Безсвинцовые технологии

Если говорить о флюсе, то в бессвинцовом процессе он должен обеспечить смачиваемость наиболее трудносмачиваемых припоев и металлических поверхностей контактных площадок и компонентов, а также выдерживать более высокую температуру. Его активность должна быть выше. Более активный флюс уменьшает число окислов и улучшает смачиваемость. Кроме того, флюс для бессвинцового процесса должен обеспечивать достаточную термостабильность активаторов при высоких температурах. Очень важным моментом в технологическом процессе поверхностного монтажа является допустимый интервал изменения температуры. Проще говоря, это температурный диапазон, внутри которого технолог может варьировать, повышая или понижая температуру пайки для достижения оптимального результата. Понятно, что чем больше будет этот диапазон, тем проще наладить техпроцесс.

Верхним пределом данного  диапазона является максимально допустимая температура пайки. Обычно она составляет 247-250 °С. Это температурный предел, превышение которого может повредить компонентам. А нижний предел будет зависеть от некоторых факторов.

Для начала проанализируем температуру пайки обычного техпроцесса. Складывается температура пайки из 3 составляющих. Во-первых, это температура плавления сплава; она составляет 183 °С (Sn63Pb37). Во-вторых, нужно учесть 10°С на диффузию металлов и 0/+5°С на ее погрешность. В-третьих, следует учесть печи. Среднее значение ∆Т для всех конвекционных печей, используемых в промышленности, составляет примерно 10 °С. И, наконец, ∆Т контактных площадок и контактов компонентов — тоже примерно 10 °С. Складывая все параметры, мы получаем температуру пайки 215-218 °С. Остается большой допустимый интервал изменения температуры.

Теперь проанализируем температуру  пайки с использованием бессвинцового  припоя SAC. Если просто перенести все  параметры из обычного «свинцового» техпроцесса, то получим: температура плавления припоя 217 °С, диффузия +10 °С, допуск +5 °С, ∆Т печи +10 °С, ∆Т контактных площадок и компонентов +10 °С. Получается 247-250 °С — допустимого интервала изменения температуры нет.

Из этого можно сделать  вывод, что в большинстве случаев оставить параметры техпроцесса без изменения при переходе к бессвинцовой технологии не удастся.

Какие меры необходимо предпринять? Диффузия и ее погрешность останутся  неизменными как физическое явление, а вот снизить ∆Т печи и ∆Т контактных площадок и компонентов можно. ∆Т современных многозонных конвекционных печей становится все ниже и ниже.

ВЫБОР ФЛЮСОВ. Очень важно, чтобы флюс работал в широком диапазоне температур: 130:320°С. Распространенный сегодня флюс VOC (Volative Organic Compounds - композиция с органическими испаряющимися компонентами) не удовлетворяет требованиям бессвинцовой пайки. Его органический компонент испаряется при низких температурах. В момент расплавления и смачивания припоем он уже отсутствует. Экологи считают, что органический компонент VOC относится к веществам, разрушающим озоновый слой. Поэтому в бессвинцовой пайке используют флюсы на водной основе, не содержащие VOC-компонента. Их преимущества состоят в невоспламеняемости, меньшей интенсивности испарения, способности быть активными в широком температурном диапазоне. Для продления жизнеспособности этот флюс может быть заморожен как сам по себе, так и в составе паяльных паст. Он обеспечивает высокое поверхностное натяжение припоя и способен флюсовать отверстия.

МАТЕРИАЛЫ МОНТАЖНЫХ  ОСНОВАНИЙ. Чтобы избежать проблем расслоения и коробления оснований печатных плат, их необходимо изготавливать из материалов с большей температурой стеклования (Tg) - около 150°С и выше. Группа материалов типа FR-4 1 с Tg = 125°С, обычно используемая при пайке сплавом SnPb, уже не годится для пайки сплавом SnAgCu. Особенно критично поведение материала основания в процессе горячего облуживания HASL. Материалы типа FR-5 2 и полиимидные платы могут использоваться для бессвинцовой пайки без ограничений. Дешевые материалы типа FR-1, FR-2, FR-3 c Tg < 130°С уже не годятся для бессвинцовой пайки.

Законы Евросоюза RoHS (Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment) предлагают уйти от галогеновых  пламегасителей, входящих в состав связующего материала печатных плат массового применения. Материалы FR-4 с таким связующим имеют Tg в  диапазоне 130:150°С, что приемлемо  для бессвинцовой пайки. Но стоимость  таких материалов более чем на 30% выше. Для удешевления в состав армирующих компонентов вводят целлюлозную (СЕМ-1) или стеклянную (СЕМ- 3) бумагу (CEM - Composite Epoxy Material). Такие материалы  мягче для сверления, при их использовании  стенки отверстий ровнее, а расход сверл меньше, что создает им некоторые  преимущества перед FR-4 .

МЕТАЛЛИЗАЦИЯ  ОТВЕРСТИЙ Пластичность медных осадков должна соотноситься с температурным расширением основания плат по оси Z. Оно будет явно больше при более высоких температурах пайки бессвинцовыми припоями. Чтобы устоять перед расширением основания и гарантировать большую прочность и большую пластичность медных осадков, необходимо более жестко управлять процессом металлизации сквозных отверстий. Для обеспечения прогрева сквозных монтажных отверстий до более высоких температур, свойственных бессвинцовым пайкам, необходимо обеспечить соответствующую теплопроводность металлизации за счет увеличения ее толщины. Вышеописанное вынуждает пересмотреть нормы требований к технологии металлизации отверстий печатных плат.

ПОКРЫТИЯ ПОД  БЕССВИНЦОВУЮ ПАЙКУ Большое разнообразие финишных покрытий говорит об отсутствии выбора в пользу какого-либо одного-двух, удовлетворяющих всем требованиям по стоимости, смачиваемости, долговременности и т.д. Их перечень широк: - OSP (Organic Solderability Preservative); - NiAu (ENIG - Electroless Ni & Immersion Gold - химический никель и иммерсионное золото); - ImAg (Immersion Ag); - ImBi (Immersion Bi); - Pd (Electroplate or Electroless Pd - химический или гальванический палладий); - NiPd (Electroless Ni & Immersion Pd); - NiPdAu (Electroless NiPd & Immersion Au); - ImSn (Immercion Sn); - NiSn (Electroplate Ni & Sn); - SnAg (Electroplate Sn & Ag); - HASL (Hot-Air Solder Leveling). В этом ряду лидирующими покрытиями печатных плат под бессвинцовую пайку являются OSP, ENIG, ImAg и HASL с припоем SnCu [5-7].

HASL-процесс горячего облуживания плат состоит в их погружении на ограниченное время в ванну с расплавленным припоем. Процесс изготовления печатных плат HASL методом - нанесение расплавленного припоя на чистые медные контактные площадки печатных плат незащищенные паяльной маской аналогичен обычному позитивному методу. Однако,после травления меди с пробельных мест удаляется также олово/свинец со всех металлизированных поверхностей и далее паяльная маска наносится на чистые медные проводники. Затем вся печатная плата окунается в расплавленный 63/37 припой,который наносится на все поверхности свободные от паяльной маски (то есть контактные площадки). Используют специальные установки вертикального типа или горизонтального типа (рис.13). 

Во время быстрой выемки плат их обдувают струей горячего воздуха, которая сдувает излишки припоя и выравнивает покрытие. Но, несмотря на старания, наплывы припоя остаются. Особенно много их на развитых металлических поверхностях. В последующей сборке наплывы мешают установке мелких компонентов, что ограничивает применение HASL. Тем не менее, с точки зрения качества и исключительной способности к пайке это покрытие, безусловно, наилучшее. Поэтому там, где изготовление плат и сборка происходят в одном производстве, всегда стараются найти компромиссы, чтобы использовать HASL.

Еще один существенный недостаток HASL-процесса - жесткий термоудар, который  испытывают платы при погружении в расплавленный припой. Чем выше рабочая температура припоя, тем  серьезнее проблема обеспечения  надежности межсоединений. Ряд предприятий  не использует HASL-процессы для многослойных плат, считая, что они уменьшают  надежность внутренних межсоединений  из-за таких термоударов. Приемлемые по качеству и относительно низкотемпературные бессвинцовые припои для HASL-процессов  на сегодняшний день отсутствуют.

Достоинства: Наиболее хорошо известный и традиционно применяющийся метод покрытия, технология его нанесения и дальнейшего использования плат, покрытых HASL, хорошо отработана; Хорошая прочность паяного соединения; Выдерживает множество циклов пайки.

Недостатки:Значительная неплоскостность контактных площадок; Содержит свинец, вреден для окружающей среды и обслуживающего персонала; Затруднено применение для плат с большим соотношением толщина платы и диаметра металлизированного отверстия; Значительная тепловая нагрузка на плату, что может вызвать ее коробление; Возможны замыкания контактных площадок компонентов с малым шагом; не рекомендуется применять данный метод для компонентов с шагом менее 0.5 мм; Неравномерная толщина покрытия на контактных площадках разного размера и ориентации.

Покрытие OSP - Они состоят из органического слоя (на основе бензотриазола или имидазола), лежащего непосредственно на готовой к пайке медной поверхности и защищающего ее от окисления, обеспечивает защиту медной поверхности от окисления в процессе хранения и пайки. В конце пайки этот слой, выполнив свою функцию, теряет способность обеспечивать последующие процессы пайки. Но чтобы процесс пайки проходил в одну стадию группового нагрева, конструкторы изделий учитывают эту особенность в целях снижения себестоимости. OSP - хорошая альтернатива HASL. Но OSP имеет короткий жизненный цикл, что негативно сказывается на технологической надежности. Это покрытие не обеспечивает многократную пайку, тем более при высоких температурах. Чтобы избежать этих затруднений, приходится использовать азот в качестве нейтральной среды пайки.

Достоинства: Плоская поверхность контактных площадок. Совместимость с бессвинцовыми техпроцессами. Хорошая прочность паяных соединений (по некоторым данным лучше, чем для плат с покрытием HASL и иммерсионным золотом). Быстрый и относительно дешевый процесс. Отсутствие влияния на размер отверстий. Широкое окно процесса, хорошая контролируемость параметров

Недостатки: Деградация при высокой температуре, ограниченное количество циклов пайки. Чувствительность к неправильному обращению, в частности, деградация покрытия под действием отпечатков пальцев. Чувствительность к выбору флюсов. Чувствительность к растворителям, которые применяются для удаления неправильно нанесенной паяльной пасты (спиртовые растворы удаляют до 75% покрытия, растворы на водной основе – около 15%). При проведении электрического теста платы, тестовые пробники прокалывают покрытие, что может привести к появлению участков открытой меди

Покрытие ENIG (- химический никель и иммерсионное золото) ( ~ 4 мкм Ni + + ~ 0,1 мкм Au) - другая альтернатива HASL-процессам. Это покрытие свободно от ионных загрязнений и способно к многократной пайке при высоких температурах. Тонкий слой золота защищает никель от окисления, а никель становится барьером, предотвращающим взаимную диффузию золота и меди. Характерный для покрытия ENIG дефект - черные контактные площадки,(слайд) появляющиеся на поверхности из-за выделения никеля и восстановленного фосфора. Во время пайки золото растворяется в припое и обнажает плохо паяемый слой фосфора. Припой скатывается с фосфорированной поверхности, из-за чего и проявляется эффект черной контактной площадки. Черные контактные площадки могут возникать также при передержке процесса пайки. Передержка интенсифицирует образование интерметаллидов олова с никелем и олова с фосфором, внедренным в никель. Выделение фосфора на поверхности никеля может вызвать также процесс золочения. Осаждение золота из нейтральных электролитов уменьшает вероятность этих явлений.

ENIG капризно в выборе  флюсов, а его цена примерно  на 25% выше, чем у OSP. Преимущества ENIG: - жизнеспособность более года; - плоская контактная поверхность; - хорошая смачиваемость припоем  при правильном подборе флюса; - неокисляемая поверхность нажимных и скользящих контактов.

Достоинства:. Плоская поверхность, равномерная толщина покрытия. Хорошая паяемость при правильном выборе флюса (хорошо паяется с малоактивными флюсами). Выдерживает многократное термоциклирование. Неокисляемая поверх¬ность для контактирования (подходит для нажимных и скользящих контактов). Подходит для использования микросварки. Длительный срок хранения (жизнеспособность – более года). Не влияет на размер металлизированных отверстий. Подходит для установки компонентов с малым шагом

Недостатки: Более высокая стоимость (~ на 10% выше, чем у HASL). Необходим тщательный подбор флюса. Никель считается канцерогенным материалом. Возможно появление дефектов «черной контактной площадки» («black pad»)

Иммерсионное олово (ImSn) - еще одна альтернатива HASL-процессам. Популярность ImSn растет за счет обеспечения хорошей смачиваемости и простоты процесса осаждения. ImSn демонстрирует лучшую паяемость, чем ENIG.

Существуют ограничения  для применения ImSn: - самопроизвольные нитевидные кристаллические образования (усы), которые могут приводить  к короткому замыканию; - образование  интерметаллических соединений CuXSnY. При  этом способность к пайке исчезает, поскольку толщина иммерсионного  олова не превышает 1 мкм и CuXSnY быстро поглощает этот тонкий слой. В последнее  время возможность этого явления  предотвращают введением барьерного подслоя различного содержания: металлоорганика  и др.

Но у ImSn есть и  преимущества: - низкая стоимость процесса осаждения; - хорошая паяемость; - плоская  поверхность покрытия (в отличие  от HASL); - хорошие условия для обеспечения  беспаянных соединений Press-Fit (впрессовывание штырей-хвостовиков разъемов в металлизированные  отверстия плат).

(слайд 10 )Иммерсионное серебро (ImAg). Толщина ImAg не превышает 200 нм, поэтому расходы на реализацию этого покрытия незначительны. Жизнеспособность ImAg гораздо выше, чем OSP, но несколько меньше, чем ENIG. Изменение цвета покрытия в процессе хранения, сборки и пайки - результат загрязнения воздушной среды сульфатами и хлоридами. Пожелтение не сказывается на свойствах ImAg, но декоративность покрытия при этом страдает. Консервирующие покрытия антиокислителей тормозят процесс пожелтения и продлевают жизнеспособность покрытия. ImAg менее популярно в Европе, чем в США, где оно более доступно.