфра-красную систему.

3. Измерение поверхностного сопротивления.

Метод измерения поверхностного сопротивления (SIR) - количественный метод измерения электрических свойств изоляционных материалов, включая поверхностное сопротивление между проводящими площадками печатных плат. SIR печатных плат зависит также от технологии покрытия.

Опытные образцы (рис.7) были сделаны из 1.5 мм стеклотекстолита FR-4, с нанесением с одной стороны медной фольги и затем были нанесены испытываемые покрытия. Для целей сравнения также было проведено тестирование «чистых» медных плат.

В начале измерения SIR были проведены при нормальных условиях окружающей среды. Затем образцы были обработаны в камере влажности. На первом этапе обработки в камере влажности c температурой 85° с и относительной влажностью (RH) 20%. Через 3 часа после стабилизации влажность постепенно была доведена до 85% и образцам было позволено достичь равновесия в течение одного часа. Затем напряжение +50 В подавалось в течение 168 часов. Измерения были проведены через 24 часовые интервалы. Для SIR измерений было использовано напряжение

- 100 В.

Образцы для тестирования контактных площадок отвечали требованиям к поверхностному сопротивлению ANSI/J-J-STD-004. После 96 и 168 часовой выдержки в камере влажности значение SIR было минимум 100 МВт. Результаты представлены в таблице 3.

Результаты показывают, что все образцы соответствуют требованиям SIR, что означает: ни одна из исследуемых защитных технологий не ухудшает поверхностного сопротивления печатных плат.

4. Прочность сдвига паяных соединений

Паяные соединения электронного оборудования во время их эксплуатации преимущественно подвергаются воздействию сил «сдвига». В нашем исследовании тестовое усилие сдвига было направлено на испытываемые платы (рис.8) в соответствии с IEC 68-2-21 и IEC 115-1. Контактные площадки были защищены исследуемыми покрытиями.

Рисунок 8

Чип-резисторы 1206 были припаяны к контактным площадкам печатных плат инфракрасной волной в соответствии с температурной диаграммой, показанной на рис.9. с применением SnPbAg паяльной пастой типа «fine-pitch».

Прочность на сдвиг паяных соединений была измерена после пайки и выдерживания при температуре 145° C, в течение 220 часов. Сдвиговое усилие было направлено на резистор в середине его длинной стороны параллельно поверхности печатной платы до разрушения соединения. Шаг увеличения усилия был постоянным и примерно эквивалентен 20 Н/с. Результаты теста приведены в таблице 4.

Как следует из таблицы 4:

Наибольшее усилие сдвига было получено для соединения, припаяного на площадки, защищенные Au/Ni покрытием. Это значение было чуть выше, чем для покрытий HASL и Sn Ormecon.
После 220 часовой выдержки при 1450С усилие сдвига уменьшилось на
6-8% независимо от типа покрытия.

Выводы.

Все исследованные покрытия печатных плат продемонстрировали уровень паяемости, требуемый в электронной промышленности в состоянии «как получено», так и после естественного и ускоренного «старения».

Только покрытие OSP EnthoneTM Entek Plus неустойчиво к долговременному высокотемпературному воздействию.
В состоянии «как получено» покрытия SN-Pb HASL, Sn Ormecon CSN и OSP EnthoneTM Entek Plus имеют сравнимую паяемость, а Ni/Au характеризуется чуть меньшей паяемостью.
Естественное и ускоренное «старение» снижает паяемость печатных плат, защищенных исследуемыми покрытиями, но не ниже требуемого уровня.
Все исследованные технологии покрытия не снижают поверхностного сопротивления печатных плат.
Прочность на срез паяных соединений более-менее одинакова для всех покрытий.
Печатные платы со всеми представленными безсвинцовыыми покрытиями - хорошая альтернатива печатным платам с обычными Sn-Pb покрытиями для применения SMT.