Многослойные СВЧ (сверхвысокочастотные) печатные платы — сложные и технологически продвинутые изделия, широко используемые в высокочастотных и высокоскоростных изделиях. Одна из важных особенностей таких плат — выбор оптимального финишного покрытия. Финишное покрытие оказывает влияние на надежность, производительность, электрические и механические характеристики платы, а также на ее совместимость с другими компонентами и процессами производства. В данной статье будет рассмотрено использование иммерсионного серебра в производстве многослойных СВЧ печатных плат, описаны его особенности и преимущества, а также проведено сравнение с другими видами финишных покрытий, такими как иммерсионное золото.
Одним из основных преимуществ иммерсионных покрытий, включая серебро, золото или олово, является контролируемый процесс нанесения, который обеспечивает равномерное покрытие и высокую плоскостность платы, без наплывов, характерных для других методов, таких как HASL.
Принципы и процесс нанесения иммерсионного серебра на печатные платы отличаются от других методов покрытия. Он основан на электрохимическом осаждении серебра на поверхности платы, и такой процесс обычно происходит быстрее, чем при использовании других материалов.
ЗОЛОТО ИЗ РАСТВОРИТЕЛЯ ПРИПОЯ! ПРИПОЙ КОТОРЫЙ СКРЫВАЕТ ЗОЛОТО!
Иммерсионное серебро — преимущества и недостатки.
Иммерсионное серебро — один из вариантов финишного покрытия, который применяется в производстве СВЧ печатных плат. Использование иммерсионного серебра имеет ряд преимуществ, таких как высокая проводимость, надежность и стабильность. Само серебро обладает высокими электрохимическими свойствами, что делает его привлекательным для применения в высокочастотных и высокоскоростных приложениях.
Однако, у иммерсионного серебра также есть ограничения и особенности. Например, стоимость серебра выше, чем других материалов, таких как олово, что может повлиять на общую стоимость производства печатной платы. Также важно соблюдать строгие условия хранения и эксплуатации плат, так как паяемость иммерсионного серебра может сильно зависеть от герметичности плат и условий их хранения. При нарушении герметичности, стабильность пайки может быть нарушена всего через 24 часа после нарушения герметичности, что требует особого внимания и заботы при обращении с платами, начиная от производства и до монтажа компонентов.
Сравнение с другими видами финишных покрытий:
Преимущества иммерсионного золота: высокая проводимость, стабильность и паяемость,обеспечение высокой планарности (плоскостности) для компонентов с мелким шагом, в т.ч. BGA, значительный срок хранения.
Ограничения иммерсионного золота: необходимость слоя никеля в качестве барьера между медью и слоем золота, что может снижать проводимость золота; более высокая стоимость из-за использования дополнительного слоя никеля.
Преимущества иммерсионного серебра: высокая проводимость, надежность и стабильность, не требуется слой никеля, что упрощает процесс создания покрытий и сокращает время нанесения примерно в 2 раза, снижение стоимости процесса по сравнению с ENIG.
Золото из припоя.
Источник: service-devices.com
Иммерсионное олово или золото
Печатные платы
Выбор финишного покрытия под пайку
На сегодняшний день существует большое разнообразие финишных покрытий, что говорит об отсутствии однозначного выбора в пользу какого-либо из них. Наиболее востребованы: OSP, ENIG, ImmSn, ImmAg и HASL. Рассмотрим преимущества и недостатки каждого из них.
HASL
Главное преимущество покрытий HASL (Hot Air Solder Leveling) или HAL (Hot Air Leveling) — долгий срок хранения. Изготовленные платы могут лежать на складе 10, а то и 20 лет до сборки, но, конечно, для хранения более 1 года необходимо принимать дополнительные меры по консервации плат. Из возможных проблем — недостаточная гладкость поверхности контактных площадок (если есть наплывы припоя — это плохо для компонентов с малым шагом выводов), а также повышенная термонагрузка, которой подвергаются голые печатные платы при погружении в расплавленный припой. Пока что еще нет приемлемых по качеству и относительно низкотемпературные бессвинцовые припои для HASL.
OSP
Что касается покрытия OSP (Organic Solderability Preservatives), то оно хоть и самое дешевое, но хранится без упаковки всего неделю, к тому же годится только для одноразового применения, то есть, процесс сборки ограничивается только одним циклом пайки и только с одной стороны.
ENIG
Покрытие ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) в отличии от OSP годится под многократную пайку. Тонкий слой золота защищает никель от окисления, а сам никель служит барьером, предотвращающим взаимную диффузию золота и меди. Такое покрытие остается надежным при хранении плат и более года, оно имеет хорошую смачиваемость, отличную коррозийную стойкость, ровную и плоскую контактную поверхность. Из недостатков разве что цена — выше где-то на четверть, чем у OSP, и флюс нужно выбирать подходящий. Плюс характерный для покрытия ENIG дефект — черные контактные площадки.
ImmSn
Особую популярность для финишного покрытия получило иммерсионное олово (ImmSn). Оно совместимо со всеми способами пайки, удовлетворяет требованиям RoHS и обеспечивает высокую плоскостность контактных площадок. К тому же имеет низкую стоимость процесса осаждения, обеспечивает даже лучшую паяемость, чем у ENIG, также хорошо смачивается и может сохранять свои качества более года. Проблемы с ImmSn возникали из-за образования интерметаллических соединений, но с ними научились справляться с помощью добавления барьерного подслоя различного типа из органического металла (OM-ImmSn). Из недостатков – самопроизвольное образование кристаллических «усов» из ImmSn и возможная «оловянная» чума чистого олова.
ImmAg
Покрытие из иммерсионного серебра (ImmAg) имеет много плюсов: процесс серебрения происходит при температурах, не превышающих 50°С, покрытие обладает отличной паяемостью и совместимо почти со всеми флюсами и паяльными пастами, обладает предсказуемой и повторяемой толщиной 0,3 мкм, что очень важно для ВЧ и СВЧ печатных плат. Более распространено в США, чем в Европе.
К недостаткам ImmAg можно отнести несколько меньший, по сравнению с HASL, срок «жизнеспособности» (12 месяцев) и склонность к миграционным процессам. Также в процессе хранения, сборки и пайки происходит изменение цвета покрытия (пожелтение) в результате взаимодействия с загрязнениями воздушной среды. Оно не сказывается на паяемости, а влияет исключительно на декоративные качества. Для «борьбы» с пожелтением в состав покрытия добавляют антиокислители, замедляющие этот процесс, а заодно и продлевающие срок хранения.
ImmAu
В последнее время все чаще появляются нарекания в адрес иммерсионного покрытия золотом (ImmAu). Встречающаяся потеря смачиваемости или непрочные паяные соединения становятся общеизвестными пороками иммерсионного золочения. Это явление знакомо всем под названием «черный никель» (black nikel) или «черная контактная площадка» (black pad).
Способность к пайке
По способности к пайке финишные покрытия можно распределить следующим образом:
- Горячее лужение (HASL-HAL)
- Иммерсионное олово с барьерным подслоем из органического металла (OM-ImmSn)
- Иммерсионное золото с подслоем химического никеля (ENIG)
- Простое иммерсионное олово (ImmSn)
- Иммерсионное серебрение (ImmAg)
- Органическое защитное покрытие (OSP)
Иммерсионное олово с барьерным подслоем из органического металла (OM-ImmSn) — хорошая альтернатива другим покрытиям, включая и иммерсионное золото. По срокам хранения, дольше всех без потери качества паяемости могут храниться платы с покрытиями HASL, ImmSn и ENIG.
- книга Чарльза Пфейла Разводка BGA
- Статья Ремонт разводки BGA на готовой плате
- Статья BGA разводка: ремонт паяльной маски
Источник: sepco.ru
Достоинства:
Процесс нанесения иммерсионного олова является еще одной альтернативой HASL и включает в себя одинаковые с ImAg этапы, за исключением более длительной выдержки в ванне для оловянирования (10 – 15 минут), что удлиняет конвейерную линию и удорожает процесс. Должна проводиться дополнительная отмывка для надежного удаления электролита оловянирования.
Как и ванна для никелирования в ENIG-процессе, ванна для оловянирования представляет собой неблагоприятную среду для паяльных масок, тем не менее, покрытие не может быть нанесено перед нанесением маски. Подвергшееся окислению олово, которое является побочным продуктом реакции нанесения покрытия и находится в ванне, может нарушить целостность покрытия.
Кроме того, медь достаточно легко мигрирует в слой олова, который обычно составляет 0,6 – 1,5 мкм. Кроме типового измерения толщины покрытия с помощью рентгенофлюоресцентного анализа, необходимы дополнительные тесты паяемости покрытия – в частности, старение в сочетании с тестом паяемости. Олово дает хорошую паяемую поверхность для поверхностно монтируемых компонентов, в частности, в корпусах BGA, однако количество циклов нагрева для данного покрытия может быть ограничена. Продолжительность процесса, как и у ImAg, составляет ~ 35 мин [5]. ImSn обеспечивает лучшую паяемость, чем ENIG, и создает хорошую скользящую поверхность для вставки штырьков разъема при запрессовке.
Проблемы олова
Для олово, применяемого в качестве финишного покрытия, характерны две основные проблемы – образование так называемых «усов» олова и интерметаллических соединений.
Усы олова
Усы олова – длинные (до 150 мкм) тонкие кристаллические нити разнообразной формы, растущие в различных направлениях из материала покрытия. Усы могут вызвать короткие замыкания проводящего рисунка платы как сами по себе, вследствие своего роста либо обламывания с последующим падением на поверхность ПП в процессе изготовления и/или эксплуатации изделия, так и создавая кратковременную электрическую дугу при пропускании большого тока и плавления уса. В этом случае может происходить кратковременный отказ изделия, а обломки усов, перемещающиеся по поверхности платы, вызывают как перемежающиеся, так и постоянные отказы изделия.
Процесс образования усов олова до конца не изучен, и не существует однозначных ответов на вопросы их возникновения и предотвращения появления. Отмечено, что основной причиной является сдавливающее напряжение в пленках олова, возникающее вследствие формирования интерметаллической структуры, окисления, коррозии, цикличного изменения температур или механических воздействий [27].
Рекомендации iNEMI Tin Whisker User Group сводятся, в целом, к использованию барьерных прослоек между медью и оловом, ограничивающих диффузию меди в олово и образование интерметаллидов. Также необходимо применять меры по предотвращению сильного окисления покрытия и конденсации влаги, ведущих к образованию коррозии.
Рекомендуется избегать нанесения олова поверх латуни, если при этом отсутствует барьерный никелевый подслой с минимальной толщиной 1,27 мкм, так как сочетание олово-латунь, как правило, приводит к образованию усов [27].
Также отмечено, что, если на покрытие воздействует продолжительное механическое сдавливающее усилие, то риск роста усов олова значительно увеличивается.
Более подробно с механизмом возникновения усов и прочими проблемами чистого олова можно ознакомиться в статье «Основные проблемы чистого олова» [27], опубликованной на нашем портале.
Источник: studfile.net